5吨电动卷扬机的设计 毕业论文.doc

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1、摘要 随着社会的发展，机械将会越来越取代人力，这也是机械行业飞速发展的 后果，在机械的发展历史中，新机械的发明有着举足轻重的作用。但是，那些 很久以前就被利用生产并一直延续到今天的机械，更是起着不可替代的作用， 卷扬机就是一例。卷扬机的发展就像其他机械一样，从开始的简单到现在的复 杂，从以前的机械动力到现在的电力动力，从以前的人工操作到现在的电脑操 作甚至智能操作。本设计就传统的卷扬机说起，一直到现在以及将来的发展。 本设计主要设计了 5 吨卷扬机的卷筒、卷筒轴、卷筒毂、减速器以及滑轮 组。其中卷筒和卷筒轴的设计最为主要，本设计重点做了介绍。其余部分由于 篇幅有限，只是略作分析。 关键词：卷扬

2、机；卷筒；卷筒轴；滑轮组 Abstract Along with societys development, the machinery will be able more and more to substitute for the manpower, this also will be the mechanical profession rapid development consequence, in the machinery substitution manpower development history, the new machinery invention has the p

3、ivotal function. But, these very for a long time on and continue continuously using the production to today machinery, is playing the role which cannot be substituted, the hoist is an example. The hoist development is likely same on other machineries, from starts simply until present complex, from b

4、eforehand manpower to present electric power, from beforehand manual control to present computer operation even intelligence operation. This design mentions on the traditional hoist, continuously to present as well as future development. The design instruction booklet has mainly designed 5 ton hoist

5、 reels, the reel axis, as well as the block and tackle. Reel as well as the reel axis design is most main, this design has made the introduction with emphasis. Because other parts the length is limited, only makes the analysis slightly. Key words: Windlass; Reel; Reel axis; Block and tackle 目 录 摘 要

6、. Abstract. 第一章 概论 .1 1.1 卷扬机发展概况 1 1.1.1 卷扬机的应用 1 1.1.2 卷扬机的发展概况 1 1.1.3 国外卷扬机概况 3 1.1.4 卷扬机的发展趋势 .5 1.2 卷扬机主要类型 5 1.3 电动卷扬机基本结构 .7 1.3.1 电控卷扬机 7 1.3.2 带有电磁铁制动器的卷扬机 8 1.3.3 采用锥形转子电动机的卷扬机 9 1.3.4 溜放型卷扬机 10 第二章 起升机构的组成及型式 .10 2.1 起升机构的组成 10 2.2 起升机构的典型传动型式 12 第三章 钢丝绳 的选择 .14 3.1 钢丝绳 的种类和构造 14 3.2 钢丝绳

7、直径的选择 15 3.3 钢丝绳的使用 17 第四章 卷筒的结构设计及尺寸确定 .18 4.1 卷筒的分类 18 4.2 卷筒绳槽的确定 19 4.3 卷筒的设计 20 4.3.1 卷筒节径 D0 的设计 20 4.3.2 卷筒长度的计算 .21 4.3.3 卷筒壁厚的计算 .22 4.4 卷筒强度的计算 23 第五章 卷筒轴的设计计算 .24 5.1 卷筒轴的受力分析与工作应力分析 24 5.2 卷筒轴的设计计算 25 5.2.1 作用力计算 25 5.2.2 垂直面支承反力及弯矩 27 5.2.3 水平面支承反力及弯矩支反力 27 5.2.4 计算工作应力 28 5.2.5 心轴的疲劳强度

8、计算 28 5.2.6 心轴的静强度计算 30 第六章 电动机的选择 .30 6.1 电动机选择 30 6.2 验算电动机的发热条件 32 第七章 减速器的设计计算 .32 7.1 减速器总传动比计算 32 7.2 减速器的计算 33 7.2.1 分配减速器的各级传动比 33 7.2.2 计算传动装置的运动和动力参数 33 7.2.3 圆柱齿轮的设计计算 35 7.2.4 齿轮的参数设计 36 7.2.5 齿轮轴的参数设计 41 第八章 滑轮及吊钩选择 .42 8.1 滑轮的结构与材料 42 8.2 滑轮的直径计算 44 8.3 吊钩的结构 44 8.4 吊钩的计算 45 第九章 制动器、联轴

