自由落鉤卷揚機機構設計

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1、 自由落鉤卷揚機機構設計 摘要 本設計主要介紹了液壓卷揚機的結構、總體設計及工作情況。其中對液壓卷揚機傳動系統(tǒng)的設計做了分析和理論推導,為開發(fā)同類產品提供了設計方法。卷揚機是鉆探施工中升降鉆具、套管及處理孔內事故的主要設備之一。液壓卷揚機結構緊湊,傳動平穩(wěn),調整范圍大,操縱簡單,易于安裝。它即可與鉆機配套,又可獨立使用,是一個很值得開發(fā)的產品。 隨著我國各項事業(yè)的迅猛發(fā)展,對相關設備的安全性、方便靈活性和工作效率提出了更高的要求。為滿足現在施工升降機的需要及冶金、礦山、輕工等行業(yè)起重設備更新之需,設計制造自由落鉤卷揚機是事在必行的。本卷揚機采用三級行星齒輪傳動，行星齒輪傳動體積小，能夠

2、滿足卷揚機的結構要求，同時行星齒輪傳動效率高，承載能力大，工作平穩(wěn)，用三級行星齒輪傳動增大了轉動比，從而達到了設計要求。 關鍵詞：自由落鉤卷揚機；卷筒；傳動比；行星齒輪；效率 - 46 - Abstract The paper introduces the structure, design and working condition of a hydraulic hoister. Make analysis and theoretical guide for the hydraulic hoister which provides design m

3、ethods for the development of similar products. Hoister is one of the main equipment in drilling construction tripping, casing and handling accidents in the hole. Hydraulic hoister has the compact structure, smooth transmission, large adjustment range, manipulating simple and easy to install. It can

4、 be used independently, and is a very worthwhile product to development. With the rapid development of many kinds of enterprise in our country, many requests are set for the convenience flexibility and the working efficiency of the correlation equipment security. To meet the needs of modern co

5、nstruction and the updating of metallurgy, mining, light industry and other sectors lifting equipment, design the freedom hook-dropping hoister is going necessarily. The hoister used three planetary gear, the driving volume of planetary gear is small, which can meet the structural requirements of ho

6、ister, Meanwhile planetary gear has high driving efficiency, bearing capability is great, smooth, three level planetary gear is used to increase the transmission ratio, so as to achieve the design requirements. Key words: The Freedom Hook-dropping Hoister; Drum; Velocity Ratio; Planet Gear; Effic

7、iency 目錄 摘要 I Abstract II 目錄 III 前言 1 第1章 緒論 1 1.1 選題的背景和的 1 1.2國內外研究狀況和相關領域中已有的研究成果 2 1.3對選題的研究設想、研究方法 2 1.4預期結果和意義 3 第2章 自由落鉤卷揚機主要技術參數 5 2.1基本參數 5 2.1.1鋼絲繩的額定拉力 5 2.1.2鋼絲繩的平均速度 5 2.1.3鋼絲繩的卷繞長度 5 2.2工作級別和載荷狀態(tài) 5 2.3本章小結 7 第3章 卷揚機的總體方案設計 8 3.1 結構設計 8 3.2 自由落鉤卷揚機的結構設計 10 3.3傳動

8、系統(tǒng)的設計 11 3.3.1 馬達的選取 11 3.3.2 傳動系統(tǒng)方案的種類 12 3.3.3傳動系統(tǒng)的確定 18 3.3.4 傳動系統(tǒng)各級齒輪參數選擇計算 19 3.3.5 傳動系統(tǒng)的運動學，動力學及效率計算 26 3.4本章小結 27 第4章 主軸部分的設計 28 4.1 軸的設計 28 4.2 本章小結 31 第5章 離合器和制動器的選擇 32 5.1離合器的選擇 32 5.1.1離合器的概念 32 5.1.2 離合器的分類及功用 33 5.1.3 常閉離合器的計算 3 5.2 制動器的選擇 38 5.3 本章小結 39 結論 41 參考文獻 42

9、 第1章 緒 論 1.1 選題的背景和目的 眾所周知卷揚機在工程領域是廣泛應用的一種機械設備，國內外均對發(fā)展其相關技術很重視。目前國內卷揚機的減速傳動機構大都使用傳統(tǒng)的定軸輪系減速器，驅動方式主要是機械式，制動裝置大都采用電磁塊式制動，控制方式則為單一的手動或電動控制。而國外的卷揚機減速傳動機構普遍使用了蝸輪減速器或行星減速器行星減速器因為體積小，易于應用于各種規(guī)格，故用得最多，驅動方式有機械和液力驅動兩種，制動裝置則采用制動效能更高的多片摩擦片制動，控制方式采用了更安全可靠的遙控控制，并且由于使用了微處理器，能對卷揚機使用中的復雜工況進行全工況的自動控制并提供安全保護措

10、施。在傳動方面，從國外的發(fā)展情況看，行星減速器的推廣使用成了國內卷揚機技術發(fā)展的重要方向。 各種競爭機制的引入，科技是第一生產力的概念逐漸被人們所認識，所接受。改革開放之后是我國卷揚機設計制造技術發(fā)展最快的時期。國家也制定了有關卷揚機的配套標準、規(guī)范。新產品種數近十個，其中最具有代表性的產品有福建省機械廠的行星傳動卷揚機、昆明機械廠的少齒差傳動卷揚機、長沙建筑機械研究所與福州市建筑機械廠聯合開發(fā)的仿日本sebum公司采用立式齒輪傳動的電控卷揚機，廣州市一建公司機械廠的高速卷揚機適應高層建筑的多功能需要，而江蘇海門第三機械廠引進專利技術開發(fā)的系列多排頂桿蠕動傳動的卷揚機分為三大系列:即電控、手

