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海委某水利枢纽节制闸固定卷扬启闭机设计说明书.docx
海委某水利枢纽节制闸2x250kN-1.43m.min-10m固定卷扬启闭机设计6张CAD图
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海委某水利枢纽节制闸 2 250kN-1.43m/min-10m 固定卷扬启闭机设计摘要我国的地理环境是一面环海，可谓水利资源丰富，再加上内陆的长江、黄河水域的贯穿，所以我国对水利水电方面的设备的需求是很大量的。而水工金属结构设备是水利水电工程中的最重要的设备之一，近年来，我国新建了许多水利水电工程项目，有大量的闸门、启闭设备和液压启闭机等需要，随着我国一个又一个令世界震惊的水利工程项目的圆满完成，我国相关方面的技术水平也有了很大幅度的提高。而闸门和启闭设备却是水工金属结构设备的重中之重，它们大量出现在各种各样的水利设备中，对工程起到了非常重要的支持和作用。随着当今科学技术的发展，闸门和启闭设备的类型也越来越多，为了配合不同的大型水利设备的硬性需要和当地地理和气候环境的软性需要，各式各样的设备出现在当今社会。本人作为今年的机械专业的应届毕业生，在老师的指导下，本次毕业设计的课题是对海委某水利枢纽节制闸手、电两用固定卷扬启闭机的设计，对于海委的水利设施，启闭机的功能是保证闸门在进、出水口等要道的顺利开启和关闭。我将针对这一课题，对启闭机中各个重要的零部件进行详细的设计、计算、选型和校核，以保障设计产品的技术和质量。关键词：水利工程设备水工结构启闭机ABSTRACTGeographical environment in our country is surrounded by sea side is abundant water resources, coupled with the inland waters of the Yangtze river, Yellow River running through, so the demand for water resources and hydropower equipment in is very large. Equipment and hydraulic metal structure is one of the most important equipment in water resources and hydropower engineering, in recent years, our country has built a lot of water resources and hydropower projects, there are a large number of gate, hydraulic hoist and lifting equipment needs, along with our country one after another a shocked the world in the successful completion of the water conservancy project, related technical level in our country has a large amplitude increase.And gate and hoist equipment is the key of the hydraulic metal structure equipment, they have emerged in all kinds of hydraulic equipment, the project has played a very important support and role. With the development of the modern science and technology, the type of gate and hoist equipment is also more and more, in order to meets the needs of the different hardness of large water conservancy equipment and soft to local climate and geographical environment, a variety of equipment in todays society.Himself as a mechanical professional college graduates this year, under the guidance of the teacher, the graduation design topic is on the sea by a hand of water control gate, electric dual fixed lifting hoist design, water conservancy facilities of Yu Haiwei of hoist from main function is to ensure that the valve in the inlet and outlet of opened and closed smoothly. I will focus on the topic, the key parts in detail for opening and closing machine design, calculation, selection and check, in order to ensure design technology and quality