【導讀】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、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。分手動和電動兩種。噸卷揚機是由電動機、液壓推桿制動器、制動器、電磁鐵制動器、卷筒等組成。電動機、制動器、減速器齒輪、減速器軸設計與選取。提升重物是卷揚機的一種主要功能，各類卷揚機的設計都是根據(jù)這一要求為

　　

【正文】 重要零件， 合理設計與計算卷筒軸對卷揚機性能至關重要。 噸卷揚機設計 第 22 頁 共 45 頁 卷筒軸的受力計算及工作應力計算 常用的卷筒軸分軸固定式軸轉動式（如圖 ）兩種情況。卷揚機卷筒工作時，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。強度計算時應按鋼絲繩在卷筒上兩個極限位旨分別計算。由卷揚機工作情況和軸的受力分析可知， a、 b 因卷筒軸主要承受彎矩，可簡化為簡單的心軸。 a 圖為固定心軸， b 圖為轉動心軸。對于轉動心軸，其彎曲應力一般為對稱循環(huán)變化；對固定心軸，其應力循環(huán)特 征為01r? ?? ，視具體的載荷性質而定。對固定心軸的疲勞失效而言，最危險的應力情況是脈動循環(huán)變化，為安全起見，卷筒的固定心軸應力以按脈動循環(huán)處理為宜。c 圖卷筒軸既受彎又受扭，為轉軸。其彎曲應力的應力性質為對稱循環(huán)變應力，而扭轉剪應力的應力性質可視為脈動循環(huán)變化。由此可知，卷筒軸在正常使用條件下，最終將發(fā)生疲勞破壞。但也不排除在超載或意外情況下發(fā)生靜強度破壞。 圖 卷筒軸的類型： a: 軸固定式 b、 c: 軸轉 動式 卷筒軸的設計 由于卷筒軸的可靠性對卷揚機安全、可靠的工作非常重要，因此應十分重視卷筒軸的結構設計和強度、剛度計算。卷筒軸的結構，應盡可能簡單、合理，應力集中應盡可能小。卷筒軸不僅要計算疲勞強度，而且還要計算靜強度；此外，對較長的軸還需校核軸的剛度。 噸卷揚機設計 第 23 頁 共 45 頁 本設計以計算出的參數(shù)有：繩的額定拉力 rF ＝ 1000kN，卷筒直徑0D? 170mm，鋼絲繩的直徑 d? 6 mm，外齒軸套齒輪分度圓直徑 D＝ 224 mm，查機械傳動設計手冊，軸的材質選擇 45 鋼，調制處理， 650? ?B MPa， 360S? ? MPa，1 300?? ? MPa， ? ?0 100b? ? MPa。 由圖 31 可知，該卷筒軸用軸端擋板固定于卷筒上，是不動的心軸。計算時應按鋼絲繩在卷筒上兩個極限位置分別計算。根據(jù)受力分析可知，當鋼絲繩位于右極限位置時，心軸受力較大，因此應按有極限位置進行軸的強度計算。計算時，卷筒支承作用到心軸的力，可簡化為作用于軸承寬度中點的集中力，左端距支承點 mm，右端距支承點 mm。 查機械設計手冊、機械傳動設計手冊、起重機設計手冊 ，初步得到心軸各段直徑和長度，如圖 。 圖 心軸的各部分尺寸 將軸上所有作用力分解為垂直平面的力和水平平面的力，如下圖 35a 所示。 心軸作用力計算 齒輪圓周力： 1122 22etDdFTFdd????????? ＝ kN （ 320） 齒輪徑向力： rtF Ftg?? ＝ kN （ 321） 噸卷揚機設計 第 24 頁 共 45 頁 心軸垂直面支承反力及彎矩 支反力，如下圖 。 ? ?7 8 0 5 0 5 0890 etDV FFR ??? ＝ kN （ 322） ? ?7 8 0 6 0 6 0890 teCV FFR ??? ＝ kN （ 323） 彎矩，如下圖 。 