卷扬机结构设计全解

卷扬机结构设计全解

毕业论文

摘要

随着社会的发展，机械将会越来越取代人力，这也是机械行业飞

速发展的后果，在机械的发展历史中，新机械的发明有着举足轻重的

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，卷扬机就是一例。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。本设

计就传统的卷扬机说起，一直到现在以及将来的发展。

本设计主要设计了卷扬机的卷筒、卷筒轴、卷筒毂、减速器以及

滑轮组。其中卷筒和卷筒轴的设计最为主要，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。

关键词：卷扬机卷筒卷筒轴滑轮组

I

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Abstract

Alongwithsociety*sdevelopment,themachinerywillbeable

moreandmoretosubstituteforthemanpower,thisalsowillbethe

mechanicalprofessionrapiddevelopmentconsequence,inthe

machinerysubstitutionmanpowerdevelopmenthistory,thenew

machineryinventionhasthepivotalfunction.But,theseveryfora

longtimeonandcontinuecontinuouslyusingtheproductiontotoday

machinery,isplayingtherolewhichcannotbesubstituted,thehoistis

anexample.Thehoistdevelopmentislikelysameonother

machineries,fromstartssimplyuntilpresentcomplex,from

beforehandmanpowertopresentelectricpower,frombeforehand

manualcontroltopresentcomputeroperationevenintelligence

operation.Thisdesignmentionsonthetraditionalhoist,continuously

topresentaswellasfuturedevelopment.

Thedesigninstructionbooklethasmainlydesigned5tonhoist

reels,thereelaxis,aswellastheblockandtackle.Reelaswellasthe

reelaxisdesignismostmain,thisdesignhasmadetheintroduction

withemphasis.Becauseotherpartsthelengthislimited,onlymakes

theanalysisslightly.

Keywords：WindlassReel;ReelaxisBlockandtackle

II

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目录

摘要......................................................I

Abstract.....................................................................................................................II

第一章概论..................................错误!未定义书签。

1.1卷扬机发展概况.....................错误!未定义书签。

1.1.1卷扬机的应用...............错误!未定义书签。

1.1.2卷扬机的发展概况...........错误!未定义书签。

1.1.4卷扬机的发展趋势...........错误!未定义书签。

1.2卷扬机主要类型.....................错误!未定义书签。

1.2.1按钢丝绳额定拉力F分.......错误!未定义书签。

1.2.2按钢丝绳速度v分...........错误!未定义书签。

1.2.3按卷筒数目分...............错误!未定义书签。

1.2.4按动力源分.................错误!未定义书签。

1.2.5按传动形式分...............错误!未定义书签。

1.2.6按控制方法分...............错误!未定义书签。

1.2.7按用途分...................错误!未定义书签。

1.3电动卷扬机基本结构.................错误!未定义书签。

1.3.1电控卷扬机.................错误!未定义书签。

1.3.2溜放型建筑卷扬机...........错误!未定义书签。

第二章起升机构的组成及型式...................错误!未定义书签。

2.1起升机构的组成.....................错误!未定义书签。

2.2起升机构的典型传动型式.............错误!未定义书签。

III

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第三章钢丝绳的选择...........................错误!未定义书签。