of the product.Key words :Water conservancy engineering equipment，The hydraulic structure，Hoist目录第 1 章 设计概况1第 2 章 启闭机功能及工作原理22.1 启闭机功能22.2 启闭机的工作原理22.3 国内外闸门、启闭机的发展趋势22.4 看法和建议4第 3 章启闭机选型及方案设计7第 4 章启闭机设计计算94.1 设计计算工况及启闭机工作级别的确定94.2 电动机选型设计计算94.2.1 电动机静功率选型计算94.2.2 电动机过载能力校验114.2.3 电动机选型计算成果124.3 制动器选型设计计算134.4 减速器选型计算204.5 开式齿轮副设计计算204.5.1 齿轮副齿轮齿根弯曲强度设计计算154.5.2 齿轮副齿面接触疲劳强度校核174.5.3 开式齿轮副设计成果174.6 钢丝绳选型计算184.7 卷筒设计计算194.7.1 卷筒结构设计194.7.1.1 卷筒长度设计204.7.1.2 其它结构尺寸设计214.7.2 卷筒强度设计214.7.2.1 卷筒壁厚设计214.7.2.2 卷筒轴设计计算224.7.2.2.1 卷筒轴弯矩计算234.7.2.2.2 卷筒轴直径计算304.7.2.2.3 卷筒轴设计计算成果：264.7.2.3 卷筒与开式齿轮副大齿轮的联接设计264.7.2.3.1 按联接螺栓剪应力设计选择螺栓规格264.7.2.3.2 按联接螺栓挤压应力复核274.7.2.3.3 联接螺栓设计计算成果284.7.2.4 钢丝绳端头压板螺栓设计计算284.7.3 卷筒设计计算成果304.8 启闭机设计成果304.8.1 电动机304.8.2 制动器304.8.3 减速器304.8.4 开式齿轮副304.8.5 钢丝绳304.8.6卷筒314.8.7启闭机设计成果主要技术参数31总结32致谢35主要参考文献37 第 1 章 设计概况某水闸启闭机为 2250kN 手、电两用固定卷扬式启闭机，共计 9 台一机一门启闭 9 扇平面钢闸门。启闭机设计参数列于表 1-1。表 1-1启闭机设计参数额定容量2250kN启门速度1.43m/min起升高度10m吊点距6.9 m综合考虑各型启闭机的优缺点、本工程的实际状况以及启闭机设计参数要求，最终确定本工程启闭机设计方案为双吊点固定卷扬式启闭机。启闭机传动系统为电动机通过带制动轮弹性柱销联轴器，传动两级斜齿圆柱齿轮减速器，带动一级开式齿轮副，驱动卷筒，通过 2 倍率滑轮组，实现闸门启闭功能。启闭机左右传动系统对称布置，单电机驱动，左右传动系统之间设中间轴联接，以保持闸门左右吊点之间同步启闭。38第 2 章 启闭机功能及工作原理2.1 启闭机功能手、电两用启闭机是一种全方位多功能启闭机，广泛用于水利水电工程、河道治理工程、各类给排水工程及城市污水治理工程中的闸门、堰门、提拔阀、排泥阀及检修的升降调节。 手电两用启闭机结构由机壳、机盖、支架、螺母、螺杆、压力轴承、螺杆、蜗杆、蜗轮手摇柄、电机、电器等组成。手电两用启闭机采用蜗轮，蜗杆变速螺母旋转，使螺杆上下运动，安全性能高，手电两用启闭机具有扭矩保护和行程限位双重防护措施；可以遥控和现场操作，并有单台控制和集中控制等多种控制形式；手电两用启闭机有开度指示，精确可靠，有开闭灯光信号指示；可先用普通型、户外型、防爆型等多种形式，可适应各种不同环境的需要。2.2 启闭机的工作原理固定卷扬式启闭机一般由起升机构、机架及电气控制系统组成。起升机构主要由驱动装置（包括开始齿轮副、减速器、制动器、电动机等）及安全装置、滑轮组、卷筒组等部件组成。启闭机通过位于滑轮组动滑轮上的吊具与闸门相连， 以启闭闸门。由电动机通过带动制动轮联轴器和减速器带动开式齿轮副和卷筒转动，卷筒上钢丝绳又通过动滑轮和平衡滑轮实现吊具的升降。2.3 国内外闸门、启闭机的发展趋势闸门是水利水电设备的关键所在，如果闸门设备有问题，整个水利水电设备也将出现问题，从而会影响一个水电站、一个地区乃至一个国家，所以闸门是所有设备中至关重要的部分，也是为什么闸门是各个国家、各个公司所研究的重中之重。就现在的科学技术水平，就门型而言，就有几十种之多，之所以出现这么多种类的门型，是因为门型决定了设备的形式，由于不同的设备的功能不一样， 使用地区不一样，发挥的特效不一样，所以针对于不同的情况，门型的选择就至关重要了。就比如说，一般初级阶段的使用小型的，流量就比较小，而水头就得高，而在后面的阶段，便要使用大型的，流量比较大，而水头比较低的。“因地制宜”这是老祖宗教给我们的道理，这道理在哪都能说的通，给我们指明了做事做设计的方式方法，不能死脑筋地做事，这样不仅事情处理不好，反而会大量浪费人力、物力、财力，以史为鉴，可以明心，这一点在世界各国也有了显著的表现。美国的科学技术水平比较发达，又作为世界第一大经济体有着雄厚的经济实力，所以他们基本上用的是弧型门或平板门，这种类型的闸门，需要昂贵的材料， 所以它的承载能力非常突出，也有着很高的安全性能，对于工程设备而言是最好的了，而这种类型的闸门还简单、直观，在各个方面，美国在世界启闭方面的设备闸门类型上还是一流的。在欧洲地区，因为当地人们对环境的要求非常苛刻，又要对量的把握非常精准，所以他们大多使用 r 型双扇门，因为这种类型的闸门控制水位、流量非常准确，符合欧洲人的性格，而在欧洲人的价值观里，这种闸门还可以排冰，对当地的气候、人文也是极度符合的。还有在我国隔海相望的日本，他们的工业技术水平也是领先于我国的，不得不承认他们对闸门的安全方面的研究是非常深度的。因为日本本身属于岛国，所以受天气和气候影响非常大，所以设备会经常受到大风大雨的摧残，闸门的寿命和磨损会大大折扣，这一致命的缺点深深影响这各个部件的联动。又日本处于地震带，属于世界上地震频发的国家之一，故当地震时，对设备的强度的要求便格外的大。