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離心泵的數值研究性能預測
摘要：離心泵性能預測是目前主要基于數值計算和研究的，大部分只集中于一種模式。因此，研究結果不具代表性。若要使數值計算方法和性能預測離心泵得到改善，表現在設計流量和離心泵模型設計流量及關閉，其具體速度是不同的，通過使用商業(yè)軟件FLUENT模擬。在FLUENT中選擇標準k -ε湍流模型和SIMPLEC算法。仿真是穩(wěn)定和移動參考構架，應考慮葉輪，蝸殼相互作用。此外，對于如何處理與葉輪和蝸殼的差距，提出了網格數量和效果進行了審議。對離心泵性能預測模型，建立了根據模擬結果。對頭部和不同流量的6種型號的效率進行了預測并且實驗結果和預測結果進行了詳細的比較。比較結果表明，頭部的預測精度和效率均小于5％以上。該流程的分析表明，流量變化具有的位置和背后的葉輪葉片進口和進口的速度方向低壓區(qū)面積的重要作用。這項研究表明，采用FLUENT軟件模擬結果預測離心泵性能是可行的和準確的。該方法可應用于工程實踐。
關鍵詞：離心泵，性能預測，數值研究
1、 介紹
泵的性能由內流的特征，特性和內流分析決定以提高泵的性能無疑是最好的方法。因此，為了準確預測水泵的理論性能，在泵流場必須精確得到，過去幾年，隨著計算機技術和計算（CFD）的流體動力學，數值模擬的快速發(fā)展，如理論分析和實驗研究及研究流場在國內外泵和泵的性能預測上，已成為一個重要工具。不穩(wěn)定模擬一低比高速離心泵工作由圣何塞等人基于FLUENT的動態(tài)特性預測做成，葉輪和蝸殼，泵的性能的研究是通過實驗數據驗證。BYSKOV等人運用商業(yè)代碼精細/渦輪，由粒子圖像測速（PIV）和實測數據激光多普勒測速儀（LDV）做了在設計大型離心泵渦模擬流程率和關閉設計流量預測泵特色，并與預測結果吻合良好。在中國，趙等人使用移動參考框架，做了耦合葉輪，蝸殼模擬在離心式水泵流量的預測性能，FUENT，陳等人，模擬了一個單一的非定常流道泵，以上結果都與帶泵試驗數據相一致。
前面提到通過數值模擬預測方法的離心式水泵的業(yè)績成就，是相當令人鼓舞的，這些方法越來越廣泛地應用在泵水力設計。然而，大多數研究只關心一種泵，前人研究的預測模型沒有任何特色。更關鍵的問題是如何處理與葉輪和蝸殼的差距，以及如何考慮電網數效應。所以，以前的研究結果不具有代表性和普遍性。我們本文的目標是詳細評估數值精度的預測方法。因此，6個典型的離心泵作為研究模型，并選擇了FLUENT軟件用來設計小和大流量水泵的模擬條件。FLUENT軟件選擇了k -ε湍流模型和SIMPLEC算法標準，仿真是穩(wěn)定并且移動參考框架是用來考慮轉子定子的互動。依法取得模擬頭該模型的效率曲線，并進行了對比實驗數據。此外，流場也進行了分析。
2、 研究模型及其預測算法
該模型的具體速度由34至260不等，實驗和幾何參數以及設計流量列于表。葉輪的三維模型，蝸殼和吸力由專業(yè)軟件Pro / E制作及葉輪和蝸殼之間被追加到差距葉輪（如圖所示。1）。葉輪和蝸殼進口適當延長以減少出口在內部流動的邊界條件的影響。開局時，FLUENT軟件的預處理器，是用于生成網格模型和網格質量檢查。由于該泵的幾何尺寸是非常復雜的，采用“EquiAngle傾斜”和“EquiSize斜交網格產生的“四面體網格均小于0.87，因此電網質量是好的。相對論的網格數考試工作被應用于每個模式。當泵上的網格數量的影響特色小于2％，其效果將被忽略。收斂殘差精度為0.00001。
圖1、第4號泵的計算區(qū)
2.1模型實驗研究
所有的模型泵在江蘇大學進行了測試。實驗過程是開放循環(huán)的，包括水庫開放給空氣，吸入閥，一個測試泵，排水管道和一個排放閥。每個模型泵有一個單一的軸向吸力和蝸殼。在循環(huán)中，水被抽出，并返回到一個巨大的水庫。流速為受放電閥和電磁流量計測量。轉速由加信號檢測。
流量不確定性被發(fā)現總是小于0.5％。頭和效率的不確定性，一直保持1％和1.5％。實驗數據顯示于表中。
2.2邊界條件
入口邊界條件：假設進口速度在軸方向一致，其價值等于比流量和入口區(qū)：
其中Q是流量，泵的進口和湍流動能耗散率在進口處的εin可以通過以下公式估算：
其中L是湍流尺度和l = 0.07Din，Cμ= 0.09。
出口邊界條件：“流出”的實施泵出口比重和流速設置為1。
墻邊界條件：無滑移條件執(zhí)行在墻面和標準壁面函數應用于鄰近地區(qū)。
2.3預測算法
頭H是由下列公式計算：
其中噘嘴是在蝸殼出口總壓，引腳是在葉輪進口總壓，ρ為液體密度，g是重力加速度。
液壓效率ηh計算公式為：
其中M是葉輪扭矩，ω是角速度。
容積效率ηv計算公式為：
總效率η計算公式為：
其中Pe是水電及Pe=ρgqH，ΔPd是磁盤摩擦損失，其計算方法是參數法。
3預測結果與分析
圖、2顯示性能預測和實驗曲線，包括流量水頭和流量曲線率效率曲線。據圖中的數據二，預測誤差可以計算如下：
其中ΔH是頭部的差異，Δη是效率差異，Hp是頭部預測，He是實驗頭，ηp是預測的總有效率，ηe是實驗總效率。
