四速电动葫芦机械系统设计.doc

第 33 页 共 33 页四速电动葫芦机械系统设计 四速电动葫芦机械系统设计何坤（安庆师范大学物理与电气工程学院 安徽安庆 246011）指导老师：吴磊摘要：电动葫芦起重机是一种作循环、间歇运动的起重机械。起重机中电动葫芦是由减速器、卷筒机构、吊钩、电动机、运行机构、限位器和联轴器等部件组成的，具有体积小，自重轻，操作简单，使用方便等特点。这篇文章是根据设计要求，对10吨四速电动葫芦总体方案进行选择及确定，来对机械系统进行设计。设计步骤包括：选择设计方案；选择合适的电动机和钢丝绳并对其进行校核；对吊钩和卷筒的设计计算；确定齿轮的参数；对轴及轴承等相关部件的设计；绘制减速器的结构图以及电动葫芦总装图。关键词：电动机、吊钩、卷筒机构1引言中国的机械发展很早就开始了。并且在世界上占据了一定的地位，它不仅支撑着国家命脉的发展，也关系国家文化进步的推广，也是推进中国国民经济发展的支柱产业。在以前的传统机械，中国在很长一段时期内都领先于世界。前些年，由于其他发达国家发展的很快，中国内部机械发展相对较为迟缓，国外机械科学技术飞速发展，推动了机械行业在国家之间差距的扩大。 当然在新中国建立后特我国的机械技术发展相比前些年较快，现在中国机械发展方向是向机械产品大型化，精密化、自动化和成套化的趋势发展。 随着中国经济市场的发展，经济市场占据社会的发展，机械行业中起重机行业也在不断更新，变化。从一开始的单速、双速发展到国外的多速，但是在中国的市场上常见的还是很早就使用的单速或双速电动葫芦起重机，在实际生产中单速或者多速电动葫芦起重机有时候难以满足生产要求。由于国内电动葫芦发展相比国外的电动葫芦相差较大，因此在满足单速和双速不能完成轻载快速、重载中速以及慢速定位的控制要求中然而设计出多速电动葫芦是很有前景。本次设计的四速电动葫芦机械系统是在现有普通电动葫芦的应用情况而提出要求是：(1) 四速电动葫芦的最大载重为10吨，最大起升高度为9米。(2) 四速电动葫芦的强度等级为M，工作级别为M5。(3) 通过电机的变速实现在一个电机带动下输出4种速度。2 四速电动葫芦的结构分析与设计2.1 电动葫芦的结构分析电动葫芦得主要机构是运行机构和起升机构。电动机的总体结构如图1所示 图1 电动葫芦总体结构简图该电葫芦用小车将其悬挂于工字钢锻造的天车大梁上，其中一端固定一台可制动的锥形转子电动机，另一端是用传动轴将动力传递的减速机。中间是钢丝绳卷筒，经过减速的动力传递给钢丝绳卷筒，带动吊钩起重。 2.2 电动葫芦的设计方案电动葫芦排列方式主要有两种如图2：平行轴和同轴。 a b1电动机2减速器3卷筒装置图2起升机构部件排列图由于b方案结构紧凑，传动相对稳定，安全系数较高。而其中的减速器用斜齿轮传动，对电动机产生一个除弹簧制动的轴向力以外的载荷制动轴向力。它可以减小制动弹簧的轴受力，制动瞬间产生的冲击减小，电动机轴受扭转的冲击也将减小，尤其表现在起吊轻载荷时，从而提高了电动机轴的安全性。因此，选择b方案。而a方案中结构电机与卷筒布置不再同一平面上通过减速器相连，故而使得减速器转距增大，不可使用。3 电动葫芦起升机构部件的设计3.1 起升机构的工作分析电动葫芦起升机构中减速器的高速轴通过花键与中间轴连接，其低速轴来带动卷筒，中间轴又通过联轴器和电动机连接，缠绕在卷筒上的钢丝绳滑轮组和吊钩等取料装置连接起来。在电动机按不同方向转动时会传递给卷筒不同的扭矩，钢丝绳会在卷筒不同的旋转的方向下呈现出卷入或放出的现象，从而实现物料的升降运动，因此酒吧电动机输入的运动方式转变为带动吊钩的上下运动方式。常闭式制动器会在通电状态下松闸，使机构运转；在断电状态下制动，会使吊钩以及物料停止升降，并在某个位置固定不动。在滑轮组上升到最高位置时，位置限位器会被触碰，从而使得吊钩上升停止。3.2 电动机的选择根据所选的设计10吨四速电动葫芦，故电动机采用YZR系列起重用三相一步电动机用电动机。所以： 滚筒传动的效率取：联轴器的效率取: 电机轴的效率取： 为筒与输出轴效率，为输出轴与3轴效率，是3轴与2轴效率，是2轴与1轴效率，是1轴与电动机效率。电动机功率：由于钢丝绳电葫芦起吊和停止时有一些冲击，根据冲击程度一般使用系数故电机转速取: 故选电动机的电动的额定功率为，转速为3.3 滑轮组的选择根据需要是装置平稳，且要求滑轮要能省力和提高速度，还需要能够改变滑轮组的方向来改变钢丝绳的方向。故四速电动葫芦选用的滑轮组倍率由文献1中查得。