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摘要
絞車傳動系統(tǒng)作為整個海洋絞車的核心部件，為海洋絞車提供足夠的動力和扭矩，并為其儲存臍帶纜，絞車的滾筒容纜量直接決定探礦的深度。目前我國用于潛水器調(diào)運系統(tǒng)，海洋調(diào)查水文絞車、海洋平臺起重機等重要度較高的高性能、高可靠性海洋絞車還較多的依賴進口。因此設(shè)計出國產(chǎn)裝備的海洋絞車迫在眉睫。
本次設(shè)計根據(jù)海洋絞車的工況及傳動原理對絞車傳動系統(tǒng)進行理論分析計算，及校核，包括：絞車滾筒纏繩計算、絞車滾筒尺寸計算、電機選型計算，減速器選型計算、軸承選型計算、齒輪傳動設(shè)計計算、滾筒強度計算及絞車底座校核。通過一系列計算校核，1500米海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)滿足任務(wù)書及相關(guān)規(guī)范要求，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高。適應(yīng)能力強，移運性好、使用維護簡單等特點。
關(guān)鍵詞：絞車；齒輪傳動；滾筒
iv
ABSTRACT
Winch's Drive System, as the core component of the whole ocean winch, provides enough power and torque and stores the umbilical cable for marine winch. Winch drum capacity cable decides the depth of exploration directly. Currently, marine winch, which is high performance, high reliability: such as submersible transportation system, oceanographic survey hydrographic winch, platform crane, still relies on import in our country. So designing?marine?winch?by ourselves is extremely urgent..
According to the marine winch and the condition of the transmission principle of winch drive system, ?this design analyzes ,calculates and check winch drive system ,including: drum winch rope winding calculation, winch drum size calculation and calculation of the motor selection, reducer selection calculation, type selection calculation of bearing, gear design and calculation of transmission, drum strength calculation and winch base check.
By a series of calculation, 1500 meters of the marine prospecting winch main drive system can meet requirements of the task book and related standards. And it has many advantages, for instance, simple structure, high efficiency, strong ability of adapt and so on.
Key Words：winch；gear transmission；tumbling cylinder
目 錄
第一章 緒論………………………………………………………………………1
1.1 課題背景及研究的意義…………………………………………………………1
1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢………………………………………………2
1.2.1國內(nèi)海洋探礦絞車研究現(xiàn)狀……………………………………………2
1.2.2國外海洋探礦絞車研究現(xiàn)狀……………………………………………2
1.2.3國內(nèi)外海洋探礦絞車的差距……………………………………………2
1.2.4海洋絞車發(fā)展趨勢………………………………………………………3
1.3 本課題的主要研究內(nèi)容…………………………………………………………3
第二章 海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計…………………………………4
2.1 海洋探礦絞車的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則………………………………………4
2.1.1海洋探礦絞車的使用工況…………………………………………………4
2.1.2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則……………………………………………………4
2.2 各類海洋探礦絞車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)…………………………………………………5
