液压起锚绞车的设计

1液压起锚绞车的设计摘 要： 本设计针对船用液压起锚绞车控制阀进行改进设计，采用定量泵双向液压马达回路，手动阀换向，双溢流阀安全保护，油路结构简单、可靠。可推广至其他内河船上起锚和系泊作业设备中。通过对定量泵双向液压马达回路基本原理的研究及公式的推导，验证了定量泵 双向液压马达回路的连接方式的优点，确定了研究方向，进而通过对液压与气压传动 、 机械设计 、 机械原理 、 现代机械设计方法等有关基础书籍的学习与研究，经过大量的研究与计算，设计出了该组合控制阀的基本外形及尺寸，最终通过相关技术书籍和指导老师的耐心指导，确定了该设计的形状、尺寸及加工工艺。并通过 CAD 软件进行工程图绘制与修改。关键词：液压起锚绞车；定量泵双向液压马达回路；手动阀换向回路；双溢流阀安全保护回路；组合控制阀；设计；CAD。 The design of the hydraulic anchorAuthor: Zhang MitaoTutor: Chen Wenkai(Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: This design for Marine hydraulic control valves to improve the anchor design, by using the quantitative pump-two-way hydraulic motor loop, manual directional control valve, double relief valve safety protection, simple structure, reliable oil. Can be generalized to other inland ship sailed and and mooring homework equipment. Through to the quantitative pump-two-way hydraulic motor loop of the research and the basic principle of the formula deduction, verify the quantitative pump-two-way hydraulic motor loop connection of advantage, determine the research direction, and then by the hydraulic and pneumatic transmission “, “the mechanical design“, “the mechanical theory“, “modern machine design method“ and other relevant basic books the study and research, after a great deal of research and computation, design the combination of the basic shape and size control valve, and finally through the related technical books and guide teacher patience guidance, to determine the design of the shape, size and processing technology. And through the CAD software engineering chart drawing and modification.Keywords: Hydraulic capstan winch; Quantitative pump hydraulic motor circuit; Manual valve 2circuit; Double overflow valve safety protection circuit; Combined control valve; Design; CAD.1 引言近年来由于近岸工程的迅速发展，为了满足河内开发和近岸工程的发展的需要，在一般的小吨位内河船上，开始采用液压或者电动的起锚绞车来进行起锚、抛锚和泊系作业，来提高作业效率和降低船舶操作人员的劳动强度。内河船用起锚绞车具有起锚和泊系作业能力，一机两用，节省设备，增大船舶的使用空间。由于以往在小吨位的船舶上配置的大多是手动的起锚绞车，他们面临着被更新换代的趋势，因此液压起锚绞车在内河船上具有较大的市场潜力。本文就笔者所研发的内河船用起锚绞车进行简单的介绍。2 绪论2.1 液压传动系统概论2.1.1 传动类型及液压传动的定义一部完备的机器都是由原动机、传动装置和工作机组成。原动机（电动机或内燃机）是机器的动力源；工作机是机器直接对外做功的部分；而传动装置则是设置在原动机和工作机之间的部分，用于实现动力（或能量）的传递、转换与控制，以满足工作机对力（或力矩） 、工作速度及位置的要求。按照传动件（或转速）的不同，有机械传动、电器传动、流体传动（液体传动和气体传动）及复合传动等的要求。液体传动又包括液力传动和液压传动是以动能进行工作的液体传动。