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摘 要
卷揚機又稱絞車。是起重垂直運輸機械的重要組成部分，配合井架、桅桿、 滑輪組等輔助設(shè)備，用來提升物料、安裝設(shè)備等作業(yè)，由人力或機械動力驅(qū)動卷筒、卷繞繩索來完成牽引工作的裝置。垂直提升、水平或傾斜曳引重物的簡單起重機械。分手動和電動兩種?，F(xiàn)在以電動卷揚機為主。本次設(shè)計的5噸電動卷揚機是由電動機、連軸器、制動器、減速器、卷筒、導(dǎo)向滑輪、起升滑輪組、吊鉤等組成。 本次設(shè)計的步驟是從鋼絲繩開始入手，然后依次對卷揚機的卷筒、卷筒心軸、電動機、減速器齒輪、減速器軸、制動器、聯(lián)軸器以及卷筒機的導(dǎo)向滑輪設(shè)計與選取。其中卷筒、卷筒軸、卷筒轂、減速器的設(shè)計最為主要，本設(shè)計重點做了介紹，其余部分有得只是略作分析。 本次設(shè)計的卷筒機由于它結(jié)構(gòu)簡單、搬運安裝靈活、操作方便、維護(hù)保養(yǎng)簡單、對作業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力強等特點，可以應(yīng)用于冶金起重、建筑、水利作業(yè)等方面，但是此次設(shè)計的卷筒機主要運用于用于5噸橋式吊車起升機構(gòu)。提升重物是卷揚機的一種主要功能，各類卷揚機的設(shè)計都是根據(jù)這一要求為依據(jù)的。
關(guān)鍵詞：卷揚機；卷筒；卷筒軸；減速器
Abstract
Also known the hoist another name is winch. Vertical lifting transport machinery is an important component of the tie in with the derrick, mast, pulley blocks, and auxiliary equipment, used to enhance the materials, installation of equipment operations, from human or mechanical power-driven drum, winding traction rope to complete the installation work. Vertical, horizontal or inclined simple tractor Lifting heavy objects. Two types of the hoist are manual and electric two kinds. and Now to the main electric winch. The design of the 5-ton electric hoist motor contions electromotor 、coupling、arrester、retarder、drum、boom sheave 、a system of pulleys set、hook, etc.. This design of hoist is start from the wire rope, and next then turn on the winch drum, drum spindle, motor, gear reducer, speed reducer shaft, brakes, couplings and pulley drum machine-oriented design and selection. On drum, drum shaft, drum hub, most major reducer design, the design are focus introduced, and the rest is just a little something for analysis. The design of the drum machine because of its simple structure, handling the installation of a flexible, convenient operation, simple maintenance, and operating environment features such as adaptability, can be applied to lifting metallurgical, construction, operations and other water conservancy, but the design mainly applied to the drum machine for 5-ton overhead crane hoisting mechanism. Heavy winch upgrade is one of the main functions of the design of various types of winches are based on based on this request.
KEY WORDS: hoist；drum; drum shaft; retarder
目錄
摘 要 1
Abstract 1
緒 論 2
1. 卷揚機的主要設(shè)計參數(shù) 4
2. 卷揚機的分類與特點 6
2.1 根據(jù)卷筒的個數(shù)分類： 6
2.2 根據(jù)卷揚機使用的動力源不同分類 6
2.3 卷揚機的工作過程 6
2.4 起升機構(gòu)的構(gòu)成 6
3.卷揚機構(gòu)各部分的設(shè)計與計算 8
3.1鋼絲繩的計算校核與選用 8
3.1.1 鋼絲繩的分類： 8
3.1.2鋼絲繩的選用與計算： 8
3.2 卷筒的尺寸計算與確定 8
