液压绞车设计

目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪 论 3 1 1 液压传动系统概论 3 1 1 1 传动类型及液压传动的定义 3 1 1 2 液压系统的组成部分 3 1 1 3 液压系统的类型 3 1 1 4 液压技术的特点 4 2 卷扬机构的方案设计 4 2 1 常见卷扬机构结构方案及分析 4 2 1 1 非液压式卷扬机构方案比较 4 2 1 2 液压卷扬机构的分类 6 2 1 3 液压式行星齿轮传动卷扬机构布置方案 6 2 2 本设计所采用的方案 8 2 3 卷扬机构方案设计注意事宜 9 3 卷扬机构组成及工作过程分析 9 3 1 卷扬机构的组成 9 3 2 卷扬机构工作过程分析 9 3 2 1 卷扬机构的工作周期 9 3 2 2 载荷升降过程的动力分析 10 4 卷扬机卷筒的设计和钢丝绳的选用 12 4 1 卷扬机卷筒的设计 12 4 1 1 卷扬机卷筒组的分类和特点 12 4 1 2 卷筒设计计算 12 4 2 钢丝绳的选择 16 5 液压马达与平衡阀的选择 16 5 1 液压马达的选用与验算 16 5 1 1 液压马达的分类及特点 16 5 1 2 液压马达的选用 16 5 1 3 马达的验算 17 5 2 平衡阀的选用 19 5 2 1 平衡阀的功能简介 19 5 2 2 平衡阀的选用 19 6 制动器的设计与选用 20 6 1 制动器的作用 特点及动作方式 20 6 2 制动器的设计计算 21 6 2 1 制动转矩的计算 21 6 2 2 制动盘的设计选用 22 6 2 3 制动盘有效摩擦直径计算 22 6 2 4 制动器散热的验算 23 6 2 5 全盘式制动器设计计算 25 7 离合器的设计与选用 25 7 1 离合器的功用 特点与分类 25 7 2 圆盘离合器主要性能参数的计算 26 7 2 1 离合器的计算转矩 26 7 2 2 圆盘摩擦片的主要尺寸关系 27 7 2 3 摩擦式离合器的摩擦转矩 28 7 2 4 圆盘摩擦离合器压力的计算 28 8 轴的设计 29 8 1 轴的材料 29 8 2 轴的工作能力的计算 29 8 3 轴的结构设计 32 8 3 1 拟定轴上零件的装配方案 33 8 3 2 根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 33 8 3 3 轴上零件的周向定位 33 9 结束语 35 参考文献 36 致谢 37 摘 要 本次毕业设计是通过分析液压绞车的工作原理 特点及环境 结合实践 并 在进行仔细考查后 对液压绞车的整体结构进行了设计 对各组成的元件进行了 选型 计算和校核 液压绞车由进口液压马达 平衡阀 常闭多片式制动器 离 合器 卷筒 支承轴和机架等部件组成 可根据需要要求 设计阀组直接集成于 马达配油器上 如带平衡阀 高压梭阀 调速换向阀或其它性能的阀组 液压绞 车结构上具有紧凑 体积小 重量轻 外型美观等特点 而在性能上则具有安全 性好 效率高 启动扭矩大 低速稳定性好 噪音低 操作可靠等优良特点 在 提升和下放工作中运转相当平稳 带离合器的绞车可实现自由下放工况 广泛适 用于铁道机车和汽车起重机 船舶 油田钻采 地质勘探 煤矿 港口等各种起 重设备中 关键词 液压绞车 计算 校核 阀组 Abstract The graduation project is carried out by the principle of a hydraulic winch work environment and the characteristics of the analysis combined with practical and conducting careful observation of the overall structure of the hydraulic winch has been designed for the constituent elements were selection calculation and check Hydraulic winch from imported hydraulic motor balance valve normally closed multi disc brakes clutch reel supporting shaft and rack and other components according to the needs of requirements design valve with integrated directly on the motor oil such as with balancing valve high pressure shuttle valve governor valve manifold or other properties With a compact small size