9、器的选择 .46 9.1 制动器分类、特点及其选择 46 9.2 制动器工作原理 47 9.3 联轴器的选择 47 第十章 小车行走机构设计 .48 10.1 轨道 49 10.2 车轮与车轮组 49 10.3 车轮直径的计算 49 第十一章 安全设计及电气控制 .50 11.1 安全设计 50 11.2 电气控制 51 第十二章 卷杨机的安全技术 .52 谢词 .53 参考文献 .54 第一章 概 论 1.1 卷扬机发展概况 1.1.1 卷扬机的应用 卷扬机又称绞车，是起重垂直运输机械的重要组成部分，配合井（门）架、 桅杆、滑轮组等辅助设备，用来提升物料、安装设备等作业。由于它结构简单、 操

10、作方便、维护保养简单、使用成本低、可靠性高等优点，广泛应用于建筑、 水利、冶金起重作业。 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。 1.1.2 卷扬机的发展概况 在很久以前的古代，就知道来用辘轳等

11、来提升重物，以减轻体力劳动的强 度和提高劳动生产率。在我国，解放前卷扬机只有在一些大型企业中才被使用， 应用很少，而且所使用的卷扬机也均为国外生产，国内基本上没有生产卷扬机 的厂家。 我国卷扬机的生产是解放后才开始的。50 年代为满足恢复经济的需要和 第一个五年计划的得要，卷扬机的生产被提到了日程上。原沈阳国泰机器厂(阜 新矿山机械厂前身)等成批仿制了两种卷扬机，一种为日本的 JIS8001 型动力卷 扬机，它是一种原动机为电动机动型式是开式圆柱齿轮传动，双锥体摩擦离合 器，操作为手扳脚踩的快速卷扬机，另一种是按苏联图纸制造的 1011 型和 1012 型普通蜗杆传动、电控慢速卷扬机。由于当时

12、生产力不高，卷扬机的需求 量亦不多，故这段时间国内卷扬机的生产主要是仿制。 随着生产力的发展，到了 60 年代，卷扬机的生产和使用越来越多。为了 协调生产，卷扬机主要生产厂家(阜新矿山机械厂、天津卷扬机厂、山西机器广、 宝鸡起重运输机厂等)组成了卷扬机行业组织，隶属于第一机械工业部矿山机械 行业。为了发展卷扬机的生产，行业组织了有关厂家的人员对全国卷扬机的生 产相应用情况进行了调查。在调查的基础上，开始自行设计和制造新的卷扬机， 先后试制了 0.5t、lt、3t 电动卷扬机，但由于对当时各厂家的生产能力估计不足， 无法推广。 （4）蜗杆减速器加开式齿轮传动的卷扬机。 对一些起重量大的卷扬机，为

13、使钢丝绳在卷简上排列整齐，需要安装排 绳器。按设计规范要求，在钢丝绳拉力 F120kN 的卷扬机上，均应安装 排绳器。 1.3.3 采用锥形转子电动机的卷扬机 此类卷扬机利用锥形转子电动机本身所具有的制动性能来实现卷扬机的制 动。由于锥形转子电动机是靠转子轴向移动来实现制动或松开的，可省略单独 的制动器，在结构上就要求电动机与传动系统间能做轴向相对移动。一般，轴 向移动是通过可移式联轴器把电动机轴的运动传递到传动系统来实现的。由于 此类卷扬机的电动机轴线与卷筒轴线为同轴，故习惯上把这类卷扬机叫做一字 型结构卷扬机。根据传动系统的不同，其可分为： （1）定轴轮系传动 这是 1988 年行业组织的