11、控和微機程控三大類，其綜合性能優(yōu)于代表國際先進水平的Seibu一字型卷揚機，使我國的卷揚機技術跨入世界先進行列。1991年10月通過的省科委組織的專家鑒定意見:該產品整機組合合理、結構緊湊、重量輕、過載能力強、工作安全可靠，與同類產品相比，居國內先進水平，其中傳動方式部分的設計構思獨特、新穎，受力均勻、合理，屬國內外首創(chuàng)。 本設計的最終目的就是在總結前人已有成果的基礎上再進行合理的設計和布局，對不合理的結構進行優(yōu)化，對相關的部件的材料進行更新使其更能適應高強度的工作。并且在內部構造和外部結構的設計方面能夠體現出新穎的一方面，達到即能適合多方面工作又降低成本的目的。 1.2國內外研究狀況和

12、相關領域中已有的研究成果 目前國內外廣泛使用的卷揚機，一般均有電機、制動器、獨立的減速箱、鋼繩卷筒、底架等組成。它們的減速箱通常采用笨重的齒輪減速箱或蝸輪蝸桿減速箱，電機與減速箱、鋼繩卷筒的安裝形式一般有“幾”型、"J"型、“]”型等。普遍存在的不足是:體積大、過載能力差、噪音大、效率低、使用壽命短、工作不夠安全可靠等，有些產品還已列入國家淘汰產品。國內外的卷揚機設計都在致力于縮小體積、減輕重量，提高承載能力，節(jié)省能源，工作安全可靠，但都沒有理想的可供選擇的卷筒內藏減速傳動裝置，而使設計、試制工作遇到困難。 卷揚機的類別按工作級別和用途分為四種類別： 不經常使用，輕或中等載荷狀態(tài)的快速和

13、滿素卷揚機。如用于工程安裝，設備搬運等。 經常中等使用，中等載荷狀態(tài)和快速卷揚機。如垂直吊運、傾斜拖運、水平拽引和牽引等。 經常較繁忙使用，中等載荷狀態(tài)的快速卷揚機。如與井字架、人字架和桅桿等配套使用垂直吊運。 經?；蚍泵κ褂?，重級載荷狀態(tài)的快速和慢速卷揚機。如斜坡拽引、牽引、冷拉鋼筋、打樁等。 1.3對選題的研究設想及研究方法 作為卷揚機的設計、研究，目前國內外公認的“一”字型結構是最合理的結構形式，它具有外型簡潔、體積小、重量輕、便于運輸，安裝方便，把傳動裝置置鋼繩卷筒內又是“一”字型結構的卷揚機中最理想結構。國內外的其它形式的卷揚機由于未能解決傳動機構內藏卷筒的難題，即使

14、將少齒差傳動裝置勉強設置在卷筒內，但卷筒直徑變大，安裝維修不方便，成本又高，得不償失，因此未能推廣應用，使設計生產無法有突破性的進展;而內藏減速器的卷筒的關鍵是未能找到合適的傳動機構。采用多排頂桿蠕動減速機構內藏鋼繩卷筒的結構是目前國內“一”字型結構中最合理的一種形式，它將卷揚機結構化成簡單的二體組成:電機及鋼繩卷筒。這在國內外的卷揚機設計中還無先例報道。 卷揚機是屬于工程機械的范疇，又是全國工程機械的基礎設施。目前國內生產的輕型卷揚機1.5T,2T,3T等系列產品在市場上銷量最大，主要用于建筑、港口、船舶等行業(yè)。從使用情況看，光面卷筒在實際作業(yè)時，鋼絲繩卷繞凌亂，互相交叉擠壓;鋼絲繩壽命降

15、低;在起重或牽引時，操作者往往要超負荷運行，因不能緩沖，無過載保護作用，容易拉壞機件，發(fā)生事故;在傳動系統(tǒng)中，一般都采用2級齒輪傳動減速器，電動機與減速器輸入軸采用彈性柱銷聯軸器，傳動系統(tǒng)占產品總成本30—40%左右。 1.4預期結果和意義 通過查閱相關資料，并搜集國內外卷揚機設計樣本。再經過自己的設計，把相關的設計理念應用到設計中。產品的性能不但能實現自由落鉤的功能，而且在應用性能、安全性、實用性等方面會達到理想的效果。從大的方面來看，國內外的卷揚機設計都在致力于縮小體積、減輕重量，提高承載能力，節(jié)省能源，工作安全可靠，但都沒有理想的可供選擇的卷筒內藏減速傳動裝置，而使設計、試制工作遇到

16、困難。卷揚機在當今國家建設中所占的地位，由材料可以看出卷揚機在當今社會里的地位是舉足輕重的。另外還根據設計要求列出了卷揚機的類型，更加了解了卷揚機這個概念，為后面的設計過程提供了重要的理論依據。Stocky系列卷揚機采用多排頂桿蠕動減速裝置，并將該減速裝置直接設置于卷筒內，使設計的卷揚機達到體積小、重量輕、過載能力大、節(jié)省能源、工作安全可靠。它的結構是:由減速裝置內藏于鋼繩卷筒內的鋼繩卷筒、左右支架、底架及錐形制動電呈一字型設置，便于安裝運輸，力求最佳外型結構形式。由于制造安裝方面的誤差，使傳動性能及傳動效率也受到一定影響。鑒于這些原因，有必要對老產品進行改進設計，以提高產品性能，降低成本，滿

17、足使用要求及適應市場競爭的需要。 卷揚機作為建筑機械中最基本的設備，由于其結構簡單、制造成本低、操作方便，對作業(yè)環(huán)境適應性強，因此在建筑、工業(yè)、農業(yè)、海運、交通、化工、冶金和油田等部門中用于起重、拖重物等工作，也是每個建筑工地、每個工程隊必不可少的設備。由此可見設計制造性能可靠，結構合理的自由落鉤卷揚機是很有必要的。 第2章 自由落鉤卷揚機主要技術參數　 2.1基本參數 2.1.1鋼絲繩的額定拉力 額定拉力是指鋼絲繩繞入卷筒的截面處所允許的最大正常拉力。因此額定拉力應是被吊物體的重量和吊具等自重的總和。本課題單繩拉力為（30噸）29

