20噸單滾筒絞車設計
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20噸單滾筒絞車設計論文.doc
20噸單滾筒絞車設計
目 錄
摘要………………………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract ………………………………………………………………………………Ⅱ
第1章 緒論……………………………………………………………………………1
1.1絞車的簡介………………………………………………………………………2
1.2擬定絞車系統(tǒng)圖……………………………………………………………3
第2章卷揚機構的方案設計 ………………………………………………………5
2.1 常見卷揚機構方案及分析 ………………………………………………5
2.1.1 卷揚機構方案比較 ………………………………………5
2.1.2卷筒軸及件速器輸出軸連接方式設計的基本原則……………………6
2.1.3液壓卷揚機構的分類……………………………………………………7
2.1.4液壓式行星齒輪傳動卷揚機構布置方案………………………………8
2.2本設計所采用的方案…………………………………………………………10
2.3卷揚機構方案設計注意事宜…………………………………………………10
第3章卷揚機構組成及工作過程分析……………………………………………12
3.1卷揚機構的組成…………………………………………………………………12
3.2卷揚機構工作過程分析…………………………………………………………12
3.2.1卷揚機構的工作周期……………………………………………………12
3.2.2載荷升降過程的動力分析………………………………………………12
第4章卷揚機卷筒的設計和鋼絲繩的選用……………………………………15
4.1卷揚機卷筒的設計……………………………………………………………15
4.1.1卷揚機卷筒組的分類和特點……………………………………………15
4.1.2卷筒設計計算……………………………………………………………15
4.2鋼絲繩的選擇…………………………………………………………………19
第5章液壓馬達和平衡閥的選擇…………………………………………………20
5.1液壓馬達的選用與驗算………………………………………………………20
5.1.1液壓馬達的分類及特點…………………………………………………20
5.1.2液壓馬達的選用…………………………………………………………20
5.1.3馬達的驗算………………………………………………………………20
5.2平衡閥的計算與選用…………………………………………………………23
5.2.1平衡閥的功能簡介………………………………………………………23
5.2.2平衡閥的選用……………………………………………………………23
第6章制動器的設計與選用………………………………………………………25
6.1制動器的作用、特點及動作方式………………………………………………25
6.2制動器的設計計算……………………………………………………………26
6.2.1制動轉矩的計算…………………………………………………………26
6.2.2制動盤的設計選用………………………………………………………26
6.2.3制動盤有效摩擦直徑計算………………………………………………26
6.2.4制動器散熱的驗算………………………………………………………27
6.2.5全盤式制動器設計計算…………………………………………………30
第7章離合器的設計與選用………………………………………………………31
7.1離合器的功用、特點與分類…………………………………………………31
7.2圓盤離合器主要性能參數(shù)的計算……………………………………………32
7.2.1離合器的計算轉矩………………………………………………………32
7.2.2圓盤摩擦片的主要尺寸關系……………………………………………32
7.2.3摩擦式離合器的摩擦轉矩………………………………………………33
7.2.4圓盤摩擦離合器壓力的計算……………………………………………34
第8章軸的設計………………………………………………………………………36
8.1軸的材料………………………………………………………………………36
8.2軸的工作能力的計算…………………………………………………………36
8.3軸的結構設計…………………………………………………………………39
8.3.1擬定軸上零件的裝配方案………………………………………………39
8.3.2根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度…………………………40
8.3.3軸上零件的周向定位……………………………………………………40
結論………………………………………………………………………………………33
參考文獻 ………………………………………………………………………………36
致謝………………………………………………………………………………………38
附錄………………………………………………………………………………………40
第一章 緒 論
1.1絞車的簡介
在起重機械中，用以提升或下降貨物的機構稱為起升機構，一般采用卷揚式，而這樣的機器叫做卷揚機又叫絞車。
