大型启闭系统传动设计 毕业设计 毕业论文

1、河 北 工 业 大 学毕业设计说明书(论文) 作 者： 陈晓 学 号： 060429 学 院： 机械学院 系(专业)： 机械设计制造及其自动化 题 目： 大型启闭系统传动设计 指导者： 魏智 教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2010年 06月 01日毕业设计（论文）中文摘要大型启闭系统传动设计摘要： 本文主要设计了专用于闸门的启闭机，采用电动机作为驱动元件，通过带轮传动使传动螺杆旋转，根据螺旋装置的特性将螺杆螺母的旋转运动转化为闸门掉轴的上下运动，从而实现闸门止水防水的设计目的。在设计过程中还涉及形成环，限位开关等。本设计过程中，主要进行了两部分的设计

2、：传动设计和闸门设计。传动部分有：螺旋传动的强度校核、螺杆强度校核、电动机的功率选取等；闸门部分主要涉及尺寸、密封、防锈、强度校核等问题。环境由清新自然变为混乱污浊是因为人类，再由混乱污浊变为清新自然也是因为人类，让我们共同来改善水环境、合理利用水资源！关键词：启闭系统 传动 闸门 密封毕业设计（论文）外文摘要Title The Design of Large Hoisting System Transmission Abstract：This paper is designed specifically for gate hoist, THE electric motors used to

3、be a drive components to drive screws through the drive pulley rotating screw device according to the characteristics of the screw nut of the rotation axis out into a gate up and down movement andwaterproof seal gate design to achieve the purpose.In the design process involves the formation of ring,

4、 limit switches.The process designed for the two-part design: the design of drive and the design of gate.Transmission part are: the strength check helical drive screw strength check, the motor power selection and so on; gate part include mainly size, sealing, corrosion, strength and so on.people mak

5、e the nature so bad, so we must take the problem. let us work together to improve the water environment and make fool use of it.Keywords：Transmission gate hoist system seal 目 录 1 序言 42 选型52.1传动类型选择2.2 技术要求 72.3 闸门设计8 2.3.1选用材料和许用应力10 2.3.2按耐磨性计算螺纹中径10 2.3.3螺母螺纹强度验算10 2.3.4螺杆的稳定性验算11 2.4 电动机选择功率11 2.

6、5圆柱蜗杆传动设计计算 13 2.5.1选择材料加工13 2.5.2初选几何参数13 2.5.3计算蜗轮输出转矩T213 2.5.4确定许用接触应力HP13 2.5.5求载荷系数K14 2.5.6计算m和q值14 2.5.7蜗轮齿面接触强度校核验算14 2.5.8工作图14 3 设计过程17 4 密封17 结论 18参考文献19致谢201序言 闸门水工系列产品中的普通一员，它是流体输送系统中的控制部件，看似简单，但它给人们带来了一片安宁。提起闸门，也许人们并不了解，因为它所处的环境非常恶劣，所处的位置异常偏僻，但对于水工人来说，对它可情有独钟。因为它在止水排水的功用上不可小视，对防洪排涝来说作

7、用也非同一般。那它的工作原理如何？它是用一启闭设备（蜗轮蜗杆启闭机）通过螺旋副传动使闸门进行上下运行而开启或关闭，从而达到止水排水的功能。闸门根据形式和功用不同可分为：铸铁闸门、钢闸门，防潮门、浮箱拍门等各种类型。这次设计的是比较常用的铸铁镶铜闸门。因为它的密封止水性能良好而得到广泛的认可。环境由清新自然变为混乱污浊是因为人类，再由混乱污浊变为清新自然也是因为人类，让我们共同来改善水环境、合理利用水资源！ 目前，我国于上世纪六七十年代建成的水利工程所使用的启闭设备都已陆续进入了更新改造期。在更新改造阶段，如何开拓新的思路，运用新的技术，采用新的工艺，更好的发挥启闭设备启闭能力大，效率高，维修保

