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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院
本 科 畢 業(yè) 論 文
題目 回轉(zhuǎn)工程鉆機(jī)主卷揚(yáng)的設(shè)計(jì)
系 別 工程技術(shù)系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
學(xué)生姓名 羅金華
學(xué) 號 05208323
指導(dǎo)教師 王勝曼
職 稱 講師
2012 年 5 月 5 日
回轉(zhuǎn)工程鉆機(jī)主卷揚(yáng)的設(shè)計(jì)
摘 要
工程鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)是工程鉆機(jī)的重要組成部分，配合井架、桅桿、滑輪組等輔助設(shè)備，用來提升水龍頭、鉆桿設(shè)備等設(shè)備的起吊工作，由人力或機(jī)械動力驅(qū)動卷筒、卷繞繩索來完成牽引工作的裝置。本次設(shè)計(jì)的1噸電動工程鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)是由電動機(jī)、連軸器、制動器、減速器、卷筒、起升滑輪組、吊鉤等組成。
本次設(shè)計(jì)的步驟是從鋼絲繩開始入手，然后依次對卷揚(yáng)機(jī)的卷筒、卷筒心軸、電動機(jī)、減速器齒輪、減速器軸、制動器、聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)和選擇。其中鋼絲繩的選擇、卷筒、卷筒軸、減速器的設(shè)計(jì)最為主要，其余部分有得只是略作分析。
本次設(shè)計(jì)的工程鉆機(jī)卷揚(yáng)機(jī)由于它結(jié)構(gòu)簡單、搬運(yùn)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(qiáng)等特點(diǎn)，除了應(yīng)用在工程鉆機(jī)上，還可以可以應(yīng)用于冶金起重、建筑、水利作業(yè)等方面，但是此次設(shè)計(jì)的卷揚(yáng)機(jī)主要運(yùn)用于用于1噸的水龍頭鉆桿設(shè)備等設(shè)備的起吊工作。提升重物是卷揚(yáng)機(jī)的一種主要功能，各類卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)都是根據(jù)這一要求為依據(jù)的。
關(guān)鍵詞：卷揚(yáng)機(jī)； 卷筒； 卷筒軸； 回轉(zhuǎn)工程鉆機(jī)
ABSTRACT
The engineering drilling engineering drilling operation is an important component of the mast, with the masts, block and tackle the auxiliary equipment, used to improve the tap, drill pipe equipment hoisting equipment works, by human or mechanical driving drum, winding ropes to complete the work of traction devices. The design of a ton of electric engineering drill hoist is from motor, even the shaft device, brake, reducer, drum, hoisting belts and pulleys, hook etc.
This design steps starts from the wire rope, which in turn to hoist the drum, drum heart shaft, motor, gear reducer, gear reducer shaft coupling, brakes, the design and selection. Among them the choice of wire rope, drum, drum shaft, the design of the speed reducer most major, and the rest of you just slightly 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 used to improve the tap, drill pipe equipment hoisting equipment works for 1-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.
Keywords: hoist; drum; drum shaft; reducer
目 錄
前 言 1
1卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) 1
2卷揚(yáng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)概述 2
2.1 電控卷揚(yáng)機(jī)的介紹 2
2.2 卷揚(yáng)機(jī)的基本的結(jié)構(gòu)及型式 2
2.2.1 卷揚(yáng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 2
2.2.2 卷揚(yáng)機(jī)的典型傳動型式 2
3卷揚(yáng)機(jī)的卷筒零件的設(shè)計(jì) 3
3.1 鋼絲繩的選擇 3
3.1.1 鋼絲繩的種類和構(gòu)造 3
3.1.2 鋼絲繩直徑的選擇 4
3.1.3 鋼絲繩的使用 5
3.2 卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸確定 5
3.2.1 卷筒的分類 5
3.2.2 卷筒繩槽的確定 6
3.2.3 卷筒的設(shè)計(jì) 6
3.2.4 卷筒節(jié)徑設(shè)計(jì) 6
3.2.5 卷筒的長度設(shè)計(jì) 7
3.2.6 卷筒壁厚設(shè)計(jì) 8
3.2.7 卷筒強(qiáng)度計(jì)算及檢驗(yàn) 8
3.3 卷筒軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和作用力計(jì)算 9
3.3.1卷筒軸的介紹 9
3.3.2 卷筒軸的計(jì)算 9
3.3.3 心軸作用力計(jì)算 10
3.3.4 心軸垂直面支承反力及彎矩 10
3.3.5 心軸水平面支承反力及彎矩支反力 10
3.3.6 計(jì)算心軸工作應(yīng)力 11
3.3.7 心軸的疲勞強(qiáng)度計(jì)算 12
3.3.8 心軸的靜強(qiáng)度計(jì)算 12
4電動機(jī)選擇 13
5卷揚(yáng)機(jī)的減速器的設(shè)計(jì)選擇 14
5.1 卷揚(yáng)機(jī)總傳動比 14
5.1.1總傳動比的計(jì)算 14
5.1.2 分配減速器的各級傳動比 14
5.1.3 計(jì)算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù) 14
5.2減速器軸的設(shè)計(jì) 15
5.2.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速 15
5.2.2 計(jì)算各軸功率 15
5.2.3計(jì)算各軸轉(zhuǎn)矩 15
5.3 圓柱齒輪傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算 16
5.3.1 計(jì)算許用接觸應(yīng)力 16
5.3.2 計(jì)算許用彎曲應(yīng)力 17
5.4 齒輪參數(shù)設(shè)計(jì) 17
5.4.1第一級傳動齒輪參數(shù)設(shè)計(jì) 17
5.4.2 第二級傳動 19
5.5 齒輪軸參數(shù)設(shè)計(jì) 21
6制動器，聯(lián)軸器的選擇 22
6.1 制動器的分類及選擇 22
6.2 聯(lián)軸器的選擇 22
結(jié) 論 24
參考文獻(xiàn) 25
致 謝 26
中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
前 言
隨著社會的發(fā)展，機(jī)械將會越來越取代人力，這也是機(jī)械行業(yè)飛速發(fā)展的后果，在機(jī)械的發(fā)展歷史中，新機(jī)械的發(fā)明有著舉足輕重的作用。但是，那些很久以前就被利用生產(chǎn)并一直延續(xù)到今天的機(jī)械，更是起著不可替代的作用，工程卷揚(yáng)機(jī)就是一例。卷揚(yáng)機(jī)的發(fā)展就像其他機(jī)械一樣，從開始的簡單到現(xiàn)在的復(fù)雜，從以前的機(jī)械動力到現(xiàn)在的電力動力，從以前的人工操作到現(xiàn)在的電腦操作甚至智能操作。
提升重物是卷揚(yáng)機(jī)的一種主要功能，所以各類卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)都是根據(jù)這一要求為依據(jù)的。雖然目前塔吊、汽車吊等取代了卷揚(yáng)機(jī)的部分工作，但由于塔吊成本高，一股在大型工程中使用，而且靈活性較差，故一般中小型工程仍然廣泛應(yīng)用卷揚(yáng)機(jī)，汽車吊雖然靈活方便，但也因?yàn)槌杀咎?，而不能在工程中廣泛應(yīng)用，故大多設(shè)備的安裝仍然是由卷揚(yáng)機(jī)承擔(dān)的。卷揚(yáng)機(jī)除在工程、設(shè)備安裝等方面被廣泛應(yīng)用外，在冶金、礦山、建筑、化工、水電、農(nóng)業(yè)、軍事及交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)亦被廣泛應(yīng)用。
下面卷筒機(jī)的發(fā)展趨勢
