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2009IEEE 的學(xué)報
關(guān)于機械工程和自動化的國際會議
8月9-12日 長春 中國
研究關(guān)于數(shù)控內(nèi)齒輪基準(zhǔn)輪磨技術(shù)
任小忠，蘇建新和鄧小忠 任小忠
機械工程專業(yè) 河南重點實驗室
河南科技大學(xué) 現(xiàn)代機械設(shè)計和翻譯系
洛陽 河南省 中國 洛陽 河南省 中國
ren_xiaozhong@I26.com ren_xiaozhong@I26.com
摘要－齒輪研磨廣泛地應(yīng)用于有著堅硬面的最后的傳動機構(gòu)。內(nèi)齒輪傳動機構(gòu)基準(zhǔn)輪磨比傳統(tǒng)傳動機構(gòu)輪磨占優(yōu)勢?；鶞?zhǔn)輪磨精確度取決于基準(zhǔn)輪上的涂料技術(shù)達到一個好的范圍。為了要確定齒形精確度，一種基準(zhǔn)輪上涂料裝置藉由使用金鋼石旋轉(zhuǎn)來上涂料的工具得到開發(fā)?；诟膭釉瓌t，為模齒上涂料準(zhǔn)備數(shù)控程序表的漸開線，而且上涂料動作被數(shù)控控制器控制。為了要減少涂料誤差，讓傳動機構(gòu)齒平均地分配在一個圓也非常重要。為了要提高齒分割精確度，一個名為跳躍分割的齒輪研磨方法的類型被計劃，數(shù)控機床齒輪研磨程序表也被開發(fā)。在自主開發(fā)數(shù)控機床上進行磨輪修整實驗和齒輪研磨測試內(nèi)齒輪磨。在這一個物品中進行的內(nèi)齒輪磨實驗技術(shù)有效。
索引－--內(nèi)齒輪基準(zhǔn)磨輪跳躍分割修整傳動機構(gòu)基準(zhǔn)磨床
I. 介紹
由太陽輪組成的行星的變速箱裝置，行星傳動機構(gòu)和內(nèi)齒輪有一系列出自立著的利益［1],而且廣泛地被用于各種不同的變速組件，像是變速器、漸縮管和差速器裝置。傳動機構(gòu)用硬面廣泛地越來越被用于用高速、高度精密度，耐用、高度效率［2] 適應(yīng)變速箱的行星的變速箱裝置。在現(xiàn)在，磨已經(jīng)在中國被太陽輪和行星傳動機構(gòu)有效率地應(yīng)用。鍵將解決該如何用硬面解決內(nèi)齒輪的高有效率輪磨，以便整個行星輪的制造業(yè)的精確度和裝載能量能被提高。美國標(biāo)準(zhǔn)磨的傳統(tǒng)的發(fā)生根據(jù)許多狀態(tài)作比較，用傳統(tǒng)方法很難了解內(nèi)部齒輪.與高有效率輪磨相比較，磨的基準(zhǔn)有許多利益，舉例來說，對設(shè)計的機器，它的機制效率是 5-7,甚至是傳統(tǒng)磨的10倍［3].
雖然數(shù)控機床內(nèi)齒輪基準(zhǔn)磨床已經(jīng)在一些發(fā)達國家中被制作，但是，機器很昂貴，因而許多客戶不能負擔(dān)它而且必須找其他方法用硬面處理內(nèi)齒輪。舉例來說，在傳動機構(gòu)拉孔之后，內(nèi)齒輪很容易被氮化。氮化之后沒有任何較進一步的完工機制。明顯地，它在沒有磨下對傳動機構(gòu)的情況下在輪廓精確度和裝載能量中符合需求是很困難的。對于這理由，一個數(shù)控機床內(nèi)齒輪基準(zhǔn)磨床的型被開發(fā)［4],而且擁有中國［5] 的 P.R. 的自主知識產(chǎn)權(quán).在傳動機構(gòu)基準(zhǔn)輪磨中，無論是否齒能平均地在一個圓被分配或者不是最初的精確度分度，以及重要的標(biāo)準(zhǔn)測量傳動機構(gòu)能與變速箱一起取得資格與高的評價。當(dāng)傳動機構(gòu)在高速運行時，而且在重載之下，它應(yīng)該被要求增加齒腹硬突端而且減少齒誤差［6] 。因此，一些主要技術(shù)以傳動機構(gòu)基準(zhǔn)輪磨，像是齒分割精確度和磨輪修整技術(shù)，在這一個文章中被研究。
2.齒輪研磨平面圖的決心
A.傳動機構(gòu)基準(zhǔn)磨床的地面區(qū)劃
內(nèi)齒輪基準(zhǔn)磨床的所有安置在圖 I中被顯示. 被顯示磨輪的旋轉(zhuǎn)裝置，一是最初的動作。Z 中的磨輪的運動橋線長且滑動 3 是橋方向的進刀機構(gòu)。在 Y 橋線的垂直柱的運動是放射狀的進刀機構(gòu)?；瑒?8 作為上涂料磨輪而且變更磨的位置。CNC 使旋轉(zhuǎn)被重復(fù)， C 的臺橋線被用來決定精密的齒分割。在滑動 8 上被展開的基準(zhǔn)輪修整器 6 被用來在線上制作基準(zhǔn)磨輪。
B.齒輪研磨平面圖的決心
因為內(nèi)齒輪用較大的直徑，類似外齒輪基準(zhǔn)磨的方法，也就是說，用基準(zhǔn)磨輪，穿著齒槽孔［7] 的形, 是被提出的磨齒齒槽孔的中央位置。當(dāng)磨輪上下地移動當(dāng)做磨，使旋轉(zhuǎn)臺編入索引中一個齒。在這樣 z 時代之后，一個傳動機構(gòu)的所有齒可能是連接的。因為內(nèi)齒輪用較小的直徑，因為磨的冒口是相對地大的，要在輪磨中把基準(zhǔn)磨輪放入齒槽孔的中央位置是沒有方法的。藉由分析內(nèi)齒輪的相對位置造形磨輪，和考慮 CNC 機器可得的動作，一個磨的方法能被內(nèi)齒輪在一個齒的兩側(cè)面可能藉由使用磨輪［8] 的一端分開地被磨方面所依據(jù)的較小的直徑所應(yīng)用.
圖1傳動機構(gòu)基準(zhǔn)磨床的地面區(qū)劃
1,7- 原動機；2- 垂直的柱；3,8 CNC 的滑動；4- 磨輪
架；5- CNC 旋轉(zhuǎn)臺；6 輪的修整器；9- 機械的滑動；10-
手動的推進單位；2－底
3.分度精確度的控制
旋轉(zhuǎn)臺的 CNC 被用于在上面提到的內(nèi)齒輪基準(zhǔn)磨床中被編入索引中。因此，積聚的誤差主要取決于旋轉(zhuǎn)臺的分度精密度。因為使旋轉(zhuǎn)臺分解畢竟是不可能的，當(dāng)小數(shù)數(shù)字場所在傳動機構(gòu)的連接齒之間在那里超越使旋轉(zhuǎn)臺的溶液運動，倒角誤差會被生產(chǎn)。當(dāng)編入索引的齒的數(shù)目相對很小時，誤差不是非常清楚。但是當(dāng)編入索引的齒的數(shù)目相當(dāng)大時，比較大的積聚誤差將會生產(chǎn)。較大的分度誤差會引起被拒絕的傳動機構(gòu)。因此，應(yīng)該采取措施減少或者除去它。一個新齒輪研磨方法叫 " 跳躍分割 " 在這一文章中被計劃。因此叫做跳躍分割的方法磨一次在齒輪研磨中的每一個齒。理想的分度間隔，撥動最佳的齒跳過的數(shù)目，應(yīng)該使倒角成為多數(shù)產(chǎn)生的誤差中的最小，當(dāng)小數(shù)部分撥動造形被一些齒超越使旋轉(zhuǎn)臺分解，如此有被減少到多數(shù)最小的積聚的誤差。分度間隔不應(yīng)該被齒數(shù)目 z 分開以避免在一些齒之中磨的重復(fù)。
假如一個內(nèi)齒輪是藉由內(nèi)齒輪用 124顆齒磨基準(zhǔn)用分度精確度 0.001 的裝備使旋轉(zhuǎn)臺的 CNC 磨床旋轉(zhuǎn)'.如果跳躍分割沒被用，當(dāng)時相嚙合的齒之間的傾斜角是
2β =360°/124 =2.903226°
在節(jié)點圓上齒形的一個齒槽孔的角β的地方。能見到在輪磨 124顆齒中產(chǎn)生的倒角誤差是
0.000226°x 124 =0.028°=1.68"
假如分度間隔是 9,旋轉(zhuǎn)臺應(yīng)該轉(zhuǎn) 26.129032' 僅此一次磨的。然后倒角誤差是 0.000032'.在這 124顆齒完全地被磨之后，全部的倒角誤差是
0.000032°x 124 =0.004° =0.24 "
明顯地，誤差非常小。
4.非標(biāo)準(zhǔn)輪廓輪的上涂料
