电动葫芦基础设计(教材)

1、机械产品综合设计课程设计指导书之二电动葫芦设计柯尊忠 朱龙根 主编合肥工业大学机械设计教研室1电动葫芦总体设计1.1概述电动葫芦是一种小型的起重机械，它由电动机、减速机构、卷筒、吊具及运行小 车等部分组成。1.2电动葫芦主要参数起重量起升高度幅度起升速度工作制度工作级别机构利用级别载荷机构级别名义载荷谱系数机构工作级别自重载荷1.3电动机容量的确定根据IEC-72的规定，电动机的基准性工作方式为 $-40%,即电动机应为断续周期 性工作方式，每一周期的起动电流对电动机的温升无明显影响，每10分钟为一工作周期，接电持续率JC为40%。1.3.1计算稳态平均功率，初选电动机型号起升机构的电动机稳态

2、平均功率FqV.1000 n式中 Ps起升机构电动机的稳态平均功率（kw）;G稳态平均负载系数，按表1 13取0.8;Fq起升载荷（N）;n 一机构总效率，取n 0.8Vq起升速度（m/min）根据计算得到的Ps，初选一参数接近的电磁制动电动机1.3.2电动机发热校验首先要计算电动机所需得接电持续率&式中 电动机所需得接电持续率P s 计算得到的稳态平均功率（kw）P n基准工作方式下的稳态平均功率（kw） t 一个工作循环的时间，为10mi n t w个工作循环中电动机实际工作时间（min）1.3.3电动机过载校验对于不同的工作机构，过载校核计算公式也不同，一般是在静功率计算的基础 上加以修

3、正。起升机构的电动机过载校验公式为HFqV.入miooo n式中 Pn-基准工作方式下的稳态平均功率Fq-起升载荷V起升速度n 机构总效率入m 基准接电持续率时，电动机转矩允许的过载倍数，取入m二2.02.2H -考虑电压降，最大转矩存在误差因素的系数，对于鼠笼式异步电动机H = 2.2绕线式异步电动机H = 2.1直流电动机 H = 1.41.4起升机构的计算1.4.1计算钢丝绳最大拉力，确定钢丝绳直径作用在钢丝绳上的最大静拉力为SmaxFqKmn zn d式中：Fq起升载荷k 一单联卷筒，取k = 1 ;双联卷筒，取k = 2 ;m滑轮组倍率（悬挂物品的钢丝绳分支数与绕入卷筒的钢丝绳分支数

4、之 比），取m= 2n zn d 滑轮组及导向滑轮的效率，对于滚动轴承n zn d取为0.97 ；对于滑动轴承n zn d取为0.92 ；1.4.2卷筒的构造和尺寸钢丝绳受力后，内部应力难以准确计算，通常可按钢丝绳在工作状态下的最大静 拉力来计算钢丝绳的最小直径式中：d - 钢丝绳最小直径（mmSmax-钢丝绳上最大静拉力（N）C选择系数 C J 4n 乜k；b式中：3 -钢丝绳充满系数，为绳断面面积和毛面积之比k-钢丝绳绕制折减系数Z b-钢丝的公称抗拉强度n安全系数由表1 -8查得卷筒槽的尺寸：取标准槽尺寸： R、11、r 1、C11） 卷筒的名义直径：D = （ h- 1） d式中：d

5、钢丝绳直径，mm ；h 与机构工作级别有关的系数，按表 1-9选取。2） 卷筒的卷绕直径：即指卷筒上钢丝绳中心的直径，用D0表示D 0= D+ d3）卷筒长度：单联卷筒只有一条螺旋槽，引出一条钢丝绳，其长度为：L = L0L12 L2其中H mLo = (n)tn Do式中：H起升高度 mmm-滑轮组倍率Do -卷筒的卷绕直径n 附加安全系数，通常取 n= 1.53t 螺旋槽螺距mmLi 固定绳所需长度，按固定方式而定，一般取Li二3 tL2-卷筒两端空余部分的长度，根据结构确定。4）卷筒厚度：对于铸铁卷筒，卷筒厚度按下列经验公式确定0.02D+（6 10）（ mr）i考虑铸造工艺要求，卷筒厚

6、度 S不应小于12 mm1.5卷筒的强度计算卷筒壁主要承受压应力、扭转应力和弯曲应力，而扭转应力通常很小，可以忽 略不计，卷筒壁压应力的分布是不均匀的，内表面应力较高，当壁厚不大时，可以近 似认为是均匀分布的，压应力按下式计算：CT =兰CT y y式中z y作用在筒壁上的压应力 MpaA应力减小系数，一般取 A= 0.75Sma钢丝绳最大拉力（N）S 卷筒厚度（mr）t -卷筒螺旋绳槽螺距（mr）卷筒的弯曲应力:式中rM W-w -w1MW弯矩(N.m),对单联卷筒4SmaL；对双联卷筒M-SmaxL26 w弯曲应力（Mpa）L -卷筒长度W -抗弯截面模量，按下式计算44二D -（D -

