礦用液壓絞車設計【卷揚機】

礦用液壓絞車設計【卷揚機】,卷揚機,礦用液壓絞車設計【卷揚機】,液壓,絞車,設計 河南理工大學萬方科技學院 本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 指導教師： 職稱： 副教授 所在院（系）： 機械與動力工程學院 教研室（研究室）： 機制教研室 題 目 礦用液壓絞車設計 學生姓名 專業(yè)班級 學號 一、選題質量：（主要從以下四個方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標，能否體現(xiàn)綜合訓練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟、社會、文化及實驗室建設等實際的結合程度） 該設計符合本科階段培養(yǎng)專業(yè)設計的能力，能夠很好的訓練學生的機械綜合能力，達到理論與實踐的結合，開拓視野，培養(yǎng)了學生創(chuàng)新的意識。本課題設計難度中等，符合本科階段要求，工作量大，需要同學認真查閱資料，扎實學好專業(yè)知識，與任課老師，相關的技術人員溝通，認真完成畢業(yè)論文。該題目是關于礦山方面的機械設計，對于將要從事礦山工作的學生來說，本次設計無疑是為學生深入了解礦山機械提供了一個很好的學習機會。希望學生在接下來的設計中認真查閱相關資料，本著嚴謹?shù)脑O計態(tài)度把接下來的設計搞好。從而為自己以后在工作中積累寶貴的經(jīng)驗。 二、開題報告完成情況： 確定了明確的課題設計方向；并對液壓絞車在使用中經(jīng)常出現(xiàn)的問題有一定的研究；已經(jīng)開始對課題進行設計草算，并有了突破性的進展，設計過程已經(jīng)快速地展開，確定了工作的內(nèi)容和方法；同時，已完成了對相關資料的查閱，對課題有了總體的分析。開題報告順利完成。 三、階段性成果： 總體布置方案和主要結構參數(shù)已確定，并完成一些標準件的選型及和大多數(shù)零部件的設計計算工作。結構設計和校核工作正在進行中，英文翻譯工作即將結束，已開始初步草算和制作設計說明書的工作。 四、存在主要問題： 1.在液壓絞車傳動系統(tǒng)的設計上，專業(yè)性比較強設計的時候遇到了一定的阻力。 2.由于液壓絞車的連續(xù)工作量比較大，從力學的角度考慮，要在連續(xù)工作量的要求內(nèi)使液壓絞車的整體設計成本最經(jīng)濟，因此在設計時要綜合多方面的考慮。 3.局部結構設計思路不清晰；設計內(nèi)容不夠連貫，系統(tǒng)性不強；在整體結構及零部件結構上存在一定問題； 4.獲得資料不夠充分，需要跟住實際的設計情況取得參考資料。 5.在選用零件和確定結構工藝參數(shù)時缺少經(jīng)驗和參考 五、指導教師對學生在畢業(yè)實習中，勞動、學習紀律及畢業(yè)設計（論文）進展等方面的評語 指導教師： （簽名） 年 月 日 河南理工大學萬方科技學院 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目名稱 礦用液壓絞車設計 學生姓名 專業(yè)班級 學號 一、 選題的目的和意義： 礦用液壓絞車是工業(yè)生產(chǎn)過程中一種常見的機械，具有悠久的發(fā)展歷史和比較成熟的設計制造技術。隨著絞車制造技術的不斷提高,加工材料的不斷改進以及電子控制技術的不斷發(fā)展，絞車在動力，節(jié)能和安全性等方面取得了很大的進步。目前，絞車正被廣泛的用于礦山，港口，工廠，建筑和海洋等諸多領域。 通過本題目使我在礦用液壓絞車設計方面進行一次全面的系統(tǒng)的訓練，使我能綜合運用所學課程，系統(tǒng)地鞏固基本理論和專業(yè)知識，培養(yǎng)分析問題和解決問題的獨立工作能力；提高計算，繪圖，查閱文獻，使用規(guī)范手冊和編寫技術文件及計算機輔助設計計算等基本技能，掌握絞車設計原則，設計方法，步驟。樹立正確的設計思想及嚴謹負責，實事求是，刻苦鉆研，勇于創(chuàng)新的作風。為今后打下良好的基礎并能提高我的綜合運用知識和課本上的理論知識與實踐相結合的能力，同時也有助于以后在工作崗位能很快的適應工作環(huán)境。 二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀簡述： 礦用液壓絞車包括機械設備及拖動控制系統(tǒng)，是聯(lián)系地上和地下的重要途徑，是礦山生產(chǎn)的咽喉設備，其性能好壞直接關系到礦山的生產(chǎn)效率及安全性和可靠性，它的安全，可靠運行時整個礦井正常生產(chǎn)的必要條件，一旦發(fā)生故障，所造成的經(jīng)濟損失是巨大的?！斑\輸是礦井的動脈，提升是咽喉”形象的描述了礦井液壓絞車運輸系統(tǒng)的工作過程與重要作用。目前，國內(nèi)對提升設備經(jīng)過多年的研究，近幾十年來發(fā)展的很快，尤其是提升設備的滾筒方式，制動方式和電力拖動，自動化控制等方面有了很大的改進，在提升設備的理論和實踐方面都取得了豐富的經(jīng)驗。 我國的礦用提升機其調速原理經(jīng)歷了電阻調速，液壓調速，變頻調速及行星差動調速等幾次大的改進，目前國產(chǎn)提升機所采用的調速裝置主要有兩種類型：一是液壓傳動調速控制（液壓調速），其產(chǎn)品形式即為現(xiàn)有的液壓提升絞車；二是電控調速裝置（變頻調速），其產(chǎn)品形式即為現(xiàn)有的JT系列絞車。 在過去的20年中，我國從德國共進口幾十套的大型礦用提升機，其電控配套裝置均為西門子公司的產(chǎn)品，其中十多套是為直流電動機配套的電流控制系統(tǒng)，其余均為變頻交流電氣傳動電控配套裝置。第一套是1994年為山西省常林主井提升機配套的，其調速性能非常理想，且節(jié)能效果相當明顯，它代表了世界礦用提升機的先進水平，也為我們指明了走節(jié)能和無級調速的路子。 特別是隨著計算機技術的飛速發(fā)展，機電一體化技術和產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展和應用。先進采煤從采煤工作面，掘進工作面，到井下主煤流運輸及輔助運輸，到礦井提升及井下供電，排水等裝置，均具有建立在微處理器上的監(jiān)控和保護系統(tǒng)，其機電一體化的設備，性能，可靠性和功能等有大幅度提高。 