計算結果差異：所有的流量頭部的每個模型，預測最大差異為4.81％，最小誤差為0.24％，平均差距是2.49％，最大的差異預測總效率為4.52％，最小誤差為0.08％，平均誤差為2.02％。流量設計率，預測頭部最大的差距是4.81％，最低的差距為0.65％，平均差距2.02％，而最大的差異總預測效率為4.42％，最小誤差為0.54％;平均誤差為2.4％。計算表明，所有的差異都在5％以內。
更多信息可從差異計算。預測預報效能沒有顯示相同的趨勢，這意味著前者是大于實驗數據，而后者可能較小，等差異是頭部和預測預報效率差異。分析還表明，業(yè)績預測精度在設計流量不是最高的。
4.內部不同流動點流場分析
4.1靜壓分布
如圖3所示，在不同的流速下，從葉輪進口到出口的靜壓逐步增加，并且靜態(tài)壓力側壓力明顯大于在同一側同半徑吸葉輪壓力。根據等壓線密度發(fā)現，靜壓增加流速緩慢。
在小流速時，在吸力面的葉片進口有一個明顯的低壓區(qū)，特別是在流動通道1，23，在空化易發(fā)生。當流量增加時，該地區(qū)接近葉片中的吸力面，特別是在流動通道1，2和3。關于擴散蝸殼出口段靜壓明顯在小和設計流量的增加而在同一個地方的靜態(tài)壓力下降明顯在大由于流減水率的限制和設計流量較大的偏移，分布在葉輪和蝸殼的靜壓變得明顯紊亂和不統一，特別是舌頭蝸殼的附近。
4.2相對速度的分布
如圖4所示，相對速度在任何流量不同的水流通道的分布顯然是不同的，這表明，蝸殼對葉輪內部流動具有重要作用。對于不同的流率，特別是在不同的流動通道1，2和3，葉輪的相對速度分布明顯不同。在小流量的葉片壓力面，有一個相對速度較低的很大的“死水“地帶。由于泵流量的增加，該區(qū)域逐漸變小，特別是在流道2。同時，從入口運放的分布可以發(fā)現，該方向的非設計流程率在葉片進口的速度變化明顯，從而導致對刀片產生重大影響。該事件在大流量的角度是消極的，在小流量是積極的，這與理論分析吻合。
5結論
本文用商業(yè)軟件FLUENT，耦合模擬六詳細介紹了離心泵在不同流量預測模型及特征離心泵是成立的。以及如何處理葉輪和蝸殼之間的差距，提出和網格數量的影響。主要研究結論如下。
（1）頭部和預測預報的差異總有效率均小于5％。對于所有流量的每一個模型，總平均誤差為2.49％和預測平均誤差為2.02％。頭部和預測預報的效率不顯示同樣的趨勢且設計流量的性能預測精度不是最高的。
（2）在小流量葉片進口端有一個明顯低壓區(qū)，隨著流量的增加，該地區(qū)接近葉片吸力面的中間。小設計流量該蝸殼出口段靜態(tài)壓力擴散顯著增加，而在大流量在同一個地方的靜態(tài)壓力明顯下降。由于泵的流量的增加，“死水”地帶逐漸變小。在葉片進口的速度變化明顯，在非設計流程時。入射角在大流量的是消極的，它在小流量是積極。
（3）本文研究表明，該數值方法對離心泵性能產生了良好的預測，可應用于實踐。
圖 3。3號靜泵面臨的壓力分布（kPa）
圖 4。第3號泵葉輪中面相對速度分配及其在入口運放的分布（米/秒）
參考資料
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河南理工大學10屆畢業(yè)論文
06屆本科畢業(yè)論文
論文題目：鋼絲繩電動葫蘆提升系統設計
學生姓名：劉志勇
所在院系：機械與動力工程學院
所學專業(yè)：機械設計制造及其自動化
導師姓名：李延鋒
完成時間：2010年6月2號
摘要
電動葫蘆是起重設備的主要型號之一。它主要由減速器，運行機構，卷筒裝置，吊鉤裝置，聯軸器，限位器，錐形轉子電動機等部分組成。本文根據設計任務書要求，主要對3t單鉤移動電動葫蘆的總體方案選擇和確定，然后對傳動系統進行設計。根據設計要求和目的，參考CD型電動葫蘆首先對3t單鉤移動電動葫蘆進行工藝分析，選擇合理機構及裝配方案，然后對減速器和電動機進行外形設計，鋼絲繩的選用及強度驗算，卷筒的參數計算及驗算，再計算齒輪的傳動比，確定各個齒輪的參數，進行強度計算,選擇合理的軸承、鍵、軸套等各種零部件，畫出總體裝配圖。最后對齒式彈性聯軸器作了一些簡明的闡述。
關鍵詞：電動葫蘆，卷筒裝置，吊鉤
Abstract
Electric hoist is one of the main models of lifting equipment. It is mainly formed by the reducer, running organizations, drum installation, hook device, the coupling stopper, conical rotor motor and other components. According to the design task demands, this book mainly Against to 3t mobile electric hoist single hook selection and determination of the overall program, and then design the transmission system.