light weight good looks and so on hydraulic winch structure but in terms of performance it has a good safety high efficiency high starting torque low speed stability low noise reliable operation and other fine features the lifting and lowering of the work is quite smooth operation winch with clutch free fall conditions can be achieved is widely used in railway locomotive and truck cranes ships oil drilling geological exploration coal mines ports and other lifting devices Key words Hydraulic winch computing check Manifolds 1 绪 论 1 1 液压传动系统概论 1 1 1 传动类型及液压传动的定义 一部完备的机器都是由原动机 传动装置和工作机组成 绞车 用卷筒缠绕 钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备 又称卷扬机 绞车是可单独使 用 也可作起重 筑路和矿井提升等机械中的组成部件 因操作简单 绕绳量大 移置方便而广泛应用 主要运用于建筑 水利工程 林业 矿山 码头等的物料 升降或平拖 卷扬机的卷扬机构一般由驱动装置 钢丝绳卷绕系统 取物装置和 安全保护装置等组成 驱动装置包括电动机 联轴器 制动器 减速器 卷筒等 部件 钢丝绳卷绕系统包括钢丝绳 卷筒 定滑轮和动滑轮 取物装置有吊钩 吊环 抓斗 电磁吸盘 吊具挂梁等多种形式 安全保护装置有超负载限制器 起升高度限位器 下降深度限位器 超速保护开关等 根据实际需要配用 1 1 2 液压系统的组成部分 液压传动与控制的机械设备或装置中 其液压系统大部分使用具有连续流动 性的液压油等工作介质 通过液压泵将驱动泵的原动机的机械能转换成液体的压 力能 经过流量 压力 方向等各种控制阀 送至执行机器 液压缸 液压马达 或摆动液压马达 中 转换为机械能去驱动负载 1 1 3 液压系统的类型 液压系统可以按多种方式进行分类 见表 1 1 表 1 1 液压系统的分类 1 1 4 液压技术的特点 液压传动与其它传动控制方式相比较 液压技术的特点如下 1 优点 1 单位功率的重量轻 2 布局灵活方便 3 调速范围大 4 工作平稳 快速性好 5 易于操纵控制并实现过载保护 6 易于自动化和机电一体化 7 易于操纵控制并实现过载保护 8 液压系统设计 制造和使用维护方便 2 缺点 1 不能保证定比传动 2 传动效率低 3 工作稳定性易受温度影响 4 造价较高 5 故障诊断困难 2 卷扬机构的方案设计 卷扬机方案设计的主要依据 机构的驱动方式 安装位置的限制条件和机型 种类与参数匹配等 2 1 常见卷扬机构结构方案及分析 2 1 1 非液压式卷扬机构方案比较 根据卷扬机构原动机和卷筒组安装相对位置不同 卷扬机构结构布置方案的 基本型有并轴式和同轴式两种 而这两种基本型中又有单卷筒和双卷筒之分 下 面介绍几种常见的卷扬机构结构方案 图 2 1 并轴布置单卷筒卷扬机构 图 2 1 所示为并轴式单卷筒卷扬机构 他们的卷筒轴与原动机轴线并列平 行布置 结构简单 紧凑 为了提高取物装置在空载或轻载时的下降速度 有的卷扬机构设置了重力下降装置 图 2 1b 在卷筒上装有带式制动器和内 涨式摩擦离合器 图 2 1 a b 所示方案 它们是把卷筒安装在减速器 输出轴的延长部分上 从力学观点看 属于三支点的超静定轴 减小了轴承受 的弯矩 但是 这种结构对安装精度要求很高 而且使的卷筒组和减速器的装 配很不方便 减速器也不能独立进行装配和试运转 更换轴承也较困难 图 2 2 并轴布置双卷筒卷扬机构 双卷筒集中驱动 可减少一套液压马达及传动装置 2 1 2 液压卷扬机构的分类 近年来普遍采用了行星齿轮传动的多速卷扬机构 利用控制多泵合流和液压 马达的串并联或采用变量液压马达实现卷扬机构的多种工作速度 从而实现轻载 高速 重载低速 提高工作效率 以满足各种使用要求 由于选用的液压马达 的形式不同 液压传动的起升机构可分为下列几种形式 高速液压马达传动和低 速大扭矩马达传动 高速液压马达传动需要通过减速器带动起升卷筒 虽然低速 马达本身体积和重量较大 但不用减速器 使整个液压起升机构重量减轻 体积 减小 并使传动简单 零件少 起动性能和制动性能好 对液压油的污染敏感性 小 壳转的内曲线径向柱塞式低速大扭矩马达 可以装在卷筒内部 由马达壳体 直接带动卷筒转动 结构简单紧凑 便于布置 图 2 3 