液压传动则是以受压液体作为工作介质进行动力（或能量）的转换、传递、控制与分配的液体传动。由于其独特的技术优势，以成为现代机械设备与装置实现传动及控制的重要技术手段之一 2。2.1.2 液压系统的组成部分液压传动与控制的机械设备或装置中，其液压系统大部分使用具有连续流动性的液压油等工作介质，通过液压泵将驱动泵的原动机的机械能转换成液体的压力能，经过压力、流量、方向等各种控制阀，送至执行机器（液压缸、液压马达或摆动液压马达）中，转换为机械能去驱动负载。这样的液压系统一般都是由动力源、执行器、控制阀、液压附件几液压工作介质的几部分所组成。一般而言，能够实现某种特定功能的液压元件的组合，称为液压回路。为了实现对某一机器或装置的工作要求，将若干特定的基本回路连接或复合而成的总体称为液3压系统。2.1.3 液压技术的特点与其它传动控制方式相比较，液压传动与控制技术的特点如下。（1）优点：单位功率的重量轻、布局灵活方便、调速范围大、工作平稳、快速性好、易于操纵控制并实现过载保护、易于自动化和机电一体化、易于操纵控制并实现过载保护、液压系统设计、制造和使用维护方便。（2）缺点：不能保证定比传动、传动效率低、工作稳定性易受温度影响、造价较高、故障诊断困难。2.1.4 液压系统的类型液压系统可以按多种方式进行分类，见表 1。表 1 液压系统的分类Table1 The kinds of hydualic system2.2 绞车的简介在起重机械中，用以提升或下降货物的机构称为起升机构，一般采用卷扬式，而这样的机器叫做卷扬机又叫绞车。卷扬机的卷扬机构一般由驱动装置、钢丝绳卷绕系统、取物装置和安全保护装置等组成。驱动装置包括电动机、联轴器、制动器、减速器、卷筒等部件。钢丝绳卷绕系统包括钢丝绳、卷筒、定滑轮和动滑轮。取物装置有吊钩、吊环、抓斗、电磁吸盘、吊具挂梁等多种形式。安全保护装置有超负载限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保护开关等，根据实际需要配用。卷扬机的驱动方式有三种，分别为内燃机驱动、电动机驱动和液压驱动。内燃机驱动的起升机构，其动力由内燃机经机械传动装置集中传给包括起升机构在内的各个工作机构，这种驱动方式的优点是具有自身独立的能源，机动灵活，适用4于流动作业。为保证各机构的独立运动，整机的传动系统复杂笨重。由于内燃机不能逆转，不能带载起动，需依靠传动环节的离合实现起动和换向，这种驱动方式调速困难，操纵麻烦，属于淘汰类型。目前只有少数地方应用。电动机驱动是卷扬机的主要驱动方式。直流电动机的机械特性适合起升机构的工作要求，调速性能好，但获得直流电源较为困难。在大型的卷扬机中，常采用内燃机和直流发电机实现直流传动。交流电动机驱动能直接从电网取得电能，操纵简单，维护容易，机组重量轻，工作可靠，在电动卷扬机中应用广泛。液压驱动的卷扬机，由原动机带动液压泵，将工作油液输入执行构件（液压缸或液压马达）使机构动作，通过控制输入执行构件的液体流量实现调速。液压驱动的优点是传动比大，可以实现大范围的无级调速，结构紧凑，运转平稳，操作方便，过载保护性能好。缺点是液压传动元件的制造精度要求高，液体容易泄漏。目前液压驱动在建筑卷扬机中获得日益广泛的应用 1。2.3 拟定绞车液压系统图系统的工作原理及其特点简要说明如下：（见图 1）液压马达 9 的排量切换由二位四通电磁换向阀 5 实现，控制压力由液压马达 9 自身提供，为了防止下放时因超越负载作用而失速，在马达回油路上设置了外控式平衡阀 4。另外，为了提高系统工作可靠性，以防污染和过热造成的故障，在回油路上设置了回油过滤器 7 及冷却器 8。三位四通电磁换向阀 9 的中位机能为 K 型，所以，绞车停止待命时，液压泵可以中位低压卸荷，有利于节能。表 2 绞车液压系统电磁铁动作顺序Table2 The sequence of actions of solenoid of winch-hydraulic system电磁铁工 况1YA 2YA 3YA满载卷扬上升 - + -空包下放 + - -停止 - - +由表 1.2 可知：当电磁铁 2YA 通电时，三位四通电磁换向阀 5 切换至右位，液压油经过单向阀进入液压马达 2，驱动滚筒卷扬方向旋转。当电磁铁 1YA 通电时，负载由平衡阀支撑的同时快速下放，当需要制动时，电磁铁 3YA 通电，制动器制动 。5图 1 液压系统原理图Fig 1 The figure of hydraulic principles1多片式摩擦离合器；2液压马达；3、6溢流阀；4外控式平衡阀；5三位四通电磁换向阀；7回油过滤器；8冷却器；9液压马达；10油箱3 卷扬机构的方案设计卷扬机方案设计的主要依据：机构的驱动方式；安装位置的限制条件和机型种类与参数匹配等。3.1 常见卷扬机构结构方案及分析3.1.1 非液压式卷扬机构方案比较根据卷扬机构原动机和卷筒组安装相对位置不同，卷扬机构结构布置方案的基本型有并轴式和同轴式两种。而这两种基本型中又有单卷筒和双卷筒之分。下面介绍几种常见的卷扬机构结构方案。6图 2 并轴式结构布置Fig 2 Parallel to the structural arrangement图 2 所示为并轴式单卷筒卷扬机构，他们的卷筒轴与原动机轴线并列平行布置，结构简单、紧凑。为了提高取物装置在空载或轻载时的下降速度，有的卷扬机构设置了重力下降装置（图 2b） 。