塔式起重机起升机构设计

摘 要本文主要设计一种塔式起重机起升机构，该设备主要用在建筑、建材、材料等制造领域，在施工中充当运送钢筋、板材等重物的角色，在建筑行业中具有不可替代的作用，被广泛应用于各种装卸、运输等生产活动，对于加快施工进度，提高施工质量具有十分重要的责任。主要设计过程如下：首先明确塔式起重机起升机构的使用原理与用途，根据塔式起重机的工作特点及环境确定起升机构的技术难点及组成部分。根据技术难点确定解决方案，根据解决方案拟定出多种具体结构方案，具体结构包括传动装置与滑轮组装置两部分，综合经济性、可靠性、美观性、实用性等各个角度给出重点部分的最优方案。然后应solidworks三维软件对塔式起重机起升机构的各个部分进行具体设计，在三维环境下验证其满足使用及设计要求。对塔式起重机起升机构中关键的机械部件进行选型和计算，选择Y系列160M-4型号的电机，对包括驱动轴轴、键传动、齿轮传动在内的移动装置的的尺寸进行设计，选择深沟球轴承作为驱动轴支撑，并对以上部件进行校核。在润滑方式的选择中，输送轴采用70号机械润滑油浸油润滑，滚动轴承选ZGN2润滑脂润滑。其中对起升机构的安全与配套系统进行了设计与分析，安全配套系统是塔式起重机的重要组成部分，可提高工作的效率与安全性。其中，本文设计了起升机构的制动器用以提高起升机构的安全性，并就电磁式断电制动器进行了原理说明。关键词：塔式起重机 起升机构 减速器 选型 自动化AbstractThis paper mainly designs a kind of tower crane lifting mechanism, which is mainly used in the construction, building materials, materials and other manufacturing fields. It plays an irreplaceable role in the construction industry and is widely used in various loading and unloading, transportation and other production activities. It is very important to speed up the construction progress and improve the construction quality Responsibility. The main design process is as follows:Firstly, the use principle and purpose of the lifting mechanism of the tower crane are clarified, and the technical difficulties and components of the lifting mechanism are determined according to the working characteristics and environment of the tower crane. According to the technical difficulties to determine the solution, according to the solution to develop a variety of specific structural plans, the specific structure includes two parts of the transmission device and pulley block device, comprehensive economy, reliability, aesthetics, practicality and other aspects of the key part of the optimal plan. Then, the three-dimensional software SolidWorks is used to design each part of the lifting mechanism of the tower crane, which is verified to meet the use and design requirements in the three-dimensional environment.Select and calculate the key mechanical parts in the lifting mechanism of the tower crane, select the Y Series 160m-4 motor, design the size of the mobile device including the drive shaft, key