卷扬机的结构设计

摘要

卷扬机又称绞车。是起重垂直运输机械的重要组成部分，用来提升物料、安装设备等作业，由人力或机械动力驱动卷筒、卷绕绳索来完成牵引工作的装置。垂直提升、水平或倾斜曳引重物的简单起重机械。分手动和电动两种。现在以电动卷扬机为主。本次设计的10kN吨电动卷扬机是由电动机、连轴器、减速器、卷筒、排线器等组成。

本次设计的步骤是从钢丝绳开始入手，然后依次对卷扬机的卷筒、卷筒心轴、电动机、减速器齿轮、减速器轴、联轴器设计与选取。其中卷筒、卷筒轴、减速器的设计最为主要，本设计重点做了介绍，其余部分有得只是略作分析。

本次设计的卷筒机由于它结构简单、搬运安装灵活、操作方便、维护保养简单、对作业环境适应能力强等特点，可以应用于冶金起重、建筑、水利作业等方面，但是此次设计的卷筒机主要运用于用于10kN吨桥式吊车起升机构。提升重物是卷扬机的一种主要功能，各类卷扬机的设计都是根据这一要求为依据的。

关键词：卷扬机，卷筒，卷筒轴，减速器

Abstract

Hoist and winch. Is an important part of vertical lifting transport machinery, used to enhance the materials, installation of equipment operations, from human or mechanical power driven drum, winding traction rope to complete the installation work. Vertical, horizontal or inclined simple traction weight lifting machinery. Manual and electric two. Now to the main electric hoist. The design of the 10kN ton electric hoist is composed of motor, coupling, reducer, drum, cable etc..

The design procedure is to start from the wire rope, and then turn on the winch drum, drum spindle, motor, gear reducer, speed reducer shaft, coupling design and selection. Design of the drum, the drum shaft, most major reducer, the design focus is introduced, the rest is just a brief analysis.

The design of the drum machine because of its simple structure, flexible installation, convenient operation and carrying, simple maintenance, to adapt to the working environment ability is strong, can be applied to metallurgical crane, construction, operations and other water conservancy, but the design of the drum machine is mainly used for 10kN ton bridge crane hoisting mechanism. Lifting weights is a main function of hoist, design of various types of winches are according to the requirements for.

Keywords: hoist, drum, drum shaft, gear reducer

目录

摘要 (i)

目录................................................................................................................................. i ii 1.绪论 . (4)

1.1卷扬机的分类、特性及常见类型 (4)

1.1.1 分类及特性 (4)

1.1.2 卷扬机的常见类型 (4)

1.2国内卷扬机发展概况 (4)

1.2.1国内卷扬机发展概况 (4)

2.卷扬机结构设计及工作原理 (5)

2.1 基本结构 (5)

2.2 卷扬机的工作原理 (5)

3.卷扬机零件设计 (5)

3.1 卷扬机的设计参数 (5)

3.1.1 卷扬机的设计参数 (5)

3.1.2 电机的选择 (6)

3.2 减速器的设计计算 (6)

3.2.1齿轮的设计 (7)

3.2.2 轴的设计与校核 (13)

3.3 排线器轴及轴上零件设计与校核 (17)

2.3.1求作用在齿轮上的力 (18)

3.3.2 确定轴的尺寸 (18)

3.3.3 求轴上的载荷 (18)

3.3.4 键的选择与校核 (18)

3.4滚筒轴及轴上零件的设计与校核 (18)

3.4.1 求作用在齿轮上的力 (19)

3.4.2 确定轴的尺寸 (19)

3.4.3 求轴上的载荷 (19)

3.4.4 按弯扭合成应力校核轴的强度 (19)

3.4.5精确校核轴的疲劳强度 (19)

3.4.6 键的选择与校核 (20)

4.卷扬机使用时的注意事项 (21)

5.结论 (22)

参考文献 ...................................................................................................................... - 1 -致谢.............................................................................................................................. - 2 -

1.绪论

1.1卷扬机的分类、特性及常见类型

1.1.1 分类及特性

卷扬机分为手动卷扬机和电动卷扬机两种。现在以电动卷扬机为主。电动卷扬机由电动机、联轴节、制动器、齿轮箱和卷筒组成，共同安装在机架上。对于起升高度和装卸量大工作频繁的情况，调速性能好，能令空钩快速下降。对安装就位或敏感的物料，能用较小速度。