在卷筒上装有带式制动器和内涨式摩擦离合器。当离合器分离时，驱动卷筒的动力源被切断，卷筒处于浮动状态，这时可利用装在卷筒上的带式制动器控制取物装置以重力快速下降。卷扬机构方案设计中一个重要问题是卷筒轴与减速器输出轴的连接方式。图2（a） 、 （b）所示方案，它们是把卷筒安装在减速器输出轴的延长部分上，从力学观点看，属于三支点的超静定轴，减小了轴承受的弯矩。但是，这种结构对安装精度要求很高，而且使的卷筒组和减速器的装配很不方便，减速器也不能独立进行装配和试运转，更换轴承也较困难。然而，它的外形尺寸小，结构简单，适用于中小型建筑机械的卷扬机构。图 2（c） 、 （d ）所示方案，卷筒组与减速器输出端均采用了补偿式连接。图2（c）减速器的输出轴利用齿轮连轴节与卷筒连接，且直接把动力传递给卷筒。图2（d）是采用十字滑块联轴节将卷筒和减速器输出轴连成一体，卷筒轴的右端伸入到减速器输出轴上的联轴节半体中心孔内，构成了轴的一个支点，输出轴和卷筒轴均为筒支结构，构造紧凑，制造、安装均有良好的分组性。7并轴布置双卷筒卷扬机构（图 3） ，由一台液压马达通过二级齿轮减速器分别驱动装在两根平行轴上的主、副卷筒。在这两个卷筒上分别装有离合器和制动器。通过液压操纵系统的控制可使主、副卷筒独立动作，并能实现重力下降。双卷筒集中驱动，可减少一套液压马达及传动装置。图 3 并轴布置双卷筒卷扬机构图 3 并轴布置双卷筒卷扬机构Fig 3 The structure of parallel layouting double rolls3.1.2 卷筒轴与减速器输出轴连接方式设计的基本原则综上所述，卷筒轴与减速器输出轴连接方式设计的基本原则是：（1）尽量避免采用多支点的超静定轴。因为多支承点受力复杂且轴安装精度不易保证。（2）优先采用减速器输出端直接驱动卷筒的连接方式，使卷筒轴不传递扭距，尽可能避免卷筒轴收弯曲和扭转的复合作用，以减少轴的直径。（3） 使机构有良好的总成分组行，以利制造、安装、调试和维修。（4） 结构紧凑、构造简单，工作安全可靠。（5） 卷筒组与减速器输出轴优先采用补偿式连接，这样，在安装时允许总成间有小量的轴向、径向和角度位移，以补偿安装位置误差和机件的变形。3.1.3 液压卷扬机构的分类近年来普遍采用了行星齿轮传动的多速卷扬机构，利用控制多泵合流和液压马达的串并联或采用变量液压马达实现卷扬机构的多种工作速度，从而实现轻载高速、重8载低速，提高工作效率，以满足各种使用要求。液压传动的起升机构可分为下列几种形式：由于选用的液压马达的形式不同，液压起升机构可分为高速液压马达传动和低速大扭矩马达传动两种形式。高速液压马达传动需要通过减速器带动起升卷筒。减速器可采用批量生产的标准减速器，通常有圆柱齿轮式，蜗轮蜗杆式和行星齿轮式减速器。这种传动形式的特点是液压马达本身重量轻、体积小，容积效率高，生产成本较低。但整个液压起升机构重量较重，体积较大。低速大扭矩马达传动可直接或通过一级开式圆柱齿轮带动起升卷筒。虽然低速马达本身体积和重量较大，但不用减速器，使整个液压起升机构重量减轻，体积减小。并使传动简单、零件少，起动性能和制动性能好，对液压油的污染敏感性小。壳转的内曲线径向柱塞式低速大扭矩马达，可以装在卷筒内部，由马达壳体直接带动卷筒转动，结构简单紧凑，便于布置。3.1.4 液压式行星齿轮传动卷扬机构布置方案液压多速卷扬机构有多种布置方案，如：（1）液压马达、制动器和行星减速器分别布置在卷筒的两侧，即对称布置（图 4） 。图 4 液压卷扬机构布置方案(一)Fig 4 Program one（2）液压马达和制动器分别布置在器装在卷筒内部（图 5） 。9图 5 液压卷扬机构布置方案(二)Fig 5 Program two（3）液压马达、制动器布置在卷筒同一侧，行星减速器装在卷筒内（图 6） 。图 6 液压卷扬机构布置方案(三)Fig 6 Program three（4）液压马达、制动器和行星减速器均装入卷筒内部（图 7） 。 10图 7 液压卷扬机构布置方案(四)Fig 7 Program four二三方案属于同一类型，由于行星减速器装在卷筒内，所以体积小，结构较紧凑，但由于卷筒内的空间位置受到限制，要求安装精度高，零件加工工艺复杂，轴承的选择较困难，维修不方便。它们的不同处是制动器的安装位置，方案二显得对称性好。方案四显然较方案二、方案三的外形尺寸更小，结构更加紧凑。但是它除了有二、三方案中的问题外，还存在制动器和液压马达的散热性极差，检修调试也很不方便。二、三、四方案均属同轴式布置，即使液压马达和卷筒轴在同一中心线上，总成组装时要保证规定的同心度。（5）液压马达、制动器和行星减速器都布置在卷筒的同一侧（图 8） 。这种布置形式，机构的轴向尺寸较大，维修不太方便，同时也会给总体布置带来一定困难。但它易于加工和装配，总成分组性较好 3、4 。11图 8 液压卷扬机构布置方案(五)Fig 8 Program five3.2 本设计所采用的方案本设计给出的马达的排量为 5.4ml/r，工作压力为 22MP，考虑内河作业，经济成本为选择方案的主要依据因素，自然选择高速低转矩的液压马达。如图所示，液压马达输出动力链通过减速器、联轴器传给小齿轮轴，小齿轮轴再通过齿轮减速机构传给绞揽筒。制动装置是通过刹车手柄和踏板张紧制动带使绞揽筒停止运动。