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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
本設(shè)計(jì)是通過對液壓絞車工作原理、工作的環(huán)境和工作的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際，在進(jìn)行細(xì)致觀察后，對液壓絞車的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對組成的各元件進(jìn)行了選型、計(jì)算和校核。本絞車由進(jìn)口液壓馬達(dá)、進(jìn)口平衡閥、常閉多片式制動器、離合器、卷筒、支承軸和機(jī)架等部件組成，還可根據(jù)需要設(shè)計(jì)閥組直接集成于馬達(dá)配油器上，如帶平衡閥、高壓梭閥、調(diào)速換向閥或其它性能的閥組。液壓絞車在結(jié)構(gòu)上具有緊湊、體積小、重量輕、外型美觀等特點(diǎn)，在性能上則具有安全性好、效率高、啟動扭矩大、低速穩(wěn)定性好、噪音低、操作可靠等特點(diǎn)，在提升和下放工作中運(yùn)轉(zhuǎn)相當(dāng)平穩(wěn)，帶離合器的絞車可實(shí)現(xiàn)自由下放工況，廣泛適用于鐵道機(jī)車和汽車起重機(jī)、船舶、油田鉆采、地質(zhì)勘探、煤礦、港口等各種起重設(shè)備中。
關(guān)鍵詞：液壓絞車；計(jì)算；校核；閥組
Abstract
This design is to analyze the working principle，the working environment and the working characteristic of the hydraulic winch，and union reality，after the careful observation，I design the overall construction，and choose，compute and examine the various parts of the hydraulic winch. The winch is made up of the import hydraulic motor，import balancing valve，the brake of many pieces，coupling，reel，supporting axle and rack . Also we may design the valve group for the distributor of the motor，like with balancing valve，high-pressured shuttle valve，velocity modulation cross valve or other performance valve groups. The characteristic of the construction is compact ，small，light，beautiful and so on，the characteristic of the performance is safe，the high efficiency，the big start torque，the best low-speed stability characteristic，the low noise，the reliable operation. The winch is quite steadily in the work of promotion and relaxation ，The winch with the coupling also may release the things free ，It is popular to the railroad locomotive ，the auto hoist，the ships， the oil field of drills picks，the geological prospecting，the coal mine，the harbor and the each kind of hoisting equipment.
Key words：Hydraulic winch；Computation；Examination；Valve group
一 緒 論
1.1絞車概述
在人類歷史上，絞盤是第一種用于拖拽提升重物的機(jī)器，它可使一個人搬運(yùn)遠(yuǎn)重于自己許多倍的重物。絞盤采用一種軸和輪的形式，由用垂直框架支撐的滾筒組成，人通過用手搖動曲柄，使絞盤絞盤滾筒繞水平軸轉(zhuǎn)動（見圖1.1）。中國人遠(yuǎn)在公元前兩千年就設(shè)計(jì)出用曲拐手柄轉(zhuǎn)動的砂輪。
圖1.1 絞盤簡圖
今天被廣泛應(yīng)用的絞車（或稱卷揚(yáng)機(jī)）是絞盤的另一種形式，它泛指具有一個或幾個上面卷繞有繩索或鋼絲繩的圓筒，用來提升或拖拽重載荷的動力機(jī)械。
1.1.1 絞車分類
絞車可以采用多種分類方法。
按絞車驅(qū)動方式分類，絞車可以分為機(jī)械式驅(qū)動絞車、電機(jī)驅(qū)動絞車、氣動絞車、液壓絞車等幾大類。
1.機(jī)械式驅(qū)動絞車
①驅(qū)動部件間的固定幾何位置關(guān)系決定著系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布局，布局的變化少；
②傳動系體積尺寸大，總重量重；
③安裝布置復(fù)雜，經(jīng)常需要精密加工的平面和精密的部件定位；
④難以實(shí)現(xiàn)大范圍的無級變速；
⑤原動機(jī)的位置是不可變的；
⑥在有負(fù)載的情況下，難以取得平穩(wěn)的反轉(zhuǎn)；
⑦通過采用液力偶合器，可以在堵轉(zhuǎn)工況下產(chǎn)生最大扭矩。
2.電機(jī)驅(qū)動絞車
①在小型和低端絞車產(chǎn)品上采用常規(guī)定速電機(jī)驅(qū)動方法，能實(shí)現(xiàn)單速(或雙速)和雙向旋轉(zhuǎn)功能，系統(tǒng)簡單，但不能低速啟動和平滑變速；
②采用可控硅整流(SCR)直流調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)無級變速，發(fā)展歷史悠久，可在低速段提供短時的額定扭矩(或堵轉(zhuǎn)扭矩)。但是，若無獨(dú)立冷卻系統(tǒng)和專用設(shè)計(jì)，直流調(diào)速方式不能長時間用于堵轉(zhuǎn)工況；
③采用交流變頻調(diào)速方式實(shí)現(xiàn)從零到最大速度的無級變速，可以在低速或堵轉(zhuǎn)工況下提供100%額定扭矩，調(diào)速平穩(wěn)；
④設(shè)備復(fù)雜，維修、保養(yǎng)人員的技術(shù)水平要求較高。
3.氣動絞車
①需要配置壓縮空氣站；
②氣動系統(tǒng)工作壓力較低，氣動馬達(dá)外形尺寸較大，氣動系統(tǒng)總體重量較重；
③對環(huán)境條件敏感-在周圍環(huán)境溫度低的地方，可能有潮氣凝結(jié)在氣動管路和部件里；
④噪音大-需要噪音消音器。
4.液壓絞車
①雙向?qū)崿F(xiàn)從零到最大速度的無級變速控制，易于換向；
②用高壓溢流閥或壓力補(bǔ)償器雙向限制有效力矩；
③輸出速度范圍大，負(fù)載的低速控制好，可以帶載良好啟動；
④系統(tǒng)允許長時間支持負(fù)載，雙向可以限制不同力矩；
⑤設(shè)計(jì)緊湊，布置方便，動力傳遞系統(tǒng)總重量輕；
⑥易于實(shí)現(xiàn)恒速、恒張力控制。
按絞車應(yīng)用領(lǐng)域和使用工況分類，絞車分為礦用絞車、建工卷揚(yáng)機(jī)、船用絞車、工程機(jī)械絞車以及特殊用途用絞車等等。
按絞車作業(yè)形式分類，絞車一般分為滾筒卷揚(yáng)絞車和線型絞車兩大類。滾筒卷揚(yáng)絞車采用驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)方式收放纜繩和拖拽負(fù)載，并在滾筒上直接容繩；線型絞車采用夾鉗直線拉拔纜繩方式拖拽負(fù)載，并在獨(dú)立配置的滾筒上卷揚(yáng)容繩。
