机制优秀毕业设计-快速卷扬机的设计

1、湖 南 农 业 大 学全日制普通本科生毕业设计快速卷扬机的设计THE DESIGN OF THE FAST HOIST学生姓名： 学号：年级专业及班级：指导老师及职称： 学院： 湖南长沙提交日期：2015年5月湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 2015

2、年 5 月 31 日目录摘要1关键词11前言22卷扬机的概况22.1卷扬机的发展22.2国外卷扬机概况32.3卷扬机的发展趋势42.4电动卷扬机基本结构42.4.1带有电磁铁制动器的卷扬机42.4.2采用锥形转子电动机的卷扬机43起升机构的组成及型式53.1起升机构的组成53.2起升机构的典型传动型式64钢丝绳的选择84.1钢丝绳的种类和构造84.2钢丝绳直径的选择94.3钢丝绳的使用105卷筒的结构设计及尺寸确定115.1卷筒的分类115.2卷筒绳槽的确定115.3卷筒的设计125.3.1卷筒节径的设计125.3.2卷筒长度的设计135.3.3卷筒壁厚设计145.4卷筒强度计算146电动机选

3、择157传动系统的设计计算167.1卷扬机总传动比计算及分配167.2计算卷扬机传动系统的运动和动力参数177.3减速器的计算177.3.1减速器齿轮副的计算177.3.2减速器高速轴的计算227.3.2减速器低速轴的计算267.4开式齿轮副的计算288滚筒轴的设计计算338.1卷筒轴的受力分析与工作应力分析338.2 卷筒轴的设计计算339制动器的选择3610卷杨机的安全技术37参考文献37致谢382快速卷扬机的设计学生： 指导老师： (湖南农业大学工学院，长沙 410128)摘 要：随着社会的发展，人力将会慢慢被机械取代，这也是机械行业飞速发展的必然结果。在机械的发展历史中，新机械的发明有

4、着举足轻重的作用，但是，那些很久以前就被利用生产并一直延续到今天的机械，更是起着不可替代的作用，其中，卷扬机就是一例。卷扬机是一种起重设备，由于具有结构简单、搬运安装灵活、维护保养简单、操作方便、价格低廉和可靠性高等优点，所以被广泛应用于诸多工作中。卷扬机的发展就像其他机械一样，从开始的简单到现在的复杂，从以前的机械动力到现在的电力动力，从以前的人工操作到现在的电脑操作甚至智能操作。本次设计选取了卷扬机中的快速卷扬机这个类别进行设计。主要设计了快速卷扬机的卷筒、卷筒轴、卷筒毂、减速器以及滑轮组。其中卷筒、卷筒轴和减速器的设计最为主要，本设计重点做了介绍。其余部分由于篇幅有限，只是略作分析。关键

5、词：卷扬机；卷筒；卷筒轴；减速器The Design of the Fast HoistStudent: Tutor: (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract: With the development of the society, manpower will slowly replaced by machine, this is an inevitable result of rapid the development of mechanical indu

6、stry. In the history of mechanical process, the invention of new machine plays a important role, however, those who has long been used for production and has been continued use to todays machine play an irreplaceable role, the hoist is an example of them. Hoist is a kind of lifting equipment, becaus

7、e of its simple structure, flexible handling installation, convenient operation, low cost and high reliability etc, they are widely used in a lot of work. The development of the hoist is similar with other machinery, from the previous simple structure to modern complex structure, from the previous m

8、echanical power to modern electric power, from the previous manual operation to modern computer operation even intelligent operation. This paper selected design the fast hoist in all the hoist category. This paper mainly introduced the design of the drum in fast hoist, drum shaft, drum hub, reducer,

9、 and block and tackle. The design of drum, drum shaft and the reducer has been emphasis introduced and take an important section of this paper. The rest analysis slightly as space is limited. Key words: Hoist; Drum; Drum shaft; reducer1前言卷扬机，用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称绞车。卷扬机可以垂直提升、水平或倾斜拽引重物。卷扬机分为手

10、动卷扬机和电动卷扬机两种。现在以电动卷扬机为主。可单独使用，也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、移置方便而广泛应用。主要运用于建筑、水利工程、林业、矿山、码头等的物料升降或平拖1。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，一般在大型工程中使用，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。卷扬机除在建筑、水利工程、矿山等方面被广泛应用外，在设备安装、冶金、化工

