高杆灯提升装置设计(优秀含CAD图纸+设计说明书)
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本 科 毕 业 设 计 高杆灯提升装置设计本科毕业设计任务书设计题目高杆灯提升装置设计院(系、中心)工程学院机电工程系专 业机械设计制造及其自动化年 级2011选题来源科研课题纵向课题( )选题类型理论研究( )横向课题( )教师自拟课题()应用基础研究()学生自拟课题( )技术或工程开发()设计的基本构思和基本任务:高杆灯是一种室外大面积照明设备,可以为广场、港口、机场、体育场馆、立交桥等场所提供照明。高杆灯照明占地面积小,美化环境,照明效率高,照明面积大,随着城市建设的发展,高杆灯的使用越来越广泛。当高杆灯发生故障时需要对其进行维修。由于高杆灯的灯杆高度一般在20-50米,由人到灯杆顶部去维修很不安全,所以通常采用将灯具降落到地面进行维修的方法。将灯盘降落到地面通常有两种方法:一种方法是将灯杆放倒。这种方法操作设备复杂,操作需要占地面积大,需要在建设中预留操作空间。另一种方法是通过起重装置将灯具沿灯杆降落到地面,维修后再通过同一套起重装置将灯具提升到灯杆顶部。这种方法操作方便,占地面积小,应用最广泛。应用这种方法对高灯杆灯进行安装与维修,需要为每套灯配置一套提升装置,用于灯具的提升和降落。基本任务: 查阅相关的文献资料,搜集、整理基础数据; 完成对高杆灯提升装置的原理方案设计; 完成传动系统、执行系统的机械结构设计,以及所有有零部件的选取; 完成装配图、主要零部件的CAD图纸绘制; 撰写毕业设计说明书。目前的基础(包括资料收集情况、前期工作情况等) 学习了机械设计、机械原理等相关专业课程,掌握机械的的组成,掌握一般机械的基本结构和设计方法。已收集整理了提升装置研究的相关文献,机械设计手册等参考资料。设计进度安排3.93.22 查阅相关资料,撰写文献综述,翻译外文资料,确立方案设计方向,完成开题报告的拟写;3.234.5 完成高杆灯提升装置总体方案设计; 4.64.19 传动系统、执行系统的机械结构设计;4.20-5.17 完成装配图、主要零部件的CAD图纸绘制;5.18至月底 撰写毕业论文。论文起止时间:自 年 月 日起 年 月 日止学生(签名):指导教师(签名): 院(系、中心)负责人(签名):注:表格不够可另附页本科毕业设计开题报告题 目_ 高杆灯提升装置设计_一、选题依据1、课题来源、选题依据和背景情况;在工业、科技发展的今天,人们的工作量也随之不断的增加。以至于,在工作效率相似的情况下,工作时间也相对应的不断增加。我们进入了快节奏的生活,人们更加的相信“一寸光阴,一寸金”。于是乎,广场、公路、机场等场所,直到黑夜也是人流涌动。在人们总体作息时间往后调整的今天,大面积的照明设施显得尤为的重要。因此高杆灯的应用也受到了很高的重视。高杆灯,一般指15米以上钢制锥形灯杆和大功率组合式灯架构成的新型照明装置。它由灯头、内部灯具电气、杆体及基础部分组成。灯头造型可根据用户要求、周围环境、照明需要具体而定;内部灯具多由泛光灯和投光灯组成,光源采用NG400高压钠灯,照明半径达60米。杆体一般为棱锥形独体结构,用钢板卷制而成,高度为1540米。由于在高杆灯有强力应用前景的今天。由于高杆灯的高度,关于高杆灯的安装与维修,将是高杆灯的重要问题。关于高杆灯的安装与维修,有两种可行性的方案。(1)将杆体整体放倒,进行安装维修。这种方法存在巨大的劣势,由于杆体总体较重,且长度长达15米以上,因此在放倒过程中,将产生巨大的力矩,对杆体质量以及提升装置等有较大的载荷,易出现破损变形等;考虑到杆体尺寸,若要放倒,则会占据非常大的一块面积,妨碍到工作出行等;此方法会用到大量的人力物力,耗时耗力,对于如今的效率至上的时代并不符合。(2)将灯具沿杆体提升与降落,进行安装维修。此方法,对比于上种方法,所需的人力物力较少,而且并不会占用过大的面积。由于是沿着杆体轴向运动,产生的力矩也将很小。有较好的应用意义。本设计就是针对第二种方案进行高杆灯提升装置的设计。2、课题研究目的、学术价值或实际应用价值对于高杆灯,总体高度达到20米以上。若要维修,工人要上到20米以上的高空进行作业,工人的生命安全将会产生威胁。本文拟对高杆灯的提升装置进行设计,高杆灯的维修借助此升降装置,将灯盘或部分灯盘降低至地面再进行修理。在修理之后,再次将灯盘提升上去进行安装。这种方法省时省力,工人的安全得到了保障。因此,本设计具有重要的理论意义和实际应用价值。二、文献综述国内外研究现状、发展动态国际照明委员会(CIE)定义高度在20m或以上者为高杆照明系统,高杆照明系统通常在国内称为高杆灯。高杆灯广泛用于城市广场、车站、码头、货场、公路、体育场、立交桥等户外大面积照明场所1。灯杆的整体设计时,必须以风荷载计算为依据。参照高杆灯安装现场所在地区的最大风速下, 所经受到的最大风载荷作用 (个别地方,还须考虑周围气雾的影响)复核计算拟定的高杆灯杆根处应承受的总风荷载弯矩(也叫倾覆力矩)及各分节杆体的力学特征, 同时应该测算高杆灯底板的直径和底板上地脚紧固螺栓孔的个数, 以及螺栓孔中心圆的直径。固定式高杆照明灯,灯头固定于灯杆顶部,维修时必须借助钢架、高架车等把人运送到灯头处,目前港口使用的升降式高杆灯有效的避免了这一难题。目前国外发明了倾倒式高杆灯,这种高杆灯在恶劣天气时可以倾倒,便于维修的同时,也能很好的避免事故的发生。港口高杆灯一般为30米40米,由于港口发展的需要,监控和通讯设备也被应用于高杆灯,不少港口在高杆照明装置上安装监控或者广播等,保障港口照明需求的同时,也方便了港口的管理,为确保港口的安全起到了重要作用2。