drive and gear drive, select the deep groove ball bearing as the drive shaft support, and check the above parts. In the selection of lubrication mode, the transmission shaft is lubricated by No. 70 mechanical lubricating oil, and the rolling bearing is lubricated by zgn-2 grease.The safety and supporting system of the lifting mechanism is designed and analyzed. The safety supporting system is an important part of the tower crane, which can improve the efficiency and safety of the work. Among them, this paper designs the brake of hoisting mechanism to improve the safety of hoisting mechanism, and explains the principle of electromagnetic power-off brake.Key words: tower crane lifting mechanism reducer selection automation目 录第一章 绪论41.1研究背景及意义41.2国内外研究现状51.3 QTZ5013塔式起重机简介61.4 本章小结6第二章 设计目标与设计方案的选定72.1塔式起重机起升机构设计要求72.2 设计目标72.3塔式起重机起升机构结构方案分析72.4总体方案的构型及原理分析92.5传动系统、滑轮组系统的设计102.5.1传动系统的设计102.5.2滑轮组系统的设计112.6 本章小结12第三章起升机构减速器设计及分析133.1传动系统总体分析及主要部件选型133.1.1传动系统总体分析133.1.2传动系统主要部件选择及电机选型143.2 传动系统运动和动力参数计算183.2.1各轴转速183.2.2各轴功率193.2.3各轴转矩193.3 第一级齿轮传动的设计计算203.3.1选定齿轮精度等级、材料及齿数213.3.2按齿面接触疲劳强度计算223.3.3按齿根弯曲强度计算223.3.4几何尺寸233.4 第二级齿轮传动的设计计算243.4.1选定齿轮精度等级、材料及齿数253.4.2按齿面接触疲劳强度计算253.4.3按齿根弯曲强度计算263.4.4几何尺寸273.5 第三级齿轮传动的设计计算283.5.1选定齿轮精度等级、材料及齿数293.5.2按齿面接触疲劳强度计算303.5.3按齿根弯曲强度计算313.5.4几何尺寸313.6 减速器轴、轴承装置及键的设计323.6.1高速轴及其轴承装置、键的设计333.6.2中间轴1及其轴承装置、键的设计343.6.3低速轴及其轴承装置、键的设计353.7 润滑与密封363.8 本章小结37第四章 减速器辅助器件的设计计算384.1箱体的结构形式及材料394.2箱体的主要尺寸选择404.3螺栓、螺母、螺钉、垫片的选择414.4定位销、吊耳的选择414.5减速器润滑414.6减速器的密封414.7本章小结41第五章 设计总结385.1本文总结395.2展望405.3论文体会41参 考 文 献42第一章 绪论1.1研究背景及意义随着我国经济的飞速发展，我国建筑行业也迎来了井喷式发展，一栋栋摩天大楼拔地而起，无数的大桥、铁路将全国各地紧密联系在一起，有了这些设施，人们可以有居住的地方，出行也变得非常方便。在这成绩的背后，除了设计师与农民工的努力，也少不了工程机械的参与。在建筑行业工程机械的普及可以代替工人繁重的工作量，大大节约了人力，同时也提高了劳动效率，加快了施工速度，提高了工作质量，降低了成本。目前在建筑行业施工现场，塔式起重机是最主要的施工机械，在施工中充当运送钢筋、板材等重物的角色，在建筑行业中具有不可替代的作用，被广泛应用于各种装卸、运输等生产活动，对于加快施工进度，提高施工质量具有十分重要的责任。塔式起重机主要由行走机构、起升机构、回转机构、变幅机构等组成。其中行走机构使得起重机在允许范围内自由移动，起升机构用来对被提升对象进行升降，回转机构使得塔式起重机横梁可以回转，变幅机构可以使重物在横梁上往复运动。其中，起升机构主要由电机、减速器、联轴器、制动器、卷筒、钢丝绳、滑轮组、抓取装置组成。本文主要对一种塔式起重机起升机构进行进行研究，通过对该机构的研究可以允许起重机升降重物，并且通过对起升机构安全性进行研究，确保工作中的安全，基于加快建筑行业机械化的问题对一种起升进行研究，可以缓解建筑行业人工效率低下，成本高，质量差的问题。