专用钻孔机的设计

黄河科技学院毕业设计说明书第36页2．0型卷扬机设计摘要本设计是一种建筑起重机械，用来提升物料、安装设备等作业，由机械动力驱动卷筒、卷绕绳索来完成牵引工作的装置。本设计采用了新型的制动电机，节省了制动器，使得结构更加紧凑。其主要结构组成还有，减速、联轴器、卷筒等。动力传动部分主要有传动方案的设计、原始数据的计算、电动机的选择、减速器的选择、动力方案的选择和强度校核。其中主要是传动方案的设计和卷筒的结构设计。本设计的步骤是从钢丝绳开始入手，然后依次对卷扬机的、电动机、减速器、制动器、联轴器设计与选取。其中卷筒结构、卷筒轴、卷筒毂的设计与校核最为主要，本设计重点做了介绍，其余部分有得只是略作分析。关键词：卷扬机，制动电机，联轴器，卷筒Thedesignof2.0constructionwinches Author:wangyankunTutor:kanghongweiAbstractThedesigniscalledconstructionwinches,whichisusedtoliftmaterials,toinstalltheoperationequipments.Itisdrivenbymechanicalpowermotorandbythewindingropedevicetocompletethework.Thisdesignusesanewtypeofbrakemotorsoastosavethebrake,sothestructurebecomesmorecompact.Therestofthemachinearereducer,coupling,reelandsoon.Thepartofpowertransmissionincludesthedesignofthetransmission,thecalculationofinitialdata,theselectionofmotorreducerandpoweroptions.Intheenditisstrengthcheck.Thisdesignofhoiststartsfromthewirerope,andnextthenturnonthewinchreel,reelspindle,motor,gearreducer,speedreducershaft,brakes,couplingsandpulleyreelmachine-orienteddesign.Thekeyisthestructuredesignofthewinchreel.Theanalysisoftherestarerelativelysimple.Keywords:winch,motor,coupling,reel目录1绪论 51.1课题背景及目的 51.2现代卷扬机的发展现状 52传动方案的设计 72.1方案的初步设计 72.2方案的比较与方案的选择 93原始数据的计算 104电动机的选择 104.1选择电动机应该综合考虑的问题 104.2电动机选择顺序 114.3电动机类型的选择 114.4电动机功率的选择 134.5电动机转速的选择 134.6电动机功率的计算 145减速器的选择 155.1减速器类型的选择 155.2减速器型号的选择 166联轴器的选择 176.1联轴器的种类 176.2联轴器传递的扭矩计算及选择 177零部件的设计计算 187.1卷扬机工作级别与类别 187.1.1卷扬机利用等级 187.1.2卷扬机的载荷状态 187.2钢丝绳的选取 207.2.1钢丝绳的种类和构造 207.2.2钢丝绳直径的计算 217.2.3钢丝绳使用注意的事项 227.2.4卷筒参数的设计 237.2.5卷筒的结构设计 247.2.6卷筒强度计算及检验 257.3卷筒轴的设计计算 267.3.1卷筒轴的固定方式及受力分析 267.3.2卷筒轴的设计 277.3.3轴的校核 287.4主要计算拉力 298轴承的选择与校核 309卷扬机的安装及安装调试 309.1卷扬机的安装 309.2卷扬机调试 3010使用与操作 3111安全保护 3111.1电气安全保护 3111.2操作安全事项 32结论 33致谢 34参考文献 351绪论1.1课题背景及目的随着我国城市化不断向前发展，房地产行业的火爆，对建筑机械行业带来了前所未有的机遇。