此方案虽然体积较上面所介绍的方案在体积上稍大，但是此方案可实现在绞车的动力输入轴（小齿轮轴）的一端接入动力，另一端留有手动输入接口，以便在必要时装上备用的手轮进行作业操作，并且齿轮减速机构可以大大节约劳动力。小齿轮轴上的离合器可用来接通和断开来自液压马达大的动力，棘轮棘爪机构是用来当手动操作起锚时防止因锚的自重而回转 19、20 。3.3 卷扬机构方案设计注意事宜卷扬机构的方案的设计除认真考虑以上问题外，还要酌情处理好以下事宜。（1）分配机构总传动比时，极差不宜过大，一般可采取从原动机至转筒逐级降低传动比的分配方法。（2）卷筒直径尽量选取最小许用值，因为随着卷筒直径的增加，扭矩和传动比也随之增加，引起整个机构的尺寸膨胀。但在起升高度大的情况下，为了不使卷筒长度过大，有时采用加大直径的办法来增加卷筒的容绳量。12（3）对于具有多种替换工作装置的机械，卷筒的构造能提供快速换装的措施，如制成剖分组合式卷筒等。（4）滑轮组的倍率对机构的影响较大。因此，滑轮组的倍率不宜取得过大。一般当起升载荷 时，滑轮组的倍率取 2， 时，倍率取 载荷量更kNPQ50kNPQ5063大时，倍率可取 8 以上。（5）卷扬机构的制动器是确保工作安全可靠地关键部件。支持制动器一般应装在扭矩最下的驱动轴上，这样可减少制动器的尺寸。但是若采用制动力矩大、体积小、结构简单的钳盘式制动器时，可将其装在卷筒的侧板上，以提高卷扬机构的可靠性。对于起吊危险物品的卷扬机构应设置两套制动装置 5、6 。4 卷扬机构的组成及工作工作过程分析4.1 卷扬机构的组成根据选用的低速方案分析卷扬机由液压马达、长闭多片盘式制动器、离合器、卷筒、支承轴、平衡阀和机架等部件组成。4.2 卷扬机构工作过程分析4.2.1 卷扬机构的工作周期卷扬机构是周期性作业。一个工作周期为：启动加速（0a） 、稳定运动（ab）和制动减速（ b c）三个过程（图 10） 。载荷由静止状态被加速到稳定工作速度（稳定运动）时，所经历的时间称为启动时间，从 a 到 b 经历的时间称为工作时间，从 b 点的稳定运动减速到静止状态时所经历的时间成为制动时间。起动和制动时间直接影响卷扬机的工作过程，设计时可通过计算选取较为适合的时间。图 9 卷扬机构工作过程曲线Fig 9 The working process-curve of hoist134.2.2 载荷升降过程的动力分析卷扬机构带载作变速运动（起动或制动）时，作用在机构上的载荷除静力外，还有作加速运动（或减速运动）质量产生的动载荷。(1)起升起动过程卷扬机构带载提升时，载荷从静止状态加速到稳定运动速度 v 的瞬时过程称为起升起动过程。此时，悬挂载荷的钢丝绳拉力（图 10a）为：QgSP式中 起升载荷；QP由加速运动质量产生的惯性力。g在起升起动时，惯性力方向与起升载荷方向相同，使钢丝绳拉力增加。(2)起升制动过程卷扬机构由匀速运动制动减速到静止的过程称为起升制动过程。此时，悬挂重物的钢丝绳拉力 （图 10b） 。由于减速运动质量产生的惯性力 的方向与起升QgSP gP载荷 的方向相反，故使钢丝绳拉力减小。Q(3)下降启动过程将载荷从静止状态加速下降到匀速的过程称为下降起动过程（图 10c） 。此时，惯性为 的方向与载荷 的方向相反，使钢丝绳拉力减小，即gPQPQgSP(4)下降制动过程卷扬机驱动悬吊载荷以匀速下降时，将制动器上闸，使载荷由匀速下降减速到静止状态的过程称为下降制动过程（图 10d） 。此时因惯性力 的方向与起升载荷 的gQ方向一致，故使钢丝绳拉力增加，即 。QgSP14图 10 重物升降过程的动力分析Fig 10 Dynamic Analysis of the process of weight lifting（a）起升起动；（b）起升制动；（c）下降起动；（d）下降制动综上分析可得如下结论：起升起动和下降制动是卷扬机构最不利的两个工作过程，起升起动时原动机要克服的阻力距是静阻力矩与最大惯性阻力距之和。因此，原动机的起动力矩 必须满足qMmaxqjgM下降制动是制动器最不利的工作过程，所以，卷扬机构支持制动器的制动力矩应满足下面条件：ZmaxZjg才能将运动的物品在规定的时间内平稳的停住。式中 卷扬机构驱动载荷匀速运动时的静阻力矩；jM卷扬机构起、制动时的最大惯性阻力矩。maxg显然，上述两种工作过程是决定卷扬机原动机和制动器性能以及对机构的零部件进行强度计算的依据 7、8 。155 卷扬机卷筒的设计和钢丝绳的选用5.1 卷扬机卷筒的设计5.1.1 卷扬机卷筒组的分类和特点卷筒是起升机构中卷绕钢丝绳的部件。常用卷筒组类型有齿轮连接盘式、周边大齿轮式、短轴式和内装行星齿轮式。齿轮连接盘式卷筒组为封闭式传动，分组性好，卷筒轴不承受扭矩，是目前桥式起重机卷筒组的典型结构。缺点是检修时需沿轴向外移卷筒。周边大齿轮式卷筒组多用于传动速比大、转速低的场合，一般为开式传动，卷筒轴只承受弯矩。短轴式卷筒组采用分开的短轴代替整根卷筒长轴。减速器侧短轴采用键与过盈配合与卷筒法兰盘刚性连接，减速器通过钢球或圆柱销与底架铰接；支座侧采用定轴式或转轴式短轴，其优点是构造简单，调整安装比较方便。内装行星齿轮式卷筒组输入轴与卷筒同轴线布置，行星减速器置于卷筒内腔，结构紧凑，重量较轻，但制造与装配精度要求较高，维修不便，常用于结构要求紧凑、工作级别为 M5 以下的机构中。根据钢丝绳在卷筒上卷绕的层数分单层绕卷筒和多层绕卷筒。由于本设计的卷绕层数为三层，因此采用多层卷筒。