QY16型汽车起重机起升机构设计

一、绪论1.1研究背景与意义汽车起重机在现代工程建设中非常重要，其灵活性和机动性使其在建筑施工、桥梁建设和设备安装等多个领域被广泛使用。QY16型汽车起重机的起升机构性能对整体工作效率、安全性和可靠性有着显著的影响。起升机构是汽车起重机实现货物垂直升降的核心部件，对其进行结构设计优化具有重要的现实意义。通过优化设计，可以提高起重机在复杂工况下的作业能力，满足不断增长的工程需求，同时降低设备故障率，减少维护成本，从而提升经济效益。随着工程建设行业的不断发展，对起重设备的性能要求也在逐步提高。QY16型汽车起重机设计图如图1所示图1QY16型汽车起重机1.2国外研究现状在汽车起重机起升机构的研究与应用领域，德国、美国和日本等发达国家已经取得了显著进展。这些国家的领先企业，比如利勃海尔和卡特彼勒，通过深入的基础理论研究和先进的技术手段，持续提升起升机构的性能与可靠性。他们运用先进的力学分析和计算机模拟技术，优化了起升过程的动力学特性和结构强度。同时，通过研发新型液压元件和传动系统，显著提高了传动效率和控制精度。此外，高强度、轻量化材料的应用进一步提升了关键零部件的性能。这些研究成果不仅提高了起升机构的平稳性和操作精度，还降低了能耗，延长了零部件的使用寿命。1.3国内研究现状国内汽车起重机行业经过多年发展，在起升机构研究方面取得了显著进步。众多科研机构和企业不断增加研发投入，一方面积极借鉴国外先进技术，结合国内工程实际需求，对起升机构的结构和性能进行优化设计。例如，通过改进滑轮组设计和钢丝绳选型，有效提升了工作效率和安全性。另一方面，国内也积极开展理论研究和实验测试，深入分析起升机构的工作原理和力学特性。近年来，国内高校和科研机构在结构优化设计、传动系统改进以及安全保护装置设计等方面取得了不少成果。尽管如此，与国外先进水平相比，国内在起升机构的高端技术研发、关键零部件制造以及智能化控制等方面仍存在一定的差距。1.4研究工作的前提和任务1.4.1研究前提本项研究工作基于对QY16汽车起重机工作要求和技术参数的深入理解，以及对相关设计标准与规范的熟练掌握。任务是在已有研究成果的基础上，对起升机构进行全面的结构设计，包括传动装置的优化、关键零部件的设计以及整体结构的强度和稳定性分析。本研究以QY16汽车起重机的实际工况为背景，旨在满足现代工程建设对起重设备提出的高性能和高安全性要求。研究的核心目标是在满足性能要求的同时，确保设计方案具备较高的经济性和可操作性。表1QY16型汽车起重机技术规格表1.4.2研究任务我们还深入研究了QY16型汽车起重机起升机构的运转原理，确切掌握了它的运动学和动力学特点。依据这些分析，全面考虑了传动效能、空间安排和安装地点等关键因素，制定出了传动装置的具体布置计划。进一步来讲，我们设计了起升机构的整体组装结构，精确规划了卷筒、钢丝绳、滑轮组合、吊钩和制动装置等主要部件的相对位置和连接方式，并且对这些主要部件进行了强度和硬度的检查，以此保证整体结构的稳定性和可靠性。另外，我们通过对这些关键部件在尺寸方面的优化、型号的挑选以及材料的选取，明显提升了它们的性能和使用时长。最后，我们通过试验验证了设计方案的可行程度和有效程度，确保起升机构的性能符合预先期望的目标。工作原理分析深入研究QY16汽车起重机起升机构的工作原理，明确其运动学和动力学特性，为后续设计提供理论基础。传动装置布置综合考虑传动效率、空间布局和安装位置等因素，制定传动装置的布置方案，确保传动系统的高效性和可靠性。