i摘要絞車傳動(dòng)系統(tǒng)作為整個(gè)海洋絞車的核心部件，為海洋絞車提供足夠的動(dòng)力和扭矩，并為其儲(chǔ)存臍帶纜，絞車的滾筒容纜量直接決定探礦的深度。目前我國用于潛水器調(diào)運(yùn)系統(tǒng)，海洋調(diào)查水文絞車、海洋平臺(tái)起重機(jī)等重要度較高的高性能、高可靠性海洋絞車還較多的依賴進(jìn)口。因此設(shè)計(jì)出國產(chǎn)裝備的海洋絞車迫在眉睫。本次設(shè)計(jì)根據(jù)海洋絞車的工況及傳動(dòng)原理對(duì)絞車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析計(jì)算，及校核，包括：絞車滾筒纏繩計(jì)算、絞車滾筒尺寸計(jì)算、電機(jī)選型計(jì)算，減速器選型計(jì)算、軸承選型計(jì)算、齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算、滾筒強(qiáng)度計(jì)算及絞車底座校核。通過一系列計(jì)算校核，1500 米海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)滿足任務(wù)書及相關(guān)規(guī)范要求，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高。適應(yīng)能力強(qiáng)，移運(yùn)性好、使用維護(hù)簡單等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：絞車；齒輪傳動(dòng)；滾筒iiABSTRACTWinch's Drive System, as the core component of the whole ocean winch, provides enough power and torque and stores the umbilical cable for marine winch. Winch drum capacity cable decides the depth of exploration directly. Currently, marine winch, which is high performance, high reliability: such as submersible transportation system, oceanographic survey hydrographic winch, platform crane, still relies on import in our country. So designing marine winch by ourselves is extremely urgentAccording to the marine winch and the condition of the transmission principle of winch drive system, this design analyzes ,calculates and check winch drive system ,including: drum winch rope winding calculation, winch drum size calculation and calculation of the motor selection, reducer selection calculation, type selection calculation of bearing, gear design and calculation of transmission, drum strength calculation and winch base check.By a series of calculation, 1500 meters of the marine prospecting winch main drive system can meet requirements of the task book and related standards. And it has many advantages, for instance, simple structure, high efficiency, strong ability of adapt and so on.Key Words：winch；gear transmission；tumbling cylinderiii目 錄第一章 緒論………………………………………………………………………11.1 課題背景及研究的意義…………………………………………………………11.2 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)………………………………………………21.2.1 國內(nèi)海洋探礦絞車研究現(xiàn)狀……………………………………………21.2.2 國外海洋探礦絞車研究現(xiàn)狀……………………………………………21.2.3 國內(nèi)外海洋探礦絞車的差距……………………………………………21.2.4 海洋絞車發(fā)展趨勢(shì)………………………………………………………31.3 本課題的主要研究內(nèi)容…………………………………………………………3第二章 海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)…………………………………42.1 海洋探礦絞車的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則………………………………………42.1.1 海洋探礦絞車的使用工況…………………………………………………42.1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則……………………………………………………42.2 各類海洋探礦絞車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)…………………………………………………52.2.1 多電機(jī)+多行星減速器+固定輪系+主軸支撐……………………………52.2.2 多電機(jī)+多減速器+固定輪系+轉(zhuǎn)盤軸支撐…………………………………62.2.3 