根据钢丝绳卷入卷筒的情况分单联卷筒（一根钢丝绳分支绕入卷筒）和双卷筒（两根钢丝绳分支同时绕入卷筒） 。单联卷筒可以单层绕或多层绕，双联卷筒一般为单层绕。起升高度大时，为了减小双联卷筒长度，有将两个多层绕卷筒同轴布置，或平行布置外加同步装置的实例。多层卷筒可以减小卷筒长度，使机构紧凑，但钢丝绳磨损加快，工作级别 M5 以上的机构不宜使用 17。5.1.2 卷筒设计计算根据卷扬机工作状况和起升载荷确定卷扬机起升机构的工作级别，根据表查得汽车、轮胎、履带、铁路起重机，安装及装卸用吊钩式，利用等级 T5，载荷情况 L2，工作级别 M5。(1)卷筒名义直径 D (1)(1)ed式中 卷筒直径比，由表选取;e卷筒名义直径（卷筒槽底直径） （mm）;钢丝绳直径(mm);d16根据卷扬机工作级别 M5 选用 =25，根据已知得 =20mm,把数值代入式中e ed得 =（25-1）×20=480mmD根据所得的数据选卷筒名义直径 =500mm。卷筒最小直径的计算：Dmin=hd (2)式中 Dmin按钢丝绳中心计算的滑轮的最小直径 mm;d钢丝绳直径 mm;h系数值；根据机构工作级别为 FDmin=18×20=360mmDDmin所以卷筒直径符合条件。(2)卷筒长度 L 确定由于采用多层卷绕卷筒 L，由下式 (3)1.()lpnDd.2式中 多层卷绕钢绳总长度（ mm） ；l根据已知卷筒容绳量为 100m，所以 =100m，把数据代入式中得lmm490)7250(31.3L取多层卷绕卷筒长度 =1000mm。（3）绳槽的选择单层卷绕卷筒表面通常切出导向螺旋槽，绳槽分为标准槽和深槽两种形式，一般情况都采用标准槽。当钢丝绳有脱槽危险时（例如起升机构卷筒，钢丝绳向上引出的卷筒）以及高速机构中，采用深槽。多层卷绕卷筒表面以往都推荐做成光面，为了减小钢丝绳磨损。但实践证明，带螺旋槽的卷筒多层卷绕时，由于绳槽保证第一层钢丝绳排列整齐，有利于以后各层钢丝绳的整齐卷绕。光面卷筒极易使钢丝绳多层卷绕时杂乱无序，由此导致的钢丝绳磨损远大于有绳槽的卷筒。17带绳槽单层绕双联卷筒，可以不设挡边，因为钢丝绳的两头固定在卷筒的两端。多层绕卷筒两端应设挡边，以防止钢丝绳脱出筒外，档边高度应比最外层钢丝绳高出。(1.5)d1）绳槽半径 根据下式R(4) (0.53.6)Rd取 R=0.5d 把数值代入得：mm12.绳槽节距为： mm24)(dP绳槽深度为： ，取 mmh.05. 735.0dh2）绳槽表面精度：2 级 值 12.5。aR3）卷筒壁厚 初步选定卷筒材料为铸铁卷筒，根据铸铁卷筒的计算式子：(5) )106(02.D把数值代入式中得： mm1802.故选用 mm184）钢丝绳允许偏角钢丝绳绕进或绕出卷筒时，钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度不大于 3.5°；对于光面卷筒和多层绕卷筒，钢丝绳与垂直于卷筒轴的平面的偏角推荐不大于 2º，以避免乱绳；布置卷绕系统时，钢丝绳绕进或绕出滑轮槽的最大偏角推荐不大于 5°，以避免槽口损坏和钢绳脱槽。（4）卷筒强度计算卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生压缩，弯曲和扭转剪应力，其中压缩应力最大，当 时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力的 ，只计算压应力即DL3 %150可。当 时，要考虑弯曲应力。对尺寸较大，壁厚较薄的卷筒还需对筒壁进行抗压稳定性验算。由于所设计的卷筒直径 mm， mm， 。所以只计算压应力即50D490LDL3可。卷筒筒壁的最大压应力出现在筒壁的内表面压应力 ，按下式计算：c(6)max21cpSA式中 卷筒壁压应力（MPa） ；c18钢丝绳最大静拉力（ N） ；maxS应力减小系数，在绳圈拉力作用下，筒壁产生径向弹性变形，使绳圈紧1A度降低，钢丝绳拉力减小，一般取 ;75.01A多层卷绕系数。多层卷绕时，卷筒外层绳圈的箍紧力压缩下层钢丝绳，2使各层绳圈的紧度降低，钢丝绳拉力减小，筒壁压应力不与卷绕层数成正比。 按表2A取值；许用压力。对铸铁 ， 为铸铁抗压强度极限，对钢c5bcb。2s取 ， 按表取 ，根据已知卷筒底层拉力 15000N，即75.01A8.12AN，把各数代入式中：4maxS MPc 8.462105.7.0根据计算的结果查得卷筒的材料为球墨铸铁 QT800-2，其抗压强度极限 ，MPb80， ，因此材料合格 16。MPb160558.46bcP5.2 钢丝绳的选择钢丝绳的选择包括钢丝绳结构型号的选择和钢丝直径的选择。绕径滑轮和卷筒的机构工作钢丝绳应优先选用线接触钢丝绳。在腐蚀性环境中应采用镀锌钢丝绳。钢丝绳的性能和强度应满足机构安全和正常工作的要求。钢丝绳的直径为已知 mm。20d6 棘轮棘爪的设计棘轮逆止器用来作为机械防止逆转的制动装置或供间歇传动用，在低速、手动操作的卷扬机上使用。棘轮的齿形已经标准化。齿距 t 根据齿顶圆来决定 5。6.1 棘轮齿强度的计算棘轮棘爪材料用 45 号钢。棘轮模数按齿受的弯曲强度来进行计算：(7)375.1bpmzT式中 棘轮模数， mm；应取 6、8、10 、14、16、18、20tmt 齿距；T 棘轮所受的转矩，Nmm，此处为 ；N6103.Z 棘轮的齿数，据表选 12；19尺宽系数，查表选 1.0；mb棘轮齿材料的许多弯曲应力，MPa，据表知为 120MPa。