18、4KN 2.1.2鋼絲繩的平均速度 鋼絲繩的速度是指鋼絲繩的直線移動速度。由于建筑卷揚機均為多層卷繞，故取其最里層卷繞和最外層卷繞時的平均值作為鋼絲繩的平均速度。鋼絲繩的平均速度vk=45m/min 2.1.3鋼絲繩的卷繞長度 在額定拉力的作用下，允許卷筒卷繞鋼絲繩的最大長度。卷筒的直徑為1000mm,鋼絲繩的直徑為40 mm，經計算可得為1240 mm。 2.2工作級別和載荷狀態(tài) 工作級別是按利用等級和載荷狀態(tài)的不同，根據JG/T5031-93的規(guī)定，將卷揚機分為A1～A2八個工作級別，見表2.1 表2.1 卷揚機工作級別 使用時間（h）

19、 總使用時間（h） 利 用 等 級 載荷狀態(tài) （輕） （中） （重） （特重） 根據表2.1可選工作級別為Q3（重） 利用等級是按卷揚機在設計壽命期限內的總工作循環(huán)次數N，分為五擋八個等級，見表2.2 選擇卷揚機利用等級為U5。 表2.2 利用等級 利用等級 N 說明 U0

20、 不經常使用 U1 U2 U3 U4 經常清閑使用 U5 經常中等使用 U6 有時繁忙使用 U7 繁忙使用 正確選定卷揚機的工作級別和利用等級是設計計算和確保使用壽命的重要條件。一般說來，對機械零件的壽命T產生最大影響的是鋼絲繩拉力的大小，即載荷大小，可用下式表示。 (2.1) 式中Fe—鋼絲繩的額定拉力(N) n—由材料等因素決定的指數，對于卷揚機可近似取n=3 卷揚機很少在相同載荷下工作，其載荷狀態(tài)是千差萬別的，所以要采用平均有效載荷，用立方根平均值來計算。

21、理論上用當量拉力系數Kd值表示載荷與時間的關系，用下式表示: (2.2) 式中Fi—鋼絲繩承受的第i個拉力(N) 根據載荷譜系數可得出相應的當量拉力系數Kd，見表2.3 表2.3 載荷譜系數與拉力系數的關系 載荷狀態(tài) KP Kd 說明 Q1（輕） 0.125 通常承受1/3的額定拉力，很少承受額定拉力 Q2（中） 0.25 通常承受1/3～2/3的額定拉力，有時承受額定拉力 Q3（重） 0.50 通常承受2/3以上的額定

22、拉力，較多承受額定拉力 Q4（特重） 1.00 頻繁地承受額定拉力或者與額定拉力相近 2.3本章小結 本小節(jié)主要列出了卷揚機的主要技術參數和即將計算出的數據，為后面章節(jié)的數據計算和設計提供了理論和數據依據。 第3章 卷揚機的總體方案設計 3.1 結構設計 近幾年來,卷揚機得到了較大的發(fā)展,但由于各種原因,我國目前生產的卷揚機還存在著品種雜亂、同一噸位產品的傳動型式結構差別大,選用不便、維修困難,系列化、通用化、標準化程度低等問題。內蒙古建筑機械廠在90年代末期生產的JK1卷揚機是新型機型,結構緊湊,布局合理,技術參數比較先進,使用性能良好,制動可靠,維修方便,操作靈活。但經

23、多年生產,也發(fā)現存在一些問題。為此,還需進行以下改進。 3.1.1.減速箱體密封性能改進 在JK1卷揚機使用過程中發(fā)現減速箱體滲漏油,部位集中在高速軸與輸出軸的密封處及輸出軸與箱體之間(如圖3.1)。經分析測量,發(fā)現滲漏油的原因是軸承蓋與輸出軸之間毛氈密封不可靠,密封效果達不到設計要求;而高速軸與輸出軸之間滲油主要原因是孔套內外徑的圓柱度及同軸度未達到設計要求的精度,而要達到圖紙設計精度要求需增加磨削工序和配套工藝裝備,這樣增加了制造成本。因此,必須對這兩處的結構進行了改進(如圖3.2),在孔套的外徑上加工密封槽,放置O型密封圈,這樣既降低孔套外徑形位精度且密封效果良好。另外把軸承蓋的毛氈

24、密封改為O型密封,效果良好。 1.擋圈 2.油封 3. 孔套 4.軸承 5. 軸套 6. 軸承蓋 7.高速軸 8. 輸出軸 9. 軸承 10. 箱體 圖3.1 密封處結構 圖3.2 改進后密封結構 3.1.2.聯軸器型式的改進 JK1卷揚機原設計采用輪胎式聯軸器,這種聯軸器結構簡單,彈性好,扭轉剛度小,減振能力強,補償兩軸相對位移量大;但徑向外形尺寸大,附加軸向載荷大,且輪胎易老化,在實際使用中,拆裝復雜,增加了裝配難度。經對目前國內生產的聯軸器比較,改用了梅花型彈性聯軸器。它具有結構簡單、彈性好、扭轉剛度小等優(yōu)點,而且外形尺寸小、軸向載荷小、拆裝簡單、彈性

25、元件使用壽命長。通過幾年使用證明,梅花型彈性聯軸器安全性、可靠性都優(yōu)于原設計的輪胎式聯軸器。 3.1.3.齒輪材料的改進 JK1卷揚機原設計齒輪材料為ZG340～640 (ZG55),加工工藝性差,鑄造缺陷造成很高的廢品率,生產成本很高。用QT700-2球墨鑄鐵取代ZG55,采用球鐵齒輪。校核其接觸強度和彎曲強度都好于鑄鋼齒輪,鑄造廢品率也大大降低,機加工工藝性也有了一定的改善。兩種材料的機械性能對比見表3.1 表3.1 材料機械性能對比 牌號 （MPa） (MPa) HB ZG340-640 640 340 10 229～260 QT700-2 70

