目前国内液压绞车现状及使用的研究与探讨

1、目前国内液压绞车现状及使用的研究与探讨1概述简介绞车概述在人类历史上，绞盘（windlass）是第一种用于拖曳提升重物的机器，它 可使一个人搬运远重于自己许多倍的重物。绞盘采用一种轴和轮的形式，由 用垂直框架支撑的滚筒组成，人通过用手摇动曲柄，使绞盘滚筒绕水平轴转 动（见图1.1）。中国人在公元前二千年就设计出用曲拐手柄转动的砂轮。图1.1绞盘简图今天被广泛应用的绞车（或称卷扬机）是绞盘的另一种形式，它泛指具有 一个或几个上面卷绕有绳索或钢丝纯的圆筒，用来提升或拖曳重载荷的动力 机械。图1.2所示为一种简易白手动提升绞车；该绞车用手驱动，靠齿轮传 动的速比增扭，配有防止卷筒反转的棘轮机构和制动

2、用的带闸。绞车功能与结构绞车设计采用滚筒盘绞或夹钳拉拔缆绳方式来水平或垂直拖曳、提升、 下放负载，绞车一般包括驱动部分、工作装置、辅助装置等几部分。1.驱动部分：用于驱动绞车工作装置盘绞、释放缆绳，包含动力及传动装 置与控制装置。绞车可以采用多种驱动方式，包括电动机、蒸汽机、柴油发 动机、汽油发动机、液压马达、气动马达、等等。无论采用何种驱动发式， 在绞车的驱动部分设计中都应包含以下设计准则：无级均匀变速，调速范围广； 在有负载情况下，良好的启动特性和低速特性，总效率高； 双向旋转，并且容易改变旋转方向；维护保养相对容易，对周围工作环境不敏感；制动系统工作可靠； 设计紧凑，结构简单，安装布置容

3、易，重量轻；在有负载情况下，能长时间安全带载静止而不至于损坏驱动系统。图1.2手动提生绞车对于小型绞车，为了保证结构紧凑，绞车驱动部分一般与绞车工作装置 联接在一起，直接驱动工作装置；对于大型绞车或应用现场空间相对狭小的 绞车，绞车驱动部分与绞车工作装置可以设计成独立放置，两者间通过液压 管线、气动管线或电缆管线相联系，绞车的布置和操纵均很方便。2工作装置：在驱动部分作用下，通过滚筒回转或夹钳直线拉拔等方式拖 曳或释放缆绳以完成对负载的收放控制，并含有对缆绳的容绳和排缆装置。3.辅助装置：辅助工作装置完成拖曳作业，包含滑轮组、导向装置以及速 度测量，长度距离测量，张力测量等装置部分 ；绞车可以

4、使用钢丝纯，尼龙 缆绳等多种材质缆绳。绞车分类绞车可以采用多种分类方法。按绞车驱动方式分类，绞车可以分为机械式驱动绞车、电机驱动绞车、 气动绞车、液压绞车等几大类。.机械式驱动绞车驱动部件间的固定几何位置关系决定着系统的设计布局，布局的变化少；传动系体积尺寸大，总重量重；安装布置复杂，经常需要精密加工的平面和精密的部件定位；难以实现大范围的无级变速；原动机的位置是不可变的；在有负载的情况下，难以取得平稳的反转；通过采用液力偶合器，可以在堵转工况下产生最大扭矩。.电机驱动绞车在小型和低端绞车产品上采用常规定速电机驱动方法，能实现单速（或双速）和双向旋转功能，系统简单，但不能低速启动和平滑变速；采

5、用可控硅整流（SCR）直流调速方式实现无级变速，发展历史悠久，可 在低速段提供短时的额定扭矩（或堵转扭矩）。但是，若无独立冷却系统和专 用设计，直流调速方式不能长时间用于堵转工况；采用交流变频调速方式实现从零到最大速度的无级变速，可以在低速或堵转工况下提供100%m定扭矩，调速平稳；设备复杂，维修、保养人员的技术水平要求较高。.气动绞车需要配置压缩空气站；气动系统工作压力较低，气动马达外形尺寸较大，气动系统总体重量 较重;对环境条件敏感-在周围环境温度低的地方，可能有潮气凝结在气动管 路和部件里；噪音大-需要噪音消音器。.液压绞车双向实现从零到最大速度的无级变速控制，易于换向；用高压溢流阀或压

6、力补偿器双向限制有效力矩；输出速度范围大，负载的低速控制好，可以带载良好启动；系统允许长时间支持负载，双向可以限制不同力矩；设计紧凑，布置方便，动力传递系统总重量轻；易于实现恒速、恒张力控制。按绞车应用领域和使用工况分类，绞车分为矿用绞车、建工卷扬机、船 用绞车、工程机械绞车以及特殊用途用绞车等等。按绞车作业形式分类，绞车一般分为滚筒卷扬绞车和线型绞车两大类。滚筒卷扬绞车采用驱动滚筒旋转方式收放缆绳和拖曳负载，并在滚筒上直接容纯；线型绞车采用夹钳直线拉拔缆绳方式拖曳负载，并在独立配置的滚筒 上卷扬容纯。图1.3为线型绞车示意图。图1.3线型绞车示意图绞车应用绞车广泛应用于工程机械、建筑机械、林

