電動螺旋起重機設計,電動,螺旋,起重機,設計
徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
摘要
螺旋起重機又稱為螺旋升降機，它的原型就是我們所常見的千斤頂。它具有結構緊湊、體積小、重量輕、動力源廣泛、無噪音、安裝方便、使用靈活、功能多、配套形式多、可靠性高、使用壽命長等許多優(yōu)點?？梢詥闻_或組合使用，能大致控制調整提升的高度，可以用電動機或其他動力直接帶動，也可以手動。
電動螺旋起重機基本原理是利用電機，通過減速器減速后，帶動螺母旋轉，轉化為絲桿的軸向運動，從而推動物體上升。主要內容如下：對千斤頂?shù)脑砗吐菪鹬氐脑?、方法進行了研究；設計螺旋起重機構；選擇電動機；設計減速機構；控制電路的設計；簡要闡述在流水線作業(yè)中，螺旋千斤頂?shù)膭幼髟淼取?
關鍵詞 千斤頂；電動；螺旋傳動
Abstract
The spiral crane is also known as the spiral screw lift crane .Its prototype is the jack as we common see. Its advantages as follows: small size, light weight, extensive power source, no noise, ease of installation, flexible, multi-function, supporting forms, high reliability and long service life, and so on. It can be used single or in combination, and can generally control the height. Motor can be used directly or other power driven, besides ,it can also be manually.
And the basic principle is that the motor drives the rotary nut through the deceleration agencies, screw into the axial campaign, and then lift the objects .The main contents as follows: research the principle of spiral jack and the principles and methods of the spiral lifting, design the agencies of spiral lifting; motor choice; design deceleration agencies; select keys and bearings, design the control circuit; describe the principle of the screw jack on the assembly line operation.
Keywords Spiral jack Electrical Spiral drive
II
徐州工程學院畢業(yè)設計(論文)
目 錄
1 緒論 1
1.1千斤頂?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2千斤頂?shù)姆诸?2
2 設計方案的確定 3
2.1螺旋傳動設計方案 3
2.1.1螺旋傳動概述 3
2.1.2螺旋傳動方案的確定 4
2.2減速傳動機構設計方案 5
3 傳動系統(tǒng)的設計 6
3.1螺旋傳動部分計算 6
3.1.1螺桿直徑的計算 6
3.1.2螺紋部分強度計算 6
3.2電機的選擇 8
3.2.1電動機功率計算 9
3.2.2傳動效率 9
3.2.3確定電機轉速 10
3.3減速機構的設計 11
3.3.1材料的選擇 11
3.3.2蝸輪蝸桿傳動基本尺寸 12
3.3.3強度校核 15
3.3.4蝸輪蝸桿傳動中的作用力分析 15
3.3.5實際傳動動力參數(shù) 16
4 輔助裝置的設計 18
4.1軸承的選擇 18
4.1.1軸承的選擇因素 18
4.1.2軸承的型號確定 19
4.1.3軸承校驗 19
4.2鍵的選擇 22
4.3聯(lián)軸器的設計與計算 23
5 控制電路及過載保護系統(tǒng)的設計 25
5.1 過載及最大行程保護元件 25
5.1.1 熱繼電器 25
5.1.2 行程開關 26
5.2電器控制基本電路設計 28
6 系統(tǒng)的改進與優(yōu)化 30
6.1力學傳感器 30
6.1.1電阻應變片力傳感器 30
6.2位置傳感器 32
6.3連續(xù)控制分析 34
結論 35
致謝 36
參考文獻 37
附錄 38
附錄1 38
附錄2 49
39
1 緒論
1.1千斤頂?shù)陌l(fā)展現(xiàn)狀
千斤頂起源于20世紀初的英、美、德等國家，在逐步發(fā)展中工藝逐漸成熟，因其具有抗腐蝕、耐高溫，強度高、表面精美、百分之百可回收等無與倫比的良好性能，被廣泛應用于建筑、交通、能源、石化、環(huán)保、城市景觀、醫(yī)療、餐飲等各個領域，逐漸被人們所接受，也越來越多地走進尋常百姓的日常生活。
我國千斤頂產業(yè)發(fā)展進步較晚，建國以來到改革開放前，我國千斤頂?shù)男枨笾饕且怨I(yè)和國防尖端使用為主。改革開放后，國民經濟的快速發(fā)展，人民生活水平的顯著提高，拉動了千斤頂?shù)男枨?。進入上世紀九十年代后，我國千斤頂產業(yè)進入快速發(fā)展期，千斤頂需求的增速遠高于全球水平。
1990年以來，全球千斤頂表觀消費量以年均6%的速度增長，而九十年代的十年間，我國千斤頂表觀消費量年均增長率達到17.73%，是世界年均增長率的2.9倍。進入二十一世紀，我國千斤頂產業(yè)高速增長。2000年—2004年，我國千斤頂消費量從188萬噸增長到447萬噸，增加了2.3倍，年平均增長率在27%以上。其中，2001年，我國千斤頂表觀消費量達到225萬噸，超過美國成為世界第一千斤頂消費大國。同時，千斤頂進口也大幅度增加。1998年，我國千斤頂進口100萬噸，由此成為世界上最大的千斤頂進口國。2004年與1998年比，千斤頂進口增長幅度年均達到27.14%。預計2005年，中國千斤頂表觀消費量將達到500萬噸，進口仍將保持在300萬噸左右。
伴隨著千斤頂市場的快速發(fā)展，我國千斤頂產量也結束了長期徘徊的局面，實現(xiàn)了高速增長。我國千斤頂產量從2000年的46萬噸增長到2004年的236萬噸，年平均增長率在82.6%，占國內市場需求的比重也由2000年的24.47%提高到2004年的52.80%。而同期，世界千斤頂產量則僅以6%左右的速度增長。
從九十年代后期起，我國太鋼、寶鋼以及寶新、張浦等國有和合資企業(yè)通過引進和技術改造，先后建成了一系列千斤頂生產線，千斤頂工藝技術裝備達到國際先進水平，千斤頂生產初具規(guī)模。千斤頂品種結構也發(fā)生了積極的變化，千斤頂產品質量迅速提高。特別是國內千斤頂冷軋板增長迅速，2003年，國內冷軋板產量達到170萬噸，首次超過進口量,自給率達到66%；2004年，國內冷軋板產量達到200萬噸，自給率達到70%以上。從2004年底到2005年底，國內冷軋千斤頂產能將增加約150萬噸，基本滿足國內市場需求。到2007年，我國將成為千斤頂?shù)膬舫隹趪?