三、主要參考文獻與資料獲得情況： （1）王昆等主編，機械設計基礎課程設計，北京；高等教育出版社，1996 （2）《機械設計手冊》聯(lián)合編寫組編，機械設計手冊/上冊，化學工業(yè)出版社，1979 （3）東北工學院《機械零件設計手冊》編寫組編，機械設計手冊（第二版）/中冊，冶金工業(yè)出版社，1982.1 （4）郭奇亮等主編，機械零件課程設計，貴州人民出版社，1982.1 （5）潘英編，礦山提升機械設計，徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2000.12 （6）濮良貴，紀明剛主編，機械設計（第七版），北京：高等教育出版社，2001 （7）許灝，機械設計手冊，北京：機械工業(yè)出版社，1991 （8）欒兆群，胡建明，孫曉兵編，礦用新型調度絞車的設計，煤炭機械，2001年第9期 四、畢業(yè)設計（論文）進度安排（按周說明）： 第1周：查詢相關資料，制定出詳細的實驗方案； 第2～5周：進入工廠實習； 第6周：確定畢業(yè)設計題目 第7～8周：調研階段 從網(wǎng)上和圖書館查閱相關資料； 第 9 周：完成開題報告 交指導老師檢查； 第10～12周：開始編寫畢業(yè)論文 并完成初稿 交指導老師審查； 第 13～14 周：整理說明書及圖紙，檢查錯誤處 確定畢業(yè)終稿； 六、指導教師審批意見：（對選題的可行性、研究方法、進度安排作出評價，對是否開題作出決定）： 指導教師： （簽名） 年 月 日 目 錄 摘要…………………………………………………………………………………………1 Abstract …………………………………………………………………………………2 1緒論………………………………………………………………………………………3 1.1絞車的概述………………………………………………………………………3 1.1.1絞車的分類…………………………………………………………………3 1.2液壓傳動系統(tǒng)概論………………………………………………………………5 1.2.1傳動類型及液壓傳動的定義………………………………………………5 1.2.2液壓系統(tǒng)的組成部分………………………………………………………6 1.2.3液壓系統(tǒng)的類型……………………………………………………………6 1.2.4液壓技術的特點……………………………………………………………7 1.3絞車的簡介………………………………………………………………………7 1.4擬定絞車液壓系統(tǒng)圖……………………………………………………………8 2卷揚機構的方案設計 …………………………………………………………………11 2.1 常見卷揚機構方案及分析 ……………………………………………………11 2.1.1 非液壓式卷揚機構方案比較 …………………………………………11 2.1.2卷筒軸及減速器輸出軸連接方式設計的基本原則…………………13 2.1.3液壓卷揚機構的分類…………………………………………………14 2.1.4液壓式行星齒輪傳動卷揚機構布置方案……………………………14 2.2本設計所采用的方案…………………………………………………………17 2.3卷揚機構方案設計注意事宜…………………………………………………18 3卷揚機構組成及工作過程分析………………………………………………………20 3.1卷揚機構的組成…………………………………………………………………20 3.2卷揚機構工作過程分析…………………………………………………………20 3.2.1卷揚機構的工作周期……………………………………………………20 3.2.2載荷升降過程的動力分析………………………………………………21 4卷揚機卷筒的設計和鋼絲繩的選用…………………………………………………24 4.1卷揚機卷筒的設計……………………………………………………………24 4.1.1卷揚機卷筒組的分類和特點……………………………………………24 4.1.2卷筒設計計算……………………………………………………………25 4.2鋼絲繩的選擇…………………………………………………………………29 5液壓馬達和平衡閥的選擇……………………………………………………………31 5.1液壓馬達的選用與驗算………………………………………………………31 5.1.1液壓馬達的分類及特點…………………………………………………31 5.1.2液壓馬達的選用…………………………………………………………31 5.1.3馬達的驗算………………………………………………………………32 5.2平衡閥的計算與選用…………………………………………………………35 5.2.1平衡閥的功能簡介………………………………………………………35 5.2.2平衡閥的選用……………………………………………………………35 6制動器的設計與選用…………………………………………………………………37 6.1制動器的作用、特點及動作方式………………………………………………37 6.2制動器的設計計算……………………………………………………………38 6.2.1制動轉矩的計算…………………………………………………………38 6.2.2制動盤的設計選用………………………………………………………39 6.2.3制動盤有效摩擦直徑計算………………………………………………39 6.2.4制動器散熱的驗算………………………………………………………40 6.2.5全盤式制動器設計計算…………………………………………………43 7軸的設計………………………………………………………………………………45 7.1軸的材料………………………………………………………………………45 7.2軸的工作能力計算……………………………………………………………45 7.3軸的結構設計…………………………………………………………………49 7.3.1擬定軸上零件的裝配方案………………………………………………49 7.3.2根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度…………………………50 7.3.3軸上零件的周向定位……………………………………………………50 8離合器的設計與選用…………………………………………………………………52 8.1離合器的功用、特點與分類……………………………………………………52 8.2圓盤離合器主要性能參數(shù)的計算……………………………………………53 8.2.1離合器的計算轉矩………………………………………………………53 8.2.2根圓盤摩擦片的主要尺寸關系…………………………………………54 8.2.3摩擦式離合器的摩擦轉矩………………………………………………55 8.2.4圓盤摩擦離合器壓力的計算……………………………………………56 結論………………………………………………………………………………………58 參考文獻 …………………………………………………………………………………60 致謝………………………………………………………………………………………61 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設計 摘 要 本設計是通過對液壓絞車工作原理、工作的環(huán)境和工作的特點進行分析，并結合實際，在進行細致觀察后，對液壓絞車的整體結構進行了設計，對組成的各元件進行了選型、計算和校核。本絞車由進口液壓馬達、進口平衡閥、常閉多片式制動器、離合器、卷筒、支承軸和機架等部件組成，還可根據(jù)需要設計閥組直接集成于馬達配油器上，如帶平衡閥、高壓梭閥、調速換向閥或其它性能的閥組。液壓絞車在結構上具有緊湊、體積小、重量輕、外型美觀等特點，在性能上則具有安全性好、效率高、啟動扭矩大、低速穩(wěn)定性好、噪音低、操作可靠等特點，在提升和下放工作中運轉相當平穩(wěn)，帶離合器的絞車可實現(xiàn)自由下放工況，廣泛適用于鐵道機車和汽車起重機、船舶、油田鉆采、地質勘探、煤礦、港口等各種起重設備中。 