液压卷扬机构布置方案 一 2 1 3 液压式行星齿轮传动卷扬机构布置方案 液压多速卷扬机构有多种布置方案 如 1 液压马达 制动器和行星减速器分别布置在卷筒的两侧 即对称布置 图 2 3 2 液压马达和制动器分别布置在卷筒的两侧 行星减速器装在卷筒内部 图 2 4 图 2 4 液压卷扬机构布置方案 二 图 2 5 液压卷扬机构布置方案 三 3 液压马达 制动器布置在卷筒同一侧 行星减速器装在卷筒内 图 2 5 4 液压马达 制动器和行星减速器均装入卷筒内部 图 2 6 图 2 6 液压卷扬机构布置方案 四 方案二和方案三属于同一类型 因为行星减速器装在卷筒内 所以体积小 结构较紧凑 但会使卷筒内的空间位置受到限制 提高了安装精度 零件加工工 艺复杂 轴承的选择较困难 维修不方便 它们的不同处是制动器的安装位置 方案二显得对称性好 方案四显然比方案二和方案三的外形尺寸更小 结构更 加紧凑 但是它除了有二 三方案中的问题外 还存在制动器和液压马达的散热 性极差 检修调试也很不方便 图 2 7 液压卷扬机构布置方案 五 2 三 四方案均属同轴式布置 液压马达和卷筒轴需要在同一中心线上 总成组装时要保证规定的同心度 5 液压马达 制动器和行星减速器都布置在卷筒的同一侧 图 2 7 这 种布置形式 机构的轴向尺寸较大 不便于维修 同时也会给总体布置带来一定 困难 但它易于加工和装配 总成分组性较好 2 2 本设计所采用的方案 本设计由于给出的马达的排量为 520ml r 工作压力为 16 5MP 因此选用低 速大扭矩马达 采用低速方案 不选用减速器 传动方案根据比较选用如 图 2 8 所示 多片盘式制动器安装在马达上 联轴器内置于卷筒内 此方案整体 体积小 结构较紧凑 图 2 8 本设计所采用的方案 2 3 卷扬机构方案设计注意事宜 卷扬机构的方案的设计除认真考虑以上问题外 还要酌情处理好以下事宜 1 分配机构总传动比时 级差不宜过大 一般可采取从原动机至卷筒逐级 降低传动比的分配方法 2 卷筒直径尽量选取最小许用值 因为随着卷筒直径的增加 扭矩和传动 比也随之增大 引起整个机构的尺寸膨胀 但在起升高度大的情况下 为了不使 卷筒长度过大 有时采用加大直径的办法来增加卷筒的容绳量 3 对于具有多种替换工作装置的机械 卷筒的构造应能提供快速换装的措 施 如制成剖分组合式卷筒等 4 滑轮组的倍率对机构的影响较大 因此 滑轮组的倍率不宜取得过大 一般当起升载荷 PQ 50kN 时 滑轮组的倍率宜取 2 PQ 250kN 时 倍率取 3 6 载荷量更大时 倍率可取 8 以上 5 卷扬机构的制动器是确保工作安全可靠的关键部件 支持制动器一般应 装在扭矩最小的驱动轴上 这样可减少制动器的尺寸 但是若采用制动力矩大 体积小结构简单的钳盘式制动器时 可将其装在卷筒的侧板上 以提高卷扬机 构的可靠性 对于起吊危险物品的卷扬机构应置两套制动装置 3 卷扬机构组成及工作过程分析 3 1 卷扬机构的组成 根据选用的低速方案分析卷扬机由液压马达 长闭多片盘式制动器 离合器 卷筒 支承轴 平衡阀和机架等部件组成 3 2 卷扬机构工作过程分析 3 2 1 卷扬机构的工作周期 卷扬机构是周期性作业 一个工作周期为 启动加速 0 a 稳定运动 a b 和制动减速 b c 三个过程 图 2 1 载荷由静止状态被加速到稳 定工作速度 稳定运动 时 所经历的时间称为启动时间 从 a 到 b 经历的时间 称为工作时间 从 b 点的稳定运动减速到静止状态时所经历的时间成为制动时 间 起动和制动时间直接影响卷扬机的工作过程 设计时可通过计算选取较为适 合的时间 图 3 1 卷扬机构工作过程曲线 3 2 2 载荷升降过程的动力分析 卷扬机构带载作变速运动 起动或制动 时 作用在机构上的载荷除静力外 还有作加速运动 或减速运动 质量产生的动载荷 1 起升起动过程 当卷扬机构带载提升时 载荷从静止状态加速到稳定运动 速度 v 的瞬时过程称为起升起动过程 此时 悬挂载荷的钢丝绳拉力 图 3 2a 为 S PQ Pg 式中 PQ 起升载荷 Pg 由加速运动质量产生的惯性力 在起升起动时 惯性力方向与起升载荷方向相同 使钢丝绳拉力增加 图 3 2 重物升降过程的动力分析 a 起升起动 b 起升制动 c 下降起动 d 下降制动 2 起升制动过程 卷扬机构由匀速运动制动减速到静止的过程称为起升制动过程 此时 悬挂 重物的钢丝绳拉力S PQ Pg 图 3 2b 由于减速运动质量产生的惯性力Pg 的方向与起升载荷PQ的方向相反 故使钢丝绳拉力减小 3 下降启动过程 将载荷从静止状态加速下降到匀速的过程称为下降起动过程 图 3 2c 此时 惯性为Pg的方向与载荷PQ 的方向相反 使钢丝绳拉力减小 即 S PQ Pg 4 下降制动过程 卷扬机驱动悬吊载荷以匀速下降时 将制动器上闸 使载荷由匀速下降减速 到静止状态的过程称为下降制动过程 图 3 2d 此时因惯性力Pg的方向与起 升载荷PQ 的方向一致 故使钢丝绳拉力增加 即S PQ Pg 综上分析可得如下结论 