14、系列设计中的一种机型。 （2）渐开线圆柱齿轮行星传动 常见的有封闭型 2KH 型行星轮系和 3K 型行星轮系传动的卷扬机。 （3）接线针轮传动 由于摆线针轮传动一级减速的减速比比较大，故采用 一级减速即可。这种传动可把传动系统放在卷筒里面，可减小卷扬机体积。 （4）少齿差行星传动 少齿差传动可得到大的传动比，并可把传动系统放 在卷筒内，使结构紧凑。 上述摆线针轮行星传动和少齿差行星传动的输出机构是很重要的一环，可 实现偏心输出的机构有很多，但考虑到加工和效率的原因，目前采用较多的是 销轴式，但其加工精度及热处理要求较高，卷扬机生产厂家比较难以达到。所 以有的厂家采用了零齿差传动输出机构，其设计

15、较为复杂，但加工较为容易， 效果亦不错。 （5）谐波传动 此传动的传动比大，啮合齿数多，所以承载能力大，故其 体积、质量可更小。但其柔轮的要求较高，生产较为困难。 （6）活齿行星传动 又叫顶杆蠕动传动，它的加工相对比较方便。 1.3.4 溜放型卷扬机 此类卷扬机提升重物的下降不是利用电动机反转来实现而是靠置物的重 力下降，并带动卷简反转，此时电动机不转。要在电动机和卷筒之间实现其运 动的联接或分离，通常采用离台器或差动轮系。由于电动机和卷筒可分可合， 因此卷筒的数目可以增多，而各卷筒又可各自完成自己的运动，则此类卷扬机 可设计成单卷筒、双卷筒和多卷筒的型式。 为保证各卷筒的运动或停止，其离合和

16、制动装置都直接安装在卷筒上。 第二章 起升机构的组成及型式 2.1 起升机构的组成 起升机构是使重物作升降运动的机构，它是任何起重机必不可少和最主要最 基本的机构。 此次设计的电动 5 吨卷扬机是由电动机、连轴器、制动器、减速器、卷筒、 导向滑轮、起升滑轮组、钓钩等组成（如图 2-1） 。 图 2-1 起升机构示意图 1电动机 2联轴器 3减速器 4 卷筒 5导向滑轮 6滑轮组 7吊钩 电动机正转或反转时，制动器松开，通过带制动轮的联轴器带动减速器高 速轴，经减速器减速后由低速轴带动卷筒旋转，使钢丝绳在卷筒上绕进或放出， 从而使重物起升或下降。电动机停止转动时，依靠制动器将高速轴的制动轮刹 住

17、，使悬吊的重物停止在空中。 根据需要起升机构上还可装设各种辅助装置，如起重量限制器、起升高度限 位器、速度限制器和钢丝绳作多层卷绕时，使钢丝绳顺序排列在卷筒上的排绳 装置等。 2.2 起升机构的典型传动型式 在电动机与卷筒之间通常采用效率较高的起重用标准两级减速器。要求低速 时可采用三级大传动比减速器。为便于安装，在电动机与减速机之间常采用具 有补偿性能的弹性柱销连轴器或齿轮连轴器。前者构造简单并能起缓冲作用， 但弹性橡胶圈的使用寿命不长；后者坚固耐用，应用最广。齿轮连轴器的寿命 与安装质量有关，并且需要经常润滑。 一般制动器都安装在高速轴上，这样所需要的制动力矩小，相应的制动器尺 寸小，重量

18、轻。经常利用联轴器的一半兼作制动轮。带制动轮的半体应安装在 减速器高速轴上。这样，即使联轴器被损坏，制动器仍可把卷筒制动住，以确 保机构的安全。 起升机构的制动器必须采用常闭式的。制动力矩应保证有足够的制动安全 系数。在重要的起升机构中有时设两个制动器，而第二个制动器可安装在减速 器高速轴的令一伸出端或装设在电动机的尾部出轴上。 为使机构布置方便并增大补偿能力，在电动机与减速机之间可用浮动轴连接， 浮动轴的两端为半齿轮连轴器。 卷筒与减速器低速轴之间的连接型式很多。本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