正因为这些苛刻的外部条件的影响，所以日本必须大力发展工业的技术水平，用来对抗恶劣的天气气候情况，在这种情况下一旦大型设备发生事故，将会危及到大量人民群众的人身和财产安全，所以日本会使用质量高，强度好，方便维护的闸门。再谈谈我国毗邻的老大哥苏联，我国以前的工业基础基本就是照搬苏联的工业模式，所以按理说，苏联的水利设备应该和我国相似，可事实并非如此。也是因为气候和人文的原因，苏联地理处于严寒位置，靠近北极圈，所以对水利设备的要求也非常严格，再加上苏联人大气不拘小节的性格，苏联的水利设备大多都是规模很大，而启闭则是采用液压的方式，所以他们的闸门选择大多是平板门和弧形门，这种类型的闸门运行方便，并且安装加工简单，非常适合苏联的使用模式和天气。综合世界各国情况,闸门启闭机的发展趋势大致如下:1、门型 类型越来越趋于多元，类型种类减少不少,现阶段都是弧形门和平板门了，但更加结合可靠。2、参数 为了减少溢流坝的前沿长度，表孔门向大跨度、大参数发展。3、启闭机 启动类型则是大容量、高行程方向的液压方式。4、操作方式 为了人为操作方便，实现自动化和遥控，并且运行安全可靠， 目前的操作方式便向着这个方向发展,为此闸门与启闭机的配套是向一门一机发展。5、各国在使用的时候考虑的比较多，比较广，所以并不是所有的都使用大闸门， 而是喜欢安全度比较好的小型闸门。6、现社会是节约型社会，所以大趋势则是向更加合适的方向发展，这样能充分地节约劳动力和财力。7、向轻型发展,减少钢材用量。2.4 看法和建议l、进行全面系统的总结闸门、启闭机是水利枢纽中金属结构的重要组成部分,其费用在枢纽总投资中占有相当大的比重,有些高达 50%左右,因此它的合理设计、制造、安装乃至运行管理,对降低工程造价,提高设备质量,保证安全运行具有十分重要的意义。建国以来用于这方面的投资约有 2 0 亿元,所耗金属量不下50 万吨,目前装在大、中型枢纽上的闸门、启闭机有一万多套,品种有一千多 型有十几种。我们已经初步制订了 QPQ、QP K、Q P Y 启闭机的系列标准。在这样大量成果的基础上,建议部里组织有关方面的专家,组成专门小组,对我国目前已投入运行的闸门、启闭机进行一次全面的调查、总结,提出结论性的意见。这对指导今后的工作具有十分重要的意义。2、迎接重大的历史任务我国是一个水利资源非常丰富的国家,全国水能理论蕴藏量为 6.9 1 亿千瓦,可开发能量为 3.8 2 亿千瓦,均列世界之首。但直到八十年代初期,我国水能资源的利用也只占可开发能量的 3%;到目前包括在建工程在内也只占可开发的 8 成左右，利用程度非常低至 80 年止,世界各国水资源开发利用程度 90%以上的国家有瑞士、法国、意大利、英国等。60%以上的国家有西德、芬兰、挪威、瑞典、日本等。4 0%以上的国家有澳大利亚、西班牙、葡萄牙、奥地利、美国、加拿大、南斯拉夫等。就连印度、土耳其、委内瑞拉、巴西等也开发了 10%以上。由此可见我国只开发了 3%是非常低的了。开发利用率低说明我们还有巨大的潜力、还有艰巨的工作量。中央提出到本世纪末我们的总产值要翻两番,这就是说届时水电装机至少要达到 8 00 0 万千瓦,电力总装机要达到 2.4 亿千瓦,而煤炭产量只能翻一番,这就意味着水电的任务还要加重!水电建设的工期大都是 5 一 10 年,根据中央的总部署 19 9 1 一 19 9 5 年我国水电将要有一个很大的增长。为了完成这一历史性的任夯.我们必须事前做好充分的准备工作,特别是技术准备。对于制造行业来说.重点是提高工艺水平,进一步向先进水平靠拢。3、方向与道路关于我国闸门、启闭机发展中今后待解决的具体问题和努力方向,有关专家提出了下列一些意见:总体布置的总结研究:新型式的探索;空蚀问题;防振问题;有限元在设计中的应用研究:优化设计和动力分析的研究;滑道、滚轮、支铰和埋件的研究;高轮压滚轮的设计和热处理工艺的研究;新型止水的探索; 多层绕滚筒及排绳、导向装置的研究;复合钢板以及钢门防腐的研究;闸门结点联接和高强螺栓的研究;闸门锁定装置的研究;水力自动闸门的研究;遥控和自动化的研究;标准化、系列化体系的建立;闸门、启闭机产品质量检测的研究等等。应该特别指出的是,要提高我国闸门、启闭机的水平,关键是要改革我们的现行体制。对此提出下列几点意见:加强横向联合,简化产品层次关系。现行设计、制造、安装和运行管理,分别从属于四条纵向的条块管理,相互严重脱节。完全可以把设计、制造、安装横向联合起来,组成一个经济实体一一构成卖方;而运行管理或兴建一方构成买方。如此便可大大缩短产品生产周期,并有利于提高严品的质量。鉴于我国地域辽阔,这种经济实体可以按现有条件考虑地区特点而建成多个;以现有科研单位为基础,适当集中科研力量,并与定点厂挂钩联系,专门从事新品种的研制和专题研究;建立独立的产品质量监督检验机构。第 3 章启闭机选型及方案设计启闭机是一种用来启闭水工建筑物、发电厂和排灌站的闸门以及拦污栅的起重机械。根据不同的特征有很多分类，每一种类型的启闭机都有各自的优缺点， 以及各自的适用范围。卷扬式启闭机有结构紧凑、承载能力大、运行平稳可靠、安装维护方便等优点。有时则又通过了滑轮组作倍率放大，因此可以获得较大的启门力，适用于较大孔口尺寸和水头的闸门。钢丝绳缠绕在绳鼓上，一般缠绕单层，也可缠绕多层。而且在其启闭力和扬程方面有宽广的适应范围，使用最为广泛，主要用于靠自重、水柱或其他加重方式关闭孔口的闸门。因此闸门与启闭机的配合，具有较大的灵活性。而在采用电动的时候，启闭的速度较快，方便便捷，更适用于各种需要频繁启闭的闸门。而卷扬式启闭机也有一些缺点，例如：钢丝绳只承受抗力，所以只用于开启， 不能用于关闭闸门；外形尺寸和重量相对较大；滑轮和钢丝绳使用较多，安装时比较麻烦；没有自锁装置，不论采用手摇还是电动，必须附有可靠的制动装置； 钢丝绳长期泡在水里会有不同程度的腐蚀发生，并且在钢丝绳松弛而启动时，有可能会在滑轮处产生掉槽卡住的现象。启闭机主要由电动机、制动器（带弹性柱销联轴器）、齿轮减速器、开式齿轮副、齿轮联轴器、中间传动轴、卷筒、滑轮组、钢丝绳、负荷限制器、行程控制装置等组成。