11、、农业、军事及交通运输等行业亦被广泛应用。快速卷扬机是指绳速v在30-45 m/min的卷扬机，提升速度快、工作效率高是其特点。作为一种高效率的起重设备，在许多行业中应用广泛。本论文将对快速卷扬机进行设计，介绍该卷扬机的设计方法和设计步骤，其中包括快速卷扬机工况分析、主要零件的设计、零件的装配以及性能验算等2。2卷扬机的概况2.1卷扬机的发展在很久以前的古代，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

12、足恢复经济的需要和第一个五年计划的要求，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。20世纪80年代以后，各种竞争机制的引入，科技是第一生产力的概念逐渐被人们所认识、所接受。这一时期是我国卷扬机设计制造技术发展最快的时期，这时国家也制定了有关卷扬机的配套标准、规范

13、。新产品种数近十个，使我国的卷扬机技术跨人世界先进行列。目前国内外广泛使用的卷扬机，一般均有电机、制动器、独立的减速箱、钢绳卷筒、底架等组成。它们的减速箱通常采用笨重的齿轮减速箱或蜗轮蜗杆减速箱，电机与减速箱、钢绳卷筒的安装形式一般有“n型、J型”等。普遍存在的不足是：体积大、过载能力差、噪音大、效率低、使用寿命短、工作不够安全可靠等，有些产品还已列入国家淘汰产品3。2.2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

14、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（0.25-40 t）、防爆拖式气动卷扬机（0.5-30 t）、驳船卷扬机（手动、气动、电动、液压，25-75 t）、电动链式卷扬机（0.25-20 t）、电动葫芦（0.25-15 t）、电动卷扬机（0.25-12.5 t）、手动卷扬机（0.25-75 t）、液压卷扬机（1-10 t）、水平卷扬机（1-9 t）、手动链式卷扬机（0.5-100 t）、棘轮牵引器（1-1.75 t）等。（2）法国：法国生产卷扬机的厂家很多，其中包藤（POTAI

15、N）公司就是生产卷扬机的主要广家之一，主要生产KUSW系列、PC系列等卷扬机。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。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。其他国家，如俄罗斯、日本、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4。2.3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60 t卷扬机，日

16、本生产了32 t、50 t、60 t液压和气动卷扬机，美国生产了136 t和270 t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12 V，质量为7.7-15.4 Kg，拉力为3336-13344 N。（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3。2.4电动卷扬机基

17、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。电控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。2.4.1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，如图1。（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，如图2。（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

18、绳拉力F120 kN的卷扬机上，均应安装排绳器。2.4.2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支架图图1圆柱齿轮减速器快速卷扬机简图Fig 1Cylindrical gear reducer fast hoist diagram1电动机；2联轴器；3制动器；4减速器；5开式齿轮传动；6卷筒图2圆柱齿轮减速器加开式齿轮传动的卷扬机简图Fig 2Cylindrical gear reducer wi

19、th open gear transmission diagram of the hoist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。3起升机构的组成及型式3.1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6 t快速卷扬机是由电动机、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3。1电动机；2联轴器和制动器；3减速器；4卷筒；5导向滑轮；6滑轮组；

20、7吊钩图3起升机构示意图Fig 3Hoisting mechanism diagram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。3.2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。使用开式齿轮传动时，因减速器传动比较小，可采用一级减速器

21、。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另一伸出端或装设在电动机的尾部

22、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开式齿轮传动的结构型式，卷筒左端盖板带有齿轮，减速器输出轴安装有小齿轮，两者相互啮合，形成开式齿轮传动。由于开式齿轮传动的齿轮完全暴露在外面，容易被外界杂物侵入，所以在开式齿轮外加装防尘盖，用于减少粉尘等杂物侵入。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。滑轮组形式（单联或双联）和它的倍率对起升机构的尺寸也有

23、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6 t桥式起重机的快速卷扬机，因此选用双联滑轮组，如图4。1动滑轮；2定滑轮；3卷筒图4双联滑轮组Fig 4Double pulley block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

24、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，通过计算选用机构中所需要的标准零部件，如电动机、制动器和联轴器等。对于非标准零部件需进行单独设计。此快速卷扬机设计提升载荷6 t，主要用于6 t桥式起重机上。此次设计的快速卷扬机主要参数有：额定起升重量：6 t；起升高度：20 m；起升速度：30 m/min；快速卷扬机用途：用于6 t桥式吊车起升机构；工作条件：频繁启动，粉尘量大。4钢丝绳的选择卷扬机通过钢丝绳升