滑轮组效率3.4 钢丝绳的选择和校核根据设计要求选用的钢丝绳要柔韧性好、钢丝绳强度高、耐冲击、安全可靠。在起重机超载情况下钢丝绳是容易断的，选择要求及抗拉断能力应属很强。3.4.1 钢丝绳的选择钢丝绳具有运动平衡、自重轻、强度高和极小断裂的特点，查得钢丝绳型号选为6X37-15-1550-I-右。（1）四速电动葫芦最大承载为10吨，所以选用滑轮倍数为：:安全系数；取（2）钢丝绳的直径 查相关表得选择钢丝绳型号为6X37-15-1550-I-右。3.4.2 计算钢丝绳所承受的最大静拉力钢丝绳所承受的最大静拉力由文献11中查表得： 式中:-额定起升载荷； -绕上卷筒的钢丝绳分支数； -滑轮组倍率； -滑轮组的机械效率。其中 ，所以，单联滑轮组，双联滑轮组。3.4.3 计算钢丝绳破断拉力计算钢丝绳破断拉力为： =n式中:-安全系数，查文献5中表确定； 所以钢丝绳满足要求。3.5 吊钩的设计吊钩的作用是挂物品，用于提取物料，是起重机不可或缺的部分。3.5.1 吊钩的选择吊钩按制造方法分为锻造吊钩和叠片吊钩，锻造吊钩分为小重量单钩和大重量双钩。锻造吊钩材料采用优质低碳镇静钢或低碳合金钢，如20优质低碳钢。这次设计的是10吨的葫芦，属于小起重量，选用锻造单钩吊钩。3.5.2 吊钩的尺寸设计吊钩起重能力与钩孔直径的关系查文献7中表得：单钩： 关于钩身各部分尺寸间的关系如下图: 图3 锻造单钩计算得: 3.6 卷筒装置的设计电动葫芦的卷筒是用来缠绕钢丝绳的结构，其作用就是控制钢丝绳的长短来控制物品的吊起。3.6.1 卷筒直径的确定根据下式来确定卷筒直径： 式中D-按钢丝绳中心计算的最小卷筒直径， h-与机构工作级别和钢丝绳有关的系数，查文献5中表为18 d-钢丝绳的直径， 计算得 ，取3.6.2 卷筒长度的确定由表2查得卷筒几何尺寸的计算: 式中 L-卷筒长度； -槽部分的长度； -卷筒端部尺寸的长度； -卷筒两端多余部分的长度； -绳槽节距； -最大起升高度； -滑轮组倍率； -卷筒的计算直径。其中 ，3.6.3 卷筒厚度的计算由下式可计算卷筒厚度的计算： 式中 -卷筒壁厚；-钢丝绳直径。所以。4 同轴式三级齿轮传动减速器的设计同轴式三级齿轮传动减速器中的传动关系如图4所示 a b图4 同轴式三级传动减速器示意图4.1 确定传动装置的总传动比和分配转动比（1） 总传动比： = （2）减速器的各级传动比的分配：按同轴式布置。根据查文献3表格得，。则低速级传动比 =4.2 计算各轴的转速和转矩和功率各轴转速: 4.3传动零件的设计计算4.3.1 第一轴齿轮的设计计算（1）选择齿轮材料,查表选小择齿轮材料为40cr，调质和表面淬火处理或氮化4855 HRC。（2）按齿面接触疲劳强度设计选择齿数取 ， 齿宽系数 由查文献5中表，选初选螺旋角 初选载荷系数 按齿轮非对称布置、速度中等和冲击载荷不大来选择转距T 弹性系数ZE 由文献5查得 确定变位系数 得，节点区域系数ZH ， 查文献5中图得 重合度系数Z纵向重合度 端面重合度 由文献2中查得重合度 由参考文献2查得 螺旋角系数 许用接触应力接触疲劳极限由文献2查得大小齿轮的接触疲劳极限为应力循环次数 接触疲劳寿命系数由文献6查得 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1安全系数 （3）计算小齿轮分度圆直径小齿轮分度圆直径 验算圆周速度 选择精度等级 根据圆周速度由文献6选择齿轮精度等级为7级精度（4）计算齿宽和模数 （5）计算载荷系数K使用系数 由文献5中表查得动载系数KV 根据圆周速度由文献4查得 齿间载荷分配系数 根据由文献5图查得齿间载荷分配系数 由文献4中表查的齿轮装配时检验调整 载荷系数 修正小齿轮直径 计算模数 （6）按齿根弯曲疲劳强度校核计算载荷载荷系数，由 由文献4中图查得齿轮的弯曲疲劳强度极，由文献4中图查得齿形系数 由当量齿数 由文献4中图查的 应力修正系数由文献4中图查的 重合度系数由文献4中表查得 cos 螺旋角系数 根据 查得尺寸系数 由公式 时，取= =弯曲寿命系数 根据，由文献2中图查得 计算许用弯曲疲劳应力 取弯曲疲劳安全系数 1=2计算大、小齿轮的并加以比较 = 小齿轮的数值较大设计计算 对比计算结果取标准值，取分度圆直径则 ，取 （7）几何尺寸计算计算中心距 将中心距圆整为。按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不多，故参数等不必修正。