【卷扬机传动系统设计（论文）8400字】

卷扬机传动系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u152581绪论 2143381.1国外卷扬机的发展 2195811.2国内卷扬机的发展 3175111.3研究背景与意义 413541.4设计要求 5119502传动装置总体设计 5318802.1选择卷扬机的传动方案 5190302.2电机选择 6149832.3分配传动比/总传动比 876992.4传动系统的运动和动力计算 9215742轴（减速器的中间传动连接轴） 9224243轴(减速器的动力输出轴) 9170453齿轮设计 10119593.1高速级斜齿圆柱齿轮传动的设计与计算 10325643.2低速级直齿圆柱齿轮传动的设计 12149764轴的设计及轴承的选择 1514.1传动轴的选择 1541614.2确定轴的各段直径和长度 16103494.3轴上载荷计算 179144.4计算中间轴的弯矩 18224935润滑保养 22285395.1齿轮的保养 22125655.2滚动轴承的保养 2276505.3确定润滑油 2280455.4确定密封方法 2314182总结 2331840参考文献 24摘要卷扬机，一种实际生活中广泛应用的传动装置，其原理主要是利用卷筒的旋转，使得绳子或者链条环绕从而达到牵引或者提升重物的作用，其动力系统来源存在多种形式，在实际生产中伴随着不同场景的需要，卷扬机的驱动方式也存在着各种不同，可手摇驱动，可电机驱动，可内燃机驱动，亦或者液压驱动，因驱动方式的不同，卷扬机的改成措施及产品设计空间也存在着多种形式。卷扬机的主要应用是集中在建筑行业和矿区，以及码头中，协助工人运输日常相关材料的搬运，由于材料的吨位以及作业的频繁性，因此在实际生产应用中，经常会要求卷扬机的传动系统要有足够你的牵引力以及足够的刚度和强度，同时对于卷扬机的驱动和制动灵敏性也是有一定的要求，本次设计主要为建筑卷扬机传动系统的设计，采用了二级圆柱齿轮减速器关键词：卷扬机产品要求减速器绪论国外卷扬机的发展在国外，卷扬机的应用是极度广泛，同时其品种也非常的多样，以美国，法国，日本等具有高度工业机械化的西方国家为例，虽然他们具备先进的工业水平，很多东西都开始慢慢开始实施去人工化，但在实际工作中依然没有淘汰卷扬机这种机械设备，反而还在对这类型的机械设备进行进一步的研发，不断提升它的性能，扩大其应用领域。在美国，生产卷扬机的大小厂家数不胜数，也正是因为市场的需要和厂家之间的不断竞争，才进一步的造就了美国在卷扬机上的飞速发展，其中在美国卷扬扬机市场占据优先地位的是贝波国际有限公司和哲恩有限公司，在大型卷扬机的设计与制造领域，贝波有限公司具有悠久的发展历史，其产品类型也分布十分广泛，有手动，电动，气动，液压等多种类型。哲恩有限公司的发展方向主要集中在起重设备领域的开发，因此他们公司卷扬机的结构多半是采用齿轮传动系列。同时除美国外，日本在卷扬机的发展上也是十分积极的，他们国家卷扬机的发展可以追溯到明治维新时期（1868年），当时的日本积极引入西方的先进技术，大力发展近代工业，日本卷扬机也就是从哪个时期不断的发展完善并投入实际应用，根据日本的相关组织统计，仅在1977年间仅卷扬机的产值就达到100亿日元，卷扬机的发展市场可以说是极度的繁荣，也造就了日本本土卷扬机的快速发展。