卷扬机设计说明书 精品.doc

第一章第一章 概概 论论 1 1 卷扬机发展卷扬机发展 1 1 1 卷扬机的应用卷扬机的应用 卷扬机又称绞车 是起重垂直运输机械的重要组成部分 配合井 门 架 桅杆 滑轮组等辅助设备 用来提升物料 安装设备等作业 由于它结构简单 操作方便 维护保养简单 使用成本低 可靠性高等优点 广泛应用于建筑 水利 冶金起重作业 提升重物是卷扬机的一种主要功能 所以各类卷扬机的设计都是根据这 一要求为依据的 虽然目前塔吊 汽车吊等取代了卷扬机的部分工作 但由于 塔吊成本高 一股在大型工程中使用 而且灵活性较差 故一般中小型工程仍 然广泛应用卷扬机 汽车吊虽然灵活方便 但也因为成本太高 而不能在工程 中广泛应用 故大多设备的安装仍然是由卷扬机承担的 卷扬机除在工程 设 备安装等方面被广泛应用外 在冶金 矿山 建筑 化工 水电 农业 军事 及交通运输等行业亦被广泛应用 1 1 2 卷扬机的发展概况卷扬机的发展概况 我国卷扬机的生产是解放后才开始的 50 年代为满足恢复经济的需要和 第一个五年计划的得要 卷扬机的生产被提到了日程上 原沈阳国泰机器厂 阜 新矿山机械厂前身 等成批仿制了两种卷扬机 一种为日本的 JIS8001 型动力卷 扬机 它是一种原动机为电动机动型式是开式圆柱齿轮传动 双锥体摩擦离合 器 操作为手扳脚踩的快速卷扬机 另一种是按苏联图纸制造的 1011 型和 1012 型普通蜗杆传动 电控慢速卷扬机 由于当时生产力不高 卷扬机的需求 量亦不多 故这段时间国内卷扬机的生产主要是仿制 随着生产力的发展 60 年代 卷扬机的生产和使用越来越多 为了协调 生产 卷扬机主要生产厂家组成了卷扬机行业组织 隶属于第一机械工业部矿 山机械行业 为了发展卷扬机的生产 行业组织了有关厂家的人员对全国卷扬 机的生产相应用情况进行了调查 在调查的基础上 开始自行设计和制造新的 卷扬机 先后试制了 0 5t lt 3t 电动卷扬机 但由于对当时各厂家的生产能力 估计不足 无法推广 从 70 年代起 我国卷扬机的生产进入了技术提高 品种增多的新阶段 在 各厂自行设计和生产的基础上 1973 年 由卷扬机行业组织了有关厂家和院校 联合进行了卷扬机基型设计 并充分考虑到了当时中小厂家的生产能力 快速 卷扬机的基型采用半开半闭式齿轮传动 离合器采用单锥面石棉橡胶摩擦带结 构 操纵用手板刹车带制动 如图 1 1 慢速卷扬机的基型式为闭式传动 圆柱齿 轮传动或蜗杆传动减速器 电磁铁制动结构 这两种基型一直到现今还在生产 为适应生产发展的需要 当时第一机械工业部发布了 JB926 74 卷扬机型式 与基本参数 和 JBl803 76 卷扬机技术条件 两个部标准 并把卷扬机行业 划归常德机械研究所 长沙机械研究院前身 领导 随着部标准的颁布 使卷扬 机有了大发展的基础 在此期间 由于石化工业的发展 大型设备很多 都需 要吊装 如一些大型反应塔 塔的高度达七八十米 质量达五六百吨 就需要 有大型吊装用的卷扬机 因而各厂家相继生产了 20t 和 32t 卷扬机 图 1 2 满 足经济的需要 1 1 3 卷扬机的发展趋势卷扬机的发展趋势 1 大型化 由于基础工业的发展 大型设备和机械构件要求整体安装 促进了大型卷 扬机的发展 目前 俄罗斯已生产了 60t 卷扬机 日本生产了 32t 50t 60t 液 压和气动卷扬机 美国生产了 136t 和 270t 卷扬机 2 采用先进电子技术 为了实现卷扬机的自动控制和遥控 国外广泛采用了先进的电子技术 对 大型卷扬机安装了电器连锁装置 以保证绝对安全可靠 3 发展手提式卷扬机 为提高机械化水平 减轻工人劳动强度 国外大力发展小型手提式卷扬机 如以汽车蓄电池为动力的直流电动小型卷扬机 其电压为 12V 质量为 7 7 15 4Kg 拉力为 3336 13344N 4 大力发展不带动力源装置的卷扬机 欧美国家非常重视发展借助汽车和拖拉机动力的卷扬机 此种卷扬机结构简 单 有一个卷筒和一个变速箱即可 1 2 卷扬机主要类型卷扬机主要类型 卷扬机由于应用范围较广 为适应各种不同使用条件 卷扬机亦制造成各 种不同机型的产品 机型的分类方法很多 目前大致按下述方法分类 1 按钢丝绳额定拉力按钢丝绳额定拉力 F 分分 按钢丝绳在基准层上所能承受的最大拉力来区分 按 1955 88 卷扬机 中规定为 5 7 5 10 12 5 16 20 25 32 50 80 120 160 200 320 500kN 共 15 级 此参数为卷扬机的主要参数 2 按钢丝绳速度按钢丝绳速度 v 分分 钢丝绳在基准层上的出绳速度是卷扬机的又一项主要参数 根据钢丝绳的 速度分为 1 慢速卷扬机 绳速 v 9 15m min 2 中速卷扬机 绳速 v 15 30m min 3 快速眷扬机 绳速 v 30 45m min 4 高速卷扬机 绳速 v 45m min 为适应特殊需要 还有一种变速卷扬机 其速度可调 有双速 三速和多 速几种类型 3 按卷筒数目分按卷筒数目分 一台卷扬机上卷筒数目的多少 直接影响到卷扬机的结构 卷扬机按卷筒数 目可分为单筒卷扬机 双筒卷扬机和多筒卷扬机三类 目前生产的大多数是单 筒和双筒卷扬机 其卷筒都是工作卷筒 再增加的卷筒大多是辅助卷筒 筒径 相对要小些 4 按动力源分按动力源分 由于工作环境不同 所用的动力源亦不同 