大型化——由于基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，大型設(shè)備和機(jī)械構(gòu)件要求整體安裝，促進(jìn)了大型卷揚(yáng)機(jī)的發(fā)展。目前，俄羅斯已生產(chǎn)了60 t卷揚(yáng)機(jī)，日本生產(chǎn)了32 t、50 t、60 t液壓和氣動卷揚(yáng)機(jī)，美國生產(chǎn)了136 t和270 t卷揚(yáng)機(jī)。
采用先進(jìn)電子技術(shù)——為了實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)的自動控制和遙控，國外廣泛采用了先進(jìn)的電子技術(shù)。對大型卷揚(yáng)機(jī)安裝了電器連鎖裝置，以保證絕對安全可靠。
發(fā)展手提式卷揚(yáng)機(jī) ——為提高機(jī)械化水平，減輕工人勞動強(qiáng)度，國外大力發(fā)展小型手提式卷揚(yáng)機(jī)，如以汽車蓄電池為動力的直流電動小型卷揚(yáng)機(jī)，其電壓為12 V，質(zhì)量為7.7—15.4 kg，拉力為3336—13344 N。
大力發(fā)展不帶動力源裝置的卷揚(yáng)機(jī)——?dú)W美國家非常重視發(fā)展借助汽車和拖拉機(jī)動力的卷揚(yáng)機(jī)。此種卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，有一個卷筒和一個變速箱即可。
1卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)
本設(shè)計(jì)的工程鉆機(jī)的的卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)有：
額定起升重量： 1噸
起升高度： 6米
起升速度： 0.5米/秒
卷揚(yáng)機(jī)用途：用于1噸的水龍頭和鉆桿的起吊工作的安裝作業(yè)
工作條件：不連續(xù)的啟動、工作環(huán)境無粉塵
1
2卷揚(yáng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)概述
2.1 電控卷揚(yáng)機(jī)的介紹
此類卷揚(yáng)機(jī)通過通電或斷電以實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)的工作或制動。本次設(shè)計(jì)的工程鉆機(jī)的卷揚(yáng)機(jī)就屬于電控卷揚(yáng)機(jī)。水龍頭和鉆桿等設(shè)備的提升或下降由電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)，操作簡單方便。本次設(shè)計(jì)的卷揚(yáng)機(jī)主要采用電磁鐵制動器，并采用雙卷筒的形式。
圖1 工程鉆機(jī)主卷揚(yáng)簡圖
1—電動機(jī) 2—聯(lián)軸器 3—制動器 4—減速器 5—聯(lián)軸器 6—卷筒 7—底座 8—支架
2.2 卷揚(yáng)機(jī)的基本的結(jié)構(gòu)及型式
2.2.1 卷揚(yáng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)
電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，制動器松開，通過聯(lián)軸器帶動減速器高速軸，經(jīng)減速器減速后由低速軸帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，使鋼絲繩在卷筒上繞進(jìn)或放出，從而使重物起升或下降。電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動時，依靠制動器將高速軸的制動輪剎住，使懸吊的重物停止在空中。
根據(jù)需要起升機(jī)構(gòu)上還可裝設(shè)各種輔助裝置，如起重量限制器、起升高度限位器、速度限制器，使鋼絲繩順序排列在卷筒上的排繩裝置等。
2.2.2 卷揚(yáng)機(jī)的典型傳動型式
一般制動器都安裝在高速軸上，這樣所需要的制動力矩小，相應(yīng)的制動器尺寸小，重量輕。卷揚(yáng)機(jī)的制動器必須采用常閉式的。制動力矩應(yīng)保證有足夠的制動安全系數(shù)。在電動機(jī)與減速機(jī)之間可用浮動軸連接，浮動軸的兩端為半齒輪連軸器。本卷揚(yáng)機(jī)的卷筒與低速軸的連接為帶齒輪接盤的結(jié)構(gòu)型式如圖2，卷筒軸左端用自位軸承支撐于減速器輸出軸的內(nèi)腔軸承座中，低速軸的外緣制成外齒輪，它與固定在卷筒上的帶內(nèi)齒輪的接盤相嚙合，形成一個齒輪連軸器傳遞扭矩，并可以補(bǔ)償一定的安裝誤差。
圖2 齒輪接盤連接形式
雙聯(lián)滑輪組一方面使卷筒兩支撐上的受力不變，另一方面是使重物在起升過程中不作橫向移動，因此綜合考慮采用雙聯(lián)滑輪組的結(jié)構(gòu)。
