绞车设计和实现 机械自动化专业.doc

绞车设计 摘要 当今社会，随着工业化的发展越来越快，不同规格的绕线绞车需求量越来越大，因此，降低成本和提高安全性对回柱绞车的开发具有重要意义。在这次机械设计中，将传统的涡轮蜗杆的控制方式改成了直线传感器的控制方式，使整机更加的简洁美观，同时直线传感器的方式更加智能化。直线传感器的直线感应传递给电机，电机根据反馈调节速度，从而使绞车可以自动调节速度。同时直线装置可以使绞车在危险的情况下停止转动，保证了人员和设备的安全。 目 录 摘要 I 目 录 - 1 - 1 绪 论 - 3 - 1.1 课题背景 - 3 - 1.1.1 绞车的分类 - 4 - 1.1.2 绞车的特点和性能要求 - 4 - 1.1.3 绞车功能与结构 - 5 - 1.2 国内外矿用小绞车的发展概况 - 7 - 1.2.1概述 - 7 - 1.2.2 国内外水平对比 - 8 - 1.2.3 结构型式 - 10 - 1.2.4. 发展趋势 - 11 - 1.2.5 采取措施 - 13 - 1.2.5.总结 - 14 - 2 绞车主要性能参数的确定 - 15 - 2.1. 钢绳拉力 - 15 - 2.2． 钢绳绳速 - 15 - 2.3. 电动机额定功率 - 16 - 2.4. 钢绳型式和直径的确定 - 18 - 2.5． 卷筒直径的确定 - 23 - 3 各类零件的设计和强度计算 - 24 - 3.1 引言 - 24 - 3.2 技术规格与参数 - 24 - 3.3 . 电机的计算和选取 - 25 - 3.4计算各轴的运动和动力参数 - 27 - 3.5 蜗轮蜗杆的设计和计算 - 29 - 3.6 齿轮的计算和强度校核 - 33 - 3.6.1一级齿轮的设计与计算 - 33 - 3.6.2. 二级齿轮的设计与计算 - 38 - 3.7 各轴的设计和计算 - 44 - 3.7.1蜗杆轴分析与强度校核 - 44 - 3.7.2蜗轮轴的分析和强度校核 - 48 - 3.7.3齿轮轴的分析与强度校核 - 51 - 3.7.4滚筒轴分析与强度计算 - 54 - 3.8 轴承的选用和强度的校验 - 57 - 3.9 联轴器的选择和计算 - 66 - 3.10 制动器的选择和计算 - 68 - 3.11 蜗轮齿轮上键的选择和强度计算 - 71 - 3.12 箱体的设计 - 75 - 3.13 本章小结 - 76 - 4 绞车调试与维保 - 77 - 谢 辞 - 81 - 参考文献 - 82 - 1 绪 论 1.1 课题背景 在古代，绞盘是作为拖曳提升重物的而产生的设备，它可使人搬运重于自己很多的物体，从而节省了体力。聪明的中国人在很久以前就设计出类似于绞盘的的砂轮。今天被广泛应用的绞车(或称卷扬机)是绞盘的另一种形式，它泛指具有一个或几个上面卷绕有绳索或钢丝绳的圆筒，用来提升或拖曳重载荷的动力机械。 绞车是日常生活中一种常用的机械，随着制造业技术的发展以及控制软件的不断进步，绞车的发展也取得了很大的进步，并且应用越来越广。目前绞车正被广泛地应用于矿山，港口，工厂，建筑等诸多领域，本次设计侧重于在无人机领域的应用。 可以说，绞车广泛的应用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样的机构组成。为了更好的研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类展开探讨。 1.1.1 绞车的分类 绞车多种多样的用途，决定了绞车的种类和组成形式也是多种多样的。按照绞车卷筒的数量分，绞车可以分为三种：单筒绞车，双筒绞车和三卷筒绞车。 其中单卷筒绞车是三种类型绞车中最常见的。它是有一个卷筒用来存放缆绳或者铰链，一般用于对卷筒的容绳量要求不高的场合。 另外，按照绞车的驱动方式，通常把绞车分为电动绞车，气动绞车和液动绞车三种。