26、0 420 2 225～305 3.1.4.控制電路的改進 JK1卷揚機原設計采用電磁起動器控制電路,安全性差,事故較頻繁。根據GB13329—91《建筑卷揚機安全規(guī)程》和JG/T5031—93《建筑卷揚機設計規(guī)范》,進行了重設計。新設計的電控箱采用一個主接觸器和一對控制電機正反轉的接觸器,另加熱繼電器作過載保護,控制采用按鈕盒,可實現遠距離操作,在電控箱中預留了接線端子,可串接上、下限位和極限裝置。為實現與我廠生產的SS100提升機配套使用,還增加了相序繼電器。改進后的電控箱能實現急停、短路、過載和失壓、零位、缺斷相保護,增強了使用安全性和可靠性,完善了整機技術性能,在用戶中樹

27、立了良好的信譽,提高了我廠卷揚機在市場的占有率。 3.2 自由落鉤卷揚機的結構設計 30噸液壓卷揚機負載較大,這就要求卷揚機的工作運行及制動必須安全可靠,而且傳動系統(tǒng)結構要緊湊，操作要方便。設計卷揚機首先要確定卷筒直徑，因為它直接影響卷揚機的結構及轉速。如果卷筒直徑大，會使卷揚機的漲、抱閘系統(tǒng)的直徑增大，其產生的力矩大大增加；還使卷揚機的轉速下降，達不到設計要求。我們確定鋼絲繩的直徑d=40mm，卷筒的計算直徑D=1000mm。根據改進的要求設計自由落鉤卷揚機結構（見圖3.3） 1-液壓馬達；2-減速器；3-支架；4-卷筒；5-制動器；6-離合裝置 圖3.3 自由落鉤卷揚機結構示意

28、圖 3.3傳動系統(tǒng)的設計 3.3.1 馬達的選取 卷筒直徑確定后，可以進行卷揚機的轉速計算，由技術參數所知，卷揚機在全載是的線速度V=45mm/min，因此得到卷揚機在全載時的輸出轉速n卷=13r/min。這樣初估卷揚機的總功率: KW 式中：——卷揚機初估總效率，取0.8。 選擇型號為GY—A6V160HAZFSZ1000的斜軸式變量馬達。 （《機械設計手冊》液壓傳動篇） 該馬達的技術參數： 排量：ml/r 最高轉速rpm 最大壓力Mpa 因此卷揚機傳動系統(tǒng)的最大傳動比： 馬達扭矩： NM NM 卷筒速比： 系統(tǒng)流量：390L/min 卷筒扭矩

29、： NM NM 馬達轉速： rpm rpm 卷筒的轉速： rpm 3.3.2 傳動系統(tǒng)方案的種類 目前，國內外卷揚機常用傳動結構如圖3.4～3.9所示，按其實現原理可分為三種類型: 1.錐型離合器型 結構特點是卷筒直接和離合器相聯。整機結構尺寸大、噪音高，傳動效率低，離合器結構較復雜。(見圖3.4) 圖3.4 錐型離合器型傳動結構 2.差動行星離合器型 結構特點是卷筒通過一級NGW行星傳動與離合器制動原件相聯，離合時是通過該級NGW機構的差速運動實現的。該種結構外形尺寸較小，嗓音較小，傳動效率高。(見圖3.5,3.6)

30、 圖3.5 差動行星離合器型傳動結構 3.封閉行星離合器 該結構器制動原件相聯，離合時是通過整個封閉行星齒輪傳動機構的差速運動實現的。結構外形尺寸小，自重小，噪音低，傳動效率高。以圖3.9所示結構為最佳，它充分發(fā)揮了NGW傳動的優(yōu)點。特點是卷筒通過封閉行星齒輪傳動機構與離合(見圖3.7,3.8,3.9) 綜上所述，封閉行星傳動溜放型卷揚機屬先進結構產品，技術上先進，經濟上合理，是值得推廣的。由于采用了封閉行星齒輪傳動，在設計上有其特殊性。 圖3.6 差動行星離合器型傳動結構 圖3.7 封閉行星離合器型傳動結構 圖3.8 封閉行星離合器型傳動結構 1

31、—6中代號 T—制動器 L—離合器 圖3.9 封閉行星離合器型傳動結構 (1) 封閉行星齒輪傳動的概念 封閉行星齒輪傳動卷揚機的傳動系統(tǒng)采用了封閉行星齒輪傳動，這種傳動是用第二級行星傳動(或其它定軸輪系)，封閉第一級差動行星傳動后所得到的組合傳動機構。在該組合機溝中，單獨與差動輪系的一個基本構件相聯接的伸出軸標號為C，封閉機構的伸出軸標號為I。在差動輪系中，被封閉的兩個基礎構件分別標號為a和b，若該兩基本構件中包括行星架，則行星架標號為b，而另一基本構件標號為as根據以上規(guī)定，為便于分析，在圖3.7~3.9中分別標出了封閉行星齒輪傳動的C、I、a、b等構件。 (2) 封閉行星齒輪傳

32、動卷揚機自由度分析 在圖所示機構中，自由度可按確定平面機構自由度的公式計算: (3.1) 式中 W:機構自由度的數目; :機構活動構件數:低副數目; :高副數目。 在圖所示機構中，制動器、離合器中僅有一個制動時，n=5, =5, =4，此時: =1 自由度數為1，表明卷揚機輸出運動確定。 當圖所示機構中，制動器、離合器均不制動時: n=6, =6, =4，此時:

33、 W=2 此時呈溜放狀態(tài)。慢速起吊和快速溜放是自由落鉤卷揚機所具有的特點. (3) 封閉行星齒輪傳動卷揚機傳動比計算 在圖所示傳動中，根據相對運動原理，可推得構件C、a、b的轉速有如下關系: (3.2) 用，除以式(3.2)兩邊得: (3.3) 根據式(3.3)可計算封閉行星齒輪傳動卷揚機的傳動比。 (4) 封閉行星齒輪傳動卷揚機效率的計算 封閉行星齒輪傳動卷揚機效