起升機(jī)構(gòu)計(jì)算是在給定了設(shè)計(jì)參數(shù)，并將布置方案確定后進(jìn)行的，通過計(jì)算選用機(jī)構(gòu)中所需要的標(biāo)準(zhǔn)零部件，如電動機(jī)、制動器和聯(lián)軸器等。對于非標(biāo)準(zhǔn)零部件需進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。
此卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)提升載荷1噸，主要用于工程鉆機(jī)的水龍頭和鉆桿的起吊作業(yè)，本卷揚(yáng)機(jī)是現(xiàn)有設(shè)備和材料拼湊而成，因此與標(biāo)準(zhǔn)的1噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)略有不同。
3卷揚(yáng)機(jī)的卷筒零件的設(shè)計(jì)
3.1 鋼絲繩的選擇
卷揚(yáng)機(jī)通過鋼絲繩升降、牽引重物，工作時鋼絲繩所受應(yīng)力十分復(fù)雜，加之對外界影響因素比較敏感，一旦失效，后果十分嚴(yán)重，因此，應(yīng)特別重視鋼絲繩的合理選擇與使用。
3.1.1 鋼絲繩的種類和構(gòu)造
鋼絲繩的種類．根據(jù)鋼絲繩中鋼絲與鋼絲的接觸狀態(tài)不同又可分為：
（1）點(diǎn)接觸鋼絲繩 點(diǎn)接觸鋼絲繩股中各層鋼絲直徑均相同，而內(nèi)外各層鋼絲的節(jié)距不同．因而相互交叉形成點(diǎn)接觸。其特點(diǎn)是接觸應(yīng)力高．表面粗糙，鋼絲易折斷，使用壽命低。但制造工藝簡單，價格便宜。在實(shí)際中常發(fā)現(xiàn)這種鋼絲繩在受拉、尤其是受彎曲由于鋼絲間的點(diǎn)接觸、造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生嚴(yán)重壓痕，由此導(dǎo)致鋼絲疲勞斷裂而使鋼絲繩過早報廢。
（2）線接觸鋼絲繩 線接觸鋼絲繩股由不同直徑的鋼絲統(tǒng)制而成，每一層鋼絲的節(jié)距相等，由于外層鋼絲位于內(nèi)層鋼絲之間的溝槽內(nèi)，因此內(nèi)外層鋼絲間形成線接觸。這種鋼絲繩的內(nèi)層鋼絲雖承受比外層鋼絲稍大的應(yīng)力，但它避免了應(yīng)力集中，消除了鋼絲在接觸處的二次彎曲現(xiàn)象，減少了鋼絲間的摩擦阻力。使鋼絲繩在彎曲上有較大的自由度，從而顯著提高了抗疲勞強(qiáng)度，其壽命通常高于點(diǎn)接觸鋼絲繩。由于線接觸鋼絲繩比點(diǎn)接觸鋼絲繩的有效鋼絲總面積大，因而承載能力高。如果在破斷拉力相同的情況下選用線接觸鋼絲繩，可以采用較小的滑輪和卷筒直徑，從而使整個機(jī)構(gòu)的尺寸減小。
卷?xiàng)顧C(jī)應(yīng)優(yōu)先選用線接觸鋼絲繩。
3.1.2 鋼絲繩直徑的選擇
目前在工業(yè)化國家，對鋼絲繩直徑的選擇普遍采用選擇系數(shù)法。國際標(biāo)準(zhǔn)繩的選擇也推薦采用此方法。該方如下； 鋼絲繩直徑不應(yīng)小于下式計(jì)算的最小直徑
（3-1）
式中 —鋼絲繩最大靜拉力(N)。
C—鋼絲繩選擇系數(shù)。
該設(shè)計(jì)卷揚(yáng)機(jī)額定載荷1噸，采用雙聯(lián)滑輪起重滑輪組，所以每根承受載荷
2.5KN （3-2）
該卷揚(yáng)機(jī)用于工程鉆機(jī)的的水龍頭和鉆桿的起吊安裝作用，所以工作級別為M7，鋼繩系數(shù)選擇c＝0.123。
6.15mm （3-3）
所以鋼絲繩選擇d=7 mm。
按鋼絲繩所在機(jī)構(gòu)工作級別來選鋼絲繩直徑時，所選的鋼絲繩拉斷力應(yīng)
（3-4）
式中——所選用鋼絲繩最小拉斷力，N；
n——安全系數(shù)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊電子版（2008）選n=7
所以 7x2500=17.5KN （3-5）
又鋼絲繩最小拉斷力總和等于鋼絲繩最小拉斷力×1.134（纖維芯）或×1.214（鋼芯），本設(shè)計(jì)的鋼絲繩不接觸高溫所以選擇選擇纖維芯鋼絲繩，所以鋼絲繩最小拉斷力總和為19.845 Kn
鋼絲繩型號選擇：
鋼絲繩6×7類7—NAT—NF—1470—ZS—23.9—17.20
(NAT光面鋼絲繩，NF天然纖維芯，1470Mpa鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，ZS右交互輾結(jié)構(gòu)，23.9KN鋼絲繩最小破壞拉力，17.20kg/100m鋼絲繩的 近似重量)
3.1.3 鋼絲繩的使用
鋼絲繩在工作時卷繞進(jìn)出滑輪和卷筒，除產(chǎn)生拉應(yīng)力外，還有擠壓、彎曲、接觸和扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力，應(yīng)力情況是非常復(fù)雜的。實(shí)踐表明，由于鋼絲繩反復(fù)彎曲相擠壓所造成的金屬疲勞是鋼絲繩破壞的主要原因。