2.2.1 多電機+多行星減速器+固定輪系+主軸支撐……………………………5
2.2.2 多電機+多減速器+固定輪系+轉(zhuǎn)盤軸支撐…………………………………6
2.2.3多電機+固定輪系+行星減速器+主軸支撐…………………………………8
2.2.4多電機+多行星減速器+固定輪系+轉(zhuǎn)盤軸支撐……………………………9
2.3 海洋絞車傳動系統(tǒng)方案的分析選擇………………………………………………10
第三章 海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)主要部件參數(shù)計算………………………11
3.1主要性能指標(biāo)………………………………………………………………………11
3.2 絞車滾筒尺寸………………………………………………………………………11
3.3電動機和減速器的選取……………………………………………………………14
3.3.1電動機的選取………………………………………………………………14
3.3.2減速器的選取………………………………………………………………16
3.4固定輪系設(shè)計計算…………………………………………………………………16
3.4.1輪齒受力分析………………………………………………………………17
3.4.2選擇齒輪材料………………………………………………………………17
3.4.3初步確定主要參數(shù)…………………………………………………………17
3.4.4齒面接觸強度核算…………………………………………………………20
3.4.5輪齒彎曲強度核算…………………………………………………………22
第四章 海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計…………………………………26
4.1 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度計算…………………………………………………………26
4.1.1滾筒強度常規(guī)計算…………………………………………………………26
4.1.2滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………………27
4.2 機架結(jié)構(gòu)設(shè)計與強度計算…………………………………………………………28
4.2.1軸承座 ……………………………………………………………………28
4.2.1 左支架設(shè)計…………………………………………………………………29
4.2.2 右支架設(shè)計…………………………………………………………………29
4.2.3 主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計………………………………………………………30
4.3 軸承選型與壽命計算………………………………………………………………31
第五章 結(jié)論……………………………………………………………………………33
參考文獻……………………………………………………………………………………34
致謝…………………………………………………………………………………………35
附錄………………………………………………………………………………………36
第一章 緒論
1.1課題背景及研究的意義
隨著世界經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，能源的消耗量也在大幅度的增長。我國從改革開放以來，國家的工業(yè)化不斷提高，能耗企業(yè)也相對增多，對能源的開發(fā)和利用日益緊迫。隨著陸地資源的枯竭，越來越多的國家將眼光投向海洋?！?1世紀(jì)是海洋的世紀(jì)”。海洋科技的發(fā)展是認(rèn)識、開發(fā)、利用海洋的關(guān)鍵。海洋科技作為當(dāng)今世界三大尖端科技之一，它的發(fā)展已成為體現(xiàn)一個國家當(dāng)代科技發(fā)展水平和綜合國力的重要特征。如今，世界各國在海洋上的競爭比歷史上任何時期都要激烈，而這個競爭實質(zhì)上就是高新技術(shù)的競爭。美國、日本、俄羅斯、法國、英國等許多國家都把海洋開發(fā)定為基本國策，競相制定海洋科技戰(zhàn)略計劃，開發(fā)規(guī)劃、優(yōu)先發(fā)展深海高新技術(shù)，以加快本國海洋開發(fā)的進程與力度。
我國海岸線十分長，海洋資源豐富，并且很多資源尚未開發(fā)。但我國深海勘探技術(shù)發(fā)展迅速，但和國外頂級技術(shù)相比差距明顯。尤其在進入新世紀(jì)以來，我國經(jīng)濟一直呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢，對石油天然氣的需求巨大。開發(fā)海上石油天然氣資源，更好地服務(wù)于國民經(jīng)濟發(fā)展，已成為國家石油公司的責(zé)任。但與此同時，技術(shù)生產(chǎn)的落后，在一定程度上阻礙了國家石油公司進軍海洋油氣資源領(lǐng)域的步伐。對于海洋勘探開發(fā)技術(shù)的研發(fā)工作方向，應(yīng)本著立足國內(nèi)、面向世界的原則。一是大力發(fā)展海洋油氣地質(zhì)勘探技術(shù)，完善海洋勘探理論；二是發(fā)展深水開發(fā)工程技術(shù)。