计算大、小齿轮的分度圆直径 计算齿轮宽度 圆整后取；。 4.3.2 第二轴齿轮的设计计算（1） 按齿面接触疲劳强度设计选择齿数取 ， 确定变位系数 故得 重合度系数Z纵向重合度 端面重合度 所以选择得重合度 则 则应力循环次数 接触疲劳寿命系数由文献5中图查得 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1安全系数 （2）计算小齿轮分度圆直径小齿轮分度圆直径 （3）计算载荷系数齿间载荷分配系数 根据由文献2中图查得查得 齿间载荷分配系数 由文献2中表查的 齿轮装配时检验调整得 载荷系数 修正小齿轮直径 计算模数 （4）按齿根弯曲疲劳强度设计计算载荷载荷系数K 由文献2查得齿形系数由当量齿数 由参考文献4中查的 应力修正系数由参考文献4中查得 重合度系数 已知 弯曲寿命系数 根据 所以得 计算许用弯曲疲劳应力 取弯曲疲劳安全系数 12计算大、小齿轮的并加以比较 小齿轮的数值较大设计计算 对比计算结果取标准值，取分度圆直径 则 ，则（4）几何尺寸计算计算中心距 将中心距圆整为。按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不多，因此参数中等不须要修正。计算大、小齿轮的分度圆直径 计算齿轮宽度 圆整后取；。4.3.3 第三轴齿轮的设计计算（1）按齿面接触疲劳强度设计选择齿数取 ， 转距 确定变位系数 查文献4中图查的得 节点区域系数 查文献4中图14-1-16得重合度系数纵向重合度端面重合度 查得重合度 则应力循环次数 接触疲劳寿命系数由文献4中图查得 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1安全系数 12 （2）计算小齿轮分度圆直径小齿轮分度圆直径 （3）计算载荷系数齿间载荷分配系数 根据由文献4中图查得齿间载荷分配系数 由机械设计得 设计手册齿轮装配时检验调整载荷系数 修正小齿轮直径 计算模数 （4）按齿根弯曲疲劳强度设计 计算载荷载荷系数 齿形系数由当量齿数 z z由2中图14-1-47查的 应力修正系数由文献2中14-1-47查的 重合度系数 弯曲寿命系数 根据 由文献2中图查的 计算许用弯曲疲劳应力 取弯曲疲劳安全系数 1=2计算大、小齿轮的并加以比较 大齿轮的数值较大设计计算 根据计算结果取标准值，取分度圆直径 则，则（5）几何尺寸计算 计算中心距 将中心距圆整为。按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不多，故参数等不必修正。计算大、小齿轮的分度圆直径 计算齿轮宽度 圆整后取 ；。4.4轴的设计4.4.1 第一根轴的设计计算求作用载齿轮上的力因已知高速级大齿轮的分度圆直径为 4.4.2 初步估算轴的最小直径选择轴的材料20CrMnTi， 选轴的材料为45钢，调质处理。由文献5根据表5-1-1查得 ，。取A0=155，于是得 考虑轴端有键，轴径应增大45%，取分析得输出轴的最小直径在直径处，同时选取键型号。根据，I系列由机械设计手册表选取校核键连接的强度其主要失效行式是工作面被压溃（静强度）静连接 按照中等使用和制造情况，齿面经热处理查得，取，可取（1）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为满足矩形花键的轴向定位要求，.键与轴配合的长度，轴段右端需制出一轴肩，取段直径。 由于轴承承受径向载荷的同时也要承受小的轴向载荷，所以选用深沟球轴承。根据工作要求选用单列深沟球轴承6206系列，为。齿轮的分度圆直径，故取得=.根据要求取，6405系列，其尺寸为 根据齿轮的直径取齿轮轴处的轴段的直径 轴承端盖的总宽的为。为方便拆卸和添加润滑剂，取端盖的外端面与矩形花键的距离为，小齿轮宽度为，由空心轴长度为，故。齿轮宽度为，则，因此。（2）轴上零件的周向定位滚动轴承与轴的轴向定位是通过过渡配合来作保证的，故选轴的直径公差为。（3）确定轴上圆角和倒角由2表查的取轴端倒角为，各轴肩处的圆角半径见CAD减速器图装配图。4.4.3 第二根轴的设计计算（1）求作用载齿轮上的力因已知大齿轮的分度圆直径为 （2）初步估算轴的最小直径选择轴的材料 选轴的材料为45钢，调质处理。由文献2中根据表5-1-1查得 由文献2中根据表5-1-19，取，于是得 （3）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度由于轴承承受径向载荷的同时也要承受小的轴向载荷，所以选用深沟球轴承。