对于灯盘的升降,可用到卷扬机。可升降灯架在卷扬机的驱动下可以沿灯杆轻便地升降,并可停留在任意位置。灯具的安装、维修和照明覆盖面的调整均可在地面上进行,既保证了操作人员的安全,减轻了劳动强度,又省去了昂贵的高空升降车。为确保使用安全,升降灯架上设有防坠制动系统。当悬吊钢丝绳(l根主绳,3根副绳)脱扣或拉断时,制动系统能立即实现缓冲式制动,从而可确保地面人员的安全和灯架灯具等设备不受严重损坏3。许多的升举系统大多都与滑轮或类似于滑轮机构的滚筒有着或多或少的关系。为了对这类升举系统进行运动学、动力学分析,并得到关键部件的运动特性,在一些产品的开发初期就对其进行系统仿真、优化,设计研究人员对类似于滑轮组机构的仿真已迫在眉睫4。ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件。其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等5。吊重滑轮组平衡式抽油机由前置式游梁驴头、吊重滑轮组平衡机构、曲柄连杆驱动机构、曲肘提升游梁摆动机构、底座、支架、悬绳器及动力装置、刹车装置、电气控制装置等部件组成。游梁以铰链支座固定在支架上,可上下往复摆动。平衡吊重的吊绳一端固定在托架上,经一组滑轮对游梁前端总是施加与载荷力矩反向的平衡力矩。曲柄轮安装在减速器输出轴上,推拉杆(1组)与曲柄轮用曲柄销装置联接,上下曲肘分别与游梁、底座以及三杆汇交轴均以铰链方式联接6。为了保证绳子与滑轮始终同步运行并在接触点处相切, 需要在每段绳子与动、定滑轮接触点处使用Gear Joint7。文献中也有提到海洋自升式平台的升降系统。自升式海洋平台具有定位能力强、移动作业效率高、用钢量少以及造价低等特点,在近海石油开发中发挥着巨大作用。升降装置是自升式海洋平台的核心装置之一,对平台的整体安全性能具有重要影响。齿轮齿条式升降装置主要由安装在每个桩腿上的齿轮齿条传动机构组成,由于其具有工作连续升降速度快控制简单等优点,得到了广泛的工程应用8.高杆灯在每个机场都有着广泛的应用,这些高杆灯大都由机场中不同的配电室手动控制。这种人工分散控制成本高、效率低,控制质量也难以保证。由于分布范围广,沿途路径复杂,许多机场高杆灯升级改造面临许多困难。因而我们提出了一种新型的高杆灯照明管理系统,该系统采用Zigbee无线远程通讯技术,将高杆连接成一个可控的系统,具有本地、遥控等控制功能。工业级的硬件,使系统更加稳定,国际通用的无线2.4GHz的免费频段,系统保密性强、传输距离远,不会对机场其他的无线通讯产生任何干扰和数据误传9。高杆灯的设计制作是多门学科交错渗透的综合体, 其深刻的机理自有着它的严密性和科学性10。参考文献1梁富文. 高杆灯灯杆设计的力学分析 J . 机电工程技术. 2013. 42 ( 5 ) : 114 - 1162丁晨. 关于港口固定式高杆照明灯的改造技术分析 J . 天津市南港工业区港务有限公司. 2005. 02: 47 - 513陈汝延, 袁立. G30型升降高杆灯防坠制动系统的设计 J . 北京农业工程大学学报. 1993. 13( 2 ) : 104 - 1104侯勇俊, 艾志, 久仁杰. 自走式修井机游动系统仿真模型 J . 石油学报 2002. 23( 4 ) : 90 - 925杜红勇, 艾志久. 滑轮组系统动力学仿真 J 机电工程技术. 2005. 34( 3 ) : 73 - 756杨帆. 吊重滑轮组平衡式抽油机研制与节能分析 J . 石油机械. 2004. 32( 7 ) : 31 - 347Mechanical Dynamic Ins .ADAMS Applications manual Z 8 徐长航, 苑思敏. 自升式平台齿轮齿条升降装置动力学行为分析 J 石油机械. 2013. 41( 3 ) : 49 - 539Zigbee Document 053474r06, Version 1.0: Zigbee Specification10 石听安. 高杆灯总体设计概论 J . 灯与照明. 2003. 27( 1 ) : 13 - 16三、研究内容1.构想与思路;主要研究内容及拟解决的关键问题(或技术)高杆灯是一种室外大面积照明设备,可以为广场、港口、机场、体育场馆、立交桥等场所提供照明。高杆灯照明占地面积小,美化环境,照明效率高,照明面积大,随着城市建设的发展,高杆灯的使用越来越广泛。高杆灯的维修为了安全起见通常是通过起重装置将灯具降落到地面,维修后再通过同一套起重装置将灯具提升到灯杆顶部。这种方法操作方便,占地面积小,应用最广泛。本课题的主要研究内容:设计一套高杆灯提升装置,用于灯具的提升和降落。拟解决的关键问题有:(1)卷扬机系统的设计。设计制作的指导思想为:整机装置主杆体内, 小巧玲珑, 提升灯盘时力所能及且运输自如。电动机宜选择慢转速的, 因输出力矩相对快, 转速电动机大。在选择功率上避免“大牛拉小车”现象, 有些高杆灯在初次提升灯盘时就发生冲顶的可怕事故, 这除电器控制设置欠妥或失灵外, 跟电动机功率过大也不无关系。卷扬机的各组成机械间的动力传递则应符合传递力学的原理。即前级机械输出的力和力矩必须大于后级机械正常运作的力和力矩,以及损耗。利用动滑轮省力不省功的原理, 在许可的灯盘提升时间、减速机能承受的输出力矩之内可大幅度锐减电动机的输出功率选择具有自锁功能的减速机, 使升降系统在运行过程中, 因突发意外或保证灯盘在杆体的任何高度稳妥稳定便于杆体外围实施防护处理时, 减速机能迅速自行锁定。