19、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。如图（2-2） 。 图 2-2 用齿轮接盘连接型式 卷筒的直径一般尽量选用允许的较小值，因为随着卷筒直径的增加，扭矩和 减速传动比也增大，引起整个机构庞大。但在起升高度较大时，往往用增大卷 筒直径的方法以减小其长度。 滑轮组型式（单联或双联）和它的倍率对起升机构的尺寸也有很大的影响。 在桥式起重机中采用双

20、联滑轮组，一方面使卷筒两支撑上的受力不变，也就是 使运行小车两边的轨道轮压不变，这对桥架和小车车架受力使有利的；另一方 面是使重物在起升过程中不作横向移动。但由于双联滑轮组的倍率比单联滑轮 组小一倍，起升机构的传动比也需要增大一倍，这就使机构尺寸增大，所以其 他的起重机采用单联滑轮组，此次设计的是 5 吨桥式起重机的卷扬机，因此选 用双联滑轮组，如图（23） 。 图 23 双联滑轮组 1、动滑轮 2、定滑轮 3、卷筒 滑轮组的倍率的确定对钢丝绳的拉力、卷筒直径与长度、减速机构的传动 比以及机构的总体尺寸有很大的影响。大起重量采用较大的倍率，可避免采用 过粗的钢丝绳。有时在采用较大的滑轮组倍率的

21、同时相应的降低了起升速度的 方式来提高起重量，可以使起升机构达到通用性，即将同一起升机构用于不同 的起重量，这是在系列设计时常采用的方法。 起升机构计算是在给定了设计参数，并将布置方案确定后进行的，通过计算 选用机构选用机构中所需要的标准零部件，如电动机、制动器、减速器和联轴 器等。对于非标准零部件需进行单独设计。 此卷扬机设计提升载荷 5 吨，主要用于炼钢厂 5 吨桥式起重机上，本卷扬机 是利用炼钢厂现有设备和材料拼凑而成，因此与标准的 5 吨卷扬机设计略有不 同。 此次设计的卷扬机设计的主要参数有： 额定起升重量： 5 吨 起升高度： 14 米 起升速度： 12.5 米/分 卷扬机用途：

22、用于 5 吨桥式吊车起升机构 工作条件： 频繁启动 粉尘量大 第三章 钢丝绳的选择 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。 3.1 钢丝绳的种类和构造 钢丝绳由许多高强度钢丝编绕而成，可单捻、亦可双捻成形。绳芯常采用天 然纤维芯(NF)、合成纤维芯(SF)、金属丝绳芯(IWR)相金属丝股芯(IWS)。纤维 芯钢丝绳具有较高的挠性和弹性，缠绕时弯曲应力较小，但不能承受横向压力， 金属丝芯钢丝绳强度较高，能承受高温和横向压力，但挠性较差。卷扬机系多 层缠绕更适合选用多捻制金属丝芯

23、钢丝绳。 钢丝绳的种类，根据钢丝绕成股和股绕成绳的相互方向可分力： (1)顺捻钢丝绳 顺捻钢丝绳义分为右同向捻（ ZS）和左同向捻(SS)。此类 钢丝绳钢丝绕成股和股绕成绳的旋转方向是一致的。其特点是：钢丝绳挠性 好磨损小，使用寿命长。但容易松散和扭转。它不允许在无导轨情况下作单 独提升，故在不松散的情况下或有刚性导轨时应用为宜。 (2)交捻钢丝绳 交捻钢丝绳，又分为右交互捻(ZS)和左交互捻（SZ） 。钢 丝绳钢丝绕成股与股绕成绳的方向相反，它的挠性与使用寿命都较顺捻钢丝绳 差但绳与股的扭转趋势相反，克服了扭转和易松散的缺陷，故卷扬机应优先 选用。 钢丝绳的种类根据钢丝绳中钢丝与钢丝的接触状