p代入数据得出： 37.10棘轮模数按挤压进行验算：(8)pmPzT2式中 许用单位线压力，N/mm，查表为 400N/mm。P代入式中得： 18.m所以选棘轮模数 m=14，得出 ，棘轮宽 b=14mm。96.43t6.2 棘爪的强度计算棘爪的回转中心，选在圆周力 P 的作用线方向，棘爪长度取等于 2t。棘爪制成直线头，计算公式：(9)bpWwFM式中 弯矩， Nmm;PeMW棘爪危险断面的截面系数， ；621b 3m棘爪宽度，mm 一般比棘轮齿宽 2-3mm，取为 16mm；棘爪危险断面的厚度， mm；棘爪危险断面的面积， ；1bF2棘爪材料的许用弯曲应力，MPa，取 120MPa。p mNezmTDPeMW 71.892514203.26取 15mm 时，代入9得： MPabpW.所以 应取更大值，取 18mm，代入得 ，满足要求。7356.3 棘爪轴的强度计算棘爪轴为悬臂受弯矩作业。由下式计算：(10)3211 )(2.bPdbp取 ，代入得 ，取得 18mm。 mb42m6.51207 液压马达和平衡阀的选择7.1 液压马达的选用与验算7.1.1 液压马达的分类及特点起重机的常用液压马达分为高速液压马达和低速液压马达。高速液压马达的主要性能特点是负载速度低、扭矩小、体积紧凑、重量轻，但在机构传动中需与相应的减速器配套使用，以满足机构工作的低速重载要求，其他的特点与同类的液压泵相同，较多应用的有摆线齿轮马达、轴向柱塞马达。低速液压马达的负载扭矩大、转速较低、平稳性较好，可直接或只需一级减速驱动机构，但体积和重量较大。内曲线径向柱塞或球塞马达和轴向球塞式马达是较常用的型号。液压马达在使用中并不是泵的逆转动，它的效率较高，转速范围更大，可正、反向运转，能长期承受频繁冲击，有时还能承受较大的径向负载。因此，应根据液压妈的的负载扭矩、速度、布置型式和工作条件等选择液压马达的结构型式、规格和连接型式等 15、18 。7.1.2 液压马达的选用液压马达的选择与绞车系缆卷筒所受的负载有关。设锚重为 ，系缆筒所受的1N最大拉力为 。采用直径为 20mm 的钢缆绳，其单位长度的重量为 1.6kg/m，设缆maxN绳的最小速度为 。则inv(11)ghN41max103.卷筒上所需的功率：(12)kwvP5.inax因卷筒直径为 500mm，经计算当钢丝绳实际绕的层数为 3 层时取得 ，则mr230卷筒上的拉力为： Nm93.1027作用在卷筒上的扭矩为：(13)mNrTm02.46521设卷上钢丝绳后的平均直径为 ，卷筒的转速 为：d1n(14)i/.1rvnm液压马达选为 GM5-5 齿轮马达，其排量为 5.2ml/r，工作压力为 20MPa，输出 16000，转速为 800 4000r/min。mN总减速比 ，减速器的减速比为 ,84.156./02.4i 52./84.112ii故实际上减速比取 26，选用两级减速器，则总减速比为 。6.5i21马达的转速为 ，可取 800r/min，最后钢丝缆绳的速度min/59.784.1512rn，符合速度要求。i/.984.150mdv传到卷筒的扭矩为 ，比 略大，NT62.14.6.1 mNT02.4651也符合扭矩要求。马达的输出功率为(15)kwPQMm 83.1.0126012.560 如再考虑减速的效率：单级开式圆柱齿轮传动效率，取为 0.95；1联轴器的传动效率，取为 0.99；2减速箱的传动效率，取为 0.94。3则传到卷筒上的功率 。功率正好与卷筒所需kwP62.184.031201 的功率相当，因此可选 GM5-5 型齿轮液压马达，该种马达重量只有 1.9kg。7.2 平衡阀的计算与选用7.2.1 平衡阀的功能简介平衡阀用于液压执行元件承受物体重力的液压系统。在物体下降时，重力形成动力性负载，反驱动液压执行元件按重力方向或重力所形成的力矩方向运动，平衡阀在执行元件的排油腔产生足够的背压，形成制动力或制动力矩，使执行元件作匀速运动，以防止负载加速坠下。7.2.2 平衡阀的选用根据已知的马达的排量、工作压力和计算所得的泵的流量选用 型3210/6FDAB平衡阀，所代表的意义和阀的外型结构见（图 11）和（图 12） 15。22图 11 型号所代表的意义Fig 11 The meaning of the model图 12 平衡阀的外型结构Fig 12 Form factor balancing valve1控制口；2监测口；3法兰固定螺钉；4盖板；5可选择的 B 孔；6标牌；7O 型圈8 开始齿轮减速机构的设计计算本设计采用二级直齿圆柱齿轮，此处只设计一对齿轮。输入功率为 1.83kw，传动比为 5.84，小齿轮的转速为 66.67r/min。8.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1绞车为一般工作机器，精度不高，故选用 7 级精度。2由机械设计表 10-1 选择小齿轮材料为 40Cr（调质） ，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质） ，硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。233选小齿轮齿数 ，大齿轮齿数为 ，取 141。