1.2液壓傳動系統(tǒng)概論
1.2.1 傳動類型及液壓傳動的定義
一部完備的機(jī)器都是由原動機(jī)、傳動裝置和工作機(jī)組成。原動機(jī)（電動機(jī)或內(nèi)燃機(jī)）是機(jī)器的動力源；工作機(jī)是機(jī)器直接對外做功的部分；而傳動裝置則是設(shè)置在原動機(jī)和工作機(jī)之間的部分，用于實(shí)現(xiàn)動力（或能量）的傳遞、轉(zhuǎn)換與控制，以滿足工作機(jī)對力（或力矩）、工作速度及位置的要求。
按照傳動件（或轉(zhuǎn)速）的不同，有機(jī)械傳動、電器傳動、流體傳動（液體傳動和氣體傳動）及復(fù)合傳動等的要求。
液體傳動又包括液力傳動和液壓傳動是以動能進(jìn)行工作的液體傳動。液壓傳動則是以受壓液體作為工作介質(zhì)進(jìn)行動力（或能量）的轉(zhuǎn)換、傳遞、控制與分配的液體傳動。由于其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，以成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備與裝置實(shí)現(xiàn)傳動及控制的重要技術(shù)手段之一。
1.2.2 液壓系統(tǒng)的組成部分
液壓傳動與控制的機(jī)械設(shè)備或裝置中，其液壓系統(tǒng)大部分使用具有連續(xù)流動性的液壓油等工作介質(zhì)，通過液壓泵將驅(qū)動泵的原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，經(jīng)過壓力、流量、方向等各種控制閥，送至執(zhí)行機(jī)器（液壓缸、液壓馬達(dá)或擺動液壓馬達(dá)）中，轉(zhuǎn)換為機(jī)械能去驅(qū)動負(fù)載。這樣的液壓系統(tǒng)一般都是由動力源、執(zhí)行器、控制閥、液壓附件及液壓工作介質(zhì)等幾部分所組成。
一般而言，能夠?qū)崿F(xiàn)某種特定功能的液壓元件的組合，稱為液壓回路。為了實(shí)現(xiàn)對某一機(jī)器或裝置的工作要求，將若干特定的基本回路連接或復(fù)合而成的總體稱為液壓系統(tǒng)。
1.2.3 液壓系統(tǒng)的類型
液壓系統(tǒng)可以按多種方式進(jìn)行分類，見表1.1。
表1-1 液壓系統(tǒng)的分類
1.2.4 液壓技術(shù)的特點(diǎn)
與其它傳動控制方式相比較，液壓傳動與控制技術(shù)的特點(diǎn)如下。
（1）優(yōu)點(diǎn)：
1）、單位功率的重量輕。
2）、布局靈活方便。
3）、調(diào)速范圍大。
4）、工作平穩(wěn)、快速性好。
5）、易于操縱控制并實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。
6）、易于自動化和機(jī)電一體化。
7）、易于操縱控制并實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。
8）、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造和使用維護(hù)方便。
（2）缺點(diǎn)：
1）、不能保證定比傳動。
2）、傳動效率低。
3）、工作穩(wěn)定性易受溫度影響。
4）、造價(jià)較高。
5）、故障診斷困難。
1.3 絞車的簡介
在起重機(jī)械中，用以提升或下降貨物的機(jī)構(gòu)稱為起升機(jī)構(gòu)，一般采用卷揚(yáng)式，而這樣的機(jī)器叫做卷揚(yáng)機(jī)又叫絞車。
卷揚(yáng)機(jī)的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)一般由驅(qū)動裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、取物裝置和安全保護(hù)裝置等組成。驅(qū)動裝置包括電動機(jī)、聯(lián)軸器、制動器、減速器、卷筒等部件。鋼絲繩卷繞系統(tǒng)包括鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪。取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、抓斗、電磁吸盤、吊具掛梁等多種形式。安全保護(hù)裝置有超負(fù)載限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保護(hù)開關(guān)等，根據(jù)實(shí)際需要配用。
卷揚(yáng)機(jī)的驅(qū)動方式有三種，分別為內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動、電動機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動。
內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的起升機(jī)構(gòu)，其動力由內(nèi)燃機(jī)經(jīng)機(jī)械傳動裝置集中傳給包括起升機(jī)構(gòu)在內(nèi)的各個工作機(jī)構(gòu)，這種驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)是具有自身獨(dú)立的能源，機(jī)動靈活，適用于流動作業(yè)。為保證各機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動，整機(jī)的傳動系統(tǒng)復(fù)雜笨重。由于內(nèi)燃機(jī)不能逆轉(zhuǎn)，不能帶載起動，需依靠傳動環(huán)節(jié)的離合實(shí)現(xiàn)起動和換向，這種驅(qū)動方式調(diào)速困難，操縱麻煩，屬于淘汰類型。目前只有少數(shù)地方應(yīng)用。
電動機(jī)驅(qū)動是卷揚(yáng)機(jī)的主要驅(qū)動方式。直流電動機(jī)的機(jī)械特性適合起升機(jī)構(gòu)的工作要求，調(diào)速性能好，但獲得直流電源較為困難。在大型的卷揚(yáng)機(jī)中，常采用內(nèi)燃機(jī)和直流發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)直流傳動。交流電動機(jī)驅(qū)動能直接從電網(wǎng)取得電能，操縱簡單，維護(hù)容易，機(jī)組重量輕，工作可靠，在電動卷揚(yáng)機(jī)中應(yīng)用廣泛。
液壓驅(qū)動的卷揚(yáng)機(jī)，由原動機(jī)帶動液壓泵，將工作油液輸入執(zhí)行構(gòu)件（液壓缸或液壓馬達(dá)）使機(jī)構(gòu)動作，通過控制輸入執(zhí)行構(gòu)件的液體流量實(shí)現(xiàn)調(diào)速。液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是傳動比大，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，操作方便，過載保護(hù)性能好。缺點(diǎn)是液壓傳動元件的制造精度要求高，液體容易泄漏。目前液壓驅(qū)動在建筑卷揚(yáng)機(jī)中獲得日益廣泛的應(yīng)用。
1.4 擬定絞車液壓系統(tǒng)圖
系統(tǒng)的工作原理及其特點(diǎn)簡要說明如圖所示：（見圖1.2）
液壓馬達(dá)2的排量切換由二位四通電磁換向閥5實(shí)現(xiàn)，控制壓力由液壓泵9來提供，為了防止下放時因超越負(fù)載作用而失速，在馬達(dá)回油路上設(shè)置了外控式平衡閥4。另外，為了提高系統(tǒng)工作可靠性，以防污染和過熱造成的故障，在回油路上設(shè)置了回油過濾器7及冷卻器8。三位四通電磁換向閥5的中位機(jī)能為K型，所以，絞車停止待命時，液壓泵可以中位低壓卸荷，有利于節(jié)能。