根据要求得最小值径，6408系列，尺寸为。则右端采用相同滚动轴承支撑。由于滚动轴承的左端采用齿轮轴的轴肩进行轴向定位。故取，这时需要齿轮的右端须有一轴轴肩高度取，则轴环的直径。轴环宽度，取。齿轮的齿顶圆直径为，则，由于轮毂宽度为，则。轴肩高度取，则轴环的直径。轴环宽度，取。根据要求取得直径d。由前面可知轮毂的宽度，故取。（4）轴上零件的周向定位齿轮与轴的周向定位采用平键连接。同时为了保证齿轮与轴有良好的配合对中性，故选用齿轮毂与轴的配合为间隙配合；滚动轴承与轴的轴向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为。 图5 第二轴的结构简图（5）键的设计与校核选择键联接的类型和尺寸一般8级以上精度的尺寸的齿轮有定心精度要求，应用平键。根据 查文献2表6-1取： 键宽 校和键联接的强度查文献2中表6-2得 工作长度 键与轮毂键槽的接触高度 由式得： 此键合适取键标记为：键：1022 A GB/T1096-19794.4.3 第三根轴的设计计算（1）求作用载齿轮上的力因已知大齿轮的分度圆直径为 （2）初步估算轴的最小直径 选择轴的材料 选轴的材料为45钢，调质处理。由机械设计表查得 由机械设计手册根据表，取，于是得 （3）根据轴向定位的结构设计要求确定轴的各段直径和长度 由于轴承只能承受径向载荷，所以选用圆柱滚子轴承。根据要求选最小值径，NJ210E系列，为。则。 由于左端齿轮与轴承之间是轴肩定位，而轴肩高度故取，则轴环的直径。轴环宽度，取。由上面信息左端齿轮的直径为，所以，又由于轮毂宽度为，故。左边轴肩进行定位的齿轮轴肩高度取，故轴环的直径。轴环宽度，为防止中间轴与低速轴大齿轮相互干扰，故取。 根据要求左端轴承取轴段直径。轮毂的宽度，为了方便使套筒端面压紧齿轮，故取. 右端轴向定位的滚动轴承的轴肩高度取，则轴环的直径。轴环宽度，取。 因右端轴采用固定支撑需用滚动轴承，根据，则选择。因轴承主要承受径向载荷同时也可承受小的轴向载荷，故选用深沟球轴承。参照工作要求并依据值径，故选用单列深沟球轴承6407系列，其尺寸为。（4）轴上零件的周向定位轴与齿轮的周向定位是平键连接。为满足轴与齿轮配合有良好的对中性，故选用轮毂与轴的配合为H7/n6；，轴与滚动轴承的轴向定位是通过过渡配合来作保证，选轴的直径公差为。5 轴的校核5.1 第一根轴的校核5.1.1 求支反力 5.1.2 求弯矩 前面轴的材料为45钢，由文献4查得。因此，故安全。轴的计算简图如图6. 图6第一根轴的计算简图5.2 第三根轴的校核5.2.1 求支反力5.2.2 求弯矩 前面轴的材料为45钢，由文献4查得。因此，故安全。如图75.3 中间轴的校核5.3.1 求支反力N5.3.2 求弯距 图7 第三轴的计算简图5.3.3 总弯距的计算 前面轴的材料为45钢，由文献4查得。因此，故安全。轴的计算简图如图8。图8 中间轴的计算简图6 轴承的校核根据国际水准轴承的设计寿命一般为10000h25000h,由于电葫芦在工作过程中会受到冲击载荷，对其零部件的破坏相对较大，因而，为保证轴承长久使用的可靠性，取相对设计寿命低一些，选取。轴承的寿命按下式计算：式中 轴承内外圈的相对速度； 轴承的额定载荷； 轴承承受的当量载荷； 载荷系数； 温度系数； 寿命系数，取。6.1 计算轴承的支撑反力（1）水平支反力 （2）垂直支反力 （3）合成支反力 6.2 轴承的当量动载荷6.3 轴承的寿命查文献2中表5-9，5-10得 故轴承的寿命合格7 减速器箱体结构的设计箱体在工作过程中，受力十分复杂，为了箱体强度和刚度的设计要求，对箱体的壁厚有单独的要求，并应在轴承座设置加强助。箱体采用铸造加工方法，材料为灰铸铁。如表1.表1. 减速器箱体结构设计名称 符号计算公式计算结果箱座壁厚 箱盖壁厚1 1=0.02a+8 8mm箱体凸缘厚度 箱座 箱盖箱底座 加强助厚 箱盖箱座 地脚螺钉直径 地脚螺钉数目 轴承旁连接螺栓直径 箱盖箱座连接螺栓直径轴承盖螺钉直径与数目轴承盖外径 观察孔盖螺钉直径 df,d1,d2至箱外壁距离df，d2至凸缘边缘距离 轴承旁凸台高度和半径 箱体外壁至轴承座端面距离 8 减速器润滑密封设计对于圆柱齿轮减速器，因为传动装置属于轻型的，且传速较低，所以其速度远远小于，所以采用脂润滑，箱体内选用SH0357-92中的50号润滑，装至规定高度。