小型重物提升机的设计

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院本 科 毕 业 论 文题 目：专 业：班 级：学生姓名：指导教师：论文提交日期： 论文答辩日期： 摘要在 当 代 生 活 中 ， 我 们 生 活 中 的 每 个 角 落 充 满 着 各 式 各 样 的 机 器 。 很 多不 同 的 领域都需要用性能不同的的起重运输机械，进行运输、分配和输送等生产作业任务，起重机械设计很广随处都能见到。例 如 一 个 大 型 的生 产 工 作 厂 ， 没 有 现 代 化 ， 有 效 率 ， 安 全 度 高 的 设 备 ， 是 无 法 进 行 工 作 生产 的 。 所以说起重机在现实生活中的作用，早已经超过了它本身的对人类的辅助作用，因此起重机已经广泛的应用在生产工艺中，是生产工作中必不可缺少的重要机械。我们运用机械原理、机械制造技术和制图等知识研究设计这次的小型重物提升机。设计这种小型重物提升机是一般工作在室内。它的动力主要是电动机和通过齿轮传还有行星机传动传递动力等技术进行完成。小型重物提升机设计中关键的部分是减速器的设计要合理，设计包括：动力传动装置、执行元件、控制系统部分的设计以及对机械进行保护和密封等。本次设计的目的主要要求解决生产中的实际问题，不仅要求掌握专业知识足够多，还要锻炼独立解决问题的能力，提高查阅设计手册的能力，了解相关尺寸的国家标准和国际标准，熟练的使用 CAD/UG 绘制工程图。让我们在实际工作中熟练的进行绘制，让我们的设计更具实用性，易操性。这次的设计题目还让我们更多的接触社会。了解社会的发展趋向和国内外自动化时代的现状，为自己以后的发展方向做好铺垫。运用综合所学的知识，在老师的指导下解决设计中遇到的问题，培养学生理 论联系实际的能力、把握良好的设计思想和工作作风。因此在设计小型重物提升机时，我们不仅要对机械的性能和能力保障，而且对其安全性的考虑更要谨慎考虑。在这次设计中，我认真的学习了参考文献和一些相关的机械知识并且实地进行了参考并询问老师进行问题的解决，还进行了自己操作并且了解工件的加工工艺的难易度，并上网进行了查找资料等工作在学校请教老师，因此对于小型重物提升机的设计进行了优化和改良。关键词： 减速器; 传动系统; 执行元件; AbstractIn the present life, various machines have been widely used in every aspect of our life.More and more areas need to use a variety of lifting transport machinery, running, distribution and transportation and other production tasks, crane design is widely everywhere can see. For example, a large production factory, there is no modern, efficient, safe equipment, is unable to work production. So that the role of crane in real life, already more than itself to human supporting role, so the crane has been widely used in the production process is production work in the indispensable important mechanical.This design principle is the application of mechanical principle, mechanical manufacturing technology and graphics and other knowledge research design a small weight lifting machine. The design of this small weight lifting machine is generally working indoors. Its power is mainly motor and transmission through the transmission of the planetary gear transmission and other technology through the transmission of the motor and other technologies. Small weight lifting machine design and the key part of the deceleration