启闭机系统简图如下图 3-1 所示。图 3-1启闭机系统简图第 4 章启闭机设计计算启闭机设计计算主要是对电动机、制动器、减速器、开式齿轮副、钢丝绳等主要零部件进行选型设计计算和强度设计计算。启闭机设计计算的主要参考用书是中华人民共和国国家经济贸易委员会发布的水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002）和水利水电出版社出版的水电站机电设计手册金属结构（二）。4.1 设计计算工况及启闭机工作级别的确定本工程启闭机设计要求为：总工作小时数：不大于 1600h（按 1600h 考虑）；起吊荷载：起吊的最大工作荷载，一般启闭机选为起吊中等荷载的。水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002）规定，启闭机的工作级别按照启闭机主起升机构的利用等级和载荷状态确定。根据设计要求，本工程启闭机的利用等级为 T2 级，载荷状态为 L2。根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002），利用等级为 T2 级、载荷状态为 L2 的启闭机，其工作级别为 Q1轻级。因此，确定本工程启闭机的工作级别为 Q1轻级。相应地，启闭机负载持续率取为 FC = 15% 。4.2 电动机选型设计计算根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002）要求，启闭机电动机选用起重及冶金用电动机，一般选择 JZ 型或 JZR 型。而经过本人的查询和研究，决定这次启闭机的电动机选择 JZ 型。电动机选型设计计算按静功率选型计算，按过载能力校验。4.2.1 电动机静功率选型计算选型计算公式为：Pc =F启V1020 h（4-2-1）Pc Pn式中：Pc 电动机静功率计算值，kW；F启 起升荷载，取为启闭机的额定容量，N；F启 = 2 250000 = 500000N ；V 启门速度，m/s。V = 1.43 = 0.0238m / s ；60h 起升机构的效率，按左起升机构效率计算；Pn 启闭机额定负载持续率 FC = 15% 工况下电动机的额定功率，kW。h为启闭机起升系统各传动件传动效率的乘积，按下式确定：h=h联1 h减h开h卷h滑（4-2-2）式中：h联1h减h开h卷h滑 电动机输出轴端弹性销联轴器的传动效率，取h联1 = 0.96 ； 减速器的传动效率，取h减 = 0.95 ； 开式齿轮副的传动效率，取h开 = 0.94 ； 卷筒的传动效率，取h卷 = 0.96 ； 滑轮组的传动效率，取h滑 = 0.99 。将上述各值代入式 4-2-2，得：h= 0.96 0.95 0.94 0.96 0.99 = 0.815电动机静功率选型计算参数及选型计算结果列于表 4-2-1。表 4-2-1电动机静功率选型计算参数及计算结果F 启（N）V(m/s)hPC（kW）5000000.02380.81514.3启闭机额定负载持续率 FC = 15% 工况下电动机的额定功率 Pn 14.3kW 。电动机额定参数为负载持续率 FC = 25% 时的参数。因此，应将所需要的电动机负载持续率 FC = 15% 工况下的额定功率转换为负载持续率 FC = 25% 时的额定功率，进行选型。其转计算公式为：Pn25 = Pn15（4-2-3）式中：Pn25 Pn15 所需要的电动机在负载持续率 FC = 25% 时的额定功率， kW ； 所需要的电动机在负载持续率 FC = 15% 时的额定功率， kW 。Pn15 = Pn 14.3kW计算得Pn 25 = Pn15 11.1 kW据此，选择负载持续率 FC = 25% 时的额定功率为11kW 的电动机。选择型号为 JZ2 31-6 型电动机，其额定转速为n = 920转/ 分(rpm)4.2.2 电动机过载能力校验过载校验公式为：Pm =Hm lm F启V1020 h（4-2-4）Pm Pn式中：Pm 电动机过载功率校验值，kW；H 系数，H=2.2；m 电动机个数，m=1；lm 基准负载持续率时，电动机转矩许用过载倍数，lm = 2.4 。其余符号意义及取值同前。电动机过载功率校验参数及校验成果列于表 4-2-2。表 4-2-2电动机过载能力校验参数及校验结果Pn（kW）HF 启（N）V(m/s)mlmhPm（kW）14.32.25000000.023812.40.81513.1计算结果， Pm = 13.1kW Pn (14.3kW ) 。电动机过载能力满足要求。4.2.3 电动机选型计算成果电动机选型计算成果型号、额定功率及额定转速等参数列于表 4-2-3，原型如图 4-2-4 所示。表 4-2-3电动机选型计算成果电动机型号负载持续率FC（%）额定功率(kW)额定转速(r/min)JZ2 31-62511920图 4-2-4JZ2 31-6 型电动机4.3 制动器选型设计计算根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002）要求，启闭机制动器选择块式制动器，一般选择电磁型块式制动器或液压型块式制动器。而经过本人的查询和研究，决定这次启闭机制动器选择 TJ 型电磁块式制动器。制动器选型设计计算按额定制动力矩选型计算。选型计算公式为：Me 1.75M max（4-3-1）式中：Me 制动器的额定制动力矩，Nm；M max 制动器的工作最大载荷，Nm。取为电动机的额定力矩M n 。计算M n时，电动机功率以最大功率Pc （14.3kW）代入，有：M max则：= Mn= 9550 14.3 = 148.4 Nm920Me 1.75M max = 259.7 Nm制动器型号为 TJ2-200， Me = 160N m 。据此，选择额定制动力矩为160 Nm 的为 TJ2-200 型电磁块式制动器。