241z 16.4028.52z8.2 按齿面接触强度设计由机械设计计算公式（10-9a）进行计算，即(16)3211 2. HEdt ZKTd(1)确定公式内的各计算数值1试选载荷系数 。3.tK2计算小齿轮传递的齿轮。(17)mNnPT 23.61067.8.59105.913由机械设计表 10-7 选取齿宽系数 。d4由机械设计表 10-6 查得材料的弹性影响系数 。218.9MPaZE5由机械设计图 10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限 。MPaH601lim H502lim6由机械设计式 10-13 计算应力循环次数。(18)711 14.)3(267.0hjLnN6201.48.5N7由机械设计图 10-19 取接触疲劳寿命系数 ; 。93.1HNK0.12HN8计算接触疲劳许用应力。取失效概率为 1%，安全系数 S=1，由机械设计式（10-12）得(19)MPaaSKHN 586093.1lim1 H 05.2li2(2)计算1计算小齿轮分度圆直径 ，代入 中较小的值。td1HmmZKTdEdt05.84508.194.61230.3.2. 23 211(20)2计算圆周速度 v。 ssnvt /786243计算齿宽 b。 mdbt 05.84.14计算齿宽与齿高之比 。h模数 zmtt .32405.81齿高 mht 875 6.10875.b5计算载荷系数。根据 ，7 级精度，由机械设计图 10-8 查得动载荷系数 ；smv/29.0 05.1VK直齿轮， ；1FHK由机械设计表 10-2 查得使用系数 ；25.1AK由机械设计表 10-4 用插表法查得 7 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，。459.1HK由 ， 查机械设计图 10-13 得 ；故载荷系数670hb459.1H 4.1FK32VA6按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径，由机械设计式 10-10a 得(21)mKdtt79.8317计算模数 m。 z70.324.18.3 按齿根弯曲强度设计由机械设计计算公式 10-5 得弯曲强度的设计公式为(22)321FSadYzKTm(1)确定公式内的各计算数值1由机械设计图 10-20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿MPaFE50125轮的弯曲强度极限 ；MPaFE38022由机械设计图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 , ；95.01FNK98.02FN3取弯曲疲劳安全系数 ，由 10-12 得4.1S(23)MPaKFENF .34.9501SFEF 26.822 4计算载荷系数 837.1FVAK5由机械设计表 10-5 查得齿形系数；69.21FY5.2a6由机械设计表 10-5 查得应力校正系数；57.1Sa83.12SaY7计算大、小齿轮的 并加以比较。Fa01249.29.357161FSaY.682FSa大齿轮的数值大。(2)设计计算 mm43.01479.231687.3 对比计算结果，由齿面接触疲劳计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得模数 3.13 并就近圆整为标准值 ，按接触强度算得的分度圆直径 ，算出小齿轮4 md79.81数 .2479.81mdz26取 25，则 。146258.2z8.4 几何尺寸计算(1)计算分度圆直径 mzd102541862(2)计算中心距 da3421(3)计算齿轮宽度 mdb101取 ， 。mB105mB029 制动器的设计与选用9.1 制动器的作用、特点及动作方式 制动器是用于机构或机器减速或使其停止的装置，有时也用作调节或者限制机构或机器的运动速度，它是保证机构或机器安全正常工作的重要部件。为了减小制动力矩，缩小制动器尺寸，通常将制动器装在机构的高速轴上，或减速器的输入轴上。按所需应用制动器的机构的工作性质和条件，对于起重机构的起升和变幅机构都必须采用长闭式制动器。卷扬机属起重类机械的起升机构由于工作需要，因此采用常闭式制动器。由于卷扬机应用的场合和安装制动地点的空间受限因此选用盘式制动器。盘式制动器的工作原理是利用轴向压力使圆盘或圆锥形摩擦表面压紧，实现制动。制动轮轴不受弯曲。其优点是：1）制动转矩大，且可调范围大，制动平稳可靠，动作灵敏保养维修方便。2）频繁制动时，无冲击。3）表面积大部分暴露在大气中，散热能力强，特别是采用有通风道的制动盘，效果更显著，而且制动盘对制动衬块（片）无摩擦助势作用，无块式制动器的热衰退现象（由于温升制动转矩下降） ，从而得到稳定的制动性能。从安全的角度考虑，盘式制动器是最合适的制动器。4）防尘和防水性能好，制动盘上的灰尘和水等污物易被制动盘甩掉，当浸水时制动性能降低，出水后仅制动一、二次就能很快恢复正常。275）制动盘沿厚度方向变形量比制动轮径向变形量小的多，易实现小间隙和磨损后的制动补偿，脚踏式的踏板行程变化也较小。6）转动惯量小，体积小、重量轻。其主要缺点有：制动衬块（片）的摩擦面积小，比压大，对制动衬块（片）材质要求较高，径向（或轴向）尺寸稍大，价格也稍贵。