從總體上看，我國千斤頂正在經歷由規(guī)模小、水平低、品種單一、嚴重不能滿足需求到具有相當規(guī)模和水平、品種質量顯著提高和初步滿足國民經濟發(fā)展要求的深刻轉變，千斤頂需求將逐步實現(xiàn)自給。
1.2千斤頂?shù)姆诸?
千斤頂有多種形式。如電動式，液壓式，手動式（即一般意義上的千斤頂）等等。
電動式千斤頂如圖1-1所示。它的基本動力源是電機，由電機通過減速器帶動螺母旋轉，轉化為絲桿的軸向運動，從而推動物體上升。它解放了人類的體力勞動，只需操縱按鈕即可完成起重?？捎行У谋苊饬酥匚镌覀仁鹿?。該形式的起重器也是本設計所討論的。
圖1-1
液壓千斤頂，又稱為油壓千斤頂。它的基本工作原理圖如圖1-2所示。其基本原理是利用封閉管路里液體的壓強來工作的。當人以力F向下壓手柄時，液體內部產生一定的壓強，從而推動重物上升。
圖1-2
1-小液壓缸，2-排油單向閥，3-吸油單向閥，4-油路，5-截止閥，6-大液壓缸
手動式千斤頂也即一般普通的千斤頂，它是出現(xiàn)的最早的千斤頂，是所有千斤頂?shù)谋亲?。手搖其手柄，帶動螺母旋轉，如圖1-3所示
圖1-3
2 設計方案的確定
2.1螺旋傳動設計方案
2.1.1螺旋傳動概述
螺旋傳動是利用螺桿和螺母的嚙合來傳遞動力和運動的機械傳動。主要用于將旋轉運動轉換成直線運動，將轉矩轉換成推力。按工作特點，螺旋傳動用的螺旋分為傳力螺旋、傳導螺旋和調整螺旋。
（1）傳力螺旋：以傳遞動力為主,它用較小的轉矩產生較大的軸向推力,一般為間歇工作，工作速度不高，而且通常要求自鎖，例如螺旋壓力機和螺旋千斤頂上的螺旋。
（2）傳導螺旋：以傳遞運動為主，常要求具有高的運動精度，一般在較長時間內連續(xù)工作，工作速度也較高，如機床的進給螺旋（絲杠）。
（3）調整螺旋：用于調整并固定零件或部件之間的相對位置，一般不經常轉動，要求自鎖，有時也要求很高精度，如機器和精密儀表微調機構的螺旋。按螺紋間摩擦性質，螺旋傳動可分為滑動螺旋傳動和滾動螺旋傳動?；瑒勇菪齻鲃佑挚煞譃槠胀ɑ瑒勇菪齻鲃雍挽o壓螺旋傳動。
1）滑動螺旋傳動
通常所說的滑動螺旋傳動就是普通滑動螺旋傳動?；瑒勇菪ǔ２捎锰菪温菁y和鋸齒形螺紋，其中梯形螺紋應用最廣，鋸齒形螺紋用于單面受力。矩形螺紋由于工藝性較差強度較低等原因應用很少；對于受力不大和精密機構的調整螺旋，有時也采用三角螺紋。
一般螺紋升程和摩擦系數(shù)都不大，因此雖然軸向力F相當大，而轉矩T則相當小。傳力螺旋就是利用這種工作原理獲得機械增益的。升程越小則機械增益的效果越顯著?；瑒勇菪齻鲃拥男实?，一般為30～40%，能夠自鎖。而且磨損大、壽命短，還可能出現(xiàn)爬行等現(xiàn)象。
2）靜壓螺旋傳動?