磨的傳動機構(gòu)基準(zhǔn)比傳統(tǒng)的傳動機構(gòu)輪磨占優(yōu)勢。齒形精確度主要地取決于要參考的基準(zhǔn)輪的輪廓精確度。基于上涂料原則，有上涂料方法的兩個類型：傳統(tǒng)的和改革的。輪上涂料能藉由金鋼石筆和金鋼石輪來做。CNC 輪上涂料藉由發(fā)生方法需要高水準(zhǔn)的 CNC 系統(tǒng)。而且與一個要以機器制造的傳動機構(gòu)的基圓直徑的增大，輪修整器的尺寸和制造成本變得比較大。當(dāng)上涂料根據(jù)金鋼石筆旋轉(zhuǎn)，筆點的高度和不平順磨耗主要有在上涂料精確度方面的影響力。因此， CNC 輪上涂料裝置用在改動原則上的金鋼石橋距被開發(fā)。而且基準(zhǔn)輪上涂料程序表也被準(zhǔn)備。
A、非標(biāo)準(zhǔn)的在改動中的輪上涂料原則
藉由改動有著非標(biāo)準(zhǔn)的輪將根據(jù)在漸開線中找一系列輪廓節(jié)點到這基本的漸開線的叁數(shù)。直片段被用來連接兩個大約相嚙合的節(jié)點，結(jié)果適合漸開線，了解漸開線的改動。明確地，改動運動能藉由沿著兩個直角的坐標(biāo)被分開地移動兩個 CNC 滑動，如 Fig.2 所示。因此，一個 2 D 的坐標(biāo)系統(tǒng)藉由對漸開線的出發(fā)點的起源采取基圓中心建立像 Y 橋線一樣，和中心的連接線，如 Fig.3 所示。
假如漸開線在任何點 A 擴延的角是θ。藉由拿θ為初次的增量當(dāng)做旋轉(zhuǎn)的變數(shù)增加的θ。對應(yīng)的坐標(biāo)點能藉由依下列各項替換θ進入方程序被發(fā)現(xiàn)。
點 A 的坐標(biāo)是：
= rbsinθ – rbθcosθ
= rbcosθ + rbθsinθ
圖2漸開線改動原則
圖3非標(biāo)準(zhǔn)改動的數(shù)學(xué)模型
基圓的半徑是：
rb＝m z cosa ／2
點 A 的兩極半徑是：
rA ＝rb ／ cosa A
點 A 的擴延角是：
θ＝tga A
m位置－傳動機構(gòu)的組件；
z－傳動機構(gòu)的齒數(shù)目；
α－在節(jié)點圓中的傳動機構(gòu)的壓力角；
aA－點 A 的壓力角。
B.上涂料誤差的分析
該如何選擇θ的大小是改動程序的全部的關(guān)鍵。在大的θ之上會引起較大的改動誤差，在小的θ之上會引起比較低的改動效率。如果θ依照機制精確度決定，當(dāng)常態(tài)允許誤差可能是改動精確度分度的想法。改動點的稠密度能藉由變更θ的價值，有改動的數(shù)量被改變磨利不只適宜的改動精密度但是增大改動效率。
如圖3顯示,擴延的角在點 A 是θ，基圓中的對應(yīng)的坐標(biāo)點是A’.點 A 的坐標(biāo)能藉由替換θ進入方程序被發(fā)現(xiàn)。（1)當(dāng)基圓準(zhǔn)備磨 B’，藉由把θ加入θ，漸開線中的對應(yīng)的坐標(biāo)點是點 B。
點 B 的坐標(biāo)能藉由替換θ被發(fā)現(xiàn)進入方程序之內(nèi)的θ. （1)藉由為非標(biāo)準(zhǔn)的片段 AB 替換直線片段 AB ，最大誤差δ在直線片段 AB 的中點牛頓中出現(xiàn)。藉由制造一個在一點相接 nm’對基圓而且用漸開線把 M'N 擴充到十字點 M，當(dāng)時在基圓的 M 的擴延角是：
θM =arctg(xn/ Yn) + arccos（rb /ON) (5)
那么
M'M = rb x θM (6)
ON = (7)
Xn = (XA + xB) /2
Yn = (YA + YB) /2 (8)
M'N的長度為
M'N = (9)
檢查δ是否能配合改動精密度。如果δ不能符合需求，為了要減少改動誤差，當(dāng)新節(jié)點應(yīng)該再次減少所計算增量的一半。如果δ能符合需求，但是δ是在小的之上，當(dāng) 2 θ為了要提高改動效率，用來計算新節(jié)點。
C. 為上涂料較差的輪和模擬規(guī)畫
漸開線磨輪整形程序表藉由使用 VC＋＋ 被準(zhǔn)備當(dāng)做開發(fā)中的工具。輪上涂料軟件系統(tǒng)應(yīng)該是四個組件：傳動機構(gòu)叁數(shù)輸入和計算；改動誤差計算和控制；漸開線上涂料定路線模擬；而且數(shù)控編碼產(chǎn)量。 A 表示準(zhǔn)備輪上涂料程序表的流程圖。輸入是傳動機構(gòu)叁數(shù)和非標(biāo)準(zhǔn)的改動精確度。產(chǎn)量是漸開線的改動點的價值。CNC 機制產(chǎn)生的密碼經(jīng)過了解自動的上涂料的 RS232 接口輸入 CNC 組件。CNC 機制密碼也能被用來模仿輪上涂料真正的上涂料前的作用。圖5表示輪上涂料的模擬。它能被用來查證程序表的連續(xù)性和正確性。
V. 輪廓非標(biāo)準(zhǔn)的輪上涂料裝置
圖6 用金鋼石輪舉例說明一個磨輪修整。上涂料藉由金鋼石輪的圓筒形的表面和表面之間的圓的隅角被做。從圖中可以見到3 如果在金鋼石輪的拱形中心的痕跡沿著磨輪分別地是有漸開曲線的，因上涂料而造形的磨輪輪廓的曲率半徑不同于拱形中心的痕跡?；鶞?zhǔn)磨輪的輪廓是內(nèi)齒輪的一個凸面輪磨，它的輪廓半徑少于拱形中心的痕跡。在作為外齒輪輪磨的基準(zhǔn)磨輪的相反箱之上。在規(guī)畫的數(shù)字控制部分的工具半徑補整指導(dǎo)的使用能使被使用的輪廓與理論上的輪廓［9] 一致.
圖4輪上涂料程序表的流程圖
圖5輪上涂料模擬
圖6輪上涂料的草圖
輪上涂料裝置的 3D立體用金鋼石輪抽制顯示在 Fig.7。它有紡錠總成，駕駛總成，補給總成和底座等等整個的裝置是裝置在齒輪CNC 滑動的磨床，如 Fig.l 所示。金鋼石輪的旋轉(zhuǎn)裝置被電力有關(guān)電動機驅(qū)使。補給運動沿著紡錠橋線被藉由齒輪磨床在CNC X 橋線滑動，和其他補給運動垂直被一個它本身的原動機驅(qū)使到紡錠橋線。非標(biāo)準(zhǔn)的改動藉由控制這兩個補給運動而完成。
圖7磨輪修整裝置
6.輪上涂料及齒輪研磨實驗
A．輪上涂料
在基準(zhǔn)齒輪磨床上安裝輪上涂料裝置。正確調(diào)整金鋼石輪和要穿過的磨輪之間的相對的位置。CNC 系統(tǒng)和原動機開始。然后，隨著程序表［10] 被準(zhǔn)備好 ，金鋼石輪在 X 橋線和 V 橋線中分別驅(qū)使兩個滑動磨輪。圖8表示輪上涂料裝置在涂料狀態(tài)上。
圖8上涂料狀態(tài)中的輪的上涂料裝置
B.齒輪研磨
要磨的傳動機構(gòu)是一個內(nèi)齒輪 z＝80,m＝3, u ＝20°和齒寬 b＝70 mm。第一，輪上涂料裝置、工作件、使旋轉(zhuǎn)臺的中心和磨輪車架等應(yīng)該設(shè)定成適當(dāng)?shù)奈恢?，以便磨輪不干擾整個齒輪研磨程序的輪上涂料裝置。第二，磨輪應(yīng)該與齒輪研磨前和齒形相同的輪廓一起穿過。第三，藉由輸入機制表運作儀表板，為了要確定磨的軌道是否正確，一定要做卸貨試車。最后，能進行齒輪研磨。內(nèi)齒輪磨的程序顯示在 Fi.9。
Fig.9.一個內(nèi)齒輪被磨
基礎(chǔ)傳動機構(gòu)用特殊傳動機構(gòu)檢驗單位用格蘭申傳動機構(gòu)檢驗儀器檢驗。精密度用 6 級能確保是否在齒誤差中，或齒對準(zhǔn)誤差而且確定誤差。
7.結(jié)論
1）基于CNC 內(nèi)齒輪基準(zhǔn)磨床的開發(fā)，跳躍分割作為內(nèi)齒輪輪磨。這一方法有利于確定齒分度精確度而且減少積聚的誤差。
2) 基于非標(biāo)準(zhǔn)的改動原則，建立非標(biāo)準(zhǔn)輪廓的數(shù)學(xué)模型。同樣把可變的漸開線的擴延角和正常的公差當(dāng)做一個強迫的狀態(tài)，一個改動方法被制定。
3) 藉由分析上涂料動作，設(shè)計了基準(zhǔn)輪上涂料裝置，而且準(zhǔn)備了輪上涂料程序表。
4) 齒輪研磨和輪上涂料實驗成功地進行。計劃的內(nèi)齒輪輪磨實驗在這一個物品中的結(jié)果技術(shù)有效。齒輪研磨技術(shù)提供一個有效的提高方法來保證內(nèi)齒輪的機制精確度。
認證
因中國的國立自然科學(xué)基礎(chǔ)研究這一個主題， 受No.50575068支持,借著河南現(xiàn)代機械設(shè)計和變速箱系統(tǒng)的主要實驗室No.KFJZ200706的基礎(chǔ)。
叁考
［1] 范四建、韓翠嬋?！痹O(shè)計和制造非標(biāo)準(zhǔn)行星齒輪裝置”,中國機械出版社，2000.