卷揚機的卷揚機構一般由驅動裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、取物裝置和安全保護裝置等組成。驅動裝置包括電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速器、卷筒等部件。鋼絲繩卷繞系統(tǒng)包括鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪。取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、抓斗、電磁吸盤、吊具掛梁等多種形式。安全保護裝置有超負載限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保護開關等，根據(jù)實際需要配用。
卷揚機的驅動方式有三種，分別為內燃機驅動、電動機驅動和液壓驅動。
內燃機驅動的起升機構，其動力由內燃機經機械傳動裝置集中傳給包括起升機構在內的各個工作機構，這種驅動方式的優(yōu)點是具有自身獨立的能源，機動靈活，適用于流動作業(yè)。為保證各機構的獨立運動，整機的傳動系統(tǒng)復雜笨重。由于內燃機不能逆轉，不能帶載起動，需依靠傳動環(huán)節(jié)的離合實現(xiàn)起動和換向，這種驅動方式調速困難，操縱麻煩，屬于淘汰類型。目前只有少數(shù)地方應用。
電動機驅動是卷揚機的主要驅動方式。直流電動機的機械特性適合起升機構的工作要求，調速性能好，但獲得直流電源較為困難。在大型的卷揚機中，常采用內燃機和直流發(fā)電機實現(xiàn)直流傳動。交流電動機驅動能直接從電網取得電能，操縱簡單，維護容易，機組重量輕，工作可靠，在電動卷揚機中應用廣泛。
液壓驅動的卷揚機，由原動機帶動液壓泵，將工作油液輸入執(zhí)行構件（液壓缸或液壓馬達）使機構動作，通過控制輸入執(zhí)行構件的液體流量實現(xiàn)調速。液壓驅動的優(yōu)點是傳動比大，可以實現(xiàn)大范圍的無級調速，結構緊湊，運轉平穩(wěn)，操作方便，過載保護性能好。缺點是液壓傳動元件的制造精度要求高，液體容易泄漏。目前液壓驅動在建筑卷揚機中獲得日益廣泛的應用。
1.2擬定絞車系統(tǒng)圖
系統(tǒng)的工作原理及其特點簡要說明如下：（見圖1.1）
液壓馬達9的排量切換由二位四通電磁換向閥5實現(xiàn)，控制壓力由液壓馬達9自身提供，為了防止下放時因超越負載作用而失速，在馬達回油路上設置了外控式平衡
閥4。另外，為了提高系統(tǒng)工作可靠性，以防污染和過熱造成的故障，在回油路上設置了回油過濾器7及冷卻器8。三位四通電磁換向閥9的中位機能為K型，所以，絞車停止待命時，液壓泵可以中位低壓卸荷，有利于節(jié)能。
表1.2絞車液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序
工 況 電磁鐵
1YA 2YA 3YA
滿載卷揚上升 - + -
空包下放 + - -
停止 - - +
由表1.2可知：當電磁鐵2YA通電時，三位四通電磁換向閥5切換至右位，液壓油經過單向閥進入液壓馬達2，驅動滾筒卷揚方向旋轉。當電磁鐵1YA通電時，負載由平衡閥支撐的同時快速下放，當需要制動時，電磁鐵3YA通電，制動器制動
參考文獻
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致 謝
三個月緊張而充實的畢業(yè)設計結束了，在這次設計中我收獲頗多。畢業(yè)設計對于我們每一個大學生來說都是非常重要。它不僅是對我們大學四年學過的各科知識的綜合運用，而且是把我們所學的知識應用于實踐的一次檢驗。通過這次畢業(yè)設計，我重溫了一遍大學的課程如機械制圖、理論力學、機械設計、液壓傳動與氣壓傳動等專業(yè)知識，還涉及了一些以前從未深入了解的知識，使我開闊了眼界，并增長了知識，對自己的所學進一步鞏固，為畢業(yè)后走向社會工作崗位奠定了一定的基礎。
在單滾筒絞車設計過程中，除了應用到以前學過的專業(yè)知識，我還查閱了大量的相關資料，使我對這一領域有了一定的了解和認識并掌握了查找資料這項基本技能。在設計過程中，第一次將自己所學的理論知識真正運用到實際中，使理論知識在實踐中得到檢驗。使我學會面對設計中出現(xiàn)的各種問題，如何去分析、并最終解決問題。而且培養(yǎng)了我精益求精、科學嚴謹、認真對待問題的工作精神，并且鍛煉了我的創(chuàng)造能力和獨立解決問題的能力。
此次畢業(yè)設計能如此順利的完成，完全得力于指導老師胡天明老師的充分指導，提出了許多寶貴的建議，改正了許多錯誤，使設計更加合理、完善。同時各位同學也給予了很多建議和幫助，在此對老師和同學們表示深切而誠摯的謝意！