7、业、渔业、矿山机械、船舶运 输、海洋石油等多领域，可配套多种类型主机设备。绞车具体配套的部分设备如下：.汽车起重机主吊、辅吊绞车.塔式起重机主吊绞车.驳船定位绞车，拉索绞车.钻探船拔桩绞车.挖泥船悬挂和斗架绞车、抓斗绞车.通用船舶锚泊绞车、起重绞车、牵引绞车.集装箱船船尾恒张力装料绞车.码头起重机主起重卷扬机.海洋石油铺管工作船恒弓K力移船绞车、张紧器、A/R绞车、起重吊机的负荷绞车等等.运输铁道车辆定位卷扬机、索道牵引绞车.森林及木材加工机械重木起吊卷扬机、木材车、堆材机.液压打桩锤配套设备液压管线绞车、电缆及气动管线绞车.矿山和冶金行业运输绞车、提升绞车最新技术与发展趋势随着液压元件的不断

8、发展、丰富，随着液压控制技术和测试技术的进步， 液压绞车的应用范围不断扩大，功率回收、负荷传感、恒张力等多种先进技 术已在大型绞车上广泛应用。执行元件（液压马达）的使用更加多样。一方面，大排量液压马达实用性 的增加大大改变了许多绞车的面貌；同时，小型、低成本液压马达配套行星 减速系统也显现出取代大型马达的趋势，能简化或代替传统的多级开式齿轮 组。现有的成熟可编程序控制（PLC）技术和高水平的数字传输技术在绞车精 确缠绕控制上成功结合使用，出现了 “层补偿输出”技术，可以实现绞车各 层缆绳以设定的线速度输出设定的张力。在测量技术上，通过采用接近传感 器和光学编码器测试缆绳的线速度和收放距离，采用

9、安装在绞车滑轮轮轴上 的应变仪测量缆绳的线张力，通过 PC和PLC接收以上信息并应用电比例技 术控制液压泵、液压马达的排量与压力。采用远距离无线接收和遥控技术， 操控人员可以远程操纵绞车并随时了解绞车的工作状态和发布工作指令。在传统负荷绞车的基础上出现了一种“存储绞车”，用于大量液压管线、 电缆（光缆）、气动管线等的存储和动力收放。在德国 MENCK司、荷兰IHC 公司生产的液压打桩锤液压管线绞车、脐带绞车（电缆和气动管线绞车）上， 采用了多通道液压回转接头和电滑环技术，可以在绞车回转收放过程中正常传输液、气、电介质，使打桩车S能在200米以上水深的海底正常、连续使用。 如图1.4 o在船舶、

10、海洋石油领域的系泊绞车、移船绞车上，采用了一种远程遥控 压力限制回路（RVPL）用于包张力控制功能的实现。在包张力系泊绞车以设定 的速度收缆过程中，当绞车缆绳张力增加到RVPL系统设定点时，液压泵的排量将自动减小以维持设定压力；如果这时张力继续增加，PVPL系统将控制 泵的斜盘越过中点，绞车自动放缆以维持张力的恒定。RVPLS统可应用于美 国萨奥公司的90系列轴向柱塞变量泵上。基于能量回收和重新利用的二次调节静液压传动技术是德国科学家于1,液压动力站2.支架3货压弓达4加I转支承汽液压飞动网转接去6井壕液压缸工樗筒&纠偏液乐缸火坤缆器 皿导向梁IL调心轴承座心用电沿环图1.4 液压锤管线绞车1

11、977年首先提出的一种液压传动技术。在二次调节系统中，液压变量马达/泵（称为二次元件）没有节流损失地连接在由恒压变量泵与液压蓄能器组成 的恒压网络中，液压蓄能器在网络中不仅起到了吸收压力脉动的作用，而且 作为贮能元件，能够回收并重新利用系统的惯性能或重力势能。二次调节技 术在国外已经成功应用于矿山、造船、冶金等行业，能显著提高液压系统的 效率，对能源紧缺的当今社会具有很大的经济价值和社会价值。国内对于此 项技术的研究还仅限于应用基础研究阶段。液压传动系统概述传动类型及液压传动的定义一部完备的机器都是由原动机、传动装置和工作机组成。原动机（电动 机或内燃机）是机器的动力源；工作机是机器直接对外做

12、功的部分；而传动 装置则是设置在原动机和工作机之间的部分，用于实现动力（或能量）的传 递、转换与控制，以满足工作机对力（或力矩）、工作速度及位置的要求。按照传动件（或转速）的不同，有机械传动、电器传动、流体传动（液 体传动和气体传动）及复合传动等的要求。液体传动又包括液力传动和液压传动是以动能进行工作的液体传动。液压传动则是以受压液体作为工作介质进行动力（或能量）的转换、传递、控 制与分配的液体传动。由于其独特的技术优势，以成为现代机械设备与装置 实现传动及控制的重要技术手段之一。液压系统的组成部分液压传动与控制的机械设备或装置中，其液压系统大部分使用具有连续 流动性的液压油等工作介质，通过液

13、压泵将驱动泵的原动机的机械能转换成 液体的压力能，经过压力、流量、方向等各种控制阀，送至执行机器（液压 缸、液压马达或摆动液压马达）中，转换为机械能去驱动负载。这样的液压 系统一般都是由动力源、执行器、控制阀、液压附件几液压工作介质的几部 分所组成。一般而言，能够实现某种特定功能的液压元件的组合，称为液压回路。 为了实现对某一机器或装置的工作要求，将若干特定的基本回路连接或复合 而成的总体称为液压系统。液压系统的类型液压系统可以按多种方式进行分类，见表 1.1。按赧阚的分类T器瞿缸作特征分类一L液压传动系毓 _淘磁制系统施h五物树有器的速度,面上小玩控制与调节方式分类阀控系统T磁硒L执行测控系

