液压绞车设计本科论文

第一章绪论

1.1液压传动系统概论

1.1.1传动类型及液压传动的定义

一部完备的机器都是由原动机、传动装置和工作机组成。原动机（电动机或内燃机）是机器的动力源；工作机是机器直接对外做功的部分；而传动装置则是设置在原动机和工作机之间的部分，用于实现动力（或能量）的传递、转换与控制，以满足工作机对力（或力矩）、工作速度及位置的要求。

按照传动件（或转速）的不同，有机械传动、电器传动、流体传动（液体传动和气体传动）及复合传动等的要求。

液体传动又包括液力传动和液压传动是以动能进行工作的液体传动。液压传动则是以受压液体作为工作介质进行动力（或能量）的转换、传递、控制与分配的液体传动。由于其独特的技术优势，以成为现代机械设备与装置实现传动及控制的重要技术手段之一。

1.1.2 液压系统的组成部分

液压传动与控制的机械设备或装置中，其液压系统大部分使用具有连续流动性的液压油等工作介质，通过液压泵将驱动泵的原动机的机械能转换成液体的压力能，经过压力、流量、方向等各种控制阀，送至执行机器（液压缸、液压马达或摆动液压马达）中，转换为机械能去驱动负载。这样的液压系统一般都是由动力源、执行器、控制阀、液压附件几液压工作介质的几部分所组成。

一般而言，能够实现某种特定功能的液压元件的组合，称为液压回路。为了实现对某一机器或装置的工作要求，将若干特定的基本回路连接或复合而成的总体称为液压系统。

1.1.3 液压系统的类型

液压系统可以按多种方式进行分类，见表1.1。

1.1.4 液压技术的特点

与其它传动控制方式相比较，液压传动与控制技术的特点如下。

（1）优点

1）、单位功率的重量轻。

2）、布局灵活方便。

表1-1 液压系统的分类

3）、调速范围大。

4）、工作平稳、快速性好。

5）、易于操纵控制并实现过载保护。

6）、易于自动化和机电一体化。

7）、易于操纵控制并实现过载保护。

8）、液压系统设计、制造和使用维护方便。

（2）缺点

1）、不能保证定比传动。

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2）、传动效率低。

3）、工作稳定性易受温度影响。

4）、造价较高。

5）、故障诊断困难。

1.2绞车的简介

在起重机械中，用以提升或下降货物的机构称为起升机构，一般采用卷扬式，而这样的机器叫做卷扬机又叫绞车。

卷扬机的卷扬机构一般由驱动装置、钢丝绳卷绕系统、取物装置和安全保护装置等组成。驱动装置包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒等部件。钢丝绳卷绕系统包括钢丝绳、卷筒、定滑轮和动滑轮。取物装置有吊钩、吊环、抓斗、电磁吸盘、吊具挂梁等多种形式。安全保护装置有超负载限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保护开关等，根据实际需要配用。

卷扬机的驱动方式有三种，分别为内燃机驱动、电动机驱动和液压驱动。

内燃机驱动的起升机构，其动力由内燃机经机械传动装置集中传给包括起升机构在内的各个工作机构，这种驱动方式的优点是具有自身独立的能源，机动灵活，适用于流动作业。为保证各机构的独立运动，整机的传动系统复杂笨重。由于内燃机不能逆转，不能带载起动，需依靠传动环节的离合实现起动和换向，这种驱动方式调速困此论文为参考论文，需要完整版联系QQ639520449 难，操纵麻烦，属于淘汰类型。目前只有少数地方应用。

电动机驱动是卷扬机的主要驱动方式。直流电动机的机械特性适合起升机构的工作要求，调速性能好，但获得直流电源较为困难。在大型的卷扬机中，常采用内燃机和直流发电机实现直流传动。交流电动机驱动能直接从电网取得电能，操纵简单，维护容易，机组重量轻，工作可靠，在电动卷扬机中应用广泛。

液压驱动的卷扬机，由原动机带动液压泵，将工作油液输入执行构件（液压缸或液压马达）使机构动作，通过控制输入执行构件的液体流量实现调速。液压驱动的优点是传动比大，可以实现大范围的无级调速，结构紧凑，运转平稳，操作方便，过载保护性能好。缺点是液压传动元件的制造精度要求高，液体容易泄漏。目前液压驱动在建筑卷扬机中获得日益广泛的应用。

1.3拟定绞车液压系统图

系统的工作原理及其特点简要说明如下：（见图1.1）

液压马达9的排量切换由二位四通电磁换向阀5实现，控制压力由液压马达9自身提供，为了防止下放时因超越负载作用而失速，在马达回油路上设置了外控式平衡

阀4。另外，为了提高系统工作可靠性，以防污染和过热造成的故障，在回油路上设置了回油过滤器7及冷却器8。三位四通电磁换向阀9的中位机能为K型，所以，绞车停止待命时，液压泵可以中位低压卸荷，有利于节能。