3.2.1卷筒的設(shè)計計算與強度校核 9
3.2.2卷筒厚度計算: 9
3.2.3卷筒的強度計算機校核檢驗： 9
3.3卷筒軸的設(shè)計與校核 10
3.3.1軸上的作用力計算 10
3.3.2計算該軸的工作應(yīng)力 11
3.2.4卷通軸的靜強度計算 12
3.4電機及減速器的設(shè)計與選擇 13
3.5減速器的設(shè)計與計算 13
3.5.1傳動比的確定與傳動效率的計算 13
3.5.2各軸轉(zhuǎn)速的計算 14
3.5.3各軸的轉(zhuǎn)矩計算 15
3.5.4齒輪的設(shè)計與計算 15
3.5.5齒面接觸應(yīng)力計算 15
3.5.6齒輪設(shè)計： 16
3.5.7軸的設(shè)計計算： 19
3.5.8減速器箱體的設(shè)計與計算 20
3.6聯(lián)軸器與制動器的選擇 20
3.7制動器的選擇 21
4.小車行走機構(gòu)的設(shè)計 23
4.1軌道 23
4.2車輪材料 23
4.3車輪直徑的計算 23
5.結(jié)論 25
參考文獻(xiàn) 26
附錄1外文翻譯 28
附錄2外文原文 36
致謝 52
緒 論
本次設(shè)計的題目是5T單梁橋式起重機的卷揚機構(gòu)設(shè)計，隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、制造業(yè)、運輸業(yè)等的發(fā)展，卷揚機的應(yīng)用越來越多。目前，國內(nèi)的卷揚機發(fā)生故障較多、監(jiān)管工作不足。橋式起重機做作為物料搬運的起重機械在國民經(jīng)濟發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。因此，設(shè)計一款可靠性高，制造成本低，運行精度高的橋式起重機是大勢所趨。
當(dāng)下社會，各行各業(yè)越來越多的應(yīng)用機械生產(chǎn)來替代原有的人工制造，節(jié)約了制造成本的同時，也大大的提高的產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率，為社會的進(jìn)步與發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。這其中應(yīng)用十分廣泛的起重機械起到了巨大的促進(jìn)作用。我國的起重機械相關(guān)的技術(shù)有著悠久的歷史，如長、故宮的修筑、歷朝歷代的古都上十分巨大的鑄種和數(shù)十噸甚至上百噸的巨大雕像等的運輸與吊裝，都凝聚著我國古代勞動人民的智慧。
卷揚機還有一個別名叫做絞車，是應(yīng)用在一些需要水平移動或者垂直升降機構(gòu)的重要裝置，起重機械都會安裝有特定的卷揚機構(gòu)用于作業(yè)，還有一些越野車以及廠礦企業(yè)會安裝有卷揚機。由于卷揚機結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、方便維護(hù)、使用成本低等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在起重、采礦、冶金、加工制造業(yè)和建筑業(yè)之中。
卷揚機的主要作用是用于提升重物，當(dāng)下汽車吊和塔吊發(fā)展十分迅速，逐漸進(jìn)入了起重機市場，但是塔吊成本高，安裝復(fù)雜，一般在建筑行業(yè)應(yīng)用的比較廣泛，可以更好的提高建筑施工的效率。而汽車吊的機動性很好使用靈活而廣受歡迎，單是汽車吊對于作業(yè)環(huán)境要求較高且起升重量受到車體結(jié)構(gòu)與設(shè)備的限制，無法充分發(fā)揮其效能。而卷揚機的制作方便簡單，能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境，且起升重量范圍十分廣泛，從而受到歡迎，在一些港口、大型的裝配車間和廠礦企業(yè)都可以看到他們的身影，應(yīng)用十分廣泛。
我國卷揚機的狀況
在古時候，我們的祖先就將手動的絞車放在井上，利用人力來旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)筒來提升水桶打水，這就是我們當(dāng)下的卷揚機的鼻祖，充分體現(xiàn)了古代勞動人民的的智慧。在沒有解放之前，我國只有一些有實力的大型企業(yè)才有卷揚機的應(yīng)用，應(yīng)用很少，那時候我國的工業(yè)制造能力差，國內(nèi)還沒有能夠生產(chǎn)卷揚機的廠家，應(yīng)用的全部卷揚機都是在國外購買。
年代，國家大量基建工程陸續(xù)上馬，制造業(yè)發(fā)展迅速，對于起重機的需求日益旺盛。因此我國的一些卷揚機生產(chǎn)廠家（阜新礦山機械廠、天津卷揚機廠、山西機器廣、寶雞起重運輸機廠）組建了一個卷揚機生產(chǎn)組織。新組織參照已有卷揚機的產(chǎn)品進(jìn)行模仿與創(chuàng)新，制造出一些小噸位的電控卷揚機，但這些小型卷揚機無法滿足當(dāng)時的使用需求，所以那些大噸位的起重機和卷揚機仍然需要進(jìn)口。
等到了70年代，經(jīng)過多年的實踐摸索以及生產(chǎn)經(jīng)驗，我國卷揚機的技術(shù)大步提升，產(chǎn)品種類也從以前的單一品種發(fā)展到能適應(yīng)哥哥行業(yè)的多種類型卷揚機。為適應(yīng)當(dāng)時生產(chǎn)發(fā)展的需要，我們的工業(yè)部發(fā)布了JB926—74《卷揚機型式與基本參數(shù)》和JBl803—76《卷揚機技術(shù)條件》兩個部標(biāo)準(zhǔn)，是我國的卷揚機行業(yè)進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)化的階段，各個廠家可以參照國家頒布的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分工生產(chǎn)，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，增強了卷揚機零件的互換性與通用性。