According to the requirements and objectives of the design, reference CD-type electric hoist on the first take the 3t mobile electric hoist with the single hook for the process analysis, select reasonable organization and assembly programs, then design the shape of the reducer and electric motor, selection of wire rope and strength checking, reel The parameter calculation and checking, and calculate the gear transmission ratio, to determine the parameters of each gear, the strength calculation, select a reasonable bearings, keys, bushings and other components, to draw general assembly drawing. Finally, the tire type flexible coupling made some brief elaboration.
Key words: lifting equipment;Electric hoist;Rope drum;Reducer
目錄
一、 緒論 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 7
二、 機構工作級別及鋼絲繩的選擇- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
2.1機構利用等級- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
2.2機構載荷狀態(tài)- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
2.3機構工作級別- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
2.4鋼絲繩的選用- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
2.4.1鋼絲繩的特點及用途 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
2.4.2鋼絲繩的選擇- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 9
2.4.3鋼絲繩直徑的計算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10
2.4.4鋼絲繩的安裝- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10
2.4.5鋼絲繩的維護保養(yǎng) - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 13
2.4.6鋼絲繩的失效分析 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 14
2.4.7鋼絲繩用壓繩板的設計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15
2.4.8壓繩板材料的選用與機構設計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15
2.4.9導繩器的設計 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -16
三、卷筒的設計與吊鉤的選擇 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -19
3.1卷筒的幾何尺寸 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 19
3.2卷筒強度計算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -21
3.3卷筒支撐的設計 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 22
3.4套筒 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -22
3.5吊鉤的選擇- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 25
四、起升電動機及聯軸器的選擇 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -26
4.1計算電動機的功率 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26
4.2確定電動機的轉速 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 26
4.3聯軸器的選擇 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -27
五、傳動比及傳動裝置參數的計算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29
5.1計算總傳動比- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -29
5.2分配減速器的各級傳動比- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29
5.3傳動裝置的運動和動力參數- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 29
5.3.1各軸轉速- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -29
5.3.2各軸的輸入功率- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -29
5.3.3各軸的轉矩- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -30
六、齒輪參數設計計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 31
6.1第一級齒輪的參數設計計算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 31
6.2第二級齒輪的參數設計計算 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 35
6.3第三級齒輪的參數設計計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 38
七、軸的設計計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 43
7.1Ⅰ軸的設計計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 43
7.1.1求Ⅰ軸的功率P，轉速n和轉矩T - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 43
7.1.2求作用在齒輪上的力- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 43
7.1.3初步確定軸的最小直徑- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 43
7.1.4軸的結構設計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 43
7.1.5軸的強度校核- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 44
7.1.6按彎扭合成應力校核軸的強度 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -45
7.2Ⅱ軸的設計計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -46
7.2.1求Ⅱ軸的功率P，轉速n和轉矩T- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -46
7.2.2求作用在齒輪上的力- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 46
7.2.3初步確定軸的最小直徑- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 47
7.2.4軸的結構設計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 47
7.2.5軸的強度校核- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -49
