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专业课程设计指导书
机械设计制造及自动化专业
专业课程设计指导书
卷扬机设计
陈德淑
重庆大学机械工程学院
机械设计制造及自动化系
2014年9月
目录
1、设计题目
1.1卷扬机的设计性能参数
1.2设计的内容
1.3课程设计的工作计划
2、设计要求
3、设计步骤
3.1方案设计
3.2牵引机构设计
3.2.1选择电动机
3.2.2确定牵引机构的总传动比并分配传动比
3.2.3牵引机构的运动和动力参数计算
3.2.4联轴器的选择
3.2.5钢丝绳的选择
3.2.6卷筒结构设计
3.2.7制动器
3.2.8减速器传动零件的设计计算
3.3绳轮系统设计
3.4牵引小车设计
3.5草图绘制
3.6主要零部件强度、刚度计算校核
3.7图样绘制
1、设计题目
为江边某港设计一台货运卷扬机，用于将船上的货物运到岸上仓库。
使用年限5年，平均每天工作16小时，每年工作300天。
要求有足够的运载能力，结构合理，维修方便，安全可靠。
1.1卷扬机的设计性能参数
题号
参数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
限载量（吨）
6
6
6
5
5
5
4.5
4.5
4.5
4
4
4
3.5
3.5
3.5
岸坡斜度（度）
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
30
运行速度（米/分）
15
20
25
15
20
25
20
25
30
20
25
30
25
30
35
运行距离（米）
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
80
1.2设计的内容：
1.2.1完成卷扬机总体设计
工况分析、功能原理设计，方案选择，结构分析,力能参数计算（载荷计算、钢绳、滑轮计算及选择），计算电动机功率，确定电动机转速，选定电动机型号，计算传动系统的运动和动力参数（确定传动系统总传动比和分配各级传动比，计算各轴功率、转速和扭矩等）
1.2.2传动系统及运载小车设计。
设计并确定传动件的参数和尺寸，设计轴并校核轴毂联接强度，选择轴承并验算其寿命，选择并校核联轴器、制动器，绘制并完成总图（包括标注尺寸，编写技术条件、标题栏和明细表等）。
1.2.3零部件工作图设计。
部件图完成运行小车设计或卷筒设计
零件工作图由老师根据具体情况指定。
1.2.4整理和编写设计计算说明书（30页以上）；
1.3课程设计的工作计划：
1.3.12015年9月28日,下达设计任务,介绍题目背景、课程设计指导书；
1.3.22015年9月28日～29日工况分析、功能原理设计，方案选择，结构分析,力能参数计算（载荷计算、钢绳、滑轮计算及选择），电动机选择；
1.3.32015年9月30日～2015年10月8日卷扬机系统设计，运载小车设计及主要零部件强度、刚度校核；
1.3.42015年10月9日～2015年10月21日绘制设计图
1.3.52015年10月22日～23日整理设计计算说明书；
1.3.62015年10月23日下午17：
30分以前交设计资料。
2、设计要求
2.1设计者应充分发挥主观能动性和创造精神，认真负责，一丝不苟，独立按时完成设计，严禁抄袭和代作，按照给定任务制定相应的工作计划和日程表开展设计工作。
2.2质量要求：
图纸
图纸要合理选择视图和剖面，布局要合理，尺寸、技术性能、技术要求、标题栏和零件明细表要齐全、完整；零件结构工艺性要好，零件图上要完整地标注出制造所需的材料、数量、尺寸、公差、表面要求、热处理以及其他技术要求，所有图纸一律用手工方法绘制。