14、统按主换向阀在中位时中开式系统 一液压泵的工作状态I、史回耍策 J饵途分木Y供监用系统液压传动的优缺点随着液压技术的迅速发展，液压传动已经在各种各样的机械上得到越来 越广泛的应用，代替了许多复杂的机械结构。液压传动具有很多其它传动方式所没有的独特的优点：(1)易于获得很大的力和力矩，使液压传动成为实现省力的有效手段。 提升机往往需要产生很大的提升力，故这一优点使液压传动适用于提升系 统。(2)可以实现无级调速，而且能获得很大的调速比，还容易获得极地的 运转速度，使整个传动系统简化。这对于工作中需要调速的提升机来说是很 重要的。(3)能容量大，用较小重量和尺寸的液压件就可传递较大的功率，使机 械

15、结构紧凑，体积小，重量轻。矿用防爆液压提升机由于受井下空间尺寸限 制，就要求体积小。同时，液压系统惯性小，启动快，工作平稳，易于实现 快速而无冲击的变速与换向。这对于提升机的频繁启动、换向很有利。(4)易于获得各种复杂的机械动作，以直接驱动工作装置，故可用低速 大扭矩液压马达直接拖动滚筒，而不需要减速装置。(5)动力传递很方便。由于用管道传递压力油，所以液压元件和各种机 械装置都易于布局，各元件的安装可以随意放在任何适当的位置上，因此便 于液压提升机进行远距离操纵。(6)容易实现安全保护，能自动防止过载，故能满足提升机安全工作的要求，避免发生事故(7)液压元件能自行润滑，延长了使用寿命。(8)

16、液压元件易于实现标准化、系列化、通用化、便于组织专业化大批 量生产，从而提高生产率，提高产品质量、降低成本。同时液压传动也有一些缺点：(1)液压油易泄漏。外漏会污染环境，并造成液压油的浪费；内漏会降 低传动效率，并影响传动的平稳性和准确性。(2)液压油的粘度随温度的变化而变化，容易引起工作机构的不稳定。 在低温和高温的情况下，不宜采用液压传动。(3)液压油易污染，要求液压油经常保持清洁干净，使用中要防止灰尘 和杂物混入。(4)零件加工精度和质量要求高，加工难度大、成本较高。(5)液压油易燃，需注意防火，如用阻燃液作为液压传动介质则可避免。由于液压传动具有以上许多突出的优点， 对提高提升机的技术

17、性能具有 很重要的作用，所以导致在提升机上采用液压传动。1.3.5拟定液压绞车系统图系统的工作原理及其特点简要说明如下：如图1.5所示，液压马达15的排量方向切换由手动换向阀10实现，控 制压力由液压马达15自身提供，为了防止下放时因超越负载作用而失速， 在马达回油路上设置了平衡阀14。另外，为了提高系统工作可靠性，以防污 染和过热造成的故障，在回油路上设置了回油过滤器3及冷却器7。图1.5液压系统图1 电动机；2一柱塞泵；3 一回油滤油器；4吸油滤油器；5温度计；6 液位计；7冷却器；8一溢流阀；9一调速阀；10手动换向阀；11一压力 表开关；12压力表；13梭阀；14平衡阀；15液压马达；

18、16制动器 1.4液压绞车结构方案的确定液压绞车结构方案设计的主要依据：机构的驱动方式、安装位置的限制 条件、机型种类与参数匹配等。常见卷扬机构结构方案及分析1、非液压式卷扬机构方案比较根据卷扬机构原动机和卷筒组安装相对位置不同，卷扬机构结构布置方 案的基本型有并轴式和同轴式两种。而这两种基本型中又有单卷筒和双卷筒 之分。下面介绍几种常见的卷扬机构结构方案。图1.6并轴布置单卷筒卷扬机构图1.6所示为并轴式单卷筒卷扬机构，他们的卷筒轴与原动机轴线并列 平行布置，结构简单、紧凑。为了提高取物装置在空载或轻载时的下降速度，有的卷扬机构设置了重 力下降装置(图1.6b)。在卷筒上装有带式制动器和内涨

19、式摩擦离合器。当 离合器分离时，驱动卷筒的动力源被切断，卷筒处于浮动状态，这时可利用 装在卷筒上的带式制动器控制取物装置以重力快速下降。卷扬机构方案设计中一个重要问题是卷筒轴与减速器输出轴的连接方 式。图1.6 (a)、(b)所示方案，它们是把卷筒安装在减速器输出轴的延长 部分上，从力学观点看，属于三支点的超静定轴，减小了轴承受的弯矩。但 是，这种结构对安装精度要求很高，而且使的卷筒组和减速器的装配很不方 便，减速器也不能独立进行装配和试运转，更换轴承也较困难。然而，它的 外形尺寸小，结构简单，适用于中小型建筑机械的卷扬机构。图1.6 (c)、(d)所示方案，卷筒组与减速器输出端均采用了补偿式

20、连 接。图1.6 (c)减速器的输出轴利用齿轮连轴节与卷筒连接，且直接把动力 传递给卷筒。图1.6 (d)是采用十字滑块联轴节将卷筒和减速器输出轴连成 一体，卷筒轴的右端伸入到减速器输出轴上的联轴节半体中心孔内，构成了 轴的一个支点，输出轴和卷筒轴均为筒支结构，构造紧凑，制造、安装均有 良好的分组性。并轴布置双卷筒卷扬机构，如图1.7所示，由一台液压马达通过二级齿轮减 速器分别驱动装在两根平行轴上的主、副卷筒。在这两个卷筒上分别装有离 合器和制动器。通过液压操纵系统的控制可使主、副卷筒独立动作，并能实 现重力下降。双卷筒集中驱动，可减少一套液压马达及传动装置。图1.7并轴布置双卷筒卷扬机构2、