3.1钢丝绳的种类和构造.................错误!未定义书签。

3.2钢丝绳直径的选择...................错误!未定义书签。

3.3钢丝绳的使用.......................错误!未定义书签。

第四章卷筒的结构设计及尺寸确定...............错误!未定义书签。

4.1卷筒的分类.........................错误!未定义书签。

4.2卷筒绳槽的确定.....................错误!未定义书签。

4.3卷筒的设计.........................错误!未定义书签。

4.3.1卷筒节径设计............错误!未定义书签。

4.3.2卷筒的长度设计.............错误!未定义书签。

4.3.3卷筒壁厚设计...............错误!未定义书签。

4.4卷筒强度计算.......................错误!未定义书签。

第五章卷筒轴的设计计算.......................错误!未定义书签。

5.1卷筒轴的受力分析与工作应力分析.....错误!未定义书签。

5.2卷筒轴的设计计算...................错误!未定义书签。

5.2.1作用力计算.................错误!未定义书签。

5.2.2垂直面支承反力及弯矩.......错误!未定义书签。

5.2.4计算工作应力...............错误!未定义书签。

5.2.5心轴的疲劳强度计算.........错误!未定义书签。

5.2.6心轴的静强度计算...........错误!未定义书签。

第六章电动机选择.............................错误!未定义书签。

6.1电动机选择..........................错误!未定义书签。

6.2验算电动机发热条件.................错误!未定义书签。

第七章减速器的设计计算.......................错误!未定义书签。

7.1卷扬机总传动比计算.................错误!未定义书签。

7.2减速器的计算.......................错误!未定义书签。

7.2.1分配减速器的各级传动比....错误!未定义书签。

7.2.2计算传动装置的运动和动力参数错误!未定义书签。

IV

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7.2.3圆柱齿轮传动的设计计算....错误!未定义书签。

7.2.4齿轮参数设计...............错误!未定义书签。

7.2.5齿轮轴参数设计.............错误!未定义书签。

第八章滑轮及吊钩的选择.......................错误!未定义书签。

8.1滑轮结构与材料.....................错误!未定义书签。

8.2滑轮直径的计算.....................错误!未定义书签。

8.3吊钩的构造及材料...................错误!未定义书签。

8.4吊钩的计算.........................错误!未定义书签。

第九章制动器，联轴器的选择...................错误!未定义书签。

9.1制动器的分类、特点及选择...........错误!未定义书签。

9.2制动器的工作原理...................错误!未定义书签。

9.3联轴器的选择.......................错误!未定义书签。

第十章卷杨机的安全技术.......................错误!未定义书签。

致谢........................................错误!未定义书签。

参考文献......................................错误!未定义书签。

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第一章概论

1.1卷扬机发展概况

1.1.1卷扬机的应用

卷扬机又称绞车，是起重垂直运输机械的重要组成部分，配合井

（门）架、桅杆、滑轮组等辅助设备，用来提升物料、安装设备等作

业。由于它结构简单、操作方便、维护保养简单、使用成本低、可靠

性高等优点，广泛应用于建筑、水利、冶金起重作业。

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，一股在大型工程中使用，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。卷扬机除在工程、设备安装等方面被广泛应用

外，在冶金、矿山、建筑、化工、水电、农业、军事及交通运输等行

业亦被广泛应用。

1.1.2卷扬机的发展概况

在很久以前的古代，就知道来用辘耕等来提升重物，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年代为满足恢复经济的

需要和第一个五年计划的得要，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

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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。