螺紋工作面間形成液體靜壓油膜潤滑的螺旋傳動。靜壓螺旋傳動摩擦系數(shù)小，傳動效率可達99%，無磨損和爬行現(xiàn)象，無反向空程，軸向剛度很高，不自鎖，具有傳動的可逆性，但螺母結構復雜，而且需要有一套壓力穩(wěn)定、溫度恒定和過濾要求高的供油系統(tǒng)。靜壓螺旋常被用作精密機床進給和分度機構的傳導螺旋。這種螺旋采用牙較高的梯形螺紋。在螺母每圈螺紋中徑處開有3～6個間隔均勻的油腔。同一母線上同一側的油腔連通，用一個節(jié)流閥控制。油泵將精濾后的高壓油注入油腔，油經過摩擦面間縫隙后再由牙根處回油孔流回油箱。當螺桿未受載荷時，牙兩側的間隙和油壓相同。當螺桿受向左的軸向力作用時，螺桿略向左移，當螺桿受徑向力作用時，螺桿略向下移。當螺桿受彎矩作用時，螺桿略偏轉。由于節(jié)流閥的作用，在微量移動后各油腔中油壓發(fā)生變化，螺桿平衡于某一位置，保持某一油膜厚度。
3）滾動螺旋傳動
用滾動體在螺紋工作面間實現(xiàn)滾動摩擦的螺旋傳動，又稱滾珠絲杠傳動.滾動體通常為滾珠，也有用滾子的。滾動螺旋傳動的摩擦系數(shù)、效率、磨損、壽命、抗爬行性能、傳動精度和軸向剛度等雖比靜壓螺旋傳動稍差，但遠比滑動螺旋傳動為好。滾動螺旋傳動的效率一般在90%以上。它不自鎖，具有傳動的可逆性；但結構復雜，制造精度要求高，抗沖擊性能差。它已廣泛地應用于機床、飛機、船舶和汽車等要求高精度或高效率的場合。滾動螺旋傳動的結構型式，按滾珠循環(huán)方式分外循環(huán)和內循環(huán)。外循環(huán)的導路為一導管,將螺母中幾圈滾珠聯(lián)成一個封閉循環(huán)。內循環(huán)用反向器，一個螺母上通常有2～4個反向器，將螺母中滾珠分別聯(lián)成2～4個封閉循環(huán)，每圈滾珠只在本圈內運動。外循環(huán)的螺母加工方便，但徑向尺寸較大。為提高傳動精度和軸向剛度，除采用滾珠與螺紋選配外，常用各種調整方法以實現(xiàn)預緊。
常用的載重螺旋有矩形，梯形和鋸齒形等。矩形螺紋傳動效率高，但螺紋強度較低，精確制造較困難，對中準確性較差，磨損后無補償，因此應用受限制，矩形螺紋無標準。梯形螺紋加工容易，強度較大，但效率較低。鋸齒形螺紋矩形螺紋效率高，梯形螺紋強度大的特點，一般用于承受單向壓力，常用在壓力機上。
螺桿材料應具有足夠的強度和耐磨性，以及良好的加工性能，不經熱處理的螺桿一般選用Q275，35，45號鋼，重要的經熱處理的螺桿可以選用65Mn，40Cr或20C rMnTi鋼。精密傳動螺桿可用9MnV，CrMn，38CrMoAl鋼等。螺母材料除要有足夠的強度外，還要求在與螺桿材料配合時摩擦系數(shù)小和耐磨。常選用鑄造青銅ZQSn6-6-3，ZQSn10-1，速度低，載荷較小時，也可選用高強度鑄造鋁青銅或鑄造黃銅，重載時可用鑄鐵，耐磨鑄鐵。尺寸大的螺母可用鋼或鑄鐵做外套，內部澆注青銅。高速螺母可澆注巴氏合金。
螺旋傳動用矩形，梯形或鋸齒形螺紋，其失效形式多為螺紋磨損。而螺旋直徑螺母的高度由耐磨性要求決定。傳力較大時，應校驗螺桿部分或其他危險部位強度，以及螺母，螺桿的螺紋牙的強度。要求自鎖時，應檢驗螺紋副的自鎖條件。對于長徑比很大的受壓螺桿，應檢驗其穩(wěn)定性。
因此，本設計中螺旋副材料選取鋼—青銅材料，螺桿選取45號鋼。螺紋選用梯型螺紋，右旋單線。
2.1.2螺旋傳動方案的確定
本設計的重點是如何將電機輸出的回轉運動轉換為螺桿的直線運動。這也是整個傳動系統(tǒng)設計的關鍵。
根據(jù)機械設計等相關參考資料，可得到把回轉運動轉化為直線運動的四種方式：
（1）螺桿轉動，螺母移動
（2）螺母轉動，螺桿移動
（3）螺母固定，螺桿轉、移動
（4）螺桿固定，螺母轉、移動
考慮到必須頂著重物上升，即與重物接觸，而起重部件與重物間不可發(fā)生相對運動，而且必須與重物充分接觸，因此排除方案（1）、（4），而方案（3）又不方便輸入傳動方案的設計，因此選擇方案（2）作為起重部分的傳動方案。
2.2減速傳動機構設計方案
減速傳動機構通常有蝸輪蝸桿傳動，齒輪傳動，帶傳動，鏈傳動，摩擦輪傳動等等。考慮到本設計要求的傳動緊湊，傳動比較大，因此選用蝸輪蝸桿傳動作為本設計的減速傳動機構。
蝸桿傳動用于傳遞交錯軸之間的回轉運動。在絕大多數(shù)情況下，兩軸在空間上是互相垂直的，軸交角為90度。它廣泛應用在機床、汽車、儀器、起重運輸機械、冶金機械以及其他機械制造部門中，最大傳動功率可達到750千瓦，通常用在50千瓦以下；最高滑動速度可達35m/s，通常用在15m/s以下。
蝸桿傳動的主要優(yōu)點是結構緊湊，工作平穩(wěn)，無噪聲，沖擊振動小以及能得到很大的單級傳動比。在傳遞動力時，傳動比一般為8—100，常用的為5—50。在機床工作臺中，傳動比可達幾百，甚至達到一千。這時，需采用導程角很小的單頭蝸桿，但傳動效率很低，只能用在功率很小的場合。在現(xiàn)代機械制造業(yè)中正力求提高蝸桿傳動的效率，多頭蝸桿的傳動效率已經可達到98%。與多級齒輪傳動相比，蝸桿傳動零件數(shù)目少，結構尺寸小，重量輕。缺點是在制造精度和傳動比相同的條件下，蝸桿傳動的效率比齒輪傳動低，同時蝸輪一般需用貴重的減磨材料制造。