1 手动卷扬机 用于无动力来源地区的小型卷扬机 2 电动卷扬机 大多数卷扬机皆属于此类 3 内燃机卷扬机 用于无电源的地方 4 气动卷扬机 用于不能使用电源的地方 5 液压卷扬机 用于与其他设备配套使用而有液压源的场合 5 按传动形式分按传动形式分 1 开式齿轮传动 最早的形式 目前主要用于手动卷扬机 2 闭式圆柱齿轮传动 主要为快速单筒卷扬机应用广泛 3 圆锥 圆柱齿轮减速器 4 蜗杆传动减速器 5 圆柱齿轮减速器加开式齿轮传动 6 蜗杆减速器加开式齿轮传动 7 行星齿轮传动 8 液压传动 6 按控制方法分按控制方法分 1 手控卷扬机 由人工操纵闸把控制卷杨机提升或下放重物 2 电控卷扬机 用电控钮控制电磁铁制动器使卷扬机工作 3 液控卷扬机 用压力油控制卷扬机卷筒的离合和制动 4 气控卷杨机 5 自动控制卷扬机 用限位器来控制卷扬机的工作 7 按用途分按用途分 卷扬机由于其用途不同 使用条件的差异 其结构设计上也有差异 1 提升重物 要求有一定的速度和较高的安全性 2 设备安装 一般设备的质量都较大 则要求卷扬机具有较大的提升能力 为保证安装精度 其速度就不能太高 为防止坠落 其安全性要求更高 3 曳引物品 因为此项工作一般是在水平或倾斜方向进行的 为使物品能 前后运动 则要求卷扬机的卷筒正反转均能工作 4 打桩 要求卷扬机把重物提升到一定高度后 能使重物成自由落体下 降 实现打桩工作 即要求卷扬机具有溜放性能 卷扬机虽然可以分成很多种类 实际上由于应用情况的复杂 很难把它们绝 对分清 而且一台卷扬机往往几种工作都要做 所以在卷扬机的设计上对用途 分得并不清楚 而是按要求高的来设计 这样能使卷扬机实现一机多用 得到 更广泛的应用 1 3 电动卷扬机基本结构电动卷扬机基本结构 电动卷扬机由于操作方法不同 其结构相差很大 我们将其分为电控卷扬 机和溜放型卷扬机两类 1 3 1 电控卷扬机电控卷扬机 此类卷扬机通过通电或断电以实现卷扬机的工作或制动 物料的提升或下 降由电动机的正反转来实现 操作简单方便 其制动型式主要有电磁铁制动器 和锥形转子电动机两类 下面就这两种制动型式卷扬机的常见类型作介绍 此 类卷扬机大多是单卷筒的 1 3 2 带有电磁铁制动器的卷扬机带有电磁铁制动器的卷扬机 1 圆柱齿轮减速器快速卷扬机 图 1 3 图 1 3 圆柱齿轮减速器快速卷扬机简图 1 电动机 2 联轴器 3 制动器 4 减速器 5 联轴器 6 卷筒 7 底座 8 支架 2 圆柱齿轮减速器加开式齿轮传动的卷扬机 图 1 4 图 1 4 圆柱齿轮减速器加开式齿轮传功的卷场机简图 1 电动机 2 联轴器 3 制动器 4 减速器 5 开式齿轮传动 6 卷筒 3 圆柱齿轮速器齿轮传动的卷扬机 1 3 3 采用锥形转子电动机的卷扬机采用锥形转子电动机的卷扬机 此类卷扬机利用锥形转子电动机本身所具有的制动性能来实现卷扬机的制 动 由于锥形转子电动机是靠转子轴向移动来实现制动或松开的 可省略单独 的制动器 在结构上就要求电动机与传动系统间能做轴向相对移动 一般 轴 向移动是通过可移式联轴器把电动机轴的运动传递到传动系统来实现的 由于 此类卷扬机的电动机轴线与卷筒轴线为同轴 故习惯上把这类卷扬机叫做一字 型结构卷扬机 根据传动系统的不同 其可分为 1 定轴轮系传动 这是 1988 年行业组织的系列设计中的一种机型 2 渐开线圆柱齿轮行星传动 常见的有封闭型 2K H 型行星轮系和 3K 型行星轮系传动的卷扬机 3 接线针轮传动 由于摆线针轮传动一级减速的减速比比较大 故采用 一级减速即可 这种传动可把传动系统放在卷筒里面 可减小卷扬机体积 4 少齿差行星传动 少齿差传动可得到大的传动比 并可把传动系统放 在卷筒内 使结构紧凑 5 谐波传动 此传动的传动比大 啮合齿数多 所以承载能力大 故其体积 质量可更小 但其柔轮的要求较高 生产较为困难 6 活齿行星传动 又叫顶杆蠕动传动 它的加工相对比较方便 第二章第二章 起升机构的组成及型式起升机构的组成及型式 2 1 确定起升机构确定起升机构 起升机构是使重物作升降运动的机构 它是任何起重机必不可少和最主要最 基本的机构 根据卷扬机传动简图确定此次设计的电动 5 吨卷扬机是由电动机 连轴器 制动器 减速器 卷筒 导向滑轮 起升滑轮组 钓钩等组成 如图 2 1 图 2 1 起升结构示意图 1 电动机 2 联轴器 3 减速器 4 卷筒 5 导向滑轮 6 滑轮组 7 吊钩 电动机正转或反转时 制动器松开 通过带制动轮的联轴器带动减速器高 速轴 经减速器减速后由低速轴带动卷筒旋转 使钢丝绳在卷筒上绕进或放出 从而使重物起升或下降 电动机停止转动时 依靠制动器将高速轴的制动轮刹 住 使悬吊的重物停止在空中 根据需要起升机构上还可装设各种辅助装置 如起重量限制器 起升高度限 位器 速度限制器和钢丝绳作多层卷绕时 使钢丝绳顺序排列在卷筒上的排绳 装置等 2 2 起升机构的典型传动型式起升机构的典型传动型式 在电动机与卷筒之间通常采用效率较高的起重用标准两级减速器 要求低速 时可采用三级大传动比减速器 为便于安装 在电动机与减速机之间常采用具 有补偿性能的弹性柱销连轴器或齿轮连轴器 前者构造简单并能起缓冲作用 但弹性橡胶圈的使用寿命不长 后者坚固耐用 应用最广 齿轮连轴器的寿命 与安装质量有关 并且需要经常润滑 一般制动器都安装在高速轴上 