海洋絞車作為深海測量和勘探的重要設(shè)備，在各類探索、研究、開發(fā)海洋資源的調(diào)查研究中是必不可少的。絞車傳動系統(tǒng)作為整個海洋絞車的核心部件，為絞車提供足夠的動力和扭矩，并為其儲存臍帶纜，絞車的滾筒容纜量直接決定探礦的深度。目前我國用于潛水器調(diào)運系統(tǒng)，海洋調(diào)查水文絞車、海洋平臺起重機等重要度較高的高性能、高可靠性海洋絞車還較多的依賴進口。因此設(shè)計出國產(chǎn)裝備的海洋絞車迫在眉睫。本課題就是基于這樣一種想法，以SolidWorks軟件為設(shè)計平臺，進行1500米海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)的虛擬設(shè)計（包括機構(gòu)設(shè)計，虛擬裝配），希望能為絞車設(shè)計的設(shè)計研發(fā)人員提供新的設(shè)計思路，為我過的海洋資源的開發(fā)貢獻一點綿薄之力。
1.2國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2.1國內(nèi)海洋探礦絞車研究現(xiàn)狀
絞車是指用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條用來提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備，主要用于各類礦場，屬于起重機的一種。我國海洋絞車主要經(jīng)歷了仿制，自行設(shè)計兩個階段。我國在海洋勘探絞車研究領(lǐng)域起步較晚，主要是學(xué)習(xí)國外的先進經(jīng)驗，在學(xué)習(xí)的同時依照礦用絞車進行自主設(shè)計。例如株洲立達公司參考丹麥MacArtney絞車傳動結(jié)構(gòu)而設(shè)計出設(shè)計的一款絞車。2010年寶石機械公司研發(fā)出我國首臺自主研發(fā)的海洋鋪管絞車，填補了國內(nèi)技術(shù)空白。但因為研究時間并不長，所以我國現(xiàn)在對海洋絞車沒有形成完整，規(guī)范的設(shè)計體系，主要根據(jù)《機械設(shè)計手冊》進行類似的設(shè)計計算。
1.2.2國外海洋探礦絞車研究現(xiàn)狀
國外絞車研究較早，礦用絞車應(yīng)用十分普遍，生產(chǎn)廠家也很多。雖然海洋絞車發(fā)展時間并不長，但其他國家，例如美國、日本、瑞典憑借在礦用絞車領(lǐng)域成熟的經(jīng)驗和先進的技術(shù)，在海洋絞車研究方向走在世界前列。例如丹麥 MacArtney公司的新一代海洋絞車（MERMAC R40AHC型，）主傳動系統(tǒng)以及英國的Slingsby Aviation公司生產(chǎn)的絞車，其結(jié)構(gòu)形式基本上都是經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，并經(jīng)過實踐檢驗的。許多國外制造商應(yīng)用計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)及模塊化設(shè)計，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件組合安裝，減少非標(biāo)準(zhǔn)件的加工制造，這樣做有助于減少成本。
1.2.3國內(nèi)外海洋探礦絞車的差距
海洋探礦絞車與礦用絞車有明顯的不同，重點體現(xiàn)在起吊纜的不同，陸用絞車主要采用鋼絲繩，海洋探礦絞車通過臍帶纜和遙控水下機器人（Remotely Operated Vehicle,ROV）相連，從母船獲得動力并傳輸信息，這條纜通常也是ROV的起吊纜。2014年中天科技深海臍帶纜研制成功，填補了國內(nèi)空白，這無疑是國產(chǎn)海洋絞車研究的福音。就多數(shù)海洋勘探絞車而言，快繩拉力不大，電機功率也不算很大，但到目前，我國海洋絞車仍需從國外進口。起初，參照國外海洋勘探絞車的技術(shù)參數(shù)系列（容繩量、鋼（電）纜直徑、負(fù)載、上升速度、滾筒尺寸、重量等項目）來設(shè)計和檢驗我們自主設(shè)計的海洋絞車，但總是難如人意。主要原因在于海洋探礦絞車與陸用起重機不同，海洋探礦絞車的起重系統(tǒng)要經(jīng)常在海洋上動蕩不安的場合下工作，絞車負(fù)荷在吊升過程中都會在很大的范圍內(nèi)變化，因此，我們的設(shè)計必須超越以往陸用起重機的標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮到各個方面。
1.2.4海洋絞車發(fā)展趨勢
隨著科技技術(shù)的發(fā)展，海洋絞車主要向以下幾個方向發(fā)展：
1、高功率重量比：同樣性能和功率的絞車，重量越輕越好，體積也要越小越好，這樣可以便于運輸、安裝。
2、高度的可靠性：海洋絞車的工作環(huán)境是在海洋上，并且海洋調(diào)查多為連續(xù)工作，所以要求絞車在出海期間無故障，保證工作順利。因此現(xiàn)在的海洋絞車結(jié)構(gòu)越來越簡單，以此來保證高度的可靠性。
3、高效率、低噪聲、免維修。
1.3本課題的主要研究內(nèi)容
（1）通過對深海絞車的功能原理及絞車設(shè)計的原則了解，并在研究大量國內(nèi)外有關(guān)深海絞車的設(shè)計、使用等方面的資料基礎(chǔ)上，確定了深海絞車傳動系統(tǒng)的主要組成形式，并設(shè)計深海絞車傳動系統(tǒng)的方案。
（2）通過借鑒國內(nèi)外先進絞車參數(shù)，確定深海絞車傳動系統(tǒng)的基本參數(shù)，同時對絞車傳動系統(tǒng)的主要組成部件如電動機、滾筒、減速器、齒輪進行參數(shù)設(shè)計。
（3）根據(jù)深海絞車的使用環(huán)境及工作要求的需要，完成深海絞車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別對深海絞車傳動系統(tǒng)的主要部件如變速系統(tǒng)總成和滾筒軸總成進行設(shè)計；對組成絞車傳動系統(tǒng)的主要零件如滾筒軸、滾筒進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在SolidWorks中對其進行三維建模。