总装结构设计设计起升机构的总装结构，详细规划关键零部件的相对位置与连接方式，并进行强度和刚度校核，以确保整体结构的稳定性和可靠性。关键零部件设计对卷筒、钢丝绳、滑轮组、吊钩、制动器等关键零部件进行详细设计，通过优化尺寸、选型和材料选择，提升其性能与使用寿命。1.5研究依据1.5.1理论依据我们这项研究的理论依据有机械工程学、材料力学、液压传动方面的理论以及自动化控制的相关理论等。这些理论来自多个不同学科，给起升机构的设计提供了全面的科学方面的帮助，确保了设计在科学合理程度上能达到比较高的标准。1.5.2实验基础本研究的实验基础包括对起重机实际工作状况的调研、关键零部件的性能测试以及起升机构的模拟实验。这些实验数据经过分析和处理后，为理论研究和结构设计提供了可靠的依据。同时，本研究利用了实验室的机械测试设备、液压系统测试平台和计算机辅助设计（CAD）软件，这些工具为研究提供了坚实的技术支持。1.6预期结果本研究聚焦于解决起升机构的关键问题。首先，优化传动系统，提升传动效率与控制精度。其次，选用合适材料和结构，增强关键零部件的强度与耐磨性。再次，对起升机构整体结构进行优化设计，提高其在复杂环境下的稳定性和可靠性。最后，结合实验测试与理论分析，优化改进设计方案，确保其满足工程需求。同时，重点提高传动系统效率，降低能耗，延长关键零部件使用寿命，并设计可靠的安全保护装置，保障起升机构在复杂工况下的操作安全。二、起升机构的原理分析2.1起重机起升机构主要组成部分起重机起升机构的工作原理涉及多个关键组件的协同运作。驱动装置提供动力，传动装置传递动力，卷绕系统实现钢丝绳的收放，取物装置完成货物的抓取和释放，制动装置确保安全，滑轮组优化操作，安全保护装置保障作业安全。通过这些组件的协同工作，起升机构能够高效、安全地完成货物的垂直升降任务，通过卷筒转动实现钢丝绳的收放，带动吊钩升降。取货装置如吊钩、抓斗、电磁吸盘等，用于抓取和释放货物。制动设备可在需要时迅速使卷筒停止转动，确保货物稳定悬停，防止因重力下坠，保障起升操作的安全性。汽车起重机外形图如图2所示图2汽车起重机外形图2.2起重机起升机构工作原理工作原理：电动机或液压马达作为驱动装置，提供起升动作所需的动力。动力通过联轴器、传动轴和减速器组成的传动装置传递到卷筒，减速器将高转速降低并增大扭矩。卷筒旋转时，钢丝绳随之收放，带动吊钩升降货物。制动器确保在需要时迅速停止卷筒转动，保障货物悬吊安全。滑轮组优化钢丝绳的方向和角度，提高操作效率。此外，安全保护装置如限位器等，监测和控制运行状态，防止危险情况发生，确保整个起升过程的安全性和可靠性。2.3起升机构传动方案分析汽车起重机在现代工程建设中具有重要的地位，其技术进步和市场需求推动了行业的快速发展。随着智能化、轻量化、高效化和环保化趋势的不断推进，汽车起重机将为未来的工程建设提供更加高效、安全和环保的解决方案。目前，我国汽车起重机的起升机构还没有完全满足这些新技术发展的需求。大多数现有产品主要采用以下两种结构形式：一、单卷筒该结构的构造如下图所示，动力从液压马达1开始，经过联轴器2和减速器4，最后传到卷筒5。制动器3是瓦块式的，装在高速轴上，靠马达反转来实现下降。这种设计很简单，做起来方便，所以用得挺多的。但是，它体积大、重量重，而且不能调速，这些缺点让它在应用和发展上受到了一些限制。1-液压马达2-联轴器3-刹车4-减速器5-卷筒图3单卷筒起升结构二、双卷简该结构形式在图4中有展示，液压马达1通过减速箱2和内涨离合器5，把动力分别传给主卷筒和副卷筒4。