这样所需要的制动力矩小 相应的制动器尺 寸小 重量轻 经常利用联轴器的一半兼作制动轮 带制动轮的半体应安装在 减速器高速轴上 这样 即使联轴器被损坏 制动器仍可把卷筒制动住 以确 保机构的安全 起升机构的制动器必须采用常闭式的 制动力矩应保证有足够的制动安全 系数 在重要的起升机构中有时设两个制动器 而第二个制动器可安装在减速 器高速轴的令一伸出端或装设在电动机的尾部出轴上 为使机构布置方便并增大补偿能力 在电动机与减速机之间可用浮动轴连接 浮动轴的两端为半齿轮连轴器 卷筒与减速器低速轴之间的连接型式很多 本卷扬机的卷筒与低速轴的连接 为带齿轮接盘的结构型式 卷筒轴左端用自位轴承支撑于减速器输出轴的内腔 轴承座中 低速轴的外缘制成外齿轮 它与固定在卷筒上的带内齿轮的接盘相 啮合 形成一个齿轮连轴器传递扭矩 并可以补偿一定的安装误差 在齿轮联 轴器外侧 即靠近减速器的一侧装有剖分式密封盖 以防止联轴器内的润滑油 流出来和外面的灰尘进入 这种连接型式的优点是结构紧凑 轴向尺寸小 分 组性好 能补偿减速器与卷筒轴之间的安装误差 如图 2 2 图 2 2 用齿轮接盘连接型式 卷筒的直径一般尽量选用允许的较小值 因为随着卷筒直径的增加 扭矩 和减速传动比也增大 引起整个机构庞大 但在起升高度较大时 往往用增大 卷筒直径的方法以减小其长度 滑轮组型式 单联或双联 和它的倍率对起升机构的尺寸也有很大的影 响 在桥式起重机中采用双联滑轮组 一方面使卷筒两支撑上的受力不变 也 就是使运行小车两边的轨道轮压不变 这对桥架和小车车架受力使有利的 另 一方面是使重物在起升过程中不作横向移动 但由于双联滑轮组的倍率比单联 滑轮组小一倍 起升机构的传动比也需要增大一倍 这就使机构尺寸增大 所 以其他的起重机采用单联滑轮组 此次设计的是 5 吨桥式起重机的卷扬机 因 此选用双联滑轮组 如图 2 3 图 2 3 双联滑轮组 1 动滑轮 2 定滑轮 3 卷筒 滑轮组的倍率的确定对钢丝绳的拉力 卷筒直径与长度 减速机构的传动 比以及机构的总体尺寸有很大的影响 大起重量采用较大的倍率 可避免采用 过粗的钢丝绳 有时在采用较大的滑轮组倍率的同时相应的降低了起升速度的 方式来提高起重量 可以使起升机构达到通用性 即将同一起升机构用于不同 的起重量 这是在系列设计时常采用的方法 起升机构计算是在给定了设计参数 并将布置方案确定后进行的 通过计算 选用机构选用机构中所需要的标准零部件 如电动机 制动器 减速器和联轴 器等 对于非标准零部件需进行单独设计 此卷扬机设计提升载荷 5 吨 主要用于炼钢厂 5 吨桥式起重机上 本卷扬机 是利用炼钢厂现有设备和材料拼凑而成 因此与标准的 5 吨卷扬机设计略有不 同 2 3 此次设计的卷扬机设计的主要参数有 此次设计的卷扬机设计的主要参数有 额定起升重量 5 吨 起升高度 14 米 起升速度 12 5 米 分 卷扬机用途 用于 5 吨桥式吊车起升机构 工作条件 频繁启动 粉尘量大 第三章第三章 钢丝绳的选择钢丝绳的选择 卷扬机通过钢丝绳升降 牵引重物 工作时钢丝绳所受应力十分复杂 加 之对外界影响因素比较敏感 一旦失效 后果十分严重 因此 应特别重视钢 丝绳的合理选择与使用 3 1 钢丝绳的种类和构造钢丝绳的种类和构造 钢丝绳由许多高强度钢丝编绕而成 可单捻 亦可双捻成形 绳芯常采用天 然纤维芯 NF 合成纤维芯 SF 金属丝绳芯 IWR 相金属丝股芯 IWS 纤维 芯钢丝绳具有较高的挠性和弹性 缠绕时弯曲应力较小 但不能承受横向压力 金属丝芯钢丝绳强度较高 能承受高温和横向压力 但挠性较差 卷扬机系多 层缠绕 更适合选用多捻制金属丝芯钢丝绳 钢丝绳的种类 根据钢丝绕成股和股绕成绳的相互方向可分力 1 顺捻钢丝绳 顺捻钢丝绳义分为右同向捻 ZS 和左同向捻 SS 此类 钢丝绳钢丝绕成股和股绕成绳的旋转方向是一致的 其特点是 钢丝绳挠性 好 磨损小 使用寿命长 但容易松散和扭转 它不允许在无导轨情况下作单 独提升 故在不松散的情况下或有刚性导轨时应用为宜 2 交捻钢丝绳 交捻钢丝绳 又分为右交互捻 ZS 和左交互捻 SZ 钢 丝绳钢丝绕成股与股绕成绳的方向相反 它的挠性与使用寿命都较顺捻钢丝绳 差 但绳与股的扭转趋势相反 克服了扭转和易松散的缺陷 故卷扬机应优先 选用 钢丝绳的种类 根据钢丝绳中钢丝与钢丝的接触状态不同又可分为 1 点接触钢丝绳 点接触钢丝绳绳股中各层钢丝直径均相同 而内外各层 钢丝的节距不同 因而相互交叉形成点接触 其特点是接触应力高 表面粗糙 钢丝易折断 使用寿命低 但制造工艺简单 价格便宜 在实际中常发现这种 钢丝绳在受拉 尤其是受弯时由于钢丝间的点接触 造成应力集中而产生严重 压痕 由此导致钢丝疲劳断裂而使钢丝绳过早报废 2 线接触钢丝绳 线接触钢丝绳绳股由不同直径的钢丝统制而成 每一层 钢丝的节距相等 由于外层钢丝位于内层钢丝之间的沟槽内 因此内外层钢丝 间形成线接触 这种钢丝绳的内层钢丝虽承受比外层钢丝稍大的应力 但它避 免了应力集中 消除了钢丝在接触处的二次弯曲现象 减少了钢丝间的摩擦阻 力 使钢丝绳在弯曲上有较大的自由度 从而显著提高了抗疲劳强度 其寿命 通常高于点接触钢丝绳 由于线接触钢丝绳比点接触钢丝绳的有效钢丝总面积 大 因而承载能力高 如果在破断拉力相同的情况下选用线接触钢丝绳 可以 