device design to be reasonable, the design includes: power transmission system, the implementation of components, control part of the design and the mechanical lubrication and seal etc.Drawing purpose of the design of the main requirements to solve practical problems in production, not only required to master professional knowledge enough, we must exercise independent problem solving ability, improve access to the ability to design manual, understanding related to the size of the national standards and international standards, skilled use of CAD /UG of engineering drawing. Let us in the actual work of the skilled draw, so that our design more practical, easy to operate. The design also makes us more contact with society. Understand the social development trend and the status quo of the era of domestic and foreign automation, paving the way for their future development direction.Using the knowledge of integrated knowledge, the problem in the design is solved under the guidance of the teacher, and the ability of cultivating students theory, the design idea and the style of work are grasped.So when we design a small weight lifting machine, we must not only protect the mechanical performance and capacity, but also consider the safety of its security considerations. In this design, I seriously learning the references and some related knowledge of machinery and conducted a field reference and asked the teacher problem solving, their operations and to understand the parts of the processing difficulty, and the Internet are seeking information consult the teacher at school, so for small weight lifting machine design has been optimized and improved.Key words: Gear reducer; Drive system;Execution element; 目 录引言. 1第一章动力系统设计 . 21.1 设计方案的确定 . 21.1.1 设计参数. 21.1.2 设计方案的确定. 21.2 电机的选择 . 31.2.1 初选电动机类型和结构型式. 31.2.2 电动机的容量 . 4第二章提升机传动系统设计 . 7 2.1 传动装置的传动比及动力参数计算 .72.1.1 总传动比及滚筒初定 . 72.1.2 传动分 配 各 级 传 动 比 的 计 算 . 72.2 电 动 机 轴 齿 轮 的 设 计 .92.2.1 初 步 选 定 齿 轮 参 数 . .92.2.2 确定轴 齿 轮 中心距 a.92.2.3 几 何 尺 寸 的 计 算 . 102.3 内 齿 轮 的 设 计 . 112.3.1 按齿轮齿面接触疲劳计算. 11 2.4 行星齿轮的设计 . 122.4.1 按齿面接触疲劳计算 . 