關鍵詞：液壓絞車；計算；校核；閥組 Abstract This design is to analyze the working principle，the working environment and the working characteristic of the hydraulic winch，and union reality，after the careful observation，I design the overall construction，and choose，compute and examine the various parts of the hydraulic winch. The winch is made up of the import hydraulic motor，import balancing valve，the brake of many pieces，coupling，reel，supporting axle and rack . Also we may design the valve group for the distributor of the motor，like with balancing valve，high-pressured shuttle valve，velocity modulation cross valve or other performance valve groups. The characteristic of the construction is compact ，small，light，beautiful and so on，the characteristic of the performance is safe，the high efficiency，the big start torque，the best low-speed stability characteristic，the low noise，the reliable operation. The winch is quite steadily in the work of promotion and relaxation ，The winch with the coupling also may release the things free ，It is popular to the railroad locomotive ，the auto hoist，the ships， the oil field of drills picks，the geological prospecting，the coal mine，the harbor and the each kind of hoisting equipment. Key words：Hydraulic winch；Computation；Examination；Valve group 一 緒 論 1.1絞車概述 在人類歷史上，絞盤是第一種用于拖拽提升重物的機器，它可使一個人搬運遠重于自己許多倍的重物。絞盤采用一種軸和輪的形式，由用垂直框架支撐的滾筒組成，人通過用手搖動曲柄，使絞盤絞盤滾筒繞水平軸轉動（見圖1.1）。中國人遠在公元前兩千年就設計出用曲拐手柄轉動的砂輪。 圖1.1 絞盤簡圖 今天被廣泛應用的絞車（或稱卷揚機）是絞盤的另一種形式，它泛指具有一個或幾個上面卷繞有繩索或鋼絲繩的圓筒，用來提升或拖拽重載荷的動力機械。 1.1.1 絞車分類 絞車可以采用多種分類方法。 按絞車驅動方式分類，絞車可以分為機械式驅動絞車、電機驅動絞車、氣動絞車、液壓絞車等幾大類。 1.機械式驅動絞車 ①驅動部件間的固定幾何位置關系決定著系統(tǒng)的設計布局，布局的變化少； ②傳動系體積尺寸大，總重量重； ③安裝布置復雜，經(jīng)常需要精密加工的平面和精密的部件定位； ④難以實現(xiàn)大范圍的無級變速； ⑤原動機的位置是不可變的； ⑥在有負載的情況下，難以取得平穩(wěn)的反轉； ⑦通過采用液力偶合器，可以在堵轉工況下產(chǎn)生最大扭矩。 2.電機驅動絞車 ①在小型和低端絞車產(chǎn)品上采用常規(guī)定速電機驅動方法，能實現(xiàn)單速(或雙速)和雙向旋轉功能，系統(tǒng)簡單，但不能低速啟動和平滑變速； ②采用可控硅整流(SCR)直流調速方式實現(xiàn)無級變速，發(fā)展歷史悠久，可在低速段提供短時的額定扭矩(或堵轉扭矩)。但是，若無獨立冷卻系統(tǒng)和專用設計，直流調速方式不能長時間用于堵轉工況； ③采用交流變頻調速方式實現(xiàn)從零到最大速度的無級變速，可以在低速或堵轉工況下提供100%額定扭矩，調速平穩(wěn)； ④設備復雜，維修、保養(yǎng)人員的技術水平要求較高。 3.氣動絞車 ①需要配置壓縮空氣站； ②氣動系統(tǒng)工作壓力較低，氣動馬達外形尺寸較大，氣動系統(tǒng)總體重量較重； ③對環(huán)境條件敏感-在周圍環(huán)境溫度低的地方，可能有潮氣凝結在氣動管路和部件里； ④噪音大-需要噪音消音器。 4.液壓絞車 ①雙向實現(xiàn)從零到最大速度的無級變速控制，易于換向； ②用高壓溢流閥或壓力補償器雙向限制有效力矩； ③輸出速度范圍大，負載的低速控制好，可以帶載良好啟動； ④系統(tǒng)允許長時間支持負載，雙向可以限制不同力矩； ⑤設計緊湊，布置方便，動力傳遞系統(tǒng)總重量輕； ⑥易于實現(xiàn)恒速、恒張力控制。 按絞車應用領域和使用工況分類，絞車分為礦用絞車、建工卷揚機、船用絞車、工程機械絞車以及特殊用途用絞車等等。 按絞車作業(yè)形式分類，絞車一般分為滾筒卷揚絞車和線型絞車兩大類。滾筒卷揚絞車采用驅動滾筒旋轉方式收放纜繩和拖拽負載，并在滾筒上直接容繩；線型絞車采用夾鉗直線拉拔纜繩方式拖拽負載，并在獨立配置的滾筒上卷揚容繩。 1.2液壓傳動系統(tǒng)概論 1.2.1 傳動類型及液壓傳動的定義 一部完備的機器都是由原動機、傳動裝置和工作機組成。原動機（電動機或內(nèi)燃機）是機器的動力源；工作機是機器直接對外做功的部分；而傳動裝置則是設置在原動機和工作機之間的部分，用于實現(xiàn)動力（或能量）的傳遞、轉換與控制，以滿足工作機對力（或力矩）、工作速度及位置的要求。 按照傳動件（或轉速）的不同，有機械傳動、電器傳動、流體傳動（液體傳動和氣體傳動）及復合傳動等的要求。 液體傳動又包括液力傳動和液壓傳動是以動能進行工作的液體傳動。液壓傳動則是以受壓液體作為工作介質進行動力（或能量）的轉換、傳遞、控制與分配的液體傳動。由于其獨特的技術優(yōu)勢，以成為現(xiàn)代機械設備與裝置實現(xiàn)傳動及控制的重要技術手段之一。 1.2.2 液壓系統(tǒng)的組成部分 液壓傳動與控制的機械設備或裝置中，其液壓系統(tǒng)大部分使用具有連續(xù)流動性的液壓油等工作介質，通過液壓泵將驅動泵的原動機的機械能轉換成液體的壓力能，經(jīng)過壓力、流量、方向等各種控制閥，送至執(zhí)行機器（液壓缸、液壓馬達或擺動液壓馬達）中，轉換為機械能去驅動負載。這樣的液壓系統(tǒng)一般都是由動力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓附件及液壓工作介質等幾部分所組成。 