多電機(jī)+固定輪系+行星減速器+主軸支撐…………………………………82.2.4 多電機(jī)+多行星減速器+固定輪系+轉(zhuǎn)盤軸支撐……………………………9 2.3 海洋絞車傳動(dòng)系統(tǒng)方案的分析選擇………………………………………………10 第三章 海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件參數(shù)計(jì)算………………………113.1 主要性能指標(biāo)………………………………………………………………………113.2 絞車滾筒尺寸………………………………………………………………………113.3 電動(dòng)機(jī)和減速器的選取……………………………………………………………143.3.1 電動(dòng)機(jī)的選取………………………………………………………………143.3.2 減速器的選取………………………………………………………………163.4 固定輪系設(shè)計(jì)計(jì)算…………………………………………………………………163.4.1 輪齒受力分析………………………………………………………………173.4.2 選擇齒輪材料………………………………………………………………173.4.3 初步確定主要參數(shù)…………………………………………………………173.4.4 齒面接觸強(qiáng)度核算…………………………………………………………203.4.5 輪齒彎曲強(qiáng)度核算…………………………………………………………22 iv第四章 海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………264.1 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算…………………………………………………………264.1.1 滾筒強(qiáng)度常規(guī)計(jì)算…………………………………………………………26 4.1.2 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………………274.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算…………………………………………………………284.2.1 軸承座 ……………………………………………………………………28 4.2.1 左支架設(shè)計(jì)…………………………………………………………………294.2.2 右支架設(shè)計(jì)…………………………………………………………………294.2.3 主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………………………304.3 軸承選型與壽命計(jì)算………………………………………………………………31第五章 結(jié)論……………………………………………………………………………33參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………34致謝…………………………………………………………………………………………35附錄………………………………………………………………………………………36- 1 -第一章 緒論1.1 課題背景及研究的意義隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源的消耗量也在大幅度的增長。我國從改革開放以來，國家的工業(yè)化不斷提高，能耗企業(yè)也相對(duì)增多，對(duì)能源的開發(fā)和利用日益緊迫。隨著陸地資源的枯竭，越來越多的國家將眼光投向海洋。“21 世紀(jì)是海洋的世紀(jì)”。海洋科技的發(fā)展是認(rèn)識(shí)、開發(fā)、利用海洋的關(guān)鍵。海洋科技作為當(dāng)今世界三大尖端科技之一，它的發(fā)展已成為體現(xiàn)一個(gè)國家當(dāng)代科技發(fā)展水平和綜合國力的重要特征。如今，世界各國在海洋上的競(jìng)爭(zhēng)比歷史上任何時(shí)期都要激烈，而這個(gè)競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上就是高新技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。美國、日本、俄羅斯、法國、英國等許多國家都把海洋開發(fā)定為基本國策，競(jìng)相制定海洋科技戰(zhàn)略計(jì)劃，開發(fā)規(guī)劃、優(yōu)先發(fā)展深海高新技術(shù)，以加快本國海洋開發(fā)的進(jìn)程與力度。我國海岸線十分長，海洋資源豐富，并且很多資源尚未開發(fā)。但我國深?？碧郊夹g(shù)發(fā)展迅速，但和國外頂級(jí)技術(shù)相比差距明顯。尤其在進(jìn)入新世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟(jì)一直呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢(shì)，對(duì)石油天然氣的需求巨大。開發(fā)海上石油天然氣資源，更好地服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，已成為國家石油公司的責(zé)任。但與此同時(shí)，技術(shù)生產(chǎn)的落后，在一定程度上阻礙了國家石油公司進(jìn)軍海洋油氣資源領(lǐng)域的步伐。對(duì)于海洋勘探開發(fā)技術(shù)的研發(fā)工作方向，應(yīng)本著立足國內(nèi)、面向世界的原則。一是大力發(fā)展海洋油氣地質(zhì)勘探技術(shù)，完善海洋勘探理論；二是發(fā)展深水開發(fā)工程技術(shù)。海洋絞車作為深海測(cè)量和勘探的重要設(shè)備，在各類探索、研究、開發(fā)海洋資源的調(diào)查研究中是必不可少的。絞車傳動(dòng)系統(tǒng)作為整個(gè)海洋絞車的核心部件，為絞車提供足夠的動(dòng)力和扭矩，并為其儲(chǔ)存臍帶纜，絞車的滾筒容纜量直接決定探礦的深度。目前我國用于潛水器調(diào)運(yùn)系統(tǒng)，海洋調(diào)查水文絞車、海洋平臺(tái)起重機(jī)等重要度較高的高性能、高可靠性海洋絞車還較多的依賴進(jìn)口。