3 傳動系統(tǒng)的設計
3.1螺旋傳動部分計算
3.1.1螺桿直徑的計算
式（3.1）
表 3-1滑動螺旋副許用比壓[P]
螺桿材料
螺母材料
許用比壓
速度范圍
鋼
青銅
18—25
低速
鋼
鋼
7.5—13
低速
鋼
鑄鐵
13—18
<2.4m/min
鋼
青銅
11—18
<3.0m/min
取鋼—青銅螺旋副[p]=20Mpa，f=0.08~0.1，最大負載F=25000N，
代入式（3.1）得:
根據(jù)梯形螺紋國家標準，取螺紋為Tr
其基本參數(shù)為：
螺桿外徑：，
中徑：，
螺桿小徑：，
螺母小徑：，
螺母大徑：，
螺距：
3.1.2螺紋部分強度計算
梯形螺紋牙型角
當量摩擦角
將螺紋部分展開，其受力圖如圖3-1所示，
圖3-1
作用在螺母上的扭矩
螺桿受力如圖3-2所示，由圖可知，螺桿上與螺母旋合處扭矩最大，且
圖3-2
根據(jù)第四強度理論，得：螺桿危險截面的當量應力
表3-2螺桿與螺紋牙強度
項目
許用應力Mpa
螺桿強度
為屈服極限
螺紋牙強度
材料
剪切
彎曲
鋼
0.6
（1~1.2）
青銅
30--40
40—60
鑄鐵
40
45—55
耐磨鑄鐵
40
50—60
蝸桿材料為45號鋼，由表3-2可知，它的許用應力為
==120~72Mpa
，滿足要求。
自鎖條件：<
符合自鎖條件。
3.2電機的選擇
電動機的類型、結構形式是根據(jù)電源種類、載荷性質和工作條件來選擇的。三相異步電機具有構造簡單、運行可靠、重量輕、成本低、使用維護方便等優(yōu)點，所以電機選擇為三相異步電動機。
電動機的功率選擇是否合適將直接影響到電動機的工作性能和經濟性能。如果選用額定功率小于工作機所要求的功率,就不能保證工作機正常工作,甚至使電動機長期過載而過早損壞,如果選用額定功率大于工作機所需要的功率,則電動機價格高,功率未得到充分的利用,從而增加電能的消耗,造成浪費。
在設計過程中,由于螺旋起重機載荷不變或很少變化,并且傳遞功率較小，故只需使電動機的額定功率等于或梢大于電動機的實際輸出功率,即。這樣電動機在工作時就不會過熱,一般不需要對電動機進行熱平衡計算和校核啟動力矩。
選擇電動機應綜合考慮的問題：
（1）根據(jù)機械的負載性質和生產工藝對電動機的啟動，制動反轉等要求選擇電動機類型。
（2）根據(jù)負載轉矩速度變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制過載能力和啟動轉矩，選擇電動機功率并確定冷卻方式。多選電動機功率應留有余量，負荷率一般0.8—0.9，過大的備用功率會使電機效率降低，對于感應電動機，其功率因將變壞，并使按電動機最大轉局校驗強度的生產機械造價提高。
根據(jù)使用場所的環(huán)境條件的溫度，濕度，灰塵，雨水，瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護方式，選擇電動機的結構形式。
（3）根據(jù)企業(yè)的電網電壓標準和對功率因數(shù)的要求確定電動機的電壓等級和類型。
（4）根據(jù)生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。除此之外選擇電動機還必須符合節(jié)能要求，考慮運行可靠性，設備的供貨情況，備品備件的通用性，安裝檢測的難易，以及產品價格，建設費用，運行和維修費用，生產過程中，前，后電動機功率變化關系等各種因素。
3.2.1電動機功率計算
電動機所需工作功率為
P=
式中： 為輸送機主軸牽引力，公斤 此處=2.5噸；
v 為起重速度，m/s 此處v=0.5m/min；
為電動機至工作機主運動端物體的總效率。
3.2.2傳動效率
傳動裝置的總效率應為組成傳動裝置的各部分運動副效率之乘積,即
=··…
其中:分別為每一傳動副,每對軸承,每個連軸器的效率.傳動副的效率數(shù)值可按下列選取,軸承及連軸器效率的概略值為:
滾動軸承 0.98-0.995
滑動軸承 0.97-0.99
彈性連軸器 0.99-0.995
齒輪連軸器 0.99
萬向連軸器 0.97-0.98
圖3-3 螺旋起重機傳動示意圖
該設計中根據(jù)要求選擇滾子軸承效率=0.98；蝸輪蝸桿傳動效率=0.97；聯(lián)軸器傳動效率=0.99；
螺桿螺母傳動效率：
總效率為=···=
電機功率為：= kw
3.2.3確定電機轉速
螺母轉速轉/min
蝸輪蝸桿減速器傳動比為15~60，則，電機轉速可選范圍為
=（15~60）83.3=1250~5000轉/min
同一功率的同一類型電動機可以有幾種同步轉速供選擇。高轉速的電動機的極數(shù)少，外形尺寸小、重量輕、價格低，但傳動裝置總傳動比及尺寸大，增大了減速器的成本和制造成本。低轉速電動機則正好相反，因此應全面分析比較其利弊，合理選定其功率。