如今，我國的卷揚機與起重機產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭良好，知名的企業(yè)有徐工機械、廈工機械、柳工機械等等一些國際知名的企業(yè)，他們制造的產(chǎn)品不僅受到國內(nèi)企業(yè)軍隊和一些用戶的歡迎，并且每年都會大量出口到其他國家，增強我國知名度并為國家創(chuàng)立了大量外匯收入。
國外卷揚機的發(fā)展?fàn)顩r
在西方技術(shù)先進(jìn)的一些國家中，工業(yè)發(fā)展起步較早，工業(yè)產(chǎn)品水平先進(jìn)，機械化進(jìn)程不斷提高，起重設(shè)備也在不斷更新，卷揚機的品種繁多，應(yīng)用十分廣泛。
美國
哲恩有限公司是美國較大的生產(chǎn)起重設(shè)備的公司，主要產(chǎn)品有各種手動卷揚機、電動卷揚機、起重機等相關(guān)設(shè)備。手動卷揚機的主要品種有：直齒傳動卷揚機、蝸桿傳動卷揚機；電動卷揚機的主要品種有：蝸桿傳動系列、直齒齒輪傳動系列、直接驅(qū)動系列、鏈傳動系列。
日本
日本從明治30年開始制造卷揚機。據(jù)日本的相關(guān)部門統(tǒng)計計，1970~1975年間日本卷揚機行業(yè)的產(chǎn)量增加62.5％。在1977年卷揚機的產(chǎn)量就達(dá)到12萬臺，創(chuàng)造產(chǎn)值產(chǎn)值約100億日元。現(xiàn)在日本主要生產(chǎn)廠家有北川鐵工所、遠(yuǎn)藤鋼機、南星、越野總業(yè)、藝浦、松崗產(chǎn)業(yè)等80多個廠家。
其他國家，如俄羅斯、英國、挪威、瑞典、加拿大、德國等也都生產(chǎn)著不同用途的各種型號的卷揚機。而俄羅斯在我國建國初期給予我國大量的卷揚機成套圖紙，為我國的卷揚機行業(yè)發(fā)展做出了巨大的促進(jìn)作用。
1. 卷揚機的主要設(shè)計參數(shù)：
本次設(shè)計用到的基本參數(shù)：
額定起升重量：5噸。
起升高度：14米。
起升速度：12.5米/分。
卷揚機用途：應(yīng)用在5噸單梁橋式起重機。
工作條件：頻繁啟動 粉塵量比較大大的工作環(huán)境。
單梁橋式起重機的主要構(gòu)成部分有：電動機、電磁式制動器、齒式聯(lián)軸器、起重機用減速器、卷筒、滑輪組與鋼絲繩等組件構(gòu)成。機構(gòu)簡圖如圖1-1
圖1-1
2. 卷揚機的分類與特點
2.1 根據(jù)卷筒的個數(shù)分類：
卷揚機的主體結(jié)構(gòu)分布與該卷揚機應(yīng)用的卷筒數(shù)目有關(guān)。卷揚機根據(jù)卷筒數(shù)目可分為單筒卷揚機、雙筒卷揚機和多筒卷揚機三類。現(xiàn)在市面上以及實際應(yīng)用工作中的大多數(shù)卷揚機都是用單卷筒或者雙卷筒，單筒卷揚機應(yīng)用在一些起重重量小的環(huán)境，這種單卷筒卷揚機制作成本低，在發(fā)生故障時維修費用和工序簡單，現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用，也有一些特殊的卷揚機會增加一個輔助卷筒來提高工作效率，例如那些大型吊車，它們會采用輔助卷筒，在前起升重量小時，會用那個小卷筒來進(jìn)行工作，節(jié)省燃料。當(dāng)起升重量大時，便會使用主卷筒來進(jìn)行工作。
2.2 根據(jù)卷揚機使用的動力源不同分類
1.手動型：應(yīng)用于一些小重量起重場合，便于移動和安裝，使用方便
2.電動型：利用電動機帶動相應(yīng)的傳動機構(gòu)對重物進(jìn)行起降作業(yè)，這種類型的起重機應(yīng)用非常廣泛，多數(shù)工廠在廠房內(nèi)安裝這種卷揚機，能極大提高生產(chǎn)效率。
3.內(nèi)熱機類型：這種卷揚機最大的優(yōu)點是機動性與適應(yīng)性好，可以在一些比較偏遠(yuǎn)的和沒有電源地方工作，起重重量大，可以裝載在汽車上成為隨車吊。
4.液壓動力型：能夠與一些帶有液壓裝置的設(shè)備進(jìn)行配合使用，該類型卷揚機運行時起升與下降柔和，對整體機構(gòu)的損害最小，提高設(shè)備的使用壽命。
2.3 卷揚機的工作過程
制動器在不工作時通過彈簧使制動片時刻貼緊制動輪，整個機構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)觸動啟動開關(guān)時，電磁鐵工作使制動片與制動輪分離，同時電動機工作帶動減速器齒輪轉(zhuǎn)動，減速器將動力傳到卷筒軸，卷通軸通過卷繞或者下放鋼絲繩來提升或者下降重物。當(dāng)開關(guān)斷開后，制動器工作，整個機構(gòu)停止運行，重物在空中停止。
2.4 起升機構(gòu)的構(gòu)成
起升機構(gòu)是通過齒輪減速器聯(lián)軸器傳動使重物作升降運動的機構(gòu)，它是起重機最主要且最基本的機構(gòu)。 我們設(shè)計的電動5噸卷揚機是由電動機、連軸器、制動器、減速器、卷筒、起升滑輪組、釣鉤等組成（如圖2-1）。
3.卷揚機構(gòu)各部分的設(shè)計與計算
3.1鋼絲繩的計算校核與選用
3.1.1 鋼絲繩的分類：
3.1.2鋼絲繩的選用與計算：
查機械設(shè)計手冊知：我們選取鋼絲繩類型為先接觸型（減少彎曲應(yīng)力，結(jié)構(gòu)緊密，消除了點接觸的二次彎曲應(yīng)力，使用壽命長）
由于本卷揚機構(gòu)長期頻繁使用，我們定機構(gòu)利用等級為T5（6300h）.