8、养方便的优势，是摆在管理者，特别是技术人员面前的一个新课题。淮河灾后重建2003年应急工程中的金湾闸续建加固工程所改造的液压系统属大型水闸的大型液压系统,2004年改造后已成功运行三年,总结其经验,最重要的就是诸多新技术的成功应用。 灌泻水阀门启闭机的选择现代船闸设计，特别是水头在20米以上钓高水头船闸设计，灌泄水系统至关重要。它决定船舶过闸时的停泊条件、过闸时间和廊道的使用等。而灌泄水系统中的阀门和启闭机械，又是关键设备。阀门的型式和它的底缘形状等是这个关键设备中起重要作用的一些因素，阀门开关时间的长短，开关速度钓变化，以及开关过程中对阀门振动的抑制等，都取决于阀门启闭机的功能。葛洲坝二号船

9、闸平面尺寸大(宽34米，长280米)，水头差27米，19为年开始设计时，对阀门启闭机设计提出的要求是:设计启门力5o吨，启门时间5分钟，关门时不要求一施加下压力。在满足这些要求的情况下，比较简单而造价又低的方案是采用卷扬式启闭机。1972年初设计了图1所示的卷扬式启闭机。1972年、南京水利科学研究所作了二号船闸反向弧形阀门的水力学模型试验。试验报告指出:“·由于阀门工作水头大，摩粗力太，动水关一门时即使没有上托力，_阀二门濡加的重量亦很大，增加了启门和闭门的困难，采用圈养式启闭机是否合理，值得研究。”模型试验还表明，阀门在动水启闭过程中，由于门前漩水流的脉动使阀门产生震动，因此要求

10、启闭机在阀门动录关闭过程中提供一定的下压力。这样，采用卷扬机型就不能满足阀门启闭的需要，于1972年决定采用液压启闭机机型 2选型 2.1传动类型选择（1）液压、气压、机电传动系统的比较：1）液压传动系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。液压传动的优点有：体积小、重量轻；调速范围大；换向容易；空间位置无严格要求；操纵控制简便；自动化程度高；容易实现过载保护；液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和使用。其

11、缺点主要有：使用液压传动对维护的要求高、工作油要始终保持清洁；对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；液压传动在能量转化的过程中，特别是在节流调速系统中，其压力大，流量损失大，故系统效率较低；液压传动对油温变化较敏感，这会影响它的工作稳定性。2）气压传动系统是以压缩气体为工作介质，靠气体的压力传递动力或信息的流体传动。传递动力的系统是将压缩气体经由管道和控制阀输送给气动执行元件，把压缩气体的压力能转换为机械能而作功。其传动的特点是:工作压力低,一般为0.30.8兆帕，气体粘度小，管道阻力损失小，便于集中供气和中距离输送，使用安全，无爆炸和电击危险

12、，有过载保护能力；但气压传动速度低，需要气源。气压传动由气源、气动执行元件、气动控制阀和气动辅件组成。气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件，包括气缸和气动马达。气动控制阀用来调节气流的方向、压力和流量，相应地分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀。气压传动的基本特点类似于液压传动，二者合称为流体传动，若应用于闸门升降结构，不能保持两侧抬升的平稳，因此在此情况下并不适用。3）机械传动系统利用机械方式传递动力和运动的传动。机械传动在机械工程中应用非常广泛，有多种形式，主要可分为两类：靠机件间的摩擦力传递动力和运动的摩擦传动，包括带传动、绳传动和摩擦轮传动等。摩擦传动容易实现

