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河南科技學(xué)院
2009屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）
論文題目：1.5t電葫蘆的提升系統(tǒng)設(shè)計—控制系統(tǒng)及跑車結(jié)構(gòu)設(shè)計
學(xué)生姓名： 張曉輝
所在院系： 機(jī)電學(xué)院
所學(xué)專業(yè)： 機(jī)電技術(shù)教育
導(dǎo)師姓名： 陳錫渠
完成時間：2009年5月20日
摘 要
小車上機(jī)構(gòu)的布置及同一機(jī)構(gòu)中各零件間的配合要求適當(dāng)。起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)二者之間的距離不應(yīng)太小，否則維修不便，或造成小車架難以設(shè)計；但也不應(yīng)太大，否則小車就不緊湊，小車車輪的輪壓分布要求均勻。且要求獲得最小的車輪、軸及軸承箱的尺寸，并且使起重機(jī)橋架主梁上受到均勻的載荷。一般最大輪壓不應(yīng)超過平均輪壓的20%。小車架上的機(jī)構(gòu)與小車架配合要恰當(dāng)。在設(shè)計原則上，要以機(jī)構(gòu)為主，盡量用小車去配合機(jī)構(gòu)；同時機(jī)構(gòu)的布置也要盡量使鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造方便。因?yàn)樾≤嚰苁菫榱税仓门c支承起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的，所以小車架要按照起升和運(yùn)行機(jī)構(gòu)的要求設(shè)計，但在不影響機(jī)構(gòu)工作的前提下，機(jī)構(gòu)的布置也應(yīng)配合小車架的設(shè)計，使其構(gòu)造簡單、合理和便于制造。
關(guān)鍵詞：電動葫蘆，起重機(jī)，控制系統(tǒng)，減速器，行走小車
Electric hoist and trolley control system structure design
Abstract
Arrangement of the small car sector and the same body parts in the co-ordination among the various requirements of the appropriate car starting to run up and the distance between the two institutions should not be too small, or maintenance of the inconvenience ,or difficult to design a small frame ;but should not be too large, otherwise car is not compact. Car wheels round uniform pressure distribution requirements. And ask for the smallest wheels, axle and bearing box size, and so the main beam bridge crane by uniform load. Generally the largest round of pressure should not exceed an average of 20% of round pressure. Car rack and small institutions in keeping with the proper frame. Principle in the design , mainly to institutions, As far as possible to meet with car bodies; At the same time, the arrangement of bodies and we should try to make to facilitate the design and manufacture of steel structures. Because of the small frame in order to support starting with the placement or operation of institutions and car bodies, so a small frame to lift and run in accordance with the requirements of institutional design, but will not affect the work under the premise of institutions should also be arranged with a small frame design, make it simple, reasonable and easy to manufacture.
Keywords: Electric calabash , Mini trolley ,Gear box , Controler
目 錄
1 研究電動葫蘆的背景，目的和意義 1
2 電動葫蘆的概念和工作原理 1
2.1 重型鋼絲繩電動葫蘆存在的不足 3
2.2 國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆發(fā)展方向 4
3 電動葫蘆的控制線路 5
4 電動葫蘆跑車結(jié)構(gòu)的設(shè)計 5
4.1行走小車簡介 5
4.2 小車的設(shè)計計算 6
4.2.1 選擇電動機(jī)的容量 6
4.2.2 計算電動機(jī)所需功率P0 7
4.2.3 確定電動機(jī)的額定功率Pm 7