（1）.鋼絲繩的計算
根據(jù)公式 根據(jù)機構(gòu)利用等級為T5，C查機械設(shè)計手冊 c=0.10000，S為最大靜拉力，本機構(gòu)采用雙動滑輪，則鋼絲繩最大靜拉力為1.25噸，取最大靜拉力為1.3噸 s=1300㎏×10ɡ/N=13000N則d≈11mm
根據(jù)芯材料可以選用纖維芯鋼絲繩（6×19s+a）也可以選用鋼芯鋼絲繩(6×19s+FC）
鋼絲繩最小破斷拉力總和=58.6×1000×1.214+71.14KN 能夠達(dá)到使用要求
鋼絲繩代號：11-NAT-FC-1470-2S
3.2 卷筒的尺寸計算與確定
卷筒經(jīng)查機械設(shè)計手冊和起重機設(shè)計手冊，我們選用齒式接盤連接形式卷筒，如圖3-1
圖3-1 選用齒輪接盤連接型式
3.2.1卷筒的設(shè)計計算與強度校核
卷筒的名義直徑： （3.1）
查手冊得： 則 取
繩槽半徑： （3.2）
繩槽深度： （3.3）
繩槽節(jié)距： （3.4）
卷筒長度：繞線采用多層，則多層卷筒長度 （3.5）
每層繞線圈數(shù)z取30，由起升高度為14m經(jīng)計算得卷繞層數(shù)層
繞線部分長度：mm （3.6）
端部長度： （3.7）
端部長度根據(jù)實際需要而定
則卷筒長度mm
3.2.2卷筒厚度計算:
卷筒材料分類：鋼和鑄鐵卷筒
查找手冊可知使用鑄鐵卷筒能夠有效的延長鋼絲繩的使用壽命，則 取 （3.8）
3.2.3卷筒的強度計算機校核檢驗：
本卷揚機的起重噸位屬于小噸位范疇，材料采用HT200的鑄鐵，卷筒在受最大拉力作用時會產(chǎn)生最大的壓應(yīng)力和彎矩產(chǎn)生的扭曲應(yīng)力。
查機械設(shè)計手冊知:當(dāng)時，只需計算表面最大壓應(yīng)力即可。
（3.9）
與卷筒的層數(shù)有關(guān)的系數(shù)
鋼絲繩最大拉力，N
卷筒繩槽節(jié)距，mm
卷筒壁厚，mm
許用應(yīng)力
鑄鐵：. 抗壓強度 （3.10）
查手冊知
則
所以卷筒的抗壓強度滿足使用的要求
3.3卷筒軸的設(shè)計與校核
鋼絲繩的拉力，卷筒直徑，鋼絲繩直徑，卷筒外齒的分度圓直徑。我們選用應(yīng)用最廣泛的45鋼來做為軸的材料，采用調(diào)質(zhì)處理，抗拉強度，屈服點，彎曲疲勞極限，扭轉(zhuǎn)疲勞極限。
整個軸是卷筒一起轉(zhuǎn)動的，這種軸我們稱之為心軸，在計算受力時應(yīng)當(dāng)根據(jù)鋼絲繩在極限位置時的受力來進(jìn)行計算，由圖可知，鋼絲繩處于最右端時整個軸的受力是最大的，我們應(yīng)按照它的最大應(yīng)力來進(jìn)行強度計算，查閱起重機設(shè)計手冊，機械設(shè)計手冊，根據(jù)此卷揚機構(gòu)的應(yīng)用等級以及起重重量初步得出了心軸的各段長度以及相應(yīng)的直徑如圖所示。
3.3.1軸上的作用力計算
卷筒齒輪的圓周力： （3.11）
卷筒齒輪的徑向力： （3.12）
與軸垂直的支撐反力以及彎矩如圖3-5
水平面的支撐反力： （3.13）
垂直面的支撐反力 （3.13）
合成反支撐力: （3.14）
水平面的彎矩： （3.15）
垂直面的彎矩： （3.16）
合成彎矩： （3.17）
3.3.2計算該軸的工作應(yīng)力
卷通軸是是心軸，所以只存在彎矩，沒有轉(zhuǎn)矩，如圖3-5因此我們應(yīng)找到彎矩最大的點來進(jìn)行計算。
（3.18）
則
經(jīng)過圓整后取，中間段
3.3.3卷筒軸的疲勞強度計算
應(yīng)當(dāng)用鋼絲繩的當(dāng)量拉力來進(jìn)行卷筒軸的疲勞強度計算，
（3.19）
為鋼絲繩的當(dāng)量拉力
為當(dāng)量拉力系數(shù)
經(jīng)查機械設(shè)計手冊，我們?nèi)‘?dāng)量拉力系數(shù)為1
查閱相關(guān)資料可知，對于心軸的的應(yīng)力，可以按照脈動應(yīng)力循環(huán)規(guī)律進(jìn)行變化。
則 （3.20）
則平均應(yīng)力和應(yīng)力幅為：
由于本軸的結(jié)構(gòu)簡單，在布局上屬于對稱結(jié)構(gòu)，在尺寸有變化的地方會有應(yīng)力的存在并且此處的彎矩應(yīng)為最大的，所以在尺寸有變化的地方會出現(xiàn)危險截面，我們應(yīng)用此處來進(jìn)行軸的疲勞強度計算。
查機械設(shè)計手冊知有效應(yīng)力集中系數(shù),表面狀態(tài)系數(shù)，絕對尺寸系數(shù)，等效系數(shù)。
計算所得的疲勞強度安全系數(shù)： （3.21）
查機械設(shè)計手冊知，一般機械的疲勞強度安全系數(shù),因此軸的的疲勞強度滿足使用要求，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用。
3.2.4卷通軸的靜強度計算
計算卷通軸的靜強度要利用靜強度拉力來進(jìn)行計算
（3.22）
為靜強度時計算的最大拉力
為動載荷系數(shù)，經(jīng)查機械設(shè)計手冊知取1.35
根據(jù)靜強度計算的安全系數(shù)
（3.23）
當(dāng)時,該軸的強度滿足使用要求，符合設(shè)計規(guī)定。
3.4電機及減速器的設(shè)計與選擇
根據(jù)卷筒直徑與提升速度計算出卷筒的轉(zhuǎn)速為:
卷筒轉(zhuǎn)速為
傳動機構(gòu)運轉(zhuǎn)的靜功率： （3.24）
（3.25）
為起重重量 為吊具重量
為總效率（滑輪組、聯(lián)軸器、齒輪效率）
機構(gòu)的靜功率 （3.26）
電動機功率
則
查機械設(shè)計手冊：
選用YZ或者YZR系列起重及冶金用三項異步電動機
型號：YZL160L-6 轉(zhuǎn)速：920r/min