（4）用有限元軟件建立深海絞車傳動系統(tǒng)主要零件滾筒、滾筒軸及滾筒軸裝配體的有限元模型，科學(xué)合理的確定它們的約束條件、載荷分布，對滾 筒、 滾筒軸 和滾筒軸裝配體進行了有限元計算分析，從有限元分析結(jié)果中分析滾筒和滾筒軸設(shè)計是否滿足絞車的正常工作要求。
第二章 海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)方案的設(shè)計
2.1 海洋探礦絞車的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則
2.1.1海洋探礦絞車的使用工況
海洋探礦絞車是起升系統(tǒng)的主要設(shè)備，它的主要任務(wù)是用來起、下海洋測量儀器；懸持靜止的設(shè)備?？刂圃O(shè)備起吊的速度，同時儲存臍帶纜。海洋絞車主要在海洋上工作，需要適用于4級以下海況。
2.1.2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則
根據(jù)海洋絞車的工作環(huán)境特點，有很多與起重機不同的特殊要求。為滿足這些要求，參考相關(guān)資料后，我們對于海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)設(shè)定了以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計原則。其內(nèi)容應(yīng)為較大的負(fù)載儲備；連續(xù)的無極調(diào)速；較好的的低速性能；可控的高速投放；靈便的操作方式；高度的可靠性；高功率重量比等等。
具體說明如下：
（1）較大的負(fù)載儲備：海洋情況復(fù)雜，有時需要迅速起吊投放重物，因此需要足夠的負(fù)載儲備。絞車應(yīng)具有足夠強度和剛度的支架和底座，傳動部分要有嚴(yán)密的防護罩，并應(yīng)潤滑充分，在結(jié)構(gòu)安排上應(yīng)保證易損件拆修簡便。
（2）連續(xù)的無極調(diào)速：絞車轉(zhuǎn)速從或者相反，能夠連續(xù)不間斷的變化，同時起吊重量不受太大的影響，功率損失不大。
（3）較好的的低速性能：被吊物起吊時速度從0開始、似動不動、微動、慢動、到低速上升，或者做相反的運動過程，就是說在上述靠近0速為起點或終點的低速區(qū)段，必須是能連續(xù)的平滑的變化，而且是可控的，不得有抖動、爬行、突變等現(xiàn)象。所謂的“極佳的低速性能”描述的就是這個過程。尤其對于被吊物是貴重的海洋儀器，應(yīng)盡量避免磕碰。海洋絞車有這種性能尤為重要。因此我們采用變頻調(diào)速電機。
（4）靈便的操作方式：絞車滾筒有正反向轉(zhuǎn)動和剎車停止三種運動狀態(tài)，而轉(zhuǎn)動速度必須是要可調(diào)的。符合人們工作習(xí)慣的操作方式可以在緊急狀況下有效地控制絞車，避免錯誤操作帶來的損失。
（5）高度的可靠性：由于工作環(huán)境是在海洋上，情況比較復(fù)雜。并且一般的海洋調(diào)查時多為連續(xù)工作，所以要求絞車在出海期間無故障，保證工作順利。再則，海況變化非常快，有時工作期間，遇上惡劣海況時，必須迅速將調(diào)查儀器吊回船上，這樣，就要求絞車隨時都能準(zhǔn)確無誤的工作。傳動鏈越短，機構(gòu)越簡單，出現(xiàn)故障幾率就會越低，我們的設(shè)備就會越可靠，同時我們選用的電機防護等級應(yīng)比較高，確保受環(huán)境影響低。
（6）高功率重量比：同樣性能和功率的絞車，重量越輕越好，在滿足需求的情況下盡量選擇質(zhì)量較小的材料。
2.2 各類海洋探礦絞車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
2.2.1 多電機+多行星減速器+固定輪系+主軸支撐
丹麥MacArtney公司的新一代海洋絞車（MERMAC R40AHC型，）主傳動系統(tǒng)采用的就是這種結(jié)構(gòu)形式，如圖所示。每臺電機的主軸直接與1臺行星減速器相連，每個行星減速器輸出軸上安裝1個小齒輪，6個小齒輪以外嚙合方式同時驅(qū)動1個大齒輪（6個小齒輪和1個小齒輪形成1個固定輪系減速），大齒輪直接安裝在卷筒上，絞車卷筒通過主軸支撐在機架上。這種傳動方案的機械傳動原理如圖2.2所示。
圖2.1 MERMAC R40AHC型
圖2.2 多電機+多行星減速器+固定輪系+主軸支撐的傳動原理圖
2.2.2 多電機+多減速器+固定輪系+轉(zhuǎn)盤軸承支撐
英國的Slingsby Aviation公司生產(chǎn)的絞車（圖2.3）就是采用這種結(jié)構(gòu)形式，即2臺電機分別連接2臺減速器，再通過中間傳動件驅(qū)動2個小齒輪，2個小齒輪驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸承外齒圈（形成固定輪系），絞車卷筒直接固定在轉(zhuǎn)盤軸承外圈上，轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈固定在機架上，絞車卷筒是通過2個轉(zhuǎn)盤軸承支撐在機架上，不需要卷筒主軸。
如圖2.4所示，這種傳動結(jié)構(gòu)的絞車將電機反向布置在卷筒的下方，可以縮短絞車軸向尺寸，或增大卷筒長度以增大纜繩儲繩量；該結(jié)構(gòu)直接通過2個大的轉(zhuǎn)盤軸承將卷筒與機架相連，卷筒不需要通過主軸支撐，減少了卷筒主軸，簡化了主軸結(jié)構(gòu)，降低了轉(zhuǎn)動慣量；因電機布置在卷筒下方，工作時卷筒會承受一定的側(cè)應(yīng)力。
