毕业设计（论文）-履带式牵引机设计

第1章绪论我国十分重视国民基础设施的建设，而基础设施的建设就离不开机械制造业的发展。机械制造业已经深入到了我国经济建设的方方面面了，机械制造业的水平在很大程度上反映了一个国家的经济建设水平和科研力度水平。又好又快的发展我国经济需要在机械制造业上花费很大的研究力度，我国在这方面投入了很多人力物力，而随着现代工业化进程的不断推进，我国的经济建设对机械制造业又提出了新的要求[1]。改革开放以来，我国的经济获得了空前的发展，丰富多彩的产品类型和不同的市场需求对机械制造业又提出了新的要求。企业是否能在市场中占有一席之地，能否在企业之间的竞争之中生存下来，归根结底是各个企业之间机械制造业水平的较量，如何面对这一问题，也是各个企业现在亟待解决的。而随着经济全球化的进程不断加深，我国面临着在国际市场上的激烈竞争，如何在国际市场上打造优质的中国品牌是我国需要解决的问题。我国提出了一系列政策和措施来鼓励科研创新，争取进一步攻克技术壁垒，在机械制造业方面有所成果[2]。1.1设计目的和意义在经济发展水平越来越高的当今社会，电缆已经成为了能量和信息传递的主体，纵横交错的穿梭在各地区内，电缆的数量在不断的增加，很多老化的电缆已经不能满足其工作环境，很容易因为裸露在外和土壤腐蚀等问题而影响其运转和传递信息的能力，加快相应的电网建设急不可待，因此，我们需要十分重视电缆行业的维修和牵引制造的过程[3]。在电缆的制造和安装过程中，履带式牵引机发挥了重要的作用，在电缆的生产过程中已经离不开了履带式牵引机，其主要功能在于电缆的抽放线中保持平稳快速的牵引，确保在此过程中电缆能够实现平稳的运动，同时，在牵引过程中，可以对电缆进行其他工序的制作，简化了工作流程，提高了工作效率，降低了成本和工作周期。但是以往的履带式牵引机在设计制造方面存在一定的问题，很难根据实际情况进行具体的设计，大多情况是根据经验法和对比法进行粗略的估计和运算，因此也就造成了在设计过程中很容易出现资源浪费的情况，用额定功率较大的机械去完成较小的任务量，也就造成了经济上的一定损失，对于厂家来说，长期以往，必定会造成经济上的严重损失，进而对整个牵引机行业方面造成一定的冲击，因此这方面的问题亟待解决[4]。本次毕业设计，对履带式牵引机的传动系统，张紧系统和压紧系统结构进行分析，对牵引机的零部件进行校核，从而提升牵引机的性能，从而来解决社会发展带来的电缆牵引所出现的各种问题，以及传统的履带式牵引机所出现的各式各样的问题，比如牵引时产生的履带脱轨，电缆与履带间摩擦力不足而产生的打滑，还有传动的一系列问题。此台设计的电缆履带式牵引机，适用于一些复杂的山区，或者需要较长的搭建电缆的地方，设计的机构简单，稳定性强[5]。1.2牵引机的国内现状研究随着国内经济的发展，履带式牵引机市场发展面临巨大机遇和挑战。在市场竞争方面，履带式牵引机企业数量越来越多，市场正面临着供给与需求的不对称，履带式牵引机行业有进一步洗牌的强烈要求，但是在一些履带式牵引机细分市场仍有较大的发展空间，信息化技术将成为核心竞争力。上世纪70年代末，我国掀起了对大型履带式牵引机的研发热潮，涌现出了很多优质企业，也取得了一定的优秀成果。但是，在履带式牵引机的研究中出现了一定的问题，限制了设备的发展，比如不同企业的生产水平、成本问题和国内外市场上的供求关系等，这些都在一定程度上限制了对履带式牵引机的研发，这也使得一些厂家和购买者不得不考虑使用其他的方式来进行替代。