采用较小的滑轮和卷筒直径 从而使整个机构的尺寸减小 卷杨机应优先选用 线接触钢丝绳 3 2 钢丝绳直径的选择钢丝绳直径的选择 卷扬机系多层缠绕 钢丝绳受力比较复杂 为简化计算 钢丝绳选择多采 用安全系数法 这是 种静力计算方法 钢丝绳的安全系数按下式计算 3 p g r S nn F 1 式中 整条钢丝绳的破断拉力 N p S 卷扬机工作级别规定的最小安全系数 n 钢丝绳的额定拉力 力 r F 设计时 钢丝绳的额定拉力为已知 将额定拉力乘以规定的最小安全系数 n 然后从产品目录中选择一种破断拉力不小于 M 的钢丝绳直径 r F 目前在工业化国家 对钢丝绳直径的选择普遍采用选择系数法 国际标准 绳的选择也推荐采用此方法 该方如下 机械设计手册第二册 钢丝绳直径不应小于下式计算的最小直径 3 maxmin Fcd 2 式中 Fmax 钢丝绳最大静拉力 N 由起升载荷 额定起重量 钢丝绳悬挂部 分的重量 滑轮组及其它吊具的重量 并考虑滑轮组效率相倍率来 确定 c 钢丝绳选择系数 它与机构的工作级别 钢丝绳是否旋转以及吊运 物品的性质等因素有关 目前 卷扬机还没有此系数的具体规定 可参考机械设计手册第二册进行选取 该设计卷扬机额定载荷 5 吨 采用双联滑轮起重滑轮组 所以每根承受载荷 Fmax F总 1 25 N 该卷扬机用于冶金行业铸造用 所以工作级别为 4 1 4 10 M7 查机械设计手册第二册钢绳系数选择 c 0 123 maxmin Fcd 0 123 13 78 mm12500 所以钢丝绳选择 d 14 mm 按钢丝绳所在机构工作级别来选钢丝绳直径时 所选的钢丝绳拉断力应满足下 式 机械设计手册第二册 F0 n Fmax 3 3 式中 F0 所选用钢丝绳最小拉断力 N n 安全系数 查手册选 n 7 所以 F07 1 25 8 75 N 87 5KN 4 10 4 10 又钢丝绳最小拉断力总和等于钢丝绳最小拉断力 1 134 纤维芯 或 1 214 钢芯 所以钢丝绳最小拉断力总和为 87 5 1 134 99 225KN 本设计中钢丝绳不接触高温 横向压力较小 选用纤维芯钢丝绳 查机械设计手册 钢丝绳型号选择 钢丝绳 6 19 a 类 14 NAT FC 1470 ZS 102 79 5 型号解释如下 14 钢丝绳直径 NAT 钢丝表面状态 光面钢丝 FC 钢丝绳的结构形式 纤维芯 1470 钢丝公称强度 2 mmN ZS 捻向 左交互捻 102 钢丝绳最小破段拉力 KN 79 5 单位长度重量 kg 100m 3 3 钢丝绳的使用钢丝绳的使用 钢丝绳在工作时卷绕进出滑轮和卷筒 除产生拉应力外 还有挤压 弯曲 接触和扭转等应力 应力情况是非常复杂的 实践表明 由于钢丝绳反复弯曲 相挤压所造成的金属疲劳是钢丝绳破坏的主要原因 钢丝绳破坏时 外层钢丝 由于疲劳和磨损首先开始断裂 随着断丝数的增多 破坏速度逐渐加快 达到 一定限度后 仍继续使用 就会造成整根绳的破断 在正确选择钢丝绳的结构和直径之后 实际使用寿命的长短 在很大程度 上取决于钢丝绳在使用中的维护和保养及与相关机件的合理配置 可从以下几 方面考虑该问题 1 滑轮和卷筒直径 D 与钢丝绳直径 d 的比值大小对钢丝绳的寿命影响 较大 几乎成平方关系 因此 选用较大的滑轮和卷简直径对钢丝绳的寿命是 有利的 故设计中规定了卷筒直径和钢丝绳直径的最小比值 D d 与卷扬机 的工作级别有关 使用中 应尽量减少钢丝绳的弯折次数并尽量避免反向弯折 2 决定滑轮绳槽尺寸时 必须考虑新钢丝绳直径较公称直径有 6 8 的过盈量这一事实 过小的绳槽直径会使钢丝绳受到过度挤压而提前断丝 绳 槽尺寸过大 又会使钢丝绳在槽内的支承面积减小 增大钢丝绳的接触应力 合理的绳槽尺寸应比钢丝绳的公称直径大 10 左右 3 滑轮与卷筒的材料太硬 对钢丝绳寿命不利 据有关资料表明 以铸 铁代替钢 可提高钢丝绳的寿命约 10 4 为保证钢丝绳在绳筒上平滑缠绕 避免各圈钢丝绳间相互摩擦及多层 缠绕锤击和堆绕现象 延长钢丝绳的使用寿命 钢丝绳在卷筒及绳轮上的偏角 必须保持在一定的限度之内 一般在 0 5 2 之间 5 良好的周期性润滑是提高钢丝绳使用寿命的一项重要因素 它可以防 止锈蚀 减少钢丝绳内外磨损 一般常用中 低粘度润滑油和滤青质化合物 目前我国生产的 钢丝绳油 属于中等粘度油 适用于各种股捻钢丝绳的润滑 其附着力大 不易滑落或与水起作用 且含有防锈剂 是一种良好的润滑剂 6 在室外 润湿或腐蚀介质存在的环境里 应选用镀锌钢丝绳 7 经常检查钢丝绳是否与别的机件摩擦 重新更换新绳时必须核对新绳 与原绳的型式直径是否相同 经常检查钢丝绳表面的磨损及断丝 遇到问题及 时解决 钢丝绳的报废处理 可参考有关标准相资料 第四章第四章 卷筒的结构设计及尺寸确定卷筒的结构设计及尺寸确定 卷筒尺寸的由已知起升速度 起升高度和钢丝绳的尺寸来确定 卷筒用来卷绕钢丝绳 把原动机的驱动力传递给钢丝绳 并把原动机的回 转运动变为所需要的直线运动 卷筒通常是中空的圆柱形 特殊要求的卷筒也 有做成圆锥或曲线形的 4 1 卷筒的分类卷筒的分类 按照钢丝绳在卷筒上的卷绕层数分 卷筒分单层绕和多层绕两种 一般起 重机大多采用单层绕卷筒 只有在绕绳量特别大或特别要求机构紧凑的情况下 为了缩小卷筒的外形尺寸 才采用多层绕的方式 本设计采用单层绕 按照卷筒的表面分 