表1.2绞车液压系统电磁铁动作顺序

由表1.2可知：当电磁铁2YA通电时，三位四通电磁换向阀5切换至右位，液压

油经过单向阀进入液压马达2，驱动滚筒卷扬方向旋转。当电磁铁1YA通电时，负载由平衡阀支撑的同时快速下放，当需要制动时，电磁铁3YA通电，制动器制动。

图1.1

多片式摩擦离合器2、液压马达3、6、溢流阀4、外控式平衡阀

5、三位四通电磁换向阀7、回油过滤器8冷却器9、液压马达10、油箱

第二章卷扬机构的方案设计

卷扬机方案设计的主要依据：机构的驱动方式；安装位置的限制条件和机型种类与参数匹配等。

2.1 常见卷扬机构结构方案及分析

2.1.1 非液压式卷扬机构方案比较

根据卷扬机构原动机和卷筒组安装相对位置不同，卷扬机构结构布置方案的基本型有并轴式和同轴式两种。而这两种基本型中又有单卷筒和双卷筒之分。下面介绍几种常见的卷扬机构结构方案。

图此论文为参考论文，需要完整版联系QQ639520449

卷扬机构

图2.1所示为并轴式单卷筒卷扬机构，他们的卷筒轴与原动机轴线并列平行布置，结构简单、紧凑。

为了提高取物装置在空载或轻载时的下降速度，有的卷扬机构设置了重力下降装

置（图2.1b）。在卷筒上装有带式制动器和内涨式摩擦离合器。当离合器分离时，驱动卷筒的动力源被切断，卷筒处于浮动状态，这时可利用装在卷筒上的带式制动器控制取物装置以重力快速下降。

卷扬机构方案设计中一个重要问题是卷筒轴与减速器输出轴的连接方式。图2.1（a）、（b）所示方案，它们是把卷筒安装在减速器输出轴的延长部分上，从力学观点看，属于三支点的超静定轴，减小了轴承受的弯矩。但是，这种结构对安装精度要求很高，而且使的卷筒组和减速器的装配很不方便，减速器也不能独立进行装配和试运转，更换轴承也较困难。然而，它的外形尺寸小，结构简单，适用于中小型建筑机械的卷扬机构。

图2.1（c）、（d）所示方案，卷筒组与减速器输出端均采用了补偿式连接。图2.1（c）减速器的输出轴利用齿轮连轴节与卷筒连接，且直接把动力传递给卷筒。图2.1（d）是采用十字滑块联轴节将卷筒和减速器输出轴连成一体，卷筒轴的右端伸入到减速器输出轴上的联轴节半体中心孔内，构成了轴的一个支点，输出轴和卷筒轴均为筒支结构，构造紧凑，制造、安装均有良好的分组性。

并轴布置双卷筒卷扬机构（图2.2），由一台液压马达通过二级齿轮减速器分别驱动装在两根平行轴上的主、副卷筒。在这两个卷筒上分别装有离合器和制动器。通过液压操纵系统的控制可使主、副卷筒独立动作，并能实现重力下降。

图2.2 并轴布置双卷筒卷扬机构

双卷筒集中驱动，可减少一套液压马达及传动装置。

2.1.2 卷筒轴与减速器输出轴连接方式设计的基本原则

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式设计的基本原则是：

1．尽量避免采用多支点的超静定轴。因为多支承点受力复杂且轴安装精度

不易保证。

2．优先采用减速器输出端直接驱动卷筒的连接方式，使卷筒轴不传递扭距，

尽可能避免卷筒轴收弯曲和扭转的复合作用，以减少轴的直径。

3．使机构有良好的总成分组行，以利制造、安装、调试和维修。

4．结构紧凑、构造简单，工作安全可靠。

5．卷筒组与减速器输出轴优先采用补偿式连接，这样，在安装时允许总成

间有小量的轴向、径向和角度位移，以补偿安装位置误差和机件的变形。

2.1.3 液压卷扬机构的分类

近年来普遍采用了行星齿轮传动的多速卷扬机构，利用控制多泵合流和液压马达的串并联或采用变量液压马达实现卷扬机构的多种工作速度，从而实现轻载高速、重载低速，提高工作效率，以满足各种使用要求。