随着生产力的发展，到了60年代，卷扬机的生产和使用越来越

多。为了协调生产，卷扬机主要生产厂家（阜新矿山机械厂、天津卷扬

机厂、山西机器广、宝鸡起重运输机厂等）组成了卷扬机行业组织，隶

属于第一机械工业部矿山机械行业。为了发展卷扬机的生产，行业组

织了有关厂家的人员对全国卷扬机的生产相应用情况进行了调查。在

调查的基础上，开始自行设计和制造新的卷扬机，先后试制了0.5t、

It、3t电动卷扬机，但由于对当时各厂家的生产能力估计不足，无法

推广。

从70年代起，我国卷扬机的生产进入了技术提高、品种增多的

新阶段。在各厂自行设计和生产的基础上，1973年，由卷扬机行业组

织了有关厂家和院校联合进行了卷扬机基型设计，并充分考虑到了当

时中小厂家的生产能力。快速卷扬机的基型采用半开半闭式齿轮传动,

离合器采用单锥面石棉橡胶摩擦带结构，操纵用手板刹车带制动（如图

1-1）»慢速卷扬机的基型式为闭式传动（圆柱齿轮传动或蜗杆传动减

速器）、电磁铁制动结构。这两种基型一直到现今还在生产。为适应生

产发展的需要，当时第一机械工业部发布了JB926-74《卷扬机型式

与基本参数》和JB1803—76《卷扬机技术条件》两个部标准，并把卷

扬机行业划归常德机械研究所（长沙机械研究院前身）领导。随着部标

准的颁布，使卷扬机有了大发展的基础。在此期间，由于石化工业的

发展，大型设备很多，都需要吊装，如一些大型反应塔，塔的高度达

七八十米，质量达五六百吨，就需要有大型吊装用的卷扬机，因而各

厂家相继生产了20t和32t卷扬机（图1-2），满足了经济发展的需要。

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图1-1快速卷扬机图20t卷扬机

1.1.3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—40t),防爆拖式气动

卷扬机(0.5—30t),驳船卷扬机(手动、气动、电动、液压，25—75t),

电动链式卷扬机(0.25—20t),电动葫芦(0.25—15t).电动卷扬机

(0.25—12.5t),手动卷扬机0.25—75t),液压卷扬机(1—10t),水

平卷扬机(1—9t),手动链式卷扬机(0.5-100t),棘轮牵引器(1—

1.75t),空中用运车(0.5—20t)等。

哲恩有限公司是美国较大的生产起重设备的公司，主要产品有各

种手动卷扬机、电动卷扬机、提升机械及起重机。手动卷扬机的主要

品种有：直齿传动卷扬机、蜗杆传动卷扬机；电动卷扬机的主要品种

有：蜗杆传动系列、直齿齿轮传动系列、齿轮蜗杆传动组合系列、直

接驱动系列、链传动系列。

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美国除上述两家公司外，比较重要的生产厂家还有布劳斯公司、

赛林公司、斯塔斯派克公司、阿姆降公司、英格索•艺德公司等。

2)日本

日本从明治30年开始制造和使用卷扬机。据日本荷役机械研究

所核计，1970~1975年间卷扬机的产量增加62.5%。据日本通产省机

械核计月报载，仅1977年单纯土建卷扬机的产量就达12万台，产值

约100亿日元。

日本卷扬机行业由机械技术部会、荷役机械技术委员会领导。主

要生产厂家有北川铁工所、远藤钢机、南星、越野总业、艺浦、松岗

产业等80多个厂家。

北川铁工所是一家大型生产厂。其生产的卷扬机品种系列比较齐

全，主要有：

(1).动力卷扬机分BF、MF、DF三种型式。功率为3.7—44kw,

钢丝绳拉力从5880—441OONo有18个规格。F型是V型带传动，MF

型是单筒开式齿轮传动，DF型是双筒开式齿轮传动。其结构持点是全

部为标准型，采用改进了的螺旋顶丝式离合器操纵，因而操作简便，

易调整；鼓形离合器采用单锥体式，摩擦材料采用带型树脂。

(2).电动卷扬机该厂生产的电动卷扬帆为KW型，功率3.7—

Ukw,拉力6000—142100N,四种规格。其结构特点是：全封闭内齿

轮传动；电动机在一端，减速器、制动器和操作部分在另一端，中间

是卷筒，一字型布置，按钮操作，可远距离遥控；最大特点是卷简可

缠绕8—9层.容绳量大，适于高层卷扬使用。

远滕钢机公司有60多年历史，它是日本唯一生产特殊电动卷扬

机的公司。ENDO型卷扬机采用起重电动机，卷扬机可两档变速，排绳

器装在上部，是单螺旋轴双导向杆式结构，机座全部是焊接结构，所

有机械与电器部分都装在机座里。

3)法国

法国生产卷扬机的厂家很多，其中包藤(POTAIN)公司就是生产卷

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扬机的主要广家之一，主要生产KUSW系列、LMD系列、PC系列和RCS

系列卷扬机。

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。

LMD型卷扬机可两档变速，采用液压控制。液压系统可同时控制

两个机械制动器。LMD型卷扬机综合了电气技术（包括电子技术系统）

和液压技术的优点，性能比较好。

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。

RCS型卷扬机可五档变速，三个低速档和两个高速档。由两个独

立的装有电磁刹车系统的提升电动机驱动卷扬机。电动机带动直齿减

速器，用锥齿轮带动卷筒。

其他国家，如俄罗斯、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。

1.1.4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60t卷扬机，日本生产

了32t、50t、60t液压和气动卷扬机，美国生产了136t和270t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

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12V,质量为7.7—15.4Kg,拉力为3336—13344N。