7.2.6按彎扭合成應力校核軸的強度- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -50
7.3Ⅲ軸的設計計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 50
7.3.1求Ⅲ軸的功率P，轉速n和轉矩T- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -50
7.3.2求作用在齒輪上的力- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 50
7.3.3初步確定軸的最小直徑- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -51
7.3.4軸的結構設計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -51
7.3.5軸的強度校核- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -52
7.3.6按彎扭合成應力校核軸的強度- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -54
7.1Ⅳ軸的設計計算- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54
7.4.1求Ⅳ軸的功率P，轉速n和轉矩T- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54
7.4.2求作用在齒輪上的力- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 54
7.4.3初步確定軸的最小直徑- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -55
7.4.4軸的結構設計- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -55
7.4.5軸的強度校核- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -56
7.4.6按彎扭合成應力校核軸的強度- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -57
7.5密封與潤滑- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -58
7.5.1密封- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -58
7.5.2潤滑- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -58
八、小結- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -59
致謝- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -60
參考文獻- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 61
一、緒論
以電動葫蘆作為起升機構的起重機統稱為葫蘆式起重機。這種起重機的核心是電動葫蘆，并多為鋼絲繩電動葫蘆和環(huán)鏈式電動葫蘆，以往電動葫蘆除了作為單軌架空懸掛軌道起重運輸設備用之外，多用來與電動單梁起重機和電動單梁懸掛起重機配套，用于車間，倉庫等場所，隨著電動葫蘆性能參數的擴展，從80年代開始，這種葫蘆式起重機已不再局限于作為輕小起重設備，大起重量的電動葫蘆橋式起重機有代替起重量100t以下的輕，中工作級別的普通橋式起重機的趨勢，因為這種起重機自重輕，建筑高度低。隨著電動葫蘆結構形式的更新，特別是電動葫蘆運行小車出現了多種形式的支撐和懸掛方式，大大促進了葫蘆式起重機的品種類型的增多與應用范圍的擴大，80 年代在國外，特別是德國，芬蘭，日本，英國，法國及保加利亞等國家的廠家，不禁相繼研制生產出性能新進的電動單梁，懸掛和電動葫蘆橋式起重機，還派生出先進適用的葫蘆門式起重機，葫蘆式抓斗起重機，葫蘆吊鉤抓斗兩用起重機，葫蘆吊鉤抓斗電磁三用起重機，葫蘆式旋臂起重機葫蘆式壁行起重機，葫蘆橋式堆垛起重機及立體倉庫用葫蘆式巷道堆垛起重機。葫蘆式起重機品種，類型，規(guī)格的不斷擴展及在起重運輸設備中所占比例的增加，將使各種類型的葫蘆式起重機形成一種獨立而重的起重運輸設備體系。
鋼絲繩電動葫蘆作為一種輕小型的起重設備，廣泛用于國名經濟的各個領域，而國內鋼絲繩電動葫蘆近幾年的發(fā)展卻十分緩慢。上世紀60年代到70年代初，我國從前蘇聯引進TV型鋼絲繩電動葫蘆，70年代初我國自行設計了CD1型鋼絲繩電動葫蘆取代TV型鋼絲繩電動葫蘆，至目前為止CD1型電動葫蘆在國內生產制造，使用已達30多年歷史，期間，曾有一些廠家引進國外先進的生產制造技術，但均未獲得廣泛的推廣應用。電動葫蘆主要分為：微型電動葫蘆，HHXG型環(huán)鏈電動葫蘆，HC型電動葫蘆，DHP型環(huán)鏈電動葫蘆，CD1、MD1型鋼絲繩電動葫蘆等。
鋼絲繩電動葫蘆技術水平在國內發(fā)展遲緩，其原因是多方面的：(1)國內鋼絲繩電動葫蘆企業(yè)生產、制造水平及配套的機械、電氣及標準件技術基礎較低； (2)近20年來，國內經濟體制由計劃經濟轉向市場經濟，許多國營企業(yè)在轉制初期不可能將大量的資金投入到產品開發(fā)上；(3)CDl型鋼絲繩電動葫蘆目前仍有一定的市場占有率。
???? 近年來，國外的鋼絲繩電動葫蘆技術水平發(fā)展很快。隨著我國加入WTO，外資企業(yè)紛紛打進中國市場，國外鋼絲繩電動葫蘆對國內產品的沖擊將越來越大。國內低價、低檔次的產品，已不再有廣泛的市場，用戶對產品的性價比越來越重視。所以，國內鋼絲繩電動葫蘆如不很快地適應國內、國際市場的要求進行產品更新換代，將很快被淘汰。CDl型鋼絲繩電動葫蘆能在國內市場使用近30多年，有其成功的方面，但是在其使用過程中也暴露了一些亟待改進的不足。
鋼絲繩電動葫蘆是我國電動葫蘆行業(yè)的主導產品，目前生產批量之大品種規(guī)格之多是其他形式的電動葫蘆還無法替代的產品，近年來，國內鋼絲繩電動葫蘆發(fā)展也較快，不斷有新的品種規(guī)格問世，以適應市場發(fā)展的需求，多功能鋼絲繩電動葫蘆相對于常規(guī)的鋼絲繩電動葫蘆而言，功能上有多種特殊要求，例如：（1）超高起升高度，超大起重量。（2）雙速起升，雙速運行，快慢速速比有1：3，1：4，1：10之分。（3）起升機構具有雙制動系統。（4）安全閘裝置。（5）超，欠載保護裝置（6）超速保護裝置。（7）雙限位裝置（8）高度數顯裝置（9）電動小車錨定裝置。（10）遙控操縱與手控操縱并用。
二、 機構工作級別及鋼絲繩的選擇
機構工作級別按機構的利用等級和載荷狀態(tài)選擇，本設計的基本參數為：提升高度：6m，提升速度：8m/min,提升重量：3t。
2.1機構利用等級
機構利用等級按機構總設計壽命分為十級，總設計壽命規(guī)定為機構假定約使用年數內處于運轉的總小時數，它僅作為零件的設計基礎，而不能視為保用期，電動葫蘆一般處于清閑的使用狀態(tài)，根據GB/T3811-1983,機構利用等級如下：
機構利用等級 T4，總設計壽命/h 3200
2.2機構載荷狀態(tài)
載荷狀態(tài)是表明機構承受最大載荷及載荷變化程度，電動葫蘆一般在低于額定載荷的狀態(tài)下工作，并且也不經常的使用，根據GB/T3811-1983,由于電動葫蘆經常工作在中等載荷，較少承受最大的載荷，所以機構載荷狀態(tài)選為L2-中。
2.3機構工作級別
根據機構利用等級和機構載荷狀態(tài)，依據GB/T3811-1983，機構的工作級別選為M3
2.4鋼絲繩的選用
鋼絲繩是起重設備不可缺少的關鍵件，也是易損件，正確選擇及合理使用，按要求進行維護、保養(yǎng)?？商岣咪摻z繩的使用壽命，避免事故發(fā)生。
2.4.1鋼絲繩的特點及用途
鋼絲繩的特點是強度高，彈性大，能承受沖擊載荷；撓性好，便于纏繞，使用靈活；在高速運行時運轉平穩(wěn)，無噪音；耐磨損，耐疲勞；鋼絲繩破斷前有斷絲預兆，使用過程中不會立即折斷，容易事先檢查和預防，鋼絲繩可廣泛用于各種起重設備和機械傳動機構，成為起重機械的組成部分，又可以單獨用作起重索具，纜風拉繩，穿繞滑輪組和構件綁扎等。鋼絲繩的使用和定期檢查，運輸，保管十分的重要。
2.4.2鋼絲繩的選擇
鋼絲繩是起重機械及起重運輸、吊裝捆綁作業(yè)不可缺少的主要零部件，被廣泛的應用作為起升繩、變幅繩、牽引繩、吊裝繩等不論作為哪一種用途的鋼絲繩，如果選用類型不當，使用方法不合理，缺乏安全檢查，又不重視保養(yǎng)，更為重要的是已達報廢還繼續(xù)使用，都有可能發(fā)生因鋼絲繩的損傷或破斷而產生的重大事故。
2.4.3鋼絲繩直徑的計算
鋼絲繩直徑可由鋼絲繩最大工作靜壓力按式
d=c
確定
式中d-------鋼絲繩最小直徑 mm
c-------選擇系數 mm/N
s--------鋼絲繩最大工作靜壓力
鋼絲繩最大靜壓力：
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最后確定，起升載荷是指起升質量的重力。起升質量包括允許起升的最大有效物品，取物裝置（下滑輪組，吊鉤，吊梁，抓斗，容器，起重機磁鐵等），懸掛撓性件及其他在升降中的設備質量。起升高度小于50m的起升鋼絲繩的重量可以不計。
3t電動葫蘆的起升載荷可以只考慮起升的最大有效物品，其他的忽略不計，所以
S=（3t1000kg/t9.8N/kg）/2
=14700N
選擇系數c
選擇系數c的取值與機構的工作級別有關，依據GB/T3811—1983,選取c=0.093.