電動機的轉速通常采用同步轉速為1500r/min 和1000r/min 左右的電動機，沒有特殊說明，不選用低于750r/min 的電動機。在此，自己綜合考慮，選用1390r/min 的電動機。
由查表可以看出，Y2-802-4 型三相異步電動機符合自己的需要，因此就選用該電動機。
Y2-802-4型三相異步電動機的參數(shù)見表3-3、3-4。
表3-3 Y2-802-4 型三相異步電動機的參數(shù)
電動機型號
額定功率
kw
轉速
r/min
最大轉矩
額定轉矩
最小轉矩
額定轉矩
效率
Y2-802-4
0.75
1390
2.3
1.6
75%
表 3-4 Y2-802-4 型三相異步電動機的尺寸參數(shù)
中心高H
外形尺寸
L×(AC/2+AD) ×HD
底腳安裝尺寸
A×B
地腳螺栓孔直徑
K
軸伸尺寸
D×E
裝鍵部位尺寸
F×GD
80
285×232.5×170
125×100
10
19×40
8×27
圖 3-4 三相異步電動機結構示意圖
3.3減速機構的設計
3.3.1材料的選擇
考慮到蝸桿傳動難于保證高的接觸精度，滑動速度由較大，以及蝸桿變形等因素，故蝸桿、蝸輪不能都用硬材料制造，其中之一（通常是蝸輪）應該用減磨性良好的軟材料來制造。
蝸輪材料主要有以下幾種：
（1）鑄錫青銅 適用于Vs>=12m/s~26m/s和持續(xù)運轉的工況，離心鑄造的可得到致密的細晶粒組織，可取大值，沙型鑄造的取小值。
（2）鑄鋁青銅 適用于Vs<=10m/s的工況，抗膠合能力差，蝸桿硬度應不低于45HRC。
（3）鑄鋁黃銅 點蝕強度高，但磨損性能差，宜用于低滑動速度場合。
（4）灰鑄鐵和球墨鑄鐵 適用于Vs<=2m/s的工況，前者表面經硫化物處理有利于減輕磨損，后者若與淬火蝸桿配對能用于重載場合。直徑較大的蝸輪常用鑄鐵。
蝸桿材料按材料分有碳鋼和合金鋼。蝸輪直徑很大時，也可采用青銅蝸桿，蝸輪則用鑄鐵。按熱處理不同分可分為硬面蝸桿和調質蝸桿。在要求持久性高的動力傳動中，可選用滲碳鋼淬火，也可選用中碳鋼表面或整體淬火以得到必要的硬度，制造時必須磨削。用氮化鋼滲氮處理的蝸桿可以不磨削，但需要拋光。只有在缺乏磨削設備時才選用調質蝸桿。受短時沖擊載荷的蝸桿，不宜用滲碳鋼淬火，最好用調質鋼。鑄鐵蝸輪與鍍鉻蝸桿配對時，有有利于傳動的承載能力和滑動速度。
綜合考慮，在本設計中選擇蝸輪材料為減磨性較好的鑄鋁青銅，蝸桿材料為45號鋼。
3.3.2蝸輪蝸桿傳動基本尺寸
螺母轉速=蝸輪轉速，即轉/min，
蝸桿轉速=電機轉速，即轉/min，
要求傳動比
表3-5鋼蝸桿和青銅蝸輪間的當量摩擦系數(shù)及當量摩擦角
Vs(m/s)
Vs(m/s)
0.01 0.10~0.12 5°41’~ 6°51’
1.5 0.04~0.05 2°20’ ~2°50
0.1 0.08~0.09 4°30’ ~5°10
2.0 0.035~0.045 2°00’~2°30
0.25 0.065~0.075 3°40’ ~4°20
2.50 0.03~0.04 1°40~2°20’
0.5 0.055~0.065 3°10’ ~3°40
3 0.028~0.035 1°30~2°0’
1.0 0.045~0.055 2°20’ ~3°10
4 0.023~0.03 1°20~1°40’
當量摩擦系數(shù)
設，查表3-5，取大值，在參考文獻[1]圖13.11的線上選取一點，查得：，且設定，
蝸輪轉矩： ，
使用系數(shù)： 查表3-6得： ，
表3-6使用系數(shù)KA
動力機工作特性
工作機工作特性
均勻平穩(wěn)
輕微沖擊
中等沖擊
嚴重沖擊
均勻平穩(wěn)
1.00
1.25
1.50
1.75
輕微沖擊
1.10
1.35
1.60
1.85
中等沖擊
1.25
1.50
1.75
2.0
嚴重沖擊
1.50
1.75
2.0
>=2.25
轉速系數(shù)：，
彈性系數(shù)：根據(jù)蝸輪副材料查表3-7得，
壽命系數(shù)：設機器使用壽命，則壽命系數(shù)
接觸系數(shù)：由參考文獻[1]圖13.12I線查得
接觸疲勞極限：查參考文獻表3-7得
表3-7蝸輪材料 力學性能和設計數(shù)據(jù)
蝸輪材料
力學性能
設計數(shù)據(jù)
HB
Mpa
Mpa
%
Mpa
Mpa
Mpa
m/s
鑄錫青銅
220
130
80
3
88.3
147
265
115
12
330
170
90
4
88.3
147
425
190
26
鑄錫青銅
鑄錫青銅
240
120
70
12
98.1
152
350
165
12
270
140
80
7
98.1
152
430
190
26
鑄鋁青銅
490
180
100
13
122.6
164
250
400
10
續(xù)表3-7
蝸輪材料
力學性能
設計數(shù)據(jù)
HB
Mpa
Mpa
%
Mpa
Mpa
Mpa
m/s