圖2.3 英國Slingsby Aviation 單卷筒一體化絞車
圖2.4 多電機+多減速器+固定輪系+轉(zhuǎn)盤軸承支撐方案傳動原理圖
2.2.3多電機+固定輪系+行星減速器+主軸支撐
株洲立達公司曾做過類似這種傳動結(jié)構(gòu)形式的煤礦絞車，與此不同的是株洲立達采用的多臺（6臺）液壓馬達驅(qū)動而不是多臺電機驅(qū)動絞車。這種傳動結(jié)構(gòu)形式實際上是將丹麥MacArtney絞車傳動結(jié)構(gòu)的1、2級傳動反過來做，即電機連接小齒輪，小齒輪驅(qū)動大齒輪，大齒輪與行星減速器輸入軸連接，行星減速器輸出軸與卷筒連接。這種傳動方案的機械傳動原理如圖2.5所示。
圖2.5 多電機+固定輪系+行星減速器+主軸支撐方案傳動原理圖
2.2.4多電機+多行星減速器+固定輪系（內(nèi)嚙合）+轉(zhuǎn)盤軸承支撐
這種傳動結(jié)構(gòu)是在綜合上述幾種傳動結(jié)構(gòu)之后的提出擬采用的一種新的傳動結(jié)構(gòu)形式（如圖2.6所示），第1級傳動采用方案1中電機直接連接行星減速器，第2級的固定輪系傳動采用齒輪內(nèi)嚙合形式，即多個小齒輪同時驅(qū)動轉(zhuǎn)盤軸承的帶齒輪內(nèi)圈，卷筒固定在轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)圈上，轉(zhuǎn)盤軸承外圈固定在機架上，絞車卷筒通過2個轉(zhuǎn)盤軸承進行支撐。這種傳動方案的機械傳動原理如圖2.7所示。
圖2.6 多電機+多行星減速器+固定輪系（內(nèi)嚙合）+轉(zhuǎn)盤軸承支撐模型圖
圖2.7 多電機+多行星減速器+固定輪系（內(nèi)嚙合）+轉(zhuǎn)盤軸承支撐傳動原理圖
2.3 海洋絞車傳動系統(tǒng)方案的分析選擇
經(jīng)過上述四種方案的具體分析論證，擬定的絞車傳動系統(tǒng)采用多電機+多行星減速器+固定輪系+主軸支撐，即丹麥MacArtney MERMAC R40AHC型海洋絞車主傳動系統(tǒng)。但經(jīng)過分析，行星減速器并不能很好地滿足本次設(shè)計的要求，因此我們選用擺線針輪減速器代替行星減速器。
用SolidWorks初步設(shè)計草圖如下：
圖2.8 海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)裝配圖
第三章 海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)主要部件參數(shù)計算
3.1 主要性能指標(biāo)
根據(jù)任務(wù)書書確定的主要性能指標(biāo)如下：
1、適用于4級以下海況
2、安全工作載荷：100KN
3、最大靜張力(卷筒載荷)：160KN
4、公稱速度：60m/min
5、儲纜卷筒容繩量：
6、纜繩直徑：
7、主動升沉補償能力：
8、驅(qū)動方式：交流變頻電驅(qū)動,2臺變頻器驅(qū)動4臺電機的驅(qū)動方式
9、卷筒直徑與長度：
10、卷筒法蘭直徑：
11、變頻電機功率：
3.2 絞車滾筒尺寸
根據(jù)直徑臍帶纜最小彎曲半徑要求,確定卷筒直徑為。
深海絞車與礦用絞車不同，深海絞車?yán)K纜不依靠固定裝置固定繩纜，而是依靠繩纜與卷筒之間的摩擦力，因此當(dāng)絞車達到最大深度，卷筒上仍需保留一層繩纜?；谏詈：Ｑ蠼g車探測深度需達到，當(dāng)達到最大深度時，卷筒上仍需保證一定的儲纜量，按儲纜總層數(shù)計算,纜繩長度初步設(shè)計為, 則卷筒儲纜8層直徑為：
………………………………………………(3.1)
先大致估算絞車卷筒長度
根據(jù)文獻資料[8]分析卷筒及臍帶纜尺寸
取給定符號為：纜索長度，卷筒槽型槽距，卷筒初始直徑、纜索直徑、纏繞各層的長度……、纜索的總層數(shù)
圖3.1 纏纜示意圖
通過數(shù)學(xué)分析得：
第1層纏繞長度（按其中心線）：
………………………………………(3.2)
第2層纏繞長度：
………………(3.3)
對下一（）層：
當(dāng)為奇數(shù)時
…………………………………(3.4)
當(dāng)為偶數(shù)時
………………………………(3.5)
全部繞層的長度和應(yīng)等于給定纜索長度，進行相應(yīng)的計算：
……………………………………………(3.6)
此時：
………………(3.7)
化簡得：
…………………………(3.8)
由此得到：
……………………………………………(3.9)
參考《機械設(shè)計手冊》可知，類似尺寸的礦用絞車槽距，深海絞車?yán)p纜，排纜更為精密，因此
……………(3.10)
考慮一定的誤差，取卷筒長度
卷筒底層能存儲纜繩列數(shù)為：
列
卷筒每層儲纜長度為：
卷筒總共的儲纜長度可達
若按卷筒儲纜長度1700m計算，最外層無需儲滿，合乎實際需要。
按照CB* 3128-82船舶技術(shù)絞車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，卷筒法蘭高度必須超出最外層纜繩的高度，超出值應(yīng)不小于鋼絲繩直徑的2.5倍，即
取
3.3 電動機和減速器的選取
3.3.1電動機的選取
絞車所需輸入總功率：
每臺電機功率為：
取55KW電機。
絞車輸入總功率為：55×4=220KW。
電機類型選：YTSZ系列起重用變頻調(diào)速三相異步電動機55KW 4臺，極對數(shù)4/2,380-440v 50
電機功率因數(shù)
電機型號YTSZ250M
電機外殼防護等級，采用臥式安裝,
電動機額定轉(zhuǎn)速：
.