有光卷筒和带螺旋槽卷筒两种 光卷筒用于多层卷绕 其结构比较简单 钢丝绳按螺旋形紧密地排列在卷筒表面上 绳圈的节矩等于 钢丝绳的直径 由于钢丝绳和卷筒表面之间接触应力较高 相邻绳圈在工作时 又有摩擦 钢丝绳使用寿命就要降低 为了使钢丝绳在卷筒表面上排列整齐 单层绕卷筒一般都有螺旋槽 有了绳槽后 使钢丝绳与卷筒的接触面积增加 因而减小了它们之间的接触应力 也消除了在卷筒卷绕过程中绳圈间可能产生 的摩擦 因此提高了钢丝绳的使用寿命 目前 多层绕卷筒也制成带绳槽的 更为合理 绳槽在卷筒上的卷绕方向可以制成左旋或右旋 单联滑轮组的卷筒 只有一条螺旋绳槽 双联滑轮的卷筒 两侧应分别右一条左旋和右旋的绳槽 绳槽的形状分别为标准绳槽和深槽两种 如图 4 1 图 4 1 a 标准绳槽 b 深绳槽 4 2 卷筒绳槽的确定卷筒绳槽的确定 查机械设计手册知 卷筒绳槽槽底半径 R 槽深 c 槽的节矩 t 其尺寸关系为 R 0 54 0 6 d d 为钢丝绳直径 4 1 绳槽深度 标准槽 0 25 0 4 d mm 4 1 c 2 深槽 0 6 0 9 d mm 4 2 c 3 绳槽节距 标准槽 d 2 4 mm 4 1 t 4 深槽 d 6 8 mm 4 2 t 5 卷筒槽多数采用标准槽 只有在使用过程中钢丝绳有可能脱槽的情况才使用深 槽 本设计选用标准槽 钢丝绳直径选用 14mm R 0 54 0 6 d mm 7 56 8 4mm 取 R 8mm c 0 25 0 4 d mm 3 5 5 6mm 取 c 4mm t d 2 4 mm 16mm 4 3 卷筒的设计卷筒的设计 卷筒按照转矩的传递方式来分 有端侧板周边大齿轮外啮合式和筒端或筒内齿 轮内啮合式 其共同特点是卷筒轴只承受弯矩 不承受转矩 本设计卷筒采用 内齿轮啮合式 如图 4 2 图 4 2 内齿啮合式卷筒 卷筒的设计主要尺寸有节径 卷筒长度 L 卷筒壁厚 0 D 4 3 1 卷筒节径卷筒节径 设计设计 0 D 卷筒的节径即卷筒的卷绕直径 查机械设计手册知不能小于下式 0 D 4 0min Dhd 6 式中 按钢丝绳中心计算的卷筒最小直径 mm 0min D h 与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数 根据工作环境级别为 查机械设计手册 h 28 7 M d 钢丝绳的直径 mm 按式计算 0min Dhd 28 14 392 mm 选取 400 mm 0 D 4 3 2 卷筒的长度设计卷筒的长度设计 本设计采用双联滑轮组 如图 4 3 图 4 3 双联滑轮组 卷筒的长度 4 0123 2LLlll 7 式中 L 卷筒总长度 绳槽部分长度 其值为 0 L 4 0 0 Ha Ln t D 8 其中 H 最大起升高度 a 滑轮组倍率 卷筒卷绕直径 0 D t 绳槽节矩 n 附加安全圈数 使钢丝绳端受力减小 便于固定 通常取 n 1 5 3 圈 固定钢丝绳所需要的长度 一般取 3t 1 l 1 l 两端的边缘长度 包括凸台在内 根据卷筒结构而定 2 l 卷筒中间无绳槽部分长度 由钢丝绳的允许偏斜角 和卷筒 3 l 轴到动滑轮轴的最小距离决定 对于有螺旋槽的单层绕卷筒 钢丝绳允许偏 斜度通常为 1 10 查机械设计手册可知 选取 100 mm 3 l 0 0 Ha Ln t D 380mm 165 1 400 2140000 3t 48mm 1 l 所以 0123 2LLLLL 2 380 48 20 100 996mm 选取标准卷筒长度为 1000mm 4 3 3 卷筒壁厚设计卷筒壁厚设计 本设计为了延长钢丝绳的寿命 采用铸铁卷筒 对于铸铁卷筒可按经验公式 初步确定 然后进行强度验算 对于铸铁筒壁厚 mm 4 0 026 10D 9 根据铸造工艺的要求 铸铁卷筒的壁厚不应小于 12 mm mm 0 026 10D 0 02 400 6 10 8 7 15 mm 所以卷筒的参数选择为 绳槽节距 t 16mm 槽底半径 4mm 卷筒节距 1 c 400mm 卷筒长度 L 1000mm 卷筒壁厚mm 0 D15 4 4 卷筒强度校核卷筒强度校核 查机械设计手册第二册可知 卷筒材料一般采用不低于 HT200 的铸铁 特 殊需要时可采用 ZG230 450 ZG270 500 铸钢或 Q235 A 焊接制造 本设计的卷 筒五特殊需要 额定起重重量不是很大 所以选择 HT200 的铸铁制造 一般卷筒壁厚相对于卷筒直径较小 所以卷筒壁厚可以忽略不计 在钢丝 绳的最大拉力作用下 使卷筒产生压应力 弯曲应力和扭曲应力 其中压应力 最大 当3时弯曲应力和扭曲应力的合成力不超过压应力 10 所以当L 0 DL 3时只计算压应力即可 0 D 本设计中 L 1000mm D 400 mm 符合3的要求 所以只计算压应L 0 D 力即可 当钢丝绳单层卷绕时 卷筒所受压应力按下式来计算 A 4 t F max bc 10 其中 为钢丝绳单层卷绕时卷筒所受压应力 a MP 为钢丝绳最大拉力 N max F 为卷筒壁厚 A 为应力减小系数 一般取 A 0 75 为许用压力 对于铸铁 bc bc 5 b 为铸铁抗压强度极限 b 所以 A t F max bc 0 75 1615 12500 39 a MP 查教材机械设计基础知195 所以39 b a MP