24、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

25、，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。 3.2 钢丝绳直径的选择 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： （3pgrSnF 1） 式中 整条钢丝绳的破断拉力(N)。pS 卷扬机工作级别规定的最小安全系数。n 钢丝绳的额定拉力(力)

26、。rF 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 M的钢丝绳直径。rF 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；（机械设计手册第二册） 钢丝绳直径不应小于下式计算的最小直径 （3maxinFcd 2） 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、钢丝绳是否旋转以及吊运 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。

27、可参考机械设计手册第二册进行选取。 该设计卷扬机额定载荷 5 吨，采用双联滑轮起重滑轮组，所以每根承受载荷 Fmax F 总 1.25 N，该卷扬机用于冶金行业铸造用，所以工作级别为41410 M7，查机械设计手册第二册钢绳系数选择 c0.123。 maxincd 0.123 13.78 mm1250 所以钢丝绳选择 d=14 mm。 按钢丝绳所在机构工作级别来选钢丝绳直径时，所选的钢丝绳拉断力应满足下 式：（机械设计手册第二册） F0 n Fmax （3 3） 式中 F0所选用钢丝绳最小拉断力（N） n安全系数，查手册选 n=7 所以 F0 71.25 =8.75 N=87.5KN4104

28、又钢丝绳最小拉断力总和等于钢丝绳最小拉断力1.134（纤维芯）或 1.214（钢芯） ，所以钢丝绳最小拉断力总和为 87.51.134=99.225KN （本设计中钢丝绳不接触高温，横向压力较小，选用纤维芯钢丝绳） 查机械设计手册，钢丝绳型号选择： 钢丝绳 619（a ）类 14NATFC1470ZS10279.5 型号解释如下： 14钢丝绳直径 NAT钢丝表面状态（光面钢丝） FC钢丝绳的结构形式（纤维芯） 1470钢丝公称强度（ ） 2mN ZS捻向（左交互捻） 102钢丝绳最小破段拉力 KN 79.5单位长度重量 kg/100m 3.3 钢丝绳的使用 钢丝绳在工作时卷绕进出滑轮和卷筒，除

29、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

30、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，必须考虑新钢丝绳直径较公称直径有 68 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

31、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。 钢丝绳的报废处理，

32、可参考有关标准相资料。 第四章 卷筒的结构设计及尺寸确定 卷筒尺寸的由已知起升速度、起升高度和钢丝绳的尺寸来确定。 卷筒用来卷绕钢丝绳，把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并把原动机的回 转运动变为所需要的直线运动。卷筒通常是中空的圆柱形，特殊要求的卷筒也 有做成圆锥或曲线形的。 4.1 卷筒的分类 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。本设计采用单层绕。 按照卷筒的表面分，有光卷筒和带螺旋槽卷筒两种。光卷筒用于多层卷绕， 其结构比较简单，钢丝绳按螺旋形紧密

33、地排列在卷筒表面上，绳圈的节矩等于 钢丝绳的直径。由于钢丝绳和卷筒表面之间接触应力较高，相邻绳圈在工作时 又有摩擦，钢丝绳使用寿命就要降低。为了使钢丝绳在卷筒表面上排列整齐， 单层绕卷筒一般都有螺旋槽，有了绳槽后，使钢丝绳与卷筒的接触面积增加， 因而减小了它们之间的接触应力，也消除了在卷筒卷绕过程中绳圈间可能产生 的摩擦，因 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L0D 当 3 时只计算压应力即可。0 本设计中 L=1000mm D=400 mm，符合 3 的要求，所以只计算压应L0D 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 （4tFma