很多购买者都转变了生产策略，从以前的一台大型设备变为现在的两台中小型设备，这样可以节约成本、提高生产效率[6]。而对于很多中小型企业来说，需要依靠国外的核心技术来进行生产制作，虽然在短期来看可以获得一定的经济效益，同时减少了科研所需要的投入，但是从长期来看，这样弊大于利。这类经营模式很容易因为国际市场和国外企业的经济状况而产生很大的波动，当国外企业的经济受到冲击或者国际市场的需求改变时，对我国中小企业的需求量变小，而他们有没有自己的核心技术作为支撑，很容易因为资金问题而受到严重冲击，甚至破产。而且，在效益较好的情况下，国外企业也只是需要廉价的劳动力企业为其进行生产制造，我国的部分企业只获得了相应的加工制造的费用，对于我国履带式牵引机行业的发展来说是十分不利的[7]。因此我国企业需要打造自身的科研团队，培养科研型人才来满足自身企业的长久发展，增强企业自身的核心竞争力、打造自身的优质品牌才是企业做大做强的根本，因此，走上自主研发的道路，摆脱以往的经营模式，才是企业应该思考和探索的正确道路。1.3牵引机的张力架线流程在牵引机的工作流程中，张力架线是十分重要的一个环节。在此环节中，电缆线始终和地面保持一定的距离，减少了因为和地面物体接触摩擦而造成磨损的情况发生，也减少了在电缆的信息传递过程中的能量和信息损耗。在架线过程中始终保持着一定的张力，确保了在安装过程中的精准性和平稳性，减少了安装时的变形量，提高了工作效率，减少了工作周期和工作强度[8]。在张力架线的过程中，需要先用人力进行少量的牵引工作，之后便使用牵引机进行牵引，由于悬空进行牵引，因此对地面上的破坏问题也得到了很好的解决，提高了工作中的社会经济效益。

第2章电缆履带式牵引机整体结构2.1本论文的设计要求本论文主要设计一台电缆履带式牵引机，设计要求：电缆直径：80mm2.2牵引机的分类在动力源处和传递过程中进行牵引运动的机械，叫做牵引机，以下为一些常见的牵引机机器。牵引机也可以看作是一种具有变形结构的卷扬机。牵引机既可以完成本身具有的牵引任务，也可以完成卷扬机的相关任务，包括抽余线、电缆和现场所需要进行的一些任务。在现场中实用的有主牵引机和小牵引机两类，主牵引机主要在牵引场起到牵引作用，控制牵引的速率，小牵引机主要在张力场起到辅助作用和配合作用[9]。图2-1自行驶式拖拉机牵引机图SEQ图\*ARABIC2-225t液压牵引机牵引机具有不同的种类，可以根据不同的分类方式进行分类。1．依据总体布局进行分类依据总体布局的不同可以把牵引机分为拖车式、自行驶式和台式。(1)拖车式牵引机。这类牵引机是将整机放置在拖车上，通过移动拖车来进行整体的运动，同时结构简单拆装方便，但是在现场实用的过程中，如果进行场地转运，必须使用汽车进行运输，同时越野性能较差，比较适合大型室内的工作环境，是目前输电线路建设安装使用最广泛的类型了[10]。(2)自行驶式牵引机。这类牵引机通常放置在汽车的底部，同底盘连接在一起，在运行过程中并不需要另外添加动力源，依靠汽车本身的动力作为原动力。这类牵引机的优势在于可以自己进行驾驶、制作简单、占地面积小、在不同的场地之间转移比较方便。但是这类牵引机也有无法解决的问题，虽然牵引机和汽车共用一个发动机，在动力方面节约了发动机的使用数量，但是一台发动机既要应用于车辆的行驶又要应用于牵引机的使用，很难保证传动过程中的高传动比，同时，占用车辆发动机的现象注定会影响其经济效益，从成本角度看，这类牵引机的性价比很低。此类牵引机通常适用于中型设备上。