34、率計算的關鍵是封閉行星齒輪傳動效率的計算.在以2K--H負號機構或的2K-H正號機構作為封閉行星齒輪傳動的差動機構時，一般情況下、小于0.1，效率可根據具體結構選用表3.2中所推薦的公式計算。 封閉行星齒輪傳動的效率是機構的不同和循環(huán)功率是否存在而不同.循環(huán)功率的存在，將使傳動效率降低，零件強度計算尺寸增大。對于循環(huán)功率將另文分析。 (5) 封閉行星齒輪傳動卷揚機各構件轉動計算 在圖3.4～3.6所示機構中，根據相對運動原理，機構中任意三個構件A,B,C的轉速均有 表3.2 封閉行星齒輪效率的選用 主動件 差動輪系a-b-C中 C為行星架 C I 主動件

35、差動輪系a-b-C中 b為行星架 C I 注:為行星架固定時, a-b-C傳動的損失系數. 分別為a-I和b-I傳動損失系數. （3.4） 根據式(3.4)及輸入軸轉速、總傳動比、各輪齒數，即可按先易后難分別求得各構件的轉速。 (6) 封閉行級齒輪傳動卷揚機各構件力矩的計算 在不計摩擦損失的條件下，根據力矩平衡條件及能t守恒定律，行星傳動中三個基本構件A,B,C的力矩、功率有如下關系:

36、 （3.5） （3.6） 可推得: （3.7） （3.8） 在設計中，載荷引起的卷筒力矩為: (3.9) 式中 為卷揚機鋼絲繩額定拉力 為卷筒基準層直徑 卷揚機輸入軸力矩M,則為:

37、 (3.10) 式中及分別為卷揚機的傳動比和傳動效率 可求得各構件傳遞的力矩.以M為已知參數，不計傳動效率求出各構件力矩進行構件強度校核，其結果偏于安全。 (7) 封閉行星齒輪傳動卷揚機設計 現以1988年我國建筑卷揚機行業(yè)聯合設計組，根據建設部新產品發(fā)展規(guī)劃而開發(fā)的封閉行星齒輪傳動卷揚機系列設計為例，說明設計要點。該系列產品結構見圖 3.8，技術性能見表3.3 3.3.3傳動系統(tǒng)的確定 前面已經初步確定了總的傳動比為274，要完成這樣大的傳動比

38、,采用了3級行星齒輪傳動(見圖3.10)。行星齒輪傳動體積小,能夠滿足卷揚機的結構要求,同時行星齒輪傳動效率高,承載能力大,工作平穩(wěn),用3級行星齒輪傳動增大了傳動比。 表3.3 卷揚機技術參數 型 號 項 目 JK0.75 JK1 JK1.25 JK1.6 JK2 JK2.5 鋼絲繩的額定拉力 KN 7.5 10 12.5 16 20 25 鋼絲繩的額定速度 m/min 39 40 47 49 45 45 鋼絲繩直徑 mm 9.3 11 11 12.5 15 15 卷筒容繩量

39、 m 120 120 150 150 200 200 卷筒直徑 mm 250 275 275 310 350 350 卷筒長度 mm 250 275 275 310 350 350 電動機 功率 KW 5.5 7.5 11 15 18.5 22 轉速 r/min 1440 1440 1446 1460 1470 1470 整機質量 t 0.29 0.395 0.425 0.76 0.98 1.05 3.3.4 傳動系統(tǒng)各級齒輪參數選擇計算 1.傳動比分配 用角標Ⅰ表示高速級參數，Ⅱ、Ⅲ表示低速

40、級參數。設高、低速級外嚙合齒輪材料、齒面硬度相同，則 因為：， ， ， ， 所以： 查圖24.2-4得 2.高速級計算 （1）配齒計算 查表（以下查表都指機械設計手冊第三卷）取行星輪數目 確定各輪齒數，按1.1-2所述配齒方法進行計算 圖3.10 封閉三級行星齒輪傳動系統(tǒng) 適當調整 使 C為整數 所以 =12 = 采用不等角變位，取=35 則 由圖24.2-3可查出適合的預計嚙合角的范圍，預取 （2）按接觸強度初算傳動的中心距和模數 輸入轉距 NM

41、設載荷不均勻系數（查表24.2-16） 在一對傳動中，太陽輪傳遞的轉距 NM 查得接觸強度使用的綜合系數,見表3.4 表3.4 接觸強度綜合系數 載荷特性 接觸強度 彎曲強度 說明 平 穩(wěn) 精度高、布置對稱、硬齒面（HB>350, 對接觸強度），采取有利于提高強度的變位時取低值，反之取高值 中等沖擊 較大沖擊 齒數比 太陽輪和行星輪的材料用20CrMnTi滲碳淬火，齒面硬度HRC56～60， 查圖23.2-18選取Mpa 取齒寬系數 按表23

42、.2-20中的公式計算中心距 =140.59 模數 取mm 未變位時 按預取嚙合角，可得傳動中心距變動系數 則中心距 取 mm （3）計算傳動的實際中心距變動系數和嚙合角 所以 （4） 計算傳動的變位系數 用圖23.2-7校核，在P6與P7之間，為綜合性能較好區(qū)，可用。 用圖23.2-8分配變位系數，得 而 （5）計算傳動的中心距變動系數和嚙合角 傳動未變位時的中心距 則 =

43、0 所以 = （6）計算傳動的變位系數 因為 = 所以 故 （7）幾何尺寸計算 按表23.2-7中的公式分別計算輪的分度圓直徑、齒頂圓直徑。 經計算數據如表3.5 表3.5 齒輪參數 齒輪 參數 D 72 210 504 88.22 225 491.78 (8)驗算傳動的接觸強度和彎曲強度 用相對于行星架的圓周速度確定和所用的圓周速度