由鋼絲繩最大靜拉力s和選擇系數c得：
d=0.093
=11.276mm
11mm
根據GB/T8918—1996.鋼絲繩規(guī)格選擇6
2.4.4鋼絲繩的安裝
（1）解卷。當從卷軸和鋼絲繩卷上抽出鋼絲繩時，應將繩盤置放在專用的支架上，也可用鐵管穿入盤孔，兩端套上繩索，將繩盤吊起，緩緩轉動，并應采取措施防止鋼絲繩打環(huán)，扭結，彎折或粘上雜物，如圖：
圖2-1解卷方法
(2)截斷。①熔斷：采用熔斷機熔斷，不損壞鋼絲繩，端部不松散，便于安全操作，這是理想的斷繩 ②切斷：鋼絲繩在切斷前，應在切斷兩端各相距10mm~20mm處用鐵絲扎緊，捆扎長度為繩徑1~4倍，再用切割工具切斷，以防切斷處引起鋼絲繩松散。
（3）卷繞。鋼絲繩在卷筒上的纏繞方向與鋼絲繩的捻向及出繩方向有關，見下圖。右捻上出繩出繩從左到右排列（下圖a），左捻上出繩從右到左排列（下圖b）右捻下出繩從右到左排列（下圖c），左捻下出繩從左到右排列（下圖d），并應排列整齊，，避免出現偏繞或擠壓現象，錯誤卷繞會造成亂繩，松股和打環(huán)。
圖2-2鋼絲繩的纏繞方向
（4）繩槽、卷筒。滑輪上的槽型應符合有關規(guī)定，滑輪繩槽底部半徑尺寸=（0.53-0.6）d?；喞K槽底部半徑過大，過小都將影響鋼絲與滑輪繩槽底部的接觸面積，使之過度磨損，而降低鋼絲繩和滑輪的使用壽命，也會影響傳動效率。如下圖所示，繩與滑輪槽的接觸角a130°，圖b繩徑過大，圖c繩徑過小，圖d為與槽徑像匹配的繩徑。
圖2-3繩槽
（5）鋼絲繩允許偏角。鋼絲繩繞進或繞出卷筒，滑輪槽時偏斜的最大角度(即鋼絲繩中心線和與滑輪軸垂直的平面之間的角度)推薦不大于5°，鋼絲繩繞進或繞出卷筒時，鋼絲繩偏離螺旋槽兩側的角度推薦不大于3.5°，對于光卷筒和多層纏繞卷筒，鋼絲繩偏離與卷筒軸垂直的平面的角度推薦不大于2°
（6）鋼絲繩走向。鋼絲繩走向反復彎曲易造成疲勞，產生斷絲（見下圖），因此安裝時應盡量避免反復彎折。
圖2-4鋼絲繩走向
2.4.5鋼絲繩的維護保養(yǎng)
鋼絲繩的維護保養(yǎng)應根據用途，工作環(huán)境和鋼絲繩的種類而定，在可能的情況下對鋼絲繩應進行適時的清洗并涂以潤滑油或潤滑脂，特別是那些繞過滑輪時經受彎曲的部位，機械在腐蝕性環(huán)境中工作以及在某些由于與工作有關的原因而不能潤滑的情況下運轉時更應如此，涂刷的潤滑油，潤滑脂品種應與鋼絲繩廠使用的相適應。
檢驗
①日常觀察。每個工作日都要經常對鋼絲繩的任何可見部分進行觀察，以便發(fā)現損壞與變形的情況，特別應留心鋼絲繩的固定部位，當檢查發(fā)現有斷絲，磨損，腐蝕和變形等缺陷時，應按GB/T 5972《起重機械用鋼絲繩檢驗和報廢實用規(guī)范》的規(guī)定判定。
②定期檢查。定期檢查周期應考慮以下各點：1、國家的法規(guī)要求；2機械的類型和工作環(huán)境；3機械的工作級別；4前幾次檢驗的結果及出現缺陷的情況；5鋼絲繩已經使用的時間。
③一般起重用鋼絲繩應保證每周至少檢查一次。
④在所有情況下，每當發(fā)生任一事故后或鋼絲繩經拆卸后重新安裝投入使用前均應進行一次檢驗。
⑤檢驗部位。1、一般部位：對鋼絲繩應做全長檢查，但要特別留心下列部位：鋼絲繩運動和固定的始末端部位；通過滑輪組或繞過滑輪的繩段，在機構進行重復工作的情況下，應特別注意機構吊載期間繞過滑輪的任何部位；位于平衡滑輪的繩段；由于外部因素可能引起磨損的繩段；腐蝕及疲勞的內部檢驗。2、繩端部位。應對從固結端引出的那段鋼絲繩進行檢驗，因為這個部位發(fā)生疲勞，斷絲和腐蝕是危險的。還應對固定裝置本身的變形或磨損進行檢驗，對于采用壓制或鍛造的繩端固定裝置進行類似的檢驗，并檢驗繩箍是否有裂紋以及繩箍與鋼絲繩之間是否產生滑動，可拆卸的裝置（楔形接頭，繩夾，壓板等）應檢驗其內部和繩端內的斷絲及腐蝕情況，并確保楔形接頭和鋼絲繩夾的緊固性，檢驗還應確保繩端裝置符合相應標準的要求，對編織的環(huán)狀插扣式繩頭應只使用在接頭的尾部，以防繩端突出的鋼絲傷手，接頭的其余部位應及時用肉眼檢查其斷絲情況，如果斷絲明顯發(fā)生在繩端裝置附近或繩端裝置內，可將鋼絲繩截短再從新裝到繩端固定裝置上使用，但鋼絲繩的長度必須滿足在卷筒上纏繞的最小圈數的要求。