(3)台式牵引机。这类牵引机的结构特点在于各个结构结合为一个整体放置在机架上，这样做的优点在于成本较低、制作比较方便。但是拆装比较困难，需要整体进行拆卸，在不同现场进行转移工作时很不方便，需要配合大型的起吊机器才能实现转移，因此其体积通常很小，适用于小功率的牵引[11]。2．依据牵引机传动方式进行分类依据牵引机传动方式的不同可以把牵引机分为液压传动式、液力传动式、机械传动式和电气传动式。(1)液压传动牵引机。这类牵引机的传动方式为液压传动，通过液压马达和泵体产生原动力，用阀门的开关来影响液体的流动方式和增减液体的压力，在液压油压力差的作用下来达到动力传动。这类牵引机较为常见[12]。(2)液力传动牵引机。这类牵引机的牵引效果对比液压传动牵引机来说较好，但是因其独特的结构特点，在使用时有一定的使用标准，需要和相应的发动机规格适应才能正常工作，因此在适用范围上并不如液压传动牵引机广泛，适用于大中型机械。(3)机械传动牵引机。此类牵引机的工作方式为机械传动，具有传动比大、占地面积小、质量小、成本低的特点，但是此类牵引机并不具备无级变速的特点，在工作特性上也稍弱于以上两种牵引机，广泛适用于中小型机械[13]。(4)电气传动牵引机。这类牵引机的工作原理是通过发动机产生动力，再经由各个部件传递来实现动力传递的。和某些卷扬机类似，这类机器由于需要电力设备的驱动，因此只能在人口稠密地区及有一定电源容量的地区才能使用。2.3本次设计的电缆履带式牵引机的整体结构图2-SEQ图\*ARABIC3整体结构结构的主要动作：有电机提供动力，电机通电，连接输出轮转动，输出轮通过减速机对速度进行调整，并且调整扭矩，用皮带将主动轮进行包裹，而主动轮通过履带的带动而进行运转，从而实现整体运动，并且通过压紧机构对电缆进行压紧，涨紧轮需要对整个电缆进行涨紧，确保整个工作中电缆一致保持紧固状态[14]。在紧固过程中，通过气缸机构进行调整结构的紧固程度，各个托架结构形成一个整体，在运动过程中实现变形运动。上托架和气缸相连，气缸另一端和阀门连接，下托架和机架连接在一起，保证了整体的稳固性，在两个托架之间放置了履带传送装置，可以实现履带的运动。履带传送装置包括两条链状板和其他的平板组成，保证了运动的流畅性和平稳性。履带和导轨进行连接，导轨和托架相连，通过电机和减速器对履带进行控制，调节电机不同的转速和减速器的减速比来对履带的运动速度进行调控[15]。电线电缆领域中应用的牵引机整体结构如图3所示，主要由主动轮、履带、压紧结构、电机和减速器组成。当牵引轮旋转时会和履带之间发生相对运动，两者之间产生的摩擦力和履带与电缆之间的摩擦力相互影响，从而实现电缆的运动。以上提到的两种摩擦力均为影响牵引性能的主要参数。此牵引机采用的是履带式结构，由上下两组履带组成，在履带上装有紧固块和紧固装置，在运动过程中起到紧固的作用[16]。2.4夹紧力的运算上下托架对履带的压紧力矩为，旋转时不同材料之间的摩擦阻力矩为，履带和上托架表面的摩擦组力矩为。[17]（2-1）式中，为紧固力；为螺旋升角；为摩擦系数，当润滑程度较低或者没有润滑时，取；取。通过查阅相关资料并将以上数据代入可得（2-2）由经验可知，；；，可以得到（2-3）2.5气缸机构夹紧力的分析在对气缸机构进行受力分析可以得到夹紧力的y方向分量和x方向分量：（2-4）（2-5）在实际进行工作时，取偏移角度，可以得到2.6履带和电缆之间不产生相对运动的条件根据受力分析和不同材质之间的摩擦系数可以得到以下公式[18]：（2-6）（2-7）通过查阅相关资料可以得知，，则实际情况中，，因此，可以保证履带和电缆之间不发生偏移。