4.2.4 確定傳動裝置總傳動比計算及各級傳動比的分配 7
4.3 減速器齒輪的選擇計算 8
4.3.1高速級齒輪 8
4.3.2 小車一級開式齒輪的齒數(shù)選擇計算 11
4.5 小車結(jié)構(gòu)各軸的設(shè)計 13
4.5.1 選擇各軸的直徑 13
4.6 軸承的校核 14
4.7 軸的校核 14
5 設(shè)計總圖 14
6 設(shè)計總結(jié) 15
致謝 17
參考文獻(xiàn) 18
1 研究電動葫蘆的背景、目的和意義
鋼絲繩電動葫蘆作為一種輕小型起重設(shè)備，廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域，而國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆近幾年的發(fā)展卻十分緩慢。上世紀(jì)60年代到70年代初，我國從前蘇聯(lián)引進(jìn)了TV型鋼絲繩電動葫蘆，70年代初我國自行設(shè)計了CDl型鋼絲繩電動葫蘆取代TV型鋼絲繩電動葫蘆，至目前為止CDl型鋼絲繩電動葫蘆在國內(nèi)生產(chǎn)制造、使用已達(dá)30多年的歷史。其間，曾有一些廠家引進(jìn)國外先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)，但均未獲得廣泛的推廣應(yīng)用。
鋼絲繩電動葫蘆技術(shù)水平在國內(nèi)發(fā)展遲緩，其原因是多方面的：(1)國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆企業(yè)生產(chǎn)、制造水平及配套的機(jī)械、電氣及標(biāo)準(zhǔn)件技術(shù)基礎(chǔ)較低； (2)近20年來，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)體制由計劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向市場經(jīng)濟(jì)，許多國營企業(yè)在轉(zhuǎn)制初期不可能將大量的資金投入到產(chǎn)品開發(fā)上；(3)CDl型鋼絲繩電動葫蘆目前仍有一定的市場占有率。
近年來，國外的鋼絲繩電動葫蘆技術(shù)水平發(fā)展很快。隨著我國加入WTO，外資企業(yè)紛紛打進(jìn)中國市場，國外鋼絲繩電動葫蘆對國內(nèi)產(chǎn)品的沖擊將越來越大。國內(nèi)低價、低檔次的產(chǎn)品，已不再有廣泛的市場，用戶對產(chǎn)品的性價比越來越重視。所以，國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆如不很快地適應(yīng)國內(nèi)、國際市場的要求進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代，將很快被淘汰。
2 電動葫蘆的概念和工作原理
電動葫蘆是一種輕小型起重機(jī)設(shè)備，性有能可靠，操作方便，結(jié)構(gòu)先進(jìn)等特點(diǎn)，體積小，重量輕，適用范圍廣，對起吊重物、裝卸工作、維修設(shè)備、吊運(yùn)貨物非常方便，它還可以安裝在懸空工字梁、曲線軌道、旋臂吊導(dǎo)軌及固定吊點(diǎn)上吊運(yùn)重物。用途廣泛，深受歡迎，是提高勞動效率，改善勞動條件的必備機(jī)械。廣泛應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)中，進(jìn)行小型設(shè)備的吊運(yùn)、安裝和修理工作。由于其體積小，占用廠房面積較少，使用起來靈活方便。
電動葫蘆由驅(qū)動電動機(jī)，傳動裝置減速器，制動裝置制動器，取物纏繞裝置和電控五部分組成。電動葫蘆的外形如圖1所示。
圖1 電動葫蘆的整體結(jié)構(gòu) 1-提升鼓輪2-電動機(jī) 3-減速箱 4-電磁制動器
電動葫蘆的提升鼓輪1由電動機(jī)2經(jīng)過減速箱3拖動，變傳動器和電磁制動器4的圓柱相連接，電動葫蘆借導(dǎo)輪的作用在工字鋼梁上來回移動，導(dǎo)輪則由電動機(jī)5經(jīng)過圓柱形減速箱帶動，移動機(jī)構(gòu)設(shè)有電磁制動器，電動葫蘆用撞塊和行程開關(guān)進(jìn)行向前、向后、向上的終端保護(hù)。
電動葫蘆根據(jù)電動機(jī)、制動器和卷筒等幾種主要部件布置的不同，可分為TV型、CD型、DH型、MD型。按用途可分為通用和專用電動葫蘆兩種。通用電動葫蘆可在-20~+35溫度范圍內(nèi)使用，不適用易爆易燃，有酸堿和粉塵嚴(yán)重的場所。專用電動葫蘆具有防爆，防腐蝕，防濕熱等性能。適用于環(huán)境較惡劣之場所。
目前我國生產(chǎn)的電動葫蘆有快速和慢速兩種形式，慢速一般應(yīng)用在精密安裝場合，對起升、運(yùn)行無特殊要求的場合，一般使用快速電動葫蘆。CD型為單速起升MD為常速和慢速兩檔起升。
CD型電動葫蘆具有自重輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。CD型為錐型轉(zhuǎn)子電動機(jī)單速電動葫蘆。
電動葫蘆的工作原理是：先啟動起升電動機(jī)，把重物起升到適當(dāng)?shù)母叨龋賳舆\(yùn)行電動機(jī)把重物運(yùn)到指定的位置，運(yùn)行小車在單工字鋼梁的下緣行走。行走時采用一個電動機(jī)驅(qū)動運(yùn)行小車兩邊的車輪。由于行走速度比較小，因此運(yùn)行小車一般不設(shè)制動機(jī)構(gòu)。運(yùn)行小車在行走時，為防止重物下降，在起升機(jī)構(gòu)上設(shè)置了一個電磁制動器。制動是依靠彈簧的壓力把內(nèi)、外盤壓緊，原理與摩擦離合器相似，松開時利用電磁鐵通電以后吸住外盤而使內(nèi)、外盤松開。電磁制動器的電路與起升電機(jī)的電路并聯(lián)，因此只要起升電機(jī)一啟動，電磁制動器松開，使重物上、下升降自如；當(dāng)電動機(jī)關(guān)閉時，則電磁制動器也斷電，電磁吸引力消失，在彈簧的壓力作用下，內(nèi)外盤緊緊壓住，起到制動的作用。