伴随实际生产水平的需要，国外的卷扬机也基本处于相同的趋势发展，很多设备开始采用整体安装的方式，这种设计意识也逐步带到了卷扬机的设计范畴，开始采用整体安装，其次随着这几年的电子信息技术的流行，卷扬机上也开始了使用这项技术，使得卷扬机更加方便操作，当卷扬机结合电子信息技术时，能够完美的实现自动化控制，同时也可以实现遥控控制，让卷扬机的操作更加方便操作和多样化，为了保障卷扬机的操作可靠性，部分国家开始对设备加装电气联锁，总体的来说现如今国外卷扬机的发展越来越丰富。国内卷扬机的发展相对于国外的卷扬机的发展历史，我国的卷扬机则显得起步较晚，可以说早期的国内卷扬机市场基本都是空白的，但早在中国的古代有卷扬机的雏形了，古人很久以前就学会利用轳辘这种器件来提升重物，算是最早的手摇卷扬机的影子，因为它不仅能减轻在实际生产生活中体力劳动强度，同时还可以很好的提高劳动的生产率。我国真正意义上的开始发展卷扬机这类型的机械设备，是在上世纪50年代的时候市面才逐渐开始有卷扬机的身影。同西方国家的卷扬机的生产历史相比，我国则完全处于落后的地步，因此当时市面普遍使用的卷扬机设备较为落后，结构简易且效率低下，而国内卷扬机的真正定型生产时间是在70年代，随着市场的需要与发展，卷扬机才逐渐被人们重视并开始进一步的研究与设计，但由于时发展间上的差距，导致我国的卷扬机同西方国家相比依然存在不小的差距，包括目前国内市面上还存在少部分上世纪古老的卷扬机设备，也足以见得我国卷扬机设备发展状态的缓慢，其次我国的卷扬机发展落后很大一部分原因在于，国内卷扬机的市场很长一段时间是处于混乱的发展状态，由于缺乏相关的标准进行约束，各个制造商都自定标准，产品也因此出现了各种各样的规格，结构与技术基本上维持国外一些淘汰的落后机型，整体进展十分缓慢。我国卷扬机真正意义上的高速发展时期，是在80年代的时候，基本当时的社会背景下，以及当时的中国开始注重科学发展道路的建设，并形成科技是第一生产力的概念，因此国家也开始慢慢注重卷扬机市场的发展，并制定了有关卷扬机的一些配套标准，进一步加速卷扬机市场的快速发展，现国内的卷扬机市场需求远大于其他国家的需求，但是国内的卷扬机发展同国外的先进技术水平还是有一定的差距。目前国内外的卷扬机发展趋势和存在的问题基本大同小异，其结构上主要采用电机驱动，减速器传动，并结合制动设备，这三个元件的集合基本形成了卷扬机的大致轮廓，同时国内外的卷扬机都存在共同的缺陷：体积过于庞大不利于在一些个别的地方或者狭小的空间的使用且搬运时不方便，其次是卷扬机在工作中有强烈的震动，因此会产生很大的噪音，目前仍然没有很好的解决办法，只能尽量的减少设备的震动。现如今国内外的卷扬机主要设计和改善的问题都集中在以下几个方面：减轻设备的整体质量，适当的缩小个别设备的体积减少空间占比，进一步的提高设备的承载能力，同时降低设备的能源损耗，在实际工作中达到安全可靠的要求是必须的,但是完全理想化的卷扬机是不存在的，因此只能进一步的提高和改善卷扬机的性能。当前我国的卷扬机正处于高速发展时期，应当把握这个良好的时机，着眼于国际的先进技术，进一步降低我国同世界先进水平的差距，及时制定并更新卷扬机的国家设计标准，一套先进的设计标准，能够很好的引导卷扬机产品的市场发展，使产品质量日益提高的同时也防止了卷扬机类似过去的混乱发展，而造成不不必要的资源浪费，在制定时要尽可能的长远考虑，同世界先进水平靠拢，加速国内的卷扬机的进一步发展研究背景与意义通过国内外的卷扬机基本概括，不难发现卷扬机在实际生活中扮演着重要角色，无论是建筑中常见的塔吊和部分材料运输机，还是码头的集装箱转运设备，亦或者是我们每日乘坐的厢式电梯，都是有着卷扬机的身影，其动力来源更多的是采用电机驱动，使得钢绳收缩或释放达到转运目的，因其结构简单，操作方便，保养维护相对容易，可靠性强，同时能很好节约人力成本，省时省力，故而广泛应用。