2.7履带对电缆进行牵引时的受力分析在上履带对电缆进行牵引时的受力平衡公式为式中，；；；作为使履带进行运动的牵引力；为履带同电缆之间的摩擦力；为履带和导轨之间的摩擦力；为摩擦系数。经过运算得知：同理可以对下履带对电缆进行牵引时进行受力分析[19]，可以得到2.8牵引机工作时的最大工作转矩履带进行工作时的最大工作转矩为式中，为手轮的直径；；拧紧力，则

第3章牵引系统的设计依据动力传动的先后次序，可以将牵引系统分为传动结构、涨紧结构和压紧结构。接下来对各个结构分别进行设计运算。3.1对传动系统的设计计算牵引机传动系统的工作流程：动力源和皮带相连，皮带另一端和减速器相连，通过减速机内部齿轮连接调整，控制输出端的转速，功率等，减速机的输出端最后与履带牵引轮进行连接。设定作为额定主牵引力，为电机额定功率，为电机额定转速，为传动牵引力，为变速箱相应档位速比，为减速器减速比，为牵引轮直径，为变速箱与其皮带传动效率，为减速器与其皮带传动效率，为齿轮箱内的一对斜齿轮传动效率[20]。设计时，要求传动牵引力不小于额定牵引力，即根据公式（3-1）可以得到电机功率（3-2）由此可以选择到相近功率的电机型号。另外可以根据公式（3-3）得传动总速比（3-4）式中为牵引速度通常变速箱最大速比应当小于60，可以根据实际情况具体选择，变速器的档位通常选择3或者4，可以据此计算出系统的减速比。因此，也可以通过运算出减速器的最大扭矩来对减速器进行合理的选择[21]。依照相应的选取规则和运算，选择电机功率，电机额定转速，主牵引力;变速箱的档位选择四档，速比按照顺序为，，，;减比为，最大输出扭矩为;变速箱与其皮带传动效率，减速箱与其皮带传动效率;齿轮箱内一对斜齿轮传动效率。将上述数据代入可以得到（3-5）分别带入4个档位数据得到：经查阅相关资料可得，减速器的最大输出扭矩为，可以得到从上述的运算我们可以得知，在使用功率为的电机时，第一档位的最大牵引力为，在额定牵引力的范围内。在实际工作运转中，牵引力的大小已经能够满足正常使用，当采用高档位时，牵引力大于额定牵引力，因此传动系统的设计合格，满足生产要求[22]。3.2压紧系统的设计在此系统中，单个气缸产生的推动力为：（3-6）式中:为压紧气缸的直径;为进气时气缸中产生的压力，通常选取，可以得到（3-7）式中:为静摩擦系数;为气缸的对数，在此基础上满足图3-1压紧结构由上面可以得到（3-8）在此设计中，气缸直径，个数为9对;进气时气缸中产生的压力;履带与电缆之间的静摩擦系数气缸在产生的推动力为[23]，因此所设计的压紧系统满足条件。3.3张紧系统的设计张紧轮设计如图所示，在运动过程中，通过气缸对实现对摆臂的控制，进而达到控制张紧轮运动的目的。带传动最大有效拉力与带轮张紧力，张紧轮与履带之间的静摩擦系数、包角的关系为（3-9）（3-10）图3-2张紧结构图3-3张紧轮受力图带轮张紧力F0与气缸推力FT的关系为:式中:为气缸推力力臂。为带轮张紧力力臂。为张紧气缸直径;为进气时气缸中产生的压力，通常，将上述公式变形为:(3-11)可以得到气缸的最小直径，从而对气缸进行合理选择。在张紧系统中，，张紧轮与履带之间的静摩擦系数，气缸直径，进气时气缸中产生的压力，当电缆直径为时，可得:可见张紧气缸的选取也能满足设计要求3.4牵引机车架的相关设计牵引系统所用车架是由不同型号的槽钢进行结合形成，包括横纵方向的主梁、辅粱和螺栓螺母结构组成。