(2)滑轮组的设计。由于灯盘较重,所以滑轮组的设计首先要尽可能的提高滑轮的承重能力。再者,需要考虑到滑轮组省力的问题,希望用到较少能源达到最佳效果。可查找有关吊重滑轮组的相关论文。(3)灯盘的自动挂、脱钩装置的设计。国内外的高杆灯, 灯盘在杆顶处的自挂、脱钩始终是高杆灯技术中的一大难题, 因灯盘上升至杆顶时, 由于高空的气流或风速的影响, 使灯盘产生的不平衡而导致三只挂钩未能同时顺利返转, 使挂钩难以成功。在灯盘下降前的脱钩过程中, 因挂钩部位受风雨侵蚀, 又不需同时脱钩。为此, 不得不反复启动灯盘以求达到灯盘挂、脱钩的目的。2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析研究方法利用文献调研和市场调查对市场上已有产品进行分析,比选实现本课题目标的最佳技术途径和机械机构方案,以此为基础,对使用中发现的问题进行改进设计。技术路线确立设计背景期刊检索市场调研专利检索修改完善初步设计原理设计强度校核结构草图装配图零件图设计说明书实施方案 查阅相关的文献资料,搜集、整理基础数据; 完成对高杆灯提升装置的原理方案设计; 完成传动系统、执行系统的机械结构设计,以及所有有零部件的选取; 完成装配图、主要零部件的CAD图纸绘制; 撰写毕业设计说明书。可行性分析高杆灯提升装置有大量的应用实例,设计中课充分参考这些实际应用中的结构根据使用中发现的问题进行改进设计,保证设计可行的基础上提高设计水平。四、论文(设计)进度安排起止时间主要内容预期目标3.93.22查阅相关资料,撰写文献综述,翻译外文资料,确立方案设计方向,完成开题报告的撰写有初步的设计构思,确定可行性方案3.234.5进行高杆灯提升装置总体方案设计完成方案设计4.64.19进行传动系统、执行系统的机械结构设计完成结构设计4.20-5.17进行装配图、主要零部件的CAD图纸绘制完成装配图和零件图5.18至月底撰写毕业论文完成整个毕业设计五、审核意见导师意见 导师签字: 年 月 日审核小组意见审核小组成员签字: 年 月 日注:1、表格不够可加附页。2、审核小组应至少由三位具有高级职称的教师组成;必要时可召集开题报告会。11摘 要高杆灯,总体高度达到20米以上,是我们现今社会中比较重要的照明方式。在安装与维修的时候,工人要上到20米以上的高空进行作业,工人的生命安全将会产生威胁。本文拟对高杆灯的提升装置进行设计,高杆灯的维修借助此升降装置,将灯盘或部分灯盘降低至地面再进行修理。在修理之后,再次将灯盘提升上去进行安装。这种方法省时省力,工人的安全得到了保障。关键词:高杆灯;提升装置;卸载装置;制动装置AbstractPole lamp, the overall height of 20 meters, is more important in todays society we are lighting the way. When the installation and maintenance workers to up to 20 meters above the altitude of work, workers life would be a threat to the safety of workers. This paper on the pole lifting device design, pole maintenance by means of this lifting device or part of the lower Medallions to the ground again for repairs. Following repair, raise up again Medallions installation. This approach saves time and effort, the safety of workers has been secured. Keys:Pole; lifting device; unloading device;brakes目录1. 绪论11.1课题背景11.2 课题研究目的11.3国内外研究现状21.4本章小结32. 总体方案设计42.1设计要求42.2关键问题42.3总体方案示意图42.4部件方案示意图52.5可行性分析72.6部分三维图装配图82.7本章小结93. 机械零部件的设计和选择103.1卷扬机的设计103.1.1电动机选型103.1.2滚筒的设计113.1.3轴的设计123.1.4齿轮的设计163.1.5轴承端盖的设计和其紧固件的选择173.2抱闸卸载装置的设计203.2.1抱闸钳数学模型分析203.2.2抱闸钳的设计分析213.2.3弹簧的设计分析213.2.4抱闸钳转轴的设计分析223.2.5外壳的设计233.3制动装置的设计243.2.1制动装置数学模型分析243.2.2U型蹄设计253.4本章小结25总结与展望26总结26展望26参考文献27致谢28IIIError! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document. 1. 绪论1.1课题背景在工业、科技发展的今天,人们的工作量也随之不断的增加。以至于,在工作效率相似的情况下,工作时间也相对应的不断增加。在快节奏的生活下,人们有了“一寸光阴,一寸金”的时间理念。于是乎,广场、公路、机场等场所,直到黑夜也是人流涌动。在人们总体作息时间往后调整的今天,大面积的照明设施显得尤为的重要。因此高杆灯的应用也受到了很高的重视。