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固定卷扬式启闭机设计6张CAD图,固定,卷扬,启闭,设计,CAD
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XXX固定卷扬式启闭机设计摘 要本次设计的题目是根据老师所给江苏某水利枢纽通航闸启闭机水电站原始资料，对水电站的启闭机进行设计计算。水利工程启闭机是一种专门用来启闭水电站各种闸门（排污珊）的起重机械。它是一种能够循环间隔运动的机械，是一种在特殊场合运用的起重机。启闭机的类型也是多种多样的，可以按照不同的分类标准进行划分。启闭机可以分为固定式启闭机和移门式启闭机两大类。固定式启闭机最为常见，固定式启闭机主要有螺杆式、液压式和卷扬式等类型。固定卷扬式启闭机的由起升机构，机架，电气控制系统组成。本次设计的内容，我的主要任务是设计固定卷扬式启闭机起升机构部分。固定卷扬式启闭机主要由电机，钢丝绳锁，一些齿轮等一些零部件组成。根据启闭闸门的扬程、起升速度和启门力及吊顶距等数据作为本次设计的依据，对起升机构当中的钢丝绳，滑轮组，卷筒，卷筒轴，开式齿轮副，减速器，制动器，电动机等进行设计计算并校核。关键词： 固定卷扬式启闭机 起升机构IIAbstractThis design is subject to the teacher to give Jiangsu a water conservancy hub navigation gate-hoist in hydro-power station data, design and calculation of hydro-power station hoist. Water conservancy construction hoist is a kind of special used to open and close all gates (Shawn Horsepower Station sewage lifting machinery). It is a moving machine cycle interval, is a use of the crane on special occasions. Hoist type is various, and can be classified according to different criteria.Accordingtothe-arrangement of the hoist machine can hoist is divided into fixed and movable doors two categories. Fixed hoist is the most common, fixed hoist main screw, hydraulic winch type and other types of. Fixed winch hoist by hoisting mechanism, machine frame, electric control system.The content of this design, my main task is to design the fixed winch hoist lifting mechanism.Fixed winch hoist lifting mechanism is composed of many parts, mainly composed of a pulley-group, drum group, driving device and safety control device and other components. According to the gate of the lift, lifting speed and lifting force and ceiling distance data as the basis of design, steel wire rope, on which the lifting mechanism of pulley block,drum,drum shaft, open gears, reducer, brake, motor design calculation and check.Key wordsfixedwinch hoisthoisting mechanism 河海大学文天学院本科毕业设计（论文）目录36摘 要IAbstractII第一章绪论31.1 启闭机功能31.2 国内外闸门、启闭机的发展趋势31.3 对启闭机的看法和建议4第二章 启闭机分类及应用72.1 固定式启闭机72.2 移动式启闭机8第三章设计概况10第四章 启闭机主要零部件设计计算114.1 设计计算工况及启闭机工作级别的确定114.2 电动机选型设计计算114.2.1 电动机静功率选型计算114.2.2 电动机过载能力校验134.2.3 电动机选型计算成果144.3 制动器选型设计计算144.4 减速器选型计算154.5 开式齿轮副设计计算154.5.1 齿轮副齿轮齿根弯曲强度设计计算164.5.2 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184.6 钢丝绳选型计算184.7 卷筒设计计算204.7.1 卷筒结构设计204.7.1.1 卷筒长度设计204.7.1.2 其它结构尺寸设计224.7.2 卷筒强度设计224.7.2.1 卷筒壁厚设计224.7.2.2 卷筒轴设计计算234.7.2.2.1 卷筒轴弯矩计算234.7.2.2.2 卷筒轴直径计算254.7.2.2.3 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284.8 启闭机设计简图及主要参数294.8.1 启闭机系统简图如图 4-8-2 所示294.8.2 现场安装启闭机设备主要参数列于表 4-8-2。