電動葫蘆在起吊物品時為防止超出上升極限位置而造成事故，一般在卷筒的下部裝設(shè)上升限位器。當(dāng)載荷上升至極限位置時，壓板與限位開關(guān)接觸，關(guān)閉電源，停止重物繼續(xù)上升。限位器是為防止吊鈞上升超過極限位置時而用的，因此不能經(jīng)常使用。如圖2所示。
圖2電動葫蘆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2.1 重型鋼絲繩電動葫蘆存在的不足
a 系列化問題 品種少、規(guī)格不齊，CDl型鋼絲繩電動葫蘆起重量只有0.5 t、1t、2t、3 t、5t、10t 6種，起升高度的覆蓋范圍為6～30m，起升速度：1-5t單速為8m／min，雙速為8／0.8m／mini 10t單速7m／min，雙速為7／0.7m／min。雖然國內(nèi)一些廠家在10t基礎(chǔ)上發(fā)展了16t、20t擴(kuò)充系列的大噸位電動葫蘆，但仍不能形成較完整合理的鋼絲繩電動葫蘆產(chǎn)品系列，與國外的起重量范圍0.25～80t及多種起升高度和起升速度組合相比存在很大的差距。
b 工作級別 CDl型鋼絲繩電動葫蘆沒有進(jìn)行工作級別的劃分，不適應(yīng)實(shí)際使用工況，多數(shù)情況下造成不合理的使用。按新的工作級別劃分規(guī)則，CDl型鋼絲繩電動葫蘆的工作級別為M3，而國外的鋼絲繩電動葫蘆能適應(yīng)的工作級別范圍為M3、M6。
c 基型的變換 CDl型鋼絲繩電動葫蘆滑輪組結(jié)構(gòu)形式及倍率單一(0.5t～5 t滑輪組倍率為2／1；10t倍率為4／2)。安裝方式只有懸掛和固定式2種，變化少，可開發(fā)功能低。而國外鋼絲繩電動葫蘆滑輪組結(jié)構(gòu)及倍率組合方式多樣，安裝方式除懸掛與固定式外，還有低凈空安裝、雙吊點(diǎn)形式及其他特殊用途的鋼絲繩電動葫蘆。而CDl型鋼絲繩電動葫蘆在這些方面基本是空白。
d 結(jié)構(gòu)設(shè)計 CDl型鋼絲繩電動葫蘆的結(jié)構(gòu)設(shè)計雖然較TV型鋼絲繩電動葫蘆有了較大改進(jìn)，但其外形美觀性差，圓形結(jié)構(gòu)不便于安裝、運(yùn)輸，外形的局限性嚴(yán)重阻礙了基型的變化。而國外的鋼絲繩電動葫蘆，多為方形結(jié)構(gòu)設(shè)計，既美觀便于安裝、運(yùn)輸，還能很好地適應(yīng)模塊化設(shè)計，便于基型的組合和變換，大大拓寬了鋼絲繩電動葫蘆的使用范圍。
e 配套電動機(jī) CDl型鋼絲繩電動葫蘆配套的錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)，單速為4極，雙速為1／10的子母機(jī)，而國外鋼絲繩電動葫蘆電機(jī)采用2極電機(jī)，雙速采用雙繞組和變極式，這樣結(jié)構(gòu)簡單、體積小、自重輕，有利于降低制造成本。另外，CDl型鋼絲繩電動葫蘆配套電機(jī)在絕緣等級和防護(hù)等級及噪聲方面與國外葫蘆相比差距仍很大。
f 減速器，CDl型鋼絲繩電動葫蘆減速器制造精度和傳動效率低，噪聲大，齒輪參數(shù)設(shè)計不甚合理，特別反映在有效提高承載能力和各級齒輪與齒輪副之間的強(qiáng)度均等方面。
g安全保護(hù)措施 CDl型鋼絲繩電動葫蘆只有上、下限位保護(hù)，超載保護(hù)。而國外鋼絲繩電動葫蘆除有上述保護(hù)功能，還具有錯相、缺相、過 熱保護(hù)、多制動系統(tǒng)保護(hù)等。
h 電氣控制 CDl型鋼絲繩電動葫蘆電控箱外觀協(xié)調(diào)性差，電氣元件的使用壽命較低，故障率高。
i 零部件設(shè)計 CDl型鋼絲繩電動葫蘆的吊鉤、電動小車裝置等關(guān)鍵零部件，成組設(shè)計及互換性較差，且結(jié)構(gòu)較笨重。
2.2 國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆發(fā)展方向
a 系列設(shè)計合理化，推薦參數(shù)：起重量從0.25～80t，起升高度6～63m，利用較少的基型覆蓋整個系列。起升速度多樣化推薦值：單速8m／min、10m／rain、12.5m／min；雙速1／10、1／3、1／4速比變化。雙速方案應(yīng)考慮子母機(jī)、雙繞組及變極式，或采用變頻無極調(diào)速技術(shù)。設(shè)計時參考GB3811-1983《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》工作級別劃分，將工作級別覆蓋范圍擴(kuò)充到M3～M6。
b結(jié)構(gòu)形式應(yīng)能滿足多種工況如：低凈空、雙吊點(diǎn)等多種安裝固定方式；可遙控操縱、絕緣型、防腐防潮、耐高溫高熱、防爆等多種功能的產(chǎn)品。
c 外形設(shè)計改變傳統(tǒng)的圓形設(shè)計，采用方形結(jié)構(gòu)形式，模塊化設(shè)計，增加零部件的通用性，布置方式由原來的電機(jī)一中間軸一減速器一卷筒的形式，改為電機(jī)一減速器一卷筒的布置方式，既有利于有效地提高鋼絲繩電動葫蘆起升高度，又避免高速軸長軸傳動，可提高運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性，降低制造成本。增加滑輪倍率范圍，提高單機(jī)使用范圍。
d 采用優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度鋼絲繩，按GB3811-1983標(biāo)準(zhǔn)要求，在滿足抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)的前提下，盡可能減小鋼絲繩直徑，采用相適應(yīng)的卷筒直徑與鋼絲繩直徑之比及滑輪直徑與鋼絲繩直徑之比，以利于縮小整機(jī)結(jié)構(gòu)和自重。