制动器选型计算成果型号、制动轮直径及额定制动力矩等参数列于表 4-3-1， 原型如图 4-3-2 所示。表 4-3-1制动器选型计算成果制动器型号制动轮直径（mm）额定制动力矩(Nm)TJ2-200200160图 4-3-2TJ2-200 型制动器4.4 减速器选型计算根据减速器承载能力进行减速器选型。JZ2 31-6 型电动机的额定功率为 11kW。根据水电站机电设计手册金属结构（二），2250kN 等级、滑轮组倍率为 2 倍的启闭机，选配 Z2-35 型、ZL-35 型或 JZQ-350 型定型减速器。本工程选用二段-500 型斜齿圆柱齿轮减速器，传动比为 48.57，高速级齿轮副为双联齿轮副。减速器承载能力满足启闭机安全运行要求。减速器选型成果：高速级齿轮副为二段-500 型斜齿圆柱齿轮减速器，传动比为 48.57。原型如图 4-4-1 所示。图 4-4-1 二段-500 型斜齿圆柱齿轮减速器4.5 开式齿轮副设计计算根据开式齿轮副齿轮的齿根弯曲疲劳强度以及齿轮副齿面接触疲劳强度设计开式齿轮副。因为启闭机开式齿轮副安装空间无限制，考虑到性能可靠性及加工经济性， 开式齿轮副采用软齿面设计。据此，大齿轮材质选用 ZG55B，热处理为正火+回火；小齿轮材质选用 45 钢，热处理为调质。齿轮副大、小齿轮齿面硬度及许用应力分列如下： 大齿轮齿硬度：HB197-218；小齿轮齿硬度：HB241-262.大齿轮许用应力：sF =129MPa，sH =860MPa；小齿轮：sF =190MPa，sH =1200MPa。对应于软齿面齿轮副传动，采用齿根弯曲疲劳强度设计，齿面接触疲劳强度校核。4.5.1 齿轮副齿轮齿根弯曲强度设计计算根据启闭机传动系统传动比分配，确定大小齿轮的齿数分别为 87 和 17；根据水电站机电设计手册金属结构（二），2250kN 启闭机开式齿轮副模数取值为 m=10mm 或 m=12mm。本工程确定开式齿轮副模数取 m=10mm。初步确定齿轮副啮合齿宽 B=110mm。根据水电站机电设计手册金属结构（二）中的齿轮设计计算公式， 验证齿轮参数取值是否满足弯曲应力要求。齿根弯曲疲劳应力计算公式如下：式中：sFo =PtFmBYrc 弯曲应力计算值，MPa； sF （4-5-1）m 齿轮模数，mm。m = 10mm ；B 啮合齿宽，mm。 B = 110mm ；Y 齿形系数。大齿轮为 0.439，小齿轮为 0.301；r 磨损系数。根据启闭机实际工况，取磨损系数为r = 1.0 ；c 速度系数， c =6， v 为齿轮节圆上的圆周速度，m/s。c = 0.973 ；6 + vsF 齿轮材料的许用弯曲应力，MPa。大、小齿轮均为 129MPa。Pt 齿轮所传递的圆周力，N。根据 SL41-2011，开式齿轮所传递的圆周力取为额定启门力传递至开式齿轮副所承受圆周力的 11.2 倍，复核计算时取值为 1.2 倍。Pt 按下式计算：Pt = 1.2 300000 / 22 h卷h滑 R / r2（4-5-2）式中：R 卷筒半径， mm 。 R = 200mm ；r2 大齿轮分度圆半径， mm 。r2 = 435mm ；h卷 卷筒传动效率。取h卷 = 0.96 ；h滑 滑轮组传动效率。取h卷 = 0.99 。代入各值，求得 Pt = 43538.8 N 。开式齿轮副齿轮弯曲强度设计计算参数值及计算结果列于表 4-5-1。表 4-5-1开式齿轮副齿轮弯曲强度设计计算参数及计算结果Ym (mm)B(mm)Pt(N)rcsF (MPa)sF(MPa)大齿轮0.4391011043538.81.00.97312992.7小齿轮0.301190135.1复核计算结果，大、小齿轮齿根弯曲应力均小于各自的许用应力，并且有一定裕度，表明齿轮副所选参数满足弯曲强度要求。4.5.2 齿轮副齿面接触疲劳强度校核根据水电站机电设计手册金属结构（二），齿面接触疲劳强度校核计算公式为：sH = 536.7 sH （4-5-3）式中：sH 接触应力计算值，MPa；B 啮合齿宽，mm。B=110mm；d1 齿轮副小齿轮节圆直径，mm。d1=170mm；i 齿轮副传动比。i = 5.11 ；sH 齿轮副材料的许用齿面接触应力，MPa。取齿轮副中许用接触应力较小者，即sH = 860MPa ；Pt 0 齿轮传递圆周力的疲劳计算基本荷载，N。根据 SL41-2011，齿轮传递圆周力的疲劳计算基本荷载取为额定启门力传递至该齿轮所受的圆周力的0.61 倍，复核计算时取值为 0.6 倍， Pt 0 = 21769.4 N 。开式齿轮副齿面接触疲劳强度复核计算参数值及计算结果列于表 4-5-2。表 4-5-2开式齿轮副齿面接触疲劳强度复核计算参数及计算结果Pt 0(N)B(mm)d1(mm)isH (MPa)sH(MPa)21769.41101705.11860624.7复核计算结果，齿轮副齿面接触应力小于其许用应力，并且有一定裕度， 表明齿轮副所选参数满足接触强度要求。4.5.3 开式齿轮副设计成果综合以上齿轮副齿根弯曲疲劳及齿面接触疲劳强度计算结果，确定开式齿轮副设计成果如下：（1） 大齿轮采用铸造加工，材质为 ZG55B，正火+回火处理，齿面硬度HB197-218；小齿轮采用锻造加工，材质为 45 钢，调质处理，齿面硬度 HB241-262；（2） 大齿轮齿数为 87；小齿轮齿数为 17；（3） 齿轮副模数为 10mm，啮合齿宽为 110mm。4.6 钢丝绳选型计算钢丝绳选型设计计算按钢丝绳强度进行选型。根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002）要求，启闭机用钢丝绳选用 GB8918-2006（参考旧国标 GB1102-1974 取值）619 或 637 纤维绳芯钢丝绳，钢丝绳公称抗拉强度（sb ）在140kg / mm2 、155kg / mm2 、170kg / mm2 、185kg / mm2 、200kg / mm2 等 5 个强度等级之中选择。