1.1.2 卷扬机的常见类型

常见的卷扬机吨位有：0.3T 卷扬机 0.5T 卷扬机 1T 卷扬机 1.5T 卷扬机 2T 卷扬机 3T 卷扬机 5T 卷扬机 6T 卷扬机 8T 卷扬机 10T 卷扬机 15T 卷扬机 20T 卷扬机25T 卷扬机 30T 卷扬机。从是否符合国家标准的角度：卷扬机可分为国标卷扬机、非标卷扬机。

液压卷扬机优点：相比传统的电动卷扬机（电动绞车），液压卷扬机（液压绞车）有很多优点：A. 过载保护 B.冲击防护C.防爆性能。国标卷扬机指符合国家标准的卷扬机，非标卷扬机是指厂家自己定义标准的卷扬机,通常只有具有生产证的厂商才可以生产国标卷扬机，价格也比非标卷扬机贵一些。注意事项

1.2国内卷扬机发展概况

1.2.1国内卷扬机发展概况

我国卷扬机的生产是解放后才开始的。50年代为满足恢复经济的需要和第一个五年计划建筑的需要，卷扬机的生产被提到了日程上。原沈阳国泰机器厂等成批仿制了两种卷扬机，一种为日本的 JIS8001 型动力卷扬机，它是一种原动机为电动机，传动形式是开式圆柱齿轮传动，双锥体摩擦离合器，操作为手板脚踩的快速卷扬机；另一种是按苏联图纸制造的1011型和1012型普通蜗杆传动、电控慢速卷扬机。由于当时生产力不高，卷扬机的需求量亦不多，故这段时间国内卷扬机的生产主要是仿制。

随着生产的发展，到了60年代，卷扬机的生产和使用越来越多了。为了协调生产，主要卷扬机生产厂家（阜新矿山机械厂、天津卷扬机厂、山西机器厂、宝鸡起重运输机厂等）组成了卷扬机行业组织，隶属于第一机械工业部矿山机械行业下。为了发展卷扬机的生产，行业组织了有关厂家的人员对全国卷扬机的生产和应用情况进行了调查。在调查的基础上，开始自行设计和制造新的卷扬机，先后试制了 0.5t、1t、3t 电动卷扬机，但由于对当时各厂家的生产能力估计不足，无法推广。

2.卷扬机结构设计及工作原理

2.1 基本结构

图2.1

上图2.1是整个卷扬机分为四个部分，电机是属于驱动部分，减速器是减速部分，再是排线器部分，最后是滚筒部分。这四个部分是通过齿轮或者联轴器链接传递扭矩。减速器是使用了二级减速。排线器与齿轮同轴，与滚筒上的齿轮配合，一是减速，二是使排线器轴转动。

2.2 卷扬机的工作原理

动力通过电机输入，再通过联轴器与减速器的输入轴相连，将动力输入到减速器当中，减速器通过两级减速通过输出轴，经过联轴器将动力传递到排线器轴上，轴上的齿轮转动带动滚筒轴上的零件的转动，使滚筒转动。排线器安装在排线轴上，它能使得钢绳均匀分布在滚筒上。

3.卷扬机零件设计

3.1 卷扬机的设计参数

3.1.1 卷扬机的设计参数

工作10年，300天每年，两班制

钢丝绳的最大起重物料选择：=10KN

物料提升的速度： =12m/min

滚筒的直径：D=200mm

下图3.1是卷扬机的基本的零件排布结构

图3.1

3.1.2 电机的选择

提升物料的功率：==10000*12/60=2KW

输出转速：所以

传动效率计算：=0.80

1 =0.99（齿形联轴器）

2 =0.98（滚子轴承）

3 =0.97（齿轮精度为 8 级）

4 =0.99（滚筒）

电机功率：

电机的选择：型号Y132M-8，功率3kW ，转速710r/min 3.2 减速器的设计计算

按浸油润滑条件考虑取高速级传动比:

So:

各轴转速计算:

所以滚筒的实际转速为19.2r/min

各轴输入转矩计算：电机功率为3kw

2 2.82 177.5 151.88

3 2.68 63.