设计计算说明书
设计计算说明书中方案分析要使用技术语言，深刻、全面，简练，层次分明，文理通顺，并尽量附机构简图说明；数据计算要准确，计算公式要注明来源；书写要工整，插图、表格应清晰规范，内容应包括：
封面、目录、任务书、正文、参考文献目录，还可加前言、后语，如果要用计算机打印，其插图、表格应布局合理、清晰、干净。
2.3验收提交
设计完成后，应将所有设计资料装入资料袋，亲自交给老师（不得代交）并接受老师面试。
2.4成绩评定：
设计成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级。
设计成绩由以下几个方面综合评定：
工作表现，主要凭日常考勤、是否独立完成来判定；
独立工作能力和创新能力；
设计成果质量（含图纸和设计计算说明书两部分）；
3、设计步骤
3.1方案设计
确定设计方案前，应作如下准备工作：
仔细阅读设计任务书，明确设计的目的和意义，了解系统的要求和设计应达到的技术指标，根据目标任务收集准备设计资料：
现场空间尺寸范围、环境条件、对象条件、同类设备的结构特点及使用情况、参考资料（参考书、文献、机械设计手册、结构图册等）。
然后进行工况分析，分析系统的工作任务，载荷要求，运动特性，环境特点等，然后根据国内外类似设备的现有水平、结构特点及发展趋势，结合本项目的要求进行分析比较，择优确定一个最优方案。
3.1.1总体方案设计
码头货运卷扬机主要用于将船上的货物运到岸上仓库。
在确定总体方案时，要考虑到所设计的卷扬机有足够的运载能力，结构布局合理，尽量采用标准件和通用零件以降低制造成本，并且维修方便，安全可靠。
3.1.2运载小车
分析先从运载小车入手，由于牵引小车在有坡度的地面上运行，小车车厢平面与四个滚轮轴线平面的夹角同地面坡度；考虑牵引小车的方便和平稳性，在坡地上要铺设两条小车运行轨道（用工字形轨道钢），轨道的宽度与运行小车滚轮轮距离相同，牵引运行小车的钢丝绳要离地一定距离（防止钢丝绳由于自重下垂而与地面摩擦），在轨道中央的适当位置要安设托绳轮。
3.1.3牵引机构
牵引机构采用电动机——联轴器（带制动器）——二级圆柱齿轮减速器——联轴器——卷筒的形式。
为了减小牵引机构的制动力矩，将制动器安置在机构高速轴上。
电动机和卷筒可以安放在减速器的同侧，也可以分别安放在减速器的两侧。
为了减小外形轮廓尺寸，在减速器输入轴和输出轴中心距允许的情况下，最好将电动机和卷筒安放在减速器的同侧。
如果电动机和卷筒安放在减速器的同侧要发生干涉，那么就必须将电动机和卷筒分别安放在减速器的两侧。
为了确保牵引小车的钢丝绳在卷筒上卷绕均匀、排列整齐，避免钢丝绳堆挤和松散，必须保证钢丝绳出绳水平方向的偏斜角不超过允许的数值。
对于光卷筒和多层绕卷筒，要求自然排绳的偏斜角
1.5°，排绳器排绳的偏斜角
°；对于螺旋槽卷筒，钢丝绳绕进或绕出卷筒时，钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度
3.5°。
卷扬机系统布置可参考下示意图：
3.2牵引机构设计
3.2.1选择电动机
电动机是系列化的标准产品。
要根据工作载荷（大小、特性及其变化情况）、工作要求（转速高低、允许误差和调速要求、起动和反转频繁程度）、工作环境（尘土、油、水溅、高温等）、安装要求及尺寸、重量有无特殊限制等条件从产品目录中选择电动机的类型和结构形式、容量（功率）和转速，确定具体型号。
3.2.1.1选择电动机的类型和结构形式
电动机的类型根据电流种类、工作条件及载荷特点等选择。