25、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。4.1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（ZZ）和左

26、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

27、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

28、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。4.2钢丝绳直径的选择钢丝绳直径可由钢丝绳最大工作静拉力确定。d=CS（1）式中：d钢丝绳最小直径，mm；C选择系数，mm/N1/2；S钢丝绳最大工作静拉力，N。本次设计的快速卷扬机额定载荷6 t，采用双联滑轮起重滑轮组，所以每根钢丝绳承受载荷为S=14F总=1.5104 N本次设计的快速卷扬机用于桥式吊车起升机构，所以取工作级别为M7，查机械设计手册表8-1-8，钢丝绳的选择系数C=0.123。d=CS=0.12315000 mm=15

29、.06 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：F0Sn（2）式中：F0所选用钢丝绳的破断拉力，N；n钢丝绳最小安全系数，查机械设计手册表8-1-8选取。S钢丝绳最大工作静拉力，N。设计时，钢丝绳最大工作静拉力为已知，将最大工作静拉力乘以规定的最小安全系数n，然后从产品目录中选择一种破断拉力不小于F0M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。F0Sn=71.5104 N=1.05105 N=105 kN根据钢丝绳用于起重机上，且钢丝绳经过滑轮组，最小直径为15.06 mm，钢丝绳的破断拉力最小为

30、105 kN，查机械设计手册表8-1-9，选用637（a）类钢丝绳，公称直径为16 mm，最小破断拉力为124 kN。637（a）类钢丝绳的最小钢丝破断拉力总和等于钢丝绳最小破断拉力1.191（纤维芯）或1.283（钢芯），故钢丝绳最小拉断力总和为1241.191=147.68 kN，本设计中钢丝绳不接触高温，横向压力较小，选用天然纤维芯钢丝绳。选择钢丝绳的型号如下：16 NAT 637S+FC 1470 ZS 124 97.3 GB/T 8918其中：16钢丝绳的公称直径；NAT钢丝的表面状态（光面钢丝）；637S+FC钢丝绳结构形式（纤维芯）；1470钢丝公称抗拉强度，mm/N；ZS捻向（

31、左交互捻）；124最小破断拉力，kN；97.3单位长度重量，kg/100m；GB/T 8918产品标准编号。4.3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

32、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6%8%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

33、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

34、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。5卷筒的结构设计及尺寸确定卷筒用来卷绕钢丝绳，把电动机的驱动力传递给钢丝绳，并把电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。卷筒的尺寸由已知起升速度、起升高度和钢丝绳的尺寸来确定。5.1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

35、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槽型和加深

36、槽型两种，如图5。5.2卷筒绳槽的确定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。标准槽型 加深槽型图5卷筒槽型Fig 5Drum rope groove shape根据钢丝绳的公称直径为16 mm，查机械设计手册表8-1-59，卷筒绳槽的槽底半径R=9.0 mm、槽深c=6.0 mm、槽的节距t=18.0 mm。5.3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。本设计卷筒采用端侧板周边大齿轮外啮合式，如图6。图6 端侧板周边大齿轮外啮合式卷筒Fig 6The

37、side panel surrounding outside the big gear meshing type drum卷筒的设计主要尺寸有卷筒节径D0、卷筒长度L、卷筒壁厚。5.3.1卷筒节径的设计卷筒的节径即卷筒的卷绕直径，查机械设计手册表8-1-53，D0应该大于下式：D0=hd（3）式中 D0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M7，查机械设计手册表8-1-54，h=22.4；d钢丝绳直径，mm。D0=hd=22.416 mm=358.4 mm因本设计起升高度较大，故使用适当增大卷筒直径的方法以减小卷筒的长度，查机械设计手册

38、表8-1-58，选取标准卷筒直径D0=500 mm。5.3.2卷筒长度的设计本设计采用双联滑轮组，如图7图7卷筒长度示意图dig 7Schematic diagram of drum length卷筒的长度的计算如下式：L=2L0+L1+L2+Lg（4）L0=HaD0+nt（5）式中：L卷筒总长度，mm；L0绳槽部分长度，mm；H最大起升高度，mm；a滑轮组倍率；D0卷筒卷绕直径，mm；t绳槽节矩，mm；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；L1固定钢丝绳所需要的长度，mm，一般取L1=3t；L2两端的边缘长度（包括凸台在内），mm，根据卷筒结构而定；Lg卷筒中间无