電機輸出扭矩：
主傳動系統(tǒng)傳動比：
卷筒中間層（第5層）直徑為：
按最大提升速度v=60m/min，卷筒轉(zhuǎn)速為：
總傳動比：
以卷筒外層直徑為準(zhǔn)，提升速度60m/min,
卷筒轉(zhuǎn)速為：
總傳動比：
以卷筒底層直徑為準(zhǔn)，提升速度60m/min,
卷筒轉(zhuǎn)速為：
總傳動比：
綜合三種情況,總傳動比確定為。
絞車扭矩校核：
絞車滾筒最底層承受載荷所需扭矩為：
絞車滾筒最外層承受138KN載荷所需扭矩為：
絞車滾筒的驅(qū)動扭矩為：
扭矩滿足要求
絞車滾筒中間層（第5層）最大承受載荷為：
絞車滾筒最外層（第10層）最大承受載荷為：
3.3.2減速器的選取
減速器傳動比為 齒輪傳動比為
減速器選用二級減速，為使傳動平穩(wěn)，負(fù)載均勻,
不宜太大
因此，減速器傳動比，由文獻[2]減（變）速器一章，選用型號XLD 55-8225-21則齒輪傳動比
（減速器參數(shù)傳動比： 輸出轉(zhuǎn)速： 電機功率： 輸出轉(zhuǎn)矩 使用系數(shù) 機型號8225）
具體尺寸見附錄B
3.4固定輪系設(shè)計計算
已知條件：
1、小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
2、小齒輪的轉(zhuǎn)速
3、名義傳動比
4、雙向運轉(zhuǎn)，滿載工作時間
5、齒輪中心距不宜超過卷筒直徑過多
6、 閉式傳動
7、 非對稱布置
3.4.1輪齒受力分析
直齒圓柱齒輪齒面上所受的法向載荷 通常都視為集中作用在平均分度圓上，及上齒寬中點的法向截面內(nèi)，將法向載荷分解為切向力及徑向分力，各力的大小分別為
切向力 ……………………………………………………… (3.11)
式中，
——輪齒1傳遞扭矩，
——輪齒所受切向力，
——小齒輪平均分度圓直徑，。
徑向力 …………………………………………(3.12)
式中
——嚙合角，度；
法向力 ……………………………………………(3.13)
3.4.2選擇齒輪材料
小齒輪： 調(diào)質(zhì)，硬度
大齒輪： 鋼 調(diào)質(zhì), 硬度
由文獻[1]圖13-1-23和圖13-1-52按級質(zhì)量要求取值，得，，，
3.4.3初步確定主要參數(shù)
按接觸強度初步確定中心距
按直齒輪從表13-1-75選取，按齒輪非對稱布置，速度較小，沖擊載荷不大，取載荷系數(shù)，按表13-1-79，選，
齒數(shù)比
許用接觸應(yīng)力
： ………………………… (3.14)
小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
小齒輪：
…………… (3.15)
初步確定模數(shù)、齒數(shù)、螺旋角、齒寬、變位系數(shù)等幾何參數(shù)
根據(jù)齒根彎曲強度，可按下列公司估算齒輪的法向模數(shù)：
取
取
取
實際傳動比
小齒輪分度圓直徑
大齒輪分度圓直徑
齒寬
小齒輪寬度取
齒輪精度等級為8級，（效率97%）
齒頂高（外嚙合）
齒根高
齒高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
中心距
基圓直徑
齒頂圓壓力角
……………………………………(3.16)
………………………………………(3.17)
重合度
端面重合度：
………………………………………… (3.18)
（，由文獻[1]圖13-1-7）
縱向重合度：
總重合度
3.4.4齒面接觸強度核算
分度圓上名義切向力
使用系數(shù)
原動機為電動機，均勻平穩(wěn)，工作機為重型升降機，有輕微沖擊，由文獻[1]表13-1-81 。
動載系數(shù)
齒輪線速度
根據(jù)表13-1-90，計算傳動精度系數(shù)
…………………… (3.19)
圓整取，查文獻[1]圖13-1-14
齒向載荷分布系數(shù)
由表13-1-98，齒輪裝配時對研跑合
………………………(3.20)
齒間載荷分配系數(shù)
查表13-1-102得：
節(jié)點區(qū)域系數(shù)
查文獻[1]圖13-1.16
彈性系數(shù)
由表13-1-105
重合度系數(shù)
端面重合度：
由文獻[1]圖13-1-19查得
小齒輪、大齒輪的單對齒嚙合系數(shù)
由文獻[1]表13-1-104的判定條件，由于，
取
計算接觸應(yīng)力
由文獻[1]表13-1-80公式可得
壽命系數(shù)
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
由文獻[1]表13-1-106公式計算
潤滑油膜影響系數(shù)
由文獻[1]表13-1-108，靜強度（）
齒面工作硬化系數(shù)
由文獻[1]圖13-1-30
尺寸系數(shù)
由表13-1-109
安全系數(shù)
……………(3.20)
…………… (3.21)
均達到表13-1-110規(guī)定的較高可靠度是最小安全系數(shù)的要求。齒面接觸強度通過。
3.5.5 輪齒彎曲強度核算
齒向載荷分度系數(shù)
……………………………………… (3.22)
……………………………………(3.23)
齒向載荷分配系數(shù)
齒形系數(shù)
當(dāng)量齒數(shù)
由文獻[1]圖13-1-38
應(yīng)力修正系數(shù)
由文獻[1]圖13-1-43
重合度系數(shù)
…………………………(3.24)
螺旋角系數(shù)
計算齒根應(yīng)力
因，用文獻[1]表13-1-111中方法二
……………………………………(3.25)
試驗齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)
見文獻[1]表13-1-11，
壽命系數(shù)
由文獻[1]表13-1-118
………………………………………………………… (3.26)
相對齒根角敏感系數(shù)
當(dāng)應(yīng)力修正系數(shù)在 的范圍內(nèi)時靜強度的相對齒根敏感系數(shù) ,,
相對齒根表面狀況系數(shù)
由文獻[1]圖13-1-58，齒根表面微觀不平度10點高度為時，
1.0
尺寸系數(shù)
由文獻[1]表13-1-119的公式
彎曲強度的安全系數(shù)
…………………………………(3.27)
均達到文獻[1]表13-1-110規(guī)定的較高可靠度時最小安全系數(shù)的要求。輪齒彎曲強度核算通過。
系數(shù)（直齒輪）
許用齒根應(yīng)力，按下式計算
輪齒雙向受力：
——復(fù)合齒形系數(shù)，
——齒輪材料的彎曲疲勞強度的基本值
第四章 海洋探礦絞車主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度計算
4.1.1滾筒強度常規(guī)計算（參考機械設(shè)計手冊）
卷筒材料材料采用。
若忽略卷筒自重力，卷筒在鋼絲繩最大拉力作用下，使卷筒產(chǎn)生壓、彎曲和扭應(yīng)力。其中壓應(yīng)力最大。當(dāng)時，彎曲和扭應(yīng)力合成應(yīng)力不超過10%壓應(yīng)力。所以，當(dāng)時只計算壓應(yīng)力即可。當(dāng)時還要考慮彎曲應(yīng)力。
因絞車卷筒上，故只計算壓應(yīng)力：
多層纏繞時，壓應(yīng)力計算公式如下
………………………………………(4.1)
式中：——卷筒壓應(yīng)力（MPa）
——鋼絲繩最大拉力（N）；
——卷筒壁厚（mm）;
——應(yīng)力減少系數(shù)，一般??；
——多層纏繞系數(shù)，纏繞層數(shù)大于4時?。?