13、无级变速，大都能适应轴间距较大的传动场合，过载打滑还能起到缓冲和保护传动装置的作用，但这种传动一般不能用于大功率的场合，也不能保证准确的传动比。靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，包括齿轮传动、链传动、螺旋传动等。啮合传动能够用于大功率的场合，传动比准确，一般要求较高的制造精度和安装精度。带传动一般用于两轴平行、且同向转动的场合（称为开口传动），中小功率电机与工作机之间的动力传递。卷筒式钢绳传动结构简单，自重较轻，但不适用于速度改变频率较高的场合，且工作温度对钢绳寿命影响较严重。摩擦轮中由于轮面没有轮齿，所以制造简单，过载时可打滑保护装置，但会产生赶摩擦而导致磨损快、

14、寿命低且必须采用压紧装置。齿轮传动是利用两齿轮的轮齿相互啮合传递动力和运动的机械传动，齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大，但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需张紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。链传动的缺点主要有：仅能用于两平行轴间的传动；成本高

15、，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。因此，链传动多用在不宜采用带传动与齿轮传动，而两轴平行，且距离较远，功率较大，平均传动比准确的场合。蜗轮蜗杆传动是利用螺杆和螺母的啮合来传递动力和运动的机械传动。主要用于将旋转运动转换成直线运动，将转矩转换成推力。按工作特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋。一般螺纹升程和摩擦系数都不大，因此虽然轴向力F相当大，而转矩T则相当小。传力螺旋就是利用这种工作原理获得机械增益的。螺旋副传动结构紧凑、操作简单、保养方便。此传动方式主要用于负荷大、低速与无需频繁工作的场所。其梯形螺旋特性具

16、有自动锁定功能，既使没有制动装置也可保持载重。2.2技术要求1、孔口尺寸为800mm×800mm2、闸板（宽×高）为876mm×900mm3、设计水深度为3000mm4、工作水深度为3000mm5、提升高度为875mm6、电动启闭机的启闭速度为V=0.50m/min2.3闸板设计：作用于闸板的总静水压力，从图1-1所示可以算出：P=AB（P1+P2）/2=0.5×3000+（3000-900）×10-3×1000×10×0.876×0.9=49078N 作用于各区格的水压 表1-1区号水深（mm）平均水头

17、（mm）区格面积（mm2）总水压力P（N）1206023602680300019800.876×0.2916504222100.876×0.2816308328900.876×0.2816266现以第二区格为例进行闸板横梁强度的计算。作用于二号梁的最大弯矩M，由下式算得：Mmax=ql2/8 =16308×876/8762×8 =1.79×106Nmm由图1-3可得A1=270×15=4050mm2A2=85×20=1700mm2按公式Sx=A1×d/2+A2×H/2求出X1X1轴的静矩为 =4

18、050×15/2+1700×85/2 =1.02×105mm3按公式e1=Sx/A=（A1×d/2+A2×H/2）/A求出形心轴的位置为e1=Sx/A=（1.02×105）/（4050+1700） =17.7mme2=85-17.7=67.3mm按公式Ix=（IA1+IA2）+A1L12+A2L22 =（bd3+aH3）/12+A1（e1-d/2）2+A2（H/2-e1）2（mm4）求出XX轴的惯性矩为Ix为Ix=（bd3+aH3）/12+A1（e1-d/2）2+A2（H/2-e1）2（mm4） IA1=270×153/12

19、=0.76×105mm4 IA2=20×853/12=10.2×105mm4Ix=0.76×105+10.2×105+4050×（17.7-15/2）2+1700×（17.7-85/2）2 =10.96×105+4.2×105+10.5×105 =2.6×106mm4按公式W1=Ix/e1 W2=Ix/e2（mm3）求出抗弯截面模数为W1=2.6×106/17.7=1.5×105mm3W2=2.6×106/67.3=3.9×104mm3从而，梁的

20、最大弯曲应力max（受拉力）为maxmax=Mmax/W1=1.79×106/1.5×105=11.9Mpa铸铁件的安全系数必须大于6，则许用拉伸应力为2025（安全）梁的最大弯曲应力（受压力）为max=Mmax/W2=1.79×106/3.9×104=45.9Mpa许用压缩应力为100Mpa（安全）最大挠度为Ymax=5ql4/384EI式中q=P/l=16308/876=18.6为Ymax=5×18.6×8764/384×1.2×105×2.6×106=0.46mmY=L/1000=876/