39、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Lg=100 mm。L0=HaD0+nt=200002500+1.518 mm=461 mmL2=3t=54 mm所以L=2L0+L1+L2+Lg=2461+54+52+100=1234 mm选取卷筒长度为1250 mm。5.3.3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=0.02D+610 mm根据铸造工艺的要求，铸铁卷筒的壁厚不应小于12 mm，=0.02D+61

40、0=0.02500+610=10+10=20 mm（6）所以卷筒的参数选择为：绳槽节距t=18.0 mm、槽底半径R=9.0 mm、卷筒直径D0=500 mm、卷筒长度L=1250 mm、卷筒壁厚=20 mm。5.4卷筒强度计算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。本设计的卷筒无特殊需要，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L3D0时，弯曲应力和扭曲应力的合

41、成力不超过压应力10%，所以当L3D0时只计算压应力即可。本设计中L=1250 mm、D0=500 mm，符合L3D0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：=ASmaxtyp（7）式中：卷筒壁内表面所受压应力，MPa；A与卷筒层数有关的系数，查机械设计手册表8-1-55，取A=1；Smax钢丝绳最大拉力，N；t卷筒绳槽节距，mm；卷筒壁厚，mm；yp许用压应力，MPa，铸铁：yp=47.06 MPa。=ASmaxt=115000201841.7 MPa所以 yp=47.0641.7 MPa。所以yp，经检验计算，卷筒抗压强度符合要求。6电动机选择正确选择

42、电动机额定功率的原则是：在电动机能够满足机械负载要求的前提下，最经济、最合理地决定电动机功率。本设计6吨桥式吊车卷扬机属于非连续制工作机械，而且起动、制动频繁，工作粉尘量大。因此，选择电动机应与其工作特点相适应。查机械设计课程设计指导，吊车用卷扬机主要采用三相异步电动机。根据吊车行业的工作特点，电动机工作制应考虑选择短时重复工作制S3和短时工作制S2，并优先选用YZR(绕线转子)、YZ(笼型转子)系列起重专用电动机。多数情况下选用绕线转子电动机；在工作条件较轻，接电次数较少时，亦可采用笼型转子电动机。对于小吨位卷扬机，考虑到多方面因素，其电动机工作制也允许选择连续工作制S1。机构运转时所需功率

43、按下式计算：Nj=Q+Q0v1000（8）式中：Q额定起升载荷，N；Q0吊具自重，N，可取Q0=(0.020.04)Q；v起升速度，m/s；机构总效率，它包括滑轮组的效率、导向滑轮效率、卷筒的机械效率和传动机构的机械效率。初步计算时，对于圆柱齿轮减速器传动的起升机构，可取=0.80.9。Nj=Q+Q0v1000=1+0.0331043010000.8560=18.18 kW计算电动机功率：NKdNj，考虑到工作环境，查表，对于M7级起重机其系数Kd=0.9。所以 N0.918.18=16.36 kW查机械设计课程设计指导附表6-5，选用YZR系列三相异步电动机，规格如下：型号：YZR200L-

44、6；额定电压：380 V；额定功率：22 kW；转速：964 r/min；基准工作制为S340%。7传动系统的设计计算7.1卷扬机总传动比计算及分配按额定转速初定总传动比 ，总传动比按下式计算：i=ndn0（9）n0=avD0（10）式中：i机构的总传动比；nd电动机额定转速，r/min；n0卷筒转速，r/min；a起升滑轮组倍率；v起升速度，m/min；D0卷筒的计算直径，mm。n0=avD0=2300.5=38.20 r/mini=ndn0=96438.20=25.24根据总传动比i=25.24，取减速器的传动比为i1=5，则开式齿轮的传动比i2=5.04。7.2计算卷扬机传动系统的运动和

45、动力参数（1）各轴输入转速n0=n=964 r/minn=ni1=9645=192.8 r/minn卷=ni2=192.85.04=38.25 r/min（2）各轴输入功率P=Pd4=220.99=21.78 kWP=P23=21.780.990.97=20.92 kWP卷=P23=20.920.990.97=20.09 kW（3）各轴输入转矩电动机轴的输出转矩Td为Td=9.55106Pdnm=9.5510622964=217.95103 Nmm 其余各轴的输入转矩为T=9.55106Pn=9.5510621.78964=215.77103 NmmT=9.55106Pn=9.5510620.