304.9 启闭机制造质量检测314.9.1 启闭机额定参数核查314.9.2 电动机314.9.2.1 电动机参数核查314.9.2.2 电动机外观状况检查314.9.3 制动器324.9.3.1 制动器型式、参数核查324.9.3.2 制动器外观检查324.9.3.3 制动轮表面硬度检测324.9.4 开式齿轮副324.9.4.1 开式齿轮副参数核查324.9.4.3 开式齿轮副外观及制造质量检验324.9.5 减速器324.2.5.1 减速器型号及参数核查324.9.5.2 减速器外观及制造质量检验324.9.6 卷筒及机架324.9.7 钢丝绳及滑轮组33总结34致谢35主要参考文献36第一章绪论1.1 启闭机功能起重机是一种水利水电工程致力于各种各样的开启和关闭的大门,并停止污染和污水处理设备等的一种特殊的起重设备。它是一种循环间隙吊运机械，是一种专用的起重机械。提升机是用于控制放电(放)水通道关闭,打开设备,是水电站的重要组成部分之一。用于来控制闸门的开启和关闭。被广泛应用于水利水电建设、河流的航运与防汛等工程。根据，启闭机在水电站的运行的过程中担负着调节水流量、治理流沙等重要任务。启闭机通常设置在水电站的进、出水口等要塞地方，通过启闭闸门来发挥水电站的功能与效益及维护水电站的安全1.2 国内外闸门、启闭机的发展趋势启闭机和闸门的安全运行对水利枢纽至关重要。枢纽一旦失事,就会给一个国家或地区造成灾难性的后果,因此几届国际大坝会议的大部分报告都是关于闸门的研究、设计、管理以及发展前景问题。就已投入运行的工程实例来看,已掌握的门型有四十多种,门型的选用与枢纽的形式是分不开的。由于各国水利资源的开发利用程度不同,所以枢纽的形式也各有其自身的特点,一般来说,处于初期开发阶段的以小流量高水头为主;处于后期开发阶段的则以低水头大流量为主。就规模而言:初期以小型较多;中期规模较大;后期又是小型较多。因此.就闸门类型的选择而言,其影响因素是多方面的,不仅包括了水文、地形、气候及其它局部条件,还受到设谈工艺、材料、造价等的影响。美国闸门的构造基本趋势是尽量地简单化、典型化。结构的承载能力和传动载重量具有更高的安全系数。这与他们具有较高的技术、经济水平是分不开的,与工资相比材料价格便宜得多,因而采用较大的轧制型钢断面无论对供应者还是定货者都是合算的。美国后期建造的闸门大都用弧型门或平板门。欧洲地区闸门的特点是结构复杂和型式多样。因为这些地区对上下游水位的控制、流量的调节,以及对环境保护的要求等都比较高。该地区采用 r 型双扇门较多,其最大特点是经门顶可以泄水和排冰。日本的特点是机械设备的运行质量高,闸门部件、埋件和机械设备的检查维修方便。近年来在大量收集了过去闸门技术情报的基础上,决定从硬件向软件上转换,并从设计、制造、安装及运行管理上形成了一整套完善的体制。由于日本受台风影响大,暴雨不仅集中而且降雨强度也大,导致大量泥沙流失,所以他们对闸门自动化及抗磨损问题较重视。并认为以表孔溢流式代替深孔泄洪更为适合,因其便于控制,一旦发生不测,即使在无电源情况下也有全部打开闸门的可能卜苏联的水利枢纽一般来说规模都比较人,因而闸门、启闭机所采用的参数也较人, 无论表孔或深孔均采用平板门和弧形门为多,他们认为这两种门形加工方便,运行可靠:启闭设备采用液压式为主。对于能精确调节流量的 r 型闸门、舌瓣门以及各种形式的自动操作水力闸门,都不适宜其运行特点而很少被采用,同时这些闸门也不适用于严寒地区。综合世界各国情况,闸门启闭机的发展趋势大致如下:1、门型类型普遍地减少,无论深孔或表孔均以弧形门和平板门为主:水头 30。米以上采用球阀较多,船闸则采用人字门为多。2、参数表孔门仍向大跨度方向发展,因其可有效地减少溢流坝的前沿长度.从而降低了工程总造价;宽比基本上都大于一。对于闸门所承担的水头,及遮盖面积而言,无论深孔或浅孔均向大参数发展。3、启闭机就型式而言均向液压方式发展,其参数向大容量、高行程方向发展。4、操作方式整个来看向着更高科技的方向发展,为此闸门与启闭机的整合是向更简便的方式发展,这也为操作员操作提供了很大方便。5、虽然发展趋势是向大参数,但是各国在使用大参数时都更加慎重,因为大型闸门的使用意味着坝的泄流能力和安全度的下降。6、向轻型发展,减少钢材用量。1.3 对启闭机的看法和建议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%以上的国家分别有西班牙、葡萄牙、美国、加拿大等。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;双缸液压启闭机的同步问题;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第二章 启闭机分类及应用水利水电工程起重机常用类型有固定绕组类型、螺旋式、液压式和移动吊车。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。2.1 固定式启闭机1. 固定式卷扬启闭机在水利工程中应用是非常广泛的，也是在水利工程中非常受欢迎的启闭机，固定式卷扬式启闭机优点很多，首先，它易于加工制造，造价低廉，扬程范围大，其次，运用固定式启闭机出现事故容易发现和处理，安全可靠， 便于检查维修和管理等。固定式卷扬启闭机无论是在国内还是国外发展中国家还是发达国家用的都非常广泛而且非常。在国内广泛应用的已有各种类型的启闭 机，如：QPG,QPK,QPQ等类型的卷扬式启闭机的类型产品。固定式卷扬式启闭机分为带滑轮组的和不带滑轮组的两种系列。他们在圈扬式启闭机中各有自己的优点和缺点，当然不同的类型应用场合也是不同的。下面我就介绍下这两种类型的启闭机。带滑轮组的固定式卷扬启闭机一般作为露顶或潜孔平面闸门的垂直起吊，在半个世纪以前就开始使用了。当时称为后拉式固定卷扬式启闭机。后拉式启闭机的优点在于布置上可以避免它顶上建筑物的干扰，而且可以避免了钢丝绳浸在在水里被腐蚀的情况，还减小了启闭机的许多内在和外在的情况。