21、1000=0.876mm为Ymax<Y（合格）螺杆的设计由启门力求出螺杆的力矩为：M2=1.2×105Nmm 型号：4882.31选用材料和许用应力螺杆材料为45钢，调质处理。2.32按耐磨性计算螺纹中径由表12-1-4中公式（1），取=1.7d2=0.8（F/P）1/2=0.8×17234.9/（1/6）1/2=42.8mm，由（见机械设计手册第2卷）可选d=48，P=8，d2=44，D4=49，d3=39，D1=40的梯形螺纹，中等精度，螺纹副标记为Tr48×8-7H/7e。螺母高度H=×d2=4×44=176取H=177则螺纹圈数=

22、177/8=22.13圈强度计算由机械设计手册第3卷表12-1-3得，螺纹磨擦力矩，Mt1=0.5d2Ftg（+），即M2=1.2×105Nmm，代入表12-1-4之式得ca=（4F/3.14d33）2+3（Mc/0.2d33）21/2=(4×17234.9/3.14×393) 2+3×（120000/0.2×393）21/2=17.9N/mm2<2.33螺母螺纹强度验算因螺母材料强度低于螺杆故只算螺母螺纹强度即可,由机械设计手册第3卷表12-1-4得，牙根宽度b=0.65P=0.65×8=5.2mm基本牙型高H1=0.5P=0

23、.5×8=4mm，代入表中12-1-4中的（7）式及（8）式有 =F/D4bm =17234.9/（3.14×495.2×22.13）=0.97N/mm2<b=3Fh1/D4b2n =(3×17234.9×4)/3.14×49×5.22×22.13 =2.25N/mm2<b2.34螺杆的稳定性验算由闸门的起吊高度可得螺杆的最大工作长度L=1200mm由机械设计手册第3卷表12-1-4式中ul/i=(2×1200)/(39/4)=246.2,式中i=d3/4=39/4=9.75, =1.2

24、15;105Nmm螺母(蜗轮)转速为n=v/t=50/0.8=62.5r/min蜗杆蜗轮传动效率(单头蜗杆)1=0.7滚珠轴承的机械效率为2=0.99×0.99=0.98滚柱轴承的机械效率为3=0.98×0.98=0.962.4电动机选择需要驱动功率为N=nM2/9550=62.5×1.2×102/9550×0.66=1.19KW选用1.5的电动机各系数为K=2.2/2.02=1.1电动机满载时的转速为1430r/min启闭速度为v=1430×S/i=1430×0.008/i=0.5m/min求得速比为i=22.88,取蜗轮

25、减速器速比为i=24电动启闭时间:t=H/v=825/500=1.6min按一端固定一端自由从表12-1-5可得u=2,应按表12-1-4中(9)式计算临界载荷Fc,可得Fc=340/1+0.00013(ul/I)2×(3.14×392/4)=45612.9NFc/F=4562.9/1734.9=2.65>2.5故稳定性条件满足闸门吊耳距轴导架距离应大于H+（0.3-0.5）=1.2+（0.3-0.5）设承重螺母位置在液面以上1.5处，螺母到闸门顶距离为1.5+2=3.5 确定电动机的功率先求闸门本体的自重力W1，由于铸铁的密度为=7.25t/m3，则闸门本体的面板重

26、力为：W01=0.876×0.9×0.015×7.25×9.8=0.84KN 闸门本体的肋重力为： W02=（0.085-0.015）×0.876×0.01×7.25×9.8×6 =0.26KN 上述重力为粗略计算，实际上由于铸铁毛坯裕量的关系，往往比计算要重一些，考虑到计算上的误差，故乘以超重系数1.1，则 1.1（W01+W02）=1.1×（0.84+0.26）=1.21KN 黄铜密封镶条的密度为=8.5t/m3则 W03=0.876×0.01×0.05×4&#