液压传动的起升机构可分为下列几种形式：

由于选用的液压马达的形式不同，液压起升机构可分为高速液压马达传动和低速大扭矩马达传动两种形式。

高速液压马达传动需要通过减速器带动起升卷筒。减速器可采用批量生产的标准减速器，通常有圆柱齿轮式，蜗轮蜗杆式和行星齿轮式减速器。这种传动形式的特点是液压马达本身重量轻、体积小，容积效率高，生产成本较低。但整个液压起升机构重量较重，体积较大。

低速大扭矩马达传动可直接或通过一级开式圆柱齿轮带动起升卷筒。虽然低速马达本身体积和重量较大，但不用减速器，使整个液压起升机构重量减轻，体积减小。并使传动简单、零件少，起动性能和制动性能好，对液压油的污染敏感性小。壳转的内曲线径向柱塞式低速大扭矩马达，可以装在卷筒内部，由马达壳体直接带动卷筒转动，结构简单紧凑，便于布置。

图2.3 液压卷扬机构布置方案(一)

2.1.4 液压式行星齿轮传动卷扬机构布置方案

液压多速卷扬机构有多种布置方案，如：

1、液压马达、制动器和行星减速器分别布置在卷筒的两侧，即对称布置（图2.3）。

2、液压马达和制动器分别布置在此论文为参考论文，需要完整版联系QQ639520449

器装在卷筒内部（图2.4）。

图2.4 液压卷扬机构布置方案(二)

图2.5 液压卷扬机构布置方案(三)

3、液压马此论文为参考论文，需要完整版联系QQ639520449 装在卷筒内（图2.5）

4、液压马达、制动器和行星减速器均装入卷筒内部（图2.6）。

图2.6 液压卷扬机构布置方案(四)

二三方案属于同一类型，由于行星减速器装在卷筒内，所以体积小，结构较紧凑，但由于卷筒内的空间位置受到限制，要求安装精度高，零件加工工艺复杂，轴承的选择较困难，维修不方便。它们的不同处是制动器的安装位置，方案二显得对称性好。

方案四显然较方案二、方案三的外形尺寸更小，结构更加紧凑。但是它除了有二、三方案中的问题外，还存在制动器和液压马达的散热性极差，检修调试也很不方便。

图2.7 液压卷扬机构布置方案(五)

二、三、四方案均属同轴式布置，即使液压马达和卷筒轴在同一中心线上，总成组装时要保证规定的同心度。

5．液压马达、制动器和行星减速器都布置在卷筒的同一侧（图2.7）。这种布置形式，机构的轴向尺寸较大，维修不太方便，同时也会给总体布置带来一定困难。但它易于加工和装配，总成分组性较好。

2.2 本设计所采用的方案

本设计给出的马达的排量为520ml/r，工作压力为16.5MP，因此选用低速大扭矩马达，采用低速方案，不选用减速器。传动方案根据比较选用如（图2.8）所示，多片盘式制动器安装在马达上，联轴器内置于卷筒内。此方案整体体积小，结构较紧凑。

图2.8 本设计所采用的方案

2.3 卷扬机构方案设计注意事宜

卷扬机构的方案的设计除认真考虑以上问题外，还要酌情处理好以下事宜。

1、分配机构总传动比时，级差不宜过大，一般可采取从原动机至卷筒逐级降低传动比的分配方法。

2、卷筒直径尽量选取最小许用值，因为随着卷筒直径的增加，扭矩和传动比也随之增大，引起整个机构的尺寸膨胀。但在起升高度大的情况下，为了不使卷筒长度过大，有时采用加大直径的办法来增加卷筒的容绳量。

3、对于具有多种替换工作装置的机械，卷筒的构造应能提供快速换装的措施，如制成剖分组合式卷筒等。

4、滑轮组的倍率对机构的影响较大。因此，滑轮组的倍率不宜取得过大。 一般当起升载荷50Q P kN ≤时，滑轮组的倍率宜取2，250Q P kN ≤时，倍率取3~6，载荷量更大时，倍率可取8以上。

5、卷扬机构的制动器是确保工作安全可靠的关键部件。支持制动器一般应装在扭矩最小的驱动轴上，这样可减少制动器的尺寸。但是若采用制动力矩大、体积小结构简单的钳盘式制动器时，可将其装在卷筒的侧板上，以提高卷扬机构的可靠性。 对于起吊危险物品的卷扬机构应设置两套制动装置。

第三章卷扬机构组成及工作过程分析

3.1 卷扬机构的组成

根据选用的低速方案分析卷扬机由液压马达、长闭多片盘式制动器、离

合器、卷筒、支承轴、平衡阀和机架等部件组成。

3.2 卷扬机构工作过程分析

3.2.1 卷扬机构的工作周期

卷扬机构是周期性作业。一个工作周期为：启动加速（0→a）、稳定运动（a→b）和制动减速（b→c）三个过程（图2.1）。载荷由静止状态被加速到稳定工作速度（稳定运动）时，所经历的时间称为启动时间，从a到b经历的时间称为工作时间，从b 点的稳定运动减速到静止状态时所经历的时间成为制动时间。起动和制动时间直接影响卷扬机的工作过程，设计时可通过计算选取较为适合的时间。