本设计没有特殊要求，采用Y系列三相鼠笼型异步电动机比较合适，它具有高效、节能、起动转矩大、噪音低、振动小、可靠性高以及使用维护方便等优点。
由于卷扬机起动、制动和反转频繁，要求电动机转动惯量小和过载能力大，应选用起重及冶金用三相异步电动机。
为适应不同的安装需要，同一类型的电动机结构又制成几种安装形式，各型号电动机的技术数据、外形及安装尺寸可查阅设计手册中的产品目录获得。
3.2.1.2确定电动机的容量
电动机的容量（功率）确定得是否合适，既影响电动机的工作，又影响经济性。
若容量小于工作要求，则不能保证工作机的正常工作或因长期过载而使电动机过早损坏；若容量过大，不仅电动机价格高，其能力也不能充分利用，而且由于经常不在满载下运行，其效率和功率因素都较低，这是不经济的。
电动机的容量主要由其运行时的发热条件决定，只要电动机的负荷不超过其额定值，电动机便不会过热。
即按电动机的额定功率
等于或略大于所需电动机功率
即可。
不必再作发热计算。
所需电动机功率为：
式中
——工作机构所需功率（kW）；
——由电动机至工作机构的总效率。
①工作机构所需功率
，根据工作机构的工作阻力和运行参数求得。
本设计中，可由给定的工作阻力（钢丝绳的牵引力）和参数按下式计算
（kW）
式中
——工作机构的线速度（m/s）
——工作机构的工作阻力（N）；
式中
——限载量；
——运载小车自重；
——地面坡度；
——运载小车滚轮与轨道的滚动摩擦系数。
②总效率
按下式计算
式中
分别为牵引机构中每个联轴器、每对轴承和每一传动机构的效率，其数值可查机械设计手册获取。
3.2.1.3确定电动机的转速
同类型的容量相同的电动机，有不同的转速。
低转速电动机的极数多，外廓尺寸及重量都比较大，价格比较高，但传动装置的总传动比及尺寸可以比较小，高转速电动机则相反。
所以电动机转速的高低不仅影响其尺寸、重量和价格，同时也影响传动装置的总传动比以及尺寸的大小，在确定电动机转速时，应综合考虑这些因素，进行分析比较，使整个设计既合理又经济。
为此，可以根据卷筒的转速和传动机构的合理传动比范围算出电动机转速的可选范围，即
（r/min）
式中
——电动机可选转速范围（r/min）；
——传动装置总传动比的合理范围；
——各级传动机构传动比的合理范围；
——卷筒转速（r/min）。
通常多用同步转速为1500和1000（r/min）的电动机，设计时应优先考虑。
根据选定的电动机类型、结构、容量和转速，查出电动机型号后，应将型号、性能参数和主要尺寸记下备用。
3.2.2确定牵引机构的总传动比并分配传动比
由选定的电动机的满载转速
和卷筒转速
，可求得牵引机构的总传动比为
总传动比确定后，再进行传动比的分配
对于二级圆柱齿轮减速器，一般两级齿轮材料相近，为使各级大齿轮浸油深度合理，即各级齿轮既得到充分润滑又不致使某级大齿轮浸油过深而增加搅油损失，应使减速器内各级大齿轮直径相近。
在二级圆柱齿轮减速器中，低速级传递扭矩比较大，其中心距也比高速级大，为使两级大齿轮直径接近而低速级大齿轮直径略大，必须使高速级传动比
大于低速级传动比
。
推荐
3.2.3牵引机构的运动和动力参数计算
牵引机构的运动和动力参数计算，就是求出各轴的功率、转速和扭矩，以进行各零件的设计计算。
各轴的功率和扭矩以输入端计，齿轮的设计计算也用此扭矩，以简化计算。
牵引机构的设计功率为所需电动机功率
，这样可以使设计的减速器既满足使用要求，又尺寸较小，价格比较低。
计算时，将牵引机构各轴从高速到低速依次定为Ⅰ轴、Ⅱ轴……，相邻两轴间的传动比为
……，两轴间的传动效率
……，则各轴的功率、扭矩和转速的关系为：
3.2.3.1各轴功率
（kW）
式中
——电动机至I轴间的传动效率
