运输机械卷扬机结构设计.doc

运输机械卷扬机结构设计第一章 概 论1.1卷扬机发展概况1.1.1 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 卷扬机的发展概况在很久以前的古代，就知道来用辘轳等来提升重物，以减轻体力劳动的强度和提高劳动生产率。在我国，解放前卷扬机只有在一些大型企业中才被使用，应用很少，而且所使用的卷扬机也均为国外生产，国内基本上没有生产卷扬机的厂家。 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，到了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(阜新矿山机械厂、天津卷扬机厂、山西机器广、宝鸡起重运输机厂等)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JB92674卷扬机型式与基本参数和JBl80376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12)，满足了经济发展的需要。 1.1.3 国外卷扬机概况 在国外，卷扬机的品种繁多，应用也很广泛。在西方技术先进的国家中，工业水平先进，机械化程度不断提高，起重设备也在不断更新，下面介绍一下几个外国主要生产的卷扬机的状况。 1） 美国美国生产卷扬机的厂家有近百家，主要有贝波(BEEBE)国际有限公司、哲恩(THERN)有限公司等。 贝波国际有限公司成立于1919年，有七十多年的设计和生产实践经验。主要产品有，气动链式卷扬机0.2540t)，防爆拖式气动卷扬机(0.530t)，驳船卷扬机(手动、气动、电动、液压，2575t)，电动链式卷扬机(0.2520t)，电动葫芦(0.2515t)电动卷扬机(0.2512.5t)，手动卷扬机0.2575t)，液压卷扬机(110t )，水平卷扬机(19t)，手动链式卷扬机（0.5100t），棘轮牵引器(11. 75t)，空中用运车(0.520t)等。哲恩有限公司是美国较大的生产起重设备的公司，主要产品有各种手动卷扬机、电动卷扬机、提升机械及起重机。手动卷扬机的主要品种有：直齿传动卷扬机、蜗杆传动卷扬机；电动卷扬机的主要品种有：蜗杆传动系列、直齿齿轮传动系列、齿轮蜗杆传动组合系列、直接驱动系列、链传动系列。 美国除上述两家公司外，比较重要的生产厂家还有布劳斯公司、赛林公司、斯塔斯派克公司、阿姆降公司、英格索艺德公司等。 2）日本 日本从明治30年开始制造和使用卷扬机。据日本荷役机械研究所核计，19701975年间卷扬机的产量增加62.5。据日本通产省机械核计月报载，仅1977年单纯土建卷扬机的产量就达12万台，产值约100亿日元。 日本卷扬机行业由机械技术部会、荷役机械技术委员会领导。主要生产厂家有北川铁工所、远藤钢机、南星、越野总业、艺浦、松岗产业等80多个厂家。 北川铁工所是一家大型生产厂。其生产的卷扬机品种系列比较齐全，主要有： （1）动力卷扬机 分BF、MF、DF三种型式。功率为3.744kw，钢丝绳拉力从588044l 00N。有18个规格。F型是V型带传动，MF型是单筒开式齿轮传动，DF型是双筒开式齿轮传动。其结构持点是全部为标准型，采用改进了的螺旋顶丝式离合器操纵，因而操作简便，易调整；鼓形离合器采用单锥体式，摩擦材料采用带型树脂。 （2）电动卷扬机 该厂生产的电动卷扬帆为KW型，功率3.711kw，拉力6000142100N，四种规格。其结构特点是：全封闭内齿轮传动；电动机在一端，减速器、制动器和操作部分在另一端，中间是卷筒，一字型布置，按钮操作，可远距离遥控；最大特点是卷简可缠绕89层容绳量大，适于高层卷扬使用。 远滕钢机公司有60多年历史，它是日本唯一生产特殊电动卷扬机的公司。ENDO型卷扬机采用起重电动机，卷扬机可两档变速，排绳器装在上部，是单螺旋轴双导向杆式结构，机座全部是焊接结构，所有机械与电器部分都装在机座里。 3)法国 法国生产卷扬机的厂家很多，其中包藤(POTAIN)公司就是生产卷扬机的主要广家之一，主要生产KUSW系列、LMD系列、PC系列和RCS系列卷扬机。 KUSW型卷扬机轻巧紧凑，效率高，安全可靠，可遥控操作。这种卷扬机能够比较理想地与各种机械配套。 LMD型卷扬机可两档变速，采用液压控制。液压系统可同时控制两个机械制动器。LMD型卷扬机综合了电气技术(包括电子技术系统)和液压技术的优点，性能比较好。 PC型卷扬机是三速电动卷扬机，远距离遥控操作，空载高速下降，提高了生产率。电控齿轮换档(采用延时继电器)起吊位置精确，运动缓和，传动件在油池里工作，停车缓慢，避免磨损电磁刹车。 RCS型卷扬机可五档变速，三个低速档和两个高速档。由两个独立的装有电磁刹车系统的提升电动机驱动卷扬机。电动机带动直齿减速器，用锥齿轮带动卷筒。其他国家，如俄罗斯、英国、挪威、瑞典、加拿大、德国等也都生产着不同用途的各种型号的卷扬机。 1.1.4 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7.715.4Kg，拉力为333613344N。 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。1.2.1 按钢丝绳额定拉力F分 按钢丝绳在基准层上所能承受的最大拉力来区分。按195588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。1.2.2 按钢丝绳速度v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v915mmin;2）中速卷扬机 绳速v1530mmin3）快速眷扬机 绳速v3045mmin4）高速卷扬机 绳速v45mmin。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。1.2.3 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。1.2.4 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。1.2.5 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1.2.6 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。1.2.7 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 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）蜗杆减速器慢速卷扬机。3）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4）蜗杆减速器加开式齿轮传动的卷扬机。 对一些起重量大的卷扬机，为使钢丝绳在卷简上排列整齐，需要安装排绳器。按设计规范要求，在钢丝绳拉力F120kN的卷扬机上，均应安装排绳器。1.3.3 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2KH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。 上述摆线针轮行星传动和少齿差行星传动的输出机构是很重要的一环，可实现偏心输出的机构有很多，但考虑到加工和效率的原因，目前采用较多的是销轴式，但其加工精度及热处理要求较高，卷扬机生产厂家比较难以达到。所以有的厂家采用了零齿差传动输出机构，其设计较为复杂，但加工较为容易，效果亦不错。 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 起升机构的组成及型式2.1 起升机构的组成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。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 起升机构示意图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 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（23）。 