起升起动和下降制动是卷扬机构最不利的两个工 作过程 起升起动时原动机要克服的阻力距是静阻力矩与最大惯性阻力距之和 因此 原动机的起动力矩 Mq 必须满足 Mq Mj Mgmax 下降制动是制动器最不利的工作过程 所以 卷扬机构支持制动器的制动 力矩 Mz 应满足下面条件 Mz Mj Mgmax 才能将运动的物品在规定的时间内平稳的停住 式中 Mj 卷扬机构驱动载荷匀速运动时的静阻力矩 Mgmax 卷扬机构起 制动时的最大惯性阻力矩 显然 上述两种工作过程是决定卷扬机原动机和制动器性能以及对机构的 零部件进行强度计算的依据 4 卷扬机卷筒的设计和钢丝绳的选用 4 1 卷扬机卷筒的设计 4 1 1 卷扬机卷筒组的分类和特点 卷筒是起升机构中卷绕钢丝绳的部件 常用卷筒组类型有周边大齿轮式 齿轮连接盘式 短轴式和内装行星齿轮式 周边大齿轮式卷筒组多用于传动速比大 转速低的场合 一般为开式传动 卷筒轴只承受弯矩 齿轮连接盘式卷筒组为封闭式传动 分组性好 卷筒轴不承受扭矩 是目前 桥式起重机卷筒组的典型结构 缺点是检修时需沿轴向外移卷筒 根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数分单层绕卷筒和多层绕卷筒 由于本设计的 卷绕层数为三层 因此采用多层卷筒 根据钢丝绳卷入卷筒的情况分单联卷筒 一根钢丝绳分支绕入卷筒 和双卷筒 两根钢丝绳分支同时绕入卷筒 单联 卷筒可以单层绕或多层绕 双联卷筒一般为单层绕 起升高度大时 为了减小双 联卷筒长度 有将两个多层绕卷筒同轴布置 或平行布置外加同步装置的实例 多层卷筒可以减小卷筒长度 使机构紧凑 但钢丝绳磨损加快 工作级别 M5 以上的机构不宜使用 4 1 2 卷筒设计计算 根据卷扬机工作状况和起升载荷确定卷扬机起升机构的工作级别 查表得汽 车 轮胎 履带 铁路起重机 安装及装卸用吊钩式 利用等级 T5 载荷情况 L2 工作级别 M5 1 卷筒名义直径 D D e 1 d 式中 e 卷筒直径比 由表选取 D 卷筒名义直径 卷筒槽底直径 mm D 钢丝绳直径 mm e 根据卷扬机工作级别 M5 选用 e 25 根据已知得 d 8mm 把数值代入 式中得 D 25 1 8 192mm 根据所得的数据选卷筒名义直径 D 200mm 卷筒最小直径的计算 Dmin hd 式中 Dmin 按钢丝绳中心计算的滑轮的最小直径 mm D 钢丝绳直径 mm H 系数值 根据机构工作级别为 F Dmin 18 8 144 D Dmin 所以卷筒直径符合条件 2 卷筒长度 L 确定 由于采用多层卷绕卷筒 L 由下式 1 1 ndDn p l L dp 2 1 1 1 式中 l 多层卷绕钢绳总长度 mm 数值为 27m 把数据代入式中得 mmL52 195 8200 3 6 910271 1 3 取多层卷绕卷筒长度 L 200mm 3 绳槽的选择 单层卷绕卷筒表面通常切出导向螺旋槽 绳槽分为标准槽和深槽两种形式 一般情况都采用标准槽 当钢丝绳有脱槽危险时 例如起升机构卷筒 钢丝绳向 上引出的卷筒 以及高速机构中 采用深槽 多层卷绕卷筒表面以往都推荐做成 光面 以减小钢丝绳磨损 但在使用中 带螺旋槽的卷筒多层卷绕时 由于绳槽 保证第一层钢丝绳排列整齐 有利于以后各层钢丝绳的整齐卷绕 光面卷筒极易 使钢丝绳多层卷绕时杂乱无序 导致钢丝绳磨损远大于有绳槽的卷筒 带绳槽单 层绕双联卷筒 可以不设挡边 因为钢丝绳的两头固定在卷筒的两端 多层绕卷 筒两端应设挡边 以防止钢丝绳脱出筒外 档边高度应比最外层钢丝绳高出 1 1 5 d 1 绳槽半径 R 根据下式 R 0 53 0 56 d 取 R 0 5d 把数值代入得 R 0 5 8 4 4mm 绳槽节距 P d 2 4 mm 取 P 8 2 10mm 绳槽深度 h 0 25 0 4 d 取 h 0 35d 0 35 8 2 8 图 4 1 绳槽的放大示意图 2 卷筒上有螺旋槽部分长 L0 p dZ l L 3 1 0 式中 D0 D0 D d 卷筒计算直径 由钢丝绳中心算起的卷筒直径 mm Z1 Z1 1 5 为固定钢丝绳的安全圈数 取 Z1 2 把数据代入 式中得 mmL 8 16710 823 1027 3 0 由此可取 0L 170mm 3 绳槽表面精度 2 级 Ra 值 12 5 4 卷筒壁厚 初步选定卷筒材料为铸铁卷筒 根据铸铁卷筒的计算式子 0 02D 6 10 mm 把数值代入式中有 0 02D 8 12 mm 故选用 12 mm 5 钢丝绳允许偏角 钢丝绳绕进或绕出卷筒时 钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度推荐不大于 3 5 对于光面卷筒和多层绕卷筒 钢丝绳与垂直于卷筒轴的平面的偏角推荐不大 于 2 以避免乱绳 布置卷绕系统时 钢丝绳绕进或绕出滑轮槽的最大偏角推荐不大于 5 以 避免槽口损坏和钢绳脱槽 6 卷筒强度计算 卷筒在钢丝绳拉力作用下 产生压缩 弯曲和扭转剪应力 