这种设计能让一个马达和减速器同时带动两个卷筒，提高工作效率。QY16型起重机的起升机构就是用的这种形式。双卷筒起升机构中，起升机构将离合器和制动器安装在低速轴上，利用一个马达搭配减速器来同时驱动两个卷筒，达成重力下降的功能。然而，这种设计下的离合器与制动器存在体积大、重量重、结构复杂以及加工要求高的问题。同时，离合器和制动器的间隙必须精准调整，否则无法实现空钩自由下降。并且，外抱带式的制动器在制动时，会使卷筒主轴产生较大的附加力矩，给实际操作带来不便，影响该起升机构在实际应用中的表现。a)-串联卷筒b)-并联卷筒1-驱动装置2-减速器3-制动器4-卷筒5-离合器图4双卷筒起升机构。三、起升机构参数计算3.1起升机构卷筒的设计计算与校核3.1.1卷筒的功能与要求卷筒按钢丝绳卷绕方式分为单层卷绕的单联卷筒和多层卷绕的双联卷筒。单层卷绕卷筒表面的导向螺旋槽可增加钢丝绳与卷筒接触面积、减小单位压力、延长钢丝绳寿命，一般优先选标准槽，仅钢丝绳有脱落风险时用深槽设计；在起重高度较高的情况下，多层卷绕的卷筒为减小尺寸，可采用带导向螺旋槽或光面卷筒，但会加快钢丝绳磨损。多层卷绕卷筒适用于运行速度较慢、工作类型较轻的起重机，如汽车起重机常采用光面卷筒。虽然钢丝绳能紧密排列，但实际使用中易出现排列混乱和交叉挤压，缩短使用寿命。目前，大多数多层卷绕卷筒设计有绳槽，以改善钢丝绳排列，延长其使用寿命。3.1.2卷筒转矩的计算1.卷筒额定起升载荷的确定在本次计算中，我们假设不考虑取物装置的重力，仅使用额定起升载荷进行计算。根据设计要求，QY16型汽车起重机的额定起升载荷为16吨。根据重力公式：G式中：g为重力加速度（取9.81m/s2），因此，额定起升载荷Q0为156960N。2.卷筒转矩的计算卷筒转矩是衡量起升机构在卷筒上所需力矩的关键参数，它直接影响到液压马达和减速器的选择。卷筒转矩的计算公式为：T式中：R为卷筒半径，根据卷筒的直径D=260mm,计算卷筒半径公式为：R=将上述值代入卷筒转矩公式得：T3.1.3卷筒功率的计算1.卷筒的功率是指在特定转速下，卷筒传递的机械功率。该功率可以通过以下公式计算：P=84.99Kw式中：P卷筒​—卷筒的功率，单位为千瓦（kW）。T卷筒—n卷筒—2.考虑传动效率后的实际卷筒转矩在实际应用中，由于传动系统存在效率损失，液压马达输出的转矩在经过减速器等传动装置后会有所减少。因此，为了确保起升机构能够正常工作，需要考虑传动效率，液压传动总效率η为0.9，则实际所需的卷筒转矩计算如下：T因此，为了克服传动效率的损失，实际所需的卷筒转矩应为22672N/m。3.卷筒长度L卷筒绳槽尺寸t1《起重机械》查得t1=16由《起重机械》式3-12知，L式中:H—起升高度11m；m—滑轮组倍率，m=4；L0—卷绕长度；d—钢丝绳直径；a—多层卷绕层数；代入，得L0=1484.4，取L0=1450mm4.卷筒的转速n代入数据得：n卷筒=35.83.1.4卷筒的强度校核卷筒强度的计算：因为L<3D，所以只需要计算压应力σ=115.1式中：σ压—A1—压力系数，考虑绳绕入对卷筒的应力有减小作用，Aσ压σ故卷筒抗压强度足够3.2液压元器件选择与计算3.2.1液压马达的种类起重机的起升机构通常需要在低速下提供高扭矩，因此低速液压马达是更合适的选择。然而，在一些特定的应用场景中，高速液压马达也可以通过配备减速器来满足需求。选择合适的液压马达时，需要综合考虑扭矩、转速、尺寸、重量、效率和成本等因素，以确保其能够满足具体的应用需求。选择液压马达的时候，得考虑负载扭矩、速度和实际工作情况，这样才能选到合适的型号。