表1.2絞車液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序
工 況
電磁鐵
1YA
2YA
3YA
滿載卷揚(yáng)上升
-
+
-
空包下放
+
-
-
停止
-
-
+
由表1.2可知：當(dāng)電磁鐵2YA通電時，三位四通電磁換向閥5切換至右位，液壓油經(jīng)過單向閥進(jìn)入液壓馬達(dá)2，驅(qū)動滾筒卷揚(yáng)方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電磁鐵1YA通電時，負(fù)載由平衡閥支撐的同時快速下放，當(dāng)需要制動時，電磁鐵3YA通電，制動器制動 。
圖1.2
1、多片式摩擦離合器2、液壓馬達(dá)3、6、溢流閥4、外控式平衡閥
5、三位四通電磁換向閥7、回油過濾器8、冷卻器9、液壓馬達(dá)10、油箱
原始數(shù)據(jù)：
卷筒底層拉力1100kgf，馬達(dá)排量520ml/r，工作壓力16.5MPa，鋼絲繩線速度60m/min，鋼絲繩直徑8mm，鋼絲繩3層卷筒容繩量27m
二 卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)
卷揚(yáng)機(jī)方案設(shè)計(jì)的主要依據(jù)：機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式；安裝位置的限制條件和機(jī)型種類與參數(shù)匹配等。
2.1 常見卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案及分析
2.1.1 非液壓式卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)方案比較
根據(jù)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)原動機(jī)和卷筒組安裝相對位置不同，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)布置方案的基本型有并軸式和同軸式兩種。而這兩種基本型中又有單卷筒和雙卷筒之分。下面介紹幾種常見的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案。
圖2.1 并軸布置單卷筒卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)
圖2.1所示為并軸式單卷筒卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，他們的卷筒軸與原動機(jī)軸線并列平行布置，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。
為了提高取物裝置在空載或輕載時的下降速度，有的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)設(shè)置了重力下降裝置（圖2.1b）。在卷筒上裝有帶式制動器和內(nèi)漲式摩擦離合器。當(dāng)離合器分離時，驅(qū)動卷筒的動力源被切斷，卷筒處于浮動狀態(tài)，這時可利用裝在卷筒上的帶式制動器控制取物裝置以重力快速下降。
卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中一個重要問題是卷筒軸與減速器輸出軸的連接方式。圖2.1（a）、（b）所示方案，它們是把卷筒安裝在減速器輸出軸的延長部分上，從力學(xué)觀點(diǎn)看，屬于三支點(diǎn)的超靜定軸，減小了軸承受的彎矩。但是，這種結(jié)構(gòu)對安裝精度要求很高，而且使的卷筒組和減速器的裝配很不方便，減速器也不能獨(dú)立進(jìn)行裝配和試運(yùn)轉(zhuǎn)，更換軸承也較困難。然而，它的外形尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單，適用于中小型建筑機(jī)械的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)。
圖2.1（c）、（d）所示方案，卷筒組與減速器輸出端均采用了補(bǔ)償式連接。圖2.1（c）減速器的輸出軸利用齒輪連軸節(jié)與卷筒連接，且直接把動力傳遞給卷筒。圖2.1（d）是采用十字滑塊聯(lián)軸節(jié)將卷筒和減速器輸出軸連成一體，卷筒軸的右端伸入到減速器輸出軸上的聯(lián)軸節(jié)半體中心孔內(nèi)，構(gòu)成了軸的一個支點(diǎn)，輸出軸和卷筒軸均為筒支結(jié)構(gòu)，構(gòu)造緊湊，制造、安裝均有良好的分組性。
并軸布置雙卷筒卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)（圖2.2），由一臺液壓馬達(dá)通過二級齒輪減速器分別驅(qū)動裝在兩根平行軸上的主、副卷筒。在這兩個卷筒上分別裝有離合器和制動器。通過液壓操縱系統(tǒng)的控制可使主、副卷筒獨(dú)立動作，并能實(shí)現(xiàn)重力下降。
圖2.2 并軸布置雙卷筒卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)
雙卷筒集中驅(qū)動，可減少一套液壓馬達(dá)及傳動裝置。
2.1.2 卷筒軸與減速器輸出軸連接方式設(shè)計(jì)的基本原則
綜上所述，卷筒軸與減速器輸出軸連接方式設(shè)計(jì)的基本原則是：
1． 盡量避免采用多支點(diǎn)的超靜定軸。因?yàn)槎嘀С悬c(diǎn)受力復(fù)雜且軸安裝精度不易保證。
2． 優(yōu)先采用減速器輸出端直接驅(qū)動卷筒的連接方式，使卷筒軸不傳遞扭距，盡可能避免卷筒軸收彎曲和扭轉(zhuǎn)的復(fù)合作用，以減少軸的直徑。
3． 使機(jī)構(gòu)有良好的總成分組行，以利制造、安裝、調(diào)試和維修。
4． 結(jié)構(gòu)緊湊、構(gòu)造簡單，工作安全可靠。
5． 卷筒組與減速器輸出軸優(yōu)先采用補(bǔ)償式連接，這樣，在安裝時允許總成間有小量的軸向、徑向和角度位移，以補(bǔ)償安裝位置誤差和機(jī)件的變形。
2.1.3 液壓卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的分類
近年來普遍采用了行星齒輪傳動的多速卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，利用控制多泵合流和液壓馬達(dá)的串并聯(lián)或采用變量液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的多種工作速度，從而實(shí)現(xiàn)輕載高速、重載低速，提高工作效率，以滿足各種使用要求。
液壓傳動的起升機(jī)構(gòu)可分為下列幾種形式：
由于選用的液壓馬達(dá)的形式不同，液壓起升機(jī)構(gòu)可分為高速液壓馬達(dá)傳動和低速大扭矩馬達(dá)傳動兩種形式。
高速液壓馬達(dá)傳動需要通過減速器帶動起升卷筒。減速器可采用批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)減速器，通常有圓柱齒輪式，蝸輪蝸桿式和行星齒輪式減速器。這種傳動形式的特點(diǎn)是液壓馬達(dá)本身重量輕、體積小，容積效率高，生產(chǎn)成本較低。但整個液壓起升機(jī)構(gòu)重量較重，體積較大。
低速大扭矩馬達(dá)傳動可直接或通過一級開式圓柱齒輪帶動起升卷筒。雖然低速馬達(dá)本身體積和重量較大，但不用減速器，使整個液壓起升機(jī)構(gòu)重量減輕，體積減小。并使傳動簡單、零件少，起動性能和制動性能好，對液壓油的污染敏感性小。殼轉(zhuǎn)的內(nèi)曲線徑向柱塞式低速大扭矩馬達(dá)，可以裝在卷筒內(nèi)部，由馬達(dá)殼體直接帶動卷筒轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于布置。