122.5 轴的结构设计 . 12 2.5.1 轴的结构设计原则 . 122.5.2 轴 承 的 选 择 . 132.5.3 轴 II 轴的设计 . 132.5.4 轴的设计、计算及轴承的确定 . 142.6 轴 II 轴的强度校核 . 152.6.1 轴 II 的强度校核. 15第三章行星架的设计. 19第四章提升机执行机构的设计. 204.1 卷筒的选择 . 204.1.1 卷筒的主要尺寸 . 204.2 吊钩的设计 . 224.2.1 吊钩的材料 . 224.2.2 吊钩的构造. 23第五章制动器的设计. 245.1.1 制动器的选用. 245.1.2 带式制动器的计算. 24第六章减速器的润滑和密封. 30 结 论 . 31参考文献 . 32 致 谢 . 33沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 引言 1引言大学即将结束毕业设计是大学课程中最后一门课也是对大学所学的知识的检验与应用，是一次很好的机会。在设计毕业设计中，毕业设计是对所学知识和现实应用能力的考察，是学问与实践的应用。毕业设计，学生利用综合运用所学知识解决实际问题，提高他们的技术水平，业务能力，识图，绘图和查阅手册，使用国家标准，以及考察写作能力和组织管理能力的能力。实现了能在以后的工作的基础，具有十分重要的意义。本次的任务是设计一个小型重物提升机一般工作在室内。由于到小型重物提升机主要工作部分是减速器，它在机器工作对升降的工作起到了十分重要的作用。在保证机器正常工作的同时还需要对机器的安全性上需要考虑。为了更好的进行设计，我做了很多这方面的工作对各各零件进行了选择。我国的提 升 机 开始于本世纪五十年代，提 升 机 元件生产已经走向成熟，并在各种机械设备上得到了广泛的使用。现代的提升机系统具设计合理，性能稳定，效率高，使用维修简单并且更加安全。小型重物提升机结构简单，安全，稳定，维修方便。不同的提升机，虽然在不同领域有不同的用处但是原理不近相同。滚筒的选择是对小型重物提升机性能好坏的抉择，电动机功率的要求，还有减速器是否合理。对于这种设计，我积极与同学讨论并通过相互交换意见进行改善，最终我有了自己设计的思路，根据设计所需，小型重物提升机中主要针对是对减速器的结构，尺寸，运动参数以及润滑密封，我进行了对这几方面的计算最终确定所选的型号和尺寸。在合理运用知识的同时，我还对提升机的安全性能和节能性能方面进行了考虑和计算为了更好的完成任务。为了让使设计简洁清晰，我在有些地方添加了图片并进行解释说明。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 提升机动力系统设计 2第一章提升机动力系统设计1.1 设 计 方 案 的 确 定1.1.1 设 计 参 数 ： 提起或落下一定质量的重物。 提升线速度约为 12m/min。(3) 提升质量约为 500kg。 采用一级变速。 所选电动机转速约为 8501000r/min。 制造条件：选择合适的减速机构，生产零件简单。1.1.2 设 计 方 案 的 确 定在 设 计 时 ， 我 们 设 计 原 动 机 和 工 作 机 之 间 夹 杂 着 减 速 器 ， 我 们 用 减 速 齿 轮 进 行 完成 。方 案 一 ： 运 用 蜗 杆 减 速 器 。 蜗 杆 减 速 器 ， 还 有 运 用 不 同 轴 。 这 种 方 案 的 特 点 是 构 造简 单 ， 体 积 大 。 （ 见 图 1.1）图 1.1 方 案 一 图沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 提升机动力系统设计 3方 案 二 ： 用 行 星 轮 、 内 齿 轮 与 外 齿 轮 结 合 传 递 运 动 和 传 力 。 行 星 轮 与 内 外 齿 轮 相配 合 。 这 种 方 案 的 优 点 是 ： 效率高 工作可靠，使用寿命长 结构紧凑 传动比稳定。 （ 见 图 1.2）图 1.2 方 案 二 图1.2 电 机 的 选 择1.2.1 电动机类型与结构型式电动机的选择十分主要，通过我们了解对提升机的工作特点、我们选择电源种类(交流或直流) 要确定、对于工作机的工作环境进行删选、对最大荷载量和荷载性质、起动性能和起动、制动、正反转的程度多方面考虑来选择电动机的类型，大小，容量( 功率 )和旋转速度，选取自己想要的型号。 电动机有直流电动机和交流电动机。由于生产单位一般多采用交流电源，因此，我们选用三相交流电动机。Y 系列三相笼型异步电动机，由于体形小，价格便宜，维修方便等特点。因此沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 提升机动力系统设计 4它被应用于无特、殊要求的机械上，经常起动和制动正反转的机械设备，我们选择电动机应具有较小的转动惯量还有足够大的过载量，因此我们用三相异步电动机 Yz型(笼型） 电动机容量选择的合理性直接影响电动机工作能力和寿命。