21、卷筒轴与减速器输出轴连接方式设计的基本原则综上所述，卷筒轴与减速器输出轴连接方式设计的基本原则是：(1)尽量避免采用多支点的超静定轴。因为多支承点受力复杂且轴安装 度不易保证。(2)优先采用减速器输出端直接驱动卷筒的连接方式，使卷筒轴不传递扭距，尽可能避免卷筒轴收弯曲和扭转的复合作用，以减少轴的直径。(3)使机构有良好的总成分组行，以利制造、安装、调试和维修。(4)结构紧凑、构造简单，工作安全可靠。(5)卷筒组与减速器输出轴优先采用补偿式连接，这样，在安装时允许 总成问有小量的轴向、径向和角度位移，以补偿安装位置误差和机件的变形。3、液压卷扬机构的分类近年来普遍采用了行星齿轮传动的多速卷扬机构

22、，利用控制多泵合流和 液压马达的用并联或采用变量液压马达实现卷扬机构的多种工作速度，从而实现轻载高速、重载低速，提高工作效率，以满足各种使用要求。液压传动的起升机构可分为下列几种形式：由于选用的液压马达的形式不同， 液压起升机构可分为高速液压马达传 动和低速大扭矩马达传动两种形式。高速液压马达传动需要通过减速器带动起开卷筒。减速器可采用批量生 产的标准减速器，通常有圆柱齿轮式，蜗轮蜗杆式和行星齿轮式减速器。这 种传动形式的特点是液压马达本身重量轻、体积小，容积效率高，生产成本 较低。但整个液压起升机构重量较重，体积较大。低速大扭矩马达传动可直接或通过一级开式圆柱齿轮带动起开卷筒。虽然低速马达本

23、身体积和重量较大，但不用减速器，使整个液压起升机构重量 减轻，体积减小。并使传动简单、零件少，起动性能和制动性能好，对液压 油的污染敏感性小。壳转的内曲线径向柱塞式低速大扭矩马达，可以装在卷 筒内部，由马达壳体直接带动卷筒转动，结构简单紧凑，便于布置。4、液压式行星齿轮传动卷扬机构布置方案液压多速卷扬机构有多种布置方案，如：(1)液压马达、制动器和行星减速器分别布置在卷筒的两侧，即对称布 置，如图1.8所示。图1.8液压卷扬机构布置方案(一)(2)液压马达和制动器分别布置在卷筒的两侧，行星减速器装在卷筒内 部，如图1.9所示图1.9液压卷扬机构布置方案(二)(3)液压马达、制动器和行星减速器均

24、装入卷筒内部，如图 1.10 所示。图1.10液压卷扬机构布置方案（三）方案二由于行星减速器装在卷筒内，所以体积小，结构较紧凑，对称性 好，但由于卷筒内的空间位置受到限制，要求安装精度高，零件加工工艺复 杂，轴承的选择较困难，维修不方便。方案三显然较方案二的外形尺寸更小，结构更加紧凑。但是它除了有方 案二中的问题外，还存在制动器和液压马达的散热性极差，检修调试也很不 方便。（4）液压马达、制动器和行星减速器都布置在卷筒的同一侧，如图1.11所示。7777777T图1.11液压卷扬机构布置方案（四）这种布置形式，机构的轴向尺寸较大，维修不太方便，同时也会给总体布置带来一定困难。但它易于加工和装配

25、，总成分组性较好。本设计所采用的方案液压马达、制动器布置在卷筒同一侧，行星减速器装在卷筒内。这种布置基 于方案二、三之间，同时具备了它们的优点。77777n7图1.11液压卷扬机构布置方案（五）卷扬机构方案设计注意事宜卷扬机构的方案的设计除认真考虑以上问题外， 还要酌情处理好以下事 宜。1、分配机构总传动比时，级差不宜过大，一般可采取从原动机至卷筒逐级降低传动比的分配方法。、卷筒直径尽量选取最小许用值，因为随着卷筒直径的增加，扭矩和 传动比也随之增大，引起整个机构的尺寸膨胀。但在起升高度大的情况下， 为了不使卷筒长度过大，有时采用加大直径的办法来增加卷筒的容纯量。、对于具有多种替换工作装置的机

26、械，卷筒的构造应能提供快速换装 的措施，如制成剖分组合式卷筒等。4、滑轮组的倍率对机构的影响较大。因此，滑轮组的倍率不宜取得过大。一般当起升载荷PQW50kN时，滑轮组的倍率直取2, PQE250kN时，倍率取36,载荷量更大时，倍率可取 8以上。5 、卷扬机构的制动器是确保工作安全可靠的关键部件。支持制动器一 般应装在扭矩最小的驱动轴上，这样可减少制动器的尺寸。但是若采用制动 力矩大、体积小结构简单的钳盘式制动器时，可将其装在卷筒的侧板上，以 提高卷扬机构的可靠性。对于起吊危险物品的卷扬机构应设置两套制动装置。2卷扬机构组成及工作过程分析卷扬机构的组成根据选用的结构方案分析卷扬机由液压马达、