因此設(shè)計(jì)出國產(chǎn)裝備的海洋絞車迫在眉睫。本課題就是基于這樣一種想法，以 SolidWorks 軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)，進(jìn)行 1500 米海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)的虛擬設(shè)計(jì)（包括機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，虛擬裝配），希望能為絞車設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)研發(fā)人員提供新的設(shè)計(jì)思路，為我過的海洋資源的開發(fā)貢獻(xiàn)一點(diǎn)綿薄之力。- 2 -1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 國內(nèi)海洋探礦絞車研究現(xiàn)狀絞車是指用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條用來提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備，主要用于各類礦場(chǎng)，屬于起重機(jī)的一種。我國海洋絞車主要經(jīng)歷了仿制，自行設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。我國在海洋勘探絞車研究領(lǐng)域起步較晚，主要是學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)的同時(shí)依照礦用絞車進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。例如株洲立達(dá)公司參考丹麥 MacArtney 絞車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)出設(shè)計(jì)的一款絞車。2010 年寶石機(jī)械公司研發(fā)出我國首臺(tái)自主研發(fā)的海洋鋪管絞車，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。但因?yàn)檠芯繒r(shí)間并不長，所以我國現(xiàn)在對(duì)海洋絞車沒有形成完整，規(guī)范的設(shè)計(jì)體系，主要根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行類似的設(shè)計(jì)計(jì)算。1.2.2 國外海洋探礦絞車研究現(xiàn)狀國外絞車研究較早，礦用絞車應(yīng)用十分普遍，生產(chǎn)廠家也很多。雖然海洋絞車發(fā)展時(shí)間并不長，但其他國家，例如美國、日本、瑞典憑借在礦用絞車領(lǐng)域成熟的經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)的技術(shù)，在海洋絞車研究方向走在世界前列。例如丹麥 MacArtney 公司的新一代海洋絞車（MERMAC R40AHC 型，）主傳動(dòng)系統(tǒng)以及英國的 Slingsby Aviation 公司生產(chǎn)的絞車，其結(jié)構(gòu)形式基本上都是經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的。許多國外制造商應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)及模塊化設(shè)計(jì)，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件組合安裝，減少非標(biāo)準(zhǔn)件的加工制造，這樣做有助于減少成本。1.2.3 國內(nèi)外海洋探礦絞車的差距海洋探礦絞車與礦用絞車有明顯的不同，重點(diǎn)體現(xiàn)在起吊纜的不同，陸用絞車主要采用鋼絲繩，海洋探礦絞車通過臍帶纜和遙控水下機(jī)器人（Remotely Operated Vehicle,ROV）相連，從母船獲得動(dòng)力并傳輸信息，這條纜通常也是 ROV 的起吊纜。2014 年中天科技深海臍帶纜研制成功，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，這無疑是國產(chǎn)海洋絞車研究的福音。就多數(shù)海洋勘探絞車而言，快繩拉力不大，電機(jī)功率也不算很大，但到目前，我國海洋絞車仍需從國外進(jìn)口。起初，參照國外海洋勘探絞車的技術(shù)參數(shù)系列（容繩量、鋼（電）纜直徑、負(fù)載、上升速度、滾筒尺寸、重量等項(xiàng)目）來設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)我們自主設(shè)計(jì)的海洋絞車，但總是難如人意。主要原因在于海洋探礦絞車與陸用起重機(jī)不同，海洋探礦絞車的起重系統(tǒng)要經(jīng)常在海洋上動(dòng)蕩不安的場(chǎng)合下工作，絞車負(fù)荷在吊升過程中都會(huì)在很大的范圍內(nèi)變化，因此，我們的設(shè)計(jì)必須超越以往陸用起重機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮到各個(gè)方面。- 3 -1.2.4 海洋絞車發(fā)展趨勢(shì)隨著科技技術(shù)的發(fā)展，海洋絞車主要向以下幾個(gè)方向發(fā)展：1、高功率重量比：同樣性能和功率的絞車，重量越輕越好，體積也要越小越好，這樣可以便于運(yùn)輸、安裝。2、高度的可靠性：海洋絞車的工作環(huán)境是在海洋上，并且海洋調(diào)查多為連續(xù)工作，所以要求絞車在出海期間無故障，保證工作順利。因此現(xiàn)在的海洋絞車結(jié)構(gòu)越來越簡單，以此來保證高度的可靠性。3、高效率、低噪聲、免維修。