27、215;8.5×9.8=0.15KN W1=1.21+0.15=1.36KN 螺杆直径为46mm，单位长度重力为122.5N/m 则螺杆的重力为：122.5（5.8+2.0）=955.5N 夹壳联轴器重力约196N W2=955.5+196=1151.5N 闸门活动部分的自重力： W=W1+W2=1360+1151.5=2511.5N 启门时克服水压的摩阻力为T= f×p=0.3×49078=14723.4N启门力为FQ=T+9.8W=14723.4+2511.5=17234.9N螺纹采用Tr46×8螺杆螺纹外径为d=46mm，中径为d2=44mm，内径

28、d1=39mm，导程为s=8mm螺旋传动的摩擦系数为f=0.2=tg-10.2 =11°19螺旋升角为=tg-1s/×d2=tg-112/3.14×44=tg-10.089=5.086°tg（+）=tg（11°19+5°51）=tg17°10启闭闸门时施加在螺母上的扭矩为M2=F（d2/2）tg（+）=17234.9×44/2×tg17°10=116647.25Nmm2.5圆柱蜗杆传动设计计算2.51选择材料加工蜗杆选用45钢，调质，表面淬火，HRC40-45蜗轮选用QT900，铸造2.52初选

29、几何参数参照机械设计手册第3卷表，当i=24时，Z1=2；Z2=Z1×24=482.53计算蜗轮输出转矩T2粗算传动效率：=（100-3.5×i1/2）%=（100-3.5×241/2）%=0.829T2=9550P1i/n1=9550×（1.5×0.829×24）/1450=197Nm2.54确定许用接触应力HP HP=Hbp·Zs·Zn 查表查得Hbp=150N/mm2 15查得Vs=3m/s 采用浸油润滑，求得Zs=0.92 HP=Hbp·Zs·Zn=110×0.92×

30、0.81=81.972.55求载荷系数K 由表知 K=K1K2K3K4K5K6 设V=0.5m/min，取K1=1 查表，8级精度时，K2=1；得K3=0.63，由表查得K4=1，由表查得；由图查得K5=1.15；由图查得K6=0.76所以K=K1K2K3K4K5K6=1×1×0.63×1×1.15×0.76=0.5512.56计算m和q值mq1/3（15150/Z2·HP）2K·T2 10.8查表14-4-2，取mq1/3=10.8，则m=5，q=10主要几何尺寸计算a=0.5m（q+Z2+2X2）=0.55×（

31、10+48）=145mmd1=d1=qm=10×5=50mmd2=mZ2=5×48=240mm2.57蜗轮齿面接触强度校核验算H=（14783/d2）（KT2/d1）1/2=（14873/240）0.551×（197/50）1/2 =90.76N/mm2因为H>HP，所以接触强度够了。2.58工作图3设计过程我最先设计的是控制闸门升降的传动装置。我采用的是倒推式思维。我决定闸门由丝杠带动来完成闸门的升降。而丝杠的旋转则由涡轮蜗杆来完成。原动件需要电机，因而还需要一个减速装置。我采用的是大小皮带轮装置。涡轮蜗杆外是涡轮箱。电机则置于支架上。这样控制闸门升降的传

32、动装置大题框架基本确定。之后便逐个细节设计。包括涡轮、蜗杆、涡轮箱、大皮带轮、小皮带轮、支架、以及电机的选择。其次设计的是闸门部分。闸门分门框门板俩个部分。闸门根据形式和功用不同可分为：铸铁闸门、钢闸门，防潮门、浮箱拍门等各种类型。这次设计的是比较常用的铸铁镶铜闸门。闸门表面涂有防锈漆已解决耐腐蚀要求。而门框则分为前后可以开合的部分中间夹有密封条，用以实现密封的要求。其中前边的门框固定，后边的门框则可以前后移动。而前后移动则是通过丝杠及光杠来完成。而带动丝杠光杠运动也决定用蜗轮蜗杆机构。设计用两台电机同步控制后门框的移动。然后进行细节设计。门板的大小、样式、以及门框的机构密封条的安置等问题。密