目錄 第一章 緒論 ................................................................ 1 1． 1． 1本課題來源 ...................................... 1 1． 1． 2本課題的目的和意義 .............................. 1 1． 1． 3國內外基本情 .......................................................................... 1 1． 2 絞車的種類特點 ...................................... 3 課題的指導思想 ..................................... 1 第二章 絞車 機構總體方案設計 ...............． 1 概述 ............................................... 2 總體初始設計方案 ................................... 2. 1 總體設計方案 ..................................... 3 系統(tǒng)概述 ..........................................三章 局部方案設計 ........................驅動形式 ...........................................減速箱的選用 .......................................傳動方案 ...........................................排繩方案 ............................................ 5 電氣控制方案 ....................................... 5 第四章 設計計算 ...........................． 1 動力計算 ............................................． 1． 1 功率計算 ...........................................． 1． 2 電動機選擇 .........................................． 2 主要構件計算 .......................................... 7 4． 2． 1 鋼絲繩 ............................................. 7 4． 2． 2 滾筒 ............................................... 8 4． 2． 3 排繩螺桿 .......................................... 10 4． 2． 3 排繩螺桿 ........................................... 11 4． 3 傳動零件齒輪計算 .....................................． 4電動機與減速器的聯(lián)接方式 .............................. 16 4． 5 構件計算 ............................................. 17 第五章 ...............................................................松下 .....................................................................外圍線路的設計 ...................................... 軟件系統(tǒng)設計 ....................................... ． 1． 1 本課題來源 實際的生產需要。 1． 1． 2 本課題的目的和意義 設計一臺 20噸單滾筒絞車，用于完成負載的拖曳或提升。 研究單滾筒絞車的結構設計、驅動形式、傳動方式等完成設計。 1． 1． 3 國內外基本情況 國外絞車的發(fā)展情況： 1）德國 德國 臺或 3臺直流或交流電動機，使操作者能平穩(wěn)地減速和停止下降或上升的載荷，在不超過設備使用限制的情 況下，直流和交流電動機都能運用再生制動技術，制動能量大部分回饋給電網。 2）美國 美國 分利用了交流變頻控制技術，可不使用摩擦離合器而使用電動機再生制動來保持負荷。高性能可精確控制的空氣冷卻和水冷卻伊頓 (合盤式剎車可實現(xiàn)自動送鉆，并且使該絞車唯一的剎車 空氣冷卻模塊用于緊急制動和負載的靜態(tài)控制，而水冷卻模塊用于鉆井鋼絲繩的均勻遞送、游車運行、鉆壓以及其它鉆井參數(shù)的動態(tài)控制。 中國絞車行業(yè)的現(xiàn)狀及前景： 20絞車的滾筒直徑達到 4米，最大靜張力達到 245 千牛，是目前國內最先進也是提升能力最大的提升絞車。該絞車采用了雙行星齒輪減速器、徑向齒塊式離合器、后置式油缸、幫銷式聯(lián)軸器等先進技術。電控方面采用可編程控制器作為系統(tǒng)的主控單元。該機裝備了可視化觸摸屏，可查看大量的相關畫面，有利于員工操作和維修。 1． 2 絞車的種類特點 1) 按照傳動方式分為齒輪傳動絞車和液壓傳動絞車； 2）按照鋼絲繩纏繞方式分為纏繞式 絞車 和摩擦式 絞車 ； 3）按照滾筒數(shù)目可分為單滾筒 絞車 和雙滾筒 絞車 ； 4）按照防爆性能可 分為防爆 絞車 和非防爆 絞車 ； 5） 按照滾筒直徑及使用情況可分為 2m（含 2m)以下提升物料的絞車和 2 1. 3課題的指導思想 通過對絞車的了解以及資料的查閱，在導師的幫助下分析絞車的設計結構和驅動形式，從而完成本次畢業(yè)設計。 