46、92192.8=1036.23103 NmmT卷=9.55106P卷n卷=9.5510620.0938.25=5015.93103 Nmm将上述计算结果汇总于表1，以备查用。7.3减速器的计算7.3.1减速器齿轮副的计算1. 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）选用直齿圆柱齿轮传动，压力角取为20。（2）卷扬机为一般工作机器，查机械设计表10-6，选用7级精度。（3）查机械设计表10-1，小齿轮、大齿轮均选用45钢（调质），齿面硬度240HBS。（4）选小齿轮齿数z1=24，大齿轮齿数z2=uz1=524=120。表1各轴的运动及动力参数Table 1The kinematic and d

47、ynamic parameters of each axis轴名功率P（kW）转矩T（Nmm）转速n（r/min）传动比i效率0轴（电动机轴）22217.9510396410.99轴21.78215.7710396450.96轴20.921036.23103192.85.040.96卷筒轴20.095015.9310338.252. 按齿面接触疲劳强度设计（1）试算小齿轮分度圆直径，即d1t32KHtT1du+1u(ZHZEZH)2（11） 确定公式中的各参数值a. 试选KHt=1.3。b. 计算小齿轮传递的转矩。T1=T=215.77103 Nmmc. 查机械设计表10-7，选取齿宽系数d1

48、=1.2。d. 查机械设计图10-20，选取区域系数ZH=2.5。e. 查机械设计表10-5，选取材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa1/2。f. 计算接触疲劳强度用重合度系数Z。a1=arccosz1cosz1+2ha*=arccos24cos2024+21=29.841a2=arccosz2cosz2+2ha*=arccos120cos20120+21=22.439=z1tana1-tan+z2tana2-tan2=24tan29.841-tan20+120tan22.439-tan202=1.737Z=4-3=4-1.7373=0.869（12）g. 计算接触疲劳许用应力H。查机械设

49、计图10-25d，选取小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限为Hlim=550MPa。计算应力循环系数：N1=60n1jLH=6096412830015=4.164109N2=N1/u1=4.164109/5=8.328108（13）查机械设计图10-23，选取接触疲劳寿命系数KHN1=0.90、KHN2=0.97。取失效概率为1%、安全系数S=1，得H1=KHN1HlimS=0.905501MPa=495MPaH2=KHN2HlimS=0.975501MPa=533.5MPa（14）取H1和H2中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即H=H1=495MPa 试算小齿轮分度圆直径d1t32KHtT1

50、du+1uZHZEZH2=321.3215.771031.25+15(2.5189.80.869495)2 mm=73.017mm（2）调整小齿轮分度圆直径 计算实际载荷系数前的数据准备a. 圆周速度v。v=d1tn1601000=73.017964601000ms=3.7m/sb. 齿宽bb=dd1t=1.273.017 mm=87.620 mm 计算实际载荷系数KHa. 查机械设计表10-2，选取使用系数KA=1.25。b. 根据v=3.7m/s、7级精度，查机械设计图10-8，选取动载系数Kv=1.13。c. 齿轮的圆周力。Ft1=2T1d1t=2215.7710373.017 N=5.

51、910103 NKAFt1b=1.255.91010387.620Nmm=84.3Nmm100Nmm查机械设计表10-3，选取齿间载荷分配系数KH=1.2。d. 查机械设计表10-4，用插值法选取7级精度、小齿轮相对支承对称布置时，得齿向载荷分布系数KH=1.398。由此，得到实际载荷系数KH=KAKVKHKH=1.251.131.21.398=2.37（15） 可得按实际载荷系数算得的分度圆直径dt=dt13KHKHt=73.01732.371.3mm=89.199mm（16）3. 按齿根弯曲疲劳强度设计（1）试算模数，即mt32KFtT1Ydz12YFaYsaF（17） 确定公式中的各参数值a. 试选KFt=1.3b. 计算弯曲疲劳强度用重合度系数Y=0.25+0.75=0.25+0.751.737=0.682（18）c. 计算YFaYsaF查机械设计图10-17，选取齿形系数YFa1=2.68，YFa2=2.18。查机械设计图10-18，选取应力修正系数Ysa1=1.58，Ysa2=1.82。查机械设计图10-24c，选取齿轮的齿根弯曲疲劳极