2.1.4 液壓式行星齒輪傳動卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)布置方案
液壓多速卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)有多種布置方案，如：
1、液壓馬達(dá)、制動器和行星減速器分別布置在卷筒的兩側(cè)，即對稱布置（圖2.3）。
圖2.3 液壓卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)布置方案(一)
2、液壓馬達(dá)和制動器分別布置在卷筒的兩側(cè)，行星減速器裝在卷筒內(nèi)部（圖2.4）。
圖2.4 液壓卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)布置方案(二)
3、液壓馬達(dá)、制動器布置在卷筒同一側(cè)，行星減速器裝在卷筒內(nèi)（圖2.5）
圖2.5 液壓卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)布置方案(三)
4、 液壓馬達(dá)、制動器和行星減速器均裝入卷筒內(nèi)部（圖2.6）。
圖2.6 液壓卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)布置方案(四)
二三方案屬于同一類型，由于行星減速器裝在卷筒內(nèi)，所以體積小，結(jié)構(gòu)較緊湊，但由于卷筒內(nèi)的空間位置受到限制，要求安裝精度高，零件加工工藝復(fù)雜，軸承的選擇較困難，維修不方便。它們的不同處是制動器的安裝位置，方案二顯得對稱性好。
方案四顯然較方案二、方案三的外形尺寸更小，結(jié)構(gòu)更加緊湊。但是它除了有二、三方案中的問題外，還存在制動器和液壓馬達(dá)的散熱性極差，檢修調(diào)試也很不方便。
二、三、四方案均屬同軸式布置，即使液壓馬達(dá)和卷筒軸在同一中心線上，總成組裝時要保證規(guī)定的同心度。
5．液壓馬達(dá)、制動器和行星減速器都布置在卷筒的同一側(cè)（圖2.7）。
圖2.7 液壓卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)布置方案(五)
這種布置形式，機(jī)構(gòu)的軸向尺寸較大，維修不太方便，同時也會給總體布置帶來一定困難。但它易于加工和裝配，總成分組性較好。
2.2 本設(shè)計(jì)所采用的方案
本設(shè)計(jì)給出的馬達(dá)的排量為520ml/r，工作壓力為16.5MP，因此選用低速大扭矩馬達(dá)，采用低速方案，不選用減速器。傳動方案根據(jù)比較選用如（圖2.8）所示，多片盤式離合器安裝在馬達(dá)上，聯(lián)軸器內(nèi)置于卷筒內(nèi)。此方案整體體積小，結(jié)構(gòu)較緊湊。
圖2.8 本設(shè)計(jì)所采用的方案
2.3 卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)注意事宜
卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的方案的設(shè)計(jì)除認(rèn)真考慮以上問題外，還要酌情處理好以下事宜：
1、分配機(jī)構(gòu)總傳動比時，級差不宜過大，一般可采取從原動機(jī)至卷筒逐級降低傳動比的分配方法。
2、卷筒直徑盡量選取最小許用值，因?yàn)殡S著卷筒直徑的增加，扭矩和傳動比也隨之增大，引起整個機(jī)構(gòu)的尺寸膨脹。但在起升高度大的情況下，為了不使卷筒長度過大，有時采用加大直徑的辦法來增加卷筒的容繩量。
3、對于具有多種替換工作裝置的機(jī)械，卷筒的構(gòu)造應(yīng)能提供快速換裝的措施，如制成剖分組合式卷筒等。
4、滑輪組的倍率對機(jī)構(gòu)的影響較大。因此，滑輪組的倍率不宜取得過大。
一般當(dāng)起升載荷時，滑輪組的倍率宜取2，時，倍率取3~6，載荷量更大時，倍率可取8以上。
5、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的制動器是確保工作安全可靠的關(guān)鍵部件。支持制動器一般應(yīng)裝在扭矩最小的驅(qū)動軸上，這樣可減少制動器的尺寸。但是若采用制動力矩大、體積小結(jié)構(gòu)簡單的鉗盤式制動器時，可將其裝在卷筒的側(cè)板上，以提高卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的可靠性。
對于起吊危險(xiǎn)物品的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)置兩套制動裝置。
三 卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)組成及工作過程分析
3.1 卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的組成
根據(jù)選用的低速方案分析卷揚(yáng)機(jī)由液壓馬達(dá)、常閉多片盤式制動器、離合器、卷筒、支承軸、平衡閥和機(jī)架等部件組成。
3.2 卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)工作過程分析
3.2.1 卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的工作周期
卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)是周期性作業(yè)。一個工作周期為：啟動加速（0→a）、穩(wěn)定運(yùn)動（a→b）和制動減速（b→c）三個過程（圖2.1）。載荷由靜止?fàn)顟B(tài)被加速到穩(wěn)定工作速度（穩(wěn)定運(yùn)動）時，所經(jīng)歷的時間稱為啟動時間，從a到b經(jīng)歷的時間稱為工作時間，從b點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)動減速到靜止?fàn)顟B(tài)時所經(jīng)歷的時間稱為制動時間。啟動時間和制動時間直接影響到卷揚(yáng)機(jī)的工作過程，設(shè)計(jì)時可通過計(jì)算選取較為適合的時間。
圖3.1 卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)工作過程曲線
3.2.2 載荷升降過程的動力分析
卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)帶載作變速運(yùn)動（起動或制動）時，作用在機(jī)構(gòu)上的載荷除靜力外，還有作加速運(yùn)動（或減速運(yùn)動）質(zhì)量產(chǎn)生的動載荷。
圖3.2 重物升降過程的動力分析
（a）起升起動；（b）起升制動；（c）下降起動；（d）下降制動
1．起升起動過程
卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)帶載提升時，載荷從靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)動速度v的瞬時過程稱為起升起動過程。此時，懸掛載荷的鋼絲繩拉力（圖3.2a）為：
式中 ——起升載荷；
——由加速運(yùn)動質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力。
在起升起動時，慣性力方向與起升載荷方向相同，使鋼絲繩拉力增加。
2、起升制動過程
卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)由勻速運(yùn)動制動減速到靜止的過程稱為起升制動過程。此時，懸掛重物的鋼絲繩拉力（圖3.2b）。由于減速運(yùn)動質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力的方向與起升載荷的方向相反，故使鋼絲繩拉力減小。
3、下降啟動過程