制动器按动作方式分为自动作用式、操纵式和综合式三种。常闭制动器在弹簧推力作用下经常处于制动状态，机构工作时，用松闸装置松闸或自动通电松闸。本设计采用自动作用式制动器。自动作用式制动器当机构断电或油路切断时，不依赖操作人员的意识弹簧使制动器自动抱闸；当机构通电或油路供油时，自动松闸，自动作用式制动器保证机构有更高的安全性。制动转矩调定后基本不变，但用于载荷变化大的机构时制动欠平稳 13。9.2 制动器的设计计算9.2.1 制动转矩的计算制动转矩应满足以下要求：(24)miQDKTZ20式中 制动器制动转矩， ；zTN制动安全系数，与机构重要程度和机构工作级别有关；zK卷筒卷绕直径， mm；0D机械效率；其他各符号同以前的式子。按表查得 1.75， 根据 计算得 =520mm，把各数值代入到式子中得：zK00Dd0DmNTZ 5.386712.5.75.16由此可知制动器制动转矩应大于 。mN.389.2.2 制动盘的设计选用根据主机的具体要求和盘式制动器的类型按表选标准直径和结构形式的制动盘。按工作情况选择有通风道的制动盘。选取型号为： 20185BSP 型直线通风道制动盘28220外径（mm）30厚度（mm）80轴孔直径（mm）50轮毂长度（mm）9.2.3 制动盘有效摩擦直径计算根据配套主机的负载所需制动转矩 ，校核制动盘的有效摩擦直径：zT(25)dDKZpA式中 制动盘有效摩擦直径（mm） ；D制动块的数目，一对时取 2；ZA一个制动衬块（片）的设计面积（mm） ；p制动衬块（片）的许用比压力；动摩擦系数，根据摩擦材料选择；dK制动安全系数。根据工作状况选用摩擦材料为油浸石棉带，脂润滑，润滑效果好，按表选取=0.1，p=0.6，K 取 1.5，由于制动块的数目有 6 对，所以 Z 取 12，制动片的设计d面积按下式计算： 23()Ad式中 摩擦盘外径（mm） ；2摩擦盘内径（mm） 。3按选用的标准制动盘尺寸把数值代入式子得 =0.013 。2m把所有数值代入式子，得：=90.76mm1430.5.526D9.2.4 制动器散热的验算当制动器摩擦面温度过高时，摩擦系数降低，摩擦衬垫加速磨损，不能保持稳定和需要的制动力矩。制动器的发热验算在于检验制动器在最高许用温度下散发的热量是否大于制动器产生的热量，即 szhQ式中 制动器每小时散发的热量（J） ；sQ制动器每小时产生的热量（J） 。zh1）制动器每小时的散热量29(26)123sQ' 441273(')()()(/)00CAkJh'2312/Jkh3412()(/)QAJCk式中 制动轮（盘）制动表面的辐射系数，可取光亮的钢表面辐射系数，1C；25.4/(,)kJmh制动轮（盘）制动表面以外的表面辐射系数，可取粗糙氧化的钢表面辐射2系数， ；28/(,)C制动轮（盘）制动表面积减去制动衬片的面积 ；'1A 2()m制动轮制动表面积以外的表面积 ；'2 2()制动衬片的许用温度（ ） ；1周围环境温度，一般取 ，高温车间取 ；2 305C60C自然对流散热系数， ；21/(,)kJh扣除制动衬片遮盖后的制动轮（盘）外露面积 ；'3A 2()m机构的接电持续率；JC、 、 、 制动轮（盘）各部分表面积的强迫散热系数，与各部分表1234面积的圆周速度有关， ；0.78225/(,)iivkJmhC、 、 、 相对应的制动轮（盘）表面积 ；1A234 2()各部分散热面积的圆周速度（ m/s） 。iv2）制动器每小时的发热量上升制动时，由于物品和吊具的重量起制动作用，制动器的发热量很小，通常忽略不计。下降制动时，机构的全部动能（包括旋转运动和直线运动的质量）和物品吊具减小的势能转换为制动器的发热：(27)201()(/)zhQJPSZWkJh式中 换算到制动轮轴的机构转动惯量（包括所有回转和直线运动部分）J；22()40,kgmGD为 飞 轮 矩 ）制动轮轴在制动开始时的角速度 ；(/)radsP平均起升重量（ N） ；30S下降制动距离（ m） ；机构传动效率；机构每小时下降制动次数；0Z热。W把已知各量和从表中查得的各量代入式中，最后得：=170.435sQ(/)kJh=156.768zhs验证发热量合格。10 离合器的设计与选用10.1 离合器的功用、特点与分类离合器是一种通过各种操纵方式，实现主从动部分在同轴线上传递运动和动力时具有接合或分离功能的装置。离合器有各种不同的用途，根据原动机和工作机之间或机械中各部件之间的工作要求，离合器可以实现相对起动或停止，以及改变传动件的工作状态，达到改变传动比，如传动件之间相对同步或超越运动。此外，离合器还可以作为起动或过载时控制传递转矩大小的安全保护装置等。按离合器接合元件传动的工作原理，可分为嵌合式离合器和摩擦式离合器，按实现离、合动作的过程可分为操纵式和自控式，按离合器的操纵方式，则可分为机械式、气压式、液压式和电磁式等，按结构还可分为多种不同的形式。1对离合器的基本要求（1） 离、合迅速，平稳无冲击，分离彻底，动作准确可靠。（2） 结构简单，重量轻，惯性小，外形尺寸小，工作安全，效率高。（3） 接合元件耐磨性高，使用寿命长，散热条件好。（4） 操纵方便省力，制造容易，调整维修方便。2影响离合器选择的因素a 原动机的启动性能b离合器的受载特性c 接合元件的性质d操纵方式e 环境条件3离合器的选择和工作性能参数