但是问题也随之产生，怎样保证建筑机械的安全性称为众多建筑机械公司的考虑的首要因素。其次为保护人类十分宝贵且有限的地球资源，实现全球的可持续发展，提高操作人员的安全性和工作舒适性，努力达到人与环境的亲和，很有必要按照现代的创新理念的标准来设计机械产品。卷扬机是建筑工地上最常见、最普通的一种施工机械，也称绞车。可以单独使用，也可以作为起重机的组成部分，卷扬机主要以电动机为动力，经过减速装置后，驱动卷筒牵引钢丝绳，以实现重物的垂直与水平运输。卷扬机分为手动卷扬机和电动卷扬机两种。现在以电动卷扬机为主。电动卷扬机由电动机、联轴节、制动器、减速器和卷筒组成，共同安装在机架上。对于起升高度和装卸量大工作频繁的情况，调速性能好，能令空钩快速下降。电动绞车广泛用于工作繁重和所需牵引力较大的场所。单卷筒电动绞车的电动机经减速机带动卷筒，电动机与减速器输入轴之间装有制动器。为适应提升、牵引和回转等作业的需要，还有双卷筒和多卷筒装置的绞车。一般额定载荷低于10T的绞车可以设计成电动绞车。本设计主要考虑到其较高的安全性及其结构紧凑性，采用目前比较先进的电动机即：制动电机，配有AZM交流电磁制动器。目前国内已有先进的制造技术。随着变频器技术的成熟和制动电机的普及，卷扬机的设计越来越变的人性化和环保化。1.2现代卷扬机的发展现状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。下面是卷扬机的主要发展趋势:（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。进入新世纪以来，各行各业都有飞速发展，近些年数控机床的广泛应用，信息技术和数控技术日趋成熟，使得机械制造的效率提高、成本降低，这些都将推动卷扬机工业的发展。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，还可作现代化电控自动作业线的配套设备。2传动方案的设计机械通常是有原动机、传动系统、工作机和控制装置组成。传动系统介于机械中原动机与工作机之间，主要用来讲原动机的运动和动力传给工作机，并协调二者之间的转速和转矩。传动系统的设计师机械设计工作的一个重要组成部分，是最具有创造性的设计环节。传动方案的优劣，对机械的工作性能、工作可靠性、外廓尺寸、重量、制造成本、运转费用等均有一定程度的影响。任何机械传动系统的设计方案都不是唯一的，在相同的条件下，可以有不同的传动设计方案，最后确定的应是其中的最佳方案。2.1方案的初步设计根据参考各种资料和目前的卷扬机的结构，结合本设计的任务，目的和要求，首先拟定以下三个方案：采用开式齿轮传动，通过齿轮啮合传递转矩，另一方案是采用齿轮接盘来传递转矩，此方案可以补偿安装误差。传动方案1：减速器采用展开式二级闭式齿轮传动，结构简单，在满足中心距的条件下，由于齿轮和轴的减少，传动效率较高，但齿轮直径大，加工精度不高，而且噪声较大，大齿轮在经济方面不理想，加工起来又比较困难，减速箱的体积比较大，不利于安装。它的结构简图如图2-1所示：图2-1传动方案一1.电动机2、联轴器3、制动器4、减速器5、绞筒6、轴承7、开式齿轮传动方案2：减速器采用展开式三级闭式齿轮传动，特点：结构简单、效率高、容易制造、使用寿命较长、维护方便，装拆容易，工作可靠。高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩下产生的扭转变形与轴在弯矩下产生的弯曲变形可部分地相互抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象在满足中心距的条件下，传动的齿轮的直径可以取小，这样可以使传动的传动比较精确可靠，寿命长，结构紧凑，而且滑移齿轮操作方便不费力。