在正確選擇鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和直徑之后，實(shí)際使用壽命的長短，在很大程度上取決于鋼絲繩在使用中的維護(hù)和保養(yǎng)及與相關(guān)機(jī)件的合理配置?？蓮囊韵聨追矫婵紤]該問題：
（1）滑輪和卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d的比值大小對鋼絲繩的壽命影響較大，幾乎成平方關(guān)系。因此，選用較大的滑輪和卷簡直徑對鋼絲繩的壽命是有利的。使用中，應(yīng)盡量減少鋼絲繩的彎折次數(shù)并盡量避免反向彎折。
（2）決定滑輪繩槽尺寸時，必須考慮鋼絲繩直徑較公稱直徑有6％~8％的過盈量這一事實(shí)。過小的繩槽直徑會使鋼絲繩受到過度擠壓而提前斷絲，繩槽尺寸過大，又會使鋼絲繩在槽內(nèi)的支承面積減小，增大鋼絲繩的接觸應(yīng)力。合理的繩槽尺寸應(yīng)比鋼絲繩的公稱直徑大10％左右。
（3）滑輪與卷筒的材料太硬，對鋼絲繩壽命不利。據(jù)有關(guān)資料表明：以鑄鐵代替鋼．可提高鋼絲繩的壽命約10％。
（4）為了長鋼絲繩的使用壽命，鋼絲繩在卷筒及繩輪上的偏角必須保持在一定的限度之內(nèi)，一般在0.5~2之間。
（5）良好的周期性潤滑是提高鋼絲繩使用壽命的一項(xiàng)重要因素。它可以防止銹蝕，減少鋼絲繩內(nèi)外磨損。一般常用中、低粘度潤滑油和濾青質(zhì)化合物。
（6）經(jīng)常檢查鋼絲繩表面的磨損及斷絲，遇到問題及時解決。
3.2 卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸確定
卷筒尺寸的由已知起升速度、起升高度和鋼絲繩的尺寸來確定。卷筒用來卷繞鋼絲繩，把原動機(jī)的驅(qū)動力傳遞給鋼絲繩，并把原動機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)樗枰闹本€運(yùn)動。本次設(shè)計(jì)的卷筒是中空的圓柱形。
3.2.1 卷筒的分類
按照鋼絲繩在卷筒上的卷繞層數(shù)分，卷筒分單層繞和多層繞兩種。一般起重機(jī)大多采用單層繞卷筒。只有在繞繩量特別大或特別要求機(jī)構(gòu)緊湊的情況下，為了縮小卷筒的外形尺寸，才采用多層繞的方式。本設(shè)計(jì)的起升重量為1噸，起升的速度為0.5米每秒，所以本次設(shè)計(jì)的卷筒采用單層繞。
3.2.2 卷筒繩槽的確定
卷筒繩槽槽底半徑R，槽深c 槽的節(jié)矩t 其尺寸關(guān)系為：
R=（0.54~0.6）d（d 為鋼絲繩直徑） （3-6）
繩槽深度：
標(biāo)準(zhǔn)槽： ｃ１=（0.25~0.4）d （3-7）
深槽： ｃ２=（0.6~0.9）d （3-8）
繩槽節(jié)距：
標(biāo)準(zhǔn)槽： ｔ１＝d＋（2~4） （3-9）
深槽：ｔ２＝d＋（6~8） (3-10）
卷筒槽多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)槽，只有在使用過程中鋼絲繩有可能脫槽的情況才使用深槽，本設(shè)計(jì)選用標(biāo)準(zhǔn)槽，鋼絲繩直徑選用7 mm，
R=（0.54~0.6）d=（0.54~0.5）x7=3.78~4.2mm 取R=4mm （3-11）
c=（0.25~0.4）d =(0.25~0.4)x7=1.75~2.8mm 取c=2.3 mm （3-12）
所以t＝d＋（2~4）=9 mm
3.2.3 卷筒的設(shè)計(jì)
卷筒按照轉(zhuǎn)矩的傳遞方式來分．有端側(cè)板周邊大齒輪外嚙合式和筒端或筒內(nèi)齒輪內(nèi)嚙合式，其共同特點(diǎn)是卷筒軸只承受彎矩，不承受轉(zhuǎn)矩。本設(shè)計(jì)卷筒采用內(nèi)齒輪嚙合式。
卷筒的設(shè)計(jì)主要尺寸有節(jié)徑、卷筒長度 L 、卷筒壁厚 δ。
3.2.4 卷筒節(jié)徑設(shè)計(jì)
卷筒的節(jié)徑即卷筒的卷繞直徑，由設(shè)計(jì)知不能小于下式：
（3-13）
式中—按鋼絲繩中心計(jì)算的卷筒最小直徑，mm；
h — 與機(jī)構(gòu)工作級別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)工作環(huán)境級別為M7，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（新編軟件版）2008，查得h=28 mm；
d — 鋼絲繩的直徑,mm。
按式計(jì)算：
＝28x7=196 mm所以選取=200mm （3-14）
3.2.5 卷筒的長度設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)采用雙聯(lián)滑輪組，如圖3
圖3 雙聯(lián)滑輪組
卷筒的長度 （3-15）
式中L——卷筒總長度，mm；
—繩槽部分長度，其計(jì)算公式為
（3-16）
其中H—最大起升高度，本設(shè)計(jì)的起升高度為6000mm；
a—滑輪組倍 率，由于本設(shè)計(jì)采用的是雙聯(lián)滑輪組合，所以倍率為2.