1.3 本課題的主要研究內(nèi)容（1）通過對(duì)深海絞車的功能原理及絞車設(shè)計(jì)的原則了解，并在研究大量國內(nèi)外有關(guān)深海絞車的設(shè)計(jì)、使用等方面的資料基礎(chǔ)上，確定了深海絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成形式，并設(shè)計(jì)深海絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的方案。（2）通過借鑒國內(nèi)外先進(jìn)絞車參數(shù)，確定深海絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的基本參數(shù)，同時(shí)對(duì)絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的主要組成部件如電動(dòng)機(jī)、滾筒、減速器、齒輪進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。（3）根據(jù)深海絞車的使用環(huán)境及工作要求的需要，完成深海絞車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別對(duì)深海絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的主要部件如變速系統(tǒng)總成和滾筒軸總成進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)組成絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的主要零件如滾筒軸、滾筒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并在 SolidWorks 中對(duì)其進(jìn)行三維建模。（4）用有限元軟件建立深海絞車傳動(dòng)系統(tǒng)主要零件滾筒、滾筒軸及滾筒軸裝配體的有限元模型，科學(xué)合理的確定它們的約束條件、載荷分布，對(duì)滾 筒、 滾筒軸 和滾筒軸裝配體進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，從有限元分析結(jié)果中分析滾筒和滾筒軸設(shè)計(jì)是否滿足絞車的正常工作要求。- 4 -第二章 海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)2.1 海洋探礦絞車的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則2.1.1 海洋探礦絞車的使用工況海洋探礦絞車是起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，它的主要任務(wù)是用來起、下海洋測(cè)量儀器；懸持靜止的設(shè)備?？刂圃O(shè)備起吊的速度，同時(shí)儲(chǔ)存臍帶纜。海洋絞車主要在海洋上工作，需要適用于 4 級(jí)以下海況。 2.1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則根據(jù)海洋絞車的工作環(huán)境特點(diǎn)，有很多與起重機(jī)不同的特殊要求。為滿足這些要求，參考相關(guān)資料后，我們對(duì)于海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)定了以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)原則。其內(nèi)容應(yīng)為較大的負(fù)載儲(chǔ)備；連續(xù)的無極調(diào)速；較好的的低速性能；可控的高速投放；靈便的操作方式；高度的可靠性；高功率重量比等等。具體說明如下：（1）較大的負(fù)載儲(chǔ)備：海洋情況復(fù)雜，有時(shí)需要迅速起吊投放重物，因此需要足夠的負(fù)載儲(chǔ)備。絞車應(yīng)具有足夠強(qiáng)度和剛度的支架和底座，傳動(dòng)部分要有嚴(yán)密的防護(hù)罩，并應(yīng)潤滑充分，在結(jié)構(gòu)安排上應(yīng)保證易損件拆修簡便。（2）連續(xù)的無極調(diào)速：絞車轉(zhuǎn)速從 或者相反，能夠連續(xù)不間斷的變化，0maxV?同時(shí)起吊重量不受太大的影響，功率損失不大。（3）較好的的低速性能：被吊物起吊時(shí)速度從 0 開始、似動(dòng)不動(dòng)、微動(dòng)、慢動(dòng)、到低速上升，或者做相反的運(yùn)動(dòng)過程，就是說在上述靠近 0 速為起點(diǎn)或終點(diǎn)的低速區(qū)段，必須是能連續(xù)的平滑的變化，而且是可控的，不得有抖動(dòng)、爬行、突變等現(xiàn)象。所謂的“極佳的低速性能”描述的就是這個(gè)過程。尤其對(duì)于被吊物是貴重的海洋儀器，應(yīng)盡量避免磕碰。海洋絞車有這種性能尤為重要。因此我們采用變頻調(diào)速電機(jī)。（4）靈便的操作方式：絞車滾筒有正反向轉(zhuǎn)動(dòng)和剎車停止三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而轉(zhuǎn)動(dòng)速度必須是要可調(diào)的。符合人們工作習(xí)慣的操作方式可以在緊急狀況下有效地控制絞車，避免錯(cuò)誤操作帶來的損失。（5）高度的可靠性：由于工作環(huán)境是在海洋上，情況比較復(fù)雜。并且一般的海洋調(diào)查時(shí)多為連續(xù)工作，所以要求絞車在出海期間無故障，保證工作順利。再則，海況變化非?？?，有時(shí)工作期間，遇上惡劣海況時(shí)，必須迅速將調(diào)查儀器吊回船上，這樣，就要求絞車隨時(shí)都能準(zhǔn)確無誤的工作。傳動(dòng)鏈越短，機(jī)構(gòu)越簡單，出現(xiàn)故障幾率就會(huì)越低，我們的設(shè)備就會(huì)越可靠，同時(shí)我們選用的電機(jī)防護(hù)等級(jí)應(yīng)比較高，確保受環(huán)境影響低。- 5 -（6）高功率重量比：同樣性能和功率的絞車，重量越輕越好，在滿足需求的情況下盡量選擇質(zhì)量較小的材料。