对多种形式的塔式起重机起升机构进行研究讨论，选择一个先进、可靠、结构简单、原理先进、成本低廉的方案。1.2国内外研究现状塔式起重机从问世以来经过科研人员的不断研发，已由初期的存在诸如安全、效率、可靠性等多方面问题的机械转变为现在的稳定性较高的机械装置。塔式起重机机械结构向模块化方向发展，可以实现效率更高的生产、组装、运输。塔式起重机在欧洲、东亚、北美等很多国家都实现普及，我国塔式起重机出现较晚，但是发展很迅速。塔式起重机从二战后兴起，在第二次世界大战后，世界各国家园都惨遭蹂躏，世界人民都渴望重建家园，浩大的建筑工程需求催生了起重机的产生于发展，我国起重机的发展经历了由引进到消化吸收再创新的过程。国外以韩国为例，韩国在过去几十年塔式起重机已经得到了充分的发展。由于韩国国土面积小，经济发达，建筑密度大，所以如何提高建筑效率、质量、安全等问题一直困扰韩国。这些问题也直接促进了韩国对于塔式起重机的研发，韩国发展至今，其塔式起重机的研发、管理、制造等都处于世界领先水平。从时间上说，韩国的塔式起重机经历了五六十年代开始起步，七十年代从日本引进技术，八九十年代大规模使用，至今技术领先世界的过程。近几年来，韩国的塔式起重机增长率保持在百分之三十左右，处于稳步发展阶段。这也给我国提供了一个经验：技术都会经历引进、消化、研发到领先的过程。早在五十年代我国为了实现工业化也开始关注塔式起重机。但是那时的塔式起重机技术落后、安全性差、工作稳定性差，难以适应社会的发展潮流。改革开放以来，我国从韩国、日本、欧美等发达国家引进了塔式起重机的最先进技术，国内生产成本与人工成本也比发达国家要低很多，所以国外的企业纷纷在中国投资设厂，中国也得以接触先进的制造设备，为制造先进的塔式起重机提供了基础。经过几十年的高速发展，我国塔式起重机已经进入高速平稳发展期，由于塔式起重机在各大城市均有巨大的缺口，所以未来塔式起重机会继续高速发展，它将是一个新兴的朝阳产业。我国塔式起重机的发展目前还存在以下问题：目前普遍存在以下不足之处，第一：起步晚，起点低，由事物发展普遍规律可知这种落后的状态短时间内难以改变。第二：缺乏自主创新能力。我国塔式起重机的发展目前还是以借鉴为主，缺乏创新思想，不了解产品的发展和走向，没有自身独特的见解，只追随成功人士的步伐，也注定了永远难以引领这个行业的发展。第三：国内塔式起重机市场缺乏凝聚力和团队精神，缺乏专利保护意识，对同行的产品剽窃严重，恶性竞争严重，与国际塔式起重机行业对比，国内市场如同一片散沙，各自为战的市场需要被整改，拧成一股绳才能更好的应对国际市场的变化。虽然我国塔式起重机技术发展迅猛，但是在各大城市的使用率却不高，其中的原因固然有技术的问题，除此之外，人的观念也起到了很重要的作用。随着建筑行业的继续发展，一旦安全、质量、效率等矛盾激化，必会导致人的思想观念的变化，那时塔式起重机必然如雨后春笋，瞬间布满祖国各地。塔式起重机的技术也将迎来长久的发展。所以现在研究塔式起重机，进行知识积累，必将在不远的将来不论是个人还是社会都将获得丰厚的回报。1.3 QTZ5013塔式起重机简介QTZ塔式起重机是目前建筑市场上常见的一种起重机，Q代表起重机中起的首字母，T代表塔式中塔的首字母，Z代表自升式中自的首字母。该种塔式起重机起重臂长度为63米，额定最大起重量为6t，额定起重力矩为630KN/m，该起重机性能优良，主要体现在以下几点：1.适用范围广，该起重机适用范围从-20到40，温度跨度广，基本可满足从热带到寒带的任意地点的要求。即满足了小建筑工地的住房使用，也满足高楼、港口等设施的使用要求。2.拆装方便，该塔式起重机采用模块化设计，在运输、安装、拆卸时十分方便，满足快速转换建筑工地的要求。3.性能好，运行平稳，效率高，基本实现重载低速、低载高速。4.安全性能好，起升机构设计有制动器，制动器采用断电制动，当设施断电时制动器动作，使起重机立刻停止工作，保护工作人员及设备的安全。4.驾驶室安全性号，视野宽广，适合操作人员在其中进行操作。1.4论文整体结构第一章阐述本设计的意义，以及本设计的发展现状，并明确本文拟解决的关键问题。第二章对塔式起重机起升结构进行具体设计，其中传动系统的具体设计、滑轮组的具体设计、减速器的具体设计，对塔式起重机起升机构的重点模块提出多种方案并经过分析选择其中最佳方案。在确定了装置的构型之后绘制了三维模型，检验了空间布局的合理性。第三章对塔式起重机减速器进行计算，包括轴、键的设计，箱体的密封、齿轮的润滑等。第四章总结与展望。对本文的研究内容及成果进行总结，并提出不足之处进行展望，以便后来学者继续研究。第二章 设计目标与设计方案的选定本章首先根据我国常见的塔式起重机的尺寸以及本次毕业设计要求提出了几种起升机构的方案，起升机构包括传动系统与滑轮组系统，本文分别就这两种系统进行了多种方案的设计，然后从各种方案的自动化程度、承载能力、可靠性等方面进行对比，然后选择最合适的方案来进行塔式起重机起升机构的设计。