一般而言，能夠實現(xiàn)某種特定功能的液壓元件的組合，稱為液壓回路。為了實現(xiàn)對某一機器或裝置的工作要求，將若干特定的基本回路連接或復合而成的總體稱為液壓系統(tǒng)。 1.2.3 液壓系統(tǒng)的類型 液壓系統(tǒng)可以按多種方式進行分類，見表1.1。 表1-1 液壓系統(tǒng)的分類 1.2.4 液壓技術的特點 與其它傳動控制方式相比較，液壓傳動與控制技術的特點如下。 （1）優(yōu)點： 1）、單位功率的重量輕。 2）、布局靈活方便。 3）、調速范圍大。 4）、工作平穩(wěn)、快速性好。 5）、易于操縱控制并實現(xiàn)過載保護。 6）、易于自動化和機電一體化。 7）、易于操縱控制并實現(xiàn)過載保護。 8）、液壓系統(tǒng)設計、制造和使用維護方便。 （2）缺點： 1）、不能保證定比傳動。 2）、傳動效率低。 3）、工作穩(wěn)定性易受溫度影響。 4）、造價較高。 5）、故障診斷困難。 1.3 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(nèi)燃機驅動、電動機驅動和液壓驅動。 內(nèi)燃機驅動的起升機構，其動力由內(nèi)燃機經(jīng)機械傳動裝置集中傳給包括起升機構在內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(wǎng)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。 1.4 擬定絞車液壓系統(tǒng)圖 系統(tǒng)的工作原理及其特點簡要說明如圖所示：（見圖1.2） 液壓馬達2的排量切換由二位四通電磁換向閥5實現(xiàn)，控制壓力由液壓泵9來提供，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5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(jīng)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 。 圖1.2 1、多片式摩擦離合器2、液壓馬達3、6、溢流閥4、外控式平衡閥 5、三位四通電磁換向閥7、回油過濾器8、冷卻器9、液壓馬達10、油箱 原始數(shù)據(jù)： 卷筒底層拉力1100kgf，馬達排量520ml/r，工作壓力16.5MPa，鋼絲繩線速度60m/min，鋼絲繩直徑8mm，鋼絲繩3層卷筒容繩量27m 二 卷揚機構的方案設計 卷揚機方案設計的主要依據(jù)：機構的驅動方式；安裝位置的限制條件和機型種類與參數(shù)匹配等。 2.1 常見卷揚機構結構方案及分析 2.1.1 非液壓式卷揚機構方案比較 根據(jù)卷揚機構原動機和卷筒組安裝相對位置不同，卷揚機構結構布置方案的基本型有并軸式和同軸式兩種。而這兩種基本型中又有單卷筒和雙卷筒之分。下面介紹幾種常見的卷揚機構結構方案。 圖2.1 并軸布置單卷筒卷揚機構 圖2.1所示為并軸式單卷筒卷揚機構，他們的卷筒軸與原動機軸線并列平行布置，結構簡單、緊湊。 為了提高取物裝置在空載或輕載時的下降速度，有的卷揚機構設置了重力下降裝置（圖2.1b）。在卷筒上裝有帶式制動器和內(nèi)漲式摩擦離合器。當離合器分離時，驅動卷筒的動力源被切斷，卷筒處于浮動狀態(tài)，這時可利用裝在卷筒上的帶式制動器控制取物裝置以重力快速下降。 卷揚機構方案設計中一個重要問題是卷筒軸與減速器輸出軸的連接方式。圖2.1（a）、（b）所示方案，它們是把卷筒安裝在減速器輸出軸的延長部分上，從力學觀點看，屬于三支點的超靜定軸，減小了軸承受的彎矩。但是，這種結構對安裝精度要求很高，而且使的卷筒組和減速器的裝配很不方便，減速器也不能獨立進行裝配和試運轉，更換軸承也較困難。然而，它的外形尺寸小，結構簡單，適用于中小型建筑機械的卷揚機構。 圖2.1（c）、（d）所示方案，卷筒組與減速器輸出端均采用了補償式連接。圖2.1（c）減速器的輸出軸利用齒輪連軸節(jié)與卷筒連接，且直接把動力傳遞給卷筒。圖2.1（d）是采用十字滑塊聯(lián)軸節(jié)將卷筒和減速器輸出軸連成一體，卷筒軸的右端伸入到減速器輸出軸上的聯(lián)軸節(jié)半體中心孔內(nèi)，構成了軸的一個支點，輸出軸和卷筒軸均為筒支結構，構造緊湊，制造、安裝均有良好的分組性。 并軸布置雙卷筒卷揚機構（圖2.2），由一臺液壓馬達通過二級齒輪減速器分別驅動裝在兩根平行軸上的主、副卷筒。在這兩個卷筒上分別裝有離合器和制動器。通過液壓操縱系統(tǒng)的控制可使主、副卷筒獨立動作，并能實現(xiàn)重力下降。 圖2.2 并軸布置雙卷筒卷揚機構 雙卷筒集中驅動，可減少一套液壓馬達及傳動裝置。 2.1.2 卷筒軸與減速器輸出軸連接方式設計的基本原則 綜上所述，卷筒軸與減速器輸出軸連接方式設計的基本原則是： 1． 盡量避免采用多支點的超靜定軸。因為多支承點受力復雜且軸安裝精度不易保證。 2． 優(yōu)先采用減速器輸出端直接驅動卷筒的連接方式，使卷筒軸不傳遞扭距，盡可能避免卷筒軸收彎曲和扭轉的復合作用，以減少軸的直徑。 3． 使機構有良好的總成分組行，以利制造、安裝、調試和維修。 4． 結構緊湊、構造簡單，工作安全可靠。 5． 卷筒組與減速器輸出軸優(yōu)先采用補償式連接，這樣，在安裝時允許總成間有小量的軸向、徑向和角度位移，以補償安裝位置誤差和機件的變形。 2.1.3 液壓卷揚機構的分類 近年來普遍采用了行星齒輪傳動的多速卷揚機構，利用控制多泵合流和液壓馬達的串并聯(lián)或采用變量液壓馬達實現(xiàn)卷揚機構的多種工作速度，從而實現(xiàn)輕載高速、重載低速，提高工作效率，以滿足各種使用要求。 液壓傳動的起升機構可分為下列幾種形式： 由于選用的液壓馬達的形式不同，液壓起升機構可分為高速液壓馬達傳動和低速大扭矩馬達傳動兩種形式。 高速液壓馬達傳動需要通過減速器帶動起升卷筒。減速器可采用批量生產(chǎn)的標準減速器，通常有圓柱齒輪式，蝸輪蝸桿式和行星齒輪式減速器。這種傳動形式的特點是液壓馬達本身重量輕、體積小，容積效率高，生產(chǎn)成本較低。但整個液壓起升機構重量較重，體積較大。 低速大扭矩馬達傳動可直接或通過一級開式圓柱齒輪帶動起升卷筒。雖然低速馬達本身體積和重量較大，但不用減速器，使整個液壓起升機構重量減輕，體積減小。并使傳動簡單、零件少，起動性能和制動性能好，對液壓油的污染敏感性小。殼轉的內(nèi)曲線徑向柱塞式低速大扭矩馬達，可以裝在卷筒內(nèi)部，由馬達殼體直接帶動卷筒轉動，結構簡單緊湊，便于布置。 2.1.4 液壓式行星齒輪傳動卷揚機構布置方案 液壓多速卷揚機構有多種布置方案，如： 1、液壓馬達、制動器和行星減速器分別布置在卷筒的兩側，即對稱布置（圖2.3）。 圖2.3 液壓卷揚機構布置方案(一) 2、液壓馬達和制動器分別布置在卷筒的兩側，行星減速器裝在卷筒內(nèi)部（圖2.4）。 圖2.4 液壓卷揚機構布置方案(二) 3、液壓馬達、制動器布置在卷筒同一側，行星減速器裝在卷筒內(nèi)（圖2.5） 圖2.5 液壓卷揚機構布置方案(三) 4、 液壓馬達、制動器和行星減速器均裝入卷筒內(nèi)部（圖2.6）。 