图3.1 卷扬机构工作过程曲线

3.2.2 载荷升降过程的动力分析

卷扬机构带载作变速运动（起动或制动）时，作用在机构上的载荷除静力外，还有作加速运动（或减速运动）质量产生的动载荷。

1．起升起动过程

卷扬机构带载提升时，载荷从静止状态加速到稳定运动速度v 的瞬时过程称为起升起动过程。此时，悬挂载荷的钢丝绳拉力（图3.2a ）为： Q g S P P =+ 式中 Q P ——起升载荷；

g P ——由加速运动质量产生的惯性力。

在起升起动时，惯性力方向与起升载荷方向相同，使钢丝绳拉力增加。

图3.2 重物升降过程的动力分析

（a ）起升起动；（b ）起升制动；（c ）下降起动；（d ）下降制动

2、起升制动过程

卷扬机构由匀速运动制动减速到静止的过程称为起升制动过程。此时，悬挂重物的钢丝绳拉力Q g S P P =-（图3.2b ）

。由于减速运动质量产生的惯性力g P 的方向与起

升载荷Q P 的方向相反，故使钢丝绳拉力减小。 3、下降启动过程

将载荷从静止状态加速下降到匀速的过程称为下降起动过程（图3.2c ）。此时，惯性为g P 的方向与载荷Q P 的方向相反，使钢丝绳拉力减小，即Q g S P P =-

4.下降制动过程

卷扬机驱动悬吊载荷以匀速下降时，将制动器上闸，使载荷由匀速下降减速到静止状态的过程称为下降制动过程（图3.2d ）。此时因惯性力g P 的方向与起升载荷Q P 的方向一致，故使钢丝绳拉力增加，即Q g S P P =+。

综上分析可得如下结论：起升起动和下降制动是卷扬机构最不利的两个工作过程，起升起动时原动机要克服的阻力距是静阻力矩与最大惯性阻力距之和。因此，原动机的起动力矩q M 必须满足

max q j g M M M ≥+

下降制动是制动器最不利的工作过程，所以，卷扬机构支持制动器的制动力矩

Z M 应满足下面条件：

max Z j g M M M ≥+ 才能将运动的物品在规定的时间内平稳的停住。

式中 j M ——卷扬机构驱动载荷匀速运动时的静阻力矩； max g M ——卷扬机构起、制动时的最大惯性阻力矩。

显然，上述两种工作过程是决定卷扬机原动机和制动器性能以及对机构的零部件进行强度计算的依据。

第四章卷扬机卷筒的设计和钢丝绳的选用

4.1 卷扬机卷筒的设计

4.1.1 卷扬机卷筒组的分类和特点

卷筒是起升机构中卷绕钢丝绳的部件。常用卷筒组类型有齿轮连接盘式、周边大齿轮式、短轴式和内装行星齿轮式。

齿轮连接盘式卷筒组为封闭式传动，分组性好，卷筒轴不承受扭矩，是目前桥式起重机卷筒组的典型结构。缺点是检修时需沿轴向外移卷筒。

周边大齿轮式卷筒组多用于传动速比大、转速低的场合，一般为开式传动，卷筒轴只承受弯矩。

短轴式卷筒组采用分开的短轴代替整根卷筒长轴。减速器侧短轴采用键与过盈配合与卷筒法兰盘刚性连接，减速器通过钢球或圆柱销与底架铰接；支座侧采用定轴式或转轴式短轴，其优点是构造简单，调整安装比较方便。

内装行星齿轮式卷筒组输入轴与卷筒同轴线布置，行星减速器置于卷筒内腔，结构紧凑，重此论文为参考论文，需要完整版联系QQ639520449

根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数分单层绕卷筒和多层绕卷筒。由于本设计的卷绕层数为三层，因此采用多层卷筒。根据钢丝绳卷入卷筒的情况分单联卷筒（一根钢丝绳分支绕入卷筒）和双卷筒（两根钢丝绳分支同时绕入卷筒）。单联卷筒可以单层绕或多层绕，双联卷筒一般为单层绕。起升高度大时，为了减小双联卷筒长度，有将两个多层绕卷筒同轴布置，或平行布置外加同步装置的实例。

多层卷筒可以减小卷筒长度，使机构紧凑，但钢丝绳磨损加快，工作级别M5以