額定電壓：380V 50HZ 額定功率：15KW
3.5減速器的設(shè)計與計算
3.5.1傳動比的確定與傳動效率的計算
總傳動比
為電動機額定轉(zhuǎn)速
為卷筒轉(zhuǎn)速
（3.27）
傳動機構(gòu)采二級直齒圓柱齒輪減速器
傳動比的分配
為使各級傳動的承載能力大致相等（齒面接觸強度大致相等、各級大齒輪浸油深度相等）
使傳動比分配為 （3.28）
為高速級傳動比
為低速級傳動比
求得
效率計算： （3.29）
（GⅡCL2型聯(lián)軸器）
（深溝球軸承）
（齒輪精度為8級）
傳遞到卷筒的功率為
滿足要求。
3.5.2各軸轉(zhuǎn)速的計算
軸Ⅰ：與電機相連轉(zhuǎn)速與電機相同為920r/min
軸Ⅱ: （3.30）
軸Ⅲ： （3.31）
卷通軸： （3.32）
軸的功率計算
軸Ⅰ： （3.33）
軸Ⅱ: （3.34）
軸Ⅲ： （3.35）
卷通軸： （3.36）
3.5.3各軸的轉(zhuǎn)矩計算
查機械設(shè)計手冊知轉(zhuǎn)矩計算公式為： （3.37）
電機軸： （3.38）
軸Ⅰ： （3.39）
軸Ⅱ: （3.40）
軸Ⅲ: （3.41）
卷通軸： （3.42）
3.5.4齒輪的設(shè)計與計算
本設(shè)計中齒輪材料選用應(yīng)用廣泛的45#鋼
大齒輪：采用45#鋼 正火處理
小齒輪：采用45#鋼 調(diào)質(zhì)處理
查機械設(shè)計手冊知：接觸疲勞極限
大齒輪：
小齒輪：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 為齒輪工作壽命（單位為h）
機構(gòu)為但齒輪嚙合則 齒輪的工作年限為10年 每年工作300天 8小時工作制
則
3.5.5齒面接觸應(yīng)力計算
查機械設(shè)計教材知：接觸疲勞壽命系數(shù) 安全系數(shù)S取1
齒面接觸應(yīng)力 []=524.4MPa
[]=523.8MPa
取小值 []=[]=523.8MPa
計算許用彎曲應(yīng)力 []
彎曲疲勞極限分別為：小齒輪[]
大齒輪[]
彎曲強度的計算壽命系數(shù)：
彎曲強度最小安全系數(shù)：
（3.43）
齒輪的彎曲應(yīng)力： （3.44）
（3.45）
3.5.6齒輪設(shè)計：
第一級傳動
螺旋角,根據(jù)小功率高轉(zhuǎn)速選小值，大功率低轉(zhuǎn)速選大值
查機械設(shè)計手冊與參照已有產(chǎn)品，選取螺旋角
小齒輪齒數(shù)：
大齒輪齒數(shù)： （3.46）
根據(jù)接觸強度計算分度圓直徑：
（3.47）
查手冊知：載荷系數(shù)
節(jié)點區(qū)域系數(shù)：
彈性系數(shù)：
齒數(shù)比：
齒寬系數(shù)：
根據(jù)接觸疲勞強度計算的重合度系數(shù)：
所以，
模數(shù)： 在滿足使用的情況下取小值 （3.48）
中心距： （3.49）
實際分度圓螺旋角計算： （3.50）
分度圓直徑： （3.51）
（3.52）
齒頂圓直徑： 為齒頂高系數(shù) 取 （3.53）
則
齒根圓直徑： 取0.25 取1 （3.54）
齒寬
取1 （3.55）
則
經(jīng)校核計算，齒根彎曲強度滿足使用要求。
第一級傳動中的具體參數(shù)與尺寸
名稱
小齒輪
大齒輪
選用材料與處理方法
45鋼調(diào)制
45鋼正火
具體參數(shù)
齒數(shù)
19
152
模數(shù)
2
分度圓壓力角
20
齒頂高系數(shù)
1
1
齒隙系數(shù)
0.25
0.25
尺寸
中心距
173
分度圓直徑
38
308
齒頂圓直徑
40
310
齒根圓直徑
33
303
齒寬
43
38
第二級傳動
小齒輪齒數(shù)：
大齒輪齒數(shù)： （3.56）
根據(jù)接觸強度計算分度圓直徑：
（3.57）
查手冊知：載荷系數(shù)
節(jié)點區(qū)域系數(shù)：
彈性系數(shù)：
齒數(shù)比：
齒寬系數(shù)：
節(jié)點區(qū)域系數(shù)：
根據(jù)接觸疲勞強度計算的重合度系數(shù)：
齒寬系數(shù)：
所以，
模數(shù)： 在滿足使用的情況下取小值 （3.58）
中心距： （3.59）
實際分度圓螺旋角計算： （3.60）
分度圓直徑： （3.61）
齒頂圓直徑： 為齒頂高系數(shù) 取 （3.62）
則
齒根圓直徑： 取0.25 取1 （3.63）
齒寬
取1 （3.64）
則
經(jīng)校核計算，齒根彎曲強度滿足使用要求。
第二級傳動中的具體參數(shù)與尺寸
名稱
小齒輪
大齒輪
選用材料與處理方法
45鋼調(diào)制
45鋼正火
具體參數(shù)
齒數(shù)
19
108
模數(shù)
5
分度圓壓力角
20
齒頂高系數(shù)
1
1
齒隙系數(shù)
0.25
0.25
尺寸
中心距
317.5
分度圓直徑
95
540
齒頂圓直徑
100
545
齒根圓直徑
92.5
542.5
齒寬
101
96
3.5.7軸的設(shè)計計算：
軸的結(jié)構(gòu)如圖3-7
查手冊知 可以根據(jù)扭轉(zhuǎn)強度計算
（3.65）
為軸傳遞的功率
為軸的轉(zhuǎn)速
軸的材料采用45#鋼 應(yīng)用廣泛
軸Ⅰ：
軸Ⅱ:
軸Ⅲ:
軸Ⅰ齒輪直徑較小，將其制作成齒輪軸，軸端處安裝聯(lián)軸器，故將其直徑增加5％，取，軸承處取,其他處根據(jù)結(jié)構(gòu)而定。
軸Ⅱ有兩個鍵槽，軸徑需要增大10％，取,軸承處取，其它根據(jù)結(jié)構(gòu)而定。
軸Ⅲ有一個鍵槽，軸徑需要增大5％，取，其他根據(jù)結(jié)構(gòu)而定。
軸肩(環(huán)）高度： ，取整
軸環(huán)寬度： 取整
軸頸長度： 由軸承工作能而定 和分別有熱膨脹和安裝誤差確定 按GB/T6403.4選取