圖2.6 液壓卷揚機構布置方案(四) 二三方案屬于同一類型，由于行星減速器裝在卷筒內(nèi)，所以體積小，結構較緊湊，但由于卷筒內(nèi)的空間位置受到限制，要求安裝精度高，零件加工工藝復雜，軸承的選擇較困難，維修不方便。它們的不同處是制動器的安裝位置，方案二顯得對稱性好。 方案四顯然較方案二、方案三的外形尺寸更小，結構更加緊湊。但是它除了有二、三方案中的問題外，還存在制動器和液壓馬達的散熱性極差，檢修調試也很不方便。 二、三、四方案均屬同軸式布置，即使液壓馬達和卷筒軸在同一中心線上，總成組裝時要保證規(guī)定的同心度。 5．液壓馬達、制動器和行星減速器都布置在卷筒的同一側（圖2.7）。 圖2.7 液壓卷揚機構布置方案(五) 這種布置形式，機構的軸向尺寸較大，維修不太方便，同時也會給總體布置帶來一定困難。但它易于加工和裝配，總成分組性較好。 2.2 本設計所采用的方案 本設計給出的馬達的排量為520ml/r，工作壓力為16.5MP，因此選用低速大扭矩馬達，采用低速方案，不選用減速器。傳動方案根據(jù)比較選用如（圖2.8）所示，多片盤式離合器安裝在馬達上，聯(lián)軸器內(nèi)置于卷筒內(nèi)。此方案整體體積小，結構較緊湊。 圖2.8 本設計所采用的方案 2.3 卷揚機構方案設計注意事宜 卷揚機構的方案的設計除認真考慮以上問題外，還要酌情處理好以下事宜： 1、分配機構總傳動比時，級差不宜過大，一般可采取從原動機至卷筒逐級降低傳動比的分配方法。 2、卷筒直徑盡量選取最小許用值，因為隨著卷筒直徑的增加，扭矩和傳動比也隨之增大，引起整個機構的尺寸膨脹。但在起升高度大的情況下，為了不使卷筒長度過大，有時采用加大直徑的辦法來增加卷筒的容繩量。 3、對于具有多種替換工作裝置的機械，卷筒的構造應能提供快速換裝的措施，如制成剖分組合式卷筒等。 4、滑輪組的倍率對機構的影響較大。因此，滑輪組的倍率不宜取得過大。 一般當起升載荷時，滑輪組的倍率宜取2，時，倍率取3~6，載荷量更大時，倍率可取8以上。 5、卷揚機構的制動器是確保工作安全可靠的關鍵部件。支持制動器一般應裝在扭矩最小的驅動軸上，這樣可減少制動器的尺寸。但是若采用制動力矩大、體積小結構簡單的鉗盤式制動器時，可將其裝在卷筒的側板上，以提高卷揚機構的可靠性。 對于起吊危險物品的卷揚機構應設置兩套制動裝置。 三 卷揚機構組成及工作過程分析 3.1 卷揚機構的組成 根據(jù)選用的低速方案分析卷揚機由液壓馬達、常閉多片盤式制動器、離合器、卷筒、支承軸、平衡閥和機架等部件組成。 3.2 卷揚機構工作過程分析 3.2.1 卷揚機構的工作周期 卷揚機構是周期性作業(yè)。一個工作周期為：啟動加速（0→a）、穩(wěn)定運動（a→b）和制動減速（b→c）三個過程（圖2.1）。載荷由靜止狀態(tài)被加速到穩(wěn)定工作速度（穩(wěn)定運動）時，所經(jīng)歷的時間稱為啟動時間，從a到b經(jīng)歷的時間稱為工作時間，從b點的穩(wěn)定運動減速到靜止狀態(tài)時所經(jīng)歷的時間稱為制動時間。啟動時間和制動時間直接影響到卷揚機的工作過程，設計時可通過計算選取較為適合的時間。 圖3.1 卷揚機構工作過程曲線 3.2.2 載荷升降過程的動力分析 卷揚機構帶載作變速運動（起動或制動）時，作用在機構上的載荷除靜力外，還有作加速運動（或減速運動）質量產(chǎn)生的動載荷。 圖3.2 重物升降過程的動力分析 （a）起升起動；（b）起升制動；（c）下降起動；（d）下降制動 1．起升起動過程 卷揚機構帶載提升時，載荷從靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運動速度v的瞬時過程稱為起升起動過程。此時，懸掛載荷的鋼絲繩拉力（圖3.2a）為： 式中 ——起升載荷； ——由加速運動質量產(chǎn)生的慣性力。 在起升起動時，慣性力方向與起升載荷方向相同，使鋼絲繩拉力增加。 2、起升制動過程 卷揚機構由勻速運動制動減速到靜止的過程稱為起升制動過程。此時，懸掛重物的鋼絲繩拉力（圖3.2b）。由于減速運動質量產(chǎn)生的慣性力的方向與起升載荷的方向相反，故使鋼絲繩拉力減小。 3、下降啟動過程 將載荷從靜止狀態(tài)加速下降到勻速的過程稱為下降起動過程（圖3.2c）。此時，慣性為的方向與載荷的方向相反，使鋼絲繩拉力減小，即 4.下降制動過程 卷揚機驅動懸吊載荷以勻速下降時，將制動器上閘，使載荷由勻速下降減速到靜止狀態(tài)的過程稱為下降制動過程（圖3.2d）。此時因慣性力的方向與起升載荷的方向一致，故使鋼絲繩拉力增加，即。 綜上分析可得如下結論：起升起動和下降制動是卷揚機構最不利的兩個工作過程，起升起動時原動機要克服的阻力距是靜阻力矩與最大慣性阻力距之和。因此，原動機的起動力矩必須滿足 下降制動是制動器最不利的工作過程，所以，卷揚機構支持制動器的制動力矩應滿足下面條件： 才能將運動的物品在規(guī)定的時間內(nèi)平穩(wěn)的停住。 式中 ——卷揚機構驅動載荷勻速運動時的靜阻力矩； ——卷揚機構起、制動時的最大慣性阻力矩。 顯然，上述兩種工作過程是決定卷揚機原動機和制動器性能以及對機構的零部件進行強度計算的依據(jù)。 四 卷揚機卷筒的設計和鋼絲繩的選用 4.1 卷揚機卷筒的設計 4.1.1 卷揚機卷筒組的分類和特點 卷筒是起升機構中卷繞鋼絲繩的部件。常用卷筒組類型有齒輪連接盤式、周邊大齒輪式、短軸式和內(nèi)裝行星齒輪式。 齒輪連接盤式卷筒組為封閉式傳動，分組性好，卷筒軸不承受扭矩，是目前橋式起重機卷筒組的典型結構。缺點是檢修時需沿軸向外移卷筒。 周邊大齒輪式卷筒組多用于傳動速比大、轉速低的場合，一般為開式傳動，卷筒軸只承受彎矩。 短軸式卷筒組采用分開的短軸代替整根卷筒長軸。減速器側短軸采用鍵與過盈配合與卷筒法蘭盤剛性連接，減速器通過鋼球或圓柱銷與底架鉸接；支座側采用定軸式或轉軸式短軸，其優(yōu)點是構造簡單，調整安裝比較方便。 內(nèi)裝行星齒輪式卷筒組輸入軸與卷筒同軸線布置，行星減速器置于卷筒內(nèi)腔，結構緊湊，重量較輕，但制造與裝配精度要求較高，維修不便，常用于結構要求緊湊、工作級別為M5以下的機構中。 根據(jù)鋼絲繩在卷筒上卷繞的層數(shù)分單層繞卷筒和多層繞卷筒。由于本設計的卷繞層數(shù)為三層，因此采用多層卷筒。根據(jù)鋼絲繩卷入卷筒的情況分單聯(lián)卷筒（一根鋼絲繩分支繞入卷筒）和雙卷筒（兩根鋼絲繩分支同時繞入卷筒）。單聯(lián)卷筒可以單層繞或多層繞，雙聯(lián)卷筒一般為單層繞。起升高度大時，為了減小雙聯(lián)卷筒長度，有將兩個多層繞卷筒同軸布置，或平行布置外加同步裝置的實例。 多層卷筒可以減小卷筒長度，使機構緊湊，但鋼絲繩磨損加快，工作級別M5以上的機構不宜使用。 4.1.2 卷筒設計計算 根據(jù)卷揚機工作狀況和起升載荷確定卷揚機起升機構的工作級別，根據(jù)表查得汽車、輪胎、履帶、鐵路起重機，安裝及裝卸用吊鉤式，利用等級T5，載荷情況L2，工作級別M5。 1． 卷筒名義直徑D 式中——卷筒直徑比，由表選取; ——卷筒名義直徑（卷筒槽底直徑）（mm）; ——鋼絲繩直徑(mm); 根據(jù)卷揚機工作級別M5選用=25，根據(jù)已知得=8mm,把數(shù)值代入式中得 =（25-1）*8=192mm 根據(jù)所得的數(shù)據(jù)選卷筒名義直徑=200mm。 