本次设计的绞车即为单卷筒电动绞车。 1.1.2 绞车的特点和性能要求 绞车的特点怎么样呢，可归为以下五点： 1. 负载时变 绞车由于场合所限，特别容易受到外界各种环境因素的干扰和影响，其负载相应会有所变化。这对绞车的稳定性造成了一定的干扰。绞车的收放速度可能就不稳定，有时甚至无法正常运行。 2. 驱动力矩范围大 驱动力范围大是绞车的工作环境决定的，其驱动力可以从几公斤到上百吨之间。 3. 调速方便，运行要平稳 由于收放工作的需要，现在绞车一般都要求都需要能够方便连续的调整收放速度。在高速的时候，不要出现飞车的情况；在低速的时候，不要出现爬车的现象，而且要求保持一定的输出力矩。 4. 对安全可靠性要求较高 由于绞车运行环境往往比较恶劣，会对人员和财产可能造成一定的损害，所以对绞车的可靠度要求较高。 5. 要求具有较好的可操作性 随着社会工业的发展，使得人们对绞车的要求有了进一步的提高。另外，电子控制及通讯技术的发展，也为绞车的发展提供了技术上的支持。 1.1.3 绞车功能与结构 绞车设计采用滚筒盘绞方式来垂直拖曳、提升、下放负载，绞车一般包括驱动装置、工作部分、辅助部件等几大块。 1.驱动部分:绞车可以选择多种驱动方式，比如电动机驱动、蒸汽机驱动、汽油发动机驱动、液压马达驱动、气动马达驱动等等。无论采用何种驱动方式，都应该满足以下原则: ①变速均匀，调速的范围要广; ②在运行中，要有良好的启动特性以及低速度的稳定性，总效率要高; ③可以正反双向旋转，并且可以较易的改变旋转方向； ④维护保养比较方便，对周围工作环境的抵抗性; ⑤制动控制系统要可靠; ⑥设计紧凑，结构合理，体积小，重量轻; ⑦在有负载情况下，能长时间安全带载静止而不至于损坏驱动系统。 2.工作装置:在电机作用下，通过滚筒转动方式拖曳或释放缆绳以完成对负载的控制。 3.辅助装置:辅助装置包含滑轮组、导向装置以及直线传感器等装置部分;绞车的缆绳可以使用钢丝绳等，本绞车使用的是线缆。 1.2 国内外小绞车的发展概况 1.2.1概述 目前世界上绞车的生产厂家主要有美国的Goodrich 公司和 Breeze Eastern 公司，俄罗斯也有从事绞车制造的厂家，但相对于美国技术落后、安装复杂、结构不紧凑，因此很少装机使用。Breeze Eastern 公司是世界上较早进行直升机绞车研制的厂家之一，但其改进相对较少。Goodrich公司虽然在绞车方面的研制较晚，但由于Goodrich 公司重视技术改进更新，并通过兼并法国Lucas 公司等，逐渐占据了国际绞车市场的重要地位。目前Goodrich 公司研制的Ⅰ类电动绞车系列齐，质量优，因此直升机绞车市场上所占的份额正逐渐增加，并逐步取代Breeze Eastern 公司。 国内绞车有成都航空仪表有限责任公司，从21世纪初开始仿制超黄蜂直升机的液压绞车项目，并于2004 年11 月仿制出直升机液压绞车，并完成了地面试验和50M 空中悬停起吊试验。近年来随着国内相关产业如电机技术、控制电路技术的进步，电动绞车的国产化研制已也渐渐步入新阶段。目前成都海特公司已开展了Ⅰ类电动绞车的国产化研制工作。 1.2.2 国内外水平对比 1.品种 国外矿用小绞车规格比较多，适用不同场合，我国矿用小绞车规格较少，品种多而乱，也较繁杂，没有统一标准。 2.型式 从工作机构上分，国外有单筒，双筒以及摩擦式三种，我国只有单筒一种形式。从原动力上分国外有电动的，风动的以及液压驱动的，我国只有电动的和少量风动的。 3.结构 我国及国外的调度绞车大多数采用行星齿轮传动，其传动系统结构简单，使用维修方便。但由于其牵引力较小，特别是上下山的工作情况下很难实现较大设备的搬运工作。还有苏联的产品比我国同等规格的产品要小。例如苏联规定，国家标准规定的调度绞车的轴向尺寸不大于1m，而我国现有的牵引力1000kg.f以上的产品轴向尺寸均远远大于1m以上。