44、 m/s 式中 為輪分度圓直徑。 由圖23.2-18及圖23.2-29，按MQ級質量要求取值，查得 N/mm2，N/mm2 N/mm2，N/mm2 （9）根據接觸強度計算來確定內齒輪材料 根據表23.2-21的公式計算得Mpa 內齒輪材料選用42CrMo調質，要求表面硬度HB260 3. 校核齒面接觸強度 經驗公式 （3.1） 式中，分度圓上的圓周力 =

45、=7063。32N 使用載荷系數：查表23.2-12，=1.8 節(jié)點區(qū)域系數 ： 按，，查圖23.2-16，=2.47 查表23.2-29， 故合格 計算安全系數：按表23.2-22 式中，壽命系數：先計算應力循環(huán)次數， 對調質鋼（允許有一定的點蝕），從圖23.2-19可查得=。 因為，所以取=1。按可查得=1.04 潤滑油膜影響系數：按照選用90號中極壓型工業(yè)齒輪油，其運動粘度 。查得=0.94。 工作硬化系數：因為小齒輪齒面未硬化，齒面未光

46、整，故取=1。 按接觸強度計算的尺寸系數：查得，=1。 將以上數值代入安全系數的計算公式得 又 。 ，故安全。 4.校核齒根彎曲強度 按表23.2-22 N/mm2 計算安全系數：按表23.2-22 （3.2） 式中，壽命系數：對調質鋼，由圖23.2-30查得彎曲疲勞應力的循環(huán)基數。因為，均大于，所以。 相對齒根圓角敏感系數： 由圖23.2-24知。查表23.2-30， ==1。 相對齒根表面狀況系數：查表23.2-45，齒

47、面粗糙度。按式（23.2-24），=1。 尺寸系數=1。 將以上數值代入安全系數的公式得 由式（23.2.20），，故安全。 ５.低速級計算 計算過程同高速級，經計算結果如表3.6 表3.6 各齒輪參數數值 級數 參數 二級 三級 8 10 13 27 68 15 25 66 6.23 5.4 104 216 544 150 250 660 160 164 200 205 164 164 205 205 0.5 0 0.5 0 128 231

48、.304 528 180 269.13 640 3.3.5 傳動系統(tǒng)的運動學，動力學及效率計算 （1）傳動比的計算 根據式（3）求傳動比（參見圖3.10） 所以 滿足要求 （2）封閉行星輪傳動的效率計算 損失系數 的計算 一對定軸齒輪傳動的損失系數按蘇聯學者庫德略夫采夫公式計算： （3.3） 式中“+”號用于外嚙合副；“—”號用于內嚙合副，此時，為內齒圈齒數。并取 則。

49、 A在高速級（即a—b—C傳動）中，行星架b固定時該傳動的損失系數為，其中外嚙合副1—2和內嚙合副2—3的損失系數分別為： 則 其他嚙合副的計算同上。 效率計算 因a—b—C傳動為3K—H負號機構，且均小于0.1，在差動輪系（a—b—C傳動）中，C主動件，b為行星架，而且C為行星架，故選用表2中式（4）計算效率： 3.4本章小結 在這一章里主要介紹了確定傳動機構的過程，其中系統(tǒng)闡述了現在國內外卷揚機傳動機構的類型。另外還介紹了自由落鉤卷揚機動力機構液壓馬達的選取和計算過程，在本機構中選用的是貴州利源GY-A6V160HAZFSZ1000斜軸式柱塞變量馬達。在

50、齒輪的參數選取和計算過程中充分考慮了行星輪系的各種因素，達到了要求。另外還進行了傳動系統(tǒng)運動學和動力學和效率的計算。為后面的設計工作做了鋪墊。 第4章 主軸部分的設計 4.1 軸的設計 1、按扭轉強度初步估計軸的最小直徑 mm 考慮鍵槽對軸強度的影響，取mm。選用45鋼，正火硬度為170217HBS。 2、軸的結構設計 軸的機構簡圖如圖4.1所示。 1-調心滾子軸承 2-離合器 3-外花鍵 4-調心滾子軸承 5-卷筒 6-調心滾子軸承

51、 7-外花鍵 8-行星架 圖4.1 主軸的機構示意圖 離合器、軸承軸向定位的軸肩直徑不能太大，故加用套筒幫助承壓。其軸端固定采用圓螺母和止動墊圈。卷筒用套筒和兩端的軸承定位并承受軸向力，行星架和離合器一樣用花鍵固定在軸上。 離合器的花鍵為外花鍵 三級框架的花鍵 四個調心滾子軸承，其型號分別為（B/T288-1994）23044CC/W33、23144CC/W33,其外形尺寸分別為和，因為速度因數的原因，故采用脂潤滑。 3、鍵連接的強度的校核 行星輪系中行星架與軸的連接都

52、是用花鍵連接的，在軸的部分傳動部分和離合器與軸的連接都是用花鍵連接的。現在校核三級行星架鍵的強度。 與行星架連接處的鍵的尺寸為 ，因與行星架連接處鍵的尺寸及軸徑均較小且受載大，故只需校驗此鍵。鍵連接強度校核按表5-3-16公式計算，式中各參數為： Mpa mm mm 鍵連接傳遞轉距T為： N/m 鍵工作面的壓強P為： 鍵連接強度通過。 4、 按彎曲扭合成強度校核軸的直徑

53、 圖 4.2 主軸的受力圖 （1）做出軸的受力簡圖如圖4.2由圖可知當卷揚機離合器工作時主軸帶動卷筒轉動，此時主軸受離合器的一個轉矩。 （2）做出垂直面受力圖、彎矩圖。N N （3）做出水平面受力、彎矩圖。 N N （4）做出合成彎矩圖。N/m （5）做出扭矩圖。N/m （6）做出當量彎矩（取）。 N/m （7）校核軸的強度。查得Mpa Mpa 因為，所以滿足要求。 5. 軸承壽命的計算 校核 圖4.1中1和6處的軸承。 據圖4.2，利用可得兩處滾動軸承的名義徑向載荷 N N 兩處均采用調心滾子軸承，派生