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。

1.2卷扬机主要类型

卷扬机由于应用范围较广，为适应各种不同使用条件，卷扬机亦

制造成各种不同机型的产品。机型的分类方法很多，目前大致按下述

方法分类。

1.2.1按钢丝绳额定拉力F分

按钢丝绳在基准层上所能承受的最大拉力来区分。按1955-88

《卷扬机》中规定为5,7.5,10,12.5,16,20,25,32,50,80,

120,160,200,320,500kN共15级。此参数为卷扬机的主要参数。

1.2.2按钢丝绳速度v分

钢丝绳在基准层上的出绳速度是卷扬机的又一项主要参数，根据

钢丝绳的速度分为：

1）慢速卷扬机绳速v=9-15m/min;

2）中速卷扬机绳速v=15—30m/min

3）快速眷扬机绳速v=30—45m/min

4）高速卷扬机绳速v245m/min。

为适应特殊需要，还有一种变速卷扬机，其速度可调，有双速、

三速和多速几种类型。

1.2.3按卷筒数目分

一台卷扬机上卷筒数目的多少，直接影响到卷扬机的结构。卷扬

机按卷筒数目可分为单筒卷扬机、双筒卷扬机和多筒卷扬机三类。目

前生产的大多数是单筒和双筒卷扬机.其卷筒都是工作卷筒，再增加

的卷筒大多是辅助卷筒，筒径相对要小些。

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1.2.4按动力源分

由于工作环境不同，所用的动力源亦不同。

1）手动卷扬机用于无动力来源地区的小型卷扬机；

2）电动卷扬机大多数卷扬机皆属于此类；

3）内燃机卷扬机用于无电源的地方；

4）气动卷扬机用于不能使用电源的地方；

5）液压卷扬机用于与其他设备配套使用而有液压源的场合。

1.2.5按传动形式分

1）开式齿轮传动最早的形式，目前主要用于手动卷扬机；

2）闭式圆柱齿轮传动主要为快速单筒卷扬机应用广泛。

3）圆锥一圆柱齿轮减速器

4）蜗杆传动减速器

5）圆柱齿轮减速器加开式齿轮传动

6）蜗杆减速器加开式齿轮传动

7）行星齿轮传动

8）液压传动

1.2.6按控制方法分

1）手控卷扬机由人工操纵闸把控制卷杨机提升或下放重物。

2）电控卷扬机用电控钮控制电磁铁制动器使卷扬机工作。

3）液控卷扬机用压力油控制卷扬机卷筒的离合和制动。

4）气控卷杨机

5）自动控制卷扬机用限位器来控制卷扬机的工作。

1.2.7按用途分

卷扬机由于其用途不同，使用条件的差异，其结构设计上也有差

异。

1）提升重物要求有一定的速度和较高的安全性。

2）设备安装一般设备的质量都较大，则要求卷扬机具有较大的

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提升能力；为保证安装精度，其速度就不能太高；为防止坠落，其安

全性要求更高。

3）曳引物品因为此项工作一般是在水平或倾斜方向进行的，为

使物品能前后运动，则要求卷扬机的卷筒正反转均能工作。

4）打桩要求卷扬机把重物提升到一定高度后，能使重物成自

由落体下降，实现打桩工作，即要求卷扬机具有溜放性能。

卷扬机虽然可以分成很多种类，实际上由于应用情况的复杂，很难

把它们绝对分清，而且一台卷扬机往往几种工作都要做，所以在卷扬

机的设计上对用途分得并不清楚，而是按要求高的来设计，这样能使

卷扬机实现一机多用，得到更广泛的应用。

1.3电动卷扬机基本结构

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。

1.3.1电控卷扬机

此类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。

（一）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（图1-3）。

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图1-3圆柱齿轮减速器快速卷扬机简

图

1一电动机2—联轴器3

一制动器4—减速器

5—联轴器6-

卷筒7—底座8一支架

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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（图1-4）。

图1・4圆柱齿轮减速器加开式齿

轮传功的卷场机简图

1—电动机2—联轴器3—制动器

4—减速器5

一开式齿轮传动6一卷筒

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，在钢丝绳拉力F>120kN的卷扬机上,

均应安装排绳器。

（二）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。

1.3.2溜放型建筑卷扬机

此类建筑卷扬机提升重物的下降不是利用电动机的反转来是实

现，而是靠重物的重力下降的，并带动卷筒反转，此时电动机不转。

要在电动机和卷筒之间实现其运动的连接或分离，通常采用离合器和

差动轮系。由于电动机和卷筒可分可合，因此卷筒的数目可以增多，

而各卷筒又可各自完成自己的运动，则此类卷扬机可设计成单卷筒、

双卷筒和多卷筒的形式。

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为保证各卷筒的运动或停止，其离合器和制动装置都直接安装在