高杆灯,一般指15米以上组合式灯架和钢制锥形灯杆构成的照明装置。它由内部灯具电气、灯架、灯盘以及杆体等基础部分组成。灯盘造型可根据周围环境、照明需要的具体情况而定;内部灯具多投光灯组成,高压钠灯作为灯源,照明半径远达50米。杆体大多用钢板卷制而成,为棱锥形独体结构,高度为1540米。由于高杆灯的高度,高杆灯的安装与维修是一个重要的问题。关于高杆灯的安装与维修,有两种可行性的方案。(1)将杆体整体放倒,进行安装维修。这种方法存在巨大的劣势,由于杆体总体较重,且长度长达15米以上,因此在放倒过程中,将产生巨大的力矩,对杆体质量以及提升装置等有较大的载荷,易出现破损变形等;考虑到杆体尺寸,若要放倒,则会占据非常大的一块面积,妨碍到工作出行等;此方法会用到大量的人力物力,耗时耗力,对于如今的效率至上的时代并不符合。(2)将灯具沿杆体提升与降落,进行安装维修。此方法对比于上种方法,所需的人力物力较少,而且并不会占用过大的面积。由于是沿着杆体轴向运动,产生的力矩也将很小。有较好的应用意义。本设计就是针对第二种方案进行高杆灯提升装置的设计。1.2 课题研究目的对于高杆灯,总体高度达到20米以上。若要维修,工人要上到20米以上的高空进行作业,工人的生命安全将会产生威胁。本文拟对高杆灯的提升装置进行设计,高杆灯的维修借助此升降装置,将灯盘或部分灯盘降低至地面再进行修理。在修理之后,再次将灯盘提升上去进行安装。这种方法省时省力,工人的安全得到了保障。因此,本课题的设计有着重要的理论以及实际应用价值。1.3国内外研究现状高杆照明系统通常在国内称为高杆灯,国际照明委员会(CIE)定义高度在20m或以上者为高杆照明系统,。其有着较大照明面积的高杆灯系统,因此户外大面积照明场所都会选择高杆灯作为其主要照明设备进行使用1。在灯杆的整体设计时,风荷载作为计算的主要依据,需要参照高杆灯安装现场所,并且在该地区的最大风速下,所能够经受的最大风载荷作用 (个别地方,还须考虑到周围气雾的影响)。复核计算拟定的高杆灯杆根处应受到的总风荷载弯矩以及各分节杆体的力学特征, 同时应该测算高杆灯底板的直径和底板上地脚紧固螺栓孔的个数。固定式高杆照明灯,灯盘固定于灯杆顶部。维修时,工人必须借助钢架、高架车等到达灯头处再进行维修,目前使用的升降式高杆灯有效的避免了这一难题。目前国外发明了倾倒式高杆灯,这种高杆灯在极端天气下可以倾倒,便于维修的同时,也能很好的避免事故的发生。港口高杆灯一般为30米40米,由于港口发展的需要,监控和通讯设备也被应用于高杆灯,保障港口照明需求的同时,也方便了港口的管理,为确保港口的安全起到了重要作用2。对于灯盘的升降,一般会使用到卷扬机。可升降灯盘在卷扬机的驱动下,可以沿灯杆容易地升降,并可以在任意部位停留。灯盘的安装、维修和照明覆盖面的调整均可在地面上进行,既减轻了劳动强度, 保证了操作人员的安全 ,并且省去了昂贵的高空升降车的购买。为确保使用安全,升降灯架上设有防坠制动系统。当悬吊钢丝绳脱扣或拉断时,制动系统能立即实现缓冲式制动,从而可确保地面人员的安全和灯架灯具等设备不受严重损坏3。大多数的提升装置都与滑轮、滚筒等可以改变力的作用方向的构件有着联系。为了对这类升举系统进行运动学、动力学分析,并得到关键部件的运动特性,大多产品在其开发初期就需要对其进行运动仿真以及结构优化,类似于滑轮组的仿真被大多数公司企业开发部门所需要4。ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件。该软件的求解器中采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,自动的建立起数学模型及方程,并对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、计算有限元、碰撞检测、峰值载荷以及运动范围的输入载荷等5。吊重滑轮组平衡式抽油机由吊重滑轮组平衡机、曲肘提升游梁摆动机构、前置式游梁驴头底座、支架组成。游梁用绞架固定,可以随意上下摆动。平衡吊重的吊绳的一端固定在托架上,并经过一组滑轮对游梁前段部分总是能够施加反向力矩,使其保持平衡。曲柄轮安装在减速器输出轴上,推拉杆与曲柄轮用曲柄销装置联接, 三杆汇交轴、底座以及上下曲肘分别与游梁均以铰链方式联接6。一般情况下会使用Gear Joint,使得每段绳子与定滑轮接触点保持始终相切的状态7。文献中也有提到海洋自升式平台的升降系统。自升式海洋平台是用钢量少、移动作业效率高、定位能力强以及造价低等特点,在临海的石油开采中起到了非常重要的位置。其中的升降装置是其重要的装置之一,保证了平台整体的工作性能以及安全性能。齿轮齿条式升降装置主要由安装在每个桩腿上的齿轮齿条传动机构组成,由于其具有工作连续升降速度快控制简单等优点,得到了广泛的工程应用8.高杆灯在每个机场都有着广泛的应用,这些高杆灯大都由机场中不同的配电室手动控制。这种人工分散控制成本高、效率低,控制质量也难以保证。由于分布范围广,沿途路径复杂,许多机场高杆灯升级改造面临许多困难。因而我们提出了一种新型的高杆灯照明管理系统,该系统采用Zigbee无线远程通讯技术,将高杆连接成一个可控的系统,具有本地、遥控等控制功能。工业级的硬件,使系统更加稳定,国际通用的无线2.4GHz的免费频段,系统保密性强、传输距离远,不会对机场其他的无线通讯产生任何干扰和数据误传9。高杆灯及其部件的设计制造,渗透于各门学科,用到了许多设计方法,有着它的严密性和科学性10。1.4本章小结本章节主要是对我们毕业设计中需要做的装置进行完整的了解,包括了对国内外发展的了解、总体的设计方案,是整个设计的初始了解部分。