7、2、） w =32 D当 L 3时，可取 匕沪2.0-2.7W Iic 电动葫芦动力系数，对高速级齿轮取 W Iic =1.3-1.4 ;对低速级齿轮取 W Iic=1.2-1.2u= Z2 /Z 1= Zc /Z a d) c = (Zd/Z c)(b c/b d)( d) dc=bdm( d) a =Z c /Z a( d) c( d) d w 0.3 0.35, b2.按齿轮弯曲强度计算齿轮模数mJEJSSYFai(mm斗np 申 d ZlFlimKm 算式系数，对钢制直齿轮传动一般为12.1Kfp-计算轮齿弯曲强度的行星轮间的载荷不均衡系数Kfp=1 + 1.5(K HP 1)矗占综合

8、系数，当npW3时，可取 艰=2乙一小齿轮齿数，乙=乙YFa1 -载荷作用于齿顶时小齿轮的齿形系数YFa2-载荷作用于齿顶时小齿轮的齿形系数齿轮D-E1.齿面接触强度初算小齿轮分度圆直径KaKhrKPu -1(.BKtd詐 江(mmj n p 空 d D H limuKd-算式系数，对钢制直齿轮传动一般为768Ka-使用系数，对电动葫芦减速传动齿轮，Ka= 1Khp-计算接触强度的行星轮间的载荷不均衡系数T1 -计算齿轮副小齿轮的名义转矩Khs -综合系数W iic 电动胡芦动力系数，对咼速级齿轮取1.2u= Z2 /Z 1= Ze/Z d2.按齿轮弯曲强度计算齿轮模数mmn Ktm 31Ka

9、Kfp Kf 7?RYFa1npdZFlim(mm)Ktm 算式系数，对钢制直齿轮传动一般为12.1Kfp-计算轮齿弯曲强度的行星轮间的载荷不均衡系数Kfp=1 + 1.5(K HP 1)畑综合系数，当npW3时，可取 畑=2乙一小齿轮齿数，乙=ZdYrai-载荷作用于齿顶时小齿轮的齿形系数YFa2-载荷作用于齿顶时小齿轮的齿形系数齿轮B-C1.齿面接触强度初算小齿轮分度圆直径dd Ktd sKAJK；當生汉二(mmYn p普 dJimuKd 算式系数，对钢制直齿轮传动一般为768K使用系数，对电动葫芦减速传动齿轮，&= 1Kp计算接触强度的行星轮间的载荷不均衡系数Ti -计算齿轮副小齿轮的名

10、义转矩Ke -综合系数W Iic 电动胡芦动力系数，对咼速级齿轮取1.2u= Z2 /Z 1= Zb/Zc2.按齿轮弯曲强度计算齿轮模数mmn - K tm 3Fa 1KaKfp Kf WYn p d Z 1 F limKm算式系数，对钢制直齿轮传动一般为12.1Kfp计算轮齿弯曲强度的行星轮间的载荷不均衡系数Kfp=1 + 1.5(K hp 1)乙一小齿轮齿数，乙=乙畑综合系数，当npW3时，可取 畑=2YFa1 -载荷作用于齿顶时小齿轮的齿形系数YFa2-载荷作用于齿顶时小齿轮的齿形系数3.1.3行星齿轮传动承载能力校核计算转速nanc= 1000za/z cnd= n cnb=nczc/

11、z bne=ndzd/z eti AB=-z B/z Ai xAB=（n a nx）/ （n b nx） 故求出 n x 应力循环次数中求心轮 a: N l =60（nanx）n pt 中心轮 b: N l =60（nbnx）n pt 中心轮 e: N l =60（nenx）n pt 行星轮 c: N l =60（nc-n x）n pt 行星轮 d: N l =60（nd-n x）n pt 相对转速齿轮 E D: u=z e/z dxn1=nd nx齿轮 B C: u=z b/z cxn1=nc nx齿轮 AC: u=z c/z axn1=na nx3.2 行星齿轮传动的效率计算.xZbZdi

12、 ABB0.98AE一BIae1(.x1)?EB1 _iAB?EB112.3 f () ， f 0.1ZdZexi EBZcZe代入得:E .3.3行星齿轮传动的结构设计3.3.1均载机构1 常用均载机构形式与特点行星齿轮传动中，由于多个行星轮分担载荷，使每个行星轮传递的载荷减小，因 而行星齿轮传动装置具有体积小、重量轻、噪声小、承载能力高等优点。但由于制造 安装误差、零件变形及温度等因素的影响，使几个行星轮分担载荷不均匀，从而降低 了传动的承载能力和性能。如何能有效、简单、经济的使各行星轮均匀分担载荷，即 设计性能好、结构简单的均载机构，是行星齿轮传动装置设计的关键之一。2 均载机构的设计要