卷筒上。

第二章起升机构的组成及型式

2.1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。

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此次设计的电动5吨卷扬机是由电动机、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2-1）。

图2”起升机构示意图

1—电动机2—联轴器3—减

速器4一卷筒

5—导向滑轮

6一滑轮组7一吊钩

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。

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2.2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。要

求低速时可采用三级大传动比减速器。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令一伸出端或装设在电动机的尾部出轴上。

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

的连接为带齿轮接盘的结构型式,卷筒轴左端用自位轴承支撑于减速器输

出轴的内腔轴承座中，低速轴的外缘制成外齿轮，它与固定在卷筒上的带

内齿轮的接盘相啮合，形成一个齿轮连轴器传递扭矩，并可以补偿一定的

安装误差。在齿轮联轴器外侧，即靠近减速器的一侧装有剖分式密封盖,

以防止联轴器内的润滑油流出来和外面的灰尘进入。这种连接型式的优点

是结构紧凑，轴向尺寸小，分组性好，能补偿减速器与卷筒轴之间的安装

误差。如图(2-2)0

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图2-2用齿轮接盘连接型式

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。

滑轮组型式（单联或双联）和它的倍率对起升机构的尺寸也有很

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5吨桥式起重机的卷扬机，因此选用双联滑轮组,

如图（2—3）。

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毕业论文

3

图2—3

双联滑轮组

1、动滑轮2、定滑轮

3、卷筒

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,

通过计算选用机构选用机构中所需要的标准零部件，如电动机、制动

器、减速器和联轴器等。对于非标准零部件需进行单独设计。

此卷扬机设计提升载荷5吨，主要用于炼钢厂5吨桥式起重机上,

本卷扬机是利用炼钢厂现有设备和材料拼凑而成，因此与标准的5吨

卷扬机设计略有不同。

15

毕业论文

此次设计的卷扬机设计的主要参数有：

额定起升重量：5吨

起升高度：14米

起升速度：12米/分

卷扬机用途：用于5吨桥式吊车起升机构

工作条件：频繁启动粉尘量大

第三章钢丝绳的选择

卷扬机通过钢丝绳升降、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。

3.1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)O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(ZS)和左同向捻(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。

16

毕业论文

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。

3.2钢丝绳直径的选择

卷扬机系多层缠绕.钢丝绳受力比较复杂。为简化计算，钢丝绳

选择多采用安全系数法，这是一种静力计算方法。

钢丝绳的安全系数按下式计算：

-1)