2 第二章 絞車 機構總體方案設計 2． 1 概述 絞車廣泛應用于修造船廠進行船舶上墩或下水作業(yè)，具有拉力大，速度慢，儲繩量大和使用率低等特點，因而它不同于一般工程上常見的同類型設備。在礦上采掘和運輸場合，絞車作為重要輔助設備大量而廣泛地運 用著，例如，礦用提升絞車，調度絞車，耙礦絞車和鑿井絞車等。絞車的另一個重要用途是港口機械，常見的有集裝箱起重機，港口裝卸門座起重機，塔式起重機以及輕小型的電葫蘆等起重機械，其主要執(zhí)行機構都是各種形式和 結構的絞車。 2． 2 總體初始設計方案 2． 2． 1 總體設計方案 本次設計的單滾筒絞車是由電動機、減速器、聯(lián)軸器、滾筒、排繩機構及底座組成。 （圖 圖 滾筒絞車結構示意圖 2. 3 系統(tǒng)概述 驅動方式有很多種，例如電力驅動、液壓驅動、氣壓驅動，介于驅動的結果使為使?jié)L筒旋轉來收放鋼 絲 繩，故本次設計采用電力驅動。 本次設計的傳動機構采用兩級傳動，由減速器和開式齒輪組成。采用兩級傳動機構主要原因是：從減速器的輸出軸與滾筒連接軸要保證同軸度，要確定安裝位置是否在同一平面上，若是沒有應開式齒輪來湊合，很難在同一平面上傳輸。齒輪傳動繼而帶動滾筒轉動，滾筒上纏繞的鋼絲繩隨著滾筒的正反轉達到快速收3 繩放繩 的效果。 鋼絲繩在滾筒上一般為多層卷繞，為使鋼絲繩能排列整齊，在此要使用排繩機構。 最后整個絞車需要一個底架來支撐，這樣就形成了一個完整的絞車裝置 。 整個系統(tǒng)分為執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分 。 執(zhí)行系統(tǒng)包括傳動部分和滾筒部分 ,控制系統(tǒng)采用 制 。 4 20 噸單滾筒絞車設計 第三章 局部方案設計 本章研究的是傳輸部分的設計，介紹了 絞車設計的傳動方案，排繩機構 ，驅動形式以及減速箱的選用。 驅動形式 由總體方案確定本次設計采用電動機驅動。絞車主卷筒傳動電動機的功率隨絞車 拉力的噸位值不同而異。因為無調速要求，為了保證電動機具有較大的過載能力通常選用起重冶金用的交流電動機，功率在 30 千瓦以下的一般采用鼠籠式電動機，它具有控制簡單的優(yōu)點。在電網容量不夠，電動機功率又較大或要求平穩(wěn)地起制動的場合選用繞線式電動機。目前使用的斷續(xù)工作制的交流起重冶金電動機的型號又 。 異步電動機分 為 鼠籠電動機和繞線式電動機。 鼠籠電動機性能：簡單，耐用，可靠，易維護，價格低，特性硬，但啟動和調速性能差，輕載時功率因數(shù)低。一般無調速要求的機械廣泛采用。在可變頻率電源 供電下可平滑調速。變極數(shù)多速電動機可分級變速調節(jié)，但體積大，價格較貴。 繞線式電動機性能：因有滑環(huán)，比鼠籠電動機維護麻煩，價格也稍貴，轉子串電阻的特性屬軟特性，隨負載轉距的增加，電機轉速顯著下降，但它啟動轉距大，啟動時功率因數(shù)高，且可進行小范圍的速度調節(jié)，控制設備簡單，故廣泛用于各種生產機械，尤其是電網容量小、啟動次數(shù)多的機械，如提升機、起重機及軋鋼機械等。 在此選用 列起重機三相異步電動機。 列為繞線轉子電動機。有較高的機械強度及過載能力，轉動慣量小，適合頻繁快速啟動及反轉頻繁的制動場合。 減速箱的選用 介于設計的要求，需要傳動比大，傳動效率高，結構緊湊，相對體積小，重量輕，運轉平穩(wěn)，噪聲低，適用于動力傳動中，故選用 行星輪系 減速器最合適不過， 行星輪系 減速器 的特點是體積小、重量輕、承載能力大、效率高、工作平穩(wěn)的特點。 由于傳動比的需要，現(xiàn)選擇 減速器能充分滿足本設計的要求。 傳動方案 由總體方案確定本次設計使用齒輪傳動。齒輪傳動是現(xiàn)代機械中應用最廣的一種傳動方式。齒輪傳動相對于帶傳動更能保證準確的傳動比，傳動裝置緊湊，壽命較長，傳動效率高；齒輪傳動 相對于鏈傳動在高速運轉中也能保持平穩(wěn)，傳動噪聲小。 按齒輪傳動的工作條件，可分成開式齒輪傳動，半開式齒輪傳動及閉式齒輪傳動。 開式齒輪傳動常用在農業(yè)機械，建筑機械以及簡易的機械設備中，沒有防塵罩或機殼，齒輪完全暴露在外面，不僅外界雜物極易侵入，而且潤滑不良，工作條件不好，齒輪容易磨損，故只宜用于低速傳動。 半開式齒輪傳動裝由簡單的防護罩，有時還在大齒輪部分侵入油池中，工作條件雖有改善，但仍不能做到嚴密防止外界雜物侵入 ，潤滑條件也不算太好。 閉式齒輪傳動（齒輪箱），如汽車，機床，航空發(fā)動機等所用的齒輪傳動， 都是裝在經過精確加工且封閉嚴密的箱體內的，與開式或半開式的齒輪傳動相比，潤5 20 噸單滾筒絞車設計 滑及防護等條件最好，個軸的安裝精度及系統(tǒng)的剛度比較高，能保證較好的嚙合精度，多用于重要的場合。 本次設計單滾筒絞車是在露天工作，因此采用開式齒輪。本次齒輪材料用調制鋼，因調制鋼廣泛用于對強度和精度要求不太高的一般中低速齒輪傳動，以及熱處理和齒面精加工比較困難的大型齒輪，而鑄鋼適用于不能鍛造的大型齒輪，但容易產生鑄造缺陷。 調制鋼的特點是： （ 1） 經調制后具有較好的強度和韌性，常在 220～ 300圍內使用 。 （ 2） 當受刀具的 限制而不能提高調制小齒輪的硬度時，為保持大小齒輪的硬度差，可使用正火的大齒輪，但強度較調制者差 。 （ 3） 齒面的精切可在熱處理后進行，以消除熱處理變形，保持齒輪精，不需要專門的熱處理設備和齒面精加工設備，制造成本低 。 （ 4） 齒面硬度較低，易于跑合，但是不能充分發(fā)揮材料的承載能力 。 排繩方案 排繩機構是為了使鋼絲繩在滾筒上卷繞時達到排列整齊目的而設置的。它主要由導桿、排繩螺桿、排繩器（包括滑行爪）、傳動鏈輪和手動調整離合器等部件組成。導桿和排繩螺桿互相平行地固定在兩邊的支架上，而排繩器則是在兩端用滑動軸承支持在導桿和排繩螺桿上，用以維持其在移動時的穩(wěn)定性。在排繩器中部，通過滑行爪和排繩螺桿相嚙合，在螺桿的轉到下，就能沿著導桿和螺桿滑行。在排繩器架體內，安裝有四根垂直滾柱（或滾輪）和一個或一對水平滾柱 (或滾輪 )，用以導向并保持鋼絲繩上貯繩筒時與貯繩筒軸線垂直。通過來自筒體的鏈輪傳動裝置，收繩卷繞時，排繩螺桿始終朝一個方向轉到（放繩時朝相反方向），而排繩器則按與滑行爪相嚙合的螺紋槽方向向前滑行，當行至端部極限位置，螺紋槽折回自另一方向返回，與之嚙合的滑行爪帶動排繩器亦隨之折轉返回滑移。 電氣控制方案 由于前面驅動方式已定， 本次設計采用繞線異步電動機，通過其轉子軸上的滑環(huán)，向轉子繞組回路接入電阻，以便進行啟動和調速。 現(xiàn)采用 可以完成半自動運行，其正常運行控制有以下三種方式： （ 1） 正力電動加速 電動減速的操作運行方法： 此種運行方式適用于重物向上提升，刺激將操作手柄逐檔推出，同時配合推出制動手柄，使提升絞車由起動逐漸均勻加速至全速。行至減速點時， 速鈴響，電機串入少量的電阻維持較大力矩開始緩緩減速。司機將操作手柄阻擋收回，使提升絞車均勻的減速至低速，達到終點 迅速收回兩手柄。 （ 2） 正力電動加速 負力減速 此種運行方式適用于較輕負荷向上提升，操作控制方法與前款大致相同，但 不同之處在于減速時提升絞車帶慣性減速，并輔以輕閘，使負荷速度降低，達到終點時速度收回兩手柄停車。 （ 3） 動力制動下放 如果提升絞車由重物下放、載人之工況，按規(guī)定控制系統(tǒng)應配置動力制動系統(tǒng)。其運行方式有以下兩種： 1. 正力電動加速 動力制動減速： 下方重物時，啟動動力制動電源（按下動力制動電源開關 提升絞車6 20 噸單滾筒絞車設計 在減速段和等速段運行方式與前款相同 達到減速位置，減速鈴響，司機踏下動力制動踏 板，投入動力制動電源。同時輕輕帶閘制動，待動力制動電流建立以后方能松開制動器。提升絞車在制動電流作用下減速，到達停車位置立即收回制動手柄隔和操作手柄至零位，停車。 2. 全程動力制動 開車信號發(fā)出，司機啟動動力制動電源，踏下動力制動腳踏板，待顯示有制 動電流后，將操作手柄想負載下行方向以較快速度逐檔推至最大位置，同時緩緩松開制動手柄，提升絞車在重力作用下緩慢加速。司機可以通過改變腳踩板的角度來控制電流的大小，也可以改變操作手柄的位置，以滿足下方速度。若要終止電流，則必須將兩手柄收回至零位，待提升絞車停止后，才能 松 開踏板。 （注：腳踏板動力制動時一次性投入，一經投入后腳應踩著不放，當絞車完全停穩(wěn)后才能松開踏板） 使用 （ 1） 障判斷時間長； （ 2） 提升控制自動化程度低，提升絞車司機勞動強度大； （ 3） 在連續(xù)提放液壓支架等大件時，電阻發(fā)熱嚴重，經常燒壞電阻連線，能耗大； （ 4） 調速為有級調速，機械沖擊大，鋼絲繩使用壽命低，動力制動投入時瞬間速度變化大，鋼絲繩產生跳動； （ 5） 利用可調閘配合動力制動下放重載時，速度控制不均勻，憑司機經驗控制，易造成提升物掉道。 由于以上問題，使用 電控系統(tǒng)做部分改變。 7 20 噸單滾筒絞車設計 第四章 設計計算 4． 1 動力計算 4． 1． 1 功率計算 絞車的電動機功率按下式計算： P= （ 式中： P:電動機功率 ( T:絞車設計載荷（鋼繩工作拉力， N）； V:鋼繩線速度（ m/ η :機械總效率。初步設計時，滾筒絞車一般取 此取η機 = 根據(jù)已知的技術條件， 將數(shù)據(jù)代入式（ ： P= = =W 4． 1． 2 電動機選擇 1．起重用電動機的特點：反復短時運行；頻繁的啟動、制動和反轉；經常地過負載；較強的機械沖動和沖擊；工作環(huán)境多灰塵，有的還有金屬塵等。 根據(jù)以上要求和所求出的絞車的電動機功率，假設無損耗的情況下，本次電動機選用型號為 定功率 28速為 975 4． 2 主要構件計算 4． 2． 1 鋼絲繩 （ 1） 鋼絲繩參數(shù)計算 鋼絲繩直徑可由鋼絲繩最大工作靜拉力按以下公式確定： d=c （ 式中： d:鋼絲繩最小直徑， C:選擇系數(shù)， S—— 鋼絲繩最大工作靜拉力， S＝ 20000× 96000N。 在起升機構中，鋼絲繩最大工作靜拉力是由起升載荷考慮滑輪組效率和承載分支數(shù)后確定，起升載荷是指起升質量的重力。 選擇系數(shù) C 的取值與機構工作級 別有關。按下面公式： C＝ （ 式中： n:安全系數(shù)； K:鋼絲繩捻制折減系數(shù)； ω :鋼絲繩充滿系數(shù)；8 20 噸單滾筒絞車設計 σ t:鋼絲的公稱抗拉強度； 其中 ， w=1，σ t=1770已知條件代入公式 （ ，則選擇系數(shù) C: C＝ = = C 值帶入公式 （ 得： d=c ＝ 根據(jù)表格選擇鋼絲繩直徑： d＝ 32 2） 鋼絲繩的選擇 鋼絲繩是絞車主要傳遞載荷的連接部件之一，其型號甚多，選擇時要全面考慮既要破斷拉力，具有一定的安全系數(shù)，又要撓性好，便于穿繞滑輪，降低勞動強度。 在此選用異型股鋼絲繩 6V× 37，即 6 個三角形股，每股外層 15～ 18 根，三角形股芯或外捻制 2 層鋼絲。 