50AV CVMR? ＝ kN? mm （ 324） 60BV DVMR? ＝ kN? mm （ 325） 心軸水平面支承反力及彎矩支反力 水平面支承反力如下圖 。 50890rDH FR ? ＝ kN （ 326） 840890rCH FR ? ＝ kN （ 327） 彎矩計算，如下圖 50AH CHMR? ＝ 178 kN? mm （ 328） 60BH DHMR? ＝ kN? mm （ 329） 合成彎矩，如下圖 22A AV AHM M M??＝ kN? mm （ 330） 22B BV BHM M M??＝ kN? mm （ 331） 計算心軸工作應力 此軸為固定心鈾，只有彎矩，沒有轉矩。由下圖 可知．最大彎矩發(fā)生在剖面 B 處。設卷筒軸該剖面直徑為 Bd ，則彎曲應力為： ? ?3 00. 1 BbbBMd???? （ 332） 噸卷揚機設計 第 25 頁 共 45 頁 則： ? ?3BBhMd ?? ＝ mm 圓整后 Bd ＝ 75 mm，中間軸段 0d ＝ 45＋ 15＝ 60 mm 圖 心軸的疲勞強度計算 卷筒軸的疲勞強度，應該用鋼絲繩的當量拉力進行計算，即： d d eF KF? （ 333） 式中 dF — 鋼絲繩的當量拉力， N； dK — 當量拉力系數(shù)。 為使計算簡便，可假設 dK ＝ 1。由前述可知，心軸應力的性質可認為是按脈動循環(huán)規(guī)律變化，則 2bmn?????。彎曲應力為 噸卷揚機設計 第 26 頁 共 45 頁 BKMd? ?＝ Mpa （ 334） 平均應力 m? 和應力幅 a? 為 2bmn?????= Mpa （ 335） 軸的形狀比較簡單，且為對稱結構，在 B 截面處尺寸有變化，則有應力集中存在，且該處彎矩最大，可以認為置截面是危險截面，應在此處計算軸的疲勞強度。 查得有效應力集中系數(shù)尺 K? ＝ ，表面狀態(tài)系數(shù) ? ＝ ，絕對尺寸系數(shù) ??＝ ，等效系數(shù)小 ?? ＝ 。 疲勞強度計算的安全系數(shù)為 1amS K?? ???? ? ??????＝ （ 336） 一般軸疲勞強度安全系數(shù) ? ? ~ ? ，所以該軸疲勞強度足夠。 心軸的靜強度計算 卷筒軸的靜強度計算，需要用靜強度計算拉力，可按下式求得： maxjeFF?? （ 337） 式中 maxjF — 靜強度計算最大拉力 ， N； ? — 動載荷系數(shù)，查手冊。此處取 ?? 。 靜強度計算安全系數(shù) max /ssS MW? ?? ＝ /sBMW?? ＝ （ 338） 當 / ??? 時 ? ? ~ ? ，該軸靜強度足夠。 所以該軸符合本設計要求。 此外，還有些卷筒軸、具有多支承，如三支承。對這類靜不定問題可用三彎矩方程方法計算軸受力，同時在設計中還應考慮軸的結構、支承型式以及底座的剛度等問題。 噸卷揚機設計 第 27 頁 共 45 頁 電動機選型 根據(jù)工作機構的特點、工作環(huán)境、工作載荷的大小和性質等條件，選擇電動機類型和結構型式、功率、轉速，確定電機型號。 選擇電動機的類型和結構型式 : 電機類型要根據(jù)電源種類（交流或直流），工作條件（溫度、環(huán)境、空間位置等）。載荷特點（變化性質、大小和過載情況），起動性能和起、制動頻繁程度，轉速高低和調速性能要求等條件確定。 電動機分為直流電動機和交流電動機兩種，由于直流電動機需要直流電源，結構復雜，價格較高，因此無特殊要求時不宜采用。 生產(chǎn)單位一般采用三相交流電源，如無特殊要求均應采用三相交流電動機。其中以三相異步電動機應用最多，常用的為 Y 系例三相異步電動機。