卷筒最小直徑的計算： Dmin=hd 式中 Dmin——按鋼絲繩中心計算的滑輪的最小直徑 mm: d——鋼絲繩直徑 mm; h——系數(shù)值； 根據(jù)機構工作級別為F，因此取系數(shù)值為18； Dmin=18×8=144 D＞Dmin 所以卷筒直徑符合條件。 2． 卷筒長度L確定 由于采用多層卷繞卷筒L，由下式 式中——多層卷繞鋼繩總長度（mm）； 根據(jù)已知卷筒容繩量為27m，所以=27m， 把數(shù)據(jù)代入式中得 =195.5mm 取多層卷繞卷筒長度=200mm。 3、繩槽的選擇 單層卷繞卷筒表面通常切出導向螺旋槽，繩槽分為標準槽和深槽兩種形式，一般情況都采用標準槽。當鋼絲繩有脫槽危險時（例如起升機構卷筒，鋼絲繩向上引出的卷筒）以及高速機構中，采用深槽。 多層卷繞卷筒表面以往都推薦做成光面，為了減小鋼絲繩磨損。但實踐證明，帶螺旋槽的卷筒多層卷繞時，由于繩槽保證第一層鋼絲繩排列整齊，有利于以后各層鋼絲繩的整齊卷繞。光面卷筒極易使鋼絲繩多層卷繞時雜亂無序，由此導致的鋼絲繩磨損遠大于有繩槽的卷筒。 帶繩槽單層繞雙聯(lián)卷筒，可以不設擋邊，因為鋼絲繩的兩頭固定在卷筒的兩端。多層繞卷筒兩端應設擋邊，以防止鋼絲繩脫出筒外，檔邊高度應比最外層鋼絲繩高出。 （1）繩槽半徑根據(jù)下式 取R=0.5d 把數(shù)值代入得 R=0.5×8=4mm 繩槽節(jié)距P=d+（2～4）mm 取P=8+2=10mm 繩槽深度h=（0.25～0.4）d 取h=0.35d=0.35×8=2.8 圖4.1繩槽的放大示意圖 （2）卷筒上有螺旋槽部分長 式中——=，卷筒計算直徑，由鋼絲繩中心算起的卷筒直徑（mm）； ——1.5，為固定鋼絲繩的安全圈數(shù)。取2； 把數(shù)據(jù)代入式中得 =167.8mm 由此可取 =170mm。 （3）繩槽表面精度：2級——值12.5。 4、卷筒壁厚 初步選定卷筒材料為鑄鐵卷筒，根據(jù)鑄鐵卷筒的計算式子： mm 把數(shù)值代入式中有 =0.02D+8=12mm 故選用=12mm。 5、鋼絲繩允許偏角 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3.5o。 對于光面卷筒和多層繞卷筒，鋼絲繩與垂直于卷筒軸的平面的偏角推薦不大于 2o，以避免亂繩。 布置卷繞系統(tǒng)時，鋼絲繩繞進或繞出滑輪槽的最大偏角推薦不大于5o，以避免槽口損壞和鋼繩脫槽。 6、卷筒強度計算 卷筒在鋼絲繩拉力作用下，產(chǎn)生壓縮，彎曲和扭轉剪應力，其中壓縮應力最大。當時，彎曲和扭轉的合成應力不超過壓縮應力的，只計算壓應力即可。當時，要考慮彎曲應力。對尺寸較大，壁厚較薄的卷筒還需對筒壁進行抗壓穩(wěn)定性驗算。 由于所設計的卷筒直徑=200mm，=200mm， 。所以只計算壓應力即可。 卷筒筒壁的最大壓應力出現(xiàn)在筒壁的內(nèi)表面壓應力按下式計算： 式中——卷筒壁壓應力（MPa）； ——鋼絲繩最大靜拉力（N）； ——應力減小系數(shù)，在繩圈拉力作用下，筒壁產(chǎn)生徑向彈性變形，使繩圈緊度降低，鋼絲繩拉力減小，一般??； ——多層卷繞系數(shù)。多層卷繞時，卷筒外層繩圈的箍緊力壓縮下層鋼絲繩，使各層繩圈的緊度降低，鋼絲繩拉力減小，筒壁壓應力不與卷繞層數(shù)成正比按表取值； ——許用壓應力，對鑄鐵，為鑄鐵抗壓強度極限，對鋼，為鋼的屈服極限。 取，按表取，根據(jù)已知卷筒底層拉力1100kgf，可算得，把各數(shù)代入式中： =121.4MP 根據(jù)所計算的結果查得卷筒的材料為球墨鑄鐵，其抗壓強度極限，，=121.36MP<,因此材料選用合格。 4.2 鋼絲繩的選擇 鋼絲繩的選擇包括鋼絲繩結構型式的選擇和鋼絲繩直徑的確定 繞經(jīng)滑輪和卷筒的機構工作鋼絲繩應優(yōu)先選用線接觸鋼絲繩。在腐蝕性環(huán)境中應采用鍍鋅鋼絲繩。鋼絲繩的性能和強度應滿足機構安全和正常工作的要求。根據(jù)此絞車的工作環(huán)境，在這里選用線接觸鋼絲繩。 鋼絲繩的直徑為已知d=8mm。 五 液壓馬達和平衡閥的選擇 5.1 液壓馬達的選用與驗算 5.1.1 液壓馬達的分類及特點 起重機的常用液壓馬達分為高速液壓馬達和低速液壓馬達。高速液壓馬達的主要性能特點是負載速度低、扭矩小、體積緊湊、重量輕，但在機構傳動中需與相應的減速器配套使用，以滿足機構工作的低速重載要求，其他的特點與同類的液壓泵相同，較多應用的有擺線齒輪馬達，軸向柱塞馬達。低速液壓馬達的負載扭矩大、轉速較低、平穩(wěn)性較好，可直接或只需一級減速驅動機構，但體積和重量較大。內(nèi)曲線徑向柱塞或球塞馬達和軸向球塞式馬達是較常用的型式。 液壓馬達在使用中并不是泵的逆運轉，它的效率較高，轉速范圍更大，可正、反向運轉，能長期承受頻繁沖擊，有時還承受較大的徑向負載。因此，應根據(jù)液壓馬達的負載扭矩、速度、布置型式和工作條件等選擇液壓馬達的結構型式、規(guī)格和連接型式等。 5.1.2 液壓馬達的選用 根據(jù)已知液壓馬達的工作壓力為16.5MP，總排量520ml/r，初選液壓馬達的型號為JMQ—23型低速大扭矩葉片馬達，參數(shù)見（表5—1）。 型號 排量 （ml/r） 壓力 （Mp） 轉速（r/min） 效率 轉矩（N/m） JMQ—23 604 額定 最高 額定 最高 容積效率 總效率 1440 16 20 75 400 0.95 0.85 表5-1 YM630型葉片馬達參數(shù) 5.1.3 馬達的驗算 （1） 滿載起升時液壓馬達的輸出功率 （kw） 式中——起升載荷動載系數(shù)，因液壓馬達不具有電動機的過載能力而馬達 工作壓力又受系統(tǒng)壓力限制，一般取=1.15~1.3； ——額定起升載荷（N） ——物品起升速度（m/s） ——機械總效率，初步計算時，取0.8~0.85。 額定起升載荷根據(jù)下式計算 式中——鋼絲繩自由端拉力（N）； ——滑輪組倍率。 根據(jù)已知=10787.7N。一般當起升載荷時，滑輪組倍率宜取2，時，倍率取3~6，載荷量更大時，倍率可取8以上。因此，。 把數(shù)值代入到式子中得： =21575.4N 物品提升速度按下式計算 式中——鋼絲繩線速度（m/min） 由已知得=60m/min，把數(shù)值代入得：=0.5m/s 根據(jù)需要選取=1.3，機械總效率取=0.85，卷筒機械效率=0.97，=0.5m/s， =21575.4N，把數(shù)據(jù)代入式中得： =17.009kw （2） 滿載起升時液壓馬達輸出扭矩 式中——減速器傳動比； ——鋼繩在卷筒上的卷繞層數(shù)。 其余符號同以前式子。 由于已知為大排量馬達，選用低速方案。因此不采用減速器，所以=1。又由已知卷筒鋼絲繩卷繞三層，故=3。 把所有數(shù)值代入式子中得： =1004.845 所選用的馬達的額定轉矩為=1440，因為 ，所以選用的馬達轉矩符合要求。 （3） 計算液壓馬達的轉速和輸入油量 根據(jù) 式中各符號同以前的式子。 把數(shù)值代入式中得： =176.4 r/min 計算馬達的輸入油量用下式 式中——液壓馬達的排量（ml/r）； ——液壓馬達容積效率。 