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中國機械出版社，2001。
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［7] 王平年 、 馬寶麗，周培。對德國CNC 傳動機構(gòu)基準(zhǔn)磨床調(diào)制解調(diào)器的介紹。Cfhi 技術(shù)、 No1,pp.31-33,2003.1。
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［9] 周玉山 、邵明，閔浩年。"基準(zhǔn)傳動機構(gòu)金屬模的軟件開發(fā) " 、技術(shù) （自然科學(xué)版）、 VoL33 、 No5，中南大學(xué)出版社,pp.23-25,2005.5。
［10] 蘇見信 、任曉忠，杜新生。" 開發(fā)內(nèi)齒輪和研究輪磨方法和數(shù)控機軟件 " 、加工工具＆水力學(xué)、 Vo1.35 、 No10,pp.29-30,2007.10。
中 國 X X 大 學(xué)
本科生畢業(yè)設(shè)計
姓 名： 學(xué) 號：
學(xué) 院：
專 業(yè)：
設(shè)計題目： JT提升絞車設(shè)計
專 題：
指導(dǎo)教師： 職 稱：
20** 年 6 月
摘 要
JTP型提升絞車是一種新型的礦山輔助運輸設(shè)備。其主要適用于煤礦井下長運距，多起伏的運輸巷道，特別適用于大型綜采設(shè)備的運輸牽引和長運距礦車及材料的運輸。能大大提高運輸效率和運輸安全可靠性，防止放打滑現(xiàn)象。該絞車的設(shè)計對于完善提升絞車起著重要的基礎(chǔ)作用。
JTP型提升絞車主要由電動機、聯(lián)軸器、減速器、卷筒和制動閘等組成。本畢業(yè)設(shè)計的重點是減速器的設(shè)計，該傳動系統(tǒng)采用了五級傳動，第一級為直齒圓錐齒輪傳動，其余為圓柱直齒輪傳動，采用了兩個對齒輪，形成封閉的傳動路線。傳動原理簡單、可靠、高效。
JTP型絞車具有良好的防爆性能和制動性能，容繩量大、適用條件強、使用壽命長、傳動效率高等特點。該絞車結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，能夠整機下井；結(jié)構(gòu)為近似對稱布置，外形美觀，成長條形，底座呈雪橇狀；絞車重心低，底座剛性好，可安裝地錨，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全可靠，維護方便。
關(guān)鍵詞：JTP提升絞車； 運輸； 傳動
ABSTRACT
JTP-hoist is a new type of mine-assisted transport equipment. The main application is long distance in the coal mine, more ups and downs of the roadway, especially for large transport fully mechanized coal mining equipment traction and long distance transport cars and materials. It can greatly improve transport efficiency and transport safety and reliability and prevent-skid phenomenon. The winch design plays an important basic role in improving the Promise of the rope winch.
JTP-hoist is mainly composed of the motor, coupling, reducer, brake drum gates, and other components. The graduation project focused on the design of the reducer, the drive system uses two transmission, the first class uses straight gear, the rest is straight cylindrical gear transmission, it uses two pairs of gears.It formed a closed transmission line. Transmission principle is simple, reliable and efficient.
JTP-hoist has a good explosion-proof performance and braking performance, large capacity to justice, conditions of application strong, long-life, high efficiency drive. The winch has compact structure, small shape size, can go down with overall unit; structure is similar to symmetrical layout, aesthetic appearance, growth strip, a sled-shaped base; the gravity centerof the winch is low, rigid base, and can be installed to anchor, a smooth operation, safe and reliable , easy maintenance.
Keyword : JTP-hoist ; transport; drive
目 錄
1 概述 1
1.1絞車簡介 1
1.2絞車的發(fā)展?fàn)顩r 1
1.2.1國內(nèi)絞車發(fā)展概況 1
1.2.2國外絞車發(fā)展概況 2
1.3絞車的發(fā)展趨勢 4
2 提升絞車的總體設(shè)計 5
2.1設(shè)計參數(shù) 5
2.2結(jié)構(gòu)特征及工作原理 5
2.3傳動方式擬定 6
3 電動機的選擇 7
3.1計算電動機輸出功率 7
3.2選擇電動機型號 8
4 減速器的設(shè)計計算 9
4.1總傳動比及傳動比分配 9
4.1.1總傳動比 9
4.1.2傳動比分配 9
4.2傳動裝置運動參數(shù)計算 10
4.2.1各軸轉(zhuǎn)速計算 10
4.2.2各軸功率計算 10
4.2.3各軸扭矩計算 11
4.3齒輪傳動計算 12
4.3.1第一級齒輪傳動校合 12
4.3.2第二級齒輪傳動校合 15
4.3.3齒輪傳動主要參數(shù)總結(jié) 18
5卷筒及其部件設(shè)計計算 19
5.1鋼絲繩的選擇 19
5.1.1鋼絲繩的選擇方法 19
5.1.2安全系數(shù)法 19
5.1.3選擇系數(shù)法 20
5.1.4鋼絲繩選擇 21
5.1.5鋼絲繩強度校核 22
5.1.6鋼絲繩在卷筒上的固定方式 22
5.1.7鋼絲繩固定端承載能力驗算 22
5.1.8鋼絲繩的出繩方向及其偏角 23
5.2卷筒的設(shè)計計算 23
5.2.1卷筒結(jié)構(gòu) 23
5.2.2卷筒節(jié)徑 23
5.2.3卷筒邊緣直徑 24
5.2.4卷筒容繩寬度 24
5.2.5卷筒筒殼厚度 25
5.2.6卷筒端側(cè)板厚度 25
6軸的設(shè)計計算 26
6.1軸的材料選擇 26
6.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 27
6.3軸的校核 31
6.4軸的彎矩圖和扭矩圖 32
7軸承及其它元件的校核 42
7.1滾動軸承的選擇及校核計算 42
7.1.1軸承的類型選擇 42
7.1.2滾動軸承常見的失效形式及計算準(zhǔn)則 43
7.1.3滾動軸承的校核計算 43
7.2鍵聯(lián)接的校核計算 46
7.3聯(lián)接螺栓的校核計算 48
7.3.1工作剪力計算 48
7.3.2螺栓剪切強度校核 49
8減速器的潤滑和密封 49
8.1減速器的潤滑 49
8.2減速器的密封 49
9減速器箱體及附件的選型設(shè)計 50
9.1減速器箱體的設(shè)計 50
9.2減速器附件的選型設(shè)計 51
10連軸器與制動器的選型設(shè)計 53
10.1連軸器的選型設(shè)計 53
10.2制動器的選型設(shè)計 54
11絞車的安裝與調(diào)試
11.1絞車的運輸與安裝...................................... 55
12絞車的潤滑與維護................................... 57
小結(jié) 64
英文原文 65
中文譯文 70
參考文獻 80
致謝 81
1 概述
1.1絞車簡介
絞車是一種起重設(shè)備，由于具有結(jié)構(gòu)簡單、搬運安裝靈活、維護保養(yǎng)簡單、操作方便、價格低廉和可靠性高等優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用與物料提升、水平和傾斜拽引重物、打樁、集材、冷拉鋼筋、設(shè)備安裝等工作中。
絞車除在建筑工地、設(shè)備安裝等方面被廣泛應(yīng)用外，在冶金、礦山、水電、農(nóng)業(yè)、軍事、化工及交通運輸?shù)刃袠I(yè)中亦廣泛應(yīng)用，如高爐料鐘和物料的提升，礦井的物料提升，水平、傾斜牽引運輸，礦車調(diào)度、回柱，船舶上錨鏈的提升等。