4 404.22 4 2.66 63.4 400.2

5 2.53 19.2 1256.2

3.2.1齿轮的设计

高速齿轮设计

齿轮精度选择8精度，小齿轮材料为40Cr （调质），硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,两者硬度差40HBS. 计算项目 计算内容 计算结果 1.按齿面接触强度设计 转矩 齿宽系数 由资料【1】表10-7选取齿宽系数 1=d φ 接触疲劳极限

由资料【1】图10-21d 计算应力循环系数

接触疲劳寿命系数 查资料【1】图10-19 失效概率和安全系数 S=1

许用接触应力计算

S

K H S K H HN HN 2lim 21

lim 121][][σσσσ=

=

初选载荷系数

Kt=1.4

材料的弹性影响系数 查资料【1】表10-6

MPa Z E 8.189=

试算小齿轮的分度圆的直径t d 1

取较小的值H σ

t d 1≥44.14mm

计算圆周速度 V=1.64m/s

初步齿宽b

t d d b 1φ=

b=44.14mm

计算齿宽与齿高比 取齿数1z =24

模数1

1z d t t m = 齿高t m h 25.2=

计算载荷系数 查资料【1】图10-8取动载荷系数v K 1==ααF H K K 查资料【1】表10-2使用系数A K

查资料【1】表10-4齿向载荷分布系数βH K

查资料【1】图10-13齿向载荷分布系数βF K

βαH H V A K K K K K =

v K =1.12 1==ααF H K K

A K =1 βH K =1.5 βF K =1.45

K=1.68 校正分度圆直径 3

11T K K t

d d =

计算模数

1

1z d m =

m=1.95

2.按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式 321

1)]

[(2F

Sa

Fa d Y Y z KT m σφ≥根据公式设计数值

弯曲强度极限选择

查资料【1】图10-20c 弯曲疲劳寿命系数 根据其循环次数，查资料【1】图10-18 取的值和21FN FN K K 计算弯曲疲劳许用应力

安全系数取s=1.4

S

K N lim ][σσ=

计算载荷系数

βαF F V A K K K K K = K=1.624 齿形系数 查资料【1】表10-5取a F Y 应力校正系数

查资料【1】表10-5取a S Y 计算大小齿轮的

][F Sa Fa Y Y σ并加以比较 1

1

1][F Sa Fa Y Y σ

2

2

2][F Sa Fa Y Y σ

大齿轮的较大 计算模数m

选用][F Sa Fa Y Y σ较大的代入公式计算

所以m 取1.5 确定齿数

由齿面的接触疲劳强度计算的模数m

面的接触疲劳强度所决定的承载能力，仅余于齿轮的直径有关

计算分度圆直径 m z d m z d 2211==

计算中心距

22

1d d a +=

a =138.75mm

计算齿轮宽度 1d b d φ=

低速齿轮设计

齿轮精度选择8精度，小齿轮材料为40Cr （调质），硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,两者硬度差40HBS. 计算项目 计算内容 计算结果 1.按齿面接触强度设计 转矩 齿宽系数 由资料【1】表10-7选取齿宽系数 1=d φ 接触疲劳极限

由资料【1】图10-21d 计算应力循环系数

接触疲劳寿命系数 查资料【1】图10-19 失效概率和安全系数 S=1

许用接触应力计算

S

K H S K H HN HN 2lim 21

lim 121][][σσσσ=

=

初选载荷系数

Kt=1.4

材料的弹性影响系数 查资料【1】表10-6

MPa Z E 8.189=

试算小齿轮的分度圆的直径t d 1

取较小的值H σ

t d 1≥68.7mm

计算圆周速度 V=0.638m/s

初步齿宽b

t d d b 1φ=

b=68.7mm

计算齿宽与齿高比 取齿数1z =24

模数1

1z d t t m = 齿高t m h 25.2=

计算载荷系数 查资料【1】图10-8取动载荷系数v K 1==ααF H K K 查资料【1】表10-2使用系数A K

查资料【1】表10-4齿向载荷分布系数βH K

查资料【1】图10-13齿向载荷分布系数βF K

βαH H V A K K K K K =

v K =1.12 1==ααF H K K

A K =1 βH K =1.46 βF K =1.4

K=1.64 校正分度圆直径 3

11T K K t

d d =

计算模数

1

1z d m =

m=3.01

2.按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式 321

1)]

[(2F

Sa

Fa d Y Y z KT m σφ≥根据公式设计数值

弯曲强度极限选择

查资料【1】图10-20c 弯曲疲劳寿命系数 根据其循环次数，查资料【1】图10-18 取的值和21FN FN K K 计算弯曲疲劳许用应力

安全系数取s=1.4

S

K N lim ][σσ=

计算载荷系数

βαF F V A K K K K K = K=1.568 齿形系数 查资料【1】表10-5取a F Y 应力校正系数

查资料【1】表10-5取a S Y 计算大小齿轮的

][F Sa Fa Y Y σ并加以比较 1

1

1][F Sa Fa Y Y σ

2

2

2][F Sa Fa Y Y σ

大齿轮的较大 计算模数m

选用][F Sa Fa Y Y σ较大的代入公式计算

所以m 取2.5 确定齿数

由齿面的接触疲劳强度计算的模数m