这一次，我们根据需求选了高速液压马达3.2.2液压马达的计算满载起升时液压马达输出功率：液压马达的输出功率是确保起升机构正常运行的重要参数。它需要根据实际所需的卷筒转矩和卷筒转速来计算。根据文件，卷筒的转速n卷筒为35.8（r/min）。液压马达的输出功率P输出P=84.99Kw液压马达在运行过程中会存在一定的效率损失。如果液压马达的效率n马达P液压马达的转速：液压马达的转速n马达可以通过以下公式计算nn式中：P输入液压马达的输入功率T实际--实际所需的卷筒转矩，单位为r/min液压马达的扭矩是指液压马达在运行过程中能够产生的最大旋转力矩。扭矩的计算公式为：TT式中;P输入n马达液压马达的效率:液压马达的效率是衡量其将液压能转化为机械能的有效程度的指标，。效率的计算公式为：ηη式中：P输出P输入3.2.3液压马达型号的选择选择液压马达参数(见表3-1)查参考文献得表3-1液压马达参数表型号转速输入功率输出功率最大扭矩25010090400003.3起升机构减速器的设计3.3.1减速器的工作特点以及基本结构汽车起重机使用的减速器具有高承载能力、高传动效率、小体积与轻重量、多级传动设计、高精度加工、可靠的润滑系统、强化的密封性能、多功能性、易于维护和适应性强等特点。这些特点使得减速器能够在复杂的工况下高效、稳定地运行，满足汽车起重机的高性能和高安全性要求。此外，减速器传动效率高，运行时噪音低、振动小，得益于高精度加工和齿轮修形，每一级齿轮效率都得到提高。减速器主要由传动部件、轴与轴承、箱体及其附属件这三大部分组成，各部分功能如下：齿轮、轴及轴承组合：在减速器中，传动部件（齿轮或蜗杆）作为实现减速功能的关键组件，借助相互咬合的齿轮或蜗杆组，依据不同齿数比改变转动速度与扭矩大小，将输入轴的快速转动转换为输出轴的慢速转动，并增大输出扭矩，以满足工作设备在转速和负荷方面的需求。轴用来支撑传动部件，不仅负责传送扭矩和动力，将输入轴的动力传递给传动部件再传至输出轴以保证减速器正常工作，还需承受传动部件工作时产生的横向力和纵向力。而轴承安装于轴与箱体之间，其作用在于支撑轴，降低轴转动时的摩擦与损耗，保障轴的转动精准度和稳定运行，并且能承受轴所受的横向力和纵向力，提高减速器的动力传输效率，延长其使用时长。（2）箱体作为减速器的外壳，起到支撑和保护内部传动部件、轴、轴承等零件的作用。它给这些零件提供固定的安装位置，保证各个零件之间的相对位置准确，使传动部件能够正确地咬合和转动。另外，箱体还能防止灰尘、杂物等进入减速器内部，保护内部零件不受外界环境的不良影响（3）减速器附件包括通气装置、油位观察器、放油螺栓、定位销等。通气装置用来平衡箱体内外的气压，防止因为箱体内温度变化产生压力差而导致润滑油泄漏；油位观察器用来查看减速器内润滑油的油量情况，确保润滑油量足够；放油螺栓用来定期排出减速器内的脏油和杂质，方便更换新的润滑油；定位销用来确定箱体各个部分的相对位置，保证安装的准确性。3.3.2减速器的功能与要求减速器的主要任务是降低转速并增加扭矩，这主要是通过齿轮传动和蜗杆传动等方式来完成的。它安装在原动机和工作机之间，负责调整转速并传递扭矩，确保机械设备能够按照设定的速度和扭矩平稳运行。通过采用多级齿轮传动设计，减速器能够有效提升输出的稳定性和精确度。作为一种独立封闭式的传动设备，减速器不仅可以降低转速、增加扭矩，还可以在某些情况下用于提高转速，这时候就被称为增速器。在这两类减速器在设计、制造和使用上的特点各有不同。