鑄鋁青銅
540
200
110
15
122.6
164
265
500
10
鑄鋁青銅
630
250
157
16
122.6
164
550
270
10
700
300
160
13
122.6
164
660
377
10
鑄鋁青銅
670
310
167
18
122.6
164
250
402
10
750
400
185
5
122.6
164
265
502
10
注：表中每項第一行為砂型鑄造，第二項為離心鑄造
接觸疲勞最小安全系數(shù)： 取
中心距：
代入數(shù)據(jù)得：， 取標準值
蝸桿頭數(shù)：， 取
蝸輪齒數(shù)：， 取
模數(shù)： ， 取
蝸桿分度圓直徑：， 取標準值
蝸輪分度圓直徑：
蝸桿導程角：
蝸輪寬度： ， 取
蝸桿圓周速度：
蝸桿尺寸：齒頂圓直徑
齒根圓直徑
蝸桿螺紋長度 ， 取
蝸輪尺寸：齒頂圓直徑
齒根圓直徑
3.3.3 強度校核
（1）齒面接觸疲勞強度驗算
許用接觸應力：
最大接觸應力：
滿足條件
（2）輪齒彎曲疲勞強度驗算
齒根彎曲疲勞極限
彎曲疲勞最小安全系數(shù)
許用彎曲疲勞應力
輪齒最大彎曲應力 滿足條件。
3.3.4蝸輪蝸桿傳動中的作用力分析
在蝸桿傳動中作用在齒面上的法向壓力仍可分解為圓周力、徑向力和軸向力。顯然，作用于蝸桿上的軸向力等于蝸輪上的圓周力，蝸桿上的圓周力等于蝸輪上的軸向力；蝸桿上的徑向力則等于蝸輪上的徑向力。這些對應的力的數(shù)值相等，方向彼此相反。如圖3-5所示。
圖3-5蝸輪蝸桿受力圖
蝸輪上作用力
3.3.5實際傳動動力參數(shù)
由于蝸輪蝸桿各基本尺寸需圓整為標準值，傳動比最終確定為且蝸輪蝸桿傳動效率與估計值略有差別，因此，實際傳動、動力參數(shù)如下：
（1）各軸實際轉矩：
螺母：N·mm
蝸輪：=54059/0.98=55162 N·mm
蝸桿： N·mm
電機軸： N·mm
（2）各軸實際轉速
蝸桿：r/min
蝸輪： r/min
螺母： r/min
螺桿：m/min
（3）電機實際功率
KW
F，滿足條件，因此下端軸承選用51111型。
上端軸承受力比較小，因此只需考慮安裝問題，結合自制螺母的直徑，選用51108型平面推力軸承。
（2）蝸桿軸承的選擇
根據(jù)蝸桿的受力圖可知，蝸桿牙部分除受徑向力外還受軸向力的作用，因此選用軸承時考慮優(yōu)先選用能同時承受徑向力和軸向力的圓錐滾子軸承，型號：30205。
4.1.3軸承校驗
（1）計算圓錐滾子軸承壽命
圖4-1 蝸桿及軸承受力分析
已求得：蝸桿所受徑向力,軸向力.
查手冊30205軸承主要性能參數(shù)：Cr=32.2KN，=37KN，=7000r/min，e=0.37，Y=1.6，=0.9，a=12.5°
所以，附加軸向力；
因為，所以，右端軸承被壓緊，則：
軸承軸向力,
，取=1，=0；
，取=0.4，=0.4cot12.5°=1.8
考慮平穩(wěn)運轉，沖擊載荷系數(shù)=1,
當量動載荷
因為P1T1（54059）
（2）螺桿與聯(lián)軸器處鍵的選擇
參考輪轂及軸徑，選擇為的鍵，取鍵長L=25mm；
許用轉矩
= >T3(4352) 合格
4.3聯(lián)軸器的設計與計算
聯(lián)軸器是用于連接不同機構中兩軸，使他們在傳遞運動和動力過程中一起回轉而不脫開。聯(lián)軸器主要有機械式，液力式和電磁式三種。機械式連軸器是應用最廣泛的連軸器，它借助于機械構件相互間的機械作用力來傳遞轉矩。液力式好電磁式是借助于液力和電磁力來傳遞轉矩。
聯(lián)軸器廣泛用于船舶，機車，汽車，冶金礦山，石油化工，其重運輸，紡織，輕工，農業(yè)機械，印刷機械和泵，風機，機床等各類機械設備傳動系統(tǒng)中。
聯(lián)軸器的種類很多，按其性能分為：
（1） 剛性聯(lián)軸器
1）套筒聯(lián)軸器
2）凸緣聯(lián)軸器
3）夾殼聯(lián)軸器
4）緊箍咒夾殼聯(lián)軸器
（2）撓性聯(lián)軸器
1）無彈性元件撓性聯(lián)軸器
2）非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器
3）金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器
聯(lián)軸器選擇應考慮的問題：
在深知所設計產品的工況及技術要求的情況下，選擇聯(lián)軸器應考慮以下問題：
（1）所需傳遞轉矩大小、載荷性質及產品對緩沖和減振方面的要求；
（2）軸的轉速高低和引起的離心力大小；
（3）兩軸對位移大小（徑向位移、軸向位移、角位移）；
（4）聯(lián)軸器的制造、安裝、維修、成本。
在本設計中，選擇聯(lián)軸器的基本決定因素是聯(lián)軸器所受扭矩的大小。（也即電機軸的扭矩）
求得，電機軸的扭矩
由于聯(lián)軸器已標準化，只需根據(jù)其所受最大扭矩及軸徑大小選擇聯(lián)軸器，因此，綜合考慮，選擇YL1型凸緣聯(lián)軸器，其基本參數(shù)見表4-2。