本工程启闭机用钢丝绳选择公称抗拉强度185kg / mm2 的 619 纤维绳芯钢丝绳。钢丝绳强度选型计算公式为：FC = nSF0 FC（4-6-1）式中：F0 所选钢丝绳的破断拉力，N；FC 钢丝绳强度要求值，N；n 钢丝绳最小安全系数，启闭机的工作级别为 Q1 级，根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002），取n = 5 ；S 钢丝绳最大工作静拉力，根据水利水电工程启闭机设计规范（SL41-2011），取为额定启门力分摊至各钢丝绳所受拉力的 1.2 倍。CF = nS = 5 1.2 500000 / 2 = 194099.4N2 4 h滑即要求所选钢丝绳的破断拉力 F0 Fc= 194099.4N 。根据水电站机电设计手册金属结构（二），选用公称抗拉强度185kg / mm2 、钢丝绳直径为19mm、结构为 619 股的纤维绳芯钢丝绳。查钢丝绳国家标准 GB1102-1974 ，185kg / mm2 、19mm、619 股纤维绳芯钢丝绳的钢丝破断拉力总和 S丝 = 302500N 。则其破断拉力 F0 = 0.85 S丝 = 257125N即所选钢丝绳的破断拉力为 257125N，大于钢丝绳实际所需要的破断拉力194099.4N，并且留有适度的安全裕度。钢丝绳选型设计计算成果：选用公称抗拉强度185kg / mm2 、直径19mm、结构 619 股的纤维绳芯钢丝绳。4.7 卷筒设计计算卷筒设计计算包括结构设计及强度设计等两部分。卷筒结构设计包括卷筒长度、卷筒与开式齿轮的联接以及卷筒支承设计等。卷筒强度设计包括卷筒壁强度、卷筒轴强度、卷筒与开式齿轮副大齿轮联接强度以及压板螺栓强度设计计算等项内容。4.7.1 卷筒结构设计根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002），2250kN 级启闭机，卷筒直径为500mm。根据工程实际情况及启闭机设计参数（额定启门速度）、传动系统配置情况， 启闭机采用两倍率滑轮组、双吊点、双支双绕钢丝绳牵引方式。卷筒结构如图 4-7-1 所示。图 4-7-1卷筒结构示意图4.7.1.1 卷筒长度设计参看图 4-7-1，卷筒长度 L 由下式确定：L = 2l + 2h + 2e（4-7-1）式中：L 卷筒长度，mm；l 单侧绕绳部分长度，mm；e 双绕卷筒中间预留空间，mm。根据水电站机电设计手册 金属结构（二），取e = 110mm ；h 卷筒左右两边联接长度，mm。根据水电站机电设计手册 金属结构（二），取h = 140mm 。单侧绕绳部分长度 l 由下式确定：式中：l = nt（4-7-2）t 绳槽节距，mm。根据水电站机电设计手册金属结构（二），由钢丝绳直径19mm，确定出t = 22mm ；n 钢丝绳缠绕圈数。n 由下式确定：n = n+n0（4-7-3）式中：n 预绕圈数，根据水电站机电设计手册金属结构（二），取n = 4 ；n0 工作圈数，mm。n0 由下式确定：n0 = H ip D0（4-7-4）式中：H 启闭机扬程（ 起升高度）， m。由设计参数，H = 10m ；i 滑轮组倍率。由设计选型， i = 2 ；D0 卷筒名义直径 m。由设计选型， D0 = 0.5m 。带入计算得： n0 = 25.（5 圈）取n0 = 26 圈据此确定出单侧绕绳部分长度l = (26 + 4) 22 = 660（mm）。最终确定出卷筒长度 L = 2l + 2h + 2e = 1820mm 。卷筒长度设计成果：卷筒长度 L = 1820 mm4.7.1.2 其它结构尺寸设计1、卷筒左右支臂长度 L1 、 L2根据实际结构，确定 L1 = L2 = 180 mm 。2、卷筒与开式齿轮副大齿轮联接螺栓分布圆直径 D考虑卷筒直径、大齿轮结构尺寸以及螺栓安装扳手空间，根据实际结构，确定 D = D0 + 2 60 = 620mm 。4.7.2 卷筒强度设计4.7.2.1 卷筒壁厚设计根据卷筒抗压强度，设计卷筒壁厚。根据水电站机电设计手册金属结构（二），卷筒材质取为 HT20-40，其抗压强度s = 750MPa ，许用压应力s = sp= 176.5MPabp4.25根据卷筒实际所受钢丝绳压应力小于、等于卷筒材质允许压应力的原则设计卷筒壁厚。设计计算公式如下：o = A Smaxpd t（4-7-5）sp sp 式中：A=1；A 与钢丝绳在卷筒上的多层缠绕系数。钢丝绳在卷筒上为单层缠绕， 卷筒壁厚，mm；t 卷筒绳槽节距，mm。t=22mm；sp 许用压应力，MPa。sp = 176.5MPa ；Smax 钢丝绳的最大拉力，N。根据（SL41-2011），钢丝绳的最大拉力为额定启门力分摊至各钢丝绳所受拉力的 11.2 倍，设计计算时取为 1.2 倍，则：Smax= 1.2 500000 / 22 4 0.966= 38820 N 。据此确定出卷筒壁厚d A Smax= 10 mmsp t考虑到卷筒铸造工艺等因素，取卷筒壁厚d= 17 mm卷筒壁厚设计成果：卷筒壁厚d= 17 mm4.7.2.2 卷筒轴设计计算卷筒轴长度为 L轴 = L卷筒+ 两端支承长度= 2180mm 。根据轴的弯曲应力设计卷筒轴直径d 。卷筒轴材质取为 45 钢，正火处理，根据水电站机电设计手册金属结构（二），取其屈服点sS = 290MPa ；根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002）的规定，卷筒轴按静强度复核，s = sS，n 为强度安全系弯n数，取n = 1.6 ，则轴得许用弯曲应力s弯 取值如下：s = 290 = 181.3MPa4.7.2.2.1 卷筒轴弯矩计算弯1.6卷筒轴的结构及受力分析，如图 4-7-2 所示。