馬達的排量根據(jù)已知得=520 ml/r， 根據(jù)下式計算： 式中——液壓馬達總效率； ——液壓馬達機械效率。 根據(jù)表查得取0.85，取0.9。 把數(shù)代入式中得： =0.95 把所計算的數(shù)據(jù)代入式中得： = 選用的液壓馬達轉速范圍為r/min，由于計算得=88.5 r/min，所以馬達的轉速符合要求。 5.2 平衡閥的計算與選用 5.2.1 平衡閥的功能簡介 平衡閥用于液壓執(zhí)行元件承受物體重力的液壓系統(tǒng)。在物體下降時，重力形成動力性負載，反驅動液壓執(zhí)行元件按重力方向或重力所形成的力矩方向運動，平衡閥在執(zhí)行元件的排油腔產(chǎn)生足夠的背壓，形成制動力或制動力矩，使執(zhí)行元件作勻速運動，以防止負載加速墜下。 5.2.2 平衡閥的選用 根據(jù)已知的馬達的排量、工作壓力和計算所得的泵的流量選用型平衡閥，所代表的意義和閥的外型結構見（圖5.1）和（圖5.2）。 圖5.1 型號所代表的意義 圖5.2 平衡閥的外型結構 1—控制口；2—監(jiān)測口；3—法蘭固定螺釘；4—蓋板； 5—可選擇的B孔；6—標牌；7—O型圈 六 制動器的設計與選用 6.1 制動器的作用、特點及動作方式 制動器是用于機構或機器減速或使其停止的裝置，有時也用作調節(jié)或者限制機構或機器的運動速度，它是保證機構或機器安全正常工作的重要部件。 為了減小制動力矩，縮小制動器尺寸，通常將制動器裝在機構的高速軸上，或減速器的輸入軸上。 按所需應用制動器的機構的工作性質和條件，對于起重機構的起升和變幅機構都必須采用常閉式制動器。卷揚機屬起重類機械的起升機構由于工作需要，因此采用常閉式制動器。 由于卷揚機應用的場合和安裝制動地點的空間受限因此選用盤式制動器。盤式制動器的工作原理是利用軸向壓力使圓盤或圓錐形摩擦表面壓緊，實現(xiàn)制動。制動輪軸不受彎曲。其優(yōu)點是： 1． 制動轉矩大，且可調范圍大，制動平穩(wěn)可靠，動作靈敏保養(yǎng)維修方便。 2． 頻繁制動時，無沖擊。由于制動襯塊（片）與制動盤接觸面積小，制動盤工作表面積大部分暴露在大氣中，散熱能力強，特別是采用有通風道的制動盤，效果更顯著，而且制動盤對制動襯塊（片）無摩擦助勢作用，無塊式制動器的熱衰退現(xiàn)象（由于溫升制動轉矩下降），從而得到穩(wěn)定的制動性能。從安全的角度考慮，盤式制動器是最合適的制動器。 3． 防塵和防水性能好，制動盤上的灰塵和水等污物易被制動盤甩掉，當浸水時制動性能降低，出水后僅制動一、二次就能很快恢復正常。 4． 制動盤沿厚度方向變形量比制動輪徑向變形量小的多，易實現(xiàn)小間隙和磨損后的制動補償，腳踏式的踏板行程變化也較小。 5． 轉動慣量小，體積小、重量輕。 其主要缺點有：制動襯塊（片）的摩擦面積小，比壓大，對制動襯塊（片）材質要求較高，徑向（或軸向）尺寸稍大，價格也稍貴。 制動器按動作方式分為自動作用式、操縱式和綜合式三種。常閉制動器在彈簧推力作用下經(jīng)常處于制動狀態(tài)，機構工作時，用松閘裝置松閘或自動通電松閘。本設計的卷揚機借于外形尺寸與價格方面原因采用自動作用式制動器。自動作用式制動器當機構斷電或油路切斷時，不依賴操作人員的意識彈簧使制動器自動抱閘；當機構通電或油路供油時，自動松閘，自動作用式制動器保證機構有更高的安全性。制動轉矩調定后基本不變，但用于載荷變化大的機構時制動欠平穩(wěn)。 6.2 制動器的設計計算 6.2.1 制動轉矩的計算 制動轉距應滿足以下要求： 式中——制動器制動轉矩; ——制動安全系數(shù)，與機構重要程度和機構工作級別有關； ——卷筒卷繞直徑（mm）。 ——機械效率； 其他各符號同以前的式子。 按表查得1.75，根據(jù)計算得 =208mm，把各數(shù)值代入到式子中得： =1430.45 由此可知制動器制動轉矩應大于1430.45。 6.2.2 制動盤的設計選用 1． 選標準制動盤 根據(jù)主機的具體要求和盤式制動器的類型按表選標準直徑和結構形式的制動 盤。按工作情況選擇有通風道的制動盤。選取型號為： ——型直線通風道制動盤 220——外徑（mm） 30——厚度（mm） 80——軸孔直徑（mm） 50——輪轂長度（mm） 6.2.3 制動盤有效摩擦直徑計算 根據(jù)配套主機的負載所需制動轉矩，校核制動盤的有效摩擦直徑： 式中——制動盤有效摩擦直徑（mm）； ——制動塊的數(shù)目，一對時取2； A——一個制動襯塊（片）的設計面積（mm）； [p]——制動襯塊（片）的許用比壓力； ——動摩擦系數(shù)，根據(jù)摩擦材料選擇； K——制動安全系數(shù)。 根據(jù)工作狀況選用摩擦材料為油浸石棉帶，脂潤滑，潤滑效果好，按表選取=0.1，[p]=0.6，K取1.5，由于制動塊的數(shù)目有6對，所以Z取12，制動片的設計面積按下式計算： 式中——摩擦盤外徑（mm）； ——摩擦盤內(nèi)徑（mm）。 按選用的標準制動盤尺寸把數(shù)值代入式子得 =0.013。 把所有數(shù)值代入式子，得： =90.8mm 6.2.4 制動器散熱的驗算 當制動器摩擦面溫度過高時，摩擦系數(shù)降低，摩擦襯墊加速磨損，不能保持穩(wěn)定和需要的制動力矩。制動器的發(fā)熱驗算在于檢驗制動器在最高許用溫度下散發(fā)的熱量是否大于制動器產(chǎn)生的熱量，即 式中——制動器每小時散發(fā)的熱量（J）； ——制動器每小時產(chǎn)生的熱量（J）。 1、制動器每小時的散熱量 式中——制動輪（盤）制動表面的輻射系數(shù)，可取光亮的鋼表面輻射系數(shù)，； ——制動輪（盤）制動表面以外的表面輻射系數(shù)，可取粗糙氧化的鋼表面輻射系數(shù)，； ——制動輪（盤）制動表面積減去制動襯片的面積； ——制動輪制動表面積以外的表面積； ——制動襯片的許用溫度（）； ——周圍環(huán)境溫度，一般取，高溫車間?。? ——自然對流散熱系數(shù)，； ——扣除制動襯片遮蓋后的制動輪（盤）外露面積； ——機構的接電持續(xù)率； 、、、——制動輪（盤）各部分表面積的強迫散熱系數(shù)，與各部分表面積的圓周速度有關，； 、、、——相對應的制動輪（盤）表面積； ——各部分散熱面積的圓周速度（m/s）。 2． 制動器每小時的發(fā)熱量 起升機構停止式制動器每小時制動的發(fā)熱量 上升制動時，由于物品和吊具的重量起制動作用，制動器的發(fā)熱量很小，通常忽略不計。 下降制動時，機構的全部動能（包括旋轉運動和直線運動的質量）和物品吊具減小的勢能轉換為制動器的發(fā)熱： 式中——換算到制動輪軸的機構轉動慣量（包括所有回轉和直線運動部分）； ——制動輪軸在制動開始時的角速度； P——平均起升重量（N）； S——下降制動距離（m）； ——機構傳動效率； ——機構每小時下降制動次數(shù)； ——熱功當量。 把已知各量和從表中查得的各量代入式中，最后得： =170.435 =156.768 > 驗證發(fā)熱量合格。 圖6.1 盤式制動器制動盤受力圖 6.2.5 全盤式制動器設計計算 根據(jù)公式： 軸向推力 摩擦盤有效面直徑 當時，可取 式中——計算制動轉矩 ； 、——摩擦面的外、內(nèi)半徑cm 全盤式取； ——軸向推力； ——摩擦副數(shù)目； ——摩擦系數(shù)。 