54、軸向力，即 N N 由于，，故： 當量動載荷，取動載荷系數，即 N N 取軸承預期壽命為50000小時，在機械設計手冊查得兩軸承額定動定載荷分別為。則軸承所需動載荷為 KN KN 因，所以校核結果符合要求。 4.2 本章小結 在本章主要介紹了卷揚機主軸的設計過程和相關強度校核過程。這一部分在總的設計過程中占的地位是非常重要的，因為沒有主軸的技術參數進行總體的設計是不可能的。 第

55、5章 離合器和制動器的選擇 5.1離合器的選擇 5.1.1離合器的概念 離合器是傳動系中直接與發(fā)動機相連接的總成，其主要功用是切斷和實現對傳動系的動力傳遞，以保證將發(fā)動機與傳動系平順地接合，確保機器平穩(wěn)起步；在換擋時將發(fā)動機與傳動系分離，減少變速器中換擋齒輪之間的沖擊；在工作中受到大的動載荷時，能限制傳動系所承受的最大轉矩，防止傳動系各零件因過載而損壞；有效地降低傳動系中的振動和噪聲。隨著汽車發(fā)動機轉速和功率的不斷提高、汽車電子技術的高速發(fā)展，人們對離合器的要求越來越高。從提高離合器工作性能的角度出發(fā)，傳統(tǒng)的推式膜片彈簧離合器結構正逐步地向拉式結構發(fā)展，傳統(tǒng)的操縱形式正向自動操縱的形式發(fā)

56、展。因此，提高離合器的可靠性和使用壽命，適應高轉速，增加傳遞轉矩的能力和簡化操縱，已成為離合器的發(fā)展趨為了保證離合器具有良好的工作性能，對離合器設計提出如下基本要求： 1)在任何條件下均能可靠地傳遞最大轉矩，并有適當的轉矩儲備。 2)接合時要平順柔和，以保證沒有抖動和沖擊。 3)分離時要迅速、徹底。 4)離合器從動部分轉動慣量要小，以減輕換擋時變速器齒輪間的沖擊，便于換擋和減小同步器的磨損。 5)應有足夠的吸熱能力和良好的通風散熱效果，以保證工作溫度不致過高，延長其使用壽命。 6)應使傳動系避免扭轉共振，并具有吸收振動、緩和沖擊和減小噪聲的能力。 7)操縱輕便、準確，以減輕駕駛員

57、的疲勞。 8)作用在從動盤上的壓力和摩擦材料的摩擦因數在使用過程中變化要盡可能小，以保證有穩(wěn)定的工作性能。 9)應有足夠的強度和良好的動平衡，以保證其工作可靠、壽命長。 10)結構應簡單、緊湊、質量小，制造工藝性好，拆裝、維修、調整方便等。 摩擦離合器主要由主動部分(發(fā)動機飛輪、離合器蓋和壓盤等)、從動部分(從動盤)、壓緊機構(壓緊彈簧)和操縱機構(分離叉、分離軸承、離合器踏板及傳動部件等)四部分組成。主、從動部分和壓緊機構是保證離合器處于接合狀態(tài)并能傳遞動力的基本結構，操縱機構是使離合器主、從動部分分離的裝置。隨著發(fā)動機轉速和功率的不斷提高、汽車電子技術的高速發(fā)展，人們對離合器的要

58、求越來越高。從提高離合器工作性能的角度出發(fā)，傳統(tǒng)的推式膜片彈簧離合器結構正逐步地向拉式結構發(fā)展，傳統(tǒng)的操縱形式正向自動操縱的形式發(fā)展。因此，提高離合器的可靠性和使用壽命，適應高轉速，增加傳遞轉矩的能力和簡化操縱，已成為離合器的發(fā)展趨勢。 5.1.2 離合器的分類及功用 汽車離合器有摩擦式離合器、液力偶合器、電磁離合器等幾種。摩擦式離合器又分為濕式和干式兩種。 　　液力離合器靠工作液（油液）傳遞轉矩，外殼與泵輪連為一體，是主動件；渦輪與泵輪相對，是從動件。當泵輪轉速較低時，渦輪不能被帶動，主動件與從動件之間處于分離狀態(tài)；隨著泵輪轉速的提高，渦輪被帶動，主動件與從動件之間處于接合狀態(tài)。

59、 　　電磁離合器靠線圈的通斷電來控制離合器的接合與分離。如在主動與從動件之間放置磁粉，則可以加強兩者之間的接合力，這樣的離合器稱為磁粉式電磁離合器。 　　目前，與手動變速器相配合的絕大多數離合器為干式摩擦式離合器，按其從動盤的數目，又分為單盤式、雙盤式和多盤式等幾種。濕式摩擦式離合器一般為多盤式的，浸在油中以便于散熱。 　　采用若干個螺旋彈簧作為壓緊彈簧，并將這些彈簧沿壓盤圓周分布的離合器稱為周布彈簧離合器（如圖所示）。采用膜片彈簧作為壓緊彈簧的離合器稱為膜片彈簧離合器。 　　離合器的功用、類型及特點 　 1.離合器的功用 　　離合器是可以根據需要在運轉或停機時使兩軸接合或分

60、離，這是離合器與聯軸器的根本區(qū)別。離合器的種類很多，部分已標準化，可從有關樣本或機械設計手冊中選擇。 　　2 離合器的類型及特點 　　按照有關標準，離合器按離合方法分類如下： 　　(1) 操縱離合器 　　包括機械操縱離合器、液動操縱離合器、氣動操縱離合器、電磁操縱離合器。　離合器的接合與分離由外界操縱的稱為操縱離合器。 　　牙嵌離合器的結構如圖所示。它是由兩個端面帶牙的半離合器所組成，其中套筒1固定在主動軸上，套筒可以沿導向平鍵在從動軸上移動。利用操縱桿（圖中未畫出）移動滑環(huán)可使兩個套筒的牙相互嵌合或分離。為了便于兩軸對中，在套筒中裝有對中環(huán)，從動軸可在對中環(huán)中滑動。牙的形