將載荷從靜止?fàn)顟B(tài)加速下降到勻速的過程稱為下降起動過程（圖3.2c）。此時，慣性為的方向與載荷的方向相反，使鋼絲繩拉力減小，即
4.下降制動過程
卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動懸吊載荷以勻速下降時，將制動器上閘，使載荷由勻速下降減速到靜止?fàn)顟B(tài)的過程稱為下降制動過程（圖3.2d）。此時因慣性力的方向與起升載荷的方向一致，故使鋼絲繩拉力增加，即。
綜上分析可得如下結(jié)論：起升起動和下降制動是卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)最不利的兩個工作過程，起升起動時原動機(jī)要克服的阻力距是靜阻力矩與最大慣性阻力距之和。因此，原動機(jī)的起動力矩必須滿足
下降制動是制動器最不利的工作過程，所以，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)支持制動器的制動力矩應(yīng)滿足下面條件：
才能將運(yùn)動的物品在規(guī)定的時間內(nèi)平穩(wěn)的停住。
式中 ——卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動載荷勻速運(yùn)動時的靜阻力矩；
——卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)起、制動時的最大慣性阻力矩。
顯然，上述兩種工作過程是決定卷揚(yáng)機(jī)原動機(jī)和制動器性能以及對機(jī)構(gòu)的零部件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的依據(jù)。
四 卷揚(yáng)機(jī)卷筒的設(shè)計(jì)和鋼絲繩的選用
4.1 卷揚(yáng)機(jī)卷筒的設(shè)計(jì)
4.1.1 卷揚(yáng)機(jī)卷筒組的分類和特點(diǎn)
卷筒是起升機(jī)構(gòu)中卷繞鋼絲繩的部件。常用卷筒組類型有齒輪連接盤式、周邊大齒輪式、短軸式和內(nèi)裝行星齒輪式。
齒輪連接盤式卷筒組為封閉式傳動，分組性好，卷筒軸不承受扭矩，是目前橋式起重機(jī)卷筒組的典型結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是檢修時需沿軸向外移卷筒。
周邊大齒輪式卷筒組多用于傳動速比大、轉(zhuǎn)速低的場合，一般為開式傳動，卷筒軸只承受彎矩。
短軸式卷筒組采用分開的短軸代替整根卷筒長軸。減速器側(cè)短軸采用鍵與過盈配合與卷筒法蘭盤剛性連接，減速器通過鋼球或圓柱銷與底架鉸接；支座側(cè)采用定軸式或轉(zhuǎn)軸式短軸，其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，調(diào)整安裝比較方便。
內(nèi)裝行星齒輪式卷筒組輸入軸與卷筒同軸線布置，行星減速器置于卷筒內(nèi)腔，結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，但制造與裝配精度要求較高，維修不便，常用于結(jié)構(gòu)要求緊湊、工作級別為M5以下的機(jī)構(gòu)中。
根據(jù)鋼絲繩在卷筒上卷繞的層數(shù)分單層繞卷筒和多層繞卷筒。由于本設(shè)計(jì)的卷繞層數(shù)為三層，因此采用多層卷筒。根據(jù)鋼絲繩卷入卷筒的情況分單聯(lián)卷筒（一根鋼絲繩分支繞入卷筒）和雙卷筒（兩根鋼絲繩分支同時繞入卷筒）。單聯(lián)卷筒可以單層繞或多層繞，雙聯(lián)卷筒一般為單層繞。起升高度大時，為了減小雙聯(lián)卷筒長度，有將兩個多層繞卷筒同軸布置，或平行布置外加同步裝置的實(shí)例。
多層卷筒可以減小卷筒長度，使機(jī)構(gòu)緊湊，但鋼絲繩磨損加快，工作級別M5以上的機(jī)構(gòu)不宜使用。
4.1.2 卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)卷揚(yáng)機(jī)工作狀況和起升載荷確定卷揚(yáng)機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工作級別，根據(jù)表查得汽車、輪胎、履帶、鐵路起重機(jī)，安裝及裝卸用吊鉤式，利用等級T5，載荷情況L2，工作級別M5。
1． 卷筒名義直徑D
式中——卷筒直徑比，由表選取;
——卷筒名義直徑（卷筒槽底直徑）（mm）;
——鋼絲繩直徑(mm);
根據(jù)卷揚(yáng)機(jī)工作級別M5選用=25，根據(jù)已知得=8mm,把數(shù)值代入式中得
=（25-1）*8=192mm
根據(jù)所得的數(shù)據(jù)選卷筒名義直徑=200mm。
卷筒最小直徑的計(jì)算：
Dmin=hd
式中 Dmin——按鋼絲繩中心計(jì)算的滑輪的最小直徑 mm:
d——鋼絲繩直徑 mm;
h——系數(shù)值；
根據(jù)機(jī)構(gòu)工作級別為F，因此取系數(shù)值為18；
Dmin=18×8=144
D＞Dmin
所以卷筒直徑符合條件。
2． 卷筒長度L確定
由于采用多層卷繞卷筒L，由下式
式中——多層卷繞鋼繩總長度（mm）；
根據(jù)已知卷筒容繩量為27m，所以=27m，
把數(shù)據(jù)代入式中得
=195.5mm
取多層卷繞卷筒長度=200mm。
3、繩槽的選擇
單層卷繞卷筒表面通常切出導(dǎo)向螺旋槽，繩槽分為標(biāo)準(zhǔn)槽和深槽兩種形式，一般情況都采用標(biāo)準(zhǔn)槽。當(dāng)鋼絲繩有脫槽危險(xiǎn)時（例如起升機(jī)構(gòu)卷筒，鋼絲繩向上引出的卷筒）以及高速機(jī)構(gòu)中，采用深槽。
多層卷繞卷筒表面以往都推薦做成光面，為了減小鋼絲繩磨損。但實(shí)踐證明，帶螺旋槽的卷筒多層卷繞時，由于繩槽保證第一層鋼絲繩排列整齊，有利于以后各層鋼絲繩的整齊卷繞。光面卷筒極易使鋼絲繩多層卷繞時雜亂無序，由此導(dǎo)致的鋼絲繩磨損遠(yuǎn)大于有繩槽的卷筒。
帶繩槽單層繞雙聯(lián)卷筒，可以不設(shè)擋邊，因?yàn)殇摻z繩的兩頭固定在卷筒的兩端。多層繞卷筒兩端應(yīng)設(shè)擋邊，以防止鋼絲繩脫出筒外，檔邊高度應(yīng)比最外層鋼絲繩高出。
（1）繩槽半徑根據(jù)下式
取R=0.5d
把數(shù)值代入得
R=0.5×8=4mm
繩槽節(jié)距P=d+（2～4）mm
取P=8+2=10mm
繩槽深度h=（0.25～0.4）d
取h=0.35d=0.35×8=2.8
圖4.1繩槽的放大示意圖
（2）卷筒上有螺旋槽部分長
式中——=，卷筒計(jì)算直徑，由鋼絲繩中心算起的卷筒直徑（mm）；
——1.5，為固定鋼絲繩的安全圈數(shù)。取2；
把數(shù)據(jù)代入式中得
=167.8mm
由此可取 =170mm。
（3）繩槽表面精度：2級——值12.5。
4、卷筒壁厚
初步選定卷筒材料為鑄鐵卷筒，根據(jù)鑄鐵卷筒的計(jì)算式子：
mm
把數(shù)值代入式中有
=0.02D+8=12mm
故選用=12mm。
5、鋼絲繩允許偏角
鋼絲繩繞進(jìn)或繞出卷筒時，鋼絲繩偏離螺旋槽兩側(cè)的角度推薦不大于3.5o。
對于光面卷筒和多層繞卷筒，鋼絲繩與垂直于卷筒軸的平面的偏角推薦不大于 2o，以避免亂繩。
布置卷繞系統(tǒng)時，鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽的最大偏角推薦不大于5o，以避免槽口損壞和鋼繩脫槽。
6、卷筒強(qiáng)度計(jì)算
卷筒在鋼絲繩拉力作用下，產(chǎn)生壓縮，彎曲和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，其中壓縮應(yīng)力最大。當(dāng)時，彎曲和扭轉(zhuǎn)的合成應(yīng)力不超過壓縮應(yīng)力的，只計(jì)算壓應(yīng)力即可。當(dāng)時，要考慮彎曲應(yīng)力。對尺寸較大，壁厚較薄的卷筒還需對筒壁進(jìn)行抗壓穩(wěn)定性驗(yàn)算。