确定了最合适的方案之后根据工作任务确定最优方案的各个机械模块，并应用solidworks三维软件对方案进行建模，检查起升机构的空间布局以及是否有干涉，以便确定方案的正确性。2.1 塔式起重机起升机构设计要求塔式起重机最大起重量4t，单绳拉力不超过20kN，受限于空间尺寸等要求，卷筒直径限制在500mm以下，容绳量360m以下。2.2 设计目标针对以上要求的塔式起重机起升机构，本文采用一种新式的起升机构，由于该装置在保证正常使用的前提下可靠性较佳，适用于中国大多数建筑区。人在塔式起重机操控室直接操控起升机构控制系统，其余全部的动作均由机器完成，因此该类型的塔式起重机属于半自动装置。产品的使用年限为十年，适用于绝大多数塔式起重机与建筑区，其对塔式起重机本身以及建筑要求不高，生产制造成本低，适于大范围推广。虽然塔式起重机起升机构具有高效率、高精度等一系列优势，但只具备有限的柔性和较少的逻辑推理能力，而人具有很高的柔性和卓越的思维预测能力，因此在追求制造高度自动化的同时，仍然离不开人类的独特作用，机器的使用过程需要与人类的智力相结合，人与机器的相辅相成。2.3 塔式起重机起升机构结构方案分析塔式起重机起升机构主要由电机、减速器、联轴器、制动器、卷筒、钢丝绳、滑轮组、抓取装置组成。其中这些装置主要分为传动系统与滑轮组系统组成。电机、减速器、联轴器、制动器、卷筒组成了传动系统；钢丝绳、滑轮组、抓取装置组成了滑轮组系统。这两部分均有多种形式，各种形式各有优劣，下文具体介绍。传动系统按照空间布置可分为同轴线式传动与并列式传动两种。同轴线式传动系统如图2.1所示：图2.1 同轴线式传动系统电机、减速器、联轴器、制动器、卷筒依次排开，轴在同一条直线上，电机将回转运动依次传递给减速器、联轴器、制动器、卷筒，卷筒的回转运动将钢丝缠绕在卷筒上，从而实现滑轮组的升降。这种结构横向占用空间较大，适合在特定的空间要求下使用。并列式传动系统如图2.2所示：图2.2 并列式传动系统图中1是电机，2代表联轴器与制动器，3是减速器，4代表卷筒。这种机构增大了减速器的尺寸，减速器必须是三级及以上传动，但是减少了传动装置整体横向尺寸。在大多数塔式起重机上均适合使用，由于在空间使用上的优势，本文选择并列式起升机构进行具体设计。2.4 总体方案的构型及原理分析图2.4 总体方案原理图如上图2.4所示是一个塔式起重机起升机构，传动系统位于横梁的左侧，滑轮组系统位于横梁的右侧，传动系统与滑轮组系统位于横梁的两侧，一来可以缓解配重问题，二来减少了变幅机构的整体重量。本文以该种形式的塔式起重机起升机构为例进行原理说明及工作过程分析。工作原理：随着电机的回转运动，减速器、联轴器、制动器、卷筒也做回转运动，卷筒的回转运动将钢丝缠绕在卷筒上，从而实现滑轮组的升降。滑轮组中有两个定滑轮一个动滑轮，定滑轮改变力的方向，动滑轮可以省力，借以提升更重的物体，同时在提升物体的同时也伴随着费距离，也就是物体上升a距离，卷筒要转2a距离。其中，联轴器将电机的轴与减速器轴连接在一起，制动器采用断电制动方式，当由于停电或其他事故使得塔式起重机处于断电情况时，如果没有制动器，则滑轮组上的重物会在重力的作用下极速下滑，造成危险，当有制动器时，在塔式起重机失电时，制动器会第一时间抱死电机的轴，使电机轴不在做回转运动，则卷筒也会固定，重物不会再重力作用下下滑。制动器装置大大增加了装置的稳定性。2.5 传动系统、滑轮组系统的设计2.5.1 传动系统的设计在上节的分析我们知道，传动系统需要有电机、减速器、联轴器、制动器、卷筒组成。传动系统驱动器可由电机或液压驱动，液压驱动有很多优点，其一：动力充沛，液压驱动可以提供很大的驱动力或驱动力矩，完全可以胜任提升建筑重物，正是由于液压驱动这项优点，很多重型机械大多采用液压驱动。其二：成本低廉，液压传动可以节省中间传动系统，因此成本低廉，在小众市场较受欢迎。但是液压传动也有以下缺点，其一：冬季液压传动介质面临结冰问题，一旦温度下降到介质凝固点以下，介质就会结冰，液压传动失去作用，因此，液压传动受温度影响较大。其二，液压传动大都体积庞大，并且为对空间有一定要求。塔式起重机横梁空间有限，配重问题矛盾突出，所以塔式起重机起升机构重量、体积尽可能要小，液压传动显然违背了塔式起重机的要求。综上所述，虽然液压传动存在很多优点，但是缺点使得利用液压传动的塔式起重机受众大减，故本文不采用液压传动。电机传动由于其独有的传效率高，成本低，不容易发生故障，对环境空间要求也较低等优点，但是电机驱动力矩较小，理论上难以适应提升建筑重物的要求，但是借助减速器就可以轻松实现这项功能，由P=FV可知，在电机功率不变的情况下，减速器降低了轴的传递速度，所以增加了轴的传递力矩，所以减速器可以提升电机所提重物的重量上限，并且减速器的体积较小，符合塔式起重机的各方面要求。故在本文选择采用电机传动作为传动系统的驱动器。传动系统可以选用钢丝绳、链条、涡轮蜗杆等。其中涡轮蜗杆有较大的传动比、传动过程平稳，并且还具有自锁的优势，但是其本身存在传效率低、并且磨损严重等问题，传动效率低意味着更多的能源消耗，磨损严重意味着塔式起重机起升机构的使用寿命很短，需要不断地维修更换，这些特点使得涡轮蜗杆难以适应塔式起重机升降机构。