它的缺点就是钢丝绳和滑轮比较多，在安装使用过程中比较麻烦。不带滑轮组的固定式卷扬启闭机在露顶式弧形闸门的启闭设备中应用广泛。在没有滑轮组的作用下，因此将吊耳安装在闸门面板的前端，与卷筒上的钢丝绳直接相连接，前拉式固定式卷扬启闭机就因此得名，这种启闭机的优点是：启闭力力臂较其他启闭机相对较长，可缩小启闭机的原始空间，受力影响比较较小，可缩轻闸门自身的重量自重；整机结构简单，钢丝绳数量少，容易安装和维护管理。缺点是外形尺寸和重量相对较大，钢丝绳长期泡在水里会有不同程度的腐蚀。宁外还有其他形式的启闭机，应为作用和结构不同所以叫法也不尽相同。在国内外水利工程中，典型的固定卷扬式启闭机有：在国内，安康电站采用弧形门前拉式固定卷扬机；广东清溪电站采用的是弧形闸门，后拉式固定卷扬机。国外典型的固定卷扬式启闭机有日本岩屋水库弧形闸门，它是日本最高大的弧形闸门，采用是拉式固定卷扬机等。2. 螺杆式启闭机是用涡轮、蜗杆或齿轮带动螺杆从而牵引闸门的启闭的一种启闭机，它的优点是体积很小，结构非常简单，造价相对较低，维修也很方便，在中小型的平面闸门中应用很广泛，应用最为广泛是在闸门不能靠自重下降的情况下。它的缺点是启闭力很小，闸门启闭速度慢，行程受限制等。3. 连杆式启闭机多用于人字形闸门，但是由于其连杆机构布置方式相对复杂， 且需要合适的安装位置，近年来已经被卧式液压启闭机所取代。链式启闭机，链式启闭机在早期用于露天工作闸门中，由于其自重大、机构复杂等原因，目前已经很少使用了。2.2 移动式启闭机移动式启闭机在水利工程上多应用于操作多孔的检修闸门、事故闸门和工作闸门。移动式启闭机能够实现一机多门功能的操作。单向门式和双向门式启闭机被应用的最多。电动葫芦有时也可作为移动式启闭机。台车式机和单向门式机与双向门式机的不同点是前者用于同一直线的闸门而后者用于不同直线上的闸门都可以。国内超大型门式启闭机的容量可达 5000KN 以上。3. 根据液压缸的作用力形式不同可分为单作用式、双作用式和两用式液压启闭 机。在国内液压启闭机同样运用也非常广泛至今已有很多系列的液压启闭机被投入生产并被利用，在中国运用也越来越系统化。液压启闭机的优点：体积相对较小，重量也很轻，布置非常紧凑，承载力大，多用于大型闸门，能够在较远距离情况下传递动力，而且启闭缓冲的性能较好，传动相对平稳。液压启闭机传动系统与计算机控制系统相结合，便于实现自动化；其中液压原件应用比较系统化、标准化，设计很简单，制造时间相对较短；并且液压原件可以自行润滑，很耐用； 易于防止因为过载而造成工作问题。液压启闭机的缺点：它要求特别高的工作环境，启闭工作室内必须保持清洁干燥，防止油液和粉尘污染；液压缸与活塞杆配合精度要求很高，加工费用也很高；当在较差的密封质量下，液压油容易向外渗漏。目前在我国境内，液压启闭机生产商主要有：扬州同泰水利设备有限公司的启闭机，冀州市昊宇水工机械有限公司主要生产液压启闭机。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 4 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。第三章设计概况江苏某水利枢纽通航闸启闭机设计3.1 设计要求某通航闸共 1 孔，设有 1 扇双吊点平面钢闸门。一门一机配备 1 台 2150kN固定卷扬式启闭机，担负补水通航闸闸门的启闭工作。3.2 设计内容启闭机主要由电动机、制动器、减速器、开式齿轮副、联轴器、同步轴、卷筒、滑轮组、钢丝绳、行程控制装置、荷重限制器及机架等组成。3.3 设计参数表 3-1-1启闭机设计主要参数额定容量2150 kN启门速度1.84 m/min起升高度8m吊点距6.6 m第四章 启闭机主要零部件设计计算启闭机主要对电动机、制动器、减速器、开式齿轮副、钢丝绳等主要零部件进行设计计算。启闭机设计计算主要依据水利水电工程启闭机设计规范（SL41-2011） 和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：有时起吊最大工作荷载，一般起吊中等荷载的启闭机。水利水电工程启闭机设计规范（SL41-2011）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（SL41-2011），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（SL41-2011）要求，启闭机电动机选用起重及冶金用电动机，一般选择 YZ 型或 JZR 型。本工程启闭机电动机选择YZ 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 = 2150000 = 300000N ；V 启门速度，m/s。；v=1.84/60=0.0307m/sh 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 = 0.815F 启（N）V(m/s)hPC（kW）3000000.03070.81511.067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启闭机额定负载持续率 FC = 15% 工况下电动机的额定功率 pn 11.067 kw。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：Pn 25 = Pn15式中：Pn25 Pn15（4-2-3） 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 。计算得Pn25 = Pn15 0.996kw据此，选择负载持续率 FC = 25% 时的额定功率为 13kw 的电动机。选择型号为 YZ160-6 型电动机，其额定转速为n = 870 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）11.0672.23000000.030712.40.81510.14计算结果， Pm =12.3kW Pn (11.067kW) 。