本章教会了我们对资料库的了解,懂得在何时何地能查到所需的资料,并加以应用。也能让我们明白,一件工作的开始应该做些什么。2.总体方案设计2.1设计要求通过起重装置将灯具沿灯杆降落到地面,维修后再通过同一套起重装置将灯具提升到灯杆顶部。此种提升装置操作方便,占地面积小,应用广泛。应用这种方式对高灯杆灯进行安装与维修,需要为每套灯配置一套提升装置,用于灯具的提升和降落。基本参数:高度:30 m;顶端直径:625 mm;底端直径:1000 mm;提升重量:1000 kg;工作寿命400 h;2.2关键问题1.卷扬机的设计,与电机的选择问题;2.脱挂钩装置的设计问题;3.防坠装置的设计问题;4.提升的稳定性问题。2.3总体方案示意图本设计通过了解设计对象的使用情况以及相关新技术对高杆灯的提升装置进行设计,提出实际可行的设计方案。图2-1为提升装置的总体结构示意图,电机作为提升装置的动力部分,需要通过减速器将速度降低。由于需要降低的转速过大,需要通过齿轮进行2次降速,所以需要对齿轮组进行设计计算以做到减速的目的。传动过程中,装置通过分线器,将主钢缆分为4条副钢缆,使得灯盘的提升更加稳定。灯杆顶部有定滑轮组,对钢缆方向进行改变。在灯盘上升到顶端的时候,整体装置不能一直处于通电的状态。否则,钢缆会因为一直处于拉伸状态,而导致疲劳断裂。因此杆顶需要装有抱闸卸载装置,令钢缆在非工作状态下不受到外力的影响,降低钢缆疲劳断裂的可能性。灯架上装有防坠制动装置,防止副钢缆断裂以及突然的停电的情况下,灯架坠落而造成不可磨灭的伤害。脱钩装置副钢缆防坠装置滑轮组主钢缆卷扬机图2-1 提升装置总体示意图2.4部件方案示意图电机齿轮1滚筒齿轮2图2-2 卷扬机示意图图2-2为卷扬机结构示意图,主要的零部件为电机、齿轮组、滚筒以及壳体。作为该装置的整体动力部分,卷扬机系统起到至关重要的位置,由电机带动齿轮进行动力的传动。由输出轴带动滚筒端盖从而带动滚筒的转动。滚筒上需要对滚筒厚度,滚筒直径进行设计计算。除此之外,还有齿轮的校核与设计。作为传动装置,卷扬机的设计将是本课题最重要的设计。 弹簧蟹爪钩电磁铁图2-3 抱闸装置示意图图2-3是抱闸卸载装置原理图。在灯盘运动过程中,电磁铁处于通电状态,对钢制抱闸钳产生较大的吸引力,克服中间的拉伸弹簧,使得抱闸钳绕支架转动,并打开。在达到一定界限之后,抱闸装置的外壳将会对抱闸钳进行定位,使得该钳不会无限制的打开。当灯盘上的挂钩进入钩爪范围后,将会碰撞到抱闸装置中的行程开关。经过行程开关之后,电磁铁将会断电,从而使磁力消失。抱闸钳在弹簧拉力作用下迅速夹紧,使得灯盘固定在灯杆顶端,最终起到钢缆的卸载作用。图2-4 制动装置示意图1.制动蹄;2.U形蹄;3.导向轮;4.齿条总成;5.支承轮;6.齿轮拉紧弹簧;7.制动蹄U形拉紧弹簧;8.水平调节轮;9.副钢丝绳;10.齿条压轮;11.止动销轴;12.绳轴;13.制动蹄拉紧钢丝绳图2-4为制动装置的原理图,在通常状态下,即副钢缆9未断裂或者忽然停电导致的钢缆失力情况下,整体装置拉力下灯盘与齿条4之间没有压力产生,整体部件在拉紧钢丝13以及拉紧弹簧6的拉力下保持相对静止的状态,并沿灯杆在导向轮3的方向控制下,稳定的进行运动。当副钢缆断裂,或特殊情况下钢缆拉力卸载后,在灯盘自身重力的作用下,灯盘将与齿条压合,并拉紧制动蹄拉紧弹簧7,并压紧制动蹄1与灯杆。制动蹄将装有摩擦系数较大的材料或部件,能产生较大的摩擦力,保证事故发生的时候能使灯盘短时间内完成制动。主要设计时,齿条部分所受到的力比较巨大,并且受力也比较复杂,因此是较重要的校核部分。其次是U型蹄以及制动蹄的设计,而这也将是该部件工作性能的重要设计要求。2.5可行性分析高杆灯提升装置有大量的应用实例,设计中可充分参考这些实际应用中的结构根据使用中发现的问题进行改进设计,保证设计可行的基础上提高设计水平。2.6部分三维图装配图图2-5 卷扬机三维装配图图2-5为卷扬机的三维示意图,为表示清晰,我将外壳顶盖暂时去掉。可见到较详细的各处零件放置以及形状。具体工作方式也可以如上诉中进行运作。此为该装置的主要动力部分。图2-6 抱闸三维示意图该装置为抱闸示意图,此图可较好的表示抱闸装置的工作状态。抱闸钳夹紧时将有效的使灯盘保持在灯顶的状态。抱闸装置通过连接板,与灯杆顶端进行连接,保证了装置的定位问题。本装置需要对抱闸钳进行受力分析,用以确定抱闸钳的厚度。因为主要的受力处于抱闸钳的固定轴上,因此需要对抱闸钳的固定轴进行校核,保证整体部件的安全。图2-7 制动装置三维示意图制动装置与灯盘之间有拉紧钢缆以及拉紧弹簧进行连接,而不使用螺栓等螺纹紧固件进行连接。因为灯杆与垂直方向有一定的角度,所以该装置将需要沿灯盘径向有一定的自由度,故不使用紧固连接,而使用柔性连接。2.7本章小结本章节是整体设计的起始部分,让我们对自己的设计有更加充分的理解,并且对自己的想法进行进一步的思考。锻炼了我们思维广度以及深度,让我们得以理解自己要做什么,该做什么。本章节也作为一个展示作用,向各位老师表达出自己所做的工作原理以及工作方式,因此也是对我们自身表达能力的一种锻炼。对我们今后的思维方式较为深远的影响。3.机械零部件的设计和选择3.1卷扬机的设计3.1.1电动机选型3.1.1.1功率估算该装置提升速度为v=0.1m/s,所以钢缆以及滚筒线速度vh=0.1m/s,钢缆的拉力为Fe=15kN,取滚筒直径D0=200mm,滚筒转速n1=vh60/(R02)=10r/min。则估算功率Pj=Fevh/=1.87kW 3.1.1.2电动机的选型由于转速较慢,所以优先选择转速较低的电动机并且符合功率要求的电机。