但根据不同的场景，我们所需要的卷扬机的类型和作业目的也是不同的，因此在生产时，要合理的根据卷扬机实际要求进行设计。设计要求工作额定拉力F=10000N绳的速度V=0.59m/s卷筒直径D=190mm传动滚筒效率n=0.96，允许总速比误差为士5%，传动比要准确，产品生产批量为成批生产，同时要有足够大的强度，设备能够适应两班的工作制，要求轴有较大刚度，轴承使用寿命不小于25000小时，齿轮使用寿命为8年传动装置总体设计2.1选择卷扬机的传动方案卷扬机的基本运作方式为电动机传递动能到传动系统再到执行机构，其中传动机构的设计尤为重要，通过相关的资料，初步筛选以下三种传动结构方案：蜗轮蜗杆减速器圆柱圆锥减速器圆柱齿轮减速器针对以上三种方案，它们各自都有一定的优缺点，经过了一定的计算和思考后，我觉得蜗轮蜗杆减速器，虽然有还不错的传动比动力输出充实，但是啮合的地方存在滑动风险，而且不是很平稳，影响传动不说还有非常严重的磨损，对使用寿命极度不利，所以我们不使用这个方案。二级圆柱圆锥减速器，因为圆锥不利于加工，所以导致成本较高，不合适大面积生产有所背离课题要求，所以也不选择这个方案。圆柱齿轮减速器的齿轮传动，传动率良好且成本不高，同时相对蜗轮蜗杆和圆柱圆锥这两种方案，圆柱齿轮结构在维护方面，相对而言还是简单一点，并且它的寿命长，空间占比也不是很大，因此我初步选择圆柱齿轮减速器这个方案。圆柱齿轮结构的分类还存在多种区分方式，常见的按照减速齿轮的级数可以分为：单级，二级和多级，如果根据轴的空间装配方式来区分的话，则存在卧式和立式，当然不同形式的圆柱齿轮减速器，其传动比以及其他的特征参数也各不同，根据本次课题设计要求以及其它相关因素的综合考虑，最终我选择二级圆柱齿轮减速器传动系统简图2.2电机选择本次课题设计中，主要动力部分由电动机来驱动，同时电动机作为一种比较成熟的元件，其产品特性已经标准化和固定化，针对你的不同需求，市面都会有一定产品型号与之匹配。根据要求筛选电机电机的型号分类具有多样性，常见类型如下：异步电动机（Y）同步电动机（0）直流电动机（Z）交流电动机（J）本次课题采用Y型全封闭笼型三相异步电机，对比其他形式的电机，它具有启动性能良好，效率比较高，噪音小，运行稳定且耐用性强，计算电机功率电机工作的所需功率：工作效率：传动总效率：其中：联轴器的效率:ᵑ1=0.99轴承的效率:ᵑ2=0.99齿轮的传动效率:ᵑ3=0.97卷筒轴承的效率:ᵑ4=0.99卷筒的效率:ᵑ5=0.96故由以上数据得:（3）选择电机的转速卷筒转速：式中：VD参数已知，分别是绳子的速度0.58m/s和卷筒的直径190mm

电动机的参数表 型号额定功率KW电压V额定电流A额定转速r/minY160M-67.538017.0960Y132M-47.538015.41440Y160L-87.538017.7720Y132S2-27.5380152900通过对电机的尺寸和后期减速器的设计考虑，结合上述电动机参数表的选择范围最终我选择Y132M-4型号电机，该电机型号在能够满足课题设计的基本要求时，还具备加速快，制动性强，效率高等优点2.3分配传动比/总传动比传动系统的总传动比式中电机转速卷筒的转速分配各级传动比可知总传动比是各个部件的传动比乘积得到，公式：根据传动方案知：i01=1i34=1故i12=5.83（高速级传动比