—卷筒卷繞直徑，為200mm；
t— 繩槽節(jié)矩，為9mm；
n— 附加安全圈數(shù)，使鋼絲繩端受力減小，便于固定，通常取n＝1.5~3圈，本設(shè)計(jì)n取1.5。
l1—固定鋼絲繩所需要的長度，一般取l1＝3t，mm；
l2—兩端的邊緣長度（包括凸臺在內(nèi)），根據(jù)卷筒結(jié)構(gòu)而定，46mm；
l3—卷筒中間無繩槽部分長度，由鋼絲繩的允許偏斜角α和卷筒軸到動滑輪軸的最小距離決定。對于有螺旋槽的單層繞卷筒，鋼絲繩允許偏斜度通常為0.5~2，可知選取l3＝42 mm。
所以繩槽的長度 ： =186mm
所以所設(shè)計(jì)的卷筒長度為L=560 mm
3.2.6 卷筒壁厚設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)為了延長鋼絲繩的壽命，采用鑄鐵卷筒，對于鑄鐵卷筒可按經(jīng)驗(yàn)公式初步確定，然后進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。
對于鑄鐵筒壁
0.02x200+(6~10)=12~14mm （3-17）
根據(jù)鑄造工藝的要求，鑄鐵卷筒的壁厚12mm
所以卷筒的參數(shù)選擇為：繩槽節(jié)距t＝9 mm、槽底半徑＝2.3mm、卷筒節(jié)距=200 mm、卷筒長度L=560 mm、卷筒壁厚12mm。
3.2.7 卷筒強(qiáng)度計(jì)算及檢驗(yàn)
本設(shè)計(jì)的卷筒無特殊需要，額定起重重量不是很大，所以選擇HT200的鑄鐵制造。一般卷筒壁厚相對于卷筒直徑較小，所以卷筒壁厚可以忽略不計(jì)，在鋼絲繩的最大拉力作用下，使卷筒產(chǎn)生壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭曲應(yīng)力。其中壓應(yīng)力最大。當(dāng)3D時彎曲應(yīng)力和扭曲應(yīng)力的合成力不超過壓應(yīng)力10%,所以當(dāng)3D時只計(jì)算壓應(yīng)力即可。
本設(shè)計(jì)中L=560 mm D=200 mm，符合3D的要求，所以只計(jì)算壓應(yīng)力即可。
當(dāng)鋼絲繩單層卷繞時，卷筒所受壓應(yīng)力按下式來計(jì)算：
（3-18）
其中 σ為鋼絲繩單層卷繞時卷筒所受壓應(yīng)力，MPa；
為鋼絲繩最大拉力，為2500N；
為卷筒壁厚，12mm；
A 為應(yīng)力減小系數(shù)，一般取A=0.75，
為許用壓力，對于鑄鐵
t為繩槽節(jié)距，為9 mm。
為鑄鐵抗壓強(qiáng)度極限
所以17.36Mpa
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（新編軟件版）2008，得知195MPa，所以39MPa。
所以。
經(jīng)檢驗(yàn)計(jì)算，卷筒抗壓強(qiáng)度符合要求。
3.3 卷筒軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和作用力計(jì)算
3.3.1卷筒軸的介紹
卷筒軸是支持卷揚(yáng)機(jī)正常工作的重要零件，合理設(shè)計(jì)與計(jì)算卷筒軸對卷揚(yáng)機(jī)性能至關(guān)重要。常用的卷筒軸有固定卷筒軸和轉(zhuǎn)動卷筒軸，卷揚(yáng)機(jī)卷筒工作時，鋼絲繩在卷簡上的位置是變化的。鋼絲繩拉力經(jīng)卷筒及支承作用到軸上產(chǎn)生的力矩，其大小隨鋼絲繩在卷簡上位置的變化而不同。強(qiáng)度計(jì)算時應(yīng)按鋼絲繩在卷筒上兩個極限位旨分別計(jì)算。
3.3.2 卷筒軸的計(jì)算
卷筒軸的可靠性對卷揚(yáng)機(jī)安全、可靠的工作非常重要，因此應(yīng)十分重視卷筒軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度、剛度計(jì)算。卷筒軸的結(jié)構(gòu)要簡單，應(yīng)力要要減小，軸要分布均勻。卷筒軸不僅要計(jì)算疲勞強(qiáng)度，而且還要計(jì)算靜強(qiáng)度；此外，對較長的軸還需校核軸的剛度。本次設(shè)計(jì)的卷筒軸用軸端擋板固定于卷筒上，是不動的心軸。
本設(shè)計(jì)以計(jì)算出的參數(shù)有：繩的額定拉力=2.5 kN，卷筒直200 mm，鋼絲繩的直徑7 mm，外齒軸套齒輪分度圓直徑D＝125 mm，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（新編軟件版）2008，軸的材質(zhì)選擇45鋼，調(diào)制處理, 。