e 優(yōu)化齒輪設(shè)計提高齒輪的承載能力。齒輪可采用40Cr或42CrMn、40MnB材質(zhì)，調(diào)質(zhì)和表面淬火處理或氮化，原采用的20CrMnTi或20MnTiB材質(zhì)雖然在齒輪的抗彎強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度方面較理想，但是受國內(nèi)基礎(chǔ)加工水平影響，齒輪加工精度低，滲碳淬火熱處理變形量難控制，后序又無磨齒工藝，難免存在齒輪噪聲大、效率低等缺點(diǎn)。新材質(zhì)及熱處理方法已在國內(nèi)許多廠家推廣。此外，采用硬齒面與中硬齒面配對嚙合的齒輪副，高速級齒輪采用剃齒工藝，齒輪螺旋角選在8~12左右，這些都是提高齒輪傳動平穩(wěn)性的有效途徑。齒輪傳動箱體、箱蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)有利于噪聲的吸收與減振，傳動軸承應(yīng)提高精度等級。
f 電機(jī)采用2、4、6極錐形轉(zhuǎn)子電機(jī)以適用各種不同工況。電機(jī)絕緣等級應(yīng)提高至F級和11級，防護(hù)等級提高至IP54；電機(jī)設(shè)置過熱保護(hù)元件；電機(jī)的設(shè)計應(yīng)考慮有效提高有用功率，降壓能力和起、制動能力；提高電機(jī)設(shè)計溫升，充分發(fā)揮電機(jī)的潛能；電機(jī)的降噪除了在設(shè)計、加工、制造精度上要提高外，還應(yīng)從設(shè)計上考慮降低電磁噪聲和風(fēng)道渦流噪聲的措施。電機(jī)的設(shè)計也應(yīng)遵循工作級別劃分原則，提高單機(jī)使用用途。
g 增加電氣保護(hù)措施，除上下限位保護(hù)外，還應(yīng)增加超載保護(hù)(個別情況下考慮欠載保護(hù))；錯相、缺相、失壓保護(hù)；吊鉤防脫繩保護(hù)。開發(fā)多制動功能機(jī)型如：雙制動(電機(jī)錐形制動輪制動+高速軸上補(bǔ)償制動)；三制動(錐形制動輪制動+高速軸上補(bǔ)償制動+卷筒上安全閘)。根據(jù)用戶需要增加起升高度、負(fù)載數(shù)字顯示功能。
h 高耐磨、高強(qiáng)度導(dǎo)繩器材料及導(dǎo)繩器導(dǎo)繩性能一直是國內(nèi)許多生產(chǎn)電動葫蘆的企業(yè)探討的課題，目前，國內(nèi)已掌握了一部分成功經(jīng)驗(yàn)。
3 電動葫蘆的控制線路
電動葫蘆的控制線路如圖所示：電源由電網(wǎng)經(jīng)轉(zhuǎn)換開關(guān)QS，熔絲和滑觸線加到控制線路中去，從滑觸線分別經(jīng)過提升接觸器KMl、下降接觸器KM2、正向移動接觸器KM3及反向移動接觸器KM4的主觸頭引入電動機(jī)M1和M2。提升機(jī)構(gòu)的向上運(yùn)動由行程開關(guān)SQ限位，前后移動機(jī)構(gòu)分別由行程開關(guān)SQl和SQ2限位。電動機(jī)工作在點(diǎn)動控制，可以保證在操作人員離開按鈕盒時，電動葫蘆的電動機(jī)就自動斷電停轉(zhuǎn)。電動葫蘆的控制線路如圖3。
圖3電動葫蘆控制線路
4 電動葫蘆跑車結(jié)構(gòu)的設(shè)計
4.1行走小車簡介
電動葫蘆的跑車機(jī)構(gòu)也稱為運(yùn)行機(jī)構(gòu)，即行走小車的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在設(shè)計行走小車結(jié)構(gòu)的同時我們應(yīng)當(dāng)考慮多個因素，必須力求滿足以下幾方面要求：
a 小車與工字鋼橫梁的配合要恰當(dāng)。小車與工字鋼橫梁的互相配合，主要在于小車軌距（車輪中心平面間的水平距離）和工字鋼上的小車軌距應(yīng)相同；其次在于小車上的緩沖器與橋架上的擋鐵位置要配合好，小車上的撞尺和工字鋼上的行程限位開關(guān)要配合恰當(dāng)。小車的平面布置應(yīng)緊湊，高度要小，相應(yīng)地可使起重機(jī)的高度減小，從而降低了廠房建筑物的高度。
b 小車上機(jī)構(gòu)的布置及同一機(jī)構(gòu)中各零件間的配合要求適當(dāng)。起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)二者之間的距離不應(yīng)太小，否則維修不便，或造成小車架難以設(shè)計；但也不應(yīng)太大，否則小車就不緊湊。
c 小車車輪的輪壓分布要求均勻，且要求獲得最小的車輪、軸及軸承箱的尺寸，并且使起重機(jī)橋架主梁上受到均勻的載荷。一般最大輪壓不應(yīng)超過平均輪壓的20%。
d 小車架上的機(jī)構(gòu)與小車架配合要恰當(dāng)，在設(shè)計原則上，要以機(jī)構(gòu)為主，盡量用小車去配合機(jī)構(gòu)；同時機(jī)構(gòu)的布置也要盡量使鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計制造方便。因?yàn)樾≤嚰苁菫榱税仓门c支承起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的，所以小車架要按照起升和的布置也應(yīng)配合小車架的設(shè)計，使其構(gòu)造簡單、合理和便于制造。
e 盡量選用標(biāo)準(zhǔn)零部件，以提高設(shè)計與制造的工作效率，降低生產(chǎn)成本。
f小車各部分的設(shè)計應(yīng)考慮制造、安裝和維護(hù)檢修方便，盡可能保證各部件拆下修理時而不須移動相鄰的部件。
以上所述，機(jī)械與建筑物的配合、機(jī)構(gòu)與小車架的配合、機(jī)構(gòu)的布置以及制造安裝與維修等方面的要求，不僅是設(shè)計小車的基本要求，也是設(shè)計其它機(jī)械的基本要求。至于輪壓分布要求均勻，則是設(shè)計起重機(jī)小車的特殊要求，應(yīng)予以充分注意。