由于所設(shè)計(jì)的卷筒直徑=200mm，=200mm， 。所以只計(jì)算壓應(yīng)力即可。
卷筒筒壁的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在筒壁的內(nèi)表面壓應(yīng)力按下式計(jì)算：
式中——卷筒壁壓應(yīng)力（MPa）；
——鋼絲繩最大靜拉力（N）；
——應(yīng)力減小系數(shù)，在繩圈拉力作用下，筒壁產(chǎn)生徑向彈性變形，使繩圈緊度降低，鋼絲繩拉力減小，一般取；
——多層卷繞系數(shù)。多層卷繞時，卷筒外層繩圈的箍緊力壓縮下層鋼絲繩，使各層繩圈的緊度降低，鋼絲繩拉力減小，筒壁壓應(yīng)力不與卷繞層數(shù)成正比按表取值；
——許用壓應(yīng)力，對鑄鐵，為鑄鐵抗壓強(qiáng)度極限，對鋼，為鋼的屈服極限。
取，按表取，根據(jù)已知卷筒底層拉力1100kgf，可算得，把各數(shù)代入式中：
=121.4MP
根據(jù)所計(jì)算的結(jié)果查得卷筒的材料為球墨鑄鐵，其抗壓強(qiáng)度極限，，=121.36MP<,因此材料選用合格。
4.2 鋼絲繩的選擇
鋼絲繩的選擇包括鋼絲繩結(jié)構(gòu)型式的選擇和鋼絲繩直徑的確定
繞經(jīng)滑輪和卷筒的機(jī)構(gòu)工作鋼絲繩應(yīng)優(yōu)先選用線接觸鋼絲繩。在腐蝕性環(huán)境中應(yīng)采用鍍鋅鋼絲繩。鋼絲繩的性能和強(qiáng)度應(yīng)滿足機(jī)構(gòu)安全和正常工作的要求。根據(jù)此絞車的工作環(huán)境，在這里選用線接觸鋼絲繩。
鋼絲繩的直徑為已知d=8mm。
五 液壓馬達(dá)和平衡閥的選擇
5.1 液壓馬達(dá)的選用與驗(yàn)算
5.1.1 液壓馬達(dá)的分類及特點(diǎn)
起重機(jī)的常用液壓馬達(dá)分為高速液壓馬達(dá)和低速液壓馬達(dá)。高速液壓馬達(dá)的主要性能特點(diǎn)是負(fù)載速度低、扭矩小、體積緊湊、重量輕，但在機(jī)構(gòu)傳動中需與相應(yīng)的減速器配套使用，以滿足機(jī)構(gòu)工作的低速重載要求，其他的特點(diǎn)與同類的液壓泵相同，較多應(yīng)用的有擺線齒輪馬達(dá)，軸向柱塞馬達(dá)。低速液壓馬達(dá)的負(fù)載扭矩大、轉(zhuǎn)速較低、平穩(wěn)性較好，可直接或只需一級減速驅(qū)動機(jī)構(gòu)，但體積和重量較大。內(nèi)曲線徑向柱塞或球塞馬達(dá)和軸向球塞式馬達(dá)是較常用的型式。
液壓馬達(dá)在使用中并不是泵的逆運(yùn)轉(zhuǎn)，它的效率較高，轉(zhuǎn)速范圍更大，可正、反向運(yùn)轉(zhuǎn)，能長期承受頻繁沖擊，有時還承受較大的徑向負(fù)載。因此，應(yīng)根據(jù)液壓馬達(dá)的負(fù)載扭矩、速度、布置型式和工作條件等選擇液壓馬達(dá)的結(jié)構(gòu)型式、規(guī)格和連接型式等。
5.1.2 液壓馬達(dá)的選用
根據(jù)已知液壓馬達(dá)的工作壓力為16.5MP，總排量520ml/r，初選液壓馬達(dá)的型號為JMQ—23型低速大扭矩葉片馬達(dá)，參數(shù)見（表5—1）。
型號
排量
（ml/r）
壓力
（Mp）
轉(zhuǎn)速（r/min）
效率
轉(zhuǎn)矩（N/m）
JMQ—23
604
額定
最高
額定
最高
容積效率
總效率
1440
16
20
75
400
0.95
0.85
表5-1 YM630型葉片馬達(dá)參數(shù)
5.1.3 馬達(dá)的驗(yàn)算
（1） 滿載起升時液壓馬達(dá)的輸出功率
（kw）
式中——起升載荷動載系數(shù)，因液壓馬達(dá)不具有電動機(jī)的過載能力而馬達(dá)
工作壓力又受系統(tǒng)壓力限制，一般取=1.15~1.3；
——額定起升載荷（N）
——物品起升速度（m/s）
——機(jī)械總效率，初步計(jì)算時，取0.8~0.85。
額定起升載荷根據(jù)下式計(jì)算
式中——鋼絲繩自由端拉力（N）；
——滑輪組倍率。
根據(jù)已知=10787.7N。一般當(dāng)起升載荷時，滑輪組倍率宜取2，時，倍率取3~6，載荷量更大時，倍率可取8以上。因此，。
把數(shù)值代入到式子中得：
=21575.4N
物品提升速度按下式計(jì)算
式中——鋼絲繩線速度（m/min）
由已知得=60m/min，把數(shù)值代入得：=0.5m/s
根據(jù)需要選取=1.3，機(jī)械總效率取=0.85，卷筒機(jī)械效率=0.97，=0.5m/s， =21575.4N，把數(shù)據(jù)代入式中得：
=17.009kw
（2） 滿載起升時液壓馬達(dá)輸出扭矩
式中——減速器傳動比；
——鋼繩在卷筒上的卷繞層數(shù)。
其余符號同以前式子。
由于已知為大排量馬達(dá)，選用低速方案。因此不采用減速器，所以=1。又由已知卷筒鋼絲繩卷繞三層，故=3。
把所有數(shù)值代入式子中得：
=1004.845
所選用的馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)矩為=1440，因?yàn)?，所以選用的馬達(dá)轉(zhuǎn)矩符合要求。
（3） 計(jì)算液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和輸入油量
根據(jù)
式中各符號同以前的式子。
把數(shù)值代入式中得：
=176.4 r/min
計(jì)算馬達(dá)的輸入油量用下式
式中——液壓馬達(dá)的排量（ml/r）；
——液壓馬達(dá)容積效率。
馬達(dá)的排量根據(jù)已知得=520 ml/r， 根據(jù)下式計(jì)算：
式中——液壓馬達(dá)總效率；
——液壓馬達(dá)機(jī)械效率。
根據(jù)表查得取0.85，取0.9。
把數(shù)代入式中得：
=0.95
把所計(jì)算的數(shù)據(jù)代入式中得：
=
選用的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速范圍為r/min，由于計(jì)算得=88.5 r/min，所以馬達(dá)的轉(zhuǎn)速符合要求。
5.2 平衡閥的計(jì)算與選用
5.2.1 平衡閥的功能簡介
平衡閥用于液壓執(zhí)行元件承受物體重力的液壓系統(tǒng)。在物體下降時，重力形成動力性負(fù)載，反驅(qū)動液壓執(zhí)行元件按重力方向或重力所形成的力矩方向運(yùn)動，平衡閥在執(zhí)行元件的排油腔產(chǎn)生足夠的背壓，形成制動力或制動力矩，使執(zhí)行元件作勻速運(yùn)動，以防止負(fù)載加速墜下。
5.2.2 平衡閥的選用
根據(jù)已知的馬達(dá)的排量、工作壓力和計(jì)算所得的泵的流量選用型平衡閥，所代表的意義和閥的外型結(jié)構(gòu)見（圖5.1）和（圖5.2）。
圖5.1 型號所代表的意義
圖5.2 平衡閥的外型結(jié)構(gòu)
1—控制口；2—監(jiān)測口；3—法蘭固定螺釘；4—蓋板；
5—可選擇的B孔；6—標(biāo)牌；7—O型圈
六 制動器的設(shè)計(jì)與選用
6.1 制動器的作用、特點(diǎn)及動作方式
制動器是用于機(jī)構(gòu)或機(jī)器減速或使其停止的裝置，有時也用作調(diào)節(jié)或者限制機(jī)構(gòu)或機(jī)器的運(yùn)動速度，它是保證機(jī)構(gòu)或機(jī)器安全正常工作的重要部件。
為了減小制動力矩，縮小制動器尺寸，通常將制動器裝在機(jī)構(gòu)的高速軸上，或減速器的輸入軸上。
按所需應(yīng)用制動器的機(jī)構(gòu)的工作性質(zhì)和條件，對于起重機(jī)構(gòu)的起升和變幅機(jī)構(gòu)都必須采用常閉式制動器。卷揚(yáng)機(jī)屬起重類機(jī)械的起升機(jī)構(gòu)由于工作需要，因此采用常閉式制動器。
由于卷揚(yáng)機(jī)應(yīng)用的場合和安裝制動地點(diǎn)的空間受限因此選用盤式制動器。盤式制動器的工作原理是利用軸向壓力使圓盤或圓錐形摩擦表面壓緊，實(shí)現(xiàn)制動。制動輪軸不受彎曲。其優(yōu)點(diǎn)是：