bc a MP 所以 bc 经检验计算 卷筒抗压强度符合要求 第五章第五章 卷筒轴的设计计算卷筒轴的设计计算 卷筒轴是支持卷扬机正常工作的重要零件 合理设计与计算卷筒轴对卷扬机 性能至关重要 5 1 卷筒轴的受力分析与工作应力分析卷筒轴的受力分析与工作应力分析 常用的卷筒轴分轴固定式轴转动式 图 5 1 两种情况 卷扬机卷筒工作 时 钢丝绳在卷简上的位置是变化的 钢丝绳拉力经卷筒及支承作用到轴上产 生的力矩 其大小随钢丝绳在卷简上位置的变化而不同 强度计算时应按钢丝 绳在卷筒上两个极限位旨分别计算 由卷扬机工作情况和轴的受力分析可知 a b 因卷筒轴主要承受弯矩 可简化为简单的心轴 a 图为固定心轴 b 图为 转动心轴 对于转动心轴 其弯曲应力一般为对称循环变化 对固定心轴 其 应力循环特征为 视具体的载荷性质而定 对固定心轴的疲劳失效而01r 言 最危险的应力情况是脉动循环变化 为安全起见 卷筒的固定心轴应力以 按脉动循环处理为宜 c 图卷筒轴既受弯又受扭 为转轴 其弯曲应力的应力 性质为对称循环变应力 而扭转剪应力的应力性质可视为脉动循环变化 由此 可知 卷筒轴在正常使用条件下 最终将发生疲劳破坏 但也不排除在超载或 意外情况下发生静强度破坏 图 5 1 卷筒轴的类型 a 轴固定式 b c 轴转动式 5 2 卷筒轴的设计计算卷筒轴的设计计算 由于卷筒轴的可靠性对卷扬机安全 可靠的工作非常重要 因此应十分重 视卷筒轴的结构设计和强度 刚度计算 卷筒轴的结构 应尽可能简单 合理 应力集中应尽可能小 卷筒轴不仅要计算疲劳强度 而且还要计算静强度 此 外 对较长的轴还需校核轴的刚度 本设计以计算出的参数有 绳的额定拉力 KN 卷筒直径 r F 4 1 25 10 400mm 钢丝绳的直径14mm 外齿轴套齿轮分度圆直径 D 224mm 0 D d 查机械传动设计手册 轴的材质选择 45 钢 调制处理 650MP B 360 S MP 1 300MP 0 100 b MP 由图 5 1 可知 该卷筒轴用轴端挡板固定于卷筒上 是不动的心轴 计 算时应按钢丝绳在卷筒上两个极限位置分别计算 根据受力分析可知 当钢丝 绳位于右极限位置时 心轴受力较大 因此应按有极限位置进行轴的强度计算 计算时 卷筒支承作用到心轴的力 可简化为作用于轴承宽度中点的集中力 左端距支承点 72 5mm 右端距支承点 202 5mm 查机械设计手册 机械传动设计手册 起重机设计手册 初步得到心轴各 段直径和长度 如图 5 2 所示 本设计心轴左边选用调心滚子轴承圆柱孔 20000 型 右边选用调心球轴承圆柱孔 10000 TN1 M 型 图 5 2 心轴的各部分尺寸 将轴上所有作用力分解为垂直平面的力和水平平面的力 见图 5 3 所示 图 5 3 轴的弯矩图 5 2 1 作用力计算作用力计算 齿轮圆周力 5 1 2 t T F d 1 1 2 22 e Dd F d 30345 16 580 18 7 KN 齿轮径向力 5 rt FF tg A 2 18 7tg20 6 8 KN 5 2 2 垂直面支承反力及弯矩垂直面支承反力及弯矩 支反力 简图 8 3b 5 7805050 890 et DV FF R 3 26 92 KN 5 7806060 890 te CV FF R 4 15 63 KN 弯矩 见图 8 3c 5 50 AVCV MR 5 5015 63 781 5 KN mm A 5 60 BVDV MR 6 6026 92 1615 2 KN mm A 5 2 3 水平面支承反力及弯矩支反力 水平面支承反力及弯矩支反力 水平面支承反力见图 5 3d 5 50 890 r DH F R 7 50 6 8 890 0 382 KN 5 840 890 r CH F R 8 840 6 8 890 6 42 KN 弯矩计算 见图 8 3e 5 50 AHCH MR 9 50 6 42 321 KN mm A 5 60 BHDH MR 10 60 0 382 22 9 KN mm A 合成弯矩 见图 8 3f 5 22 AAVAH MMM 11 22 781 5321 844 8 KN mm A 5 22 BBVBH MMM 12 22 1615 222 92 1615 3 KN mm A 5 2 4 计算工作应力计算工作应力 此轴为固定心铀 只有弯矩 没有转矩 由图 8 3 可知 最大弯矩发生在 剖面 B 处 设卷筒轴该剖面直径为 则弯曲应力为 B d 5 30 0 1 B bb B M d 13 则 3 0 0 1 B B h M d 3 3 1615 10 0 1 100 74 46 mm 圆整后 75 mm 中间轴段 75 15 90 mm B d 0 d 5 2 5 心轴的疲劳强度计算心轴的疲劳强度计算 卷筒轴的疲劳强度 应该用钢丝绳的当量拉力进行计算 即 5 dde FK F 14 式中 钢丝绳的当量拉力 N d F 当量拉力系数 d K 为使计算简便 可假设 1 由前述可知 心轴应力的性质可认为是按 d K 脉动循环规律变化 则 弯曲应力为 2 b mn 5 3 0 1 dB b B K M d 15 3 3 1 1615 5 10 0 1 55 97 1 MP 平均应力和应力幅为 m a 5 2 b mn 17 97 1 2 48 55 MP 