4.2 小車的設(shè)計計算
因?yàn)殡妱雍J運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用往復(fù)運(yùn)動。電機(jī)正反轉(zhuǎn)次數(shù)較多，且要求小車在工字鋼軌道上能實(shí)現(xiàn)快速停止，準(zhǔn)確定位。而且要求電動機(jī)側(cè)面安裝。故應(yīng)采用Y系列封閉式三相異步電動機(jī)。此電動機(jī)效率高，耗電少，性能好，噪音低，振動少，體積小，重量輕，運(yùn)行可靠，維修方便。
根據(jù)整個電動葫蘆得安裝結(jié)構(gòu)，可知電動機(jī)的安裝結(jié)構(gòu)形式為：基本安裝B5型，機(jī)座不帶底腳，端蓋無凸緣，額定電壓380V。
4.2.1 選擇電動機(jī)的容量
計算工作機(jī)所需功率：工作機(jī)所需功率Pw (Kw) 應(yīng)由機(jī)器的工作阻力和運(yùn)動參數(shù)確定。該設(shè)計中電動葫蘆的工作阻力為：2250N，運(yùn)行速度為：20m/min，
根據(jù)公式計算：
Pw=FwVw/1000ηw （1）或 Pw=Twnw/9550ηw （2）
式中 Fw 工作機(jī)的阻力，N
Vw 工作機(jī)的線速度，m/s
Tw 工作機(jī)的轉(zhuǎn)矩，N
nw 工作機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min
ηw 工作機(jī)的效率
對于電動葫蘆小車屬于摩擦輪傳動，取ηw=0.86。故可根據(jù)公式可以計算出Pw=2250/(1000×0.86×3)=0.87kw。
4.2.2 計算電動機(jī)所需功率P0
電動機(jī)所需功率由工作機(jī)所需功率和傳動裝置的總效率按下式計算
P0=Pw/η [1] (3)
式中η 由電動機(jī)至工作機(jī)的傳動裝置總效率。
傳動裝置總效率η應(yīng)為組成傳動裝置的各個運(yùn)動副效率的乘積，即：η=η1η2η………， η1，η2，η3，…………，分別為傳動裝置中每級傳動副（如齒輪傳動，蝸桿傳動，帶傳動或鏈傳動等），每對軸承或每個聯(lián)軸器的效率，其值可查閱≤機(jī)械課程設(shè)計≥。
在電動葫蘆小車減速器中分別由齒輪傳動，一對軸承，故取η1=0.97。小輪摩擦傳動η2=0.86，故根據(jù)公式可知電動機(jī)所需功Po=Pw/η=0.87/0.97×0.86≈1.1kw。
4.2.3 確定電動機(jī)的額定功率Pm
電動機(jī)的額定功率通常按下式計算
Pm=(1～1.3)P0[2] (4)
故可知Pm=(1.1～1.32)kw。
根據(jù)Pm值從設(shè)計手冊有關(guān)電動機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中選擇電動機(jī)型號為Y90L－4，額定功率為1.5kw，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為1400r/min。
4.2.4 確定傳動裝置總傳動比計算及各級傳動比的分配
a 傳動裝置的總傳動比的計算
電動機(jī)選定以后，根據(jù)電動機(jī)滿載轉(zhuǎn)速nm及工作機(jī)轉(zhuǎn)速nw，就可計算出傳動裝置的總傳動比為
i= nm/nw (5)
nm=(60×1000×V)/∏D=60× 1000/3/3.14/100=63.7r/min
nw=1400 r/min
i= nm/nw=1400/63.7=21.978
i0=ih/i1
ih=(1.3～1.4)i1
(1.3～1.4)ih×i1=21.978
i1=3.96
ih=5.15
由傳動方案可知，傳動裝置的總傳動比等于各級傳動比的乘積，即式子中i1i2i3i4in—各級串聯(lián)傳動副的傳動比。
b各級傳動比的分配注意事項(xiàng)
合理分配各級傳動比，是傳動裝置總體設(shè)計中的一個重要問題，它將直接影響到傳動裝置的外廓尺寸，質(zhì)量，潤滑條件，成本，傳動零件的圓周速度及精度等級。同時達(dá)到上述各方面要求比較困難，因此，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體條件，首先滿足主要要求，具體分配傳動比時應(yīng)考慮一下幾點(diǎn):
①各級傳動比應(yīng)在常用的合理范圍之內(nèi)，以符合各種傳動形式的工作特點(diǎn)，并使結(jié)構(gòu)比較緊湊。
②應(yīng)注意使各級傳動的尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱，避免相互干涉碰撞。例如，在由帶傳動和單級圓柱齒輪減速器組成的傳動裝置中，一般應(yīng)該使帶傳動的傳動比小于齒輪傳動的傳動比。否則，就有可能使大齒輪的半徑小于減速器中心高，使帶輪和底架相碰，造成安裝不便。
③盡量使傳動裝置外廓尺寸緊湊或重量減少，
④盡量使各級大齒輪浸油深度合理。
c 確定各軸的輸入功率及轉(zhuǎn)矩
整個系統(tǒng)中包含電機(jī)軸，齒輪軸。下面計算電機(jī)軸和齒輪軸的功率和轉(zhuǎn)矩;
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速 n=1400r/min
齒輪軸的轉(zhuǎn)速 n=1400/5.15=254.08r/min
電機(jī)軸功率 p=1.5kw
齒輪軸的功率 p=1.5×0.99×0.97=1.44kw
電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩 T=9550×P/n=9550×1.5/1400=10.23Nm
齒輪軸的轉(zhuǎn)矩 T=9550×P/n=9550×1.44/254.08=54.12 Nm
4.3 減速器齒輪的選擇計算
