【導(dǎo)讀】卷揚(yáng)機(jī)又稱絞車。是起重垂直運(yùn)輸機(jī)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(jiǎn)。分手動(dòng)和電動(dòng)兩種。噸卷揚(yáng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)、液壓推桿制動(dòng)器、制動(dòng)器、電磁鐵制動(dòng)器、卷筒等組成。電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器齒輪、減速器軸設(shè)計(jì)與選取。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

　　

【正文】 理設(shè)計(jì)與計(jì)算卷筒軸對(duì)卷揚(yáng)機(jī)性能至關(guān)重要。 噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 45 頁 卷筒軸的受力計(jì)算及工作應(yīng)力計(jì)算 常用的卷筒軸分軸固定式軸轉(zhuǎn)動(dòng)式（如圖 ）兩種情況。卷揚(yáng)機(jī)卷筒工作時(shí)，鋼絲繩在卷簡(jiǎn)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(jiǎn)上位置的變化而不同。強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)按鋼絲繩在卷筒上兩個(gè)極限位旨分別計(jì)算。由卷揚(yáng)機(jī)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(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的心軸。 a 圖為固定心軸， b 圖為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸。對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)心軸，其彎曲應(yīng)力一般為對(duì)稱循環(huán)變化；對(duì)固定心軸，其應(yīng)力循環(huán)特 征為01r? ?? ，視具體的載荷性質(zhì)而定。對(duì)固定心軸的疲勞失效而言，最危險(xiǎn)的應(yīng)力情況是脈動(dòng)循環(huán)變化，為安全起見，卷筒的固定心軸應(yīng)力以按脈動(dòng)循環(huán)處理為宜。c 圖卷筒軸既受彎又受扭，為轉(zhuǎn)軸。其彎曲應(yīng)力的應(yīng)力性質(zhì)為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，而扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力性質(zhì)可視為脈動(dòng)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(qiáng)度破壞。 圖 卷筒軸的類型： a: 軸固定式 b、 c: 軸轉(zhuǎn) 動(dòng)式 卷筒軸的設(shè)計(jì) 由于卷筒軸的可靠性對(duì)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)，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、合理，應(yīng)力集中應(yīng)盡可能小。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(duì)較長的軸還需校核軸的剛度。 噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 45 頁 本設(shè)計(jì)以計(jì)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(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)，軸的材質(zhì)選擇 45 鋼，調(diào)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(dòng)的心軸。計(jì)算時(shí)應(yīng)按鋼絲繩在卷筒上兩個(gè)極限位置分別計(jì)算。根據(jù)受力分析可知，當(dāng)鋼絲繩位于右極限位置時(shí)，心軸受力較大，因此應(yīng)按有極限位置進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算。計(jì)算時(shí)，卷筒支承作用到心軸的力，可簡(jiǎn)化為作用于軸承寬度中點(diǎn)的集中力，左端距支承點(diǎn) mm，右端距支承點(diǎn) mm。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)、起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) ，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(jì)算 齒輪圓周力： 1122 22etDdFTFdd????????? ＝ kN （ 320） 齒輪徑向力： rtF Ftg?? ＝ kN （ 321） 噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 45 頁 心軸垂直面支承反力及彎矩 支反力，如下圖 。 ? ?78 0 50 50890 etDV FFR ??? ＝ kN （ 322） ? ?78 0 60 60890 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(jì)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(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。由下圖 可知．最大彎矩發(fā)生在剖面 B 處。設(shè)卷筒軸該剖面直徑為 Bd ，則彎曲應(yīng)力為： ? ?3 BbbBMd???? （ 332） 噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 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(qiáng)度計(jì)算 卷筒軸的疲勞強(qiáng)度，應(yīng)該用鋼絲繩的當(dāng)量拉力進(jìn)行計(jì)算，即： d d eF KF? （ 333） 式中 dF — 鋼絲繩的當(dāng)量拉力， N； dK — 當(dāng)量拉力系數(shù)。 為使計(jì)算簡(jiǎn)便，可假設(shè) dK ＝ 1。由前述可知，心軸應(yīng)力的性質(zhì)可認(rèn)為是按脈動(dòng)循環(huán)規(guī)律變化，則 2bmn?????。彎曲應(yīng)力為 噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 45 頁 BKMd? ?＝ Mpa （ 334） 平均應(yīng)力 m? 和應(yīng)力幅 a? 為 2bmn?????= Mpa （ 335） 軸的形狀比較簡(jiǎn)單，且為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在 B 截面處尺寸有變化，則有應(yīng)力集中存在，且該處彎矩最大，可以認(rèn)為置截面是危險(xiǎn)截面，應(yīng)在此處計(jì)算軸的疲勞強(qiáng)度。 查得有效應(yīng)力集中系數(shù)尺 K? ＝ ，表面狀態(tài)系數(shù) ? ＝ ，絕對(duì)尺寸系數(shù) ??＝ ，等效系數(shù)小 ?? ＝ 。 疲勞強(qiáng)度計(jì)算的安全系數(shù)為 1amS K?? ???? ? ??????＝ （ 336） 一般軸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù) ? ? ~ ? ，所以該軸疲勞強(qiáng)度足夠。 心軸的靜強(qiáng)度計(jì)算 卷筒軸的靜強(qiáng)度計(jì)算，需要用靜強(qiáng)度計(jì)算拉力，可按下式求得： maxjeFF?? （ 337） 式中 maxjF — 靜強(qiáng)度計(jì)算最大拉力 ， N； ? — 動(dòng)載荷系數(shù)，查手冊(cè)。此處取 ?? 。 靜強(qiáng)度計(jì)算安全系數(shù) max /ssS MW? ?? ＝ /sBMW?? ＝ （ 338） 當(dāng) / ??? 時(shí) ? ? ~ ? ，該軸靜強(qiáng)度足夠。 