33、封问题是闸门重点需要解决的问题。楔紧装置：为达到闸门的止水效果，闸门两侧设置楔块。楔块用锡青铜制成，用螺栓分别与门体和门框上的楔座固定，楔座铣成长孔，便于楔块的调整。当闸门的某一处止水效果不好时可局部调整楔块，当门体未关到位时或已到位而楔块尚未楔紧时，需调整全部楔块。密封面采用铜条或铜圈分别镶入门框和门体的槽内，密封面铜条镶好之后用龙门刨铣床进行铣削，磨削加工，保证了门框和门体之间的密切配合。4密封密封问题是闸门重点需要解决的问题。楔紧装置：为达到闸门的止水效果，闸门两侧设置楔块。楔块用锡青铜制成，用螺栓分别与门体和门框上的楔座固定，楔座铣成长孔，便于楔块的调整。当闸门的某一处止水效果不好时可

34、局部调整楔块，当门体未关到位时或已到位而楔块尚未楔紧时，需调整全部楔块。密封面采用铜条或铜圈分别镶入门框和门体的槽内，密封面铜条镶好之后用龙门刨铣床进行铣削，磨削加工，保证了门框和门体之间的密切配合。结论铸铁镶铜闸门主要由门框、门体、导轨、楔紧装置、密封面等部件组成。a) 门框由铸铁整体浇铸而成，门框两侧自带导槽，精加工之后作门体升降的导轨。门框平面经龙门刨及立车精加工并分别加工一道槽，以便镶入青铜密封面。b) 门体为整体铸造的方形或圆形平板，并在迎水面自带“”字形的加强筋，加强筋的数量视闸门规格大小而定，一般间距为250-350mm之间，门体平面精加工并带有镶铜条的槽，以便镶入青铜密封面，门

35、体两侧精加工与门框侧槽配合，形成上下滑轨。门体上端有吊耳，吊耳为铸钢，门体与吊耳的两接触面精加工之后用螺栓固定，吊耳的销轴孔用镗床加工。c) 导轨用铸铁制作，导轨面加工成与门框一样的槽，并在平面上镶入青铜，减少门体上下运行时的摩擦力。导轨和门框连接的接触部位精加工，用螺栓联接，并设有定位销防止错位。d) 楔紧装置：为达到闸门的止水效果，闸门两侧设置楔块。楔块用锡青铜制成，用螺栓分别与门体和门框上的楔座固定，楔座铣成长孔，便于楔块的调整。当闸门的某一处止水效果不好时可局部调整楔块，当门体未关到位时或已到位而楔块尚未楔紧时，需调整全部楔块。e) 密封面采用铜条或铜圈分别镶入门框和门体的槽内，密封面

36、铜条镶好之后用龙门刨铣床进行铣削，磨削加工，保证了门框和门体之间的密切配合。f) 丝杆由圆钢制成梯形螺纹，其精度达到7e级标准，螺纹长度比门体行程高度加长200mm，闸门处于关闭位置时，螺纹超出启闭机螺母50mm。接头用固定工装加工，可与相同规格的丝杆互换配合。g) 所有铸铁部件经过时效处理或高温回火处理，重要零部件采用树脂砂造型工艺。h) 门框、门体按最大工作水头设计，其拉伸、压缩和剪切强度的安全系数不小于5，挠度不大于构件长度的1/1500，导轨的拉伸、压缩和剪切强度的安全系数不小于5。C、技术要求1) 通径内无水流损失。2) 主体材料经过内应力消除，经久耐用、无变形。3) 采用精密加工的青铜硬止水密封，阻力小，耐磨且密封效果好。4) 厂家提供渗水量标准。一般渗漏量：正向<