Pz 卷扬总成（包括卷筒、大齿轮、卷筒轴等）的重量； Pt 大齿轮圆周力； Pr 大齿轮径向力； Smax 钢丝绳的最大拉力； Pa1、Pb1 钢丝绳、卷筒、大齿轮等在卷筒轴上的作用力； Pay、Paz、Pby、Pbz A、B 处轴承在 Y 轴方向、Z 轴方向的支承力； L1、L2 卷筒左右支臂长度； L3 卷筒长度。图 4-7-2卷筒轴结构及受力分析图卷筒轴尺寸及外载荷（钢丝绳拉力、卷扬总成重量）列于表 4-7-1。表 4-7-1卷筒轴尺寸及外载荷卷筒轴直径d (mm)卷扬总成重量Pz (N)钢丝绳拉力Smax (N)L1(mm)L2(mm)L3(mm)1600 注3882021801801820注：卷扬总成（大齿轮、卷筒）重量相比于钢丝绳拉力，忽略不计。大齿轮啮合力 Pt 、 Pr 计算如下： 大齿轮圆周力 Pt 由前文计算得： Pt= 43954N大齿轮径向力 Pr = P tga= 43954 tan 20 = 15998Nt0对卷筒轴进行受力分析，确定出卷筒轴所受各力的大小，列于表 4-7-2。表 4-7-2卷筒轴受力分析成果单位：NPayPazPa1Pb1PrPbyPbz35191132138820-513415998-150514677根据表 4-7-2 中各力值，作出卷筒轴弯矩图，如图 4-7-3。图 8-2卷筒轴弯矩图（单位 Nm）由弯矩图 4-7-3 可知，卷筒轴合成弯矩最大点位于 A1 点处，按合成弯矩公式 M 合 =计算卷筒轴的最大合成弯矩，其值为 12677Nm。4.7.2.2.2 卷筒轴直径计算根据水电站机电设计手册金属结构（二），按弯曲强度计算，卷筒轴直径设计计算公式如下：d （4-7-6）式中：d 设计计算截面直径，mm；M 合 计算截面的最大合成弯矩，Nm。 M 合 = 12677 Nm；s弯 轴的许用弯曲应力，MPa。s弯 = 181.3MPa。计算得d 88.8 mm ，圆整为d = 90mm 。4.7.2.2.3 卷筒轴设计计算成果：卷筒轴设计计算成果如下：（1） 卷筒轴材质选用 45 钢，正火处理；（2） 卷筒轴直径d = 90mm ；（3） 卷筒轴长度 L = 2180mm4.7.2.3 卷筒与开式齿轮副大齿轮的联接设计根据水电站机电设计手册金属结构（二），启闭机卷筒与开式齿轮副大齿轮采用螺栓联接。在分布圆周 D 上均布 6 只联接螺栓。由前文设计，确定出联接螺栓均布圆周直径 D = 620mm 。根据联接螺栓的剪应力及挤压应力，设计确定螺栓直径。根据水电站机电设计手册金属结构（二），联接螺栓取材可以是 Q235钢或 45 钢。本工程选取联接螺栓材质为 Q235。相应地，许用剪切应力取为t = 65MPa， 许用挤压应力取为scm = 150MPa 。4.7.2.3.1 按联接螺栓剪应力设计选择螺栓规格卷筒与开式齿轮副大齿轮之间通过铰制孔以螺栓直接联接，螺栓剪应力设计计算简图如图 4-7-4 所示。 图 4-7-4联接螺栓剪应力设计计算简图根据水电站机电设计手册金属结构（二），联接螺栓剪应力设计计算公式为：d （4-7-7）式中：d1 螺栓光杆部分直径，mm；M 螺栓联接传递的扭矩，Nm， M = 2 Sn 螺栓个数，n=6；max D卷筒2= 19410 Nm；D布 联接螺栓分布直径，mm。 D布 = 620mm ；t 螺栓的许用剪应力，MPa。t = 65MPa。计算得d 14.3mm ，圆整取联接螺栓规格为 M16 。4.7.2.3.2 按联接螺栓挤压应力复核根据水电站机电设计手册金属结构（二），联接螺栓挤压应力复核计算公式为：scm= 2 103 MndLD布（4-7-8）scm scm 式中：L 螺栓联接中螺栓传递扭矩部分的长度，L=51mm；scm 螺栓的许用挤压应力，取scm = 150MPa 。其余符号意义同前。计算得联接螺栓挤压应力scm = 12.8MPa scm 联接螺栓挤压应力满足要求。4.7.2.3.3 联接螺栓设计计算成果（1） 联接螺栓材质选用 Q235；（2） 联接螺栓为 6 只，均布在以卷筒轴心线为中心的f620mm 圆周上；（3） 联接螺栓规格为 M16，联接部分长度为 51mm。4.7.2.4 钢丝绳端头压板螺栓设计计算按压板螺栓的拉应力设计计算螺栓规格。根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002），钢丝绳端头压板螺栓材质选为 Q235，其许用拉应力sl = 90MPa ；压板槽形为圆弧形，取钢丝绳在卷筒上的包角a= 4p。压板螺栓设计计算简图如图 4-7-5 所示。图 4-7-5压板螺栓复设计计算简图根据水利水电工程启闭机设计规范（DL/T5167-2002），压板螺栓拉应力计算按下式进行：o = Smax (0.529 +Llnd 20.686)d（4-7-9）sl sl 式中：d 螺栓直径，mm；Smax 钢丝绳最大拉力，N， Smax = 38820N ；n 压板螺栓数量，n=6；L 摩擦力作用的力臂，mm，取 L=60mm；sl 许用拉应力，MPa。据此确定出压板螺栓规格为 M16，长度为 80mm。压板螺栓设计成果：螺栓材质 Q235，螺栓规格 M1680。4.7.3 卷筒设计计算成果（1） 卷筒材质 HT20-40；（2） 卷筒长度 L = 1820mm ；（3） 卷筒壁厚d= 17mm ；（4） 卷筒轴材质 45 钢，卷筒轴直径f90mm ，卷筒轴长度 L = 2180mm ；（5） 卷筒联接螺栓材质 Q235 钢，螺栓规格 M1645；（5）钢丝绳端头压板螺栓材质 Q235 钢，螺栓规格 M1680。4.8 启闭机设计成果4.8.1 电动机（1） 电动机型号 JZ2 31-6；（2） 电动机额定功率（负载持续率 FC25%）11kW；（3） 电动机额定转速 920(r/min)。4.8.2 制动器（1） 制动器型号 TJ2-200；（2） 制动轮直径200mm；（3） 额定制动力矩 160 Nm。