其中压缩应力最 大 当 L 3D 时 弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力的 10 15 只计算 压应力即可 当 L 3D 时 要考虑弯曲应力 对尺寸较大 壁厚较薄的卷筒还需 对筒壁进行抗压稳定性验算 由于所设计的卷筒直径 D 200mm L 200mm L 3D 所以只计算压应 力即可 卷筒筒壁的最大压应力出现在筒壁的内表面压应力 c 按下式计算 cc p S AA max 21 式中 c 卷筒壁压应力 MPa Smax 钢丝绳最大静拉力 N A1 应力减小系数 在绳圈拉力作用下 筒壁产生径向弹性 变形 使绳圈紧度降低 钢丝绳拉力减小 一般取 A1 0 75 A2 多层卷绕系数 多层卷绕时 卷筒外层绳圈的箍紧力压 缩下层钢丝绳 使各层绳圈的紧度降低 钢丝绳拉力减小 筒壁压应力不与 卷绕层数成正比 A2按表取值 c 许用压应力 对铸铁 c b 5 b为铸铁抗压 强度极限 对钢 c g g为钢的屈服极限 取 A1 0 75 A2按表取 A2 1 8 根据已知卷筒底层拉力 1100kgf 可算得 Smax 1100 9 807 10787 7N 把各数代入式中 MP c 36 121 1012 7 1078 8 175 0 根据所计算的结果查得卷筒的材料为球墨铸铁 QT800 2 其抗压强度极限 b 800MP b 5 160MP c 121 36MP b 5 因此材料选用合格 4 2 钢丝绳的选择 在腐蚀性环境中应采用镀锌钢丝绳 钢丝绳的性能和强度应满足机构安全和 正常工作的要求 钢丝绳的直径为已知 d 8mm 5 液压马达和平衡阀的选择 5 1 液压马达的选用与验算 5 1 1 液压马达的分类及特点 起重机的常用液压马达分为高速液压马达和低速液压马达 内曲线径向柱塞 或球塞马达和轴向球塞式马达是较常用的型式 液压马达在使用中并不是泵的逆 运转 它的效率较高 转速范围更大 可正 反向运转 能长期承受频繁冲击 有时还承受较大的径向负载 因此 应根据液压马达的负载扭矩 速度 布置型 式和工作条件等选择液压马达的结构型式 规格和连接型式等 5 1 2 液压马达的选用 根据已知液压马达的工作压力为 16 5MP 总排量 520ml r 初选液压马达的 型号为 JMQ 23 型低速大扭矩叶片马达 参数见 表 5 1 表 5 1 YM630 型叶片马达参数 型 号排量 ml r 压 力 Mp 转 速 r min 效 率转矩 N m JMQ 额定最高额定最高容积 总效率 效 率23604 1620754000 950 85 1440 5 1 3 马达的验算 1 满载起升时液压马达的输出功率 Pw 1000 kw vQ Pw 式中 起升载荷动载系数 因液压马达不具有电动机的过载能力而马 达 工作压力又受系统压力限制 一般取 1 15 1 3 Q 额定起升载荷 N V 物品起升速度 m s 机械总效率 初步计算时 取 8 0 8 0 85 额定起升载荷 Q 根据下式计算 Q S m 式中 S 钢丝绳自由端拉力 N m 滑轮组倍率 根据已知 S 10787 7N 一般当起升载荷 PQ 50kN 时 滑轮组倍率宜取 2 PQ 250kN 时 倍率取 3 6 载荷量更大时 倍率可取 8 以上 因此 m 2 把数值代入到式子中得 Q 10787 7 2 21575 4 N 物品提升速度按下式计算 m v v 0 式中 v0 钢丝绳线速度 m min v0 由已知得 v0 60m min 把数值代入得 v 0 5m s 根据需要选取 1 3 机械总效率取 0 85 卷筒机械效率 m 0 97 v 0 5m s Q 21575 4N 把数据代入式中得 kwPm009 17 85 097 0 1000 5 0 4 215753 1 2 满载起升时液压马达输出扭矩 mN mi dzDQ Tm 2 12 式中 i 减速器传动比 z 钢绳在卷筒上的卷绕层数 其余符号同以前式子 因为马达为大排量马达 故选用低速方案 因此不采用减速器 所以 i 1 又由已知卷筒钢丝绳卷绕三层 故 z 3 把所有数值代入式子中得 mNTm 845 1004 85 097 0 22 008 01322 0 4 215753 1 所选用的马达的额定转矩为 Tm 1440 N m 因为 T Tm 所以选用 的马达转矩符合要求 3 计算液压马达的转速 nm 和输入油量 Qm 根据 dzD miv nm 1 60 式中各符号同以前的式子 把数值代入式中得 min43 176 08 0 22 0 5 01260 rnm 计算马达的输入油量用下式 vm mm m nq Q 式中 m q 液压马达的排量 ml r vm 液压马达容积效率 马达的排量根据已知得 m q 520 ml r vm 根据下式计算 mm m vm 式中 m 液压马达总效率 mm 液压马达机械效率 根据表查得 m 取 0 85 mm 取 0 9 把数代入式中得 vm 0 95 把所计算的数据代入式中得 rmQm 