所以該軸符合本設(shè)計(jì)要求。 此外，還有些卷筒軸、具有多支承，如三支承。對(duì)這類靜不定問題可用三彎矩方程方法計(jì)算軸受力，同時(shí)在設(shè)計(jì)中還應(yīng)考慮軸的結(jié)構(gòu)、支承型式以及底座的剛度等問題。 噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 第 27 頁 共 45 頁 電動(dòng)機(jī)選型 根據(jù)工作機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、工作環(huán)境、工作載荷的大小和性質(zhì)等條件，選擇電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式、功率、轉(zhuǎn)速，確定電機(jī)型號(hào)。 選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)型式 : 電機(jī)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(diǎn)（變化性質(zhì)、大小和過載情況），起動(dòng)性能和起、制動(dòng)頻繁程度，轉(zhuǎn)速高低和調(diào)速性能要求等條件確定。 電動(dòng)機(jī)分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩種，由于直流電動(dòng)機(jī)需要直流電源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，因此無特殊要求時(shí)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(yīng)采用三相交流電動(dòng)機(jī)。其中以三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多，常用的為 Y 系例三相異步電動(dòng)機(jī)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)需經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)和正、反轉(zhuǎn)時(shí)（例如起重機(jī)），要求電動(dòng)機(jī)有較 小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和較大的過載能力，因此應(yīng)采用起重及冶金用的三相異步電動(dòng)機(jī)，常用的型號(hào)有 YZ 或YZR 系例。 建筑卷揚(yáng)機(jī)主要采用三相交流異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)建筑行業(yè)的工作特點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)工作制應(yīng)考慮選擇短時(shí)重復(fù)工作制 S3和短時(shí)工作制 S2，并優(yōu)先選用 YZR（繞線形轉(zhuǎn)子） YZ（籠型轉(zhuǎn)子）系列，起重專用電動(dòng)機(jī)，多數(shù)情況下選用繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，在工作條件較輕，接電次數(shù)較少時(shí)，亦可選用繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，對(duì)于小噸位建筑卷揚(yáng)機(jī)考慮到多方面因素，電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)。 據(jù)《 建 筑卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì)》 [7]第 21 頁表 31 可知， 應(yīng) 選擇 YZR 系列冶 金 及 起重用相異步電動(dòng)機(jī)，此系列電動(dòng)機(jī)為繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)。從特點(diǎn)上講 ， YZR系，具 有 較大 的 過載 能 力和 較 高的 機(jī) 械強(qiáng) 度，因此 ， 它特別適用于那些短時(shí)或斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 、 頻繁起動(dòng)、制動(dòng) 、 有過載荷及有顯著振 動(dòng)與沖擊的設(shè)備 ； 從轉(zhuǎn)速上講 ，為了使傳動(dòng)裝置不至于太復(fù)雜 ， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不宜太高。 從功率上講，若考慮到機(jī)械傳動(dòng)的總效率在 ? 總 = 左右，則所需電動(dòng)機(jī)的功率 噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 第 28 頁 共 45 頁 p 電 =總卷?P = = （ 339） 根據(jù)以上分析，按《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》 [14] 第 171 頁表 127，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷持續(xù)率為 FC=40%時(shí)，應(yīng)選用 Y 100L14 型電動(dòng)機(jī)，其額定功率為 P 電 =，滿載轉(zhuǎn)速 ? 電 =1420r/min。 制動(dòng)器，聯(lián)軸器的選擇 制動(dòng)器 的分類及選擇 按照制動(dòng)器構(gòu)造特征，可分為帶式制動(dòng)器、塊式制動(dòng)器、蹄式制動(dòng)器和盤式制動(dòng)器四種。 在設(shè)計(jì)或選擇制動(dòng)器時(shí)，主要依據(jù)是制動(dòng)力矩。無論是標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)器，還是自行設(shè)計(jì)的制動(dòng)器都要做必要 做 發(fā)熱驗(yàn)算。本設(shè)計(jì)選用常閉式抱閘制動(dòng)器，型號(hào)：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(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 第 29 頁 共 45 頁 ? ?tt TTkkkT ?? 321 （ 340） 式 中 T 為所傳遞扭矩的計(jì)算值 tT 為實(shí)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(jī)構(gòu)偶工作級(jí)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(zhuǎn)矩 查起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用 CL1 型齒輪聯(lián)軸器。 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 卷揚(yáng)機(jī)總傳動(dòng)比計(jì)算 按額定轉(zhuǎn)速初定總傳動(dòng)比 ，總傳動(dòng)比按下式計(jì)算： 0dni n? （ 341） 式中 i — 機(jī)構(gòu)的總傳動(dòng)比； dn — 電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速 ， r／ min； 0n — 卷筒轉(zhuǎn)速 ， r／ min。 所以 i? 減速器的計(jì)算 因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)軸到減速器高速軸由齒輪鏈接盤連接，其傳動(dòng)比 0i =1，所以減速器的總傳動(dòng)比 i =。本設(shè)計(jì)采用二級(jí)圓柱齒輪減速器。 分配減速器的各級(jí)傳動(dòng)比 按浸油潤滑條件考慮取高速級(jí)傳動(dòng)比 1i = 2i ，式中 2i 為低速級(jí)傳動(dòng)傳動(dòng)比。 噸卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計(jì) 第 30 頁 共 45 頁 即 i=1i 2i = 22i （ 342） 所以 1i = 2i = 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 電動(dòng)機(jī)到卷筒軸的總傳動(dòng)效率為 423321 ????? ????