——繩槽槽距（mm）；
——許用壓應(yīng)力，對鑄鋼；
，
材料不滿足要求。
由于差別并不大，采取利用加強筋來提高滾筒強度。
4.1.2滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計
通過3.2絞車滾筒尺寸可知
卷筒直徑
卷筒儲纜長度
法蘭高度
與礦用絞車相比，海洋絞車卷筒是將卷筒外殼，卷筒轂，主軸同時焊接為一個整體，其結(jié)構(gòu)與礦用絞車卷筒已經(jīng)有了很大的不同，由于特殊的工作方式，卷筒主軸不能為通軸，同時主軸應(yīng)為空心軸。及其原因是海洋絞車在提升重物（深海探測裝置）的情況下，需要通過臍帶纜傳遞信息和動力，因此臍帶纜需從卷筒牽出與母船相應(yīng)的設(shè)備進行連接，保證信息和動力的正確傳遞。
并且由于海洋探礦絞車有三種運動狀態(tài)：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車。當(dāng)遇到緊急情況時，絞車必須立即停下，但是由于絞車卷筒旋轉(zhuǎn)的慣性，電動機不能立即完成這類命令，因此絞車需要安裝剎車裝置，故卷筒部分應(yīng)預(yù)留剎車裝置安裝空間，并且卷筒應(yīng)加工出剎車盤安裝部分，同時根據(jù)4.1.1所得結(jié)論，我們須在卷筒內(nèi)壁焊接加強肋板。
考慮以上所述問題，絞車滾筒及主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖所示：
圖4.1 滾筒結(jié)構(gòu)示意圖
4.2 機架結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.2.1軸承座設(shè)計
軸承座部分的設(shè)計要考慮所選取的軸承的參數(shù)，保證軸承安裝的同時，也要與支架進行連接。軸承選型如下：
軸承型號:
基本參數(shù)：
基本額定載荷:
極限轉(zhuǎn)速：脂：；油：；
其他尺寸：
安裝尺寸：
計算系數(shù):
因此軸承座的結(jié)構(gòu)如下圖所示：
中心高度：H=260mm
厚度：B=178mm
圖4.2 軸承座
4.2.2左支架設(shè)計
左支架的設(shè)計主要根據(jù)齒輪的中心距來確定電機的布置。機架的作用主要是承受卷筒帶來的負(fù)載，安裝電機及減速器。
由卷筒法蘭高度確定卷筒主軸離地高度
所以左支架中心孔高度
齒輪中心距
四個電機安裝距離中心孔，采用對稱布置。為了方便定位，需在左支架立板上加工出定位用的沉孔。
同時，考慮到支架的強度，在每個電機安裝部分間都布置加強筋。我們選用材料進行焊接制作右支架，通過SolidWorks設(shè)計出右支架如下圖。
圖4.3 SolidWorks左支架模型圖
4.2.3右支架設(shè)計
右支架的主要作用是安裝軸承座。承受卷筒的負(fù)載，在起到支撐卷筒的作用同時，將支架固定在底座上，支架上方的平臺應(yīng)與軸承座底面相切合。同時由于承受的負(fù)載十分大，需用采用加強肋板防止直接發(fā)生形變，破壞絞車的整體結(jié)構(gòu)。同時，考慮到加工和經(jīng)濟性要求，我們選用材料進行焊接制作，通過SolidWorks初步設(shè)計出右支架如下圖。
圖4.4 SolidWorks左支架模型圖
4.2.4主傳動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
絞車主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖所示，總體尺寸為：3850×2452×1925（L×W×H）
圖4.5 絞車主傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
4.3 軸承壽命計算
滾筒初步設(shè)計：重量為，滾筒支撐距離為；卷筒法蘭與支撐最小距離為；
1500米的臍帶纜重量為：
絞車安全工作載荷：
最大靜張力(卷筒載荷)：
纜繩對滾筒拉力方向按與滾筒重力方向垂直計算（這樣計算結(jié)果較安全）
則軸承在兩個極限狀態(tài)受力情況如下：
（1）纜繩全部放出（第1層），
卷筒重量分到軸承上的徑向力為：
纜繩載荷分到軸承上的最大徑向力為：
軸承所受最大徑向力為:
（2）纜繩全部收回（第10層），
卷筒重量分到軸承上的徑向力為：
纜繩載荷分到軸承上的最大徑向力為：
軸承所受最大徑向力為:
校核軸承工作壽命為：
………(4.2)
（3）軸承靜載荷計算
靜載荷安全系數(shù)為：
………………………………… (4.3)
軸承滿足要求。
第五章 結(jié)論