因此选择的时候不能太大也不能太小，对于所选择的电动机要求跟实际应用的方面有关系。 因此我选用：Y 系列笼型三相异步交流电机。1.2.2 电动机的容量 确定提升机所需的功率 P由滚筒圆周力 和滚筒速度 v,得FP= 10VF=G=mg（N）m，提升重量 m=500kg，F=5009.8=4900 N F=4900NV=12/60=0.2m/s 带入数据得 P=49000.21000=0.98 KW 确定传动装置效率传动装置的效率由以下的要求：(1) 轴承的效仅是对一对轴承。(2) 如果传动副或运动副类型一样，我们应考虑它的效率。(3) 传动的效率与轴承的选择有关。因此各传动机构和轴承的效率为：10.98设计中，电动机与减速器相连的部件，等于一个凸缘联轴器I 轴 的 传动效率: 7.02沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 提升机动力系统设计 5II 轴 轴承传动效率：30.98 工作中传动的总效率故传动装置总效率： ， 213420.987.0.98.640.64电动机的输出功率 dP电动机输出功率；P/d则， P/ =1.417KW 查资料 P 取 1.5KWP64.098（3）电动机的技术数据经过考虑我们选定额定功率电动机，同步转速为 1000 ，6 级。查简 minr明机械设计手册 ，我们选用 Y100L6 三相异步电动机，其主要参数如下：电动机额定功率：P 0=1.5kw； P0=1.5kw电动机满载转速：n=940r/min n=940r/min 电 流 ： I=5.6A I=5.6A电动机外形和安装尺寸为： D=28mm D=28mmE=60mm E=60mmH=100mm H=100mmA=160mm A=160mmB=140mm B=140mmC=63mm C=63mmK=12mm K=12mmAB=205mm AB=205mmAD=180mm AD=180mmAC=105mm AC=105mm沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章 提升机动力系统设计 6HD=245mm HD=245mmAA=40mm AA=40mmBB=176mm BB=176mm沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 提升机传动系统的设计 7第二章提升机传动系统的设计2.1 传动装置的传动比与动力参数的计算2.1.1 总传动比及滚筒初定由于选定转速比为：i50/1 所以滚筒转速 940/50=18.8 nminr从而，滚筒直径： D =203.28 mm， (2-1)10v8.1*4.32圆整为 205 mm2.1.2 传动分 配 各 级 传 动 比 的 计 算(1) 总 传 动 比 ， 分 配 各 级 传 动 比1 总 传 动 比I=502 分 配 各 级 传 动 比取 i1=9.45,i2=i1/i2/50/9.45=5.29(2) 计 算 传 动 装 置 的 运 动 及 动 力 参 数1 各轴功率计算 P1 = KW (2-2)0.5981.47P2= =1.470.7=1.029KW (2-3)P3 = = KW (2-4)1232.0.0.972 各轴转速的计算沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 提升机传动系统的设计 8n 940 ， 1minrn2940/ 9.45=99.47 inrn318.80 i3 各轴输入扭矩的计算=14.93Nmm1T1P.479501.93n0NmA1T=492.74Nmm22.2.8 1各参数列表： 表 2-1轴 名参 数电 动 机 I II 轴 滚 筒 轴 (III)转 速 n（ r/min） 940 940 99.47 18.8功 率 P/kw 1.5 1.5 1.029 0.97转 矩 （ N.m） 14.93 14.93 392.7 492.72传 动 比 i 9.03 5.45 1效 率 0.98 0.7 0.98沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 提升机传动系统的设计 92.2 电 动 机 轴 齿 轮 的 设 计齿 轮 传 动 是 较 为 常 见 的 传 动 ， 它 是 原 理 是 依 靠 齿 轮 齿 廓 直 接 接 触 来 传 递 动 力 的 ，并 具 有 传 动 比 恒 定 ， 效 率 高 ， 寿 命 长 ， 对 绝 大 多 数 都 适 用 并 且 承 载 能 力 强 等 。生 产 当 中 ， 所 用 的 作 用 与 要 求 对 齿 轮 来 说 都 是 多 种 多 样 的 ， 但 也 就 包 含 这 两 项 基本 要 求 ：（ 1） 传 动 效 率 要 高 ， 并 且 齿 轮 传 动 在 执 行 任 务 时 ， 瞬 时 传 动 比 平 稳 ， 且 对 齿 轮 的 冲击 小 。