1.2絞車的發(fā)展概況
1.2.1國內(nèi)絞車發(fā)展概況
我國在很久以前的古代，就知道采用轆轤等來提升重物，以減輕體力勞動的強度和提高工作效率。但由于舊中國的工業(yè)落后，勞動力便宜，所以在物料的提升和搬運過程中大都是靠工人的肩挑背扛，而絞車只有在一些大型企業(yè)中才被使用，應(yīng)用很少，而且所適用的絞車也均為國外生產(chǎn)，國內(nèi)基本沒有生產(chǎn)絞車的廠家。
我國的絞車生產(chǎn)是解放后才開始的，已有近60年的歷史。50年代為滿足恢復(fù)經(jīng)濟的需要和第一個五年計劃的需要，絞車的生產(chǎn)被提到了日程上。原沈陽國泰機器廠（阜新礦山機械廠前身）等成批仿制了兩種絞車，一種為日本的JIS8001型動力絞車，它是一種原動機為電動機，傳動形式是開式圓柱齒輪傳動，雙錐體摩擦離合器，操作為手扳腳踩的快速絞車；另一種是按蘇聯(lián)圖紙制造的1011型和1012型普通蝸桿傳動、電控慢速絞車。
隨著生產(chǎn)的發(fā)展，到了60年代，絞車的生產(chǎn)和使用越來越多。為了協(xié)調(diào)生產(chǎn)，主要絞車生產(chǎn)廠家（阜新礦山機械廠、天津卷揚機廠、山西機器廠、寶雞起重運輸機廠等）組成了卷揚機行業(yè)組織，隸屬于第一機械工業(yè)部礦山機械行業(yè)下。為了發(fā)展絞車的生產(chǎn)，行業(yè)組織了相關(guān)廠家的人員對全國絞車的生產(chǎn)和應(yīng)用情況進行了調(diào)查。在調(diào)查的基礎(chǔ)上，開始自行設(shè)計和制造新的卷揚機，先后試制了0.5t、1t、3t電動卷揚機，但由于對當(dāng)時各廠家的生產(chǎn)能力估計不足，無法推廣。
從70年代起，我國絞車的生產(chǎn)進入了技術(shù)提高、品種增多、定性生產(chǎn)的新階段。在各廠自行設(shè)計和生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，1973年，由卷揚機行業(yè)組織了有關(guān)廠家和院校聯(lián)合進行了絞車基型設(shè)計，并充分考慮到了當(dāng)時中小廠家的生產(chǎn)能力?？焖俳g車的基型采用半開半閉式齒輪傳動，離合器采用單錐面石棉橡膠摩擦帶結(jié)構(gòu)，操縱用手扳剎車帶制動。慢速絞車的基型為閉式傳動（圓柱齒輪傳動或蝸桿傳動減速器）、電磁鐵制動結(jié)構(gòu)。這兩種基型一直到今天還在生產(chǎn)。為了適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，當(dāng)時第一機械工業(yè)部發(fā)布了JB926-74《建筑卷揚機形式與基本參數(shù)》和JB1803-76《建筑卷揚機技術(shù)條件》兩個部標(biāo)準(zhǔn)，并把卷揚機行業(yè)劃歸常德建筑機械研究所（長沙建筑機械研究院前身）領(lǐng)導(dǎo)。隨著部標(biāo)準(zhǔn)的頒布，使絞車有了大發(fā)展的基礎(chǔ)。為了滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要，各廠家相繼生產(chǎn)了20t和32t絞車。
從70年代末開始，我國實行了改革開放政策，國民經(jīng)濟大發(fā)展，作為國民經(jīng)濟的動力，煤炭產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和機械化的要求日益強烈，許多產(chǎn)品逗進行了防爆改造，從而進入到煤礦井下，其中絞車是最成功的一種產(chǎn)品，JD系列的調(diào)度絞車和JH系列的回柱絞車至今還在大量的生產(chǎn)，是礦山井下，運輸調(diào)度不可替代的機械設(shè)備。但這種設(shè)備的自動化的程度不高，無法實現(xiàn)無人值守的自動操作，往往由于絞車操作工的操作失誤或精神不集中造成安全生產(chǎn)事故。
礦山絞車的發(fā)展是伴隨著煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展，九十年代中后期，是我國煤炭生產(chǎn)的一個低潮，礦用絞車的發(fā)展十分緩慢，沒有什么新的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品出現(xiàn)。但是，2000年以后，國際油價居高不下，煤炭再一次被人們所重視，煤炭價格一路上漲，絞車等一系列的礦山機電產(chǎn)品需求量劇增，促進了絞車的發(fā)展，這一時期絞車品種增加，自動化水平增加，新結(jié)構(gòu)、新功能不斷出現(xiàn)，但是仍然具有一定的技術(shù)瓶頸，即自動控制設(shè)備的防爆問題?，F(xiàn)在，變頻調(diào)速技術(shù)和PLC控制技術(shù)十分的成熟，但是，也只是在礦井的主井和副井的提升系統(tǒng)中得到了最廣泛的最成熟的應(yīng)用。然而，自動化和數(shù)字化是礦井發(fā)展的必然趨勢，為了實現(xiàn)這一目的，礦山設(shè)備的自動化和數(shù)字化是實現(xiàn)這一目的的基礎(chǔ)。
本設(shè)計也力求用最成熟的PLC控制技術(shù)，實現(xiàn)礦井水倉的無人值守，達到牽引絞車能夠根據(jù)水位自動提升和下降泵房的目的，探索一條能夠?qū)崿F(xiàn)絞車自動化控制的路徑。
1.2.2國外絞車發(fā)展概況
在國外，絞車的品種繁多，應(yīng)用也很廣泛。在西方技術(shù)先進的國家中，鉆機制造商德國Wirth公司、Bentec公司以及美國Varco公司擁有先進的絞車控制技術(shù)、電動機四象限傳動技術(shù)以及電子(自動) 司鉆控制技術(shù)。這些絞車控制系統(tǒng)能根據(jù)鉆壓、機械鉆速、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)控制鉆井鋼絲繩的連續(xù)遞送以保持穩(wěn)定的鉆井狀態(tài)， 進而大大提高鉆井效率。下面簡單介紹一下幾個國家上產(chǎn)絞車的狀況。
（1）日本
日本東明治30年代開始制造和使用卷揚機。據(jù)日本荷藝機械研究所核計，1970~1975年間卷揚機的產(chǎn)量增加62.5%。據(jù)日本通產(chǎn)省機械核計月報載，僅1977年單純土建卷揚機的產(chǎn)量就達12萬臺，產(chǎn)值約100億日元。
日本卷揚機行業(yè)由機械技術(shù)部會、核藝機械技術(shù)委員會領(lǐng)導(dǎo)。主要生產(chǎn)廠家有北川鐵工所、遠藤鋼機、南星、越野總業(yè)、藝浦、松崗產(chǎn)業(yè)等80多個廠家。
北川鐵工所是一家大型生產(chǎn)廠。其生產(chǎn)的卷揚機品種系列比較齊全，主要有：
a.動力卷揚機 粉BF、MF、DF三種形式。功率為3.7~44KW,鋼絲繩拉力從5800~44100N，有18格規(guī)格。BF型式V型帶傳動，MF型單筒開式齒輪傳動，DF型是雙筒開始齒輪傳動。其結(jié)構(gòu)特點是全部為標(biāo)準(zhǔn)型，采用改進了的螺旋頂絲式離合器操縱，因而操作簡便，易調(diào)整。鼓形離合器采用單椎體式，摩擦材料采用帶型樹脂。
b.電動卷揚機 該廠生產(chǎn)的電動機為KW型，功率3.7~11KW,拉力6000~142100，四種規(guī)格。其結(jié)構(gòu)特點是：全封閉式內(nèi)齒輪傳動;電動機在一端，減速器、制動器和操作部分在另一端，中間是卷筒，一字型布置；按鈕操作，可遠距離遙控；最大特點是卷筒可纏繞8~9層，容繩量大，適于高層建筑使用。
c.大型電動卷揚機 主要用于提升大型重物或設(shè)備，可兩檔機械變速，設(shè)有電磁鐵制動器、手制動器和棘輪制動器，以確保安全。
遠藤鋼機公司有60多年歷史，它是日本唯一生產(chǎn)特殊電動卷揚機的公司。ENDO型卷揚機采用起重電動機，卷揚機可兩檔變速，排繩器裝在上部，是單螺旋軸雙導(dǎo)向桿式結(jié)構(gòu)，機座全部是焊接結(jié)構(gòu)，所有機械與電器部分裝在機座里。
(2)美國
美國生產(chǎn)絞車的廠家有近百家，主要有貝波（BEEBE）國家有限公司、哲恩（THERN）有限公司。
貝波國際有限公司成立于1919年，有七十多家的設(shè)計和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗。主要產(chǎn)品有：氣動鏈?zhǔn)骄頁P機，防爆拖式氣動卷揚機，駁船卷揚機（手動、氣動、電動、液壓），電動鏈?zhǔn)骄頁P機，電動葫蘆，電動卷揚機，手動卷揚機，液壓卷揚機，水平卷揚機，手動鏈?zhǔn)骄頁P機，棘輪牽引器，空中吊運車。
哲恩有限公司是美國較大的生產(chǎn)起重設(shè)備的公司，主要產(chǎn)品有各種手動卷揚機、電動卷揚機、提升機械及起重機。手動卷揚機的主要品種有：蝸桿傳動系列、直齒齒輪傳動系列、齒輪蝸桿傳動組合系列、直接驅(qū)動系列、鏈傳動系列。其中直接驅(qū)動式電動卷揚機的傳動式全封閉式行星齒輪傳動，傳動系統(tǒng)全部裝在卷筒里面，機架和卷筒用高強度鋼焊接而成。
美國除上述兩家公司外，比較重要的生產(chǎn)廠家還有布勞斯公司、賽林公司、斯塔斯派克公司、阿姆降公司、英格索藝德公司等。
(3)法國
法國生產(chǎn)卷揚機的廠家很多，其中包騰公司就是生成卷揚機的主要廠家之一。包騰公司主要生產(chǎn)KUSW系列卷揚機、LMD系列卷揚機、PC系列卷揚機和RCS系列卷揚機。
LUSW型卷揚機輕巧緊湊，效率高，安全可靠，可遙控操作。這種卷揚機能夠比較理想地與各種建筑機械配套。
LMD型卷揚機可兩檔變速，采用液壓控制。液壓系統(tǒng)可同時控制兩個機械制動器。LMD型卷揚機綜合了電氣技術(shù)和液壓技術(shù)的優(yōu)點，性能比較好。