式中S。一整条钢丝绳的破断拉力(N)。

[〃]一卷扬机工作级别规定的最小安全系数。

工一钢丝绳的额定拉力(力)。

设计时，钢丝绳的额定拉力为已知，将额定拉力乘以规定的最小

17

毕业论文

安全系数[〃],然后从产品目录中选择一种破断拉力不小于工•[M）

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。该方如下；（机械设计手册第二

册）

钢丝绳直径不应小于下式计算的最小直径

4nin=C'J耳―（3

—2）

式中Fmax一钢丝绳最大静拉力（N）。由起升载荷（额定起重量，钢

丝绳悬挂部分的重量，滑轮组及其它吊具的重量）并考虑

滑轮组效率相倍率来确定；

C一钢丝绳选择系数，它与机构的工作级别、钢丝绳是

否旋转以及吊运物品的性质等因素有关。目前，卷

扬机还没有此系数的具体规定。可参考机械设计手

册第二册进行选取。

该设计卷扬机额定载荷5吨，采用双联滑轮起重滑轮组，所以每

根承受载荷

Fmax=工F总=1.25X104N

4

该卷扬机用于冶金行业铸造用，所以工作级别为M7,查机械设

计手册第二册钢绳系数选择c=0.124。

“min=C'J耳"ax

=0.123X-2500=13.79mm

所以钢丝绳选择d=14mm。

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：（机械设计手册第二册）

18

毕业论文

Fo>nFmax（3

—3）

式中Fa—所选用钢丝绳最小拉断力（N）

n—安全系数，查手册选n=7

所以Fo>7X1.25X104=8.75X104N=87.5KN

又钢丝绳最小拉断力总和等于钢丝绳最小拉断力X1.134（纤维芯）

或X1.214（钢芯），所以钢丝绳最小拉断力总和为87.5X

1.134=99.225KN

（本设计中钢丝绳不接触高温，横向压力较小，选用纤维芯钢丝绳）

查机械设计手册，钢丝绳型号选择：

钢丝绳6X19（a）类14—NAT—FC—1470—ZS—102—79.5

型号解释如下：14一钢丝绳直径

NAT一钢丝表面状态（光面钢丝）

FC一钢丝绳的结构形式（纤维芯）

1470—钢丝公称强度（N/mm2）

ZS一捻向（左交互捻）

102—钢丝绳最小破段拉力KN

79.5一单位长度重量kg/lOOm

3.3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

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毕业论文

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0.5。一2。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。

20

毕业论文

钢丝绳的报废处理，可参考有关标准相资料。

第四章卷筒的结构设计及尺寸确定

卷筒尺寸的由已知起升速度、起升高度和钢丝绳的尺寸来确定。

卷筒用来卷绕钢丝绳，把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并把原

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。

4.1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

21

毕业论文

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绳槽和深槽两种，如图(4—1)。

图

4一1

(a)标准

绳槽(b)深绳槽

4.2卷筒绳槽的确定

查机械设计手册知，卷筒绳槽槽底半径R,槽深c槽的节矩t其尺寸

关系为：

R=(0.54-0.6)d(d为钢丝绳直径)(4

-1)

绳槽深度：标准槽：c,=(0.25~0.4)d(mm)(4

22

毕业论文

—2)

深槽：c2=(0.6-0.9)d(mm)(4

—3)

绳槽节距：标准槽：t}=d+(2〜4)(mm)(4

—4)

深槽：t2=d+(6~8)(mm)(4

—5)

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，钢丝绳直径选用14mm,

R=(0.54-0.6)dmm=7.56~8.4mm

取R=8mm

c=(0.25-0.4)dmm=3.5~5.6mm

取c=4mm

t=d+(2〜4)mm=16mm

4.3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。本设计卷筒采用内齿轮啮合式。如图(4-2)

23

毕业论文

图4—2内齿啮合式卷筒

卷筒的设计主要尺寸有节径4、卷筒长度L、卷筒壁厚6。

4.3.1卷筒节径4设计

卷筒的节径即卷筒的卷绕直径，查机械设计手册知。。不能小于下式：

Domin=hd(4

—6)

式中。。而n一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

境级别为知7,查机械设计手册h=28；

d一钢丝绳的直径(mm)。

按式计算：

Almin=hd

=28X14=392(mm)

选取£)o=4OO(mm)

4.3.2卷筒的长度设计

本设计采用双联滑轮组，如图4—3

24

毕业论文

I。I

图4

-3双联滑轮组

卷筒的长度£=2(4+4+切+4(4—

7)

式中L一卷筒总长度；

L。一绳槽部分长度，其值为：

I叫)

—8)

其中H一最大起升高度；

a一滑轮组倍率；

4一卷筒卷绕直径；

t-绳槽节矩，

n一附加安全圈数，使钢丝绳端受力减小，便于固

定，通常取

n=1.5〜3圈；

25

毕业论文

4—固定钢丝绳所需要的长度，一般取4=3t；

4一两端的边缘长度(包括凸台在内)，根据卷筒结构而

定；

一卷筒中间无绳槽部分长度，由钢丝绳的允

许偏斜角a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4=100mm。

Ha

4+nt

/

(140000x2

l乃乂400+1.5x16=380mmo

4=3t=48mm

所以L=2(4+4+4)+L,

=2X(380+48+20)+100=996mm0

选取标准卷筒长度为1000mm

4.3.3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5=0.020+(6〜10)mm(4

-9)

根据铸造工艺的要求，铸铁卷筒的壁厚不应小于12mm,

5=0.020+(6~10)mm

=0.02X400+(6~10)