3.3.3减速器参数计算传动比i是减速器将输入转速降低到输出转速的比率。根据之前的计算，液压马达的转速n马达=249r/min，而卷筒的转速n卷筒=35.8r/mini=依据液压马达所输出的功率P（也就是减速器高速轴的输入功率），同时结合卷筒的转速n（即减速器低速轴的转速情况），来对减速器进行选定。选择减速器QRJ335-20(见表3-2)查参考文献表3-2减速器性能参数型号输入轴转速r/min名义中心距mm许用输出扭矩N公称传动比高速轴许用功率KwQRJ-335-2015002803000737四、关键零部件的设计4.1齿轮传动的计算4.1.1按齿面接触疲劳强度设计在本次设计中，小齿轮采用40Cr材料，大齿轮采用45号钢，并对两者均进行调质热处理工艺。随后，进行大小齿轮的尺寸设计。初选小齿轮的齿数为Z1=28，大齿轮的齿数为Z2=35。功率2.2kW。d式中:，mm；，取；，；，精度等级选8级，取；；；；(1)计算转速式中：，n=500r/min；，=7；=3500（2）计算转矩T=9.55×10式中:—传动轴所消耗功率，取84.99kW；—传动轴的转速；代入得：T=23190N.mm计算重合度系数αa1=arccoαεZ其中（3）计算应力循环次数查机械设计手册知小齿轮大齿轮接触疲劳极限分别为σ疲劳寿命系数KN式中:LℎN，取u代入得：N1（4）计算接触疲劳许用应力σ式中:S1%S=1。代入得：[d（5）计算实际载荷系数齿轮的圆周速度：V齿宽b:b=K式中:；，查表=1；，查表=1.05；，查表=1.1；，查表=1519；代入得：KH（6）齿轮分度圆直径的计算dKHt—载荷系数，KHtd1（7）计算齿轮模数m=，取z1=28m4.1.2齿根弯曲疲劳强度设计（1）弯曲强度得模数计算公式为m式中:；；；KF=1.3；；取T1=46556N/mm；；；=1；；z1=28；MPa；m—模数；m=5（2）计算齿轮的重合度系数Y，取代入得：Yε（3）计算弯曲疲劳的许用应力.σ式中:；取；取；σσ（4）计算大、小齿轮的并加以比较；查得=2.65；查得=1.58=1.76；YY因为大齿轮的大于小齿轮的，所以取Y（5）计算模数的大小：mm4.1.3直齿轮强度校核（1）校核齿面接触疲劳强度σ式中:ϕd—齿宽系数精度等级选8级ϕd=189.8MPa2所以该齿轮所接触的齿面接触疲劳强度满足所需要求。（2）齿轮弯曲疲劳强度的校核σ式中：；；查得=2.55；查得=1.61mz1dd；236MPa。代入得：σ4.1.4齿轮几何尺寸的计算（1）双联滑移齿轮的分度圆直径计算d=mz#；z—齿数；z=28，z2=35；m=5；代入：d1mm，d2（2）双联滑移齿轮中心距的计算a=代入：（3）b=ϕ；d为1；d1mm。代入得:b=140mm为弥补齿轮安装时不可避免的精度误差，确保齿宽设计满足要求并节省材料，通常将小齿轮齿宽加宽5~10mm。b由式可得b1=145mm，而设计齿轮的齿宽等同于大齿轮的齿宽，即（4）齿轮主要设计参数z1z2，两齿轮模数mmm，压力角20，中心距amm齿宽b1mmb2mm小齿轮材料为40Cr、大齿轮材料为45号钢，8级精度。五、结论与展望5.1研究结论在本次QY16型汽车起重机起升机构的结构设计研究中，我们深入分析了其工作原理，并对关键零部件进行了详细设计，同时优化了传动装置和液压系统，显著提升了起升机构的性能和安全性。通过对液压马达、减速器、制动器、联轴器及卷筒等关键部件的选型与连接方式的精心布置，确保了传动系统的高效性和可靠性。通过这些设计改进，QY16型汽车起重机的起