2.2 各類海洋探礦絞車傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理2.2.1 多電機(jī)+多行星減速器+固定輪系+主軸支撐丹麥 MacArtney 公司的新一代海洋絞車（ MERMAC R40AHC 型，）主傳動(dòng)系統(tǒng)采用的就是這種結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。每臺(tái)電機(jī)的主軸直接與 1 臺(tái)行星減速器相連，每個(gè)行星減速器輸出軸上安裝 1 個(gè)小齒輪，6 個(gè)小齒輪以外嚙合方式同時(shí)驅(qū)動(dòng) 1 個(gè)大齒輪（6 個(gè)小齒輪和 1 個(gè)小齒輪形成 1 個(gè)固定輪系減速），大齒輪直接安裝在卷筒上，絞車卷筒通過主軸支撐在機(jī)架上。這種傳動(dòng)方案的機(jī)械傳動(dòng)原理如圖 2.2 所示。圖 2.1 MERMAC R40AHC 型- 6 -圖 2.2 多電機(jī)+多行星減速器+固定輪系+主軸支撐的傳動(dòng)原理圖2.2.2 多電機(jī)+多減速器+固定輪系+轉(zhuǎn)盤軸承支撐英國的 Slingsby Aviation 公司生產(chǎn)的絞車（圖 2.3）就是采用這種結(jié)構(gòu)形式，即 2臺(tái)電機(jī)分別連接 2 臺(tái)減速器，再通過中間傳動(dòng)件驅(qū)動(dòng) 2 個(gè)小齒輪，2 個(gè)小齒輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤軸承外齒圈（形成固定輪系），絞車卷筒直接固定在轉(zhuǎn)盤軸承外圈上，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈固定在機(jī)架上，絞車卷筒是通過 2 個(gè)轉(zhuǎn)盤軸承支撐在機(jī)架上，不需要卷筒主軸。如圖 2.4 所示，這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的絞車將電機(jī)反向布置在卷筒的下方，可以縮短絞車軸向尺寸，或增大卷筒長度以增大纜繩儲(chǔ)繩量；該結(jié)構(gòu)直接通過 2 個(gè)大的轉(zhuǎn)盤軸承將卷筒與機(jī)架相連，卷筒不需要通過主軸支撐，減少了卷筒主軸，簡化了主軸結(jié)構(gòu)，降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；因電機(jī)布置在卷筒下方，工作時(shí)卷筒會(huì)承受一定的側(cè)應(yīng)力。- 7 -圖 2.3 英國 Slingsby Aviation 單卷筒一體化絞車圖 2.4 多電機(jī)+多減速器+固定輪系+轉(zhuǎn)盤軸承支撐方案?jìng)鲃?dòng)原理圖- 8 -2.2.3 多電機(jī)+固定輪系+行星減速器+主軸支撐株洲立達(dá)公司曾做過類似這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的煤礦絞車，與此不同的是株洲立達(dá)采用的多臺(tái)（6 臺(tái)）液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)而不是多臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絞車。這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式實(shí)際上是將丹麥 MacArtney 絞車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的 1、2 級(jí)傳動(dòng)反過來做，即電機(jī)連接小齒輪，小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒輪，大齒輪與行星減速器輸入軸連接，行星減速器輸出軸與卷筒連接。這種傳動(dòng)方案的機(jī)械傳動(dòng)原理如圖 2.5 所示。圖 2.5 多電機(jī)+固定輪系+行星減速器+主軸支撐方案?jìng)鲃?dòng)原理圖2.2.4 多電機(jī)+多行星減速器+固定輪系（內(nèi)嚙合）+轉(zhuǎn)盤軸承支撐這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)是在綜合上述幾種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)之后的提出擬采用的一種新的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式（如圖 2.6 所示），第 1 級(jí)傳動(dòng)采用方案 1 中電機(jī)直接連接行星減速器，第 2 級(jí)的固定輪系傳動(dòng)采用齒輪內(nèi)嚙合形式，即多個(gè)小齒輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤軸承的帶齒輪內(nèi)圈，卷筒固定在轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈上，轉(zhuǎn)盤軸承外圈固定在機(jī)架上，絞車卷筒通過 2 個(gè)轉(zhuǎn)盤軸承進(jìn)行支撐。這種傳動(dòng)方案的機(jī)械傳動(dòng)原理如圖 2.7 所示。- 9 -圖2.6 多電機(jī)+多行星減速器+固定輪系（內(nèi)嚙合）+轉(zhuǎn)盤軸承支撐模型圖圖2.7 多電機(jī)+多行星減速器+固定輪系（內(nèi)嚙合）+轉(zhuǎn)盤軸承支撐傳動(dòng)原理圖- 10 -2.3 海洋絞車傳動(dòng)系統(tǒng)方案的分析選擇經(jīng)過上述四種方案的具體分析論證，擬定的絞車傳動(dòng)系統(tǒng)采用多電機(jī)+多行星減速器+固定輪系+主軸支撐，即丹麥 MacArtney MERMAC R40AHC 型海洋絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)。但經(jīng)過分析，行星減速器并不能很好地滿足本次設(shè)計(jì)的要求，因此我們選用擺線針輪減速器代替行星減速器。