工作卷筒上所需要的功率： 1.23kw (3-19)
工作卷筒上的轉(zhuǎn)速： 48 r/min (3-20)
所以卷筒軸的最小直徑的計(jì)算為 33m (3-21)
根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（新編軟件版）2008，確定心軸的最小直徑為35mm,根據(jù)計(jì)算軸的各軸段的公式 (3-22)
求得各段軸的直徑為
根據(jù)的設(shè)計(jì)要求，心軸使用的軸承位調(diào)心軸承，1370TN1。和選用的聯(lián)軸器和卷筒的結(jié)構(gòu)確定心軸的長度。
21mm 84mm 363.5mm 82mm 28mm 21mm
所以心軸的總長度L=629.5mm。
3.3.3 心軸作用力計(jì)算
心軸的傳動轉(zhuǎn)矩: 248698N.mm (3-23)
齒輪圓周力： （3-24）
齒輪徑向力： （3-25）
3.3.4 心軸垂直面支承反力及彎矩
根據(jù)受力分析知如圖4知， 60mm， 380mm，100mm
支反力如圖4—A，
（3-26）
（3-27）
彎矩如圖4—C,
（3-28）
（3-29）
3.3.5 心軸水平面支承反力及彎矩支反力
水平面支承反力如圖4—B
（3-30）
＝1289 N （3-31）
彎矩如圖4—D
（3-32）
（3-33）
合成彎矩如下圖E
（3-34）
（3-35）
3.3.6 計(jì)算心軸工作應(yīng)力
此軸為固定心鈾，只有彎矩，沒有轉(zhuǎn)矩。最大彎矩發(fā)生在剖面A處。設(shè)卷筒軸該剖面直徑為da，則彎曲應(yīng)力為：
（3-36）
則：27mm
2.9 kW
所以以上所選參數(shù)符合要求。
5.2減速器軸的設(shè)計(jì)
5.2.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸1000r/min （5-3）
Ⅱ軸185r/min
Ⅲ軸48r/min
卷筒軸48r/min
5.2.2 計(jì)算各軸功率
Ⅰ軸3.7x0.99=3.663kW （5-4）
Ⅱ軸3.48kW
Ⅲ軸3.31kW
卷筒軸
5.2.3計(jì)算各軸轉(zhuǎn)矩
電動機(jī)軸輸出轉(zhuǎn)矩為：
Ⅰ軸34.98N.m （5-5）
Ⅱ軸179.57N.m
Ⅲ軸658.90N.m
卷筒軸639.26N.m
將計(jì)算結(jié)果列表如下表1
表1 傳動裝置的運(yùn)動及動力參數(shù)
軸號 功率P（KW） 轉(zhuǎn)矩T(n.m) 轉(zhuǎn)速（r/min） 傳動比i 效率
電機(jī)軸 3.7 35.335 1000
1 0.99
Ⅰ軸 3.663 34.98 1000
5.4 0.97
Ⅱ軸 3.48 179.57 185
3.86 0.97
Ⅲ軸 3.37 658.90 48
1 0.99
卷筒軸 3.28 639.90 48
5.3 圓柱齒輪傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.3.1 計(jì)算許用接觸應(yīng)力
此減速器的齒輪為一般機(jī)械零件，沒有特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)和易于取材原則出發(fā)決定選用：
小齒輪采用45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，齒面的硬度為217~255HBS
大齒輪采用45鋼，經(jīng)正火處理，齒面的硬度為169~217HBS
查教材，小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為：
小齒輪 （217~255HBS） 580 MPa
大齒輪 （169~217HBS） 540 MPa
社工作的的時間為10年，每天工作為8小時，每年工作為300天，
所以Ln=10x8x300=24000H
循環(huán)次數(shù)：
60njLn=1.44* (5-6)
2.67*
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表10—19查得 =1.0 =1.08
取失效概率為1% ，安全系數(shù)SH=1.1
齒面接觸應(yīng)力為
(5-7)
、
取小值=527.3 MPa
5.3.2 計(jì)算許用彎曲應(yīng)力
小齒輪和大齒輪的彎曲疲勞極限分別為：
小齒輪 （217~255HBS） =440 MPa
大齒輪 （169~217HBS） =420 MPa
1 1.4
齒輪彎曲應(yīng)力為：
(5-8)