2.4.6鋼絲繩失效分析
引起鋼絲繩是小的因素很多，通過對鋼絲繩失效因素分析，以便能提高鋼絲繩的使用壽命。
（1）強度與伸長
根據設計，鋼絲繩的最大斷裂強度小于所有鋼絲的集束強度，并與繩的結構和所有鋼絲繩性能級別有關，在設計鋼絲繩時，應考慮所有載荷因素，滑輪和卷筒的數目和結構安裝方式，產生腐蝕和磨損的條件以及繩的長度等，鋼絲繩中的鋼絲通常采用含碳量為0.50～0.80%的優(yōu)質碳素結構鋼制作而成，鋼繩的彈性模量為1.6×10N/mm。這是在載荷作用下鋼絲可能伸長程度的度量，鋼絲繩受拉力作用時，各鋼絲為要調整其位置以達到對應所加載荷的穩(wěn)定性，將發(fā)生相對變形，由此產生的伸長有兩種形式，當鋼絲繩第一次承受載荷時，鋼絲將稍微重新排列，產生永久性伸長，即結構伸長；同時還產生可恢復的伸長，即彈性伸長，結構伸長在一定程度取決于所加載荷的大小。
鋼絲繩中鋼絲的直徑愈小，彎曲所需力矩愈小，即韌性較大，通常含有鋼絲數較多的鋼絲繩和纖維芯鋼絲繩韌性較好，由較少鋼絲繩組成的全金屬鋼絲繩的韌性較差，并且前者比后者具有較大的伸長量。韌性越大抗失效性能愈好。
（2）滑輪
滑輪主要尺寸最小卷繞直徑用繩槽底部滑輪直徑再加鋼絲繩直徑表示，隨滑輪尺寸減小，
由彎曲和鋼絲繩與滑輪之間的接觸壓力所產生的應力而增大，彎曲應力越高，繩的鋼絲產生應力越高，繩的鋼絲產生疲勞越快，接觸應力增加也加速繩的損傷，同時還加速滑輪的磨損，隨滑輪尺寸的增大，繩與滑輪之間的壓力下降，彎曲程度也減小，如果僅考慮彎曲應力，對6×19點接觸鋼絲繩，可將滑輪直徑增大到繩直徑的90倍極限數值，以提高繩的壽命，但是，除了必要設備之外，這樣大直徑的滑輪實際很少采用，因為，1、對于多數起重設備，采用這樣大的滑輪是不切實際的在各種情況下，很少只存在著彎曲這一單一因素，實際上除彎曲以外，很有很多影響繩壽命的因素，如重復施加的應力，磨損，敲打，沖擊，振動，扭轉，轉速，卷筒卷揚失誤，腐蝕以及缺乏維護等，這些因素中的一個或幾個都比滑輪尺寸更影響繩的壽命。
（3）其他失效因素
1、腐蝕也是鋼絲繩失效的常見因素，由于使用環(huán)境形成的腐蝕氣氛，對鋼絲繩壽命有較大的影響。
2、向鋼絲繩施加沖擊載荷及其發(fā)生振動，產生高頻率的高彎曲應力，特別在鋼絲繩末端連接點處振動作用最為嚴重，可造成疲勞失效。
3、鋼絲繩在工作過程中如處于過高溫度下，也會因抗拉強度降低而失效。
從以上種種失效分析可知，起重機用鋼絲繩的失效往往有多種因素綜合積累而至，而實際失效事例分析中應綜合分析，分清主次，找出主要失效原因，以利提高鋼絲繩使用壽命。
2.4.7鋼絲繩用壓繩板的設計
鋼絲繩的始末端部位一般需要與其它零構件連接或固定在起重機的其他結構上，鋼絲繩尾端的固定是關系鋼絲繩安全的重要環(huán)節(jié)。
鋼絲繩的固定要求滿足兩個條件，一是連接或固定的部位必須達到相應的強度和安全要求，二是連接或固定方式與使用要求相符合，鋼絲繩的固定有多種方法，針對不同的使用條件和要求選擇使用。
鋼絲繩端部固定方法有多種，為了簡單方便，采用壓繩板進行固定。
2.4.8壓繩板材料的選用與機構的設計
壓繩板外形比較復雜，不易利用去除材料的方法進行加工，所以采用成型加工的方法，首先加工出壓繩板的模具，通過鍛造的方法制造出壓繩板，在材料的選擇上，首先考慮不銹鋼板，一方面由于電動葫蘆一般工作在比較惡劣的環(huán)境中，如果選用其他材料，容易受各種不利的環(huán)境的影響，這樣壽命將降低，不利于電動葫蘆正常工作，所以采用不銹鋼材料，這樣可以提高電動葫蘆的使用壽命。另一方面考慮到不銹鋼材料的表面質量好，這樣可以降低加工成本。
壓繩板機構的最終效果圖如下所示