圖3-7
3.5.8減速器箱體的設(shè)計與計算
查機械設(shè)計手冊，參照QJR型起重機減速器而設(shè)計如圖，根據(jù)需要制定選取尺寸。
各部分厚度：底座壁厚 取
箱蓋壁厚 取
底座上部凸緣厚度 取
箱蓋凸緣厚度 取
底座下凸緣厚度
底座加強筋厚度 取
箱蓋加強筋厚度 取
地腳螺栓直徑
軸承座連接螺栓直徑
底座與連接螺栓直徑
軸承蓋固定螺栓直徑
視孔蓋螺栓直徑
圖3-6
3.6聯(lián)軸器與制動器的選擇
聯(lián)軸器的參數(shù)計算
理論轉(zhuǎn)矩 （3.66）
為驅(qū)動功率 KW
為工作轉(zhuǎn)速 r/min
為動力系數(shù) 電動機取1
為工況系數(shù) 查手冊知取1.75
為啟動系數(shù) 與啟動頻率有關(guān)取1
公稱轉(zhuǎn)矩
則 軸Ⅰ聯(lián)軸器
軸Ⅲ聯(lián)軸器
3.7制動器的選擇
制動器分為摩擦式制動器和非摩擦式制動器
查機械設(shè)計手冊和根據(jù)工作環(huán)境我們確定使用JZ型交流節(jié)能電磁塊式制動器
JZ型交流節(jié)能電磁塊制動器工作原理：
制動器轉(zhuǎn)矩的計算 （3.67）
為重物質(zhì)量與吊具質(zhì)量之和
為卷筒計算直徑
為滑輪組倍率
制動軸到卷筒軸的機械效率
制動軸到卷筒軸的傳動比
為重力加速度
則
制動力矩滿足要求，選用JZ-200型制動器
將制動器與軸Ⅰ和電動機相連
圖4-1
4.小車行走機構(gòu)的設(shè)計
小車的行走機構(gòu)的主要作用是通過水平運動，將起升機構(gòu)運動到相應(yīng)的位置來對貨物進(jìn)行吊裝作業(yè)，小車在整體的機構(gòu)中也是一關(guān)鍵機構(gòu)，它的質(zhì)量與制造精度都影響著整個卷揚機構(gòu)的使用壽命。
運行小車一般分為有軌運行與無軌運行兩種，我們的卷揚機是采用的有軌運行
4.1軌道
起重機軌道有專用軌、鐵路軌、方軌和P型軌絕大多數(shù)采用P型軌，我們也選用P型軌
4.2車輪材料
由于起重機吊裝質(zhì)量較小，可以選用45號鋼作為車輪材料，通過淬火深度不小于15mm來提高使用壽命，表面硬度，車輪裝配圖如下圖4-2
圖4-2車輪裝配圖
4.3車輪直徑的計算
車輪的最大輪壓：小車自重估取為2000Kg，假設(shè)四個車輪的在和均勻分布，則 （4.1）
載荷率： （4.2）
查機械設(shè)計手冊可以知道小車運行速度應(yīng)小于60m/min,工作類型為中級，車輪直徑選取350mm,軌道型號p18,使用的軸承為深溝球軸承。
根據(jù)小車的行走速度和轉(zhuǎn)矩來選用交流電動機，額定功率1.5KW,轉(zhuǎn)速680r/min.
減速器選用起重機用減速器，傳動比為30，其他參數(shù)與卷揚機減速器設(shè)計與選用類似，不做重復(fù)。小車轉(zhuǎn)配圖如圖4.2
圖4.2
5.結(jié)論：
在本次設(shè)計過程中，學(xué)到了以前沒用應(yīng)用過的知識，讓自己的知識面又寬了一些，對于自己以后的工作和發(fā)展具有極大的幫助。
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66
附錄1：外文翻譯
超級電容器電動葫蘆再生制動策略
摘要：全球范圍內(nèi)對環(huán)境問題的關(guān)注越來越多，使得動力設(shè)備的節(jié)能成為重中之重。為提高電動葫蘆的能量效率和行駛范圍，設(shè)計并討論了再生制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用獨特的超級電容器方式進(jìn)行能量儲存系統(tǒng)。雙向新娘DC / DC轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)流過超級電容器的電流流動有兩種模式：升壓和降壓，取決于流向。為了在超級電容器上提供恒定的輸入和輸出電流，該系統(tǒng)使用雙比例積分（PI）控制策略來調(diào)節(jié)PWM到DC / DC轉(zhuǎn)換器的占空比。還研究了永磁同步電機（PWSM）驅(qū)動系統(tǒng)。采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)，以及雙閉環(huán)矢量控制模型，詳細(xì)分析了PMSM特性。該再生制動系統(tǒng)的總體模型和控制策略最終在MATLAB和Simulink環(huán)境下構(gòu)建和模擬。建立了一個測試平臺來獲得實驗結(jié)果。結(jié)果分析表明，該系統(tǒng)可以恢復(fù)一半以上的重力勢能。仿真和實驗結(jié)果證明了超級電容接口電路和PMSM的SVPWM策略的雙PI控制策略的有效性。
1引言*
隨著氣候變化和能源危機的問題在全世界越來越受到重視，工業(yè)化國家加大了減少化石燃料使用的努力。這一努力中最重要的步驟之一是將汽車和建筑車輛的電源從熱機轉(zhuǎn)變?yōu)榭勺兯俣入姍C。變速電機驅(qū)動系統(tǒng)不僅具有更高的效率，還可以利用風(fēng)力發(fā)電和太陽能等可再生能源產(chǎn)生的電力。變速馬達(dá)驅(qū)動器具有自己的技術(shù)問題，但驅(qū)動中的快速加速和減速作為應(yīng)用經(jīng)常要求，將電源置于短暫但電壓波動較大的地方。簡易解決方案是在變頻器直流母線上增加制動電阻，但會導(dǎo)致相當(dāng)大的浪費。一個更為常見和復(fù)雜的解決方案是整合一個
能量儲存系統(tǒng)（ESS）進(jìn)入系統(tǒng)以吸收能量，同時制動并在需要時重新生成。能量儲存系統(tǒng)[1-8]已經(jīng)在電動車（EV），混合動力電動汽車（HEV）和插電式混合動力汽車中應(yīng)用。