PC卷揚機可五檔變速器，三個低速檔和兩個高速檔。由兩個獨立的裝有電磁剎車系統(tǒng)提升電動機驅(qū)動卷揚機。電動機帶動直齒減速器，用錐齒輪電動卷筒。
其他國家，如俄羅斯、英國、挪威、瑞典、加拿大、德國等也都生產(chǎn)著不同用途的各種型號的卷揚機。
1.3絞車的發(fā)展趨勢
1.大型化 由于基礎(chǔ)工業(yè)大發(fā)展，大型設(shè)備和建筑構(gòu)件要求整體安裝，促進了大型絞車的發(fā)展。
2.采用先進電子技術(shù) 為了實現(xiàn)絞車的自動控制和遙控，廣泛采用先進的電子技術(shù)，傳感器技術(shù)，可編程控制技術(shù)。
3.發(fā)展手提式絞車 為了提高機械化程度，減輕工人的勞動強度，大力發(fā)展小型手提式絞車，如以汽車蓄電池為動力的直流電動小型絞車。
4.大力發(fā)展不帶動力源裝置的絞車 此種絞車借助汽車和拖拉機動力，結(jié)構(gòu)簡單，有一個卷筒和一個減速器即可。
2提升絞車的總體設(shè)計
2.1設(shè)計參數(shù)
最大拉力：15KN；
提升速度：1.35m/s
2.2結(jié)構(gòu)特征及工作原理
本絞車主要由電動機、彈性聯(lián)軸器、減速器、開式大齒輪、盤式制動器、卷筒等部分
組成。
絞車的傳動系統(tǒng)示意圖如下：
I、II、III、IV--軸
1、2、3、4—齒輪
圖 設(shè)計傳動方案
其傳動路線是：
電動機→聯(lián)軸器→減速器→大齒輪→卷筒。
2.3傳動方式擬定
減速器是應(yīng)用于電動機和卷筒之間的獨立的傳動裝置。其主要功能是降低轉(zhuǎn)速，增大轉(zhuǎn)矩，以滿足對機械的各種要求。實踐表明，傳動裝置設(shè)計得合理與否，對整部裝置的性能，成本以及整體尺寸都有很大影響。因此，合理地設(shè)計傳動裝置是整部機器設(shè)計工作中的重要環(huán)節(jié)，即合理地擬定傳動方案又是保證傳動裝置設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)。
根據(jù)設(shè)計要求，可得到如下的傳動方案：
（1）不需要立式結(jié)構(gòu),故采用臥式減速器；
（2）行星傳動結(jié)構(gòu)緊湊，但成本高，維護困難；錐齒輪及蝸桿傳動方式的輸入軸與輸出軸垂直，與卷筒配合布置較復(fù)雜，加工也較困難，效率低，故擬采用圓柱齒輪傳動，圓柱齒輪傳動具有成本低，設(shè)計制造維護都很方便的優(yōu)點；
（3）根據(jù)工作機構(gòu)——卷筒的直徑及鋼絲繩繩速計算卷筒轉(zhuǎn)速
（4）為了便于加工拆卸及維護，采用水平剖分式；
（5）功率小，轉(zhuǎn)速也較低，所以軸承全部采用深溝球軸承；
（6）電動機和輸入軸之間采用彈性套柱銷聯(lián)軸器（GB4323-84），卷筒與減速器之間采用開始齒輪傳動連接。
3電動機的選擇
3.1計算電動機輸出功率
已知：
最大拉力 F =15KN
提升速度 V = 1.35m/s
則：
根據(jù)以上的傳動方案圖可得：
總傳動效率
=
=0.86
其中：
彈性聯(lián)軸器的效率=0.97；
滾動軸承的效率=0.99；
閉式圓柱齒輪傳動效率=097；
齒輪聯(lián)軸器效率=0.96；
滾筒效率=0.97
3.2選擇電動機型號
=
電動機所需的額定功率P與電動機輸出功率P`之間有以下關(guān)系：
P≥K·
式中K為功率儲備系數(shù)，對運輸絞車取K=1,故
P =23.55KW
查《機械設(shè)計手冊》選取：
電動機型號：YRT200M-6
功 率：30 KW
轉(zhuǎn) 速：960r/min
4減速器的設(shè)計計算
4.1總傳動比及傳動比分配
4.1.1總傳動比
按額定轉(zhuǎn)速初定傳動比，總傳動比按下式計算
(4.1)
式中 ——電動機額定轉(zhuǎn)速，；
——卷筒轉(zhuǎn)速，
根據(jù)已知設(shè)計參數(shù)，卷筒直徑D=800 mm
則可得：
=32.25
結(jié)果
4.1.2傳動比分配
總傳動比等于各級傳動比的連乘積，即
(4.2)
合理分配傳動比是設(shè)計的一個重要步驟。如果把傳動比分配得合理時，傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，成本低，潤滑條件也好；但傳動比分配不合理，則結(jié)果正好相反，所以傳動比分配應(yīng)盡量遵循以下原則：
1. 各級傳動比最好在推薦的范圍內(nèi)選取，以符合各種傳動形式的特點；
2. 應(yīng)充分發(fā)揮各級傳動的承載能力?？砂礉M足某一質(zhì)量指標(biāo)分配傳動比，如按外嚙合接觸強度相等原則分配傳動比；
3. 傳動零件之間不應(yīng)造成相互干涉碰撞，如絞車的開式齒輪傳動，若傳動比太小，大齒輪直徑小于卷筒直徑，則會使小齒輪與卷筒產(chǎn)生干涉；
4. 各級傳動尺寸要協(xié)調(diào)、合理，使得各傳動部分從動齒輪的浸油深度相近，各級齒輪得到方便、充分的潤滑，減小攪油損失；
5. 應(yīng)使傳動裝置的總體尺寸緊湊，質(zhì)量最小。
設(shè)計時，絞車的實際傳動比的準(zhǔn)確值必須在各級傳動零件具體參數(shù)確定后才能計算出來，故應(yīng)驗算卷筒軸實際轉(zhuǎn)速是否在允許誤差范圍呢，如不滿足要求，應(yīng)重新調(diào)整傳動比，一般情況下，設(shè)計時允許卷筒有±（3%～5%）的轉(zhuǎn)速誤差。
圖4.1 兩級圓柱齒輪減速器傳動比分配圖
減速器為二級展開式圓柱齒輪減速器，其傳動比按圖4.1選取分配。
由圖4.1得，傳動比分配見表4.1。將閉式齒輪傳動部分的傳動比全部取整，只在開式齒輪傳動部分才將傳動比取小數(shù)，這樣分配便于了加工和計算，減小了傳動速度誤差。
表4.1 圓柱齒輪減速器傳動比的分配
總傳動比
第一級傳動比
第二級傳動比
30
4.5
6.75
4.2傳動裝置運動參數(shù)計算
4.2.1各軸轉(zhuǎn)速計算
第Ⅰ軸轉(zhuǎn)速（輸入軸）
第Ⅱ軸轉(zhuǎn)速（中間軸）
第Ⅲ軸轉(zhuǎn)速 （輸出軸）
4.2.2各軸功率計算
第Ⅰ軸功率（輸入軸）
第Ⅱ軸功率（輸出軸）
第Ⅲ軸功率（卷筒軸）
式中 ——彈性聯(lián)軸器效率，；
——深溝球滾動軸承效率，；
——閉式圓柱齒輪效率（按8級精度），；
——開式加工圓柱齒輪效率（按8級精度），；
4.2.3各軸扭矩計算
第Ⅰ軸扭矩（輸入軸）
第Ⅱ軸扭矩（輸出軸）
第Ⅲ軸扭矩（卷筒軸）
表5.3各軸轉(zhuǎn)速、輸出功率、輸出扭矩表
軸號
轉(zhuǎn)速
輸出功率
輸出扭矩
傳動比
Ⅰ（輸入軸）
960
22.62
222.7
1
Ⅱ（中間軸）
213.33
22.72
1018
4.5
Ⅲ（輸出軸）
31.6
20.86
6034.21
6.75
4.3齒輪傳動計算
4.3.1第一級齒輪傳動校核：
1)、選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力
由表6.2選： 小齒輪40Cr 調(diào)質(zhì)
大齒輪45 正火
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由式：
=
接觸強度壽命系數(shù)：
查圖得：
接觸強度最小安全系數(shù)：SHmin=1
許用接觸應(yīng)力:
接觸疲勞極限 :
查《機械設(shè)計》圖6-4:
由式
則：
許用彎曲應(yīng)力由式：
彎曲疲勞極限查《機械設(shè)計》圖6-7：
彎曲強度壽命系數(shù)：
查《機械設(shè)計》圖6-8:
彎曲強度尺寸系數(shù):
查《機械設(shè)計》圖6-9(設(shè)模數(shù)小于5):
彎曲強度最小安全系數(shù)
則：
=378×1×1/1.4=270 N/mm
=294×1×1/1.4=210 N/mm
2)、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算。
確定齒輪傳動精度等級，按
Vt= (0.0130.022) ××
=
參考表 6.7表 6.8選取II公差組8級，小輪分度圓直徑d，由《機械設(shè)計》式6-5：
齒寬系數(shù)按齒輪相對軸承為非對稱布置，取
小輪齒數(shù):在推薦值20-40中選=20
大輪齒數(shù):
圓整取
齒數(shù)比u :
傳動比誤差Δu/u:合格
小輪轉(zhuǎn)距:
載荷系數(shù)K：
使用系數(shù)： 查《機械設(shè)計》表6.3，=1
動載荷系數(shù)：由推薦值選=1.2
齒間載荷分配系數(shù)由：β=0得=1.1
齒向載荷分布系數(shù)：由推薦值選=1.1
則載荷系數(shù):
=1×1.2×1.1×1.1=1.45
材料彈性系數(shù)：查表得=
節(jié)點區(qū)域系數(shù)：查機械設(shè)計手冊（），=2.5
重合度系數(shù)：由推薦值：0.85～0.92選=0.87
則：
齒輪模數(shù)：
(圓整后的值)
小齒輪分度圓直徑：
大齒輪分度圓直徑：
mm
標(biāo)準(zhǔn)中心距:
mm
圓周速度：
與故取v=4.3m/s相近
齒寬:
圓整取b=64mm
大輪齒寬：
小輪齒寬：
3)、齒根彎曲疲勞強度計算：
由式：
齒形系數(shù):查機械設(shè)計手冊
小齒輪：=2.74
大齒輪：=2.25
應(yīng)力修正系數(shù)：查機械設(shè)計手冊
小齒輪：
大齒輪：
重合度：
=1.66
重合度系數(shù)：
故：
＜
所以齒根彎曲強度滿足
SHmin=1
=1
=20
=90
U=4.5
=1
=1.2
=1.1
=1.1
K=1.45
=2.5
=0.87
Error! No bookmark name given.