4.3.1高速級齒輪
(1) 齒輪材料選擇
小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)）硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼硬度為240 HBS，兩者的硬度相差40 HBS。
(2)齒輪設(shè)計計算
先試選擇小齒輪的齒數(shù)為Z1=17，Z2=17×5.15=87.55，取Z2=87。按照齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計
d1t≥2.32 3√(Kt1)×(u±1)×(ZE/σH)×(ZE /σH)/Φd/u[3] (6)
a 選擇載荷系數(shù)
載荷系數(shù)為Kt=1.3
b 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩為T1=95.5×100000×P1/n1=95.5×100000×1.5/1400=10230Nmm
c 計算各參數(shù)
齒寬系數(shù)Φd=1，彈性影響系數(shù)ZE=189.8Mpa? 小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=600Mpa 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=550Mpa
計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N1=60njLh=60×1400×1×2×8×300×15=6.048×109
N2=N1/8=6.048×109/8=0.756×109
接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1=0.90 KHN2=0.95
d 計算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1
[σH]1= K HN1×σHlim1/S=0.9×600=540Mpa
[σH]2 =K HN2×σHlim2/S=0.95×550=522.5 Mpa
試計算小齒輪分度圓直徑d1t代入 [σH]中的最下值。
d1t≥2.32 3√(Kt1)×(u±1)×(ZE/σH)×(ZE/σH)/Φd/u=2.4331
e 計算圓周速度
V=∏d1tn/60×1000=2.156m/s
齒寬b b=Φd×d1t=29.4331mm
模數(shù) mt= d1t/Z1=29.4331/17=1.731
齒高 h =2.25 mt=2.25×1.731=3.896mm
b/h=29.4331/3.896=7.55
f 計算載荷系數(shù)
根據(jù)V=2.156m/s，7級精度，Kv=1.12，直齒輪KHα=KFα=1，KA=1， KHβ=1.432由b/h=7.55，KHβ=1.432，KFβ=1.35
K= KA Kv KHαKHβ=1.594
按照實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得分度圓直徑
d1= d1t (K/Kt)2/3= 29.4331(1.594/1.3) 2/3= 31.5mm
計算模數(shù)m m= d1/Z1=31.5/17=1.85mm
按照齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計
m≥(2(Kt1×Ysα×Yfα)/Φd/Z1/Z1/[σF])2/3 (7)
小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限 σFE1=500Mpa
大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限 σFE2=380Mpa
小齒輪彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.85
大齒輪彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN2=0.88
小齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力 [σF]1=σFE1/s=0.85×500/1.4=303.57 Mpa
大齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力 [σF]2= KFN2σFE2/s=238.86Mpa
載荷系數(shù) K= KA Kv KFαKHβ=1×1.12×1×1.35=1.512
查取齒形系數(shù) YFa1=2.65 YFa2=2.226
查取應(yīng)力校正系數(shù) Ysa1=1.58 Ysa2=1.764
(YFa1×Ysa1)/ [σF]1=0.01379 (YFa2 ×Ysa2)/ [σF]2=0.01644
由于大齒輪的數(shù)值大
m≥(2(1.512×10.23×103) /17/17/0.01644)2/3=1.43mm
取m=2mm
分度圓直徑 d1= Z1×m=17×2=34mm d2= Z2×m=175×2=350mm
齒頂圓直徑 da1=38mm da2=354mm
齒根圓直徑 df1=29mm df2=345mm
中心距 a= (d1 +d2)/2=192mm
齒寬 b=Φd×d1=1×31.5=31.5mm
取B1=30mm B2=35mm
故設(shè)計出的閉式大齒輪結(jié)構(gòu)如圖4所示：
圖4齒輪結(jié)構(gòu)
4.3.2 小車一級開式齒輪的齒數(shù)選擇計算
(1) 齒輪材料選擇
小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)）硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼硬度為240 HBS，兩者的硬度相差40 HBS。