轴的形状比较简单 且为对称结构 在 B 截面处尺寸有变化 则有应力集中 存在 且该处弯矩最大 可以认为置截面是危险截面 应在此处计算袖的疲劳强度 查得有效应力集中系数尺 1 88 表面状态系数 0 92 绝对尺寸系数K 0 78 等效系数小 0 34 疲劳强度计算的安全系数为 5 1 am S K 18 300 1 88 48 550 34 48 55 0 78 0 92 2 1 一般轴疲劳强度安全系数 所以该轴疲劳强度足够 1 5 1 8S 5 2 6 心轴的静强度计算心轴的静强度计算 卷筒轴的静强度计算 需要用静强度计算拉力 可按下式求得 5 maxje FF 19 式中 静强度计算最大拉力 N maxj F 动载荷系数 查手册 此处取 1 35 静强度计算安全系数 5 max s s S MW 20 s B MW 3 360 1 35 1615 3 0 1 55 2 75 当时 该轴静强度足够 0 6 sb 1 2 1 4S 所以该轴符合本设计要求 此外 还有些卷筒轴 具有多支承 如三支承 对这类静不定问题可用三弯 矩方程方法计算轴受力 同时在设计中还应考虑轴的结构 支承型式以及底座的刚 度等问题 第六章第六章 电动机选择电动机选择 6 1 电动机选择电动机选择 正确选择电动机额定功率的原则是 在电动机能够满足机械负载要求的前 提下 最经济 最合理地决定电动机功率 本设计 5 吨桥式吊车卷扬机属于非连续制工作机械 而且起动 制动频繁 工作粉尘量大 因此 选择电动机应与其工作特点相适应 查机械设计手册 吊车用卷扬机主要采用三相交流异步电动机 根据吊车 行业的工作特点 电动机工作制应考虑选择短时重复工作制和短时工作制 3 S 2 S 并优先选用 YZR 绕线转子 YZ 笼型转子 系列起重专用电动机 多数情况下 选用绕线转子电动机 在工作条件较轻 接电次数较少时 亦可采用笼型转子 电动机 对于小吨位卷扬机 考虑到多方面因素 其电动机工作制也允许选择 连续工作制 本设计电动机工作制度为断时工作制 因此不用考虑电动机的 1 S 发热计算 机构运转时所需静功率按下式计算 kW 6 0 1000 j QQv N 1 式中 额定起升载荷 N Q 吊具自重 N 可取 0 02 0 04 0 Q 0 QQ 起升速度 v 机构总效率 它包括滑轮组的效率 导向滑轮效率 卷筒的机 械效率和传动机构的机械效率 初步计算时 对于圆柱齿轮减 速器传动的起升机构 可取 0 85 0 9 0 1000 j QQv N 6085 0 1000 5 12105 2 03 0 1 4 6 311 KN 计算电动机功率 jde NKN 考虑到工作环境 查起重机课程设计 对于中小型起重机其系数 0 8 d K 所以 0 8 6 311 5 049 e N 查 机械设计手册 应选用 YZ 系列冶金起重专用三项异步电机 型号 YZ160L 8 额定电压 380V 额定功率 7 5KW 转速 705 转 分 效率 82 4 基准工作制为 40 3 S 6 2 验算电动机发热条件验算电动机发热条件 查起重机课程设计知 按等效功率求得 当 Jc 40 时 所需的等效功率 Nx 6 j NK 40 2 0 75 0 87 6 311 4 12KW 其中 为工作类型系数 0 75 40 K 40 K 系数根据值查得 为起重机机构平均启动时间与平均工作时 g q t t g q t t 间的比值 查表 0 1 时 0 87 g q t t 由以上计算解结果可知初选电动机能满足发热要求 即 Nx6 311KW d P 所以以上所选参数符合要求 为电动机功率 d P 1 计算各轴转速 轴 r min 0 1 i n n d 705 1 705 轴 r min 14 100 04 7 705 0 1 2 i n n 轴 r min 9 19 03 5 14 100 1 2 3 i n n 卷筒轴 r min 9 19 34 nn 2 计算各轴功率 轴 KW 425 7 99 0 5 7 1011 dd pPP 轴 KW 1 797 0 98 0 425 7 3211212 PPp 轴 KW 7 697 0 98 0 1 7 3222323 PPP 卷筒轴 KW 63 6 99 0 7 6 434 PP 3 计算各轴转矩 电动机轴输出转矩为 N m 6 101 705 5 7 95509550 d d d n P T 轴 N m 6 10099 0 1 6 101 101 iTT d 轴 321112112 iTiTT 100 6 7 04 0 98 0 97 673 1 N m 轴 322223223 iTiTT 673 1 5 03 0 98 0 97 3218 5 N m 卷筒轴 N m 5 312299 0 98 0 5 3218 4234 TT 将计算数值列表如下 轴号 功率 P KW 转矩 T N m 转速传动比 i效率 电机轴 7 5101 6705 10 99 轴 7 425100 6705 7 040 97 轴 7 1673 1100 14 5 030 97 轴 6 73128 519 9 卷筒轴 6 633122 519 9 10 99 7 2 3 圆柱齿轮传动的设计计算圆柱齿轮传动的设计计算 此减速器的齿轮为一般机械零件 没有特殊要求 从降低成本 减小结构 和易于取材原则出发决定选用 