=2.74
=2.25
4.3.2第二級齒輪傳動校核：
設(shè)計項目及說明
結(jié)果
1)、選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力
由表6.2選： 小齒輪40Cr 調(diào)質(zhì)
大齒輪45 正火
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由式：
=
接觸強度壽命系數(shù)：
查圖得：
接觸強度最小安全系數(shù)：SHmin=1
許用接觸應(yīng)力:
接觸疲勞極限 :
查《機械設(shè)計》圖6-4:
由式
則：
許用彎曲應(yīng)力由式：
彎曲疲勞極限查《機械設(shè)計》圖6-7：
彎曲強度壽命系數(shù)：
查《機械設(shè)計》圖6-8:
彎曲強度尺寸系數(shù):
查《機械設(shè)計》圖6-9(設(shè)模數(shù)小于5):
彎曲強度最小安全系數(shù)
則：
=378×1×1/1.4=270 N/mm
=294×1×1/1.4=210 N/mm
2)、按齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算。
確定齒輪傳動精度等級，按
Vt= (0.0130.022) ××
參考表 6.7表 6.8選取II公差組8級，小輪分度圓直徑，由《機械設(shè)計》式6-5：
齒寬系數(shù)按齒輪相對軸承為非對稱布置，取
小輪齒數(shù):在推薦值20-40中選=23
大輪齒數(shù):
齒數(shù)比u :
小輪轉(zhuǎn)距:
載荷系數(shù)K：
使用系數(shù)： 查《機械設(shè)計》表6.3，=1
動載荷系數(shù)：由推薦值選=1.2
齒間載荷分配系數(shù)由：β=0得=1.1
齒向載荷分布系數(shù)：由推薦值選=1.1
則載荷系數(shù):
=1×1.2×1.1×1.1=1.45
材料彈性系數(shù)：查表得=
節(jié)點區(qū)域系數(shù)：查機械設(shè)計手冊（），=2.5
重合度系數(shù)：由推薦值：0.85～0.92選=0.87
則：
齒輪模數(shù)：
(圓整后的值)
小齒輪分度圓直徑：
大齒輪分度圓直徑：
標(biāo)準(zhǔn)中心距:
圓周速度：
與故取相近
齒寬:
大輪齒寬：
小輪齒寬：
3)、齒根彎曲疲勞強度計算：
由式：
齒形系數(shù):查機械設(shè)計手冊
小齒輪：=2.69
大齒輪：=2.181
應(yīng)力修正系數(shù)：查機械設(shè)計手冊
小齒輪：
大齒輪：
重合度：
=1.68
重合度系數(shù)：
故：
＜
所以齒根彎曲強度滿足
SHmin=1
=1
=23
=156
=1
=1.2
=1.1
=1.1
K=1.45
=2.5
=0.87
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=2.69
=2.181
4.3.4齒輪傳動主要參數(shù)總結(jié)
根據(jù)計算整理得到齒輪具體參數(shù)如下表：
表5.5 齒輪參數(shù)表
名稱
代號
1
2
3
4
齒數(shù)
20
90
23
156
模數(shù)（）
4
6
分度圓直徑（）
82
369
138
828
齒寬系數(shù)
0.8
0.8
0.8
0.8
齒頂高（）
6
10
齒根高（）
8
12
全齒高（）
14
22
傳動比
4.5
6.75
齒數(shù)比
4.5
6.75
中心距（）
220
483
應(yīng)力角（）
20°
5卷筒及其部件設(shè)計計算
5.1鋼絲繩的選擇
5.1.1鋼絲繩的選擇方法
絞車通過鋼絲繩升降、拽引重物。工作時鋼絲繩多層纏繞所受應(yīng)力十分復(fù)雜，加之對外界影響因素比較敏感，一旦失效，后果十分嚴重。因此應(yīng)特別重視鋼絲繩的合理選擇和實用。
鋼絲繩鋼絲繩直徑（以下簡稱繩徑）的選取，是絞車設(shè)計的第一步。直徑的選擇直接影響卷筒的直徑及相關(guān)尺寸的確定，還關(guān)系到絞車能否正常的運行。在以往起重類，絞車書目及絞車設(shè)計規(guī)范中，繩徑的選擇有兩種方法，這兩種方法是：
安全系數(shù)法 （3.1）
選擇系數(shù)法 （3.2）
式中 ——整條鋼絲繩的破斷拉力（）；
——絞車工作級別規(guī)定的最小安全系數(shù)；
——選定鋼絲繩的安全系數(shù)；
——鋼絲繩的額定拉力（）；
——鋼絲繩最小直徑（）；
——鋼絲繩選擇系數(shù)，它由機構(gòu)的工作級別、鋼絲繩是否旋轉(zhuǎn)以及吊運物品的性質(zhì)等因素有關(guān)；
——鋼絲繩最大工作拉力（）。由起升載荷（額定起重量，鋼絲繩懸掛部分的重量，滑輪組及其他吊具的重量）并考慮滑輪組效率和倍率還確定。
5.1.2安全系數(shù)法
該方法是一種靜力計算方法，間接選擇繩徑。設(shè)計時，鋼絲繩的額定拉力為已知，將額定拉力乘以規(guī)定的最小安全系數(shù)，然后從產(chǎn)品目錄中選擇一種破斷拉力不小于·的繩徑。
該方法是沿用多年的傳統(tǒng)方法，它具有簡化計算、資料系統(tǒng)、齊全、完整的特點，基本上能滿足現(xiàn)有國產(chǎn)繩徑的選擇，是一種比較成熟的選擇方法。它的不足之處就是選擇過程比較繁瑣，必須經(jīng)過多次的試算才能選出，而且是間接選擇的。
5.1.3選擇系數(shù)法
目前在工業(yè)化國家，對繩徑的選擇普遍采用這種方法。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4308（鋼絲繩的選擇）也推薦采用此方法。
這種方法能直接計算出繩徑，比間接選擇要方便的多，簡單明了而且直觀，一旦查到了選擇系數(shù)就能很容易的把繩徑計算出來。但目前兩個規(guī)范（GB/T3811-1983和GB13752-1992）上提供的選擇系數(shù)都有很大的局限性，遠遠不能滿足選擇鋼絲繩的需要。因為它們沒有把現(xiàn)有的國產(chǎn)鋼絲繩的各種規(guī)格型號，不同繩芯，不同的鋼絲抗拉強度的選擇系數(shù)統(tǒng)統(tǒng)列出來。
5.1.4鋼絲繩選擇
經(jīng)過綜合比較并查閱資料，本設(shè)計采用第一種方法即安全系數(shù)法。煤礦安全規(guī)程的規(guī)定專為升降物料用的提升鋼絲繩的安全系數(shù)不得低于6.5 。
由設(shè)計要求可求得鋼絲繩的額定拉力=15KN，鋼絲繩的破斷拉力=
選型結(jié)果：18.5ZAA 6×7+FC 1770 ZZ 521 GB/T16269-1996
主要參數(shù)如下：
鋼絲繩直徑：d=16mm
鋼絲直徑：1.2mm
鋼絲總斷面積：128.87
參考重力：1218
纏繞層數(shù) 5
容繩量 480m
鋼絲繩平均速度1.35m/s
鋼絲繩公稱抗拉強度：1550 N/
該型號的鋼絲繩具有如下的特點：
是一種鍍鉻鋼絲繩，提高了鋼絲繩的耐腐蝕性，適用于室外，潮濕的環(huán)境中；
是一種面接觸鋼絲繩，這種鋼絲繩的接觸應(yīng)力小，進一步改善了鋼絲繩的性能；
繩芯采用天然纖維芯，具有較高的撓性和彈性，纏繞時彎曲應(yīng)力較??；
采用右同向捻，鋼絲繩的撓性好，磨損小，使用壽命長，因泵房采用剛性導(dǎo)軌，克服了松散性和扭轉(zhuǎn)性。
5.1.5鋼絲繩強度校核
折減系數(shù)
鋼絲繩破斷拉力總和
5.1.6鋼絲繩在卷筒上的固定方式
鋼絲繩在卷筒上固定應(yīng)保證工作時安全可靠，便于檢查、裝拆及調(diào)整，且固定處不應(yīng)使鋼絲繩過分彎折。鋼絲繩常用的固定方式有：楔塊固定和壓板固定兩類。
1.楔塊固定