链条传动可在恶劣的环境下工作，同时对轴、轴承的作用力较小，但是链条在工作时噪音较大，并且制造工艺要求较高，在长距离使用中容易发生故障。钢丝绳驱动在精度、可靠性、速度方面均有不错的变现，并且强度较大、可以弯曲、可以长距离使用。故选择钢丝绳传动。塔式起重机起升机构传动系统可如图2.5所示。图2.5 塔式起重机起升机构传动系统示意图电机、减速器与卷筒均固定在塔式起重机横梁架上，电机通过联轴器与减速器连接在一起，将运动传递给减速器，减速器采用三级齿轮传动，电机、卷筒采用并列式传动，减小了横向尺寸，电机轴上设计有断电式制动器，提高了起升机构的安全性。卷筒一端与减速器的输出轴通过嵌套加销轴的形式进行连接，在结构形式上要比采用联轴器简单，节约了空间与成本。卷筒的两端都与轴承、轴承固定座相连，用于对卷筒进行支撑，并且由于轴承的存在大大减小了卷筒做回转运动的阻力。减速器用来传递动力，利用齿轮间的传动比转换速度，将电机输出的高速运动转化为想要的低速运动并且提升轴的输出力矩，减速器的使用范围极其广泛，基本在各种机械系统中都可以看到他的身影，从日常生活的各种家电、钟表到工厂使用的各种重型机械及汽车都要使用减速器，经常被用来进行速度、力矩的转换。减速器中的齿轮可以选用直齿齿轮、斜齿齿轮、锥齿轮、涡轮蜗杆等形式。其中直齿圆柱齿轮时最常见的一种，传动效率高，不会产生轴向力。斜齿齿轮传递力矩高，但是在传动过程中会出现轴向力。锥齿轮传动较为平稳，传动效率较高，运行过程中不会产生噪音，承载能力也比较突出，但是其加工工艺要求较高，制造成本较高，不适于大范围推广。涡轮蜗杆传动比较大，结构紧凑，并且当蜗杆的展开螺旋角小于蜗轮蜗杆接触的摩擦角时会具有自锁功能，同时涡轮蜗杆传动磨损较为严重并且传递效率较低。综上所述本文设计的减速器采用直齿齿轮传动。减速器可分为二级齿轮传动及三级齿轮传动等多种形式，二级齿轮减速器传动比可变化范围不如三级齿轮减速器传动比可变化范围广，每一级传动都可实现一定的传动比变化，多一级传动就多一级传动比可变化范围。但是每一级齿轮传递都对应着能量损耗，越多的齿轮级数就对应着越多的能量损耗，所以三级齿轮减速器能量损耗要比二级齿轮减速器要多。本文电机与卷筒采用并列式布局，输出轴在同侧，由于卷筒尺寸较大，两级齿轮传动输出轴间距相对较小，影响电机与卷筒的空间布局。由于齿轮传动本身效率较高，所以三级齿轮传动总体效率依然可观，并且可以通过提高电机的功率来弥补能量损耗。故本文选择三级齿轮传动，输入轴与输出轴同侧布局。减速器示意图如图2.6所示。图2.6 减速器内部示意图2.5.2 滑轮组系统的设计滑轮组系统中主要由定滑轮、动滑轮及钢丝绳组成，动滑轮的使用可以省力，所以在电机的选择上我们可以更大的选择余地。定滑轮可以改变力的方向，动滑轮与定滑轮的配合使用可以达到我们想要的效果。由上文分析可知，本文选择一个动滑轮，两个定滑轮的布局方式，定滑轮布置在塔式起重机的横梁上，钢丝绳缠绕在动滑轮上，动滑轮悬在空中，动滑轮与挂钩连接在一起，挂钩可以提升建筑重物。滑轮组系统示意图如下图2.7所示：图2.7 滑轮组示意图两个定滑轮通过键配合固定在定滑轮轴上，定滑轮轴通过轴承与轴承支撑座固定在横梁上，当钢丝绳拉伸时定滑轮轴可以转动。钢丝绳一端固定在定滑轮上，另一端通过定滑轮传动缠绕着动滑轮，钢丝绳拉伸时动滑轮可以实现升降。2.6 本章小结本章首先对机械的需求进行了分析，基于需求提出了塔式起重机起升机构的构型，深入分析了各种构型的优劣及适用范围，最终选择了最合适的构型。即传动系统采用电机、减速器、联轴器、制动器、卷筒等装置组成，减速器采用三级直齿圆柱齿轮传动，输出轴与输入轴同侧。滑轮组系统采用一个动滑轮两个定滑轮形式对重物进行提升。在提出构型之后本文对传动系统与滑轮组系统进行了具体设计，绘制了三维图，检验了空间布局的合理性。第三章 起升机构减速器设计及分析减速机在传动扭矩的过程中可以承受较大的扭矩，在负载较大时可以保护电机，在电机遭受破坏前首先被破坏，并且当其受到破坏后，可以使用较少的维修费用便可恢复使用。减速机的加入，还可以降低转动惯量，对于机器的起停和变速都有很好地控制，其增大扭矩的同时也增大了输入功率。其充当着节能和降低成本的主要作用。本文中设计的减速器为三级圆柱直齿齿轮减速器。在设计之前，首先依据钢丝绳的提升速度和扭矩以及卷筒直径选择合适的电机；然后对高速和低速级齿轮进行设计，以齿面接触疲劳强度进行设计，以齿根弯曲疲劳强度进行校核已达到要求；接着依据选择好的电机功率和转速进行低速轴、中间轴和高速轴的设计，并选择合适的深沟球轴承和平键，计算轴上的径向力和轴向力，并绘制弯矩图和扭矩图以校核轴的强度是否符合要求；最后计算了一系列的轴承的寿命，选择了齿轮和轴承的润滑方式，并对箱体的结构进行了初步的设计。