齿轮 1 45 钢 调质 齿面硬度 217 255HB 齿轮 2 45 钢 正火 齿面硬度 217 255HB 齿轮 3 45 钢 正火 齿面硬度 217 255HB 齿轮 4 45 钢 正火 齿面硬度 217 255HB 1 计算许用接触应力 查教材 齿轮的接触疲劳极限分别为 齿轮 217 255HBS 580 MPa 540 MPa 1limH 2limH 循环次数 N1 60njLn 7 4 60 705 1 10 52 40 2 1 76 9 10 N2 2 5 1 1 i N8 10 由教材查得 ZN1 1 0 ZN2 1 08 SH 1 1 齿面接触应力为 527 3 Mpa 7 1H H HN s Z 1lim1 5 530 2 MPa 2H H HN S Z 2lim2 取小值 527 3 MPa 1H 2 计算许用弯曲应力 F 查教材 小齿轮和大齿轮的弯曲疲劳极限分别为 小齿轮 217 255HBS 440 MPa 1limF 大齿轮 169 217HBS 420 MPa 2limF YN1 YN2 1 SF 1 4 齿轮弯曲应力为 314 3 Mpa 7 1F F FN s Y 1lim1 6 300 Mpa 2F F FN S Y 2lim2 7 2 4 齿轮参数设计齿轮参数设计 一 第一级传动 一 第一级传动 1 初选参数 小齿轮齿数 17 1 Z 大齿轮齿数 17 7 04 119 2 Z 1 Z 1 i 螺旋角 0 10 2 按接触强度结算 1 d 7 1 d 3 2 1 1 2 H HE d ZZZZ u uTK 7 查教材 载荷系数 K 1 2 弹性系数 189 8 E Z 2 mmN 节点区域系数 2 464 0 779 H Z Z 螺旋角系数 0 992 Z 取 1 d 所以 1 d 3 2 3 3 527 992 0 779 0464 2 8 189 95 3 1 195 3 10 6 1002 12 52 2 mm 3 主要尺寸计算 模数 mm 7 02 3 17 10cos 2 52cos 0 1 1 1 Z d mn 8 取整数 mm 3 1 n m 中心距 mm 7 15 207 cos 2 1 211 1 ZZm a n 9 取整数 mm 205 1 a 计算实际螺旋角 7 1 211 2 arccos a ZZmn 10 0 2 9 螺旋角改变不大 系数 不在修正 E Z H Z Z Z 分度圆直径 d 51 5 mm 0 11 1 2 9cso mZ d n 360 7 mm 0 12 2 2 9cso mZ d n 齿顶圆直径 da mm 5 56132 5 512 111 anna hmdd mm 7 366132 7 3602 122 anna hmdd 齿根圆直径 f d mm 44 25 0 1 32 5 51 2 111 nannf chmdd mm 2 353 25 0 1 32 7 360 2 122 nannf chmdd 齿宽 b mm 5 51 5 511 12 db d mm 5 565 21 bb 经校核计算 齿根弯曲强度足够使用 查机械设计手册确定齿轮精度等级及侧隙分别为 小齿轮 8GJ 大齿轮 8FH 计算结果见下表 项目小齿轮大齿轮 材料及热处理45 钢调质45 钢正火 齿数 17119 法面模数 mm 3 分度圆法面压力角 20 螺旋角及方向9 2 左9 2 右 法面齿顶高系数 11 基本参数 法面齿隙系数 0 250 25 中心距 205 齿宽 56 551 5 分度圆直径 51 5360 7 齿顶圆直径 56 5366 7 主要尺寸 齿根圆直径 44353 2 二 第二级传动 二 第二级传动 1 初选参数 小齿轮齿数 20 1 Z 大齿轮齿数 20 5 03 100 2 Z 1 Z 2 i 螺旋角 0 10 2 按接触强度结算 2 d 2 d 3 2 2 1 2 H HE d ZZZZ u uTK 查教材 载荷系数 K 1 2 弹性系数 189 8 E Z 2 mmN 节点区域系数 2 464 0 779 H Z Z 螺旋角系数 0 992 Z 取 1 d 所以 2 d 3 2 3 3 527 992 0 779 0 464 2 8 189 95 3 1 195 3 10 1 6732 12 101 1 mm 3 主要尺寸计算 模数 mm 13 5 20 10cos 1 101cos 0 1 2 2 Z d mn 取整数 mm 5 2 n m 中心距 mm 63 304 cos 2 1 212 2 ZZm a n 取整数 mm 305 1 a 计算实际螺旋角 2 212 2 arccos a ZZmn 0 39 10 螺旋角改变不大 系数 不在修正 E Z H Z Z Z 分度圆直径 d 101 7 mm 0 21 1 39 10cso mZ d n 508 3 mm 0 22 2 39 10cso mZ d n 齿顶圆直径 da mm 7 111152 7 1012 111 anna hmdd mm 3 518132 3 5082 122 anna hmdd 齿根圆直径 f d mm 2 89 25 0 1 52 7 101 2 111 nannf chmdd mm 85 495 25 01 52 3 508 2 122 na