）得i23=4.16（低速级传动比）2.4传动系统的运动和动力计算0轴（及电动机的输出额定功率和自转速度）所以可得：1轴（电动机与减速器动力输入的连接轴）得2轴（减速器的中间传动连接轴）P2=P1ˑn12=65.6kw3轴(减速器的动力输出轴)同2轴得计算方式类似得n3=60.9r/minP3=6.24kwT3=97.85Nˑmm滚筒轴（与滚筒连接部分的轴）因滚筒同减速器的动力输出轴直接相连，所以转速相同得以上为装置的各个轴的基本动力参数3齿轮设计本次传动方案中采用了电机驱动和齿轮传动，因齿轮的应用需求不同对其材质也有不同的要求，常见齿轮设计中材料为铸铁，铸钢等，但整体要求基本都要达到耐磨性强，韧性好，同时减速器的齿轮部分存在高速级和低速级，接下来则是对两种不同速级的齿轮进行材料的筛选和动力参数的验算，计算如下3.1高速级斜齿圆柱齿轮传动的设计与计算高速级斜齿圆柱齿轮在工作运行中其速度相对较快，所以它的传递效率不会太大，磨损方面适中，综上考虑，我使们可以采用软面齿轮组合，小齿轮用40刚，硬度要求在220~250HBS之间；取230HBS，大齿轮材料则使用45刚正火，硬度要求在160~220HBS之间，取210HB即可。齿轮精度方面共分为13个精度等级，0-13,0级最高，13级最低，本次课题设计中减速器部分为常规设计，满足基本需求同时考虑造价成本等因素，最终采用8级精度根据材料特性和精度要求所以可得斜齿轮传动的设计公式转矩T1(1)齿轮的载荷系数K查找资料得K为1(2)确定齿数z、螺旋角β以及齿宽系数Ψ因为高速级斜齿圆柱采用了软齿面齿轮传动所以初取Z1=17，根据齿轮间的传动比公式可知对Z2进行取整，Z2=100初选螺旋角β=14当量齿数为：(3)许用弯曲应力根据《机械设计》书籍知：ϬFlim1=210MpaϬFlim2=190MpaS1=1.4综合计算可以得到齿轮模数中心距取a=150mm齿宽初步计算分度圆直径d齿数比U=i=5.83计算许用应力

根据参考文献可知接触疲劳极限ϬHlim1=622MpaϬHlim2=588Mpa则许用接触应力{ϬH1}=0.9ϬHlim1=560Mpa{ϬH1}=0.9ϬHlim2=530Mpa弹性系数=189.8Mpa齿面接触疲劳强度核算其中：节点区域系数ZE重合度螺旋角系数弹性系数最终得：=602.56Mpa<故8级精度的45钢满足要求3.2低速级直齿圆柱齿轮传动的设计低速级直齿圆柱齿轮传动设计与计算方式，同上述的高速级斜齿圆柱齿轮的设计计算步骤一样，都是从材料的筛选到后面的疲劳极限核算，最终确定所选材料及设计是否合理根据需求筛选齿轮材料本次齿轮类型为低速级直齿，速度不快但传递效率高，我采用了硬面齿轮组合，小齿轮材质和硬度同高速级斜齿的小齿轮一样为40调质处理的钢，230HBS，大齿轮的材质和硬度也同高速级斜齿的大齿轮一样45正火处理的钢，精度为8级，这样选择齿轮的材料和硬度，既能满足基本设计需求，又可以优化在大批量生产时的材料采购问题，进一步节省了制造时间计算齿面的实际接触疲劳强度根据参考文献知载荷系数K=1.1齿宽系数=0.8接触疲劳极限ϬHlim3=560MpaϬHlim4=530Mpa许用接触疲应力其中SH=1ZNT3=1(接触寿命系数)ZNT4=1.1（机械设计书籍查得）所以齿轮基本参数计算转矩T2取小齿轮的齿数Z3=30根据齿轮间的传动比可得，大齿轮Z4=i34×Z3=124.8(取整为125)小齿轮的分度圆直径从而得齿轮的模数m=d3/z3=3(取整后)可得大齿轮的直径为：d