26

毕业论文

=7+8=15mm

所以卷筒的参数选择为：绳槽节距t=16mm、槽底半径q=4mm、卷

筒节距4=400mm、卷筒长度L=1000mm、卷筒壁厚c$=15mm

4.4卷筒强度计算

查机械设计手册第二册可知，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。本设计的卷筒五特殊需要，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LW3D。时弯曲应力和扭曲应力的合成力不

超过压应力10%,所以当LW3%时只计算压应力即可。

本设计中L=1000mmD=400mm,符合L<3£>0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：

。=A虫<瓦］

o•/

（4—10）

其中b为钢丝绳单层卷绕时卷筒所受压应力（MPa）

尸max为钢丝绳最大拉力（N）

3为卷筒壁厚

A为应力减小系数，一般取A=0.75

瓦」为许用压力，对于铸铁瓦］=今

27

毕业论文

分为铸铁抗压强度极限

所以

o-t

"5x摆”，

查教材机械设计基础知（yh>195MPa,所以瓦J>39MPao

所以［4』经检验计算，卷筒抗压强度符合要求。

28

毕业论文

第五章卷筒轴的设计计算

卷筒轴是支持卷扬机正常工作的重要零件，合理设计与计算卷筒

轴对卷扬机性能至关重要。

5.1卷筒轴的受力分析与工作应力分析

常用的卷筒轴分轴固定式轴转动式（图5—1）两种情况。卷扬机

卷筒工作时，钢丝绳在卷简上的位置是变化的。钢丝绳拉力经卷筒及

支承作用到轴上产生的力矩，其大小随钢丝绳在卷简上位置的变化而

不同。强度计算时应按钢丝绳在卷筒上两个极限位旨分别计算。由卷

扬机工作情况和轴的受力分析可知，a、b因卷筒轴主要承受弯矩，可

简化为简单的心轴。a图为固定心轴，b图为转动心轴。对于转动心

轴，其弯曲应力一般为对称循环变化；对固定心轴，其应力循环特征

为OWrW+1,视具体的载荷性质而定。对固定心轴的疲劳失效而言，

最危险的应力情况是脉动循环变化，为安全起见，卷筒的固定心轴应

力以按脉动循环处理为宜。c图卷筒轴既受弯又受扭，为转轴。其弯

曲应力的应力性质为对称循环变应力，而扭转剪应力的应力性质可视

为脉动循环变化。由此可知，卷筒轴在正常使用条件下，最终将发生

疲劳破坏。但也不排除在超载或意外情况下发生静强度破坏。

29

毕业论文

图5-1卷筒轴的类型

a:轴固定

式b、c:轴转动式

5.2卷筒轴的设计计算

由于卷筒轴的可靠性对卷扬机安全、可靠的工作非常重要，因此

应十分重视卷筒轴的结构设计和强度、刚度计算。卷筒轴的结构，应

尽可能简单、合理，应力集中应尽可能小。卷筒轴不仅要计算疲劳强

度，而且还要计算静强度；此外，对较长的轴还需校核轴的刚度。

本设计以计算出的参数有：绳的额定拉力工=1.25x10"KN,卷

筒直径D°=400mm,钢丝绳的直径d=14mm,外齿轴套齿轮分度圆

直径D=224mm,查机械传动设计手册，轴的材质选择45钢，调制

处理，CTB=650MP,q=360MP,=300MP,[CT;?]O=100MP.

由图5—1可知，该卷筒轴用轴端挡板固定于卷筒上，是不动的心

轴。计算时应按钢丝绳在卷筒上两个极限位置分别计算。根据受力分

析可知，当钢丝绳位于右极限位置时，心轴受力较大，因此应按有极

限位置进行轴的强度计算。计算时，卷筒支承作用到心轴的力，可简

化为作用于轴承宽度中点的集中力，左端距支承点72.5mm,右端距

支承点202.5mm。

查机械设计手册、机械传动设计手册、起重机设计手册，初步得

到心轴各段直径和长度，如图5-2所示，本设计心轴左边选用调心滚子

轴承圆柱孔20000型，右边选用调心球轴承圆柱孔10000（TNI、M）

型。

毕业论文

图5-2心轴的各部分尺寸

将轴上所有作用力分解为垂直平面的力和水平平面的力，见图5-3

所示。

c-TAElD

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Rev~J---------------------------------------------------------------------------1

(b)||RBV

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