1． 制動轉(zhuǎn)矩大，且可調(diào)范圍大，制動平穩(wěn)可靠，動作靈敏保養(yǎng)維修方便。
2． 頻繁制動時，無沖擊。由于制動襯塊（片）與制動盤接觸面積小，制動盤工作表面積大部分暴露在大氣中，散熱能力強(qiáng)，特別是采用有通風(fēng)道的制動盤，效果更顯著，而且制動盤對制動襯塊（片）無摩擦助勢作用，無塊式制動器的熱衰退現(xiàn)象（由于溫升制動轉(zhuǎn)矩下降），從而得到穩(wěn)定的制動性能。從安全的角度考慮，盤式制動器是最合適的制動器。
3． 防塵和防水性能好，制動盤上的灰塵和水等污物易被制動盤甩掉，當(dāng)浸水時制動性能降低，出水后僅制動一、二次就能很快恢復(fù)正常。
4． 制動盤沿厚度方向變形量比制動輪徑向變形量小的多，易實(shí)現(xiàn)小間隙和磨損后的制動補(bǔ)償，腳踏式的踏板行程變化也較小。
5． 轉(zhuǎn)動慣量小，體積小、重量輕。
其主要缺點(diǎn)有：制動襯塊（片）的摩擦面積小，比壓大，對制動襯塊（片）材質(zhì)要求較高，徑向（或軸向）尺寸稍大，價(jià)格也稍貴。
制動器按動作方式分為自動作用式、操縱式和綜合式三種。常閉制動器在彈簧推力作用下經(jīng)常處于制動狀態(tài)，機(jī)構(gòu)工作時，用松閘裝置松閘或自動通電松閘。本設(shè)計(jì)的卷揚(yáng)機(jī)借于外形尺寸與價(jià)格方面原因采用自動作用式制動器。自動作用式制動器當(dāng)機(jī)構(gòu)斷電或油路切斷時，不依賴操作人員的意識彈簧使制動器自動抱閘；當(dāng)機(jī)構(gòu)通電或油路供油時，自動松閘，自動作用式制動器保證機(jī)構(gòu)有更高的安全性。制動轉(zhuǎn)矩調(diào)定后基本不變，但用于載荷變化大的機(jī)構(gòu)時制動欠平穩(wěn)。
6.2 制動器的設(shè)計(jì)計(jì)算
6.2.1 制動轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
制動轉(zhuǎn)距應(yīng)滿足以下要求：
式中——制動器制動轉(zhuǎn)矩;
——制動安全系數(shù)，與機(jī)構(gòu)重要程度和機(jī)構(gòu)工作級別有關(guān)；
——卷筒卷繞直徑（mm）。
——機(jī)械效率；
其他各符號同以前的式子。
按表查得1.75，根據(jù)計(jì)算得 =208mm，把各數(shù)值代入到式子中得：
=1430.45
由此可知制動器制動轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于1430.45。
6.2.2 制動盤的設(shè)計(jì)選用
1． 選標(biāo)準(zhǔn)制動盤
根據(jù)主機(jī)的具體要求和盤式制動器的類型按表選標(biāo)準(zhǔn)直徑和結(jié)構(gòu)形式的制動
盤。按工作情況選擇有通風(fēng)道的制動盤。選取型號為：
——型直線通風(fēng)道制動盤
220——外徑（mm）
30——厚度（mm）
80——軸孔直徑（mm）
50——輪轂長度（mm）
6.2.3 制動盤有效摩擦直徑計(jì)算
根據(jù)配套主機(jī)的負(fù)載所需制動轉(zhuǎn)矩，校核制動盤的有效摩擦直徑：
式中——制動盤有效摩擦直徑（mm）；
——制動塊的數(shù)目，一對時取2；
A——一個制動襯塊（片）的設(shè)計(jì)面積（mm）；
[p]——制動襯塊（片）的許用比壓力；
——動摩擦系數(shù)，根據(jù)摩擦材料選擇；
K——制動安全系數(shù)。
根據(jù)工作狀況選用摩擦材料為油浸石棉帶，脂潤滑，潤滑效果好，按表選取=0.1，[p]=0.6，K取1.5，由于制動塊的數(shù)目有6對，所以Z取12，制動片的設(shè)計(jì)面積按下式計(jì)算：
式中——摩擦盤外徑（mm）；
——摩擦盤內(nèi)徑（mm）。
按選用的標(biāo)準(zhǔn)制動盤尺寸把數(shù)值代入式子得 =0.013。
把所有數(shù)值代入式子，得：
=90.8mm
6.2.4 制動器散熱的驗(yàn)算
當(dāng)制動器摩擦面溫度過高時，摩擦系數(shù)降低，摩擦襯墊加速磨損，不能保持穩(wěn)定和需要的制動力矩。制動器的發(fā)熱驗(yàn)算在于檢驗(yàn)制動器在最高許用溫度下散發(fā)的熱量是否大于制動器產(chǎn)生的熱量，即
式中——制動器每小時散發(fā)的熱量（J）；
——制動器每小時產(chǎn)生的熱量（J）。
1、制動器每小時的散熱量
式中——制動輪（盤）制動表面的輻射系數(shù)，可取光亮的鋼表面輻射系數(shù)，；
——制動輪（盤）制動表面以外的表面輻射系數(shù)，可取粗糙氧化的鋼表面輻射系數(shù)，；
——制動輪（盤）制動表面積減去制動襯片的面積；
——制動輪制動表面積以外的表面積；
——制動襯片的許用溫度（）；
——周圍環(huán)境溫度，一般取，高溫車間??；
——自然對流散熱系數(shù)，；
——扣除制動襯片遮蓋后的制動輪（盤）外露面積；
——機(jī)構(gòu)的接電持續(xù)率；
、、、——制動輪（盤）各部分表面積的強(qiáng)迫散熱系數(shù)，與各部分表面積的圓周速度有關(guān)，；
、、、——相對應(yīng)的制動輪（盤）表面積；
——各部分散熱面積的圓周速度（m/s）。
2． 制動器每小時的發(fā)熱量
起升機(jī)構(gòu)停止式制動器每小時制動的發(fā)熱量
上升制動時，由于物品和吊具的重量起制動作用，制動器的發(fā)熱量很小，通常忽略不計(jì)。
下降制動時，機(jī)構(gòu)的全部動能（包括旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動的質(zhì)量）和物品吊具減小的勢能轉(zhuǎn)換為制動器的發(fā)熱：
式中——換算到制動輪軸的機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量（包括所有回轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動部分）；
——制動輪軸在制動開始時的角速度；
P——平均起升重量（N）；
S——下降制動距離（m）；
——機(jī)構(gòu)傳動效率；
——機(jī)構(gòu)每小時下降制動次數(shù)；
——熱功當(dāng)量。
把已知各量和從表中查得的各量代入式中，最后得：
=170.435
=156.768
>
驗(yàn)證發(fā)熱量合格。
圖6.1 盤式制動器制動盤受力圖
6.2.5 全盤式制動器設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)公式：
軸向推力
摩擦盤有效面直徑
當(dāng)時，可取
式中——計(jì)算制動轉(zhuǎn)矩 ；
、——摩擦面的外、內(nèi)半徑cm 全盤式取；
——軸向推力；
——摩擦副數(shù)目；
——摩擦系數(shù)。
根據(jù)前面的計(jì)算=84mm，=56mm，，所以取==7.47cm
把數(shù)值代入前式得：
=8.5KN
根據(jù)所計(jì)算的軸向推力來取制動所用的電磁鐵和彈簧。
七 軸的設(shè)計(jì)
軸的設(shè)計(jì)和其他零件的設(shè)計(jì)相似，包括材料的選用、工作能力的計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾方面的內(nèi)容。
7.1 軸的材料
由于碳鋼比合金鋼價(jià)廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學(xué)熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度，故采用碳鋼制造的軸尤為廣泛，因此軸的材料選擇45號鋼并采用正火處理。
7.2 軸的工作能力的計(jì)算