27、长闭多片盘式制动器、卷 筒、支承轴、平衡阀和机架等部件组成。卷扬机构工作过程分析卷扬机构的工作周期卷扬机构是周期性作业。一个工作周期为：启动加速（0-a）、稳定运动（a-b）和制动减速（b-c）三个过程（图2.1）。载荷由静止状态被加速 到稳定工作速度（稳定运动）时，所经历的时间称为启动时间，从 a到b经 历的时间称为工作时间，从b点的稳定运动减速到静止状态时所经历的时间 成为制动时间。起动和制动时间直接影响卷扬机的工作过程，设计时可通过1 8计算选取较为适合的时间图2.1卷扬机构工作过程曲线2.2.2载荷升降过程的动力分析卷扬机构带载作变速运动（起动或制动）时，作用在机构上的载荷除静 力外，

28、还有作加速运动（或减速运动）质量产生的动载荷。.起升起动过程卷扬机构带载提升时，载荷从静止状态加速到稳定运动速度 v的瞬时过 程称为起升起动过程。此时，悬挂载荷的钢丝绳拉力（图2.2a）为：式中 PQ 起升载荷;Pg由加速运动质量产生的惯性力。在起升起动时，惯性力方向与起升载荷方向相同，使钢丝绳拉力增加。PBPEPR加速度减速度加速度减速度C/IK图2.2重物升降过程的动力分析（a）起升起动；（b）起升制动；（c）下降起动；（d）下降制动2、起升制动过程卷扬机构由匀速运动制动减速到静止的过程称为起升制动过程。此时，悬挂重物的钢丝绳拉力S=PQ -Pg （图2.2b）。由于减速运动质量产生的惯性

29、 力巳的方向与起升载荷PQ的方向相反，故使钢丝绳拉力减小3、下降启动过程将载荷从静止状态加速下降到匀速的过程称为下降起动过程（图2.2c）此时，惯性为Pg的方向与载荷Pq的方向相反，使钢丝绳拉力减小，即S=B -Pgo4.下降制动过程卷扬机驱动悬吊载荷以匀速下降时，将制动器上闸，使载荷由匀速下降减速到静止状态的过程称为下降制动过程（图2.2d）0此时因惯性力p的方g向与起升载荷PQ的方向一致，故使钢丝纯拉力增加，即 S=PQ+Fg。综上分析可得如下结论：起升起动和下降制动是卷扬机构最不利的两个 工作过程，起升起动时原动机要克服的阻力距是静阻力矩与最大惯性阻力距 之和。因此，原动机的起动力矩 M

30、q必须满足 qMq -Mj Mgmax下降制动是制动器最不利的工作过程，所以，卷扬机构支持制动器的制动力矩M Z应满足下面条件：Mz-Mjgmax才能将运动的物品在规定的时间内平稳的停住。式中 M j 卷扬机构驱动载荷匀速运动时的静阻力矩;Mg卷扬机构起、制动时的最大惯性阻力矩。 gmax显然，上述两种工作过程是决定卷扬机原动机和制动器性能以及对机构 的零部件进行强度计算的依据。3钢丝绳的选择和滚筒的设计钢丝绳的选择钢丝绳的结构矿用钢丝纯都是丝-股-纯结构，即先由钢丝捻成纯股，再由纯股捻成 纯。制造钢丝纯的钢丝是由优质碳素结构圆钢冷拔而成的，一般直径为0.4 4 mm,钢丝的抗拉强度为1400

31、2000N/mm 2,我国多用1550和1700两种。为 了增加抗腐蚀能力，钢丝表面可以镀锌，称为镀锌钢丝，未镀锌的称为光面 钢丝。此外还可以用钢丝韧性来标志，分为特号，I号和R号三种，提升矿 物用的钢丝绳可以选用特号或I号钢丝来制造，提升人员用的钢丝绳只允许用特号钢丝来制造。在由钢丝捻成股时有一个股芯，在由股捻成纯时有一个纯芯。股芯一般 为钢丝，纯芯有金属纯芯和纤维纯芯两种， 前者由钢丝组成，后者可用剑麻、 黄麻或有机纤维制成。纯芯的作用是支持纯股，使纯富于弹性，并可储存润 滑油，防止内部钢丝腐蚀生锈。钢丝绳的分类提升钢丝绳有很多种，结构不同性能也不同。根据不同的特点有不同的 分类方法，实际

32、上都是从不同的角度来说明钢丝纯的结构特点，了解这些特 点，对于认识不同钢丝纯的性能，正确选择和合理使用钢丝纯都是有益的。(1)依纯股在纯中的捻向来分，有：左捻钢丝纯，即股在纯中以左螺 旋方向捻绕；右捻钢丝纯，即股在纯中以右螺旋方向捻绕。(2)依钢丝在股中和股灾纯中捻向的关系分，有：同向捻钢丝纯，即 股和纯的捻制方向相同；交叉捻钢丝纯，即股和纯的捻制方向相反。同向捻 钢丝纯比较柔软，表面比较光滑，弯曲应力较小，因而寿命较长，但有较大 的恢复力，容易旋转打结；交叉捻钢丝绳则与上述情况相反。习惯上又把以 上两种分类方法结合起来，分为右同向捻、左同向捻、右交叉捻、左交叉捻 四种。(3)依钢丝在股中的接

33、触情况分，钢丝在纯股中的接触形式有点接触、 线接触和面接触三种。点接触式钢丝纯，股中内外层钢丝以等捻角不等捻距 来捻制，一般以相同直径的钢丝来制造，钢丝间呈点接触状态。线接触式钢 丝纯，股中内外层钢丝以等捻距不等捻角来捻制，一般以不同直径的钢丝来 制造，丝间呈线接触状态。两种纯比较，线接触纯比较柔软，无压力集中现 象，寿命较长。为了改善丝间的接触状态，将线接触式钢丝绳的纯股经特殊 碾压加工，使钢丝产生塑性变形，形成钢丝间呈面接触状态，然后再捻制成 纯，称为面接触式钢丝纯，所有线接触钢丝绳均可制成面接触式钢丝绳。面 接触式钢丝绳结构紧密，表面光滑，抗磨损和抗腐蚀性能好，寿命较长。(4)依纯股断面