傳統(tǒng)上，電氣ESS擁有廣泛的技術(shù)，并具有各種形式，例如電化學(xué)系統(tǒng)（例如電池，流通池），動能儲存（例如飛輪）和潛在能量存儲（例如抽水電，壓縮空氣）[9]。超級電容器的開發(fā)[10-12]為下一代純電動車提供了吸引人的選擇。最近的研究成果提出了在再生制動系統(tǒng)中使用超級電容器的方法。 WEI和Wang [13]提出了三種典型配置的性能分析和比較，以闡明不同拓?fù)涞膬?yōu)缺點。徐和謝[14]將其研究納入EV / HEV ESS系列電容器的電壓均衡方法。一個新的電池/
由CAO和EMADI [15]為EV，HEV和插電式HEV提出了超級電容器混合能量存儲系統(tǒng)（HESS），使用更小的DC / DC轉(zhuǎn)換器來維持超級電容器的電壓。 YAN和PATTERSON [16]提出了一種新穎的電源管理方案，以實現(xiàn)電動車輛的高性能和降低成本，實現(xiàn)短車隊?wèi)?yīng)用。采用鋅 - 溴電池為普通驅(qū)動提供連續(xù)功率，同時使用超級電容器在加速期間提供峰值功率需求，并在減速期間存儲再生制動能量。 EV電動機在恒定轉(zhuǎn)矩模式下以低于基本速度的速度運行，并且在恒定功率模式下以超過基本速度的速度運行，以實現(xiàn)高效率和低成本。 AHMED和CHEMIELEWSKI [17]已經(jīng)建立了一個模型，旨在模擬燃料電池車輛中預(yù)期的負(fù)載，包括直流電機，DC / DC轉(zhuǎn)換器和用于峰值剃刮和再生制動的可充電電池。該模型還包括車輛的運動學(xué)，因此可以連接到標(biāo)準(zhǔn)化的驅(qū)動循環(huán)場景。 LU和CORZINE [18]引入了一套新的方法，將超級電容器組直接集成到用于大型車輛推進(jìn)的級聯(lián)多電平逆變器中。這個想法是用超級電容器替代常規(guī)直流鏈路電容器，以便結(jié)合儲能單元和電機驅(qū)動器。這些研究已經(jīng)證明使用超級電容器作為混合動力車輛中的電池的可行補充存儲裝置來延長電池壽命。超級電容器被認(rèn)為是輔助電源，其可以在啟動期間輔助燃料電池和燃料電池動力車輛的快速功率瞬變。
目前，沒有關(guān)于應(yīng)用于起重設(shè)備的基于超級電容器的ESS的文獻(xiàn)研究。在這項研究中，將采用一種僅用于電動葫蘆的超級電容式儲能系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的汽車再生制動系統(tǒng)的超級電容器/電池混合動力方式不同。超級電容式儲能系統(tǒng)可以大大簡化電路結(jié)構(gòu)，擴大控制總線。
首先將分別討論永磁同步電機（PMSM）和DC / DC轉(zhuǎn)換器的控制方案。然后基于DSP的控制系統(tǒng)是基于控制策略和數(shù)字信號處理技術(shù)開發(fā)的。隨后研究了整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略。本實驗開發(fā)并構(gòu)建了再生制動系統(tǒng)的實施方案。最后，比較了仿真結(jié)果和實驗結(jié)果，分析了整個能量回收系統(tǒng)的效率。
2超級電容器儲能系統(tǒng)
2.1 DC / DC轉(zhuǎn)換器的控制策略
具有充電率高，效率高，功率密度高，循環(huán)壽命長，無維護(hù)[19]優(yōu)點的電動葫蘆作為電動葫蘆的儲能。超級電容器作為儲能單元通過DC / DC轉(zhuǎn)換器集成到逆變器直流鏈路中。根據(jù)輸入輸出條件，DC / DC轉(zhuǎn)換器可以作為升壓或降壓轉(zhuǎn)換器工作。
圖。 1顯示了DC / DC轉(zhuǎn)換器升壓運行的PSIM仿真模型。升壓操作用于驅(qū)動PMSM和放電超級電容器。
IGBT2在受控的占空比下接通和關(guān)斷，以將所需的能量從超級電容器傳遞到DC鏈路。當(dāng)IGBT2導(dǎo)通時，從超級電容器中取出能量并存儲在電感器L1中。 IGBT2關(guān)斷時，能量超級電容器具有充電率高，
高效率，高功率密度，長循環(huán)壽命，無需維護(hù)[19]，作為電動葫蘆的儲能。超級電容器作為儲能單元通過DC / DC轉(zhuǎn)換器集成到逆變器直流鏈路中。該
DC / DC轉(zhuǎn)換器可以根據(jù)輸入輸出條件作為升壓或降壓轉(zhuǎn)換器工作。圖。 1顯示了DC / DC轉(zhuǎn)換器升壓運行的PSIM仿真模型。升壓操作用于驅(qū)動PMSM和放電超級電容器。 IGBT2以受控的工作周期接通和關(guān)斷，以將所需的能量從超級電容器傳送到DC鏈路。當(dāng)IGBT2接通時，從超級電容器中取出能量并存儲在該電容器中
電感L1。當(dāng)IGBT2關(guān)斷時，L1中的電能通過D1傳輸?shù)街绷髂妇€。當(dāng)放電超級電容器時，轉(zhuǎn)換器用作剛性電壓源到電動機控制器。升壓轉(zhuǎn)換器自動調(diào)節(jié)電壓，然后獲得穩(wěn)定的輸出電壓。確保超級電容器工作在安全，可靠和高效的條件下，采用雙PI閉環(huán)。
如圖所示。如圖2所示，DC / DC轉(zhuǎn)換器的工作原理是用于在再生制動期間對超級電容器充電。在降壓操作期間，轉(zhuǎn)換器將能量從直流鏈路傳輸?shù)匠夒娙萜?。該操作通過對IGBT1的受控操作來實現(xiàn)。當(dāng)IGBT1接通時，能量從鏈路總線傳遞到超級電容器，電感L1存儲部分能量。當(dāng)IGBT1關(guān)斷時，存儲在電感L1中的剩余能量通過D2轉(zhuǎn)移到超級電容器中。雙PI閉環(huán)控制策略用于調(diào)節(jié)IGBT的PWM占空比。由于電感線圈，續(xù)流二極管和濾波電容器的影響，直流/直流轉(zhuǎn)換器電流隨著IGBT周期性導(dǎo)通和關(guān)斷而成為脈動電流，但輸出電流保持連續(xù)平穩(wěn)。如果負(fù)載是電阻性的，輸出直流電壓也保持連續(xù)平穩(wěn)。 DC / DC轉(zhuǎn)換器保持逆變器直流母線的恒定電壓，而超級電容器電壓具有寬的變化范圍。