13、求a. 均载性能良好，能满足使用要求，即载荷不均衡系数满足要求；浮动构件质量小、 调位力大、浮动构件应能以较小的位移量即可补偿制造和装配误差，浮动灵敏。b. 均载机构的摩擦损失小，效率高。c. 均载机构应有校好的缓冲和减震性能。d. 均载机构应有良好的工艺性和经济性， 结构简单、尺寸小、精度要求不高、使用 可靠、便于制造、安装和维修。e. 均载机构的结构形式应适应传动的总体布置。3.3.2行星轮的结构行星轮的结构应根据传动型式、传动比大小、轴承类型及轴承安装形式而定。行 星齿轮传动中，行星轮的轴承往往是薄弱环节。因此，确定行星轮结构时应特别注意行星轮轴承的寿命。在一般用途的中低速传动中，行星轮

14、轴承多用滚动轴承，但在径向尺寸受到限制或速度很高，而使滚动轴承寿命不足时，也常用滑动轴承。333行星架的结构选用双臂分开式，当行星轮轴承安装在行星架上时，为了满足装配需要，常采 用这种结构，一般为锻造或铸造。534行星齿轮传动的主要技术要求主要零件技术要求齿轮1仃星齿轮传动中，右有合理的均载机构，齿轮精度应不低于8-7-72. 行星齿轮的齿圈径向跳动公差应不大于0.0223. 齿轮啮合侧隙应比一般定轴齿轮传动稍大4. 行星轮采用20Mn2TiB,需经表面渗碳淬火5. 行星轮必须使两个齿轮中的一个齿槽对准，使该齿槽的对称线在同一 轴平面内，并根据传动类型的装配条件要求，在图样上注明装配标记轴类零

15、件1. 一般米用45钢，需进行调质处理2. 主要配合表面应不低于7级精度行星架1. 行星架采用45钢，需进行调质处理2. 行星架加工后应进行静平衡2.运行机构的设计计算2.1运行机构方案设计运行机构是电动葫芦的重要组成部分， 它的作用是实现电动葫芦的水平运动。电动葫芦的运行机构多为自行式，该机构一般由装在小车上的电动机，制动器，减速装 置，车轮和轨道组成。电动葫芦小车的驱动方式有单边驱动， 双边驱动和全轮驱动三种。单边驱动的结 构简单，制造安装方便，单边驱动的结构简单，制造、安装方便，有着更为广泛的应 用。2.2.车轮2.2.1车轮的材料与构造运行机构的车轮多用铸钢制造，一般用ZG35,负荷大

16、的车轮用合金钢制成。小 尺寸的车轮也可用锻钢。运行于工字钢下翼缘上的车轮，为了减少车轮与轨道接触线 因圆周速度不同而产生的附加摩擦阻力与磨损，常将车轮踏面制成圆弧状。为了导向和防止脱轨，电动葫芦的车轮一般有单边的缘轮，其高度约为15-20mm并带有1: 6的锥度。2.2.2车轮具体见图2.2 . 3车轮的计算2.2.3.1 计算轮压电动葫芦车轮的计算轮压一般由起升载荷，自重载荷及冲击载荷构成。计算 轮压按下式计算：2 F max F minFc=3式中Fc-车轮踏面疲劳计算轮压Fmax设备正常工作时的最大轮压Fmi n-设备正常工作时的最小轮压2.2.3.2 车轮踏面疲劳计算根据车论与轨道接触

17、情况不同分为线接触和点接触两种。(1) 线接触，按下式计算Fc 乞 k1Dlc 1c2式中k1-与材料有关的许用线接触应力常数（Mpa钢制车轮的k1按表4-4D -车轮直径（mrhI -车轮与轨道的有效接触长度（mm）C1-转速系数，按表4-5选取C2工作级别系数，按表4-6选取（2）点接触，按下式计算，R2Fc _ k23 C1C2m式中k2-与材料有关的许用点接触应力常数（Mpa钢制车轮的k1按表4-4选取R-曲率半径，为车轮曲率半径与轨道曲率半径中之大值按表4-3选取m -由轨道顶与车轮的曲率半径之比所确定的系数，按表4-7选取2.3.轨道横梁的选择.电动葫芦运行机构的支撑轨道通常选用热

18、轧普通工字钢（GB/T706-1988）,计算如下：（1）刚度条件（Fq +Fg）L3 l支撑轨道的刚度条件f =丄-48 EI x700式中 Fq 起升载荷（N）;Fg电动葫芦自重载荷（N）;L轨道两端跨矩（mm；e弹性模量，（MPa ；Ix 轨道跨中截面对水平形心轴惯性就矩（mm4）.（2）强度条件1）整体弯曲应力轨道的弯曲应力由整体和局部弯曲应力构成，受力如图P/q 廿6，FxF,lir2nih Fq + JFgjqL2、CTz0+ I48丿式中 6。1 轨道中截面上的弯曲应力（MPa；Fq 起升载荷（N）;Fg电动葫芦自重载荷（N）;q 轨道单位长度自重 q=280N/m;L轨道两端跨