其结构简图如图2-2所示:图2-2传动方案二1—高速齿轮2—轴承3—齿轮4—齿轮5—轴承6—齿轮7—轴承8—轴承9—轴承10—输出齿轮11—齿轮12—轴承13—轴承14—轴承2传动方案3：减速器与卷筒采用齿轮接盘的形式：图2-3齿轮接盘式传动2.2方案的比较与方案的选择方案一首先，虽然能够完成工作机的性能要求，适合工况条件及工作可靠且电动机价格低，但其转速较大，致使减速装置的结构复杂，成本较高，其次齿轮传动要求制造安装精度较高，并且大的中心距会使其尺寸过大，从而使成本增加。合理的传动方案，除了应满足工作机的性能要求、适合工况条件及工作可靠外，还应使传动系统结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、效率高激便于维修和使用等。方案三采用制动电机，减少了制动器的安装，使得整个结构显得十分紧凑，既满足了制动要求，又便于使用与维修，电动机与减速器用弹性套装销联轴器相连，可以补偿安装误差，又有一定的缓冲和减震能力，此方案的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是优先考虑的方案。、综合其经济性，考虑其结构的复杂程度等各方面的因素，采用方案三.3原始数据的计算本设计是2.0型卷扬机，其主要设计数据有：额定载荷20KN额定速度36m/min卷筒容绳量190m卷筒尺寸250mm由此得出：卷筒的转速n=46r/min工作机的输出功率P=Fv×1000／60=20×36×1000／60=12kw4电动机的选择电动机是通用机械中应用极为广泛的原动机，是由专业生产厂家批量生产的系列化定型产品。选择电动机时，应依据所选电动机的机械特性与工作机的负载特性相匹配的原则来确定电动机的型号。目前，建筑设备常用的电动机主要分两类：一类是驱动电机，一类是制动电机。驱动电机是机械设备的主要动力源，包括各种类型的交、直流电动机。其中交流异步电动机较之其它类型的电动机有结构简单，价格便宜，运行可靠，维修方便等优点。4.1选择电动机应该综合考虑的问题根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机的类型。根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机的功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.8-0.9。过大的备有功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验强度的生产机械造价提高。根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要保护方式，选择电动机的结构型式。根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。除此之外，选择电动机还必须符合节能要求，考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后电动机功率变化关系等各种因素。4.2电动机选择顺序选择电动机的顺序，一般由有下图表示：图4-1电动机的选择顺序4.3电动机类型的选择根据负载类型：恒转矩和通风机负载特性的机械，选用机械特性为硬特性的电动机较适宜；恒功率负载特性的机械，选用调励磁的变速直流电动机或带有机械变速的交流异步电动机；负载平稳，对启动、制动无特殊要求的长期运行的机械，小功率的选用普通笼型电动机，大功率的采用同步电动机；带周期性变动负载的机械或启动条件沉重时大中功率的采用绕线型电动机，小功率，经过载能力及启动条件校验通过的采用高转差率电动机，单纯因启动条件沉重的机械，经启动条件校验通过的采用双笼型或深槽型电动机，如启动校验通不过或启动时电网压降过大时，采用绕线型电动机；某些断续运行的机械虽无调速要求，但采用交流电动机在发热、气动、制动特性等方面不能满足要求的或技术经济指标过低时，采用直流电动机；只要求集中转速的小功率机械，采用变换定子极数的多速笼型电动机；对调速平滑程度要求不高，且调速比不大时，采用绕线型电动机或电磁调速电动机；调速范围在1：3以上需连续稳定平滑调速的机械，采用直流电动机或变频调速电动机，需启动转矩大的机械，采用直流串励电动机；某些特殊场所（如要求防爆）由徐平滑调速时，采用由变频电源供电的笼型电动机；某些要求调速范围不大的大功率机械以及无频繁启动、制动要求和无冲击负载的机械，采用带有串级调速装置的绕线型电动机，这样可使电能回馈电网，提高经济指标；要求调速范围很大，且具有恒功率负载特性的机械，采用机械电器联合调速型式，可节省电动机装机容量。