2.2 DC / DC轉(zhuǎn)換器的仿真和實驗結(jié)果
為了評估再生制動能量系統(tǒng)控制原理的有效性和可用性，分別在降壓和升壓運行條件下建立了DC / DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)PSIM仿真模型。升壓和降壓轉(zhuǎn)換器的仿真結(jié)果如圖1所示。圖3（a）， 3（b）。結(jié)果表明，當(dāng)前25 A時，超級電容器的電壓逐步上升或下降8 V。
電動機空載實驗在超級電容器的循環(huán)壽命期間進(jìn)行。圖。圖4（a）?圖圖4（b）顯示了實驗結(jié)果，包括電機速度，電容器電流，直流母線電壓和超級電容器
電壓。數(shù)據(jù)顯示，在一個循環(huán)中，放電時間約為170秒，充電時間約為45秒。超級電容放電時，直流母線電壓約為570V，充電時為540V。超級電容器的最大電壓為300V，最小電壓為200V。如圖3（a）所示，超級電容器的放電電流比較平滑，因為電機是電阻的。
3矢量控制的PMSM
3.1 PMSM的數(shù)學(xué)建模
永磁同步電機（PMSM）由于功率密度高，效率高，轉(zhuǎn)矩慣量大，運行可靠等特點而得到廣泛應(yīng)用。該PMSM工作在發(fā)電機或電機模式。操作模式由定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場的旋轉(zhuǎn)速率偏差決定（電機模式為正，發(fā)電機模式為負(fù)）。本文討論的PMSM具有以下假設(shè)：核心飽和度和機器繞組漏電感被忽略;氣隙中的磁勢假定為正弦分布;磁場中的高次諧波可以忽略不計。根據(jù)坐標(biāo)變換原理，數(shù)學(xué)PMSM的模型可以通過旋轉(zhuǎn)參考系（d-q參考系）中的這些方程表示：
3.2 SVPWM原理
空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）技術(shù)廣泛應(yīng)用于逆變器[20-21]。當(dāng)定子通量空間矢量由三相正弦電壓提供時，定子磁通空間矢量以恒定的速度旋轉(zhuǎn)。同時，通量矢量的運動形成一個環(huán)形空間旋轉(zhuǎn)場。電壓矢量也是如此。當(dāng)磁通矢量在空間中旋轉(zhuǎn)一段時間時，電壓矢量也沿著磁通圓的切線旋轉(zhuǎn)一段時間。因此，其軌跡與通量圓相符。 SVPWM是一種使用八個空間電壓矢量產(chǎn)生接近定子的磁通圓的技術(shù)電機的磁通圓。空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)用于通過電壓源逆變器用計算出的定子電壓空間矢量激勵電機。本文采用空間矢量脈寬調(diào)制的兩個閉環(huán)矢量控制模型。圖。圖5給出了所提出的控制方案的框圖。
4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
4.1能源管理戰(zhàn)略
電動葫蘆經(jīng)常用于施工。 如圖所示。 6，具有再生能量系統(tǒng)的電動葫蘆主要由超級電容器，DC / DC轉(zhuǎn)換器，編碼器，三相逆變器，PMSM，微處理器DSP，檢測系統(tǒng)和硬件保護(hù)組成。
編碼器檢測PMSM速度和方向?；魻杺鞲衅鳈z測超級電容器和直流母線的電壓，電流和溫度。微處理器DSP不僅調(diào)整降壓和升壓操作之間的DC / DC轉(zhuǎn)換器，還可以根據(jù)傳感器信號控制電機速度和方向。如果溫度或電流為自動，保護(hù)系統(tǒng)將自動切斷電路
電源管理策略如下：當(dāng)負(fù)載下降時，電機作為發(fā)電機工作。在此過程中，如果超級電容器電壓小于300 V，則DC / DC轉(zhuǎn)換器將工作在降壓運行，并對超級電容器充電，直到超級電容器電壓高達(dá)300 V.然后超級電容器將被切斷，電阻制動將被采納。然而，在起重負(fù)載過程中，如果超級電容器電壓高于200 V，則DC / DC轉(zhuǎn)換器將在升壓操作中工作，并對超級電容器進(jìn)行放電。但如果
超級電容器電壓小于200 V，電機將通過AC 380 V電源供電，以取代超級電容器作為能源。為了實現(xiàn)安全，可靠和高效的運行，超級電容器以各種恒定電流在20A下進(jìn)行充放電，電壓范圍為200-300V。雙向DC / DC轉(zhuǎn)換器的工作模式取決于內(nèi)部超級電容器的能量和PMSM的工作站。
4.2再生制動系統(tǒng)仿真
為了評估這種再生制動系統(tǒng)的可行性，基于MATLAB / Simulink進(jìn)行仿真，如圖7
電機電路采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）感應(yīng)電機驅(qū)動，在調(diào)速時具有空間矢量脈寬調(diào)制。感應(yīng)電動機是
由PWM電壓源逆變器饋電。速度控制回路使用PI控制器為DTC塊產(chǎn)生磁通和轉(zhuǎn)矩參考。 DTC塊計算
電機扭矩和通量估計并將其與各自的參考值進(jìn)行比較。然后由獨立的PI調(diào)節(jié)器控制轉(zhuǎn)矩和通量，計算參考電壓矢量。然后通過空間矢量調(diào)制方法控制電壓源逆變器，以便輸出所需的參考電壓。
電氣系統(tǒng)還包含一個DC / DC轉(zhuǎn)換器。這里，