表4-2YL1型凸緣聯(lián)軸器基本參數(shù)
公稱扭矩Tn
許用轉速n
r/min
軸孔直徑
mm
L
mm
D
mm
D1
mm
螺栓
L0
mm
重量
kg
數(shù)
直徑
10
8100
19
30
71
53
3
M6
64
0.94
圖4-2YL1型凸緣聯(lián)軸器
5 控制電路及過載保護系統(tǒng)的設計
5.1 過載及最大行程保護元件
5.1.1 熱繼電器
熱繼電器是一種電氣保護元件。它是利用電流的熱效應來推動動作機構使觸頭閉合或斷開的保護電器，主要用于電動機的過載保護、斷相保護、電流不平衡保護以及其他電氣設備發(fā)熱狀態(tài)時的控制。
熱繼電器是用于電動機或其它電氣設備、電氣線路的過載保護的保護電器。
電動機在實際運行中，如拖動生產機械進行工作過程中，若機械出現(xiàn)不正常的情況或電路異常使電動機遇到過載，則電動機轉速下降、繞組中的電流將增大，使電動機的繞組溫度升高。若過載電流不大且過載的時間較短，電動機繞組不超過允許溫升，這種過載是允許的。但若過載時間長，過載電流大，電動機繞組的溫升就會超過允許值，使電動機繞組老化，縮短電動機的使用壽命，嚴重時甚至會使電動機繞組燒毀。所以，這種過載是電動機不能承受的。熱繼電器就是利用電流的熱效應原理，在出現(xiàn)電動機不能承受的過載時切斷電動機電路，為電動機提供過載保護的保護電器。
使用熱繼電器對電動機進行過載保護時，將熱元件與電動機的定子繞組串聯(lián)，將熱繼電器的常閉觸頭串聯(lián)在交流接觸器的電磁線圈的控制電路中，并調節(jié)整定電流調節(jié)旋鈕，使人字形撥桿與推桿相距一適當距離。當電動機正常工作時，通過熱元件的電流即為電動機的額定電流，熱元件發(fā)熱，雙金屬片受熱后彎曲，使推桿剛好與人字形撥桿接觸，而又不能推動人字形撥桿。常閉觸頭處于閉合狀態(tài)，交流接觸器保持吸合，電動機正常運行。
若電動機出現(xiàn)過載情況，繞組中電流增大，通過熱繼電器元件中的電流增大使雙金屬片溫度升得更高，彎曲程度加大，推動人字形撥桿，人字形撥桿推動常閉觸頭，使觸頭斷開而斷開交流接觸器線圈電路，使接觸器釋放、切斷電動機的電源，電動機停車而得到保護。 可見，熱繼電器通常是直接斷開接觸器的控制回路來斷開主回路的。
熱繼電器的工作原理如圖5-1
圖5-1 熱繼電器原理圖
由電阻絲做成的熱元件，其電阻值較小，工作時將它串接在電動機的主電路中，電阻絲所圍繞的雙金屬片是由兩片線膨脹系數(shù)不同的金屬片壓合而成，左端與外殼固定。當熱元件中通過的電流超過其額定值而過熱時，由于雙金屬片的上面一層熱膨脹系數(shù)小，而下面的大，使雙金屬片受熱后向上彎曲，導致扣板脫扣，扣板在彈簧的拉力下將常閉觸點斷開。觸點是串接在電動機的控制電路中的，使得控制電路中的接觸器的動作線圈斷電，從而切斷電動機的主電路。
（1）熱繼電器的基本結構
包括加熱元件、主雙金屬片、動作機構和觸頭系統(tǒng)以及溫度補償元件。
（2）熱繼電器的種類
熱繼電器的種類很多，常用的有JR0、JR16、JR16B、JRS和T系列。
（3）熱繼電器的型號及含義
以JR系列熱繼電器為例，型號含義如圖5-2：
圖5-2 熱繼電器型號含義
5.1.2 行程開關
行程行程開關又稱限位開關，用于控制機械設備的行程及限位保護。在實際生產中，將行程開關安裝在預先安排的位置，當裝于生產機械運動部件上的模塊撞擊行程開關時，行程開關的觸點動作，實現(xiàn)電路的切換。因此，行程開關是一種根據(jù)運動部件的行程位置而切換電路的電器，它的作用原理與按鈕類似。行程開關廣泛用于各類機床和起重機械，用以控制其行程、進行終端限位保護。在電梯的控制電路中，還利用行程開關來控制開關轎門的速度、自動開關門的限位，轎廂的上、下限位保護。
行程開關按其結構可分為直動式、滾輪式、微動式和組合式。
（1）直動式行程開關 其結構原理如圖5-3所示，其動作原理與按鈕開關相同，但其觸點的分合速度取決于生產機械的運行速度，不宜用于速度低于0.4m／min的場所。
圖5-3? 直動式行程開關
1-推桿? 2-彈簧? 3-動斷觸點? 4-動合觸點
（2）滾輪式行程開關 其結構原理如圖5-4所示，當被控機械上的撞塊撞擊帶有滾輪的撞桿時，撞桿轉向右邊，帶動凸輪轉動，頂下推桿，使微動開關中的觸點迅速動作。當運動機械返回時，在復位彈簧的作用下，各部分動作部件復位。
圖5-4滾輪式行程開關
1-滾輪 2-上轉臂3、5、11-彈簧 4-套架 6-滑輪 7-壓板 8、9-觸點 10-橫板
滾輪式行程開關又分為單滾輪自動復位和雙滾輪(羊角式)非自動復位式，雙滾輪行移開關具有兩個穩(wěn)態(tài)位置，有“記憶”作用，在某些情況下可以簡化線路。
（3）微動開關式行程開關??常用的有LXW-11系列產品
本設計為方便控制螺桿做線性運動，采用上海人民電器開關廠有限公司生產的直動式行程開關，其基本尺寸如圖5-5所示：