32 6 1082 4 95 0 5 8810520 选用的液压马达转速范围为 2 400 r min 由于计算得 nm 88 5 r min 所以马达的转速符合要求 5 2 平衡阀的选用 5 2 1 平衡阀的功能简介 平衡阀是用于液压执行元件承受物体重力的液压系统 在物体下降时 重力 形成动力性负载 反驱动液压执行元件按重力方向或重力所形成的力矩方向运动 平衡阀在执行元件的排油腔产生足够的背压 形成制动力或制动力矩 使执行元 件作匀速运动 以防止负载加速坠下 5 2 2 平衡阀的选用 根据已知的马达的排量 工作压力和计算所得的泵的流量选用 3210 60FAFDB 型平衡阀 所代表的意义和阀的外型结构见 图 5 1 和 图 5 2 图 5 1 型号所代表的意义 图 5 2 平衡阀的外型结构 1 控制口 2 监测口 3 法兰固定螺钉 4 盖板 5 可选择的 B 孔 6 标牌 7 O 型圈 6 制动器的设计与选用 6 1 制动器的作用 特点及动作方式 制动器是用于机构或机器减速或使其停止的装置 有时也用作调节或者限制 机构或机器的运动速度 它是保证机构或机器安全正常工作的重要部件 为了减小制动力矩 缩小制动器尺寸 通常将制动器装在机构的高速轴上 或减速器的输入轴上 按所需应用制动器的机构的工作性质和条件 对于起重机构的起升和变幅机 构都必须采用长闭式制动器 卷扬机属起重类机械的起升机构由于工作需要 因此采用常闭式制动器 盘 式制动器的工作原理是利用轴向压力使圆盘或圆锥形摩擦表面压紧 实现制动 制动轮轴不受弯曲 由于卷扬机应用的场合和安装制动地点的空间受限因此选用 盘式制动器 其优点是 1 制动转矩大 且可调范围大 制动平稳可靠 动作灵敏保养维修方便 2 频繁制动时 无冲击 由于制动衬块 片 与制动盘接触面积小 制动 盘工作表面积大部分暴露在大气中 散热能力强 特别是采用有通风道的制动盘 效果更显著 而且制动盘对制动衬块 片 无摩擦助势作用 无块式制动器的 热衰退现象 由于温升制动转矩下降 从而得到稳定的制动性能 从安全的角 度考虑 盘式制动器是最合适的制动器 3 防尘和防水性能好 制动盘上的灰尘和水等污物易被制动盘甩掉 当 浸水 时制动性能降低 出水后仅制动一 二次就能很快恢复正常 4 制动盘沿厚度方向变形量比制动轮径向变形量小的多 易实现小间隙和 磨 损后的制动补偿 脚踏式的踏板行程变化也较小 5 转动惯量小 体积小 重量轻 其主要缺点有 制动衬块 片 的摩擦面积小 比压大 对制动衬块 片 材质要求较高 径向 或轴向 尺寸稍大 价格也比较贵 制动器按动作方式分为自动作用式 操纵式和综合式三种 常闭制动器在 弹簧推力作用下经常处于制动状态 机构工作时 用松闸装置松闸或自动通电松 闸 本设计的卷扬机鉴于外形尺寸与价格方面原因采用自动作用式制动器 自动 作用式制动器当机构断电或油路切断时 不依赖操作人员的意识弹簧使制动器自 动抱闸 当机构通电或油路供油时 自动松闸 自动作用式制动器保证机构有更 高的安全性 制动转矩调定后基本不变 但用于载荷变化大的机构时制动欠平稳 6 2 制动器的设计计算 6 2 1 制动转矩的计算 制动转距应满足以下要求 mN mi DQ KT zz 2 0 式中 Tz 制动器制动转矩 N m Kz 制动安全系数 与机构重要程度和机构工作级别有关 D0 卷筒卷绕直径 mm 机械效率 其他各符号同以前的式子 Kz 按表查得 1 75 D0 根据 D0 D d 计算得 D0 208mm 把各数值代入到 式子中得 mNTz 45 1430 122 85 0 208 0 4 21575 5 1 由此可知制动器制动转矩应大于 1430 45 N m 6 2 2 制动盘的设计选用 1 选标准制动盘 根据主机的具体要求和盘式制动器的类型 查表选择标准直径和结构形式的 制动盘 按工作情况选择有通风道的制动盘 选取型号为 BSP 220 10 80 50 BSP B 型直线通风道制动盘 220 外径 mm 30 厚度 mm 80 轴孔直径 mm 50 轮毂长度 mm 6 2 3 制动盘有效摩擦直径计算 根据配套主机的负载所需制动转矩 Tz 校核制动盘的有效摩擦直径 d z ApZ T KD 式中 D 制动盘有效摩擦直径 mm Z 制动块的数目 一对时取 2 A 一个制动衬块 片 的设计面积 mm p 制动衬块 片 的许用比压力 d 动摩擦系数 根据摩擦材料选择 K 制动安全系数 根据工作状况选用摩擦材料为油浸石棉带 脂润滑 润滑效果好 按表 选取 d 0 1 p 0 6 K 取 1 5 由于制动块的数目有 6 对 所以 Z 取 12 制动片的设计面积按下式计算 2 3 2 2 ddA 式中 d2 摩擦盘外径 mm d3 摩擦盘内径 mm 按选用的标准制动盘尺寸把数值代入式子得 A 0 0132 2 m 把所有数值代入式子 得 mmD76 90 1 01306 012 45 1430 5 1 6 2 4 制动器散热的验算 当制动器摩擦面温度过高时 摩擦系数降低 擦衬垫加速磨损 