查表可得,Y-132S-8电机,此电机额定功率为2.2kW,转速为710r/min。可算传动比i=710/10=71。根据使各级传动的承载能力大致相等(吃面接触强度大致相等)原则总传动比i总=71,取减速器传动比i减速=60,则i齿轮=1.18.各轴转速:nI=710r/min nII=11.8r/min nIII=10r/min各轴输入功率,按电动机额定功率Ped=2.2kW,则 PI=Ped联=2.18kW PII=PI承齿=1.95kW PIII=PII承齿=1.85kW各轴转矩 TI=PInI=307.7NmTII=PIInII=964.3Nm TIII=PIIInIII=1254.2Nm 3.1.2滚筒的设计首先考虑提升重量,有灯架重量提供的1000kg的重量以及钢缆的自身重量。初设定为1500kg,既有钢缆的额定拉力:Fe=mg=150010=15kNm-总体重量,包括灯架重量以及钢缆自重;钢缆许用安全系数Ks,根据运动速度vh=0.1m/s。属于中等载荷慢速卷扬机,所以取Ks=5。钢缆安全系数:KS=SpFeKs (3-1)Sp-钢缆的最小破断拉力(N)Fe-钢缆的额定拉力(kN)则有SPKsFe=515=45kN查钢缆标准GB/T 20118-2006,选取6*37纤维钢缆,取钢缆直径d=13mm,自重为57kg/100mm,该种标准Sp=78.3kN。选取滚筒制造材料为铸铁,取滚筒容绳长度L=30m,滚筒直径D0=200mm,有滚筒容绳宽度Bt=L(d-1)/(D0+d) (3-2) =30(13-3)/(200+13) =370.4mm取Bt=580mm。卷筒边缘直径DkD0+2S+3d=200+2+313=270mm (3-3)S-钢缆的卷绕层数,取1;卷筒壁厚 AnFectz=49.5mm (3-4)取=50mmc-铸铁c=150 MPaAn-多层卷绕系数,取An= 0.65tz-钢缆轴向卷绕节距,tz =1.01d滚筒受到的扭矩Te=FeD0+d/2=1597.5Nm则最大切应力T=Te/Wt=1.48Mpa (3-5)-扭转切应力,MPa;Te-轴所受的扭矩,;-轴的抗扭截面系数,;D0-滚筒直径,md -计算截面处轴的直径,m;-许用扭转切应力,MPa。3.1.3轴的设计 通过实际的载荷和工作情况,忽略次要因素,作出合理性的假设并建立以下数学物理模型。已知输出轴转速10r/min,输出功率1.5kW,轴材料选择为45号钢。3.1.3.1轴的最小直径估算根据机械设计P370的公式,可得轴的扭转强度极限计算。选取轴的材料为45号钢,已知45号钢=45.T=TWT=9550000P0.2nd3T d39550000P0.2Tn=395500001.50.24510=55.03mm (3-6)-扭转切应力,MPa;T-轴所受的扭矩,;-轴的抗扭截面系数,;d -计算截面处轴的直径,mm;-许用扭转切应力,MPa。选定轴的最小直径d=56mm。3.1.3.2轴的结构设计1 2 3 4 5 6 7 8 9(1)轴的结构工艺性希望越简单越好,要求在满足主要条件的情况下,尽可能简化轴的结构。该轴主要受到周向载荷以及径向载荷,而几乎不受到轴向载荷。故建立数学模型为一端支点双向固定,而另一端支点游动的方法。(2)根据各轴段要求确定其以及长度1)1-2段放置滚动轴承以保证轴的轴向定位。选取滚动轴承代号为6310,轴承外径为110mm,内径为50mm,轴承宽度为27mm。故d1-2=50mm,轴肩高度约为0.1 d1-d。去l1-2=30mm2)2-3段由于轴肩的要求,取d2-3=56mm。2-3段为滚筒提供定位,取l2-3=30mm。3-4为用于定位的轴环d3-4=66mm,长度为5mm 。4-5段为滚筒所处位置无定位要求,取d4-5=60mm。5-6段为滚筒端盖与轴定位所需的轴环,d5-6=66mm长度为5mm。则d6-7=60mm。 3)7-8段放置齿轮,由一个套筒防止齿轮与滚筒端盖直接的接触,所以选择l7-8=80,d7-8=56mm。左端轴肩高度为2mm,右端为3mm。4)轴的轴向定位通过轴左右端的端盖与壳体的螺丝固定,进行定位。初定端盖厚度为20mm。(3)轴上零件的周向定位通过平键。6-7段通过平键与滚筒端盖链接并带动滚筒做周向运动。d6-7=60mm,由机械设计课本P106表6-1查得平键截面bhL=15mm16mm50mm。7-8段通过平键与齿轮链接,d7-8=56mm,同理得bhL=16mm10mm45mm。(4)确定轴上的圆角和倒角尺寸参考机械设计课本P365表15-2取轴端的倒角为2mm45,且轴肩的圆角半径为2mm。3.1.3.3求轴上载荷根据轴的计算见图做出弯矩图b和扭矩图c,如图所示。弯矩M扭矩TFRAFRBF1F2计算最大的弯矩和最大扭矩值列入下表载荷水平面垂直面支反力0FRA=6438N FRB=5562N弯矩0695.25Nm扭矩01200Nm轴所受到的最大弯矩为695.25Nm,计算该处的弯曲应力。首先计算该处的抗弯截面系数WW=d3/32=1.72410-5m3 (3-7)所以最大弯曲正应力为max=Mmax/W=39.74Mpa (3-8)有max1.5 所以是安全的。 3.1.4齿轮的设计根据工作情况,选用1:60的涡轮蜗杆减速机。齿轮传动比为i12=71/60=1.18。根据工作情况选用直齿圆柱齿轮传动,材料选择查询机械设计课本191页表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。