（2）選擇齒數(shù)
先試選擇小齒輪的齒數(shù)為Z1=17，Z2=17╳3.96=67.32，取Z2=67。
按照齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計
d1t≥2.32 ((Kt1)×(u±1) ×(ZE/σH) ×(ZE/σH)/Φd/u)2/3
確定公式內(nèi)各計算數(shù)值。
a 選擇載荷系數(shù)
載荷系數(shù)為Kt=1.3
b 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
T1=95.5×100000×P1/n1=95.5×100000×1.44/254.08=54120Nmm
設(shè)計開式齒輪時應(yīng)注意以下問題：
① 開式齒輪傳動的主要失效為輪齒的彎曲疲勞這段和磨損，因此開式齒輪傳動設(shè)計時一般只需計算輪齒彎曲疲勞強(qiáng)度。考慮齒面的磨損存在，應(yīng)將強(qiáng)度所求得的模數(shù)加大10%-20%。
② 大齒輪要考慮其毛坯尺寸和制造方法，選取小齒輪齒數(shù)時，應(yīng)盡量取得少些，使模數(shù)適當(dāng)增大，提高抗彎曲和抗磨損能力。
③ 開式齒輪常用于低速傳動，為使支承結(jié)構(gòu)簡單，一般采用直齒。由于工作在空間，所以環(huán)境較差，灰塵較多，潤滑不良，磨損較嚴(yán)重，故選擇齒輪材料時應(yīng)注意材料的配對，使其具有減磨和耐磨的性能。
④ 檢查傳動中心距是否合適或與其他零件發(fā)生干涉。
m≥3√2(Kt1×Ysα×YFα)/Φd/Z1/Z1/[σF] (8)
小齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限 σFE1=500Mpa
大齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度極限 σFE1=380Mpa
小齒輪彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.85
大齒輪彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN2=0.88
計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
[σF]1= KFN1σFE1/s =0.85×500/1.4=303.57 Mpa
[σF]2= KFN2σFE2/s=238.86Mpa
載荷系數(shù) K= KA Kv KFαKHβ=1×1.12×1×1.35=1.512
查取齒形系數(shù) YFa1=2.65 YFa2=2.226
查取應(yīng)力校正系數(shù) Ysa1=1.58 Ysa2=1.764
(YFa1×Ysa1)/ [σF]1=0.01379 (YFa2×Ysa2)/ [σF]2=0.01644
由于大齒輪的數(shù)值大
m≥3√2(1.512×54.12)/17/17/0.4/0.01644=2.855mm
將模數(shù)增大10%得m=1.1×2.855=3.14mm
取m=3mm Z1=d1/m=31.5/2=17 取Z1=17 Z2=67
分度圓直徑 d1= Z1m=17×3=51mm d2= Z2m=67×3=201mm
齒頂圓直徑 da1=57mm da2=207mm
齒根圓直徑 df1= 49.5mm df2=199.5mm
中心距 a= (d1 +d2)/2=126mm
b=Φd×d1=1×51= 51 mm
取B1=55mm B2=50mm
故設(shè)計出的開式齒輪副的大齒輪結(jié)構(gòu)如圖5所示：
圖5 開式齒輪副小車輪
4.5 小車結(jié)構(gòu)各軸的設(shè)計
4.5.1 選擇各軸的直徑
根據(jù)公式
d≥c(p/n)2/3 [4] (9)
確定軸的最小直徑
P=1.44kw n=254.08r/min
d≥19.6 mm d取20mm
軸的結(jié)構(gòu)如圖6所示：
圖6 軸段示意圖
1) 1段軸徑d=20mm 選取軸承為深溝球軸承6204型號，內(nèi)徑為20mm，外徑為47mm，寬為14mm，故取軸段1長度為20mm。
2) 軸段2安裝齒輪 齒寬為40mm軸徑為24mm，長度為38mm。
3) 軸段3安裝軸承 選取深溝球軸承6206型號，軸徑為30mm，外徑為62mm，寬度為16mm，軸長為20mm。
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)我們可以選擇軸承的型號，可以選擇深溝球軸承，故軸段1可以選擇6204型號的軸承，軸段3可以選擇6206型號的軸承。軸承結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 軸承結(jié)構(gòu)
4.6 軸承的校核
已知參數(shù)：軸承徑向載荷5500N，軸向載荷2700N，軸承轉(zhuǎn)速1250r/min，軸承預(yù)期壽命5000h。
按照設(shè)計手冊查得軸承的基本額定靜載荷為38000N，驗(yàn)算如下：
1）求相對軸向載荷對應(yīng)的e和Y。相對軸向載荷Fa/C0=2700/38000=0.07105，在表格中介于0.07～0.13之間，對應(yīng)的e值為0.27～0.31，Y值為1.6～1.4。
用線性插值法求Y值
Y=1.4+(1.6-1.4)×(0.13-0.07105)/(0.13-0.07)=1.597
X=0.56 Y=1.597
2) 求當(dāng)量動載荷P。
P=1.2×（0.56×5500+1.597×2700）=8870.28N
3）驗(yàn)算軸承的壽命，根據(jù)式子
Lh=106/60n(c/p)m=106/60×1250×(61800/8870.28)3=5509.12h<5000h
即高于預(yù)期壽命，所以軸承符合要求。
4.7 軸的校核