回柱绞车的薄弱环节是球面蜗轮副传动，回柱绞车的主传动均采用了蜗轮副传动，这是因为蜗轮副传动比大，又具有自锁性，故其传动效率极低，一般只有0.8左右，回柱绞车的总传动效率更低。回绳速度慢，所有的回柱绞车回绳速度和工作牵引速度相同，不论绞车用于回柱放顶，还是搬运设备，工作效率太低。随着采煤机械化的发展，综采设备的频繁搬迁，又由于回柱绞车搬运，工作时间长占用人工多，因此这类均应设置快速回绳。 4.产品性能 主要寿命，噪音，可靠性等综合指标与苏联有差距。苏联矿用小绞车使用寿命规定在5年以上，而我国目前不具备测试手段寿命无法考核，但从对客户的访问中得知，寿命达不到5年，噪音也稍大。 5.三化水平 虽然我国矿用小绞车参数系列水平优于国外，但在标准化和通用化方面远不如发达采煤机械制造的国家。苏联把调度绞车运输绞车等统一为一个标准中，主机相同，只是制造和操作部分有所不同，而我国即使是同一规格产品，不同厂家生产的其结构各不相同，零件无通用之处，给使用和选型带来不便，比如牵引力14000kg.f这一档回柱绞车就有四种型号。JHC-14型一级减速为蜗轮副传动，二级为行星齿轮传动（少齿差传动）.JH2-14型二级减速蜗轮副传动，一级和三级减速为圆柱齿轮传动。JM-14型是在一级蜗轮副减速后，其二三级减速都为圆柱齿轮传动，JH-14型是在一级蜗轮副减速之后，其二级减速为直齿圆柱齿轮传动，也是传动系统最简单的一种。 6.技术经济指标 我国矿用小绞车的技术经济指标与国外特别是苏联对比还有一定差距，现在牵引力为2500kg.f的绞车相比，见表1-1： 由此可见苏联产品的单位重量的牵引力和单位体积牵引力两项技术经济指标都高于我国的产品。 表1-1 我国与苏联绞车技术水平对比 1.2.3 结构型式 本次绞车设计结构形式采用放线电机控制放线筒，放线筒上的线缆根据负载调节速度，排线电机可设置排线速度。 1.2.4. 发展趋势 纵观小绞车的发展情况其发展趋势有以下几个特点。 1.绞车发展越来越标准化。绞车的性能指标标准越来越明确，参数规定也越来越明确，这就使得设计和制造，使用维护都大大的方便了。 2.绞车发展越来越小，体重越来越轻。本绞车结构简单，运行方便，加工结构多采用合金铝制造，大大减轻了重量。 3.绞车发展越来越高效节能。绞车各种参数的设置上进行优化设计，经过多次试验调试，选取最佳参数，最大限速提高产品性能。4.绞车发展越来越低噪声，高寿命。寿命和噪音是绞车产品的综合性能指标。寿命长经济效益才能高；噪音低有利于工人身心健康。5.绞车发展越来越多功能，通用化，矿用小绞车在使用过程中不仅做调度用，而且还做运输及其他辅助工作。随着管理水平的提高，产品通用化程度也必然的不断提高，这是今后产品发展的必然趋势。 7.向外形简单，平滑，美观。体积小，重量轻，大都采用了机电合一的综合机构。外表只能看到滚筒和制动操纵部分。在外形上巧妙的构思，使得产品造型美观，操作者感到舒适。 1.2.4.总结 随着社会的发展和技术的进步，绞车越来越体现其重要性。绞车在各个领域都有了很好的发展。在无人机方面，绞车的自动控制放线使得无人机能够更好地发展。 2 绞车主要性能参数的确定 2.1. 线缆拉力 在无人机绞车方面，对于线缆的拉力要求并不高，因为无人机线缆主要从事的是为无人机供电的任务，不是运载货物。 2.2． 线缆速度 绞车対线缆的速度要求不高，但对速度的可调节性即灵敏性要求很高，因为绞车是为无人机服务的，无人机的灵敏性很高，这就要求。所以配套的绞车的灵敏性必须达到线缆在绞车放线筒上为多层缠绕，线缆并不是恒定不变的，而是随着缠绕层数变化而变化。为了与线缆拉力相适应，应以最外层速度作为绞车线缆的名义速度0.2米/秒。 线缆速度是影响绞车作业的主要因素之一，但是绞车生产率不仅仅决定于绞车速度。因为，作业过程中，辅助作业时间占