圖2-5壓繩板
2.4.9導繩器的設計
GB/T 6067-1985≤起重機械安全規(guī)程≥要求鋼絲繩在卷筒上應按順序整齊排列。GB/T 697414-1986《起重機械名詞術語-機構和零部件》對導繩器的解釋為排繩器，定義為能使鋼絲繩按規(guī)定間隔整齊的繞上卷筒裝置，以往采用的導繩器有塊式和圓環(huán)式，目前塊式導繩器已經基本不用了，工作原理都差不多，導繩器本身不能轉動，當卷筒轉動時，隨鋼絲繩卷繞，由螺紋槽帶動沿軸向移動，隨時將所纏繞的鋼絲繩準確的引入，引出卷筒的螺旋槽，鋼絲繩由導繩器的缺口排出，不過此類形式的導繩器在使用中故障率比較高。
卷筒的作用是在起升機構中用來卷繞鋼絲繩，傳遞動力，并把旋轉運動變?yōu)橹本€運動，卷筒表面通常切出螺旋槽，其螺旋升角一般在3-4，增加鋼絲繩的接觸面積，并防止相鄰鋼絲繩相互摩擦，提高鋼絲繩的使用壽命，由于卷筒切出的螺旋槽也有導繩功能，使鋼絲繩能整齊排列，但往往在沒有其他輔助機構的協同作用，卷繞在卷筒上的鋼絲繩會跳出螺旋槽，使鋼絲繩排亂；有時鋼絲繩進入卷筒端部縫隙中會擠壓變形；也會有鋼絲繩跳過幾個螺旋槽；不規(guī)則的排列，會使鋼絲繩，卷筒磨損變形，總之，這都將影響卷筒，鋼絲繩的使用，從而縮短起重機的使用壽命。為能使鋼絲繩在卷筒上整齊的排列，延長機體各部件的使用壽命，很多起重機制造廠家都相應安裝了上圖的導繩裝置。
圖2-6導繩器組成部分
導繩器由上面三圖組成導繩器的總裝圖如圖2-7所示：
圖2-7導繩器的總裝圖
導繩器各零件之間采用鉚釘連接，選用半圓頭鉚釘，依據GB/T 867-1986型號：鉚釘4×7，材料為BL2，表面不進行處理。
三、卷筒的設計及吊鉤的選擇
3.1卷筒幾何尺寸
卷筒名義直徑
D=h.d
式中：d---鋼絲繩直徑
h---與機構工作級別和鋼絲繩機構有關的系數
選擇系數h：
根據GB/T 3811-1983、h=14
式中d=11mm 所以
D=h.d
=14×11
=154mm
考慮到各方面的因素 取D=160mm
繩槽半徑
R=（0.53-0.56）d
=（0.53-0.56）×11mm
=6mm
繩槽深度（標準槽）
H=（0.25-0.4）d
=（0.25-0.4）×11mm
=4.5mm
繩槽節(jié)距（標準槽）
P=d+（2—4）
=11mm+（2—4）mm
=15mm
卷筒厚度
鋼卷筒：δ≈d
δ≈11mm
卷筒長度：（單聯卷筒）
圖3-1卷筒長度示意圖
L=L+2L+L
式中：L----無繩槽的卷筒端部尺寸，按需而定
L----固定繩尾所需長度，L≈3P
L=（+Z）
其中：H----最大起升高度，H=6000mm；
m-----滑輪組倍數，電動葫蘆中m=2；
P-----繩槽節(jié)距，P=15mm
所以： L= （+Z）P
=（×15
=402mm
L按需而定，?。? L=25mm
L≈3P
=3×15mm
=45mm
所以 ： L= L+2L+L
=402+50+45
=500mm
3.2卷筒強度計算
由≤機械設計手冊單行本≥表8—1—55得L>3D，所以只需校核由彎曲產生的拉應力，計算公式：
δ =≤δ（MP）
M--由鋼絲繩最大拉力引起的卷筒的最大彎矩N.mm
W—抗彎截面模數
（mm）
D—卷筒繩槽底徑，mm
D--卷筒內徑，mm
δ--許用拉應力，Mpa
鋼：δ=，δ--屈服強度
=151446mm
M=7350000N.mm
=7350N.m
δ=
=48.5Mpa
δ=225Mpa δ=112.5Mpa
δ≤δ
所以可以選用
3.3卷筒支撐的設計
設計思路
套筒是依靠于變速器和電機的連接，在空間才有了正確的位置，考慮卷筒的裝配以及卷筒的加工，卷筒的支撐件，一端才用于卷筒不可進行拆裝的支撐部位進行支撐，此端位于電機軸連接端與電機軸連接端的支撐部位需要通過一個軸承與電機軸連接軸承套在電機軸端，軸承裝在卷筒的支撐部位，支撐部位相當于軸承套，其一端有一個凸臺，作用在限位，另一端采用與卷筒可進行拆裝的單獨支撐件進行支撐，該支撐件的三維圖如下所示，他與變速器的輸出軸連接，他有兩個作用，首先是起到支撐卷筒的作用，其次是傳遞轉矩的作用，把減速器輸出的轉矩傳遞給卷筒，使卷筒按照預期的目標進行旋轉，提升重物。