按环境条件选择电动机的类型：正常环境条件，一般防护型，可选各类普通型电动机；、湿热带或潮湿场所，湿热带型，可选湿热带电动机和普通型电动机加强防潮处理；干热带或高温车间，干热带型，可选干热带型电动机和采用高温升等级绝缘材料的电动机或外加电动机管道通风。根据本设计要求，选新型的制动异步电动机即：YEJ系列电磁制动三相异步电动机其是Y系列三相异步电动机的派生系列产品，是在Y系列电动机的后端附加同轴的电磁制动器而成。其功率等级、安装尺寸等与Y系列相同。目前，电磁制动器有关交流和直流两种形式。本系列电机适用于不含易燃、易爆和不含腐蚀性气体的环境，有快速制动、准确定位、往复运转、防止滑行等要求的各种机械中作主传动或辅传动，如升降机、运输机械、包装机械、印刷机械、食品机械、木工机械、减速机械、冶金机械等。根据电动机的所需的功率选用型号为YEJ200L-8额定转速为730r/min。本系列电动机部分产品已通过CCC中国国家强制性产品认证，获得了CCC认证证书。结构说明：电动机主体防护等级为IP44，制动器部分为IP23；电动机冷却方式为IC411（自扇冷式）；电动机绝缘等级为B级；使用条件：额定电压：380V；额定频率：50Hz；工作方式：S1（连续工作制）；海拔不超过1000m；环境温度最高不超过40℃，最低为-15℃；月平均最低温度不高于25℃时，月平均最高相对温度为90%。4.4电动机功率的选择标准电动机的功率由额定功率表示。所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。功率小于工作要求，则不能保证工作正常工作，或使电动机长期过载，发热大而过早损坏；功率过大则增加成本，并且由于功率和功率因数低而造成浪费。电动机的功率主要由运行时发热条件限定，在不变或变化很小的载荷下长期连续的机械，只要其电动机的负载不超过额定值，电动机便不会过热，通常不必校验发热和起动力矩。4.5电动机转速的选择电动机额定转速是根据生产机械的要求而选定的。在确定电动机额定转速时，必须考虑机械减速机构的传动比值，两者相互配合，经过技术、经济全面比较才能确定。通常，电动机转速不低于500r/min，因为当功率一定时，电动机的转速愈低，则其尺寸愈大，价格愈贵，而且效率也较低，如选用高速电动机，势必加大机械减速机构的传动比，致使机械传动部分复杂起来。对于一些不需调速的高，中机械，如水泵、鼓风机、空气压缩机等，可选用相应转速的电动机不经机械减速机构直接传动。需要调速的机械，电动机额最高转速应与生产机械的转速相适应。若采用改变励磁的直流变速电动机时，为充分利用电动机容量，应选好调磁调速的基速。又如某些轧钢机械、提升机等，工作速度较低，经常处于频繁地正反转状态，为缩短正反转的过渡时间，提高生产效率，降低消耗，并减小噪音，节省投资，选择适当的低速电动机，采用无减速机的直接传动较为合理。要求快速频繁启动、制动的机械，通常是电动机飞轮转矩与额定转速的平方之积为最小时，能获得起制动最快的效果。在空载情况下起制动时，为达到快速的目的，按下式考虑最为合理：所谓最佳传动比为： 电动机转子的转动惯量， 生产机械在机械轴上的转动惯量， 生产机械轴转速， 电动机额定转速，4.6电动机功率的计算计算电动机功率时，首先根据生产机械的负载功率初选电动机功率，在校核初选电动机的过载能力、启动能力和发热。首先算出生产机械静阻负载图T=f(t)或P=f(t)，然后根据本表公式出步计算电动机的功率，根据计算功率并考虑一定余量再初选电动机的功率，随着调速范围和启动频繁程度的提高，余量系数也应随之加大。为了验算出电动机是否合适，需要根据负载状态、生产机械的工艺参数和初选电动机的参数，根据本表公式计算电动机动态转矩和加减速时间，绘制电动机转矩负载图或功率负载图（略）。电动机的功率主要由运行时发热条件限定，在不变或变化很小的载荷下长期连续的机械，只要其电动机的负载不超过额定值，电动机便不会过热，通常不必校验发热和起动力矩。