19、距（mr）ih轨道下表面至截面水平形心轴的距离（mrh2 起升载荷动载系数，通常1.0 “ 2疳2.0；：4 运行冲击载荷系数取，按表面 4-8选取Ix 轨道跨中截面对水平形心轴惯性矩，见附录表F12ZV2）、局部弯曲应力车轮轮压引起轨道局部弯曲应力计算简图（如图 2-2）图2-2rx1(rz1车轮轮压引起轨道局部弯曲应力计算简图a）局部弯曲计算简图 局部弯曲应力主要计算I、b） “I”点受力简图 c） “U”点受力简图II两点，计算公式如下 ：下翼缘自由边的下表面点I处:K fx1 m axX 12K fz1 m axz12下翼缘自由边的下表面点I处:K fz2 m axCJ c =z22t

20、式中点I处x方向的应力（MPa；二1 点i处z方向的应力（MPa ；62 点i处z方向的应力（MPa ；Fmax车轮最大轮压（N）；t 工字钢平均腿厚（mm；Kx1系数，常取Kx1 =1.5 ；Kz1系数，常取Kk =0.4 ；Kz2 系数，常取 Kz2 =2.5。3）、合成应力I、U两点的合成应力分别按上式计算I点处合成应力：r22hi 二：丁 x1 ( 5 ZQ 1 Z1) 一 X1( ZQ1 亠匚 J Z1) ：U点处合成应力：二 h2 二二 ZQ 1 二Z2 _；：式中一一点i处合成应力(MPa ；s点u处合成应力(MPa；二许用应力，一般地，对于 Q235钢，取匚=180 MPa ；

21、对于 A3钢，取； =150MPa。2.4运行机构中电动机及制动器的选择2.4.1运行阻力的计算有轨运行机构的阻力由三部分组成：摩擦阻力，风阻力和坡度阻力。对于电动葫芦来说，其运行阻力主要为摩擦阻力，它包括：车轮轴承中的摩擦阻力F1,车轮踏面上的滚动摩擦阻力F2,以及车轮轮缘与轨道之间的附加摩擦力F3.(1)车轮轴承中摩擦力计算公式为：d / 2dF1 =Fc =Fc1D/2D式中Fc-车轮计算轮压，Fc=8467N D-车轮直径，D=134mmd_车轮轴承摩擦圆直径,d=d1=20mm；d-车轮直径（m ；K-附着安全系数，一般取K=1;Fmin 运行机构空载轮压（N）；i-运行机构传动比-

22、运行机构总效率；T q-电动机的平均起动转矩，一般去电动机额定转矩的1.6倍(N.m);aq -起动平均加速度（m/s2）;=-车轮与轨道的附着系数，:=0.15 （室内）,=0.12 （室外）；.1 -车轮摩擦系数，滚动轴承J =0.015-0.02, 滑动轴承=0.08-0.1。2.7运行机构制动器的选择电动葫芦运行机构的制动器必须满足以下两个条件：1. 按照制动时间tzd的要求，确定其最小制动力矩Mzdmin O2. 以电动葫芦空载验算主动轮打滑的条件，确定制动器的最大制动力矩 M zd max。3. 根据起重机设计规范的要求，运行机构制动器的制动力矩应处于最不利情况下的起重机在要求时间

23、tzd内停住，所以制动器的最小制动力矩M zdmin应在满载工况下计算。tzd则主要取决于运行速度，可按表 2-1选取表2-1制动时间运行速度（m/mi n）行程很长的低速 与中速起重机通常使用的中速与高速起重设备采用大加速度的 高速起重设备2408.06.01907.15.41506.34.81209.15.64.2958.35.03.7606.64.03.0405.23.2254.12.5153.2102.52.8保证制动时间tzd的最小制动力矩mzd minzd minJ eq n N9.55 mt d-FzoD2i可知选运行速度为95m/min,参数为5.0的制动器卄亠（Pq + Pg）DH其中 jeq=1.15mJg+24gi 式中m-驱动电机个数；-传动机构反响驱动的效率，对于普通的齿轮传动=；Fz0-不计附加摩擦阻力的满载运行阻力（N）；Jg 高速轴和旋转质量的转动惯量；g 重力加速度；D-车轮直径；td -制动时间，见表4-10 ；保证空载制动不打滑的最大制动力矩zd max由(K1ld)F min D2i-(Mdd max1.15 azd)HD 单2JgiM zd ma