34、xbc 10） 其中 为钢丝绳单层卷绕时卷筒所受压应力（ ）aMP 为钢丝绳最大拉力（N）maxF 为卷筒壁厚 A 为应力减小系数，一般取 A=0.75 为许用压力，对于铸铁 =bc bc5 为铸铁抗压强度极限 所以 =A tFmaxbc =0.75 16520 39aMP 查教材机械设计基础知 195 ，所以 39 。baPbcaMP 所以 bc 经检验计算，卷筒抗压强度符合要求。 第五章 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。 5.1 卷筒轴的受力分析与工作应力分析 常用的卷筒轴分轴固定式轴转动式（图 51）两种情况。卷扬机卷筒

35、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01r 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

36、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 51 卷筒轴的类型 a: 轴固定式 b、c: 轴转动式 5.2 卷筒轴的设计计算 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 KN，卷筒直径rF41.250 400mm，钢丝绳的直径 14mm，外齿轴套齿轮分度圆直径

37、 D224mm，0Dd 查机械传动设计手册，轴的材质选择 45 钢，调制处理， ，650MPB ， ， 。360SMP130P01bMP 由图 51 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。 计算时，卷筒支承作用到心轴的力，可简化为作用于轴承宽度中点的集中力， 左端距支承点 72.5mm，右端距支承点 202.5mm。 查机械设计手册、机械传动设计手册、起重机设计手册，初步得到心轴各 段直径和长度，如图 5-2 所示,本设计心轴左边选用调心

38、滚子轴承圆柱孔 20000 型，右边选用调心球轴承圆柱孔 10000（TN1、M ）型。 图 5-2 心轴的各部分尺寸 将轴上所有作用力分解为垂直平面的力和水平平面的力，见图 53 所示。 图 53 轴的弯矩图 5.2.1 作用力计算 齿轮圆周力： （512tTFd 1） 1 2eDd 304568 18.7 （KN） 齿轮径向力： （5rtFgA 2） 18.7tg20 6.8 （KN） 5.2.2 垂直面支承反力及弯矩 支反力，简图 83b。 （57059etDVFR 3） 26.92（KN） （578069teCVFR 4） 15.63（KN） 弯矩，见图 83c。 （550AVCMR

39、5） 1.63 -781.5（KN mm）A （50BVDMR 6） 60 26.9 1615.2 （KN mm）A 5.2.3 水平面支承反力及弯矩支反力， 水平面支承反力见图 53d。 （5089rDHFR 7） 506.89 0.382（KN） （5480rCHFR 8） 6.9 6.42（KN） 弯矩计算，见图 83e （550AHCMR 9） 50 6.42 321 （KN mm）A （560BHDMR 10） 60 0.382 22.9 （KN mm）A 合成弯矩，见图 83f （52AVAHM 11） 22781.53 844.8 （KN mm）A （52BVBHM 12） 22

40、1659 1615.3 （KN mm）A 5.2.4 计算工作应力 此轴为固定心铀，只有弯矩，没有转矩。由图 83 可知最大弯矩发生在 剖面 B 处。设卷筒轴该剖面直径为 ，则弯曲应力为：Bd （530.1bbM 13） 则： 30.1BBhd 3365. 74.46 （mm） 圆整后 75 （mm） ，中间轴段 7515 90 （mm）Bd0d 5.2.5 心轴的疲劳强度计算 卷筒轴的疲劳强度，应该用钢丝绳的当量拉力进行计算，即 （5deFK 14） 式中 钢丝绳的当量拉力(N)；dF 当量拉力系数。K 为使计算简便，可假设 1。由前述可知，心轴应力的性质可认为是按dK 脉动循环规律变化，则

41、 。弯曲应力为2bmn （530.1dBbM 15） 3165.0 97.1 （MP） 平均应力 和应力幅 为ma （52bmn 17） 97.1 48.55 （MP） 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，可以认为置截面是危险截面，应在此处计算袖的疲劳强度。 查得有效应力集中系数尺 1.88，表面状态系数 0.92，绝对尺寸系数K 0.78，等效系数小 0.34。 疲劳强度计算的安全系数为 （51amSK 18） 301.84.548.50792 2.1 一般轴疲劳强度安全系数 ，所以该轴疲劳强度足够。1.S 5.2.6 心轴的静强度计