所需电动机功率为式中为工作机实际需要的电动机输出功率，kw；为工作机需要的输入功率，kw；为电动机工作机之间传动装置的总效率。工作机所需功率应由机器工作阻力和运动参数计算求得，式中f为工作机的阻力，N；v为工作机的线速度，m/s；T为工作机的阻力矩，N.m；nw为工作机的转速，，r/m；为工作机的效率。总效率为减速器的传动效率，为联轴器的传动效率，为卷筒的传动效率。=0.960.990.990.95=0.89=200000.6/（10000.89）=13.49kw确定电动机的额定功率（kw），使=（1-1.3）=（1-1.3）8.95=13.49-17.5kw综合以上分析，本设计采用YEJ200L-8制动电机，额定功率15Kw，额定转速730r/min. 5减速器的选择减速装置是一般机械中不可缺少的，是低速机械部分不可缺少的一部分，减速器的选择主要在是满足减速比的要求外，尽量追求经济、效益、工作可靠等方面的协调。5.1减速器类型的选择减速器的类型很多。常用减速器有以下分类、型式及其应用范围。圆柱齿轮减速器：单级的传动比i≤8-10,其轮齿可制成直齿、斜齿和人字齿，传动轴线平行，结构简单，精度容易保证，应用较广，直齿一般用在圆周速度v≤8m/s，轻负荷场合，斜齿、人字齿，用在圆周速度v=25-50m/s、重负荷场合，但也用于重载低速；两级的有展开式、分流式、同轴线式和同轴分流式之分，其中，展开式是两级减速其中最简单的一种，齿轮相对于轴承位不对称，当轴产生弯曲变形时，载荷在齿宽上分布不均匀，因此，轴应设计的具有较大的刚度，并尽量使高速级齿轮远离输入端，高速级可制成斜齿，低速级可制成直齿，相对于分流式讲，用于载荷较平稳的场合；分流式与展开式相比，齿轮与轴承对称布置，因此载荷沿齿宽分布均匀，轴承受载亦平均分配，中间轴危险截面上的扭矩相当于轴所传递扭矩之半，高速级采用人字齿，低速级可制成人字齿或直齿，结构较复杂，用于变载荷场合；同轴线式箱体长度较小，当速比分配适当时，两对齿轮浸入油中深度大致相同，但减速器轴向尺寸和重量较大，高速级齿轮的承载能力充分利用，中间轴承润滑困难，中间轴较长，刚性差，载荷沿齿宽分布不均，由于两伸出轴在同一轴线上在很多场合能使设备布置更为方便；同轴分流式啮合轮齿仅传递全部载荷的一半，输入和输出轴只受扭矩，中间轴只受全部载荷的一半，故与传递同样功率的其他减速器相比，轴径尺寸可缩小；圆锥、圆锥-圆柱齿轮减速器也有单级、两级和三级之分。单级的轮齿可制成直齿、斜齿、螺旋齿，两轴线垂直相交或成一定角度，制造安装较复杂，成本高，所以仅在设备布置上必要时应用；两级圆锥-圆柱齿轮减速器同单级的相同，圆锥齿轮应在高速级，使齿轮尺寸不至于太大，否则加工困难；蜗轮、；齿轮-蜗轮减速器，有单级两级之分。单级又有三种形式：蜗杆下置式就是蜗杆在涡轮下面，啮合出冷却和润滑都较好，蜗杆轴承润滑也方便，但当蜗杆圆周速度太大时，搅油损耗较大，一般用于蜗杆圆周速度小于5米每秒的情况下。蜗杆上置式装卸方便，蜗杆的圆周速度可高些，而且金属屑等杂物掉入啮合处机会少；两级的蜗轮-蜗轮的传动比大，可达到43-3600，结构紧凑，但效率较低，为使高速级和低速级传动浸入油中深度大致相等，应使高速级中心距为低速级中心距的一半左右。齿轮-蜗轮有齿轮传动在高速级和蜗轮传动在高速级两种型式，前者结构紧凑，后者效率高。ZL型渐开线直齿圆柱齿轮减速器，主要用于矿山、冶金、起重运输等机械设备，高速轴最高转速不超过1500转/分，工作环境温度为-40到45摄氏度，可正反两向运转。目前此减速器已经标准化生产。由以上比较，结合本设计要求和工况等条件，本设计选择二级圆柱齿轮减速器。5.2减速器型号的选择由卷筒的转速为v=36m/min=0.6m/s=0.6/0.125=4.8rad/s则=4.860/(23.14)=4.6r/min传动比i==730/46=15.8；选择型号为ZL75的减速器，其中传动比为16.6联轴器的选择联轴器主要用于连接两轴以传递运动和转矩。联轴器具有补偿因制造和安装误差而引起的两轴线偏移的功能，有些类型的联轴器还具有吸振、缓冲等功能。