34、形状分，种类较多，其中最常用为圆股纯，这种纯的 纯股断面为圆形。此外还有异形股纯，纯股的断面形状为三角形或椭圆形， 提升应用最多的三角纯股，三角纯股具有承压面积达、抗磨损、强度大和寿 命长等优点。(5)特种钢丝绳。除了上面介绍的一些钢丝绳以外，还有一些结构比 较特殊的钢丝纯。在矿井提升中应用的有多层股不旋转钢丝纯，这种纯由二 层或三层纯股捻成，各层捻向相反，因而克服了钢丝绳的旋转性，适用于作 凿井提升纯或生产矿井提升尾绳。密封钢丝绳和半密封钢丝纯，属于单股节 后，最外一层是用异形钢丝彼此互相锁住，它的特点是密实、表面光滑、耐 磨和耐腐蚀性能好、不旋转、弹性伸长小，但挠性差、制造技术复杂，适用

35、于作罐道纯，国外也有用作提升钢丝绳的。扁钢丝纯，这是一种扁平钢丝绳, 一般为手工编制，生产效率低，但这种纯由很大的挠性，又不旋转，所以有 些矿井用来作尾绳。钢丝绳的选择经过综合比较并查阅资料，本设计采用一种叫安全系数法的方法选择钢 丝纯。该方法是一种静力计算方法，间接选择纯径。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安全系数n】，然后从产品目录中选 择一种破断拉力不小于f e - n】的纯径。该方法是沿用多年的传统方法，它具有简化计算、资料系统、齐全、完 整的特点，基本上能满足现有国产纯径的选择，是一种比较成熟的选择方法0 它的不足之处就是选择过程比较繁琐，必须经过多次的试算

36、才能选出，而且 是间接选择的。煤矿安全规程的规定专为升降物料用的提升钢丝绳的安全系数不得低于6.5 。Fe式中 Sp 整条钢丝绳的破断拉力(N )；hlngsFe钢丝绳的额定拉力(N )-绞车工作级别规定的最小安全系数; 选定钢丝绳的安全系数；.SP-6.5 25000 = 162500 N选型结果：14NAT 6X 19W+IWR 1670 ZS 100 85 GB8919-19963.1.4钢丝绳在卷筒上的固定方式钢丝绳在卷筒上固定应保证工作时安全可靠，便于检查、装拆及调整， 且固定处不应使钢丝绳过分弯折。钢丝纯常用的固定方式有：楔块固定和压 板固定两类。(1)楔块固定钢丝绳通过楔块固定在

37、卷筒上。楔块的斜度通常取 1: 41: 5,以满足 自锁条件。这种纯端的固定方式比较简单，但钢丝纯允许的直径不能太大。(2)压板和螺钉绳端固定装置钢丝绳端从端侧板预留斜孔中引出至板外，通过压板和螺钉把纯端固 定。为安全起见，压板数目至少为两个。这种纯端的固定方式，卷筒结构简 单，对铸造卷筒及钢板焊接卷筒都适用。本设计中就采用此种固定方式。斜 孔角度为45。，斜孔的边缘倒圆角，这样可保证钢丝绳平缓的缠绕在卷筒上， 避免了钢丝绳的损伤。3.2滚筒的设计卷扬机卷筒组的分类和特点卷筒是起升机构中卷绕钢丝绳的部件。常用卷筒组类型有齿轮连接盘式、周边大齿轮式、短轴式和内装行星齿轮式。齿轮连接盘式卷筒组为封

38、闭式传动，分组性好，卷筒轴不承受扭矩，是目前桥式起重机卷筒组的典型结构。缺点是检修时需沿轴向外移卷筒。周边大齿轮式卷筒组多用于传动速比大、转速低的场合，一般为开式传动，卷筒轴只承受弯矩。短轴式卷筒组采用分开的短轴代替整根卷筒长轴。减速器侧短轴采用键 与过盈配合与卷筒法兰盘刚性连接，减速器通过钢球或圆柱销与底架较接； 支座侧采用定轴式或转轴式短轴，具优点是构造简单，调整安装比较方便。内装行星齿轮式卷筒组输入轴与卷筒同轴线布置，行星减速器置于卷筒 内腔，结构紧凑，重量较轻，但制造与装配精度要求较高，维修不便，常用 于结构要求紧凑、工作级别为M5以下的机构中。根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数分单层绕卷筒

39、和多层绕卷筒。由于本设2 4 计的卷绕层数为三层，因此采用多层卷筒。根据钢丝绳卷入卷筒的情况分单 联卷筒（一根钢丝纯分支绕入卷筒）和双卷筒（两根钢丝绳分支同时绕入卷 筒）。单联卷筒可以单层绕或多层绕，双联卷筒一般为单层绕。起升高度大 时，为了减小双联卷筒长度，有将两个多层绕卷筒同轴布置，或平行布置外 加同步装置的实例。多层卷筒可以减小卷筒长度，使机构紧凑，但钢丝绳磨损加快，工作级 别M5以上的机构不宜使用。卷筒设计计算根据卷扬机工作状况和起升载荷确定卷扬机起升机构的工作级别， 根据 表查得汽车、轮胎、履带、铁路起重机，安装及装卸用吊钩式，利用等级T5, 载荷情况L2,工作级别M3。1、卷筒节径