根據(jù)前面的計算=84mm，=56mm，，所以取==7.47cm 把數(shù)值代入前式得： =8.5KN 根據(jù)所計算的軸向推力來取制動所用的電磁鐵和彈簧。 七 軸的設計 軸的設計和其他零件的設計相似，包括材料的選用、工作能力的計算和結構設計幾方面的內(nèi)容。 7.1 軸的材料 由于碳鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造的軸尤為廣泛，因此軸的材料選擇45號鋼并采用正火處理。 7.2 軸的工作能力的計算 軸的工作能力的計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度，這時需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細長軸，還應進行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形，對高速運轉的軸，還需進行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振而破壞。 1、求出軸上的轉速和轉矩 由于軸通過聯(lián)軸器和馬達直接相連，故 ， 式中——馬達的額定轉矩（）； ——馬達的額定轉速（）。 把數(shù)值代入式中得： 2、求作用在軸上的各作用力 由于軸帶動聯(lián)軸器、卷筒轂和離合器轉動方案見（圖7.1），因此，軸只受扭矩作用，由于軸除受自身重力和軸上各部件的壓力外不再受徑向力作用，因此軸所受的徑向力可忽略不記.分析如圖（7.2） 圖7.1 本設計軸的裝配方案 圖7.2軸的載荷分析圖 3、初步確定軸的最小直徑 根據(jù)式子 式中——扭轉切應力 （）； ——軸所受的扭矩（） ——軸的抗扭截面系數(shù)（）； ——軸的轉速（r/min）； ——軸傳遞的功率（）； ——計算截面處軸的直徑（mm）； ——許用扭轉切應力（）。 由上式得軸的直徑 = 根據(jù)軸的選用材料查表得=，把數(shù)據(jù)代入式中得 =52.47mm 當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱，對于直徑的軸如有多個鍵槽時，應增大為，故=59.03mm。 輸出軸的最小直徑顯然是安裝離合器處軸的直徑，為了使所選的軸的直徑與離合器的孔徑及液壓馬達的軸徑相適應，故需同時選取離合器的型號，綜合考慮以上幾種因素選取d=60mm。 5、校核軸的強度 按下式計算 式中——軸的計算應力（）； M——軸所受的彎矩（）； T——軸所受的扭矩（）； W——軸的抗彎截面系數(shù)（）； ——折合系數(shù)； ——對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力。 由于本設計中軸只受扭矩的作用因此，由下式計算： 圖7.3 抗彎、抗扭計算截面圖 軸的抗彎截面系數(shù)依照（圖7.3） 按下式計算： 把數(shù)帶入式中計算得： 其中b=18，t=5.6 = 折合系數(shù)當扭轉切應力為靜應力時，把計算的值和已知的值代入式中得： 根據(jù)軸的材料按表選=255。因此，故安全。 7.3 軸的結構設計 軸的結構設計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，定出軸的合理外形和全部結構尺寸。 7.3.1 擬定軸上零件的裝配方案 軸的結構形式與軸上主要零件的位置及裝配方案有關。確定裝配方案就是定出軸上主要的裝配方向、順序及相互關系。擬定裝配方案時，一般要考慮幾個方案，分析比較后選定。本設計的方案如（圖8.1）。 裝配方案為摩擦片離合器、軸承、軸承端蓋、支架、卷筒轂、卷筒按從左到右的方向裝配，左端為卷筒、套筒、多盤式摩擦制動器按從左到右方向裝配。 7.3.2 根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度 （1）按照計算轉矩及最小軸徑選取孔徑為60mm的多片式摩擦離合器，與之相匹配的選取最小軸徑=60mm，與軸配合的轂孔長度l=70mm，所以取=153mm。 （2）初步選擇滾動軸承，因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用角接觸球軸承，根據(jù)軸徑及軸承標準，由設計手冊中初步選取7313C，其尺寸為d×D×B=65×140×33，所以取=65mm，=32mm。 （3）由卷筒轂的寬度及軸承定位需要一定的軸肩，取=84mm，=47mm。同時根據(jù)卷筒的寬度和卷筒轂的寬度取=92mm，=136mm，同理=84mm，=45mm。 （4）根據(jù)選擇的多盤式摩擦制動器及在軸上安裝的位置選取=80mm，=166mm。 （5）根據(jù)軸承取=65mm，=34mm。 至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。 7.3.3 軸上零件的周向定位 制動器、卷筒輪轂和離合器與軸的周向定位均采用平鍵連接。由于連接制動器、卷筒輪轂和離合器的軸的工作狀況都一樣，所以采用的鍵的類型都一樣。卷筒輪轂的鍵由設計手冊查得平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，鍵長32mm（標準鍵長），輪轂與軸的配合公差為H8/f7，離合器與軸聯(lián)接，選用平鍵18mm×11mm×63mm，離合器與軸配合為H8/f7，制動器與軸連接，選用平鍵22mm×12mm×70mm、制動器與軸配合為H8/f7。滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為f7。 八 離合器的設計與選用 8.1 離合器的功用、特點與分類 離合器是一種通過各種操縱方式，實現(xiàn)主從動部分在同軸線上傳遞運動和動力時具有接合或分離功能的裝置。離合器有各種不同的用途，根據(jù)原動機和工作機之間或機械中各部件之間的工作要求，離合器可以實現(xiàn)相對起動或停止，以及改變傳動件的工作狀態(tài)，達到改變傳動比，如傳動件之間相對同步或超越運動。此外，離合器還可以作為起動或過載時控制傳遞轉矩大小的安全保護裝置等。 按離合器接合元件傳動的工作原理，可分為嵌合式離合器和摩擦式離合器，按實現(xiàn)離、合動作的過程可分為操縱式和自控式，按離合器的操縱方式，則可分為機械式、氣壓式、液壓式和電磁式等，按結構還可分為多種不同的形式。 1． 對離合器的基本要求 （1） 離、合迅速，平穩(wěn)無沖擊，分離徹底，動作準確可靠。 （2） 結構簡單，重量輕，慣性小，外形尺寸小，工作安全，效率高。 （3） 接合元件耐磨性高，使用壽命長，散熱條件好。 （4） 操縱方便省力，制造容易，調整維修方便。 2． 影響離合器選擇的因素 （1） 原動機的啟動性能 （2） 離合器的受載特性 （3） 接合元件的性質 （4） 操縱方式 （5） 環(huán)境條件 3． 離合器的選擇和工作性能參數(shù) （1） 離合器的型式 （2） 離合器的工作容量 （3） 摩擦功和溫升 （4） 接合元件的使用壽命 （5） 離合器的轉速和影響性 按要求，本設計采用機械操縱式多片圓盤摩擦離合器，屬摩擦式離合器。