对于传动系统联轴器的选择，首先应根据工作条件和使用要求选择联轴器的类型，然后根据联轴器所传递的转矩、被联接轴的转速和直径确定其结构尺寸，并按标准选定联轴器的型号。中小型减速器的输入轴和输出轴均可选用弹性联轴器，其特点是装拆方便，并能吸振缓冲。减速器输入轴可选用TL型弹性套柱销联轴器（GB4323-84）；减速器的输出轴可选用HL型柱销联轴器（GB5014-85）。对于传递转矩大的且两轴间有较大轴线偏移的，由于轴的转距相对较大，因此选用弹性套柱销联轴器。6.1联轴器的种类联轴器的种类很多，常用的有：凸缘联轴器，鼓型齿式联轴器，滚子链联轴器，万向联轴器，轮胎式联轴器梅花形弹性联轴器，膜片联轴器，蛇形弹簧联轴器等多种型号。根据工作条件和使用要求，以及各类联轴器的性能和应用本设计采用弹性套装销联轴器。6.2联轴器传递的扭矩计算及选择联轴器根据传递的扭矩和工作条件选择：计算转矩按照下式计算：=式中T为公称转矩，N.m；KA为工作情况系数，查《机械设计》表14-1取为2.3公称转矩=9.551000000=9.55100000012/730=160N.m则=KA=2.3160=368N.m因此选取型号为LT8弹性套柱销联轴器。公称转矩710N.m,许用转速3000r/min.7零部件的设计计算7.1卷扬机工作级别与类别为了合理设计、制造、使用及提高零件三化水平，卷扬机根据利用等级与载荷状态划分为：A，A，A，A，A，A，A，A，八个工作级别。7.1.1卷扬机利用等级利用等级是表示卷扬机使用的频繁程度，以其在设计寿命期内应总工作循环次数N表征。而一个工作循环是指从一个载荷准备提拉时开始到下一个载荷准备提拉时为止的全过程。卷扬机的寿命一般不少于5年，在这个期间内依据工作频繁程度的不同，总工作循环N可分为8个利用等级，见表7-1根据本次设计的建筑卷扬机的使用情况确定利用等级为U5。7.1.2卷扬机的载荷状态载荷状态表示建筑卷扬机钢丝绳承受拉力作用地轻重与频繁程度，它与整个使用寿命期限内钢丝绳每次承受地拉力F与额定拉力F之比（F/F）和钢丝绳每次承受拉力F作用下地工作循环次数n与总工作循环次数N之比（n/N）有关。载荷谱系数K可用下式计算：K＝∑式中K——载荷谱系数；n——在钢丝绳拉力F作用下的工作循环次数，n＝n，n···n；N——总的工作循环次数，N＝∑n＝n＋n＋···n；F——钢丝绳承受的第i个拉力，F＝F，F，···F（N）；F——钢丝绳承受的额定拉力（N）；在本设计中选择中等载荷，工作级别为M5，总工作时间为6400小时。利用等级总工作循环数N说明U1.6×10不经常使用U3.2×10U6.3×10U1.25×10U2.5×10经常地轻闲地使用U5×10经常地中等使用U1×10有时频繁地使用U2×10频繁地使用表7-1卷扬机利用等级。载荷状态名义载荷谱系数Kp当量拉力系数K说明Q（轻）0.125K≤0.5通常承受1/3的额定拉力，很少承受额定拉力时使用Q（中）0.250.5＜K≤0.63通常承受（1/3～2/3）的额定拉力，有时承受额定拉力时使用Q（重）0.50.63＜K≤0.8通常承受2/3以上的额定拉力，较多承受额定拉力时使用Q（特重）1.00.8＜K≤1频繁地承受拉力或者额定拉力相近时使用表7-2载荷状态7.2钢丝绳的选取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。7.2.1钢丝绳的种类和构造钢丝绳的种类．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。7.2.2钢丝绳直径的计算目前在工业化国家，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；钢丝绳直径不应小于下式计算的最小直径式中Fmax—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—钢丝绳选择系数，它与机构的工作级别、钢丝绳是否旋转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。