圖3-2支撐件
3.4套筒
圖3-3套筒
套筒上懸掛電動小車的結構示意圖如圖3-4所示：
圖3-4懸掛電動小車機構
套筒裝配效果圖如圖3-5所示：
圖3-5套筒裝配效果圖
3.5吊鉤的選擇
根據機械性能其強度等級選P級，查《機械設計手冊》鉤號選2.5，起重量為5t的吊鉤（單鉤）
圖3-6
四、起升電動機及聯軸器的選擇
ZD系列電動機是電動葫蘆的起升電機，或用于要求起動較大及制動力矩較大的驅動裝置，也可以在起重運輸機械，機床，生產流水線和其它需要迅速制動的場合中使用，本系列電機采用50Hz、380V電源，基準工作制S3，負載持續(xù)率25%，通電啟動次數是每小時120 次。
本系列電機為臥式電動機，采用圓錐面制動器，輸出端軸伸為矩形花鍵，機座不帶底腳，前端蓋有凸緣（法蘭式）安裝孔在前端蓋凸緣上，本系列電動機為封閉式結構，防護等級為IP44，冷卻方式為自扇冷式ICO141，絕緣等級為B級。
4.1計算電動機的功率
Pj=(KW)
式中：Q,V—起升載荷及起升速度
η—機構總效率 η=ηηηη
η--滑輪組效率，由手冊表中查到η=0.98
η--導向滑輪效率，由手冊表中查到η=0.98
η--卷筒效率，由手冊表中查到η=0.985
η--傳動效率，由手冊表中查到η=0.95
Pj=(KW)
=（KW）
=4.43（KW）
4.2確定電動機的轉速
卷筒的工作轉速為
η=
=r/min
=16.54r/min
推薦的合理傳動比范圍，由設計手冊查的三級同軸減速器的傳動比為i=28-315，故電動機的可選范圍為
η=iη=（28-315）×16.45r/min
符合這一范圍的同步轉速有1380r/min，1400r/min，再根據計算出來的功率，由電動機選型手冊查得符合這一要求的只有ZD32-4，P=4.5KW型號的電動機，ZD32-4錐形轉子異步電動機參數如表4-1所示：
型號
功率
KW
轉速
r/
min
額定電流
A
最大轉矩
zm
起動轉矩
zm
起動電流
A
效率
η
功率因數
制動力矩
Nzxm
轉動慣量
Kg/m
重量
（Kg）
額定轉矩
額定轉矩
ZD32-4
4.5
1380
11
2.7
2.7
60
0.78
0.80
62.72
0.16
62.7
表4-1
4.3聯軸器的選擇
起重機用聯軸器常用的有齒式聯軸器、梅花彈性聯軸器、彈性柱銷聯軸器、萬向聯軸器、耦合器等。由于鋼絲繩電動葫蘆有其特殊性，電機和減速器的輸出軸的距離較遠及兩軸的平行誤差較大，查設計手冊選用GCL型齒式聯軸器。
T=TKKK
=9550 KKK
≤T（N.m）
T--理論轉矩，N.m
P--驅動功率，KW，P=4.5KW
n—工作轉速，r/min，n=1380r/min
K--電動機系數，K=1.0
K—工況系數，K=1.75
K--啟動系數，K=1.0
K--溫度系數，K=1.0
T--公稱轉矩
T=TKKK
=
=54.5（N.m）
查設計手冊選擇GCL型齒式聯軸器，公稱轉矩TN=400N.m，聯軸器外形如下圖
圖4-1 聯軸器
五.傳動比及傳動裝置參數的計算
5.1計算總傳動比
已選定電動機型號為ZD32-4，滿載轉速為1380r/min
i=
==83.4
5.2分配減速器的各級傳動比
按浸油潤滑條件考慮，同時要考慮三級同軸線式定軸傳動的減速器箱體的尺寸，取第一級傳動比 i=1.4i i=1.76 i
i=3.2 i=1.4×3.2=4.5 i=5.6
要注意傳動裝置的實際傳動比只有在傳動件的參數（例如齒數，帶輪直徑等）確定后才能準確計算，故工作機的實際轉速只有在傳動件設計計算完成后進行核算，一般允許與設計要求的轉速有（3-5）%的誤差。
5.3傳動裝置的運動和動力參數
5.3.1各軸轉速