不能保持制 动时所需要的稳定的制动力矩 制动器的发热验算在于检验制动器在最高许用温 度下散发的热量是否大于制动器产生的热量 即 Qs Qzh 式中 Qs 制动器每小时散发的热量 J Qzh 制动器每小时产生的热量 J 1 制动器每小时的散热量 321 QQQQs hkJACACQ 4 2 4 1 22111 100 273 100 273 hkJJCAQ 1 2132 hkJJCAAAAQ 21443322113 式中 C1 制动轮 盘 制动表面的辐射系数 可取光亮的钢表面辐射 系数 ChmkJC o 44 5 2 1 C2 制动轮 盘 制动表面以外的表面辐射系数 可取粗糙氧化的钢表 面辐射系数 ChmkJC o 18 2 2 1 A 制动轮 盘 制动表面积减去制动衬片的面积 2 m 2 A 制动轮制动表面积以外的表面积 2 m 1 制动衬片的许用温度 2 周围环境温度 一般取 30 35 高温车间取 60 自然对流散热系数 ChmkJ 21 2 3 A 扣除制动衬片遮盖后的制动轮 盘 外露面积 2 m JC 机构的接电持续率 4321 制动轮 盘 各部分表面积的强迫散热系数 与各部分 表面积的圆周速度有关 ChmkJvi 7 25 2 78 0 1 4321 AAAA 相对应的制动轮 盘 表面积 2 m i v 各部分散热面积的圆周速度 m s 2 制动器每小时的发热量 起升机构停止式制动器每小时制动的发热量上升制动时 由于物品和吊具的 重量起制动作用 制动器的发热量很小 一般忽略不计 下降制动时 机构的全部动能 包括旋转运动和直线运动的质量 和物品吊 具减小的势能转换为制动器的发热 hkJWZPSJQzh 0 2 2 1 式中 J 换算到制动轮轴的机构转动惯量 包括所有回转和直线运动部分 为飞轮矩 222 GD 40GDJmkg 制动轮轴在制动开始时的角速度 rad s P 平均起升重量 N S 下降制动距离 m 机构传动效率 Z0 机构每小时下降制动次数 W 热功当量 把已知各量和从表中查得的各量代入式中 最后得 Qs 170 435 kJ h Qzh 156 768 kJ h Qs Qzh 验证发热量合格 图 6 1 盘式制动器制动盘受力图 6 2 5 全盘式制动器设计计算 根据公式 轴向推力 Fa 2 10 e j a Rn T F 摩擦盘有效面直径 Re 22 33 3 2 ny ny e RR RR R 当 Ry 1 8Rn 时 可取 2 ny e RR R 式中 Tj 计算制动转矩 N m R y Rn 摩擦面的外 内半径 cm 全盘式取 Ry 1 2 2 5 Rn Fa 轴向推力 N n 摩擦副数目 摩擦系数 根 据 前 面 的 计 算 Ry 84mm Rn 56mm Ry 1 8Rn 所 以 取 cm RR RR R ny ny e 47 7 6 54 8 6 54 8 3 2 3 2 22 33 22 33 把数值代入前式得 KNFa5 810 47 7 45 0 5 45 1430 2 根据所计算的轴向推力 Fa 来取制动所用的电磁铁和弹簧 7 离合器的设计与选用 7 1 离合器的功用 特点与分类 1 对离合器的基本要求 离 合迅速 平稳无冲击 分离彻底 动作准确可靠 结构简单 重量轻 惯性小 外形尺寸小 工作安全 效率高 接合元件耐磨性高 使用寿命长 散热条件好 操纵方便省力 制造容易 调整维修方便 2 影响离合器选择的因素 a 原动机的启动性能 b 离合器的受载特性 c 接合元件的性质 d 操纵方式 e 环境条件 3 离合器的选择和工作性能参数 a 离合器的型式 b 离合器的工作容量 c 摩擦功和温升 d 接合元件的使用寿命 e 离合器的转速和影响性 按要求 本设计采用机械操纵式多片圆盘摩擦离合器 属摩擦式离合器 7 2 圆盘离合器主要性能参数的计算 7 2 1 离合器的计算转矩 对于摩擦式离合器 mN KK KT T vm c 式中 Tc 离合器 T 离合器的理论转矩 对于摩擦式离合器可取运转中最大工作 转矩或接 合过程中工作转矩与惯性转矩之和 N m K 工作情况系数 其值与原动机和工作机的类型 离合器的结 构形式等有关 通常对干式摩擦式离合器 可取较大的值 对湿式摩擦式离合器 可取较小的值 Km 离合器接合频率系数 Kv 滑动速度系数 根据以前求得 T 1004 85 N m 表取 K 1 25 Km 1 Kv 1 35 把数值代入式中得 Tc 930 412 N m 7 2 2 7 2 2 圆盘摩擦片的主要尺寸关系 图 7 1 圆盘摩擦片尺寸图 摩擦片内径 D1 套装式 干式 D1 1 5 2 d 湿式 D1 2 3 d 式中d 为轴的直径 mm 由已知得 d 60mm 代入式中得 D1 2 55 110mm 摩擦面外径 D2 D2 1 25 2 D1 把数据代入式中得 D2 2 110 220mm 摩擦片数目 z z c KRRp T z 3 1 3 2 2 3 式中 Kz 摩擦面对数修正系数 对于每小时接合次数小于 50 次的干式 