用 SolidWorks 初步設(shè)計(jì)草圖如下：圖 2.8 海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)裝配圖- 11 -第三章 海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)主要部件參數(shù)計(jì)算3.1 主要性能指標(biāo)根據(jù)任務(wù)書書確定的主要性能指標(biāo)如下：1、適用于 4 級(jí)以下海況2、安全工作載荷：100KN3、最大靜張力(卷筒載荷)：160KN4、公稱速度：60m/min5、儲(chǔ)纜卷筒容繩量： 170m6、纜繩直徑： 327、主動(dòng)升沉補(bǔ)償能力： ?8、驅(qū)動(dòng)方式：交流變頻電驅(qū)動(dòng),2 臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng) 4 臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式9、卷筒直徑與長度： 1065?10、卷筒法蘭直徑： 7fDm?11、變頻電機(jī)功率： 4KW3.2 絞車滾筒尺寸根據(jù)直徑 臍帶纜最小彎曲半徑要求,確定卷筒直徑為 。32dm? 120Dm?深海絞車與礦用絞車不同，深海絞車?yán)K纜不依靠固定裝置固定繩纜，而是依靠繩纜與卷筒之間的摩擦力，因此當(dāng)絞車達(dá)到最大深度，卷筒上仍需保留一層繩纜。基于深海海洋絞車探測(cè)深度需達(dá)到 ，當(dāng)達(dá)到最大深度時(shí)，卷筒上仍需保證一定150Hm?的儲(chǔ)纜量，按儲(chǔ)纜總層數(shù) 計(jì)算,纜繩長度初步設(shè)計(jì)為 , 則卷筒儲(chǔ)纜 8 層8n170sL?直徑為：………………………………………………(3.1)81203217D????先大致估算絞車卷筒長度 jL根據(jù)文獻(xiàn)資料[8]分析卷筒及臍帶纜尺寸取給定符號(hào)為：纜索長度 ，卷筒槽型槽距 ，卷筒初始直徑 、纜索直徑34p?D、纏繞各層的長度 …… 、纜索的總層數(shù)d1L2nn- 12 -圖 3.1 纏纜示意圖通過數(shù)學(xué)分析得：第1層纏繞長度（按其中心線）：………………………………………(3.2)1()jLDdp???第2層纏繞長度：………………(3.3)2(3)(1(31)()j jLLddpp?????????對(duì)下一（ ）層：n當(dāng) 為奇數(shù)時(shí)…………………………………(3.4){[(1)3]}jnDdLLp????當(dāng) 為偶數(shù)時(shí)n………………………………(3.5){[(1)3]}(1)jn dp????全部繞層的長度和應(yīng)等于給定纜索長度，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算：……………………………………………(3.6)128.sLL?此時(shí)：………………(3.7)(43)(1)463)j jsDdDdpp??????- 13 -化簡得：…………………………(3.8)(823)(4163)jsLDdDdp??????由此得到：……………………………………………(3.9)[(416)]823sj pLd??參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，類似尺寸的礦用絞車槽距 ，深海絞車?yán)p纜，36p?排纜更為精密，因此 4p?……………(3.10)[170(1203162)]4163088jL m?????考慮一定的誤差，取卷筒長度1650jLm?卷筒底層能存儲(chǔ)纜繩列數(shù)為：列1348.2??卷筒每層儲(chǔ)纜長度為：11()3.42815.7LDdmm????21[]().4290.?????31(33.85.Ld???4 1[)]()9.27406.Dmm?????51(3.53081.Ld???61[)]()9.472.3?????71(356.85.LDdmm???- 14 -8 1[(73)]()3.4620739LDdmm???????卷筒總共的儲(chǔ)纜長度可達(dá)128.70.9s L若按卷筒儲(chǔ)纜長度 1700m 計(jì)算，最外層無需儲(chǔ)滿，合乎實(shí)際需要。按照 CB* 3128-82 船舶技術(shù)絞車設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，卷筒法蘭高度必須超出最外層纜繩的高度，超出值應(yīng)不小于鋼絲繩直徑的 2.5 倍，即82731652Dd???8*3172f m???取 150fm?3.3 電動(dòng)機(jī)和減速器的選取3.3.1 電動(dòng)機(jī)的選取絞車所需輸入總功率： max/160/.85601.235PFv kW????每臺(tái)電機(jī)功率為：1/48.235/47.08k?取 55KW 電機(jī)。絞車輸入總功率為：55×4=220KW。電機(jī)類型選：YTSZ 系列起重用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī) 55KW 4 臺(tái)，極對(duì)數(shù)4/2,380-440v 50 Hz電機(jī)功率因數(shù) cos??????電機(jī)型號(hào) YTSZ250M電機(jī)外殼防護(hù)等級(jí) ，采用臥式安裝,4IP電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：.1470Nnrpm?- 15 -電機(jī)輸出扭矩： 605195030.1247NNMPPT Nmnn???????主傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比：卷筒中間層（第 5 層）直徑為：4(32)1032()1398.Ddm??????按最大提升速度 v=60m/min，卷筒轉(zhuǎn)速為： 4601398gvnrpD????總傳動(dòng)比：1470/3.617.Ngni??以卷筒外層直徑為準(zhǔn)，提升速度 60m/min,卷筒轉(zhuǎn)速為： 8601.5.2gvnrpmD????總傳動(dòng)比： 1470/.56127.Ngni??以卷筒底層直徑為準(zhǔn)，提升速度60m/min,卷筒轉(zhuǎn)速為：1601524gvnrpmD????