3.1 传动系统总体分析及主要部件选型3.1.1 传动系统总体分析减速器由电动机驱动，钢丝绳上的力是20KN，卷筒直径是300mm，则卷筒输出力矩是3KN/m，为了提高设计的安全余量，本文将输出力矩扩大25进行计算，即卷筒输出力矩为3.75KN/m，根据起升机构常规上升速度，本文确定卷筒线速度为0.7m/s，卷筒直径要小于500mm，本文设计为300mm。电机与减速器之间设置有联轴器与制动器，减速器输出轴与卷筒相连，减速器采用三级圆柱直齿齿轮传动，输出轴与输入轴同侧。传动系统原理图如图3.1所示：图3.1 传动系统原理图减速器辅助件有:观察孔盖,油标和油尺,放油螺塞,通气孔,吊环螺钉,吊耳和吊钩,定位销,启盖螺钉,轴承套,密封圈等。3.1.2 传动系统主要部件选择及电机选型传动系统主要部件选择如表所示： 传动系统主要部件选择目的过程分析结论动力源电动机齿轮载荷平衡做成斜齿轴承此减速器轴承所受轴向力不大深沟球球轴承联轴器高速轴弹性联轴器，低速轴用可移式刚性联轴器接下来进行电机的具体选型工作：钢丝绳的工作转速为电动机所需有效功率为弹性联轴器传动效率圆柱齿轮传动效率滚动轴承传动效率为输送机滚筒效率为电动机输出有效功率为三级圆柱斜齿轮减速器传动比，即总传动比范围为，故电动机转速的可选范围为查得型号YZTD22L2-4多速三相异步电动机参数如下:额定功率24KW低速转速700r/min故满足要求。3.2 传动系统运动和动力参数计算传动系统的总传动比其中i是传动系统的总传动比，多级串联传动系统的总传动等于各级传动比的连乘积；nm是电动机的满载转速，r/min；nw 为工作机输入轴的转速，r/min。计算如下，三级传动比依次减小，相差不大，则设：从电动机到卷筒轴分别为0轴、1轴、2轴、3轴、4轴、5轴；对应于各轴的转速分别为、n5；对应于0轴的输出功率和其余各轴的输入功率分别为、P5；对应于0轴的输出转矩和其余名轴的输入转矩分别为、T5；相邻两轴间的传动比分别为、i45；相邻两轴间的传动效率分别为、45。计算各轴功率、转速和转矩各轴转速 电机与减速器相连的轴为高速轴，高速轴 中间轴1中间轴2低速轴卷筒轴是卷筒与减速器相连的轴，卷筒轴各轴功率电机轴高速轴中间轴1中间轴2低速轴卷筒轴各轴转矩电机轴 高速轴 中间轴1中间轴2低速轴卷筒轴1-3轴的输出功率或输出转矩分为各轴的输入功率或输入转矩乘轴承效率0.99P输出变为； T变为； 将各个轴的转速、转矩、功率、连接方式、传动比、传动效率等数据列表如下所示：轴号电动机三级圆柱减速器卷筒轴O轴1轴2轴3轴4轴5轴转速n(r/min)n0=700n1=700n2=233.3n3=89.2n3=44.6n4=44.6功率P(kw)P0=24P1=23.76P2=22.8P3=21.9P3=21P4=20.6转矩T(Nm)T0=327.4T1=324.1T2=933.3T3=2344.6T3=4496.6T4=4410两轴联接联轴器齿轮齿轮齿轮销轴传动比 ii01=1i12=3i23=2.6i23=2i34=1传动效率01=0.9912=0.9723=0.9723=0.9734=0.993.3 第一级齿轮传动的设计计算3.3.1选定齿轮精度等级、材料及齿数1) 低速齿轮选用级精度2) 选择高速轴小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，中间轴1大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。3) 初选小齿轮齿数，大齿轮齿数4) 选用斜齿圆柱齿轮传动，压力角取（标准值）3.3.2按齿面接触疲劳强度计算由设计计算公式试算小齿轮分度圆直径，即确定公式各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩（3）选取齿宽系数 （4）查得材料的弹性影响系数按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限（7）查得接触疲劳强度寿命系数 取失效概率为，安全系数为S=1，得取最小者作为齿轮副的接触疲劳许用应力，即517MPa计算应力循环次数计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值调整小齿轮分度圆直径，计算圆周速度v计算齿宽计算齿宽与齿高之比b/h模数齿高计算载荷系数K根据，7级精度，查得动载荷系数假设，查得查得使用系数查得故载荷系数按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得计算模数3.3.3按齿根弯曲强度计算得弯曲强度的设计公式为确定公式内的计算数值由图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限查得弯曲疲劳寿命系数 计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为，安全系数为S=1.4，得计算载荷系数查取齿形系数查得 查取应力校正系数查得 计算大小齿轮的，并比较大齿轮的数据大所以等于0.0166设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数3.38，并就近圆整为标准值3.5。