该设计卷扬机额定载荷2吨，采用单联滑轮起重滑轮组，所以每根承受载荷Fmax＝Fe/2＝10000N该卷扬机用于建筑，所以工作级别为M5，钢绳系数选择由GB/T1955-2008公式C=[Kn/K’0]1/2可得：其中Kn是钢丝绳的最小安全系数，按照表4选取为4.0K’为钢丝绳的最小破断拉力系数，按照表5选取第三组钢丝绳公称抗拉强度R0为1570MPa。则C=[Kn/K’0]1/2=0.123＝12.3mm所以钢丝绳选择d=14mm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—种静力计算方法。钢丝绳的安全系数按下式计算：式中—整条钢丝绳的破断拉力，N；—卷扬机工作级别规定的最小安全系数；—钢丝绳的额定拉力，N；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，然后从产品目录中选择一种破断拉力不小于·[M〕的钢丝绳直径。优先选用不旋转的钢丝绳，按照GB1102的规定，钢丝绳选择型号为124NAT619S+FC1570ZZ110GB8918-2006其破断拉力为110KN。则ng=110/20=5.5>5符合要求7.2.3钢丝绳使用注意的事项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0.5~2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。7.2.4卷筒参数的设计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。本设计采用多层绕。（1）卷筒容绳尺寸参数1)卷筒节径卷筒节径D应满足式D≥式中-与卷扬机工作级别有关的系数D-卷筒节径，mm由GB8918-2006表6得D==1914=2662）卷筒容绳宽度<3=3250=750mm，取=620mm。3）卷筒边缘直径其中=210+(24-1)12=294mm则=294+412=342取为350mm4）卷绕层数S由S≤Dk－Do－2Mk／2d可得S≤4.1，取S=47.2.5卷筒的结构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7-3。图7-3齿啮合式卷筒卷筒的设计主要尺寸有卷筒长度L、卷筒壁厚δ（1）卷筒的长度设计本设计采用单联滑轮组，卷筒的长度L=1.1ZP=1.1lP/n(D+nd)式中—卷筒总长度，mm；Z—每层圈数，mm；n—卷绕层数；—卷筒卷绕直径，mm；P—绳槽节距，mm；l—卷筒容绳量；由此计算得＝870mm。（2）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mm根据铸造工艺的要求，铸铁卷筒的壁厚不应小于12mm，所以15mm所以卷筒的参数选择为：绳槽节距t＝16mm、槽底半径＝4mm、卷筒节距＝250mm、卷筒长度L=870mm、卷筒壁厚mm。7.2.6卷筒强度计算及检验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3时弯曲应力和扭曲应力的合成力不超过压应力10%,所以当3时只计算压应力即可。本设计中L=870mmD=250mm，符合3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其中为钢丝绳单层卷绕时卷筒所受压应力，MPa；为钢丝绳最大拉力，N；为卷筒壁厚，mm；A为应力减小系数，一般取A=0.75为许用压力，对于铸铁=为铸铁抗压强度极限所以=A32MPa查教材机械设计基础知195MPa，所以39MPa。所以卷筒的壁厚强度满足要求7.3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。7.3.1卷筒轴的固定方式及受力分析常用的卷筒轴分轴固定式轴转动式两种情况。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，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。