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型号负载持续率FC（%）额定功率(kW)额定转速(r/min)YZ-160L-625138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。表 4-2-3电动机选型计算成果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（SL41-2011）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。本工程启闭机制动器选择 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 （13.4kW）代入，有：Mmax则：= Mn= 955013.411.067=121.5 Nm870制动器型号为 YWZ5-200/30， Me = 315N m 。于是，选择额定制动力矩为500Nm 的为YWZ5 - 200 / 30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。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)YWZ5-200/303003154.4 减速器选型计算根据减速器承载能力进行减速器选型。启闭机电动机额定功率为 13kW。根据水电站机电设计手册金属结构（二），2150kN 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 Z2-35 型两级渐开线斜齿圆柱齿轮分流式减速器，传动比为 50， 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：高速级齿轮副为双联齿轮的 ZSY180-63-L 型两级渐开线斜齿圆柱齿轮分流式减速器，传动比为 63。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。开式齿轮副齿轮为直齿圆柱齿轮，大齿轮为铸造加工齿轮，小齿轮为锻造加工齿轮。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 ZG45B，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），2150kN 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 。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 。Pt 0(N)B(mm)d1 (mm)isH (MPa)sH(MPa)21769.41101705.11860624.7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 ZG45B，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（SL41-2011）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 = nSF F（4-6-1）0C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（SL41-2011），取n = 4.5 ；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。FC = nS = 4.51.2 300000 / 2 = 204545.5N4 h 滑即要求所选钢丝绳的破断拉力 F0 Fc = 204545.5N 。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20mm、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 、20mm、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204545.5N，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20mm、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（SL41-2011），2150kN 级启闭机， 卷筒直径为400mm。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 = 100mm ；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 = 150mm 。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20mm，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：nn0 预绕圈数，根据水电站机电设计手册金属结构（二），取n = 4 ； 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，Hi 滑轮组倍率。由设计选型， i = 2 ；= 8m ；D0 卷筒名义直径 m。由设计选型， D0 = 0.4m 。带入计算得：取n0 =13 圈n 0 = 12 . 7 （ 圈 ）据此确定出单侧绕绳部分长度l =17 22 = 374（mm）。最终确定出卷筒长度 L = 2l + 2h + 2e =1248mm。