軸的工作能力的計(jì)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計(jì)算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強(qiáng)度，這時需對軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細(xì)長軸，還應(yīng)進(jìn)行剛度計(jì)算，以防止工作時產(chǎn)生過大的彈性變形，對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸，還需進(jìn)行振動穩(wěn)定性計(jì)算，以防止發(fā)生共振而破壞。
1、求出軸上的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩
由于軸通過聯(lián)軸器和馬達(dá)直接相連，故
，
式中——馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)矩（）；
——馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速（）。
把數(shù)值代入式中得：
2、求作用在軸上的各作用力
由于軸帶動聯(lián)軸器、卷筒轂和離合器轉(zhuǎn)動方案見（圖7.1），因此，軸只受扭矩作用，由于軸除受自身重力和軸上各部件的壓力外不再受徑向力作用，因此軸所受的徑向力可忽略不記.分析如圖（7.2）
圖7.1 本設(shè)計(jì)軸的裝配方案
圖7.2軸的載荷分析圖
3、初步確定軸的最小直徑
根據(jù)式子
式中——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 （）；
——軸所受的扭矩（）
——軸的抗扭截面系數(shù)（）；
——軸的轉(zhuǎn)速（r/min）；
——軸傳遞的功率（）；
——計(jì)算截面處軸的直徑（mm）；
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力（）。
由上式得軸的直徑
=
根據(jù)軸的選用材料查表得=，把數(shù)據(jù)代入式中得
=52.47mm
當(dāng)軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強(qiáng)度的削弱，對于直徑的軸如有多個鍵槽時，應(yīng)增大為，故=59.03mm。
輸出軸的最小直徑顯然是安裝離合器處軸的直徑，為了使所選的軸的直徑與離合器的孔徑及液壓馬達(dá)的軸徑相適應(yīng)，故需同時選取離合器的型號，綜合考慮以上幾種因素選取d=60mm。
5、校核軸的強(qiáng)度
按下式計(jì)算
式中——軸的計(jì)算應(yīng)力（）；
M——軸所受的彎矩（）；
T——軸所受的扭矩（）；
W——軸的抗彎截面系數(shù)（）；
——折合系數(shù)；
——對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力。
由于本設(shè)計(jì)中軸只受扭矩的作用因此，由下式計(jì)算：
圖7.3 抗彎、抗扭計(jì)算截面圖
軸的抗彎截面系數(shù)依照（圖7.3）
按下式計(jì)算：
把數(shù)帶入式中計(jì)算得：
其中b=18，t=5.6
=
折合系數(shù)當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，把計(jì)算的值和已知的值代入式中得：
根據(jù)軸的材料按表選=255。因此，故安全。
7.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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，定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。
7.3.1 擬定軸上零件的裝配方案
軸的結(jié)構(gòu)形式與軸上主要零件的位置及裝配方案有關(guān)。確定裝配方案就是定出軸上主要的裝配方向、順序及相互關(guān)系。擬定裝配方案時，一般要考慮幾個方案，分析比較后選定。本設(shè)計(jì)的方案如（圖8.1）。
裝配方案為摩擦片離合器、軸承、軸承端蓋、支架、卷筒轂、卷筒按從左到右的方向裝配，左端為卷筒、套筒、多盤式摩擦制動器按從左到右方向裝配。
7.3.2 根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長度
（1）按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩及最小軸徑選取孔徑為60mm的多片式摩擦離合器，與之相匹配的選取最小軸徑=60mm，與軸配合的轂孔長度l=70mm，所以取=153mm。
（2）初步選擇滾動軸承，因軸承同時受有徑向力和軸向力的作用，故選用角接觸球軸承，根據(jù)軸徑及軸承標(biāo)準(zhǔn)，由設(shè)計(jì)手冊中初步選取7313C，其尺寸為d×D×B=65×140×33，所以取=65mm，=32mm。
（3）由卷筒轂的寬度及軸承定位需要一定的軸肩，取=84mm，=47mm。同時根據(jù)卷筒的寬度和卷筒轂的寬度取=92mm，=136mm，同理=84mm，=45mm。
（4）根據(jù)選擇的多盤式摩擦制動器及在軸上安裝的位置選取=80mm，=166mm。
（5）根據(jù)軸承取=65mm，=34mm。
至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
7.3.3 軸上零件的周向定位
制動器、卷筒輪轂和離合器與軸的周向定位均采用平鍵連接。由于連接制動器、卷筒輪轂和離合器的軸的工作狀況都一樣，所以采用的鍵的類型都一樣。卷筒輪轂的鍵由設(shè)計(jì)手冊查得平鍵截面，鍵槽用鍵槽銑刀加工，鍵長32mm（標(biāo)準(zhǔn)鍵長），輪轂與軸的配合公差為H8/f7，離合器與軸聯(lián)接，選用平鍵18mm×11mm×63mm，離合器與軸配合為H8/f7，制動器與軸連接，選用平鍵22mm×12mm×70mm、制動器與軸配合為H8/f7。滾動軸承與軸的周向定位是借過渡配合來保證的，此處選軸的直徑尺寸公差為f7。
八 離合器的設(shè)計(jì)與選用
8.1 離合器的功用、特點(diǎn)與分類
離合器是一種通過各種操縱方式，實(shí)現(xiàn)主從動部分在同軸線上傳遞運(yùn)動和動力時具有接合或分離功能的裝置。離合器有各種不同的用途，根據(jù)原動機(jī)和工作機(jī)之間或機(jī)械中各部件之間的工作要求，離合器可以實(shí)現(xiàn)相對起動或停止，以及改變傳動件的工作狀態(tài)，達(dá)到改變傳動比，如傳動件之間相對同步或超越運(yùn)動。此外，離合器還可以作為起動或過載時控制傳遞轉(zhuǎn)矩大小的安全保護(hù)裝置等。
按離合器接合元件傳動的工作原理，可分為嵌合式離合器和摩擦式離合器，按實(shí)現(xiàn)離、合動作的過程可分為操縱式和自控式，按離合器的操縱方式，則可分為機(jī)械式、氣壓式、液壓式和電磁式等，按結(jié)構(gòu)還可分為多種不同的形式。
1． 對離合器的基本要求
（1） 離、合迅速，平穩(wěn)無沖擊，分離徹底，動作準(zhǔn)確可靠。
（2） 結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，慣性小，外形尺寸小，工作安全，效率高。
（3） 接合元件耐磨性高，使用壽命長，散熱條件好。
（4） 操縱方便省力，制造容易，調(diào)整維修方便。
2． 影響離合器選擇的因素
（1） 原動機(jī)的啟動性能
（2） 離合器的受載特性
（3） 接合元件的性質(zhì)
（4） 操縱方式
（5） 環(huán)境條件
3． 離合器的選擇和工作性能參數(shù)
（1） 離合器的型式
（2） 離合器的工作容量
（3） 摩擦功和溫升
（4） 接合元件的使用壽命
（5） 離合器的轉(zhuǎn)速和影響性
按要求，本設(shè)計(jì)采用機(jī)械操縱式多片圓盤摩擦離合器，屬摩擦式離合器。