（kW）
（kW）
其余类推。
3.2.3.2各轴扭矩
电动机轴的输出扭矩
（N.m）
（N.m）
（N.m）
（N.m）
其余类推。
3.2.3.3各轴转速
（
）
（
）
（
）
其余类推。
以上计算结构应整理列表。
3.2.4联轴器的选择
从联轴器标准规格中选取，然后验算所传递的转矩，使其满足
——联轴器规格参数表中给出的转矩，N.m；
——联轴器的计算转矩，
——联轴器的名义转矩，N.m；
K——载荷系数，查机械设计手册获取。
3.2.5钢丝绳的选择
钢丝绳结构选用不旋转的镀锌钢丝绳。
钢丝绳直径可由钢丝绳最大工作静拉力按下公式确定
公式中
——钢丝绳最小直径，mm；
——钢丝绳选择系数，
，查起重机设计手册获取。
3.2.6卷筒结构设计
参照工程起重机教材。
3.2.7制动器
制动器的选择和校核则应包括如下计算：
3.2.7.1制动器产生的制动力矩
3.2.7.2制动弹簧作用力和弹簧安装长度
3.2.7.3松闸条件。
各类制动器的性能、规格和尺寸均有部颁标准。
应根据机构所需的制动力矩选择标准块式制动器。
3.2.8减速器传动零件的设计计算
参照机械设计课程设计。
3.3绳轮系统设计
3.3.1滑轮
滑轮是用来导向和支承钢丝绳，以一改变钢丝绳的走向，滑轮组还能达到省力或增速的目的。
滑轮直径的大小直接影响钢丝绳的寿命，因而设计时应合理选用。
一般按下列公式选用（注意：
选用时是按照钢丝绳中心计算的直径D1）：
D1min=h.d
公式中：
D1min—按钢丝绳中心计算的滑轮的最小直径（mm）;
h—与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，按设计手册选用；
d—钢丝绳的直径（mm）。
3.3.2钢丝绳的卷绕形式
钢丝绳的卷绕要保证：
（1）钢丝绳在卷筒上的偏斜角小于钢丝绳的容许偏角
（2）保证钢丝绳在卷筒上不能乱绳；
（3）钢丝绳不能在地上与地直接拖行，牵引空间不能对给周围环境遗留过大的障碍。
3.3.3支承滑轮、托轮的支架要有足够的刚度。
3.3.4钢丝绳的固定
钢丝绳在卷筒上的固定和绳头的固定要按照规定，不允许出现滑头。
3.4牵引小车
牵引小车要有足够的容量、结构的刚度足够、强度要足够等。
3.5草图绘制
根据上述计算数据和工艺性要求，将初定设计方案所绘制的机构简图结构化。
但只作为草图，为下一步主要零部件（含轴类、轴承、齿轮、键等）强度、刚度计算校核提供条件。
3.6主要零部件（含轴类、轴承、齿轮、键等）强度、刚度计算校核
根据草图结构尺寸进行主要零部件（含轴类、轴承、齿轮、蜗杆蜗轮、丝杆螺母、键等）的强度、刚度计算校核，当强度、刚度不满足工艺要求时，应在设计草图上对结构尺寸进行修改，直到合理为止。
3.8图样绘制
当必要的计算已经完成、主要的零部件校核合格后，严格按有关标准整理前述草图、补完施工所需的其余图纸。
标准件、外购件不绘图，但要将其型号、数量、材质、标准号等列入明细表中。
图纸完成后，按要求整理设计计算说明书。
并将全部设计资料装如入资料袋交给指导老师，准备答辩资料。
4．参考资料：
轧钢机械冶金工业出版社
轧钢车间机械设备冶金工业出版社
轧钢机械设计机械工业出版社
板带车间机械设备设计机械工业出版社
机械结构设计机械工业出版社
机械零件的结构设计机械工业出版社
机械制造工艺学机械工业出版社
机械工程手册机械工业出版社
《重型机械》
《机械工程》
《机械设计与制造》
《机械工程师》
《机械设计》
《机械设计课程设计指导书》
《润滑与密封》
《机械传动》
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