卷筒长度设计成果：卷筒长度 L = 1248 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 = 175 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 = 520mm 。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 与钢丝绳在卷筒上的缠绕层数有关的多层缠绕系数。钢丝绳在卷筒上为单层缠绕，A=1； 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 300000 / 2 = 45000 N 。4据此确定出卷筒壁厚d ASmax= 11.6 mmsp t考虑到卷筒铸造工艺等因素，取卷筒壁厚d= 15 mm卷筒壁厚设计成果：卷筒壁厚d= 15 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= 1724 mm 。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（SL41-2011）的规定，卷筒轴按静强度复核，s = sS， n 为强度安全系数，弯n取n = 1.6 ，则轴得许用弯曲应力s弯 取值如下：s = 290 = 181.3MPa弯1.64.7.2.2.1 卷筒轴弯矩计算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4500021751751248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 = 43538.8N大齿轮径向力 Pr = Pt tga= 43538.8 tan 200 = 15846.8N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：NPayPazPa1Pb1PrPbyPbz36773.8273.038461.57107.8114118795.411138.8根据表 4-7-2 中各力值，作出卷筒轴弯矩图，如图 4-7-3。图 4-1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 6806.0Nm。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s 弯 计算截面的最大合成弯矩，Nm。M合 = 7128.7 Nm； 轴的许用弯曲应力，MPa。s弯 = 181.3MPa 。计算得d 73.3 mm ，圆整为d = 75mm 。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 = 75mm ；（3） 卷筒轴长度 L = 1900mm4.7.2.3 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 = 520mm 。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 Smax D卷筒 = 18000 Nm；2n 螺栓个数，n=6；D布 联接螺栓分布直径，mm。 D布 = 520mm ；t 螺栓的许用剪应力，MPa。t = 65MPa 。计算得d 15mm ，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=30mm；scm 螺栓的许用挤压应力，取smc = 150MPa 。其余符号意义同前。计算得联接螺栓挤压应力scm = 24.0MPa 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f520mm 圆周上；（3） 联接螺栓规格为 M16，联接部分长度为 30mm。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（SL41-2011），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（SL41-2011），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 = 45000N ； 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。4.8 启闭机设计简图及主要参数4.8.1 启闭机系统简图如图 4-8-2 所示图 4-8-2 启闭机系统简图4.8.2 现场安装启闭机设备主要参数列于表 4-8-2。表 4-8-2现场安装启闭机设备主要参数启闭机型式QP 2150kN 双吊点固定卷扬式启闭机额定容量2150 kN启门速度1.84 m/min起升高度8m吊点距6.6 m电动机型号YZ160L-6额定电压/电流380V/29A功率13 kW转速870 rpm制动器型号YWZ5-200/30制动力矩140315 Nm减速器型号ZSY 180-63-I传动比63开式齿轮副齿数比87/17分别按 45 钢调质、ZG45B 正火+回火取值模数10mm滑轮组倍率2卷筒直径400mm钢丝绳规格619+1-20（按抗拉强度 185kg/mm2 取值）4.9 启闭机制造质量检测4.9.1 启闭机额定参数核查查验启闭机额定启闭力为 2150 kN，与启闭机设计要求相符。4.9.2 电动机4.9.2.1 电动机参数核查查验启闭机实际使用电动机型号为 YZ160L-6，额定功率 13 kW。启闭机实际使用电动机型号及额定功率满足设计要求。4.9.2.2 电动机外观状况检查电动机外观状况良好，未发现外观缺陷。4.9.3 制动器4.9.3.1 制动器型式、参数核查启闭机实际使用制动器为 YWZ5-200/30 型电力液压块
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