61、狀有三角形、梯形和鋸齒形。三角形牙型只用于傳遞中、小扭矩；梯形和鋸齒形牙型可傳遞較大扭矩；但鋸齒形牙型只能單向傳遞扭矩，反轉時會因過大的軸向分力迫使離合器自動分離。牙嵌離合器結構簡單，外廓尺寸??；但只能在停止狀態(tài)或兩軸轉速差很小時才能接合，否則就會因撞擊而使牙折斷。 　　(2)牙嵌離合器 　　磁粉離合器的工作原理如圖所示。嵌有環(huán)形勵磁線圈的電磁鐵與主動軸相聯接，用非磁性材料制成的外殼與從動軸相聯接，外殼與電磁鐵之間有很小的間隙，內裝適量的導磁的鐵粉等混合物。當勵磁線圈通入電流時，產生磁場，鐵粉在磁場作用下被吸引聚集，將外殼和鐵心聯接起來，離合器處于接合狀態(tài)。當切斷電流后，磁粉又恢復自由狀

62、態(tài)，離合器就處于分離狀態(tài)。這種離合器的優(yōu)點是：接合平穩(wěn)，動作迅速，可遠距離利用電流操縱，結構不很復雜。缺點是重量較大，需定時更換鐵粉。 　　磁粉離合器工作原理圖 　　摩擦離合器中最簡單的如圖所示，稱為單盤摩擦離合器。摩擦盤1固定在主動軸上，摩擦盤3用導向平鍵與從動軸聯接。為了增大摩擦系數，在其中一個摩擦盤上固定摩擦片（用摩擦系數較大且耐磨性好的材料制成）。利用操縱機構（圖中未畫出）將摩擦盤2向左推動并施加軸向壓力Fx，使兩摩控制盤壓緊產生摩擦力以傳遞扭矩；將摩擦盤2向右推動即可使離合器脫開。當傳遞很大扭矩時，則需摩擦盤直徑很大。因此，這種單摩擦副的離合器往往受外形尺寸的限制而不能采用。

63、 　　(3)單盤摩擦離合器 　　在傳遞大扭矩時，可采用如下圖所示的多盤摩擦離合器。主動軸與外殼相聯，從動軸與套筒相聯，外殼內裝有一組摩擦片。這組摩擦片的外緣齒插入外殼的縱向凹槽中，隨外殼回轉。套筒上裝有另一組摩擦片，其花鍵內孔與套筒上的花鍵聯接，既可沿套筒軸向滑動，亦可隨套筒回轉。兩組摩擦片是每片相間安裝的。工作時，通過操縱機構（圖中未畫出）撥動滑環(huán)向左移動，并通過壓緊板將兩組摩擦片壓緊，離合器處于接合狀態(tài)（如圖示）。當撥動滑環(huán)向右移動時，處于杠桿下方的彈簧迫使杠桿逆時針方向轉動，將壓緊板和兩組摩擦松開，離合器處于分離狀態(tài)。和牙嵌離合器相比，摩擦離合器的優(yōu)點是：兩軸可在有較大轉速差的情況下

64、接合和分離；改變摩擦面間的壓力，就能調節(jié)從動軸的起動加速時間；接合時的沖擊振動很小；過載時將打滑，可保護其他零件不受損壞。缺點是在接合和分離過程中，摩擦片面的相對滑動會造成發(fā)熱和磨損，需及時更換摩擦片。摩擦離合器適用于經常起動、制動或經常改變轉速和轉動方向的場合。 　　(4)多盤摩擦離合器 　　2. 自動離合器 　　在工作時能自動完成接合和分離的離合器稱為自動離合器。當傳遞的扭矩達到某一限定值時，就能自動分離的離合器，由于有防止系統(tǒng)過載的安全作用，稱為安全離合器；當軸的轉速達到某轉速時靠離心力能自行接合或超過某一轉速時靠離心力能自動分離的離合器，稱為離心離合器；根據主、從動軸間的相對

65、速度差的不同以實現接合或分離的離合器，稱為超越離合器。 　　3. 離合器的選擇及應用實例 　　離合器的型式很多，大部分已標準化，可從有關樣本或機械設計手冊中選擇。 選擇離合器時，根據機器的工作特點和使用條件，按各種離合器的性能特點，確定離合器的類型。類型確定后，可根據兩軸的直徑計算轉矩和轉速，從手冊中查出適當型號，必要時，可對其薄弱環(huán)節(jié)進行承載能力校核。 5.1.3 常閉離合器的計算 本卷揚機中選用的的是帶式離合器。參考《聯軸器、離合器設計與選用指南》 卷筒扭矩：M=174000 Nm 離合器扭矩：Nm 輪轂直徑： 包角： 摩擦系數： 松邊： 緊邊： 制動圓周力

66、 N 彈簧力：N N 彈簧計算：參考（《機械設計手冊》彈簧篇） 用大小兩個彈簧：彈簧系列20，22，25，30，35，40 大 中徑 大徑 小徑 材料60SizMn 小 中徑 大徑 摩擦片：制動剛帶厚度 Mpa 壓強 Mpa 摩擦片厚度 大彈簧計算：(圖5.1) 許用剪應力 Mpa Mpa N mm N/mm mm 圖5.1 大彈簧計算圖 小彈簧計算：(圖5.2) N Mm N/mm Mm 圖5.2 小彈簧計算圖 工作狀態(tài)彈簧力： N 油缸開啟狀態(tài)彈簧力： N 極限狀態(tài)彈簧力：