鋼絲繩通過楔塊固定在卷筒上。楔塊的斜度通常取1：4～1：5，以滿足自鎖條件。這種繩端的固定方式比較簡單，但鋼絲繩允許的直徑不能太大。
2.壓板和螺釘繩端固定裝置
鋼絲繩端從端側(cè)板預(yù)留斜孔中引出至板外，通過壓板和螺釘把繩端固定。為安全起見，壓板數(shù)目至少為兩個。這種繩端的固定方式，卷筒結(jié)構(gòu)簡單，對鑄造卷筒及鋼板焊接卷筒都適用。本設(shè)計中就采用此種固定方式。斜孔角度為45°，斜孔的邊緣倒圓角，這樣可保證鋼絲繩平緩的纏繞在卷筒上，避免了鋼絲繩的損傷。
5.1.7鋼絲繩固定端承載能力驗算
國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋼絲繩在卷筒上的安全圈數(shù)不得小于3圈。在保留兩圈的情況下，應(yīng)能承受1.25倍的鋼絲繩額定拉力。
當(dāng)鋼絲繩安全圈數(shù)不少于3圈時，固定端處的拉力可按歐拉公式計算
（3.4）
式中 ——鋼絲繩端處拉力（）；
——最大靜強度計算拉力， 為動載系數(shù)，可按表2.1進行選取，取。為鋼絲繩額定拉力（），；
——自然對數(shù)底數(shù)，；
——鋼絲繩與滾筒表面的摩擦系數(shù)，計算時??；
——鋼絲繩安全圈在卷筒上的包角，安全圈數(shù)不少于3圈。若取3圈，則。
結(jié)果
由計算可知，鋼絲繩固定端處的連接強度不容忽視。根據(jù)計算結(jié)果可計算繩端緊固件。
5.1.8鋼絲繩的出繩方向及其偏角
鋼絲繩的出繩方向一般為水平方向，并從卷筒下方出繩，這樣可以得到比較小的側(cè)翻力矩。但也可以從其他方向出繩，此時，鋼絲繩傾斜，必然要產(chǎn)生向上的分力，使地腳螺栓的受力狀態(tài)發(fā)生變化。
為了確保鋼絲繩在卷筒上纏繞均勻、對稱、排列整齊，避免堆積、松散和亂繩。鋼絲繩水平方向卷放偏角值必須符合表2.2的規(guī)定。
表3.2 卷放偏角的規(guī)定值
表3.2 卷放偏角
排繩方式
允許偏角
自然排繩
排繩器排繩
鋼絲繩的偏斜角可由導(dǎo)繩定滑輪旋轉(zhuǎn)中心線到卷筒軸線或排繩器導(dǎo)繩輪軸線的距離來保證。即
（3.4）
如果偏角過大，會造成各圈鋼絲繩之間留有較大的縫隙，當(dāng)新的一層鋼絲繩向下面一層纏繞時就會嵌壓進入鋼絲繩之間的縫隙，造成嚴重“錘擊”，很容易引起亂繩并增加鋼絲繩的磨損。如果偏角過小，則鋼絲繩纏繞到卷筒邊緣時，可能會產(chǎn)生從下向上的繩圈堆積現(xiàn)象，特別是當(dāng)導(dǎo)向定滑輪對卷筒不對中時，情況更為嚴重。當(dāng)鋼絲繩堆積上有兩三層后又突然墜落，將產(chǎn)生很大的沖擊力。這種現(xiàn)象對鋼絲繩壽命和卷筒強度都有很大影響。嚴重的堆積還會造成鋼絲繩越出卷筒段側(cè)板，引起事故。所以有必要規(guī)定一個最小的纏繞偏斜角，推薦采用
5.2卷筒的設(shè)計計算
絞車卷筒系鋼絲繩多層纏繞，所受應(yīng)力非常復(fù)雜。它作為絞車的重要零件，對絞車安全可靠的工作至關(guān)重要，應(yīng)該合理地進行設(shè)計。
圖3.1 卷筒容繩尺寸參數(shù)及結(jié)構(gòu)示意圖
5.2.1卷筒結(jié)構(gòu)
卷筒結(jié)構(gòu)形式多樣，可按下述方法分類：
按照制造方式不同可分為鑄造卷筒和焊接卷筒。鑄造卷筒應(yīng)用廣泛。絞車卷筒大多為鑄造卷筒，成本低，工藝性好，但質(zhì)量大，適用于中小型絞車。大噸位絞車一般采用鑄鋼卷筒。鑄鋼卷筒雖然承載能力較大，但成本較高，若工藝允許，可采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)。
按照卷筒纏繞層數(shù)的不同可分為單層纏繞卷筒和多層纏繞卷筒。絞車主要使用多層纏繞卷筒。
按照卷筒內(nèi)部是否帶有筋板，可分為帶筋板卷筒和不帶筋板卷筒。無論是卷筒內(nèi)的環(huán)向筋還是縱向筋，均增加了知道難度，同時在筋板和筒壁的連接處還會引起應(yīng)力集中。本次設(shè)計中不采用帶筋板卷筒。
按照結(jié)構(gòu)的整體性，卷筒可分為整體式卷筒和分體式卷筒。絞車噸位比較小時，卷筒常采用整體結(jié)構(gòu)。對較大噸位的卷筒，常做成分體裝配形式，這樣可以簡化工藝，減輕重量。本次設(shè)計的絞車，噸位較小，故采用整體式卷筒，簡化結(jié)構(gòu)和安裝工藝。
按照轉(zhuǎn)矩的傳遞方式來分，常采用端側(cè)板周邊大齒輪外嚙合式和筒端或筒內(nèi)齒輪內(nèi)嚙合式。這種卷筒的特點是卷筒軸只承受彎矩，不承受轉(zhuǎn)矩。
5.2.2卷筒節(jié)徑
卷筒節(jié)徑對筒壁和端側(cè)板的設(shè)計具有重要意義。值小，結(jié)構(gòu)自然緊湊，但單位長度上的力較大，鋼絲繩壽命低。
卷筒節(jié)徑應(yīng)滿足下式
(4.1)
式中 ——筒繩直徑比，是絞車工作級別有關(guān)的系數(shù)，范圍；
——鋼絲繩直徑（），。
結(jié)果 取整
卷筒的直徑=1200mm
5.2.3卷筒邊緣直徑
卷筒邊緣直徑即卷筒端側(cè)板。對于多層纏繞，為了防止鋼絲繩脫落，端側(cè)板直徑應(yīng)大于鋼絲繩最外層繩圈直徑。端側(cè)板直徑常用下式計算
式中 n —— 纏繞層數(shù)，n=5
——卷筒直徑（），，
——鋼絲繩直徑（），。
結(jié)果
5.2.4卷筒容繩寬度
卷筒容繩寬度，一般可按下述關(guān)系式確定
(4.2)
(4.3)
式中 H——提升高度（），H=30000；
——鋼絲繩直徑（），；
——卷筒節(jié)徑（），；
——卷筒直徑（），。
卷筒寬度 B=600mm。
絞車卷筒壁厚的設(shè)計計算中，通常卷筒長度都設(shè)計成小于其直徑的3倍，甚至小于其直徑的2倍。因為此時的鋼絲繩拉力產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的合成應(yīng)力較小，故計算卷筒強度時可忽略不計，簡化設(shè)計計算。
5.2.5卷筒筒殼厚度
材料選用灰口鑄鐵HI200
卷筒壁的強度按下式計算
(4.4)
則筒壁厚度為
(4.5)
式中 ——鋼絲繩的額定拉力（）,；
——卷筒壁環(huán)向壓縮應(yīng)力（）；
——多層纏繞系數(shù)，；
——鋼絲繩軸向卷繞節(jié)距（）,；
——卷筒材料的許用應(yīng)力（），根據(jù)小絞車工作級別，選取。
結(jié)果 ，取整
5.2.6卷筒端側(cè)板厚度
考慮到結(jié)構(gòu)尺寸、壓力、載荷等影響因素，端側(cè)板厚度計算公式為
(4.6)
式中 ——綜合影響系數(shù)，；
——端側(cè)板材料的許用應(yīng)力，。
結(jié)果
取整。
卷筒直徑大小對端側(cè)板強度影響較大，且卷筒筒壁和端側(cè)板過度處的圓角半徑對端側(cè)板強度有重要影響，所以不能取得太小。過渡圓角半徑取在范圍內(nèi)比較合適，取。
6軸的設(shè)計計算
軸是絞車中重要零件之一。其主要功能是支撐回轉(zhuǎn)運動的零件，并傳遞運動和動力。
軸通過軸承與卷筒或減速器箱體相聯(lián)，裝在軸上的零件都圍繞軸心線作回轉(zhuǎn)運動，形成了一個以軸為基礎(chǔ)的軸系部件。因此，在軸的設(shè)計中，不能只考慮軸本身，還必須計及軸系零（部）件對軸的影響。
設(shè)計軸時，應(yīng)解決的主要問題有結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩個方面的內(nèi)容。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。
軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。而對剛度較高的軸（如車床主軸）和受力大的細長軸，還應(yīng)進行剛度計算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形。對高度運轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進行振動穩(wěn)定性計算，以防發(fā)生共振而破壞。
6.1軸的材料選擇
絞車中軸的材料應(yīng)具有足夠的靜強度和疲勞強度，并具有一定的韌性、耐磨性和抗腐蝕性。選擇軸的材料時除首先滿足使用要求外，還要考慮軸材料的工藝性及經(jīng)濟性等。
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。毛坯多數(shù)用軋制圓鋼和鍛件。
碳鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，可以用熱處理或化學(xué)熱處理的方法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故而應(yīng)用廣泛，其中最常見的是45號鋼。
合金鋼比碳鋼具有更高的機械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸和重量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。
在一般工作溫度先（低于200℃），碳鋼和合金鋼的彈性模量相差不多，因此不能單為提高軸的剛度而采用合金鋼。
合金鑄鐵和球墨鑄鐵容易做成復(fù)雜的形狀，且具有價廉、良好的吸振性和耐磨性，以及對應(yīng)力集中的敏感性較低等優(yōu)點，可用于制造外形復(fù)雜的軸。
綜合考慮使用工況，載荷分布及整體的經(jīng)濟性，軸全部采用45號鋼制成，并進行調(diào)制處理。
卷筒軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該綜合考慮如下幾點：
1） 便于起吊和安裝；
2） 卷筒軸的斷面變化不應(yīng)太劇烈，并要防止其他類型的、過大的應(yīng)力集中；
3） 卷筒軸的加工和熱處理需要嚴格遵守規(guī)程，并于機械加工前在軸頭切樣檢驗，此外還應(yīng)進行探傷檢驗；
4） 卷筒軸的材料選擇最常用的45號結(jié)構(gòu)鋼，并進行調(diào)制和表面淬火處理。
6.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖6.1 輸入軸的結(jié)構(gòu)示意圖
1.輸入軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
計算及說明
結(jié)果
1）初步估算軸的直徑
由機械設(shè)計手冊查得，并加大3%以考慮階梯的影響，則
2）確定軸的結(jié)構(gòu)方案
左軸承從軸的左側(cè)裝入，靠軸肩和軸承透蓋定位。齒輪和右軸承從軸的右側(cè)裝入，齒輪左側(cè)靠軸肩定位，齒輪的右端面使用套筒進行定位。右軸承靠軸肩、套筒和軸承悶蓋進行定位。
3）確定軸各段軸的直徑及長度
段該段用于裝聯(lián)軸器，根據(jù)參數(shù)選取聯(lián)軸器型號為LX2彈性柱銷聯(lián)軸器，
段 軸間高度，孔倒角取3，，則，
段 該段將安裝圓柱滾子軸承，取，
段 該段為自由段，該段的直徑應(yīng)小于段而大于段，這樣可避免了結(jié)構(gòu)上的斷面變化劇烈和引起應(yīng)力集中；其長度根據(jù)箱體寬度和其他段的尺寸計算得到,
段 該段將安裝小齒輪，
見圖6.1
2.中間軸2結(jié)構(gòu)設(shè)計
計算及說明
結(jié)果
1）初步估算軸的直徑
由機械設(shè)計手冊查得，并加大3%以考慮階梯的影響，則
2）確定軸的結(jié)構(gòu)方案
左軸承從軸的左側(cè)裝入，靠軸肩和軸承透蓋定位。齒輪和右軸承從軸的右側(cè)裝入，齒輪左側(cè)靠軸肩定位，齒輪的右端面使用套筒進行定位。右軸承靠軸肩、套筒和軸承悶蓋進行定位。
3）確定軸各段軸的直徑及長度
段 該段將安裝圓柱滾子軸承，取，
段該段用于安裝大齒輪2，
段：該段為自由段，該段的直徑應(yīng)小于段而大于段，這樣可避免了結(jié)構(gòu)上的斷面變化劇烈和引起應(yīng)力集中；其長度根據(jù)箱體寬度和其他段的尺寸計算得到,
段該段將安裝小齒輪3，
段 該段同，選用圓柱滾子軸承，
3.輸出軸3結(jié)構(gòu)設(shè)計
計算及說明
結(jié)果
1）初步估算軸的直徑
由機械設(shè)計手冊查得，并加大3%以考慮階梯的影響，則
2）確定軸的結(jié)構(gòu)方案
左軸承從軸的左側(cè)裝入，靠軸肩和軸承透蓋定位。齒輪和右軸承從軸的右側(cè)裝入，齒輪左側(cè)靠軸肩定位，齒輪的右端面使用套筒進行定位。右軸承靠軸肩、套筒和軸承悶蓋進行定位。
3）確定軸各段軸的直徑及長度
段 該段將安裝開式小齒輪,采用冷壓或熱壓裝配，傳遞的扭矩較大，故該段的直徑應(yīng)較大，該段的長度應(yīng)略小于開式小齒輪的齒寬，以便于開式小齒輪的拆裝。
段 軸間高度，孔倒角取3，，則，
段 該段將安裝圓柱滾子軸承，取，
段該段將安裝大齒輪6，
段 該段為大齒輪的軸向定位軸肩，取
⑥ 段 該段為自由段，該段的直徑應(yīng)小于段而大于段，這樣可避免了結(jié)構(gòu)上的斷面變化劇烈和引起應(yīng)力集中；其長度根據(jù)箱體寬度和其他段的尺寸計算得到,
⑦段 該段將安裝圓柱滾子軸承,取
見圖6.3
圖6.4 卷筒軸的結(jié)構(gòu)示意圖
4．卷筒軸4結(jié)構(gòu)設(shè)計
計算及說明
結(jié)果
1）確定軸的結(jié)構(gòu)方案
滾筒軸在提升絞車中是很重要的。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接關(guān)系到整個提升絞車性能。本設(shè)計采用與開式齒輪傳動聯(lián)結(jié)的卷筒組,在減速器與卷筒之間還有開式齒輪傳動。卷筒端面與齒輪輪輻之間用精致螺栓連接，并傳遞扭矩。卷筒軸兩端支撐在滾動軸承上，是不受扭矩，只受彎矩的轉(zhuǎn)動心軸。這種結(jié)構(gòu)適用于起重量較大，提升速度較低的提升機構(gòu)中。
2）確定各軸段的直徑和長度
段 該段將安裝圓柱滾子軸承，取，
段 該段用于安裝開式大齒輪6，取
段 該段為齒輪的軸向定位軸肩，取
段 根據(jù)滾筒軸結(jié)構(gòu)上的需要。取，
段 該段用于安裝齒輪輪轂，取，
⑥ 段 該段為軸承的軸向定位軸肩，取
⑦ 段 該段用于安裝圓柱滾子軸承，取
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6.3軸的校核
1. 計算各軸齒輪作用力
計算及說明
結(jié)果
1）輸入軸
轉(zhuǎn)矩:
軸上小齒輪分度圓直徑:
圓周力:
徑向力
2）輸出軸
轉(zhuǎn)矩:
軸上小齒輪分度圓直徑:
圓周力:
徑向力
6.4軸的彎矩圖和扭矩圖
計算及說明
結(jié)果
1.輸入軸
（1）求軸承支反力
H水平面：
V垂直面：
（2）齒寬中點處彎矩
H水平面：
V垂直面：
(3)合成彎矩：
（4）按彎扭合成強度校核軸的強度
當(dāng)量彎矩，取折合系數(shù)，C處為危險截面，其處當(dāng)量彎矩為：
軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，查參考文獻《機械設(shè)計》表8.2得，由表8.7查得材料許用應(yīng)力，由式