具体结构如下图所示[24]。图3-4车架简图牵引机在运动过程中具备以下三种工况：包括牵引作业时的工况、静止或者匀速运动时的工况以及弯扭工况，本设计主要考虑牵引作业时的工况，以此我们对其车架的基本长度进行确定[25]。表3-1为其基本尺寸。表3-1车架基本尺寸名称尺寸（mm）总长度4050总宽度2446轴距2500前轮距1835后轮距1835前板簧距851后悬架距1248第4章履带式牵引机其他结构设计4.1发动机的选择牵引机用发动机的要求(1)要求具备足够大的扭矩储备系数。当发动机处于额定工况时，最大输出扭矩值和输出扭矩值已经计算出的情况下，则牵引用的发动机要求具备足够大的扭矩储备系数。在实际工作过程中，很容易出现很多意外的情况，在某些工况下，很出现发动机短时负载过高的情况，因此，为保证发动机能够正常运转，需要具备足够大的扭矩储备系数。在使用液力传动牵引机时，因其独特的架构特点，扭转储备系数可以适当的降低。在使用机械传动牵引机时，通常。(2)在运动过程中，难免会发生振动现象，因此在不断的碰撞和振动下，发动机的机油很容易和离合器中的工作油产生混杂现象，从而影响系统的正常运行，因此我们必须做好密封措施，防止混杂现象。(3)发动机需要具备良好的散热能力，防止因为工作时间过长而导致的热量过高问题，从而影响发动机的性能，同时冷却系统必须能够具备优秀的散热性能。(4)在实际的电缆施工环境中，很多情况下是在野外，因此会有大量的粉尘、沙土等杂质，在机器运转过程中很容易混入系统中，影响工作性能，因此系统还需要具备良好的防尘能力。（5)在实际工作过程中，需要面对不同的工作环境，有时需要在高度寒冷的环境中进行工作，为了确保发动机能够正常运作，一般要求在-30℃的情况下仍能容易起动，以保证架线工序顺利完成。柴油机和汽油机都可以满足牵引用发动机的使用要求。现今我国主要采用的是柴油机作为牵引用发动机，柴油机的能耗较低，经济性价比高，同时使用时间长，成本较低。但是柴油机的缺点在于工作中会产生很大的噪音，长久使用对人会造成一定的伤害。汽油机和柴油机相比，功率高、占地面积小、产生噪音低，因此在一些高寒地区使用比较普遍[26]。本设计中选择电机作为牵引用发动机。4.2牵引机制动器的选择4.2.1对牵引机上制动器的要求牵引机上制动器的作用是十分重要的，影响到了作业过程中的安全和性能问题，因此在对牵引机上制动器进行选择时需要满足以下要求：(1)当运转过程中发生紧急停止状况时，牵引机上产生的制动力必须大于电缆上产生的拉力，这样才能保障运转过程中的安全。(2)牵引机制动器必须具备快速制动能力，提高制动器的安全性能。(3)使用液压和电力控制的方法对气进行控制。(4)在运动过程中保持良好的散热性，防止因为快速制动而导致摩擦机构受损，同时耐磨系数应当提高，增加产品的使用寿命。4.2.2制动器的种类及优缺点制动器一般分为外蹄式制动器、内蹄式制动器和全盘式制动器。通常安装在高速轴上。(1)外蹄式制动器。此类制动器通常适用于液压传动牵引机上和电气传动牵引机，通过联轴器和减速器连接在一起。此类制动器可以分为液压推杆式和电磁铁式，两者具有明显的区别。液压推杆式制动器通常来说，结构较为单一，制造方便，运行过程中产生的噪音很小，常用于液压传动牵引机上，但是这类制动器的响应速度很慢，具有一定的延迟性。而电磁铁式制动器的制动速度很快，工作迅速，但是此类制动器的结构相对来说比较复杂，而且需要外接电源才能使用，因此常用于电气传动牵引机。