4=375mm前面已知齿宽系数取0.8，又齿宽系数为齿宽b与齿轮直径d之比得小齿轮齿宽b3=55mm大齿轮齿宽b4=60mm齿轮的中心距a齿轮许用应力的计算其中修正系数YNT，安全系数SF均由参考书籍取SF=1.3YNT3=YNT4=1ϬFlim3=210MpaϬFlim4=190Mpa从而计算得两齿轮的疲劳强度Ϭ3=141.1Mpa≤162MpaϬ4=137.48Mpa≤146Mpa最终知本次对低速级齿轮的材料和精度的选择均满足要求4轴的设计及轴承的选择4.1传动轴的选择在本此设计中，轴的设计是尤为的重要，它是连接各个齿轮的关键零件，同时也是各个齿轮的动力传输部分，主要传递动力扭矩，其作用性不言而喻，因此在设计和计算时要细心处理，如果在设计中出现纰漏或者相关数据存在误差，从而设计不合格的话，不仅导致整体设计作废，还会在实际应用中造成不可逆的事故。本次课题设计中，共有三处应用了轴的结构，分别是减速器的动力输入部分（输入轴），减速器的中间动力传输部分（中间轴），以及减速器的动力输出部分（输出轴），因中间轴承受别的扭矩力最大且最复杂，所以在满足其要求时即可满足其他两轴，为便于批量制造，三轴均采用同一类型，根据设计要求、使用性能、经济等多个方面综合考虑,合理选择轴的材料和类型（1）筛选轴的材料本次设计的减速器为小功率类型，故对材质无任何特殊限制，所以采用和齿轮设计部分的相同材料，45正火处理钢（2）根据轴的扭矩来初步计算确定其最小直径，利用下面的公式求得：其中：—轴常用的几种材料的的值—主轴上的功率—主轴上的转速因轴上的材料选取应选用45钢，并进行正火处理，其抗拉强度，查表得45号钢Ao取值范围为107-118，于是有：取4.2确定轴的各段直径和长度（1）确定轴的直径根据最初拟定的传动设计简图知，中间轴基本可以分为五个轴段，从左至右依次命名为轴段①到⑤，由于轴段①和轴段为⑤处要安装轴承，并且此处的轴段受到径向力作用，在满足要求的同时出于对材料的考虑，就选择最小的直径即可，所以d1=d5=35mm;轴承的选用则选择市面上较为广泛应用的深沟球轴承，其型号为(GB/T276-1994)6207，轴承的直径同轴段①⑤的直径相同d=35、B=17，轴段②和轴段④上面则需要安装两个低速级齿轮，因此其直径选用上既要满足上面计算的最小直径，同时还要考虑两齿轮的直径，最终综合筛选得d2=d4=40mm:轴段③是连接轴段②④的，为保证两齿轮的稳定性所以在直径上要略大轴段②④，因此要在轴段②④的基础上再适当增加一点，大致取d3=45mm。（2）确定各轴段的长度由前面的设计计算我们可以知道，两齿轮轮毂宽度分别为55mm和60mm,因此在选用轴段②④的长度时，为使得两齿轮在工作更加的稳定，所以两轴段的长度都应当略小于齿轮的轮毂的宽度，故而可以取得同时在设计过程中要考虑到齿轮端面同箱体的距离，太近则不利于两轮齿的传动，太远则不利于设备的整体稳定牢固性，其次后面的润滑设计也会存在缺陷，综合考虑后本次的箱体同齿轮顶端的距离为15mm,其次为了便于轴承的润滑，轴承端面与箱体距离也不宜过大，因此取其距离为5mm，通过上述对两端面距离的确定，可以确定轴段①长度为37.5mm，轴段⑤长度取30.5mm，轴段③是连接两齿轮轴的，具有轴向定位的作用，所以其距离不能太长，故，这个距离也能很好的保障两齿轮的不发生干涉现象，最终可以确定轴承支点距离1=158mm。