（ 2） 齿 轮 承 载 能 力 高 ； 齿 轮 能 传 递 足 够 大 的 动 力 ， 使 用 时 间 长 ， 质 量 轻 ， 。为 了 挑 选 齿 轮 类 型 ， 我 们 对 材 料 ， 热 处 理 方 式 进 行 选 择 等 。 为 了 使 齿 轮 的 承 载 能 力提 高 并 且 还 使 齿 轮 传 动 更 加 平 稳 ， 我 选 择 高 变 位 齿 轮 传 动 。 会 对 减 速 器 造 成 负 担 ， 于 是把 齿 轮 选 用 硬 齿 面 ， 齿 轮 的 材 料 为 20Cr 钢 渗 碳 淬 火 ， 硬 度 为 5662HRC（ 查 表 ） 齿 轮按 7 级 精 度 制 造 （ 查 表 ） 。H1im=1500MP（ 查 图 ） ， F1im=460MP（查图）2.2.1 初 步 选 定 齿 轮 参 数由机械零件课程设计表 56，设 齿 数 比 为 u=4,选取 Z 24 d=0.7（ 查 表 ）1则 Z Z u24496 故取 Z 9621 22.2.2 确定轴 齿 轮 中心距 a 确定轴 齿 轮 的计算功率 c1P式中 K 场合系数,一小时，轻度震动。由机械工程手1ACPFMP（ K） A册查得 K 0.7；沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 提升机传动系统的设计 10K 精度系数，7 级精度，查得：FK 0.9；K 材料配对系数，齿面滑动速度 YFS2/ o F2=3.98/460=0.0057沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 提升机传动系统的设计 11 计 算 重 合 度 系 数Y=0.25+0.75/a=0.25+0.75/1.71=0.68862.3 内 齿 轮 的 设 计我们通过齿轮的精度，材质，传动方式，来确定许用应力。由所设计的传动方案，采用直齿圆柱齿轮传动。故齿轮选用软齿面，齿轮的材料为 45 钢调质处理，硬度为229286HBS（查表）齿轮按 8 级精度制造（查表） 。H1im=690MP（查图） ， F1im=220MP（查图）2.3.1 按齿轮齿面接触疲劳计算 确定公式参数因为滚动轴承非对称分布所以 d=0.9因为齿轮减速器为减速传动 所以 u=i=4.1 初步选定齿轮参数Z1=24, Z2=UZ1=4.124=98.4,取 Z2=98 几 何 尺 寸 的 计 算d1=mZ1=242=48mmd2=mZ2=298=196mma=m(Z1+Z2)/2=2(24+98)/2=122mmb=dd1=0.948=43.2mm,取 b2=45mmb1=b2（5 10）=50 55mm，取 b1=55mm 计算小齿轮的名义转矩T1=9550P/n1=95501.029/99.47=98.79N.M 齿 轮 的 实 际 圆 周 速 度v= d1n1/（ 601000） =4899.47（ 601000） =0.25m/s804.1.1 卷筒的主要尺寸根据计算选择卷筒的直径卷筒的主要尺寸为：直径 D、长度 L、厚度 B。 卷筒的直径 D由上求得可知：D=205 卷筒的长度卷筒为多层卷绕，设各层的卷绕直径分别为 D1 D2 D3D，共绕 n 层，每层有 Z 圈，则总的绕绳量为mH=Z(D1+D2+D3+DN) （4-1）D1=D+dD2=D+3dD3=D+5d沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 提升机执行机构的设计 21Dn=D+(2n-1)d代入上式得：mH=Zn+d1+3+5+(2n-1)=Zn(D+nd)所以 Z=mH/n(D+nd)(3)卷筒的厚度卷筒的壁厚可由经验公式确定对于铸铁卷筒 B=0.02D+(610)(mm)即：B=0.02300+(610)=1216(mm)对于钢卷筒 Bd在此选铸铁卷筒，由强度核及铸造工艺要求，铸铁卷筒壁厚不宜小于 12mm。取卷筒壁厚 B=14mm。(4) 钢丝绳为尾在卷筒上的固定由于钢丝绳为多层卷绕且使卷筒紧凑，采用下图所示方法将绳尾引到卷筒一侧，再用压板固定。(见图 4.1)图 4.1 绳尾固定示意图（2）压板的计算绳尾的压力 SS=kdSmax/eau（0.12）当 n=1.5 时， eau=e3=3.1当 n=2 时， eau=e4=3.1当 n=1.5 时， eau=e6=3.1沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 提升机执行机构的设计 22kd动系数 k=a+bv （a=1.11.4,a=1.2 b=0.1330.533 b=0.4,v=0.8）所以 k=1.52又因为 Smax=6yt/A=82691 N所以 S=1.521054.714/4.5=27.93KNS=2P (P 为每个螺钉的拉力)压板数 ny=ks/s1 (k安全系数，k1.52)为了安全，压板数不少于 2，取ny=4。 