40、D卷筒节径D对筒壁和端侧板的设计具有重要意义。D值小，结构自然紧凑，但单位长度上的力较大，钢丝纯寿命低。卷筒节径D应满足下式D . Ked式中 Ke 筒绳直径比，是绞车工作级别有关的系数。Ke =21；d钢丝绳直径（mm）, d =14mm。结果 D 21x14 = 294mm 取整 D = 300mm2、卷筒边缘直径Dk卷筒边缘直径即卷筒端侧板。对于多层缠绕，为了防止钢丝绳脱落，端 侧板直径应大于钢丝纯最外层纯圈直径。端侧板直径常用下式计算：Dk Ds 4d式中 Ds 最外层钢丝纯纯芯直径,由下式确定：Ds = D。（2S-1）d式中 S 钢丝绳缠绕层数，S = 3 ；Do 卷筒直径（mm）

41、, Do = 294mm,d钢丝绳直径（mm）, d =14mm。结果 Dk 之 420mm 取 DK = 450mm3、卷筒容纯长度L由于采用多层卷绕，卷筒长度 L由下式计算2 5,1 .lpL 二n二（D nd）p =（1 . 1 - 1d,2式中l 多层卷绕钢绳总长度（mm）,根据已知卷筒容纯量为58m,所以 l=58000 mm；D卷筒直径，D= 300 mm；d钢丝绳直径，d = 14 mm。把数据代入式中得.1 58000 1.1 14L=3.14 300 3 14二237 mm故取卷筒长度L= 245 mm。4、卷筒壁厚初步选定卷筒材料为铸铁卷筒，根据铸铁卷筒的计算式子：0 =0

42、.02D+ （3-8） mm把数值代入式中有=0.02X 300+4=10mm故选用二二10mm。5、钢丝纯允许偏角钢丝绳绕进或绕出卷筒时，钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度推荐不大于3.5oo对于光面卷筒和多层绕卷筒，钢丝绳与垂直于卷筒轴的平面的偏角推荐 不大于 2o,以避免乱绳。布置卷绕系统时，钢丝绳绕进或绕出滑轮槽的最大偏角推荐不大于5o,以避免槽口损坏和钢绳脱槽。6、卷筒强度计算卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生压缩，弯曲和扭转剪应力，其中压缩应2 6力最大。当L W3D时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力的10% 15% , 只计算压应力即可。当L23D时，要考虑弯曲应力。对尺寸较大，壁厚较薄

43、的卷筒还需对筒壁进行抗压稳定性验算。由于所设计的卷筒直径 D =300mm, L =245mm, L 850MPa 仃s/2425MPa c =337.5MPa4,所以取太阳轮正变位，行星轮和内齿轮负变位。高度变位时，啮合角w =S =20总变位系数x工=Xi +X2 =0 ,根据齿数比u查齿轮传动设计手册图2-7确定xa = 0.3 , xc = xb = -0.3。4.3.3初步计算齿轮的主要参数齿轮材料和热处理的选择：中心轮 a和行星轮c均采用20CrMnTi,渗碳 淬火，齿面硬度5862HRC据图取(THnm=1400N/mi7ffnFim=340N/mm心轮 a和行星轮c的加工精度6

44、级；内齿轮b采用42CrMo调质硬度217259HB 据图取。Hlim =780N/mm2和(iFlim = 260N/mm2 ,加工精度 7级。按弯曲强度的初算公式，计算齿轮的模数 m为：Ti Ka Kf. Kfp YFa1m m fd J F lim现已知Zi =13, Alim =340N/mm2 ,小齿轮名义转矩=9549 ,代入 nw R13已知条件得：Ti =9549父 3 =91.9N m ；取算式系数Km =12.1 ;查行3 450m星齿轮传动表6-4、6-6,取综合系数Kf = 1.8,使用系数Ka =1.35;取接触强度计算的行星轮间载荷分布不均匀系数Khp =1.2,则

45、计算弯曲强度的行星轮载荷分布不均匀系数 Kfp=1-1.5 Khp -1 =115 1.2-1 =1.3由齿轮传动设计手册图2-78查得齿形系数YFa1 = 2.85，行星齿轮传动表6-6查得齿宽系数包=0.6,则齿轮模数m为:91.9 1.35 1.8 1.3 2.85=2.75m=12.1 320.6 132 340取齿轮模数m =3mm4.3.4啮合参数计算在两个啮合齿轮副a-c、c-b中，其标准中心距a为：1aacm za zc3 13 32 =67.5 mm211八一一acb % m Zb -Zc ): = 2 3 77 _32 )=67.5 mm由此可见，两个齿轮副的标准中心距都相

46、等。因此，该行星轮传动能满 足非变位的同心条件。4.3.5几何尺寸计算 按高变位齿轮传动的计算公式进行其几何尺寸的计算。分度圆直径：da = mza= 313= 39 mmdc = mzc= 332= 64 mmdb =mzb=377= 231 mm齿顶高：haa = ha xa m = 1 0.3 3 =3.9 mmhac = haxc m = 1 -0.33 =2.1 mmhab = (h； Ah： Xb m = 117.55(1 -Xb 2 -xbmZb_ _ _. _ 2+ 0.3 m3, 7.55 1.31 77=3.40 mm齿根高:hfa=hac -Xam = 1 0.25-0.