42、算 卷筒轴的静强度计算，需要用静强度计算拉力，可按下式求得： （5maxjeF 19） 式中 静强度计算最大拉力 (N)；maxjF 动载荷系数，查手册。此处取 。1.35 静强度计算安全系数 （5max/ssSMW 20） /sB 3601.35./15 2.75 当 时 ，该轴静强度足够。/0.6sb.24S 所以该轴符合本设计要求。 此外，还有些卷筒轴、具有多支承，如三支承。对这类静不定问题可用三弯 矩方程方法计算轴受力，同时在设计中还应考虑轴的结构、支承型式以及底座的刚 度等问题。 第六章 电动机选择 6.1 电动机选择 正确选择电动机额定功率的原则是：在电动机能够满足机械负载要求的前

43、 提下，最经济、最合理地决定电动机功率。 本设计 5 吨桥式吊车卷扬机属于非连续制工作机械，而且起动、制动频繁， 工作粉尘量大。因此，选择电动机应与其工作特点相适应。 查机械设计手册，吊车用卷扬机主要采用三相交流异步电动机。根据吊车 行业的工作特点，电动机工作制应考虑选择短时重复工作制 和短时工作制 ，3S2S 并优先选用 YZR(绕线转子)、YZ( 笼型转子)系列起重专用电动机。多数情况下 选用绕线转子电动机；在工作条件较轻，接电次数较少时，亦可采用笼型转子 电动机。对于小吨位卷扬机，考虑到多方面因素，其电动机工作制也允许选择 连续工作制 。本设计电动机工作制度为断时工作制，因此不用考虑电动

44、机的1S 发热计算。 查机械设计基础实训教程，按浸油润滑条件考虑取高速级传动比 =1.41i ，式中 为低速级传动传动比。2i2i 即 = =1.4 （7i12i 3） 所以 = =5.032i4.1 =7.03i 7.2.2 计算传动装置的运动和动力参数 电动机到卷筒轴的总传动效率为 4231 查机械设计手册知： =0.99（齿形联轴器）1 =0.98（滚子轴承）2 =0.97（齿轮精度为 8 级）3 =0.99（齿形联轴器）4 所以总传动效率 =0.99 =0.889.07.9.023 卷筒轴所得到的功率为 0.88 =0.88 7.5=6.61KW6.311KWdP 所以以上所选参数符合

45、要求。 （ 为电动机功率）dP （1）计算各轴转速 轴 (r/min)01ind751 轴 （r/min）4.0.2 轴 （r/min）9.3.513in 卷筒轴 （r/min）9.4 （2）计算各轴功率 轴 （KW）425.79.051011 ddpP 轴 (KW )18.321212p 轴 (KW )7.69.0.732233 P 卷筒轴 (KW )6.9.0644 （3）计算各轴转矩 电动机轴输出转矩为： （N.m）6.1075.5ddnPT 轴 （N.m）6.109.6.1001id 轴 321122 i =100.6 7.04 0.98 0.97=673.1 （N.m） 轴 3223

46、3 iTiT =673.1 5.03 0.98 0.97=3218.5（N.m） 卷筒轴 （N.m）5.129.085.14234 将计算数值列表如下： 节点区域系数 =2.464 =0.779HZ 螺旋角系数 =0.992Z 取 =1d 所以 23 2 3 )3.5279.0468.19(95.1).(067. =101.1（mm） （3）主要尺寸计算 模数 （mm）13.520cos1.cos12 Zdmn 取整数 （mm）52n 中心距 （mm）63.04cos)(12122an 取整数 （mm）351 计算实际螺旋角： 21)(arcosZmn = 039.1 螺旋角改变不大，系数 、 、 、 不在修正。EHZ 分度圆直径 d =101.7 (mm)02139.csomZn =508.3 (mm)2.d 齿顶圆直径 da (mm)7.1527.101 anahm (mm)3.83.8212d 齿根圆直径 f