鋼絲繩繞制方法有同向捻、交互捻和混合捻。同向捻在自由懸吊的起重機中不宜采用，通常用作牽引繩，不宜用作起升繩。交互捻在起重機上應用廣泛，而混合捻應用較少，故鋼絲繩繞制方法 選交互捻中的右交互捻。 考慮眾多因素進行選擇后，確定本次鋼絲繩規(guī)格為： 6V× 37S+． 2． 2 滾筒 （ 1） 滾筒的參數(shù)計算 單滾筒絞車的滾筒直徑，一般可按下式計算： D=( （ 式中： D：滾筒名義直徑（ ：鋼絲繩直徑（ e：筒繩直徑比。 9 20 噸單滾筒絞車設計 表 繩直徑比 結構工作級別 e 4 6 8 0 8 26 滾筒直徑與鋼絲繩直徑比率愈大，對鋼絲繩的使用壽命有利，但是滾筒直徑過大，相應的尺寸和重量都要增大。一般 e 值宜在 20～ 30 范圍內選取。故本次設計中選值 e=26 因 =32入 （ 得： D＝ 32× 25 ＝ 800 =D+ =832 ：滾筒計算直徑 繩槽半徑 R： R=(= R=17準繩槽深度 h： h=（ = h=10準繩槽節(jié)距 p： p= +（ 2 p=34筒長度：多層繞卷筒 L: L= （ 其中 =(= =36入公式（ 計算得 L=1698 2） 滾筒的強度計算 卷筒在鋼絲繩拉力的作用下，產生壓縮，彎曲和扭轉應力，其中壓縮應力最大。當 L 時，彎曲和扭轉的合成應力不超過壓縮應力的 10% 15%,只計算壓應力即可，當 L>3D 時，要考慮彎曲應力。對尺寸較大，壁厚較薄的卷筒還必須對筒壁10 20 噸單滾筒絞車設計 進行抗壓穩(wěn)定性計算。 卷筒筒壁的最大壓應力出現(xiàn)在筒壁的內表面，壓應力 按下式計算： = （ 式中 ：卷筒壁 壓應力（ 絲繩最大靜拉力（ N） ：卷筒壁厚（ 于多層卷繞，δ≈ 2 ＝ 2× 32＝ 64 P：繩槽節(jié)距（ ：應力減小系數(shù)，一般取 ：多層卷繞系數(shù)，按表 （ 取 表 值 卷繞層數(shù) 1 2 3 卷繞層數(shù)為 6 層，則 A=2； ：許用壓應力， 滾筒采 用鑄鋼，因鑄鋼由一定的強度和較好的塑性、韌性，焊接性好。故許用壓應力采用鑄鋼公式： ＝ （ 式中： :屈服強度，查閱參考資料得 ＝ 355入公式 （ 計算出鑄鋼的許用壓應力為： ＝ 237所有數(shù)據(jù)代入 （ 得： ＝ 135 由此可見，最大壓應力小于許用壓應力，強度滿足要求。 4． 2． 3 排繩螺桿 排繩螺桿是排繩機構的主要部件，它通常以 2： 1 的速比減速和貯繩筒配合運轉。排繩螺桿的螺紋升角θ是按螺紋節(jié)距和螺桿直徑來計算的，但θ的選定應考慮滑11 20 噸單滾筒絞車設計 行爪在兩向螺紋交叉處易于跨越和在兩端極限位置易于返回，對于前者，希望θ偏大；對于后者，希望θ偏小實踐表明，一般取約 15°左右為宜。螺紋槽節(jié)距 s，鋼絲繩排列節(jié)距 i 三者關系用下式表示： S＝ 2× 34＝ 68中 如前所述，排繩螺 桿最外端的一段導向槽，做成弧形槽，將兩個方向的螺紋槽連接起來，以便于滑行爪的前進和退回。取由一定曲率半徑的圓弧構成，其長度一般約取螺桿周長的四分之一，或占旋轉 90°角。曲率半徑的大小應使滑行爪易于跨越螺紋槽交叉處的同時，還應滿足滑行爪的順利通過進行轉向，設計時用作圖法得出滑行爪各極限位置和最大轉動角度時的外形尺寸，并使爪的兩端不出現(xiàn)尖角為度。 根據(jù)理論分析， i=2 時亦可得： R＝ （ e＝ （ = （ 式中： R：端部展開弧形槽中心線的曲率半徑（ d：排繩螺桿外徑（ 取 d＝ 100 z：卷筒上排繩圈數(shù)，取 z＝ 47； θ：螺旋線升角。θ＝ t = t = L。 —— 螺桿的螺紋槽部分總長度。 將以上數(shù)據(jù)代入公式 （ 可得： R= = =374mm e= - ＝ － 374=8.5 l。＝ 47× 34- =1416升螺桿梯形螺紋截面尺寸，可按下列經驗數(shù)據(jù)選用： 槽深 : h＝ 7～ 8 槽寬 ： b＝ 8～ 12 傾角 ：α 1＝ 14°、 20°或 30°。 4． 3 傳動零件齒輪計算 （ 1） 選擇齒輪材料、熱處理方法、精度等級、齒數(shù) 變系數(shù)ф 0 噸單滾筒絞車設計 選螺旋角β。 考慮此項設計要求結構緊湊故大齒輪用 45 鋼 ，小齒輪用 45 鋼調質處理后表面淬火，齒面硬度為 217～ 286車為一般工作機械，速度不高，故選用 8級精度，開式硬齒面齒輪傳動，考慮傳動平穩(wěn)性齒數(shù)應選多些，選 24，齒數(shù)比 u ＝ u· 24＝ 108，在滿足傳動前提下，應盡量使 為質數(shù)，至少不要成為整數(shù)比，故 109 以使所有齒輪磨損均勻有利于減小振動，按硬齒面齒輪非對稱安裝查表選定齒寬系數(shù) =1 齒寬系數(shù) 裝置狀況 兩支承相對于小齒輪做對稱布置 兩支承相對小齒輪不 對稱布置 小齒輪懸臂布置 2） 按齒根彎曲疲勞強度設計： 確定公式中個參數(shù)值： ≥ ( 1） 載荷系數(shù) ，試選 = 2） 小齒輪傳遞的轉距 ： ＝ × ＝ × =3） 材料系數(shù) ：查機械設計教材表 104） 大小齒輪的彎曲疲勞強度極限 , ：（查機械設計教材圖 10 ＝ 320＝ 320 5） 應力循環(huán)次數(shù)： ＝ 60 j ＝ 60× 16× 300× 16=0 噸單滾筒絞車設計 ＝ /μ＝ 6） 彎曲疲勞壽命系數(shù) , ：（ 查 機械設計教材圖 10） ＝ ＝ 7） 計算許用彎曲應力： 取彎曲疲勞安全系數(shù) ，則： [ ] ＝ / ＝ 320× M ＝ ， [ ] ＝ /1M ＝ 320× M ＝ 8） 計算大小齒輪的 并加以比較： 查表（機械設計教材表 10齒形系數(shù)和應力核正系數(shù)：=== = =為 > ，故按小齒輪進行齒根彎曲疲勞強度設計。 （ 3） 設計計算： 1）試算齒輪模數(shù) ： ≥ ＝ 2）計算圓周速度 V： V＝ ＝ =0 噸單滾筒絞車設計 3）計算載荷系數(shù)： 查表（機械設計教材表 10 ＝ 根據(jù) V＝ s , 8 級精度，查（機械設計教材圖 10 ＝ 表 (機械設計教材表 10 ＝ 表（機械設計教材表 10= 則 k＝ ＝ 4） 校核齒面接觸疲勞強度： ＝ ≤ [ ]； ( 確定公式中各參數(shù)值： 1）大小齒輪的接觸疲勞強度極限 ， ： ＝ ＝ 1170 2）接觸疲勞壽命系數(shù) , : == 3）計算許用接觸應力： 取安全系數(shù) ＝ 1得， [ ]＝ / =1170/1＝ 1053[ ]＝ / =1170/1＝ [ ]＝（ [ ]＋ [ ]） /2＝（ 1053＋ ＝ 4）材料系數(shù)：15 20 噸單滾筒絞車設計 ＝ ； 5）校核計算： ＝ ＝ ＝ 972 972[ ]，故接觸疲勞強 度滿足要求。 （ 5） 計算齒輪傳動幾何尺寸： 開式齒輪： m＝ 14 ， ＝ 24， ＝ 109； 分度圓直徑： ＝ m =14× 24＝ 336 ＝ m =14× 109＝ 1526m； 齒頂高： ＝ × m＝ 1× 14＝ 14根高： ＝ ( + )m＝ (1+ 14＝ 高： h＝ + ＝ 14+頂圓直徑： ＝ +2 ＝ 336+2× 14＝ 364 ＝ +2 ＝ 1526+2× 14＝ 1554 齒根圓直徑： ＝ 336301 ＝ 15541408 中心距： a＝ ( + )＝ 9316 20 噸單滾筒絞車設計 4． 4．電動機與減速器的聯(lián)接方式 電動機與減速器的連接方式有兩種：一是采用聯(lián)軸器；一是采用直接聯(lián)接方式。聯(lián)軸器 是用來連接兩軸使其一同回轉并傳遞運動和轉矩的一種常用部件?；剞D過程中被連接的兩軸不能脫開，必須在機器停車時將連接拆卸后才能使兩軸分開。聯(lián)軸器分剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器結構簡單，成本低，不能緩沖減震，對兩軸安裝精度要求較高，適用于振動很小的工作環(huán)境。撓性聯(lián)軸器工作可靠，承載能力大，俱備少量補償性能。與其他類型聯(lián)軸器相比，尺寸相同時傳遞轉矩最大。其中彈性套柱銷聯(lián)軸器結構簡單，尺寸小，傳遞效率高。直接聯(lián)接方式，就是電動機直連減速器不需要聯(lián)軸器。一般通過減速器廠家直接生產與電動機相配的減速器。本次設計采用 直接聯(lián)接方式。因為這樣省去聯(lián)軸器可以減輕整體機器的重量，并且設計制造工作量少，維護少，節(jié)約成本。不管采用聯(lián)軸器還是采用直接聯(lián)接方式，轉矩都要滿足以下條件： ＝ 9550 理論轉矩； 驅動功率， 28 n—— 工作轉速， n＝ 975r/ 動力機系數(shù)，因本次設計使用電動機驅動，故取 K—— 工況系數(shù)，本次設計是絞車，中等沖擊載荷，故 K＝ 啟動系數(shù)，啟動頻率在 120～ 240 之間，故 溫度系數(shù)，絞車工作環(huán)境溫度一般在－ 20～ 30℃，故 將所有數(shù)據(jù)代入公式（ ： 9550 9550× × 1× 1 ＝ · m 滾筒的轉速為： N 滾＝ ＝ ＝ 為齒輪傳動比： i 齒＝ ＝ 已知電動機 的轉速為 975r/傳動比： I＝ ＝ ＝ 7 20 噸單滾筒絞車設計 減速器的傳動比： i 減＝ ＝ ＝ 94 =975/94=10.4 r/ 4． 5 構件計算 主軸是本次設計中的一個非常重要的構件，它的作用是支撐滾筒，傳遞轉矩。軸常用的材料是優(yōu)質碳素結構鋼，如 35、 45 和 50，其中以 45 號鋼最為常用，故 本次主軸材料選用 45 號鋼。 1 確定輸出軸運動和動力參數(shù) （ 1）確定電動機額定功率 P 和滿載轉速 P＝ 28 975r/ （ 2）確定電動機－輸出軸總效率η： η＝ （ 3）輸出軸的輸出功率 ＝ 28× （ 4）輸出軸的轉速 ＝ ＝ ＝ （ 5）輸出軸軸段上轉矩 3=N· 6）軸的最小直徑： 式中系數(shù) B，查表 A＝ 91 代入公式得： 162 139 123 115 108 98 91 ＝ 91× ＝ 169整，故 170 軸的受力分析： （ 1）齒輪上力的分析 : 已知大齒輪分度圓直徑 :18 20 噸單滾筒絞車設計 1526圓周力 : 2T2/2× ＝ N 徑向力 :Ft/°＝ N （ 2）軸的總受力 如圖（ 4 圖 4的總受力 已知力： G 滾＝ 25000N G 齒＝ 12230N F 拉＝ 200000N × N × N × N × N a=1500 b=1212 c=390）在 面內： 分解軸上受力 ,得滾筒對軸的作用力： （如圖 4 19 20 噸單滾筒絞車設計 圖 4力為 : =12900N 剪力圖（如 4 圖 4距為： ＝ G 滾· a· ＝ 其彎距圖（如圖 4 圖 4輪的作用分析（如圖 40 20 噸單滾筒絞車設計 