图7-4的类型a:轴固定式b、c:轴转动式7.3.2卷筒轴的设计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＝20kN，卷筒直径250mm，钢丝绳的直径14mm，查机械传动设计手册，轴的材质选择45钢，调制处理，MPa，MPa，MPa，MPa。由图7-4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。轴上零件的布置对于卷筒轴，一端采用自位轴承加上一个内齿轮与外齿轮相啮合传递转矩，另一端用轴承支架固定，为便于轴上零件的安装，把轴设计成阶梯轴后段轴的直径大于前端轴的直径。轴的各段长度在设计过程中，在确定各轴段的直径后，就应该进入画图阶段，要边计算边画图，边画图边计算。根据轴结构的需要，各轴段的长度确定如下：L1=30mm，L2=230mm，L3=565mm，L4=80mm，L5=28mm，（3）支反力与弯矩的计算1）垂直平面内的支反力卷筒受力为20000N,求支反力：对称布置，只受一个力，故FAv=FBv=20000N/2=10000N2)求垂直平面的弯矩由于受到的弯矩为两支架处,支架A处的弯矩为MA=100000.87=8700N.m,支架B处的弯矩为MB=8700N.m确定危险截面及校核其强度。支架处截面的应力σA=MA/0.1d³=253MPa支架处截面的应力σB=MB/0.1d³=253MPa7.3.3轴的校核心轴应力的性质可认为是按脉动循环规律变化，则。弯曲应力为＝39.8Mpa平均应力和应力幅为＝19.9Mpa轴的形状比较简单，且为对称结构，在B截面处尺寸有变化，则有应力集中存在，且该处弯矩最大，可以认为此截面是危险截面，应在此处计算轴的疲劳强度。查得有效应力集中系数尺＝1.82，表面状态系数＝0.92，绝对尺寸系数＝0.67，特性系数＝0.1。疲劳强度计算的安全系数为＝5.5一般轴疲劳强度安全系数，所以该轴疲劳强度足够。7.4主要计算拉力计算拉力是指作用在基准层上的拉力，分为疲劳计算拉力，静强度计算拉力和试验拉力（1）疲劳计算拉力这是用来计算卷扬机零件疲劳、磨损和发热的一种计算拉力，它所考虑的工况是卷扬机在正常工作情况下钢丝绳承受的拉力，疲劳计算拉力采用当量拉力，按下式计算确定Fd==0.620000=12000N式中Fd-钢丝绳的当量拉力，N。（2）静强度计算拉力静强度计算拉力是考虑卷扬机正常作业时可能出现的最大拉力，此时零件的强度不得超过材料的许用应力，可按下式计算=其中是动载荷系数，由JG/T5031-93中表5选取=1.05+0.40×（vh-0.20）=1.05+0.4×（0.6-0.20）=1.21则Fjmax=Fe=1.2120000=24200（3）试验拉力卷扬机的强度用试验拉力进行计算，取下面两种情况中的大者。静载荷试验拉力：静载荷为钢丝绳额定拉力的125%按照下式确定：=1.25=1.2520000N=25000N2）动载荷试验拉力：动载试验拉力为钢丝绳额定拉力的110%，按照下式计算：=1.1=1.120000N=22000N。8轴承的选择与校核根据最小轴端的直径，选择型号为1214的调心球轴承，此轴承的优点是可以保证一定的同轴度，提高运转精度。滚动轴承的寿命计算由下式可得通过计算得Lh=169596h该轴承符合要求。9卷扬机的安装及安装调试9.1卷扬机的安装（1）绞车安装地点应平整、宽敞，便于操作和观察。

（2）滚筒应与滑轮或挂钩对中，此中线力求与绞车轴线垂直。

(3）绞车使用场合流动性较大时，可用木板或槽钢作底盘，将绞车坚固其上，再用地锚固定起来，长期定点使用的绞车可安装于混凝土地基上。绞车安装必须稳定、可靠、绞车正常运转时底座不得有明显的振动。9.2卷扬机调试绞车在安装前应首先按使用说明书的要求检查各部件是否齐全，查看在运输过程中有无损伤或丢失零件。确认无问题后，再按操作方法的要求进行空运转试验，试验时应使绞车正反转15分钟，如发现不正常现象应停车检查，并在检查调整后再进行空转试验，直至运转正常为止。当在地面或井下作永久性安装时，必须把绞车固地安装在地基上，安装地点应平整且便于操作和观察，正常运转时绞车不得有明显的振动。当绞车在井下作临时性安装时，可用地锚固定，并用木桩顶住。绞