卷筒端盖的选择卷筒端盖的结构如下图：图 4-3 卷筒端盖 钢丝绳的选择钢丝绳相连卷筒，把旋转速度转化为线速度，在连接装置时设计要充分考虑安沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 提升机执行机构的设计 23全性。根据要求对轮的选取要考虑安全，选择截面为 8mm 直径的设计。4.2 吊钩的设计4.2.1 吊钩的材料选择的吊钩材料要谨慎，为避免发生危险，我们要求材料不存在突然崩裂的危险。为了减轻锤的重量，我们选择冲程的材料需要高强度，对于材料强度的选择，对于这种吊钩的材料通常存在裂纹和缺失，对于这种强度大的材料，如果发生意外或崩裂。后果非常严重。由于以上考虑，我们选择吊钩的材料是低碳钢。4.2.2 吊钩的构造系物绳或专用吊具的尺寸决定吊钩钩孔的尺寸。系物绳的直径决定钩空尺寸。单钩 a=(305000)m0(t)1/2=(1012)Q(KN)1/2(mm)。双钩 a=(2025)m0(t)1/2=(78)Q(KN)1/2(mm)，大起重量取小值。钩 a1 较钩孔 a小，a 13a/4。我们通过对吊钩的受力分析，我们选择吊钩的断面形状为 T 行。沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 提升机执行机构的设计 24第五章制动器的设计提升机的工作特点是间歇工作，所以制动器是必不可少的。5.1.1 制动器的选用制动器的选择需要满足货物制动的静距力并且还需要富裕的扭力来维系安全，故应满足下式MzhKzhMj(N.m)Kzh制动安全系数 查表取;Kzh=1.75下降静力矩为：Mj=(Q1+Q0)Doy/2Mj由于带式制动器的制动带包角很大，因而制动力矩很大，对于同样制动力矩可以采用比块式制动器更小的制动轮且它的结构紧凑，因此在此选用带式制动器。5.1.2 带式制动器的计算（1）根据制动原理，平衡圆周力。(见图 5.1)沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 制动器的设计 25F=T-t=P=2Mz/D图 5.1 制动原理示意图式中 D制动轮直径，按需要的制动力矩由表取 D=600mm，M2300kgf.m，宽试 B=110mm。根据欧拉公式，带的两端张力之间的关系为T=tea式中 摩擦系数，查表取a制动带绕在制动轮上的包角(rad)。通常取 25002700 在此取 a=2600。验算直径 D，D=4Mzhe a/P(ea-1)1/3 式中许用压力比，通常为P0.30.6N/mm 2 取 P=0.4N/mm2=0.20.3，D 大时取小值。取 =0.25所以 D599.4mm，取 D=600mm，合适所以 P=2Mz/D=23001000/600=1000kgfT=Pea (ea-1)=349.6kgft=P/(ea-1)=793.7kgf(2) 制动带的宽度 b 一般比制动轮的宽度 B（见表）小 510mm，取 b=100mm计算带的绕入端张力验比压力，即qmax=T/(D/2)bq(kgf/cm2)沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 制动器的设计 26q 许用压力比，查表得q=15kgf/cm 2所以 qmax=11.4kgf/cm2q=15kgf/cm2 合适。(3) 制动带的厚度 是根据两端的最大张力，防止面断裂，防护强度大小和拉伸强度来确定，即; =T/(b-Zd)1(cm)式中 d连接铆钉直径，一般范围 d=0.41cm，我们选取 d=0.8cm。Z为每排铆钉数值：取 Z=61带的拉伸许用应力，钢带的材料常用 A3、A5 和 45 钢，1=8001000kgf/cm2；取 1=900 落千丈 kgf/cm2根据制动的厚度与宽度的关系查表得： =6mm(4) 带式制动器的比压力分布是不均匀的，如下图，在最大张力 Smzx 处比压力p 也 最大。 （见图 5.2）图 5.2 制 动 带 比 压 力 分 布 图P=Pmax=2Smax/DB=282691/（6001000）=2.76KN式中 D制动轮直径，B制动带宽度。(5) 验算制动力矩Mzh=（Smax-Smin）D/2根据摩擦公式，制动轮转动时； Smax=Smin eHa式中 a包角，单位为孤度；摩擦系数沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 制动器的设计 27Smin=Smax/ea =36588.9NMzh=SmaxD(1-1/ea)2由于 Smax=DBp2所以；Mzh=D2BP(1-1/ea)/4=D3p（1-1/e a）/4=0.2560030.4(1-1/e0.182600/36002)=302.4 kgf.mM