4.8.3 减速器（1） 减速器型号二段-500 型斜齿圆柱齿轮减速器（2） 减速器传动比 48.57。4.8.4 开式齿轮副（1） 大齿轮铸造加工，材质为 ZG55B，正火+回火处理，齿面硬度 HB197-218；小齿轮锻造加工，材质为 45 钢，调质处理，齿面硬度 HB241-262；（2） 大、小齿轮齿数 92/18；（3） 齿轮副模数 10mm，啮合齿宽 110mm。4.8.5 钢丝绳(1)钢丝绳结构型式 619 股的纤维绳芯钢丝绳；（2） 钢丝绳公称抗拉强度185kg / mm2 ；（3） 钢丝绳直径19mm。4.8.6 卷筒（1） 卷筒材质 HT20-40；（2） 卷筒长度 L = 1820mm ；（3） 卷筒壁厚d= 17mm ；（4） 卷筒轴材质 45 钢，卷筒轴直径f90mm ，卷筒轴长度 L = 2180mm ；（5） 卷筒联接螺栓材质 Q235 钢，螺栓规格 M1645；（5）钢丝绳端头压板螺栓材质 Q235 钢，螺栓规格 M1680。4.8.7 启闭机设计成果主要技术参数启闭机设计成果主要技术参数启闭机型式手、电两用固定卷扬式额定容量2250kN启门高度10m吊点距6.9m启门速度（电动）1.43m/min启门速度（手动）0.01m/min电动机型号JZ2-31-6额定电压/电流380V/25A功率11kW转速920rpm制动器型号TJ2-200制动力矩160 Nm减速器型号二段-500 型斜齿圆柱齿轮减速器传动比48.57卷筒直径500mm钢丝绳型号619-19总结四年的大学生活很快就要结束了，在这接近尾声的时候，我们迎来了毕业设计这一艰巨的任务，作为毕业前的最后一项考核，我怀着激动而又忐忑的心情迎接着它的到来。首先，我们进行了分组分导师，很荣幸我被分到了秦老师组，分组后不久，秦老师就和我们小组 8 人进行了见面，并对我们每个人分配的各自的课题，而我的课题就是海委某水利枢纽节制闸 2250kN-1.43m/min-10m 固定卷扬启闭机设计，刚接到这个题目，我一筹莫展，无从下手，紧张万分，秦老师发现我们的迷茫之后，和蔼地对我们进行了疏导，针对我们每个人，每个课题都进行了详细的讲解，让我们对启闭机的设计有了概念的框架，并给我们增添了信心， 使我们有了充足的信念面对毕设这一挑战。在老师的建议下，我首先查询和翻阅了很多相关书籍和介绍，在此期间我兴奋不已，因为看到之前大学期间没接触的内容，我求知欲大开，感觉那么的新鲜和有趣，同时也有一点紧张和担忧，担心自己不能较好地完成任务，不过这一担忧很快便慢慢减少，在老师和同学的帮助下，在自己对课题知识的逐渐深化下， 我对自己，对这个课题有了信心，相信自己能够拿下这个挑战！然后，在系统地了解课题知识后，我先对毕设的思路和大致方向做了规划，并提交给秦老师查看， 在老师肯定了我的想法之后，我迈出了毕设的步伐。首先，我明确了启闭机的功能，并对工作原理进行了阐述，还分析了国内外的发展情况，也提出了一些自己的粗糙的看法。后来就是对启闭机的选型和方案设计，决定使用手、电两用固定卷扬式启闭机，我还对此型号进行了优缺点的分析， 并且列出了其主要零部件，绘画出了系统简图，而后要针对各个零部件进行设计、计算、校核。然后就是这次毕设的重头戏，对启闭机的各部位的设计计算。第一个，便是对电动机的选型。根据老师提供的原始数据：启闭力和启门速度。并查阅了起升系统的各传动件的传动效率，通过电动机静功率选型公式算出了电动机的静功率，再通过电动机在一些损耗和负载条件下，算出电动机的额定功率，最后确定电动机选为JZ2 31-6 型。在初步选好电动机的型号后，我并没有草草结束，而是对电动机的过载能力进行校核，通过反复的查表、计算，电动机的过载能力能够符合本次毕业设计的要求，最终选定，且附上了该型号电动机的相关参数和图片，以便接下来的计算，使用。接下来进行的就是对制动器的选型和设计计算，用额定力矩通过公式算出制动器的最大工作载荷，再对比电动机的最大功率进行校核，最后确定选为 TJ2-200 型电磁块式制动器，且附上了该制动器的相关参数和图片。在制动器之后，便是对减速器的选型计算，通过查阅资料和认真思考，最后确定选为二段-500 型斜齿圆柱齿轮减速器，并且确定了传动比，也附上了该图片显示。后来，我开始了开式齿轮副的设计计算，根据开式齿轮副齿轮的齿根弯曲疲劳强度以及齿轮副齿面接触疲劳强度设计开式齿轮副。第一步，考虑各方面因素，确定大、小齿 轮的材料和热处理工艺，并通过查表，确定齿轮的硬度和许用应力，以便计算。第二步，对齿轮副齿轮齿根弯曲强度进行设计，根据齿根弯曲疲劳应力计算公式和相关公式，算出开式 齿轮副的一些参数。第三步，按齿面接触疲劳强度进行校核，通过计算和审核，齿轮副齿面接触应力小于其许用应力，并且有一定裕度，表明齿轮副所选参数满足接触强度要求。最后将该齿轮副的设计成果列出，以便下个环节的使用。然后，我对钢丝绳也进行了选型，钢丝绳主要功能就是负重，所以，要对钢丝绳的破断拉力进行计算，并要留有适当的安全欲度。其次，要对卷筒进行设计计算，而卷筒设计计算包括结构设计及强度设计两部分。在卷筒的结构设计中，我先算出了卷筒的长度、左右臂长度和联接螺栓分布圆直径。在卷筒的强度设计中，因为是计算强度，所以要计算卷筒的壁厚，根据就是卷筒的抗压强度，通过联系自身材料参数和钢丝绳的数据，在卷筒材质允许压应力的原则下，算出了卷筒的壁厚。接着，就要设计卷筒轴了，需要算出卷筒轴的长度和直径，对卷筒轴进行了弯矩计算、受力情况分析，并作出了卷筒轴弯矩图，按弯曲强度计算，计算出卷筒轴的直径。后来，再针对这些主要部件， 对联接螺栓进行设计计算，并将这个步骤的计算成果逐个列出，方便统计、观看、使用。最后，我将整个毕设的各个部分的设计、计算、选型结果进行了统一整合， 使其更加整洁、规范。在整个毕设的过程中，我认为
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