图 23 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。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 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 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： （31）式中整条钢丝绳的破断拉力(N)。卷扬机工作级别规定的最小安全系数。钢丝绳的额定拉力(力)。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，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。 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 （32）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FmaxF总 1.25N，该卷扬机用于冶金行业铸造用，所以工作级别为M7，查机械设计手册第二册钢绳系数选择c0.124。 0.12313.79 mm 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 （33）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F071.25=8.75N=87.5KN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87.51.134=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619（a）类14NATFC1470ZS10279.5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（ ） 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/100m3.3 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68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0.52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 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 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（41）。图 41 （a） 标准绳槽 （b） 深绳槽4.2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=（0.540.6）d（ d 为钢丝绳直径 ） （41）绳槽深度：标准槽：=（0.250.4）d （mm） （42）深槽： =（0.60.9） d （mm） （43）绳槽节距：标准槽：d（24） （mm） （44）深槽： d（68） （mm） （45）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=（0.540.6）d mm=7.568.4mm 取R=8mmc=（0.250.4）d mm =3.55.6mm 取c=4mm td（24）mm=16mm4.3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（42）。图 42 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 。4.3.1 卷筒节径 设计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： （46）式中 按钢丝绳中心计算的卷筒最小直径（mm）； 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； d 钢丝绳的直径（mm）。按式计算： 2814 392（mm）选取=400（mm）4.3.2 卷筒的长度设计本设计采用双联滑轮组，如图43图43 双联滑轮组卷筒的长度 （47）式中 L卷筒总长度； 绳槽部分长度，其值为： （48）其中 H最大起升高度； a滑轮组倍率； 卷筒卷绕直径； 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n1.53圈； 固定钢丝绳所需要的长度，一般取3t； 两端的边缘长度（包括凸台在内），根据卷筒结构而定；卷筒中间无绳槽部分长度，由钢丝绳的允许偏斜角和卷筒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。 =380mm。3t=48mm所以 2（380+48+20）100996mm。选取标准卷筒长度为1000mm4.3.3 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 （49）根据铸造工艺的要求，铸铁卷筒的壁厚不应小于12 mm， mm 0.02400（610） 7+8 15mm所以卷筒的参数选择为：绳槽节距t16mm、槽底半径4mm、卷筒节距400mm、卷筒长度L=1000mm、卷筒壁厚mm4.4 卷筒强度计算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3时只计算压应力即可。本设计中L=1000mm D=400 mm，符合3的要求，所以只计算压应力即可。当钢丝绳单层卷绕时，卷筒所受压应力按下式来计算：=A （410）其中 为钢丝绳单层卷绕时卷筒所受压应力（） 为钢丝绳最大拉力（N） 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= 为铸铁抗压强度极限所以=A=0.7539查教材机械设计基础知195，所以39。所以 经检验计算，卷筒抗压强度符合要求。第五章 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 常用的卷筒轴分轴固定式轴转动式（图51）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 51 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 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400mm，钢丝绳的直径14mm，外齿轴套齿轮分度圆直径D224mm，查机械传动设计手册，轴的材质选择45钢，调制处理，。 由图51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53所示。图53 轴的弯矩图5.2.1 作用力计算 齿轮圆周力： （51） 18.68 （KN） 齿轮径向力： （52） 18.7tg20 6.78 （KN）5.2.2 垂直面支承反力及弯矩 支反力，简图83b。 （53） 26.93（KN） （54） 15.63（KN）弯矩，见图 83c。 （55） -781.5（KN.mm） （56） 60 1615.2 （KN.mm） 5.2.3 水平面支承反力及弯矩支反力，水平面支承反力见图53d。 （57） 0.382（KN） （58） 6.42（KN）弯矩计算，见图 83e （59） 506.42 321 （KNmm） （510） 600.382 22.9 （KNmm）合成弯矩，见图 83f （511） 844.8 （KNmm） （512） 1615.3 （KNmm）5.2.4 计算工作应力 此轴为固定心铀，只有弯矩，没有转矩。由图83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： （513）则： 74.46 （mm）圆整后 75 （mm），中间轴段751590