轴的直径和长度轴段12345直径3540454035长度37.543105830.54.3轴上载荷计算作轴的结构设计草图如下:求轴上扭矩的大小计算，根据公式：其中：—轴的额定功率—轴的转速由前面动力参数计算部分知： n2=n1/I12=246.9r/minP2=P1ˑn12=65.6kwT2=253.74N·mm4.4计算中间轴的弯矩因为中间轴的弯矩存在水平面和垂直面对的区分，故而要分开计算两个弯矩，才能得到总的弯矩，轴承压力中心到低速级小齿轮中点距离:低速级小齿轮中点到高速级大齿轮中点距离:高速级大齿轮中点到轴承压力中心距离:计算水平面的弯矩因中间轴存在三处受弯矩力，分别是两齿轮形成的三个截面，又可以计算得：水平面的圆周力=(2×253740)/256.41N=1979.2N=(2×253740)/90=5638.7N水平面的支反力所以三处的截面截面弯矩分别计算如下：MHI=Ft2×L1=2614.12×37.5=98029.5NˑmmMHII=Ft2×（L1+L2+L3）=2614.12×80.5=210426.66NˑmmMHIII=Ft2×L5=5003.78×30.5=15261.29Nˑmm计算垂直面的弯矩同上述步骤一致垂直面的径向力垂直面的支反力故I截面处的弯矩MVI=FNV1×LI=279.1×59=16446.9NˑmmII截面处的弯矩MVII=FNV2×LI=913.32×38.5=35162.82NˑmmIII截面处的弯矩MVIII=FNV2×28=27856.26Nˑmm综合水平垂直面的弯矩得MI=99399.61NˑmmMII=213354.19NˑmmMIII=155136.7Nˑmm求各个截面的当量弯矩a=0.6(中间轴为单向运动，故转矩为脉冲循环变化)I截面：=181819.9NˑmmII截面：=262102.93NˑmmIII截面：=21759.9Nˑmm校核各个截面的强度Ϭ==其中Ϭ为最大弯曲应力M当量弯矩W抗弯曲截面系数截面I:=28.41Mpa截面II:=40.96Mpa截面III:=50.7Mpa可知，截面III的弯曲应力最大且小于轴的许用弯曲应力[σ-1b]=60MPa，因此本次中间轴的设计满足要去。5润滑保养5.1齿轮的保养本次齿轮的保养使用了浸油的方式，因为低速级轴向速度不高，所以浸润1/6大齿轮的直径就可以了，值为62mm。5.2滚动轴承的保养滚动轴承的保养方式取决于其速度，通过其速度的判定可基本分为以下几种类型：飞溅润滑，脂润滑，滴油润滑。当圆周速度在2m/s~3m/以上的时候，可以让溅出来的油，通过油沟流进轴承来润滑保养，这种润滑方式最简单，一般都是采用这种方法，这个时候箱子里面的油粘稠度由齿轮传动来决定。如果速度低于上述的数值时，此时溅出来的油并不是很多，无法满足轴承润滑的需求，这个时候我们可以考虑采用刮油润滑，同时也可以通过对转动座圈的速度考虑，来筛选固态润滑和液态润滑。5.3确定润滑油当我们使用脂润滑的方式，因其润滑剂为液体，要考虑到齿轮及轴承在运动过程中会将油池的油带到里面，从而造成润滑脂变希导致润滑效果不佳，故而在采用这种方式润滑时，要在保证其内部的密封或者使用挡油环。其次还有滴油润滑方式，滴油分间歇性和连续性，根据设备的实际工作要求来选择，通常情况下当我们的设备在开始运行时，要保证轴承上具有一定的润滑油，所以最好在轴承里面安装一个比较小的挡板，使得轴承能存放少许的润滑油便于下次设备运行，挡板的高度要求要低于滚珠的中心。但对于长时间工作的设备我们不需要安装这种零部件，高速运动的轴承由于速度较快所需润滑油量较大，不能采用上述的润滑方式，应当使用压力喷油润滑，如若设备是滑动轴承则不能去采用常规