(2)内蹄式制动器。此类制动器常用与液力传动牵引机和机械传动牵引机上面，能承受较大的制动力矩，制动性能较上面提到的制动器类型相比性能优秀，一般都安装在牵引机主减速机输入轴和液力传动箱或变速箱输出轴之间。(3)全盘式制动器。此类制动器的制动力方向为轴向方向，因此其主轴并不需要承受负载，在一定程度上减少了对主轴的破坏作用。在运转过程中，摩擦副因为高速运转和紧急制动的原因，很容易出现磨损和破坏，因此需采取一定的措施来提高摩擦副的耐磨性。可以通过将摩擦副浸泡在油液中来提高摩擦副的使用时间，延长其使用寿命，经过分析，最终选取全盘式制动器作为本设计需要的制动器。4.3减速装置的选择减速装置通常为两种减速器和变速箱组成，在运动过程中，由于不同路况和工况的原因，我们需要对牵引速度进行控制改变，使其能够满足不同速度的要求，这里就需要我们对不同传动比的减速箱进行选取了。当使用内燃机和电动机作为驱动力的机械传动牵引机时，整个系统的传动比约为40-60。当使用液压传动牵引机时，除了上述提到的减速设备外，还需要配有分动箱保证减速比。当使用液力传动牵引机时，需要将液力变矩器和变速箱进行结合使用，才能保证减速比。图4-1减速装置如上图4-1所示，本设计采用普通的减速装置，即驱动电机输出动力，经过联轴器与二级减速器连接，二级减速器按一定减速比减速后，输出符合本课题要求的转速。减速器选择二级直齿轮减速器。可取式中，分别为高速级和低速级的传动比，为总传动比，要使，均在推荐的数值范围内。考虑润滑条件，为使两级大齿轮直径相近，取各轴的转速：I轴II轴III轴水平螺旋各轴的输入功率：I轴II轴III轴水平螺旋式中：—轴承、齿轮传动和联轴器的传动效率。各轴的输入转矩：电动机轴的输出转矩为:故I轴II轴III轴水平螺旋4.4机架所有固定不动的设备和部件都需要和机架进行连接，同时，机架保证了牵引机在地面上的平稳度。一般情况下，机架通常为为拖车架和台式架两种，拖车架下面装有车轮，可以根据不同的工作地点进行小范围的移动满足工作需求；而台式架较为稳定，通常固定在某一位置，进行作业。

结论本论文设计的是电缆履带式牵引机，设备主要应用于电缆的牵引。通过对牵引机的传动系统，压紧系统，牵引系统的设计，并且对三个主要的受力装置进行计算校核，得到了主要的牵引机的设计数据。并且依据设计设计计算，优化了履带式牵引机的性能，解决了电缆与履带间摩擦力不足而产生的打滑，还有传动的一系列问题。实现了最初的目的，满足了设计要求，同时具备一定的创新性，为以后关于履带式牵引机的研究提供了一些思路和帮助，在一定程度上发展了相关理论研究。通过本次毕业设计，本人对于力学的计算有了深层次的了解，并且对于牵引机也有一个全新的认识，通过对牵引机的设计，了解了其结构原理，过程中应用了很多的力学计算公式，并且学习了很多的机械设计原理。通过毕业设计，提高了个人能力，将自己前期学到的只是应用到实践当中去，对理论知识了解的更加的深入。过程中可能存在不足，也是通过老师不断的指点，学习了很多新知识，让自己的知识更加的扎实。参考文献[1]张翠华，杨文敏，杨胜培，芦书荣.机械设计[M].西安：西北工业大学出版社，2017.[2]王冰，贾磊，张慧玲.机械制图[M].北京：航空工业出版社，2015[3]张福，王晓芳.机械装备制造设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2014.[4]孙令东.钢丝绳