取最小值=300Mpa
5.4 齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)
5.4.1第一級傳動齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)
（1）初選參數(shù)
小齒輪齒數(shù)17
大齒輪齒數(shù)17*5.4=92
螺旋角
（2）按接觸強(qiáng)度結(jié)算
(5-9)
所以 載荷系數(shù)： K=1.2
彈性系數(shù)： 189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)： 2.433 0.779
螺旋角系數(shù)： 0.992
所以 35.84mm
（3）主要尺寸計(jì)算
模數(shù) 2.07mm (5-10)
取整=2mm
中心距110.68mm (5-11)
取整數(shù)= 110 mm
計(jì)算實(shí)際螺旋角： (5-12)
螺旋角沒有改變，所以系數(shù)不在修正。
分度圓直徑
(5-13)
齒頂圓直徑
(5-14)
齒根圓直徑
(5-15)
齒寬b
(5-16)
經(jīng)校核計(jì)算，齒根彎曲強(qiáng)度足夠使用。
計(jì)算結(jié)果見下表2
表2 一級傳動中大小齒輪的基本參數(shù)及主要尺寸
項(xiàng)目 小齒輪 大齒輪
材料及熱處理 45鋼調(diào)質(zhì) 45鋼正火
齒數(shù) 17 92
法面模數(shù)（mm） 2 2
分度圓法面壓力角 20° 20°
螺旋角及方向 10°左 10°右
法面齒頂高系數(shù) 1 1
法面齒隙系數(shù) 0.25 0.25
中心距 110 110
齒寬 39.5 34.5
分度圓直徑 34.5 186.84
齒頂圓直徑 38.5 190.84
齒根圓直徑 29.5 81.84
5.4.2 第二級傳動
（1）初選參數(shù)
小齒輪齒數(shù)20
大齒輪齒數(shù)20X3.86=77
螺旋角
（2）按接觸強(qiáng)度結(jié)算d2
(5-17)
查教材 載荷系數(shù): K=1.2
彈性系數(shù): 189.8
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù): 2.433 0.779
螺旋角系數(shù)： 0.992
所以63.4mm
（3）主要尺寸計(jì)算
模數(shù)： 3.12mm (5-18)
取整數(shù)3 mm
中心距： 147.84mm (5-19)
取整數(shù)=148 mm
計(jì)算實(shí)際螺旋角： (5-20)
螺旋角改變不大，系數(shù)不在修正。
分度圓直徑d
(5-21)
齒頂圓直徑da
(5-22)
齒根圓直徑
(5-23)
齒寬b
(5-24)
經(jīng)校核計(jì)算，齒根彎曲強(qiáng)度足夠使用。
計(jì)算結(jié)果見下表3
表3 二級傳動中大小齒輪的基本參數(shù)及主要尺寸
項(xiàng)目 小齒輪 大齒輪
材料及熱處理 45鋼調(diào)質(zhì) 45鋼正火
齒數(shù) 20 77
法面模數(shù)（mm） 3 3
分度圓法面壓力角 20° 20°
螺旋角及方向 10.55°左 10.55°右
法面齒頂高系數(shù) 1 1
法面齒隙系數(shù) 0.25 0.25
中心距 148 148
齒寬 66 61
分度圓直徑 61 235
齒頂圓直徑 67 241
齒根圓直徑 53.5 227.5
5.5 齒輪軸參數(shù)設(shè)計(jì)
卷揚(yáng)機(jī)的減速器的齒輪軸屬于一般機(jī)械零件，沒有特殊要求，所以軸的材料選用45鋼，粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理便能滿足要求。45鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理硬度為217~255HBS。所以得
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算軸的直徑
軸的最小直徑公式為：
其中系數(shù)A=118~107 (5-25)
根據(jù)（5-25）計(jì)算得
Ⅰ軸，Ⅱ軸，Ⅲ軸
考慮到第一級傳動的小齒輪直徑較小，若使用鍵與軸連接齒輪強(qiáng)度不夠，所以把Ⅰ軸做成齒輪軸，Ⅰ軸軸頭安裝聯(lián)軸器，故將軸徑增加5%。估取Ⅰ軸軸徑為20mm，安裝軸承處軸徑為30mm，其它尺寸由結(jié)構(gòu)而定。對于Ⅱ軸，估?、蜉S軸徑為35 mm，安裝軸承的直徑記為二軸的最小直徑，其它尺寸由結(jié)構(gòu)而定。