海洋探礦絞車在海洋資源調(diào)查和勘探中起著舉足輕重的作用，它的性能接關(guān)系昂貴的精密測量儀器的安全。在本次設(shè)計中解決了海洋絞車的主傳動系統(tǒng)的設(shè)計，簡化了絞車結(jié)構(gòu)，提升了絞車的負(fù)載能力和穩(wěn)定性。并且由于本次采用的起吊纜是臍帶纜，滾筒設(shè)計與陸用起重機有很大的不同，主要體現(xiàn)在將主軸直接固定在滾筒上，同時臍帶纜的固定依靠本身的摩擦力。并且為滿足臍帶纜信號的傳輸，在不破壞滾筒強度的前提下沒有采用通軸的形式。同時也移除了滾筒轂，使?jié)L筒結(jié)構(gòu)更簡單，也減輕了整體的重量。但在設(shè)計中還存在著很多不足和缺點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1、 由于經(jīng)驗不足，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料的選型上浪費了不必要的時間，本次設(shè)計著重于理論計算而結(jié)構(gòu)設(shè)計不是很完善。
2、 海洋絞車主要用于科考船，海上的情況十分復(fù)雜，卷筒的受力有時很不穩(wěn)定，由于知識水平有限，本次設(shè)計過于理想化，并沒有針對環(huán)境給海洋絞車造成的不穩(wěn)定性進行具體分析。
雖然這次畢業(yè)設(shè)計越顯稚嫩，但我在過程中收獲非常大。在這次設(shè)計中我?guī)缀跤玫搅舜髮W(xué)所學(xué)專業(yè)的所有基礎(chǔ)知識，很多問題解決不了，還需要自己查閱很多的課外資料。因此我在鞏固以前知識的同時學(xué)到了很多沒接觸過的的東西，開闊了自己的視野。同時在和課題組的同學(xué)進行交流的過程中，我也學(xué)到了很多的知識，彌補了自己所做設(shè)計的不足之處，也更好的學(xué)會了與人溝通。并且這次設(shè)計讓我熟練掌握了SolidWorks的實體造型，虛擬裝配方面的能力，對機械的設(shè)計過程有了新的感悟，使自己的設(shè)計能力得到了巨大的提高，這是與老師的教導(dǎo)和自己的努力分不開的。
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致謝
從畢業(yè)設(shè)計選題到搜集資料，從傳動系統(tǒng)的三維建模和裝配圖的反復(fù)修改到說明書的完成，其中的經(jīng)歷可謂是一波三折，在畢業(yè)設(shè)計的過程中，心情十分的復(fù)雜。如今，伴隨著這篇畢業(yè)論文的最終成稿，復(fù)雜的心情煙消云散，自己充滿了成就感，但同時也意識到了自己的很多不足。
首先，我要感謝我的導(dǎo)師劉厚才老師。他為人熱情隨和，教學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)心，在指導(dǎo)我們畢業(yè)設(shè)計的過程中對我們十分的負(fù)責(zé)，讓我們非常的感動。從選題、定題、初步設(shè)計，到工程圖的反復(fù)修改，劉老師始終認(rèn)真負(fù)責(zé)地給予我認(rèn)真細(xì)致地指導(dǎo)，在給予我們正確的建議的同時，鼓勵我們自己思考解決問題。讓我們少走了很多彎路。正是有了老師的無私幫助與熱忱鼓勵，我的畢業(yè)設(shè)計才得以順利完成。
我還要感謝我的班主任蔣玲莉老師以及在大學(xué)四年中給我們授課的所有老師們，是他們讓我學(xué)到了很多很多知識，讓我打好了扎實的專業(yè)基礎(chǔ)，畢業(yè)設(shè)計的每一個細(xì)節(jié)，其實都和他們的悉心教導(dǎo)有關(guān)。并且讓我看到了世界的精彩廣闊，讓我知道了自己的不足，教會了我要時常保持一個謙卑的心，學(xué)習(xí)永無止境，永遠(yuǎn)不要沾沾自喜。同時也讓我學(xué)會了做人做事的很多道理。
最后感謝四年里陪伴我的同學(xué)、朋友們，因為他們的陪伴我沒有感到孤獨，我在她們的身上學(xué)習(xí)到了很多優(yōu)秀的品質(zhì)。因為有他們作為我的榜樣，我時刻保持這積極向上的心態(tài)和不懈努力的斗志，謝謝他們。
附錄A: YTSZ系列起重用變頻調(diào)速三相異步電動機
附錄B： 擺線針輪減速器
附錄C: 海洋絞車主傳動系統(tǒng)總裝配圖
附錄D: 小齒輪零件圖
附錄E: 大齒輪零件圖
附錄F: 軸承座零件圖
附錄G: 軸承蓋零件圖
附錄H: 左支架焊接圖
附錄I: 右支架焊接圖
附錄J: 底座焊接圖
附錄K: 卷筒焊接圖
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