按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数 取大齿轮齿数 取3.3.4几何尺寸计算计算分度圆直径计算齿根圆直径计算中心距计算齿宽取验算故，合适。3.4 第二级齿轮传动的设计计算3.4.1选定齿轮精度等级、材料及齿数1) 选用级精度2)选择中间轴1小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，中间轴2大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。3) 初选小齿轮齿数，大齿轮齿数 取4) 选用斜齿圆柱齿轮传动，压力角取（标准值）3.4.2按齿面接触疲劳强度计算由设计计算公式10-11进行试算小齿轮分度圆直径，即） 确定公式各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩为（3）由表10-7选取齿宽系数 （4）由表10-5查得材料的弹性影响系数由图10-20查得区域系数=2.5 由图10-25按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限（6）应力循环次数 （7）查得接触疲劳强度寿命系数 （8）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为，安全系数为S=1，由式10-14得取最小者作为齿轮副的接触疲劳许用应力，即517MPa） 计算（1）试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值（2）调整小齿轮分度圆直径，计算圆周速度v计算齿宽（） 计算齿宽与齿高之比齿高（） 计算载荷系数K根据v=3.1mm/s，级精度，查得动载荷系数查得使用系数查得查得使用系数 查得 故载荷系数（）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得（）计算模数3.4.3按齿根弯曲强度计算由式10-7得弯曲强度的设计公式为） 确定公式内的计算数值（） 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限（） 查得弯曲疲劳寿命系数 （3）计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为，安全系数为S=1.4，由式10-14得（） 计算载荷系数（）查取齿形系数查得 （）查取应力校正系数查得 （）计算大小齿轮的，并比较大齿轮的数据大所以等于0.016 （8）计算弯曲疲劳强度用重合度系数） 设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数2.316，并就近圆整为标准值2.5。按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数 取大齿轮齿数 取3.4.4几何尺寸计算） 计算分度圆直径 ） 计算齿根圆直径） 计算中心距） 计算齿宽取 验算合适3.5 第三级齿轮传动的设计计算3.5.1选定齿轮精度等级、材料及齿数1) 选用级精度2)选择中间轴1小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，中间轴2大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS。3) 初选小齿轮齿数，大齿轮齿数 取4) 选用斜齿圆柱齿轮传动，压力角取（标准值）3.5.2按齿面接触疲劳强度计算由设计计算公式10-11进行试算小齿轮分度圆直径，即） 确定公式各计算数值（1）试选载荷系数（2）计算小齿轮传递的转矩为（3）由表10-7选取齿宽系数 （4）由表10-5查得材料的弹性影响系数由图10-20查得区域系数=2.5 由图10-25按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限（6）应力循环次数 （7）查得接触疲劳强度寿命系数 （8）计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为，安全系数为S=1，由式10-14得取最小者作为齿轮副的接触疲劳许用应力，即517MPa） 计算（1）试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值（2）调整小齿轮分度圆直径，计算圆周速度v计算齿宽（） 计算齿宽与齿高之比齿高（） 计算载荷系数K根据v=3.1mm/s，级精度，查得动载荷系数查得使用系数查得查得使用系数 查得 故载荷系数（）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得（）计算模数3.5.3按齿根弯曲强度计算由式10-7得弯曲强度的设计公式为） 