油的深度为 所以其中油的粘度大，化学合成油，润滑效果好。密封性来讲为了保证机盖与机座联接处密封，联接凸缘应有足够的宽度，联接表面应精创。 密封的表面要经过刮研。而且，凸缘联接螺柱之间的距离不宜太大，约。并匀均布置，保证部分面处的密封性。9 运行机构外壳的选择9.1 行走机构电动机及车轮的选取式中 -滚动摩擦力； -行走机构的运行速度； -滚动摩擦系数，由文献9中查表9-2得；电机功率取、转速取；车轮的工作直径取。9.2 行走机构减速比的确定由行走机构的运行速度、车轮工作直径得：又因为电机转速为所以减速比10 结论本次研究的用于中载小吨位的电动葫芦具有以下特点：（1）四速电动葫芦运行速度比市场现有的电动葫芦更能满足消费者的需求。（2）吊具具有很高的质量和很好的吊物性能，在大多数生产中均可能运用。（3）起重作用范围大，速度多变的电动葫芦可传动相对比较危险点多的物件。（4）由于本身的设计水平有限这次设计中还有很多不足，还需要以后更加的努力学习。参考文献1黄大巍，李风.毛文杰.现代起重机械M.北京:化学工业出版社，2010.2成大先.机械设计手册(第一册)M.北京:化学工业出版社，2006.3濮良贵，机械设计，高等教育出版社第九版M，2012.4阎邦椿.机械设计手册(第五版)M.北京:机械工业出版社，2010.5陈榕林.机械设计应用手册M.北京科学技术文献出版社，2010.6张志文.起重机械手册J.北京：中国铁道出版社，2009.7陈等云.电动葫芦的换代设计J.起重运输机械，2009.8李伟.李瑞华. 起重机智能控制的发展现状与思考J. 煤矿机械 ， 20069陈等云.电动葫芦起升级构模块化设计J.起重运输机械J. 2008.10Rajput R K.Element of Machanical Engineering.Katson Publ.House，1985.The Design of Four Speed Electric Hoist Mechanical System He kun(School of Physics and Electrical Engineering of Anqing Normal University, Anqing 246011) Abstract: Electric hoist crane is a for loop, intermittent motion of lifting machinery. Crane hoist consists of reducer, drum mechanism, hooks, motor, operation mechanism, stopper , couplings and other components, and it has the features of small size, light weight, simple operation and easy to use.This article is based on the design requirements in the chocie of plan to the four-speed electric hoist that can load 10 tons.Design steps include the choice of design plan, choosing the right motor and wire rope and its checking,the design and calculations of the hook and reel, determining the parameters of gear,the design of shaft, bearings and related components and finishing the structure drawing of reducer and the assembly drawing of electric hoist. Keywords: motor, hook, reel mechanism附录A图9 减速器结构图附录B图10电动葫芦装配图1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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