總傳動(dòng)比： 70/5.93Ngin綜合三種情況,總傳動(dòng)比確定為 。7i?- 16 -絞車扭矩校核：絞車滾筒最底層承受 載荷所需扭矩為：160KN341.2/9.610Tm????:絞車滾筒最外層承受138KN載荷所需扭矩為：3410.5/8.N絞車滾筒的驅(qū)動(dòng)扭矩為：51264350.1791.0.max(,)MTi NT??????扭矩滿足要求絞車滾筒中間層（第5層）最大承受載荷為： 5521.07213.07KN98TFD????絞車滾筒最外層（第10層）最大承受載荷為：55102.721.363.3.2 減速器的選取減速器傳動(dòng)比為 齒輪傳動(dòng)比為1i2i減速器選用二級(jí)減速，為使傳動(dòng)平穩(wěn)，負(fù)載均勻,2i不宜太大因此，減速器傳動(dòng)比 ，由文獻(xiàn)[2]減（變）速器一章，選用型號(hào) XLD 55-15i?:8225-21 則齒輪傳動(dòng)比 1297/4.6i（減速器參數(shù)傳動(dòng)比： 輸出轉(zhuǎn)速： 電機(jī)功率： 輸出轉(zhuǎn)2i?71rpm5KW矩 使用系數(shù) 機(jī)型號(hào) 8225）6805xTNm??.31K具體尺寸見附錄 B- 17 -3.4 固定輪系設(shè)計(jì)計(jì)算已知條件：1、小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 16805xTNm?:2、小齒輪的轉(zhuǎn)速 472nrp3、名義傳動(dòng)比 129/.i4、雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，滿載工作時(shí)間 60h5、齒輪中心距不宜超過卷筒直徑過多6、 閉式傳動(dòng)7、 非對(duì)稱布置3.4.1 輪齒受力分析直齒圓柱齒輪齒面上所受的法向載荷 通常都視為集中作用在平均分度圓上，nF及上齒寬中點(diǎn)的法向截面內(nèi)，將法向載荷 分解為切向力 及徑向分力 ，各力的大t nFr小分別為切向力 ……………………………………………………… (3.11)12nTFd?式中，——輪齒 1 傳遞扭矩，1TNm:——輪齒所受切向力，tF——小齒輪平均分度圓直徑， 。1d徑向力 …………………………………………(3.12)12tantrTFd??式中——嚙合角，度；?法向力 ……………………………………………(3.13)12cosstnFTd??3.4.2 選擇齒輪材料- 18 -小齒輪： 調(diào)質(zhì)，硬度40Cr241~80HBS大齒輪： 鋼 調(diào)質(zhì), 硬度*575:由文獻(xiàn)[1]圖 13-1-23 和圖 13-1-52 按 級(jí)質(zhì)量要求取值，得 ，MX2lim10/HN??， ，2lim290/HN??2lim10/FN??2lim240/FN??3.4.3 初步確定主要參數(shù)按接觸強(qiáng)度初步確定中心距按直齒輪從表 13-1-75 選取 ，按齒輪非對(duì)稱布置，速度較小，沖擊載荷不76dA?大，取載荷系數(shù) ，按表 13-1-79，選 ， 1.3K?0.5d?齒數(shù)比 462ui許用接觸應(yīng)力： ………………………… (3.14)Hp? 2lim10.9.09/HNm????小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 2685T?小齒輪：…………… (3.15)13312 21.68054.17289dHpKuA????????:初步確定模數(shù)、齒數(shù)、螺旋角、齒寬、變位系數(shù)等幾何參數(shù)根據(jù)齒根彎曲強(qiáng)度，可按下列公司估算齒輪的法向模數(shù)：取 10nm?取123z4.610.26i???取 210z實(shí)際傳動(dòng)比 - 19 -20164.3zi?小齒輪分度圓直徑 1 20ndmzm??大齒輪分度圓直徑216nz?齒寬 10.523dbm???小齒輪寬度取齒輪精度等級(jí)為 8 級(jí)，（效率 97%）齒頂高（外嚙合） *10ah??齒根高 *()(.25)10.facmm???齒高 10afh?齒頂圓直徑 d123250aam??168h?齒根圓直徑 fd123052ff m??163ffh?中心距 a12()(0)645d??基圓直徑 b- 20 -1cos230cos216bdm?????2169?齒頂圓壓力角 a……………………………………(3.16)112rcosrcs30.5baad????………………………………………(3.17)22 96rrobaa?重合度 ?端面重合度：………………………………………… (3.18)120.8931.7?????（ ， 由文獻(xiàn)[1]圖 13-1-7）?縱向重合度： ?總重合度 .73????3.4.4 齒面接觸強(qiáng)度核算分度圓上名義切向力 tF1206805917323tTFNd???使用系數(shù) AK原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，均勻平穩(wěn)，工作機(jī)為重型升降機(jī)，有輕微沖擊，由文獻(xiàn)[1]表13-1-81 。1.25A?動(dòng)載系數(shù) V齒輪線速度 12307.84360dnv ms????根據(jù)表 13-1-90，計(jì)算傳動(dòng)精度系數(shù) C…………………… (3.19).548l().ln()2.5ln().32ptCzf???- 21 -123z?32ptfm??0.548ln()1.4l(0).85ln(32).8.1C????圓整取 ，查文獻(xiàn)[1]圖 13-1-14 1.VK齒向載荷分布系數(shù) HK?由表 13-1-98，齒輪裝配時(shí)對(duì)研跑合………………………(3.20)223111.508[.6()]0.Hbbd? ?????223().1201.43K??齒間載荷分配系數(shù) H?/1.2597061.8AtFbNm???查表 13-1-102 得： .HK?節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) Z查文獻(xiàn)[1]圖 13-1.160????2.5HZ?