圖5-5 直動式行程開關
5.2電器控制基本電路設計
結合螺旋起重機控制電路要求隨時停車以及限制最大起重量以保護電機的特點，設計并繪制其電器控制基本電路圖，如圖5-6所示。其中，QS：三相電源開關；FU：熔斷器；FR：熱繼電器；KM1、KM2：接觸器；SB：按鈕；SQ：行程開關；M：電動機。
該電路基本工作原理如下：
按下正向啟動按鈕SB2（上升按鈕）時，接觸器KM2得電吸合，其常開主觸點將電動機定子繞組接通電源，相序為U、V、W，電動機正向啟動運行。
按下停止按鈕SB1時，KM2失電釋放，電動機停轉。
按下反向啟動按鈕SB3（下降按鈕）時，KM3線圈得電主觸點吸合，其常開觸點將相序為W、V、U的電源接至電動機，電動機反向啟動運行。
再按下停止按鈕SB1，電動機停轉。
SQ為行程開關，控制重物的最大抬升高度。當重物上升至最大高度時，SQ動作，其常閉觸點斷開，使接觸器KM2失電，整個電路停電，此時只需長按反向啟動按狃（下降按鈕）SB3，即可下降。至合適位置時按下停止按鈕SB1。當螺桿下降至最小高度時，SQ動作，其常閉觸點斷開，使接觸器KM3失電，整個電路停電，此時只需長按正向啟動按狃（上升按鈕）SB2，即可上升。至合適位置時按下停止按鈕SB1。
圖5-6 電器控制圖
6 系統(tǒng)的改進與優(yōu)化
由本設計可以看出，它只適用于人工啟動，手動控制。為適應生產自動流水線作業(yè)，使本產品的使用范圍更加廣泛，市場前景更加廣闊，本設計的二次開發(fā)及優(yōu)化中可增設電阻應變片式壓力傳感器，其基本動作原理是：托盤上有重物時，壓力傳感器變化信號，使電機啟動，帶動重物上升，上升到指定位置（該指定位置由位置傳感器控制），重物被取走后，壓力傳感器信號復原，使電機反轉，到指定位置停轉。如此反復。在這個過程中，電阻應變片式壓力傳感器充當?shù)淖饔檬菈毫﹂_關，光電式位置傳感器充當?shù)淖饔檬枪怆婇_關，它們隨著壓力的有無和螺桿位置的變化指導著電機的正轉，停止以及反轉。因此，必須了解壓力傳感器及位置傳感器的原理及種類。
6.1力學傳感器
力學傳感器是將各種力學量轉換為電信號的器件，力學量可分為幾何學量、運動學量及力學量三部分，其中幾何學量指的是位移、形變、尺寸等，運動學量是指幾何學量的時間函數(shù)，如速度、加速度等。力學量包括質量、力、力矩、壓力、應力等。壓電式壓力傳感器 、壓磁式轉矩傳感器 、壓阻式壓力傳感器 、變面積式電容壓力傳感器 、差動變極距式電容壓力傳感器 、應變式壓力傳感器 、應變片式轉矩傳感器 、振筒式諧振壓力傳感器 、振膜式諧振壓力傳感器 、電阻應變式稱重傳感器。
力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。
6.1.1電阻應變片力傳感器
某些固體材料受到外力的作用后，除了產生變形，其電阻率也要發(fā)生變化，這種由于應力的作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“壓阻效應”。利用壓阻效應制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。根據(jù)制作材料的不同，應變元件可以分為兩大類。一種是利用半導體材料的體電阻做成粘貼式應變片，稱為半導體應變片，用此應變片制成的傳感器稱為半導體應變式傳感器，另一種是在半導體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻，以此擴散電阻的傳感器稱為擴散型壓阻傳感器。
（1）半導體應變片式傳感器
半導體應變片應變元件的工作原理基于導體和半導體的“應變效應”，即當導體和半導體材料發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化。電阻值的相對變化與應變的關系如式6.1所示：
式（6.1）
式中為材料的應變；K為材料的電阻應變系數(shù)，即單位應變引起的電阻相對變化量。金屬材料的K值約為2～6，半導體材料的K值可達60～180。
金屬電阻應變片主要有絲式應變片和箔式應變片兩種結構。如圖6-1所示。
圖6-1 電阻應變片結構
絲式應變片由金屬絲柵(亦稱敏感柵)、基底、引線、保護膜等組成。敏感柵一般采用直徑0.015～0.05mm的金屬絲，用粘合劑固定在厚0.02～0.04mm的紙或膠膜基底上。引線是由直徑0.1～0.2mm低阻鍍錫銅線制成，用于將敏感柵與測量電路相連。
箔式應變片的敏感柵是用厚度為0.003～0.0lmm的金屬箔經光刻、腐蝕等工藝制成的。優(yōu)點是表面積與截面積之比大，散熱條件好，能承受較大電流和較高電壓，因而輸出靈敏度高，并可制成各種需要的形狀，便于大批量生產。由于上述優(yōu)點，它已逐漸取代絲式應變片。
應變片與彈性元件的裝配可以采用粘貼式或非粘貼式，在彈性元件受壓變形的同時應變片亦發(fā)生應變，其電阻值將有相應的改變。粘貼式應變壓力計可采用1、2或4個特性相同的應變元件，粘