圖 4＝ ＝ 97770N 剪力為： ＝ 12292N ＝ 剪力圖（如 4 圖 4距為： ＝ P· (a+b) ＝ 其彎矩圖（如 4 圖 41 20 噸單滾筒絞車設計 總合成： M 總＝ 3＝ Q 總＝ 2＝ 24988N 其總剪力圖（如圖 4 圖 4C 段 M 總＝ 4＝ Q 總＝ 4＝ 總彎矩圖（如圖 4 圖 4）在 面內軸的受力： （如圖 4 圖 4解軸上受力 ,得鋼絲繩對軸的作用力 :（如圖 4 22 20 噸單滾筒絞車設計 圖 4C＝ F 拉× ＝ 200000× =8 剪力為： ＝ 104N 其剪力圖（如圖 4 圖 4距為： 107N· C 段 － 107N· 彎矩圖（圖 4 圖 40 噸單滾筒絞車設計 齒輪對軸的作用力 （如圖 4 圖 4＝ += P· ＝ 108N· 力為： ＝ 105N· 剪力圖（如圖 4 圖 4距為： 108N － 107N 其彎矩圖 (如圖 425 20 噸單滾筒絞車設計 圖 4合成： M 總 ＝ 32 ＝ 108N· 總剪力圖（如圖 4 圖 4C 段 M 總＝ ＝ N· 總＝ ＝ N· 總彎矩圖（如圖 4 圖 4 面內最危險截面上： σ 1＝ ＝ ＝ 1＝ ＝ 0 噸單滾筒絞車設計 在 面內最危險截面上： σ 2＝ ＝ ＝ 2＝ ＝ 主軸材料為 45 鋼調質處理，查得 [σ s]＝ 355σ ]＝ ＝ ＝ 208τ ]＝ ]＝ 208＝ 1<[σ ], σ 2<[σ ] τ 1<[τ ], τ 2<[τ ] 故滿足強度條件。 26 20 噸單滾筒絞車設計 第五章 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子 系統(tǒng)，轉為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的，它采用一類可編程存儲器，用于其內部存儲程序。執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時和記數(shù) ，算術操作等方面面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或者模擬式輸入輸出控制各種類型的機械或者模擬式輸入輸出控制各種類型的機械或生產過程。可編程控制器及其外部有關設備都按易于工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體，易于擴充其功能原則設計的，可編程控制器的性能指標是有使用者先提出的，它具有以下四個特點： （ 1） 可靠性高； （ 2） 編程方便； （ 3） 對環(huán)境要求低； （ 4） 與其他裝置配置連接方便； 對于絞車電 控系統(tǒng)原理的調速控制要求，對電氣控制系統(tǒng)中的電動機串電阻調速部分進行該進，開關量輸入共需 17個輸入點，輸出點共需 29個點，故選擇 56可編程控制器，改可編程控制器共有 32個點輸入， 24個點輸出，共 6個字量 I/入寄存器為 出寄存器為 內置時鐘，它有更強的模擬量和高速計數(shù) 的處理能力，在這次設計中不需要擴張模塊，除滿足該系統(tǒng)以外還有余量。所以松下公司的 56可編程控制器控制可靠、價格較低、性能優(yōu)良、程序容量較大、運行速度快、編程靈活等特點、即提高工作質量 ，又取得了良好的經濟效益。 根據(jù)礦用提升絞車的控制要求，按 功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格比的最優(yōu)化機型，設計 5 27 20 噸單滾筒絞車設計 件系統(tǒng)設計 檢、故障診斷、調速系統(tǒng)控制及安全保護等工作。系統(tǒng)開機運行， 著完成自檢及提升絞車初始顯示，當28 20 噸單滾筒絞車設計 收到開車指令時， 系 統(tǒng)運行過程中，當 近開關或者變頻器故障等外部控制信號時， 頻器故障監(jiān)控等。當有故障出現(xiàn)時刻轉到相應的故障處理模塊進行處理，并通過報警回路報警或安全回路視線抱閘停車保護。 流程圖 。選擇 括機型的選擇， I/源模塊的選擇等。 對 I/定外部輸入輸出 元件與 點的連接關系，完成 I/ 29 20 噸單滾筒絞車設計 表 輸入 信號 輸入 1 3 5 7 標號 能 電源控制開關 操作指令作指令作指令作指令作指令作指令作指令入 9 B D F 標號 - 功能 操作指令作指令作閘 腳踏開關 正傳減速信號 反正減速信號 電機電路開關 停車按鈕 表 輸出 信號 輸出 1 3 5 號 功能 電源接通 電機開始正傳 電機開始反轉 第一級加速 第二級 加速 第三級加速 第四級 加速 輸出 8 A C 號 功能 第五級速度 第六級加速 第七級加速 第八級加速 提升信號 操作零位 減速信號指示 表 內部繼電器 1 3 5 7 標號 功能 內部繼電器 護繼電器 主控繼電器過卷繼電器 外過卷電電器 超速故障 正傳繼電器 轉繼電器 部繼電器 9 B D 11 標號 功能 油壓開關 速繼電器作閘繼電器踏動力制動電器弧繼電器電器電器1部繼電器 13 15 17 標號 功能 繼電器2電器3電器4電器5電器6電器7電器8 時間繼電器 11 13 號功能 減速繼電器S 延時繼電器1時繼電器2時繼電器3時繼電器4間繼電器 16 18 號功能 延時繼電器5時繼電器 6S 延時繼電器7S 延時繼電器8S 弧繼電器 30 20 噸單滾筒絞車設計 形圖 34 20 噸單滾筒絞車設計