确定公式内的计算数值（） 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限（） 查得弯曲疲劳寿命系数 （3）计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为，安全系数为S=1.4，由式10-14得（） 计算载荷系数（）查取齿形系数查得 （）查取应力校正系数查得 （）计算大小齿轮的，并比较大齿轮的数据大所以等于0.016 （8）计算弯曲疲劳强度用重合度系数） 设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数2.316，并就近圆整为标准值2.5。按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数 取大齿轮齿数 取3.5.4几何尺寸计算） 计算分度圆直径 ） 计算齿根圆直径） 计算中心距） 计算齿宽取 验算合适。3.6减速器轴及轴承装置、键的设计减速器轴模型如图3.2所示：输入轴中间轴1输出轴图3.2 减速器各轴3.6.1输入轴及其轴承装置、键的设计输入轴上的功率，转速，求作用在车轮上的力 初定轴的最小直径选轴的材料为45钢，调质处理。查表取于是由式初步估算轴的最小直径这是安装联轴器处轴的最小直径，由于此处开键槽，校正值，联轴器的计算转矩查表取，则查机械设计手册（软件版），选LT-4型弹性套柱销联轴器，其公称转矩为，半联轴器的孔径，故取，半联轴器长度，半联轴器与轴配合的毂孔长度为44mm。故可取轴1-2段长度为轴的结构设计）拟定轴上零件的装配方案（见前图）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（）为满足半联轴器的轴向定位要求，1-2轴段右端需制处一轴肩，轴肩高度,故取段的直径（2）初选型号6006的深沟球轴承参数如下 故轴段7的长度与轴承宽度相同,故取 (3)轴段4上安装齿轮,为便于齿轮的安装,应略大与,可取.齿轮左端用套筒固定,为使套筒端面顶在齿轮左端面上,即靠紧,轴段4的长度应比齿轮毂长略短,若毂长与齿宽相同,已知齿宽,故取(4)齿轮右端用肩固定,由此可确定轴段5的直径, 轴肩高度,取,故取为减小应力集中,并考虑右轴承的拆卸,轴段6的直径应根据6006深沟球轴承的定位轴肩直径确定,即(5)取齿轮端面与机体内壁间留有足够间距H,取,取轴承上靠近机体内壁的端面与机体内壁见的距离S=8mm,取轴承宽度C=50mm.由机械设计手册可查得轴承盖凸缘厚度e=10mm,取联轴器轮毂端离K=20mm.故取齿轮齿宽中间为力作用点,则可得（6） 键连接。联轴器：选普通平键为，配合为，轴直径公差为m6 5. 轴的受力分析1)画轴的受力简图图3.3 轴的受力简图2）计算支承反力在水平面上 在垂直面上故 总支承反力 ） 画弯矩图故4）画转矩图6 按弯矩合成应力校核轴的强度对于单向转动的转轴,通常转矩按脉动循环处理,故取折合系数,则查表得=60Mpa,因此,故安全.7 校核键连接强度联轴器: 查表得.故强度足够.齿轮:查表得.故强度足够.8.校核轴承寿命轴承载荷 轴承1 径向: 轴向: 轴承2 径向: 轴向:查表得:介于1.031.38之间,对应的e值为0.280.3,故 查得3.6.2中间轴1及其轴承装置、键的设计1.中间轴上的功率，转速 转矩求作用在车轮上的力高速大齿轮:低速小齿轮: 初定轴的最小直径选轴的材料为钢，调质处理。查表取于是由式初步估算轴的最小直径这是安装联轴器处轴的最小直径,取轴段1的直径轴的结构设计）拟定轴上零件的装配方案（见前图）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度（1）初选型号6008的深沟球轴承，参数如下 （2）轴段2上安装齿轮,为便于齿轮的安装,应略大与,可取.齿轮左端用套筒固定,为使套筒端面顶在齿轮左端面上,即靠紧,轴段3的长度应比齿轮毂长略短,若毂长与齿宽相同,已知齿宽，考虑到和输入输出轴的配合取，。 （3）齿轮右端用肩固定,由此可确定轴段3的直径, 轴肩高度,取。（4）取齿轮端面与机体内壁间留有足够间距H,取,取轴承上靠近机体内壁的端面与机体内壁见的距离S=10mm.故（5）键连接。高速齿轮：选普通平键为，l=63mm 低速齿轮：选普通平键为 5.轴的受力分析1)画轴的受力简图3.4所示图3.4 中间轴的受力分析）计算支承反力在水平面上在垂直面上故总支承反力 3 ) 画弯矩图故 4 ) 画转矩图6 按弯矩合成应力校核轴的强度对于单向转动的转轴,通常转矩按脉动循环处理,故取折合系数,则 查表15-1得=60mpa,因此,故安全.7 校核键连接强度高速齿轮: 查表得.故强度足够.低速齿轮: 查表得.故强度足够.3.6.3低速轴及其轴承装置、键的设计输出轴上的功率，转速转矩 求作用在 齿轮上的力 初定轴的最小直