彈性系數(shù) E由表 13-1-105 2189.EZNm?重合度系數(shù) ?端面重合度： 1.73??由文獻(xiàn)[1]圖 13-1-19 查得0.86Z?小齒輪、大齒輪的單對(duì)齒嚙合系數(shù) BZD由文獻(xiàn)[1]表 13-1-104 的判定條件，由于 ， 11,BM??,1DZ??取 .08BZ?1D- 22 -計(jì)算接觸應(yīng)力 H?由文獻(xiàn)[1]表 13-1-80 公式可得 1591734.61.08.251.4.2589.0620936tHBAVHEFuZKZdbMPa?????? ?????::壽命系數(shù) NTZ應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 160760250Lnt???21.43由文獻(xiàn)[1]表 13-1-106 公式計(jì)算 90.571()123NTLZ?70.3822.().6TL潤滑油膜影響系數(shù) LVRZ由文獻(xiàn)[1]表 13-1-108，靜強(qiáng)度（ ）10LN?1.0LVRZ?齒面工作硬化系數(shù) W由文獻(xiàn)[1]圖 13-1-30 1.Z?2.3W尺寸系數(shù) X由表 13-1-109 .0安全系數(shù) HS……………(3.20)lim11.46HNTLVRWXZZS???- 23 -…………… (3.21)lim222 1.5HNTLVRWXZZS???均達(dá)到表 13-1-110 規(guī)定的較高可靠度是最小安全系數(shù) 的1HS2 min1.2530HS:要求。齒面接觸強(qiáng)度通過。3.5.5 輪齒彎曲強(qiáng)度核算齒向載荷分度系數(shù) FK?……………………………………… (3.22)()NH?……………………………………(3.23)21()bh?0m?.52.10.5nm??2(1/).82N?0.8()(4)1NFHK???齒向載荷分配系數(shù) ?1.FHK???齒形系數(shù) Y當(dāng)量齒數(shù) 1nz?2nz由文獻(xiàn)[1]圖 13-1-38 1.7FY?2.18FY?應(yīng)力修正系數(shù) SY?由文獻(xiàn)[1]圖 13-1-43 1.57SY??21.8SY??重合度系數(shù) Y?…………………………(3.24)025n???- 24 -1.73n???05.268Y??螺旋角系數(shù) 1.0Y??計(jì)算齒根應(yīng)力 F?因 ，用文獻(xiàn)[1]表 13-1-111 中方法二.7652???……………………………………(3.25)tFFSAVFnYKbm??????159732.150.681.25.12028MPa????15F?試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù) STY見文獻(xiàn)[1]表 13-1-11， 2.0?壽命系數(shù) NTY由文獻(xiàn)[1]表 13-1-118 ………………………………………………………… (3.26)60.23()NTL??60.21()9585TY?60.223()4NT??相對(duì)齒根角敏感系數(shù) relTY?當(dāng)應(yīng)力修正系數(shù)在 的范圍內(nèi)時(shí)靜強(qiáng)度的相對(duì)齒根敏感系數(shù) 1.53S?, ,SrelTY??10.78relT?10.9relT??相對(duì)齒根表面狀況系數(shù) RrelY- 25 -由文獻(xiàn)[1]圖 13-1-58，齒根表面微觀不平度 10 點(diǎn)高度為 時(shí)，102.5zRm??1.0RrelTY?尺寸系數(shù) X由文獻(xiàn)[1]表 13-1-119 的公式1.0360.97XnYm???彎曲強(qiáng)度的安全系數(shù) FS…………………………………(3.27)limReTNrllTXFFY??li111 502.9580.7.9103.STrelRlTXFF??????lim222 4.276STNrelTRlXFFYY??均達(dá)到文獻(xiàn)[1]表 13-1-110 規(guī)定的較高可靠度時(shí)最小安全系數(shù) 的S2 1.0FS?要求。輪齒彎曲強(qiáng)度核算通過。系數(shù) （直齒輪 ）.6mA?0???許用齒根應(yīng)力，按下式計(jì)算 FP?輪齒雙向受力： lim20.5FPEF???——復(fù)合齒形系數(shù)，sYFsasY?——齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度的基本值FE- 26 -第四章 海洋探礦絞車主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度計(jì)算4.1.1 滾筒強(qiáng)度常規(guī)計(jì)算（參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)）卷筒材料材料采用 。345Q若忽略卷筒自重力，卷筒在鋼絲繩最大拉力作用下，使卷筒產(chǎn)生壓、彎曲和扭應(yīng)力。其中壓應(yīng)力最大。當(dāng) 時(shí)，彎曲和扭應(yīng)力合成應(yīng)力不超過10%壓應(yīng)力。所以，DL?當(dāng) 時(shí)只計(jì)算壓應(yīng)力即可。當(dāng) 時(shí)還要考慮彎曲應(yīng)力。DL3?3?因絞車卷筒上 ，故只計(jì)算壓應(yīng)力：16501206????多層纏繞時(shí)，壓應(yīng)力計(jì)算公式如下………………………………………(4.1)??bcpFA????max21'式中： ——卷筒壓應(yīng)力（MPa）'1——鋼絲繩最大拉力（N ）；maxF——卷筒壁厚（mm）;?——應(yīng)力減少系數(shù)，一般取 ；1A75.01?A——多層纏繞系數(shù)，纏繞層數(shù)大于 4時(shí)取 ；2 2——繩槽槽距（mm）；p——許用壓應(yīng)力，對(duì)鑄鋼 ；??bc???2sbc??，3' max12160.7574FAMPap?????材料不滿足要求。345Q由于差別并不大，采取利用加強(qiáng)筋來提高滾筒強(qiáng)度。