和 湿 式离合器取 Kz 1 对于每小时接合次数超过 50 次的湿式离合器 按表查 摩擦系数 p 摩擦面的压力 2 mmN Kz 按表取 0 91 按表查得 0 2 p 0 35 2 mmN 把以前计算的各 值代入式中得 z 5 45 取 z 6 7 2 3 摩擦式离合器的摩擦转矩 离合器摩擦面上对 图 7 2 所示的摩擦盘的摩擦转矩为 mmNpART v 式中 A 摩擦器的总摩擦面积 22 1 2 2 mm RRzA z 摩擦面数 R1 R2 摩擦盘工作面的内 外半径 mm Rv 当量摩擦半径 mm 2 1 2 2 3 1 3 2 3 2 RR RR Rv 图 7 2 摩擦盘尺寸关系 根据前面计算 R1 92mm R2 136mm z 15 数值代入式中得 A 17 0 973 2 mm Rv 82 5mm 按表查得 0 2 p 0 35 N 2 mm 把取的数据和计算的数据代入式中 得 T 987 36 N m 离合器的计算转矩通过计算得 Tc 930 214 N m 由上式计算的摩擦转矩 T 987 36 N m T Tc 因此选用数据合格 7 2 4 圆盘摩擦离合器压力的计算 a 摩擦面的压紧力 Q N mR T Q v c 式中 m 摩擦面对数 m z 1 z 为摩擦片数 其他符 号 见以前式子 按前面计算得 Tc 930 412 N m Rv 82 5mm 0 2 m 6 1 5 把数 据代入到 式子中得 Q 11277 7N b 摩擦工作面 p 2 2 mmNp bR Q p v 式中 b 摩擦面的宽度 mm b R2 R1 b 经计算得 b 110 60 50mm 把各项数值代入式中得 P 0 32 2 mmN 根据 p 0 35 2 mmN 因为 p p 所以校验合格 8 轴的设计 轴的设计与他零件的设计相似 包括材料的选择 工作能力的计算和结构设 计几个方面的内容 8 1 轴的材料 由于碳钢比合金钢价格低廉 对应力集中的敏感性较低 同时也可以用热处 理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度 故广泛采用碳钢制造的轴 因此轴的材料选用 45 号钢并进行正火处理 8 2 轴的工作能力的计算 轴的工作能力的计算指的是轴的强度 刚度和振动稳定性等方面的计算 多 数情况下 轴的工作能力主要取决于轴的强度 这时需要对轴的强度进行计算 以防止其断裂或塑性变形 而对刚度要求高的轴 如车床主轴 和受力大的细长 轴 还要进行刚度计算 以防止工作时产生过大的弹性变形 对高速运转的轴 还需进行振动稳定性计算 以防止发生共振而损坏 1 求出轴上的转速 n 和转矩 T 由于轴通过联轴器和马达直接相连 故 T Tm n nm 式中 Tm 马达的额定转矩 N m nm 马达的额定转速 r min 把数值代入式中得 T Tm 1440N m n nm 175r min 2 求作用在轴上的各作用力 由于轴带动联轴器 卷筒毂 和离合器转动方案见 图 5 1 因此 轴只 受扭矩作用 由于轴除受自身重力和轴上各部件的压力外不再受径向力作用 因 此轴所受的径向力可忽略不记 分析如图 8 2 图 8 1 本设计轴的装配方案 图 8 2 轴的载荷分析图 3 初步确定轴的最小直径 根据式子 3 2 0 9550000 d n p W T T T 式中 T 扭转切应力 MPa T 轴所受的扭矩 N mm WT 轴的抗扭截面系数 3 mm n 轴的转速 r min P 轴传递的功率 kW d 计算截面处轴的直径 mm 许用扭转切应力 MPa 由上式得轴的直径 33 2 02 0 9550000 T T n p d 根据轴的选用材料查表得 40MPa 把数据代入式中得 mmd47 52 402 0 1440 3 当轴截面上开有键槽时 应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱 对于直 径 d 10mm 的轴如有多个键槽时 应增大 10 15 故 d d 1 12 5 59 03mm 输出轴的最小直径显然是安装离合器处轴的直径 d I II 为了使所选的轴的 直径 d I II 与离合器的孔径及液压马达的轴径相适应 故需同时选取离合器的型 号 综合考 虑以上几种因素选取 d 60mm 5 校核轴的强度 按下式计算 1 2 2 22 2 4 W TM W T W M ca 式中 ca 轴的计算应力 MPa M 轴所受的弯 矩 N mm T 轴所受的扭矩 N mm W 轴的抗弯截面系数 3 mm 折合系数 1 对称循环变应力时轴的许 用弯曲应力 由于本设计中轴只受扭矩的作用因此 M 0 由下式计算 1 2 W T ca 图 8 3 抗弯 抗扭计算截面图 轴的抗弯截面系数依照 图 8 3 按下式计 算 d tdbtd W 232 2 3 把数带入式中计算得 其中 b 18 t 5 6 W 2 3 4 10 3 mm 折合系数 当扭转切应力为静应力时 0 3 把计算的值和已知的值代