根據(jù)軸的受力情況計算出軸的支反力如下：
水平面 FNH1=3327N FNH2=1675N
垂直面 FNV1=1869N FNV2=-30N
水平面的彎矩為 MH=236217N.mm
垂直面的彎矩為 MV1=132699N.mm MV2=-4140N.mm
計算得出總彎矩 M1=270938 N.mm M=236253 N.mm
扭矩 T=960000N.mm
按照彎矩合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時，通常只校核周上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度，根據(jù)式子及上表中的數(shù)據(jù)，以及周單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取a=0.6，軸的計算應(yīng)力為：
(M2+（aT）2/W)1/2[5]=18.6Mpa
前已經(jīng)取得軸的材料為45鋼，調(diào)制處理，由表查得軸的許用應(yīng)力為60Mpa，
所以軸是安全的。
5 設(shè)計總圖
根據(jù)以上行走小車各個結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計計算我們可以的出行走小車的整體結(jié)構(gòu)圖以及內(nèi)部減速器結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)圖如圖8、9所示。
圖8 跑車整體機(jī)構(gòu) 圖9內(nèi)部減速器結(jié)構(gòu)
6 設(shè)計總結(jié)
鋼絲繩電動葫蘆作為一種輕小型起重設(shè)備，廣泛用于國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域，而國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆近幾年的發(fā)展卻十分緩慢。上世紀(jì)60年代到70年代初，我國從前蘇聯(lián)引進(jìn)了Tv型鋼絲繩電動葫蘆，70年代初我國自行設(shè)計了CD1型鋼絲繩電動 葫蘆取代Tv型鋼絲繩電動葫蘆，至目前為止CD1型鋼絲繩電動葫蘆在國內(nèi)生產(chǎn)制造、使用已達(dá)30多年的歷史。
其間，曾有一些廠家引進(jìn)國外先進(jìn)的生產(chǎn)制造技術(shù)，但均未獲得廣泛的推廣應(yīng)用。鋼絲繩電動葫蘆技術(shù)水平在國內(nèi)發(fā)展遲緩，其原因是多方面的：
(1)國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆企業(yè)生產(chǎn)、制造水平及配套的機(jī)械、電氣及標(biāo)準(zhǔn)件技術(shù)基礎(chǔ)較低。
(2)近20年來，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)體制由計劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向市場經(jīng)濟(jì)，許多國營企業(yè)在轉(zhuǎn)制初期不可能將大量的資金投入到產(chǎn)品開發(fā)上。
(3)CD1型鋼絲繩電動葫蘆目前仍有一定的市場占有率，近年來，國外的鋼絲繩電動葫蘆技術(shù)水平發(fā)展很快。隨著我國加入WTO，外資企業(yè)紛紛打進(jìn)中國市場，國外鋼絲繩電動葫蘆對國內(nèi)產(chǎn)品的沖擊將越來越大。國內(nèi)低價、低檔次的產(chǎn)品，已不再有廣泛的市場，用戶對產(chǎn)品的性價比越來越重視。所以，國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆如不很快地適應(yīng)國內(nèi)、國際市場的要求進(jìn)行產(chǎn)品更新?lián)Q代，將很快被淘汰。
(4)CD1型鋼絲繩電動葫蘆能在國內(nèi)市場使用近30多年，有其成功的方面，但是在其使用過程也暴露了一些亟待改進(jìn)的不足。我利用文獻(xiàn)研究法、訪談法、觀察法等方法了解并掌握了這方面的知識，我們聯(lián)系到了機(jī)械設(shè)計專業(yè)的教師作為指導(dǎo)教師，因此本人電動葫蘆的設(shè)計和改進(jìn)進(jìn)行了較深入的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，收集到了比較多的相關(guān)資料和書籍。主要完成對電動葫蘆的電路控制，電動葫蘆行走小車的減速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計，運(yùn)用solidworks軟件設(shè)計了行走小車部分的零件圖，模擬出了行走小車的運(yùn)行等。結(jié)果證明，本文所設(shè)計的電動葫蘆能滿足現(xiàn)代起重機(jī)械的需要。
致謝
在我完成這次畢業(yè)設(shè)計的過程中，我遇到了很多自己無法解決的問題，這些問題曾一度困擾我，使我的畢業(yè)設(shè)計過程磕磕絆絆一度陷入困境。但是通過自己的努力，特別是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)之下，我很好的解決了在這過程中遇到的問題，老師細(xì)致耐心的教導(dǎo)，淳樸的學(xué)風(fēng)都使我受益匪淺。另外在這期間我還要感謝老師對我的幫助，在這期間我也問了他不少的問題，老師總是很耐心的給我講解，給了我很大的幫助。除了老師的辛勤教導(dǎo)之外，在這次畢業(yè)設(shè)計過程中有許多同學(xué)也給忘了我很大的幫助，我們在一起討論，研究從而解決了很多實(shí)際問題，再次我對他們的幫助表示感謝。 參考文獻(xiàn)
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