47、3 3 = 2.85 mmhfc = ha c -Xc m = 1 0.25 0.3 3 = 4.65 mmhfb = ha cXb m = 1 0.25-0.3 3 = 2.85 mm齿高：ha=haahfa=3.92.85 =6.75 mmhc=hachfc=2.14.65 =5.75 mmhb=habhfb=3.42.85 = 6.25 mm齿顶圆直径：daa = da2haa = 39 2 3.9 = 46.8 mm dac = dc 2hac =64 2 2.1 = 68.2 mmdab = db - 2hab =231 -2 3.4 = 224.2 mm齿根圆直径：dfa -da

48、-2hfa -49-2 2.85-43.3 mmdf =dc -2hf =64-2 4.65-54.7 mm c ccdf. =db 2hfb = 231 2 2.85 =225.3 mm4.3.6装配条件的验算对于所设计的上述行星齿轮传动应满足如下的装配条件：邻接条件按行星齿轮传动公式3-7验算其邻接条件，即:,c.二dac : 2 aac sin 一nw将已知的daci、aac和nw的值代入上式，则得：68.2 430N./mm2 ,则内齿轮用 42CrMo调 质材料，接触强度符合要求。弯曲强度的验算只对内齿轮进行验算，按行星齿轮传动式6-69、6-70 计算齿根应力，其大小和a-c传动的

49、外啮合一样，即：f =100.78N/mm2 ,仃Fmax = 151.17N,/mm2由强度条件；、P -二F max可得：: Flim -105.8N mm242CrMo调质材料仃Flim =260N/mm2 105.8N/mm2 ,所以 c b传动中的内齿轮弯曲强度符合要求。4.4轴的设计计算轴的设计和其他零件的设计相似，包括材料的选用、工作能力的计算和 结构设计几方面的内容。输入轴设计计算.轴的材料由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处 理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造的轴尤 为广泛，因此轴的材料选择45号钢并采用正火处理。.轴的工作

50、能力的计算轴的工作能力的计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。 多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度，这时需对轴进行强度计算, 以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴(如车床主轴)和受力大的细 长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形，对高速运转 的轴，还需进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。(1)求出轴上的转速n和转矩T由于轴通过联轴器和马达直接相连，故T=Tm , n=nm式中Tm马达的额定转矩(N m);nm马达的额定转速(r/min)。把数值代入式中得：T=Tm=950N mn=nm=450r/min(2)求作用在轴上的各作用力由于轴带动联轴器，

51、因此，轴只受扭矩作用，由于轴除受自身重力和轴 上各部件的压力外不再受径向力作用，因此轴所受的径向力可忽略不记。(3)初步计算轴的最小直径根据式子T 9550000 T = a-n -Wt0.2d式中可扭转切应力（MPa ）;T轴所受的扭矩（N mm）Wt轴的抗扭截面系数（mm3）；n轴的转速（r/min ）；P轴传递的功率（kW）； d计算截面处轴的直径（mm）；t许用扭车切应力（MPa）。由上式得轴的直径,9550000P Td - 3； =3 0.2 t n 0.2 t根据轴的选用材料查表得T=40MPa,把数据代入式中得11 yiu= 4.9152当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键

52、槽对轴的强度的削弱，对 于直径d W100mm的轴如有多个键槽时，应增大为10%15%,故 d =d（1+ 1 2. 5%5）,5mm0输出轴的最小直径显然是花键处，为了使所选的轴的直径与制动器的联 轴器相适应，选取d=28mm（4）校核轴的强度按下式计算式中仃ca 轴的计算应力（MPa）；轴所受的弯矩（N mm）；T轴所受的扭矩(N .mm);W轴的抗弯截面系数(mm3);：折合系数；二对称循环变应力时轴的许用弯曲应力。由于本设计中轴只受扭矩的作用因此 M =0,由下式计算：. (: T)2 =-_;_ ca W轴的抗弯截面系数 W按下式计算：W Jid3 bt(d t)2一 32 2d通过

53、计算得W =2.3 104mm3折合系数&当扭转切应力为静应力时，口之0.3把计算的值和已知的值代 入式中得：(0.3 1715000)2%4=21.7MPa2.3 10根据轴的材料按表选Q,=255MPa。因此仃caW。,故安全。4.5制动器的设计与选用制动器的作用、特点及动作方式制动器是用于机构或机器减速或使其停止的装置，有时也用作调节或者 限制机构或机器的运动速度，它是保证机构或机器安全正常工作的重要部 件。为了减小制动力矩，缩小制动器尺寸，通常将制动器装在机构的高速轴上，或减速器的输入轴上。按所需应用制动器的机构的工作性质和条件，对于起重机构的起升和变 幅机构都必须采用长闭式制动器。

54、卷扬机属起重类机械的起升机构由于工作 需要，因此采用常闭式制动器。由于卷扬机应用的场合和安装制动地点的空间受限因此选用盘式制动4 5 器。盘式制动器的工作原理是利用轴向压力使圆盘或圆锥形摩擦表面压紧， 实现制动。制动轮轴不受弯曲。其优点是：（1）制动转矩大，且可调范围大，制动平稳可靠，动作灵敏保养维修方 便。（2）频繁制动时，无冲击。由于制动衬块（片）与制动盘接触面积小， 制动盘工作表面积大部分暴露在大气中，散热能力强，特别是采用有通风道 的制动盘，效果更显著，而且制动盘对制动衬块（片）无摩擦助势作用，无 块式制动器的热衰退现象（由于温升制动转矩下降），从而得到稳定的制动 性能。从安全的角度考虑，盘式制动器是最合适的制动器。（3）防尘和防水性能好，制动盘上的灰尘和水等污物易被制动盘甩掉， 当浸水时制动性能降低，出水后仅制动一、二次就能很快恢复正常。（4）制动盘沿厚度方向变形量比制动轮径向变形量小的多，易实现小问 隙和磨损后的制动补偿，脚踏式