當電動機需經(jīng)常起動、制動和正、反轉時（例如起重機），要求電動機有較 小的轉動慣量和較大的過載能力，因此應采用起重及冶金用的三相異步電動機，常用的型號有 YZ 或YZR 系例。 建筑卷揚機主要采用三相交流異步電動機，根據(jù)建筑行業(yè)的工作特點，電動機工作制應考慮選擇短時重復工作制 S3和短時工作制 S2，并優(yōu)先選用 YZR（繞線形轉子） YZ（籠型轉子）系列，起重專用電動機，多數(shù)情況下選用繞線轉子電動機，在工作條件較輕，接電次數(shù)較少時，亦可選用繞線轉子電動機，對于小噸位建筑卷揚機考慮到多方面因素，電動機工作制也允許選擇連續(xù)工作制 S1如選擇 Y系列三相異步電動機。 據(jù)《 建 筑卷揚機設計》 [7]第 21 頁表 31 可知， 應 選擇 YZR 系列冶 金 及 起重用相異步電動機，此系列電動機為繞線轉子電動機。從特點上講 ， YZR系，具 有 較大 的 過載 能 力和 較 高的 機 械強 度，因此 ， 它特別適用于那些短時或斷續(xù)運轉 、 頻繁起動、制動 、 有過載荷及有顯著振 動與沖擊的設備 ； 從轉速上講 ，為了使傳動裝置不至于太復雜 ， 電動機的轉速不宜太高。 從功率上講，若考慮到機械傳動的總效率在 ? 總 = 左右，則所需電動機的功率 噸卷揚機設計 第 28 頁 共 45 頁 p 電 =總卷?P = = （ 339） 根據(jù)以上分析，按《機械設計課程設計手冊》 [14] 第 171 頁表 127，當電動機負荷持續(xù)率為 FC=40%時，應選用 Y 100L14 型電動機，其額定功率為 P 電 =，滿載轉速 ? 電 =1420r/min。 制動器，聯(lián)軸器的選擇 制動器 的分類及選擇 按照制動器構造特征，可分為帶式制動器、塊式制動器、蹄式制動器和盤式制動器四種。 在設計或選擇制動器時，主要依據(jù)是制動力矩。無論是標準制動器，還是自行設計的制動器都要做必要 做 發(fā)熱驗算。本設計選用常閉式抱閘制動器，型號：TJ2=100。如圖 。 圖 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器根據(jù)傳遞的扭矩和工作條件選擇： 噸卷揚機設計 第 29 頁 共 45 頁 ? ?tt TTkkkT ?? 321 （ 340） 式 中 T 為所傳遞扭矩的計算值 tT 為實際作用的扭矩 ??tT 為聯(lián)軸器規(guī)格表中允許傳遞的扭矩 1k 為考慮聯(lián)軸器重要的系數(shù)，選 1k = 2k 為考慮機構偶工作級別的系數(shù) ，選 2k = 3k 為考慮角度偏差的系數(shù)，選 3k =1 所以 ?T ? ? 1? = 小于 CL 型齒輪聯(lián)軸器的許用轉矩 查起重機設計手冊，選用 CL1 型齒輪聯(lián)軸器。 減速器的設計計算 卷揚機總傳動比計算 按額定轉速初定總傳動比 ，總傳動比按下式計算： 0dnin? （ 341） 式中 i — 機構的總傳動比； dn — 電動機額定轉速 ， r／ min； 0n — 卷筒轉速 ， r／ min。 所以 i? 減速器的計算 因為電動機軸到減速器高速軸由齒輪鏈接盤連接，其傳動比 0i =1，所以減速器的總傳動比 i =。本設計采用二級圓柱齒輪減速器。 分配減速器的各級傳動比 按浸油潤滑條件考慮取高速級傳動比 1i = ，式中 2i 為低速級傳動傳動比。 噸卷揚機設計 第 30 頁 共 45 頁 即 i=1i 2i = 22i （ 342） 所以 1i = 2i = 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 電動機到卷筒軸的總傳動效率為 423321 ????? ????