该卷扬机为一般工作机械,速度较低,故选用7级精度(GB 10095-88)。选小齿轮齿数z1=50,大齿轮齿数z2=59。3.1.4.1齿轮齿面接触强度计算计算小齿轮直径 (3-14)选定载荷系数Kt=1.3计算小齿轮传递转矩T1=95500001.510=1432.5Nm由机械设计课本205页表10-7,选取齿宽系数d=1由机械设计课本201页表10-6,查得材料弹性影响系数ZE=189.8MPa12由机械设计课本210页图10-21(d)按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1=600MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限Hlim2=550MPa计算齿轮应力循环次数N1=60n1jLh=60101400=2.40105 (3-15)N2=N1i12=2.03105 由机械设计课本207页图10-19,去接触疲劳寿命系数KHN1=KHN2=1.6计算接触疲劳许用应力,取失效概率为1%,安全系数S=1,H1=KHN1lim1S=960MPa (3-16) H1=KHN2lim2S=880MPa 计算式(3-14)得d1t119.573mm计算圆周速度v=d1tn1601000=0.062m/s计算齿宽b=dd1t=119.573mm模数为m=2.39齿高为h=2.25x2.39=5.3775mm则齿高与齿宽比bh=22.23由机械设计课本198页图10-8得动载系数Kv=1.10对于直齿轮KH=1查表10-2得使用系数KA=1查表10-4用插值法查得7级精度,小齿轮支承非对称放置时,KH=1.42由齿高齿宽比,查图10-13得KF=1.29故载荷系数K=KvKHKHKH=1.562则矫正后,d1=d1t3KKT=106.72mm模数m=106.72/50=2.13mm3.1.5轴承端盖的设计和其紧固件的选择3.1.5.1轴承端盖的设计 轴承端盖用于固定轴承并承受轴承的轴向力,其主要根据选定的轴承从设计手册上选用用嵌入式端盖,如图3-1所示: 图3-1嵌入式轴承端盖(通盖)示意图端盖与轴承座用螺钉紧固,图中凹进去部分是为了减少加工.3.1.5.2螺钉的选择由于轴承端盖的尺寸较小,且考虑到本实验装置所受的轴向力很小,综合考虑选择十字槽螺钉GB/T13806.1,其示意图如图3-12所示: 图3-2 A型十字槽螺钉的示意图表3-1 A型-十字槽圆柱头螺钉的尺寸列表3.1.5.3螺栓组的选择 滚筒端盖的固定的安装均选择六角头螺栓-C级,其示意图如下,其中d=20mm,K=0.8d=16mm,b=2d=40mm. 图3-3 六角螺栓的示意图3.1.5.4壳体固定和电机底板的固定选用的螺栓规格如下:标准=摘自GB/T 5780-1986 等效ISO4016-1979单位=(mm)-螺纹规格d=M8b参考l125=22b参考125l200=28b参考l200=a(max)=5e(min)=14.2k公称=5.3r(min)=0.4s(max)=13l范围=3580100mm长的重量(kg)=0.0473.2抱闸卸载装置的设计3.2.1抱闸钳数学模型分析图3-4 抱闸钳三维模型图在灯盘未到顶端前,抱闸钳所受到的力,相对于灯盘到达顶端后要小得多。可认为受到重力,电磁铁对钳子的力,弹簧的拉力。计算时,对闭合状态进行计算即可。将该钳子改为如下理想模型,自身重量相对其他力较小,可忽略不计。CBAFRYFNFT1GFRX其中AB段长200mm,BC段长68.5mm,FT1距离顶端为80mm,AB与BC夹角为120,G=2500N。计算 FRY=G (3-17) FRX=FN-FT1 (3-18) GLBCcos30+FN(LAB+LBCsin30)=80FT1 (3-19)令Ft=2000N,可得FRY=2500N,FN=50.0N,FRX=-1950N。3.2.2抱闸钳的设计分析初设计抱闸钳截面大小为80mm*20mm的方形,使用铸铁铸造完成。且铸造精度不需要太高,没有高度的配合要求。竖直方向上,受到较大的力为弹簧的拉力。应力的校核应在此处。Mmax=Ftl=20000.08=160Nm (3-20) =MmaxW=Mmaxbh26=30MPa (3-21) ,故该位置绝对的安全。3.2.3弹簧的设计分析图3-5 弹簧三维模型图弹簧选型选择LII型冷卷拉伸弹簧,材料为碳素弹簧钢丝C级,估取弹簧丝直径为3mm,由机械设计课本391页表16-3查得该材料在钢丝直径d=3mm时,暂选抗拉强度极限b=1570MPa,根据表16-2查得=0.80.5b=628MPa.选择弹簧指数C=6,求曲度系数KK=4C-14C-4+0.615C=1.25 (3-20)则弹簧丝直径d1.6FKC=3.4mm 改取d=3.4mm,查表16-3,抗拉极限b无变化,故不变求得弹簧中径D=Cd=18mm弹簧外径,由弹簧中径求得,D2=D+d=21.4mm弹簧内径,可得D1=D-d=14.6mm弹簧刚度kF=FT2-FT12-2=16.8N/mm (3-21)由机械设计课本390页表16-2,取G=82000MPa,则弹簧圈数n=Gd48D3kf=820003.448018316.8=14.0 (3-22)取n=14,则有总圈数n1=n,自由长度HN=Hh+nd=8+143.4=55.6mm有节距为p=d=3.4mm有螺旋角为=arctanpD=3.43.2.4抱闸钳转轴的设计分析图3-6 转轴三维模型图抱闸钳在该轴上转动,轴本身固定不动。轴两端增加螺纹作为固定。轴上所受的力为抱闸钳以及外壳体对其的剪切力,以及抱闸钳转动时,抱闸钳对该轴上的摩擦力。而大多数工作情况下,摩擦力并没有影响,故主要对剪切力做强度计算即可。在此前提下,对该转轴做出简化数学分析,如下图FQ FRFR其中FQ=FRX2+FRY2=2FR=3170.5N,则FR=1585.2N。材料选用为45号钢,剪切许用应力=45MPa,杆材料的剪切应力应小于剪切许用应力,故FRA=4FRD2 (3-23)D24FR=9.69mm (3-24)考虑该装置有一定重量,因此选择D=20mm,以保证安全。3.2.5外壳的设计下图为外壳的正反面示意图,使用材料为铸铁,又铸造完成。中下部有螺丝孔,用以固定弹簧。上部装有螺栓孔以跟链接板链接达到安装目的。图3-7 弹簧三维模型图具体尺寸在零件图图中标示有,在此不做具体说明。3.3制动装置的设计3.2.1制动装置数学模型分析图3-8 制动齿条三维模型图在通常状态下各部分只受到自身重力以及与灯盘链接时的拉力作用,作用力较小,因此不需要在通常状态下做强度校核计算。而主要需要研究,当某一处的钢缆断裂时的力学分析。我将该情况简化为杆件形式,简化后如下。qlFN其中ql大小与灯盘总体重量相等即为10kN,l为300mm,FN与杆夹角为45。FT为拉紧钢丝的作用力,其大小方向与灯盘所处位置有关,当齿条与灯盘压紧时,该力可近似认为平行于杆,达到平衡FN水平方向分力的目的。此时,容易得出FN=2ql=14.14kNU型蹄为主要的受力构件,因此为了容易计算,将U型蹄简化为二力杆可分析其受力情况,即可进行强度校核。3.2.2U型蹄设计图3-9 制动齿条三维示意图该构件使用铸铁铸造而成主要受力部分为与制动蹄已经与制动齿条链接部分看,可假设为二力杆进行分析。因此需要对两链接部分进行受力分析校核。因为假设为二力杆,因此上下受力相同,而下部分的受力截面较小,因此对下部链接位置进行校核即可。对正应力进行计算,=FNA=1414020.050.06=2.5MPa (3-25)远远小于许用应力极限,因此校核没有问题。3.4本章小结作为本科毕业设计论文,本章节对我们的意义非凡。通过此章节,我们可以将大学之中所学习到的知识回顾起来,并且加以应用。让我们懂得了查询书本以及各类资料,明白了书本对我们个人学习的重要性。更加是强化了我们自我查询资料的能力。本章节对于整个毕业设计也是至关重要。各部件的受力分析、强度校核以及结构设计,将会对我们以后的生活工作产生深远的影响。总结与展望总结本次设计是本科学习的一个总结以及提高的过程。通过对本次课题的设计,将曾经遗忘的许多东西都重新回忆起来,并进行了统一的复习以及应用。在没有做设计之前,我一度不知道机械专业学习的知识将需要如何应用,更不知道要用在什么地方。我也曾将疑惑告诉过家人朋友,得到的答案也是在做毕业设计的时候便能明白学了什么。在此次的设计中,从一开始的什么都不明白无从下手,到后来在老师、同学的帮助下逐渐明白,并开始着手。然后学会了查询书本、资料等。这些过程,都让我明白了自己应该干什么能干什么。不得不承认这是对我自己一种极为有利的历练。展望(1)总体方案的优化。作为现在的我来说,所具有的能力还太差,因此对整体的设还有着很多需要改进的地方。希望在今后的时间内能加强自己的能力,对本课题有新的研究与应用(2)控制方案的研究。作为本课题,考虑到自身能力的原因未能对控制方案等进行研究,希望在今后的发展中能得到较好的历练,并把这部分的空缺补上。 参考文献1梁富文. 高杆灯灯杆设计的力学分析J. 机电工程技术. 2013.42( 5 ) : 114 - 1162丁晨. 关于港口固定式高杆照明灯的改造技术分析 J . 天津市南港工业区港务有限公司. 2005. 02: 47- 513陈汝延. 袁立. G30型升降高杆灯防坠制动系统的设计J. 北京农业工程大学学报. 1993. 13( 2 ) : 104 - 1104侯勇俊, 艾志, 久仁杰, 王文武. 自走式修井机游动系统仿真模型J. 石油学报 2002. 23 ( 4 ) : 90 - 925杜红勇, 艾志久. 滑轮组系统动力学仿真 J 机电工程技术. 2005. 34( 3 ) : 73 - 756杨帆. 吊重滑轮组平衡式抽油机研制与节能分析 J . 石油机械. 2004. 32 ( 7 ) : 31 - 347Mechanical Dynamic Ins. ADAMS Applications manual Z 8徐长航, 苑思敏. 自升式平台齿轮齿条升降装置动力学行为分析 J 石油机械. 2013. 41 ( 3 ) : 49 - 539Zigbee Document 053474r06, Version 1. 0: Zigbee Specification10石听安. 高杆灯总体设计概论 J . 灯与照明. 2003. 27( 1 ) : 13 - 1611 秦大同, 谢里阳. 现代机械设计手册( 单行本 )机械传动设计 M . 北京: 化学工业出版社, 2013: 55 - 67致谢本次毕业设计能够顺利地结束,离不开大家的帮助。在这里特别需要感谢指导老师谢老师。老师在我不知道做什么的时候给了我极大的鼓励,对于成绩不太好的我也给予了技术上的支持以及容忍。还有刘老师对我的悉心指导,尤其是在课题初期方案时间,一步步的告诉了我该做什么,让我能够顺利的做下去。这里还需感谢我的舍友、同学们,他们对我的帮助也让我铭记于心。感谢大家在我困难对我的帮助以及鼓励,我将牢牢记在脑中。27
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