1、 中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页1 概述全套图纸，加 1538937061.1 简介1.1.1 绞车概述在人类历史上，绞盘(windlass)是第一种用于拖曳提升重物的机器，它可使一个人搬运远重于自己许多倍的重物。绞盘采用一种轴和轮的形式，由用垂直框架支撑的滚筒组成，人通过用手摇动曲柄，使绞盘滚筒绕水平轴转动(见图 1.1)。中国人在公元前二千年就设计出用曲拐手柄转动的砂轮。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图 1.1 绞盘简图中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页力机
2、械。图 1.2 所示为一种简易的手动提升绞车;该绞车用手驱动，靠齿轮传动的速比增扭，配有防止卷筒反转的棘轮机构和制动用的带闸。1.1.2 绞车功能与结构绞车设计采用滚筒盘绞或夹钳拉拔缆绳方式来水平或垂直拖曳、提升、下放负载，绞车一般包括驱动部分、工作装置、辅助装置等几部分。1.驱动部分:用于驱动绞车工作装置盘绞、释放缆绳，包含动力及传动装置与控制装置。绞车可以采用多种驱动方式，包括电动机、蒸汽机、柴油发动机、汽油发动机、液压马达、气动马达、等等。无论采用何种驱动发式，在绞车的驱动部分设计中都应包含以下设计准则：无级均匀变速，调速范围广； 在有负载情况下，良好的启动特性和低速特性，总效率高； 双
3、向旋转，并且容易改变旋转方向； 维护保养相对容易，对周围工作环境不敏感； 制动系统工作可靠； 设计紧凑，结构简单，安装布置容易，重量轻； 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。图 1.2 手动提生绞车中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页对于小型绞车，为了保证结构紧凑，绞车驱动部分一般与绞车工作装置联接在一起，直接驱动工作装置；对于大型绞车或应用现场空间相对狭小的绞车，绞车驱动部分与绞车工作装置可以设计成独立放置，两者间通过液压管线、气动管线或电缆管线相联系，绞车的布置和操纵均很方便。2 工作装置:在驱动部分作用下，通过滚筒回转或夹钳直线拉拔等方式拖曳或释放缆绳
4、以完成对负载的收放控制，并含有对缆绳的容绳和排缆装置。3.辅助装置:辅助工作装置完成拖曳作业，包含滑轮组、导向装置以及速度测量，长度距离测量，张力测量等装置部分;绞车可以使用钢丝绳，尼龙缆绳等多种材质缆绳。1.1.3 绞车分类绞车可以采用多种分类方法。按绞车驱动方式分类，绞车可以分为机械式驱动绞车、电机驱动绞车、气动绞车、液压绞车等几大类。1.机械式驱动绞车驱动部件间的固定几何位置关系决定着系统的设计布局，布局的变化少；传动系体积尺寸大，总重量重；安装布置复杂，经常需要精密加工的平面和精密的部件定位；难以实现大范围的无级变速；原动机的位置是不可变的；在有负载的情况下，难以取得平稳的反转；通过采
5、用液力偶合器，可以在堵转工况下产生最大扭矩。2.电机驱动绞车在小型和低端绞车产品上采用常规定速电机驱动方法，能实现单速(或双速)和双向旋转功能，系统简单，但不能低速启动和平滑变速；采用可控硅整流(SCR)直流调速方式实现无级变速，发展历史悠久，可在低速段提供短时的额定扭矩(或堵转扭矩)。但是，若无独立冷却系统和专用设计，直流调速方式不能长时间用于堵转工况；采用交流变频调速方式实现从零到最大速度的无级变速，可以在低速或堵转工况下提供 100%额定扭矩，调速平稳；中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页设备复杂，维修、保养人员的技术水平要求较高。3.气动绞车需要配置压缩空气站；气动系统工
6、作压力较低，气动马达外形尺寸较大，气动系统总体重量较重；对环境条件敏感-在周围环境温度低的地方，可能有潮气凝结在气动管路和部件里；噪音大-需要噪音消音器。4.液压绞车双向实现从零到最大速度的无级变速控制，易于换向；用高压溢流阀或压力补偿器双向限制有效力矩；输出速度范围大，负载的低速控制好，可以带载良好启动；系统允许长时间支持负载，双向可以限制不同力矩；设计紧凑，布置方便，动力传递系统总重量轻；易于实现恒速、恒张力控制。按绞车应用领域和使用工况分类，绞车分为矿用绞车、建工卷扬机、船用绞车、工程机械绞车以及特殊用途用绞车等等。按绞车作业形式分类，绞车一般分为滚筒卷扬绞车和线型绞车两大类。滚筒卷扬绞
7、车采用驱动滚筒旋转方式收放缆绳和拖曳负载，并在滚筒上直接容绳；线型绞车采用夹钳直线拉拔缆绳方式拖曳负载，并在独立配置的滚筒上卷扬容绳。图 1.3 为线型绞车示意图。1.1.4 绞车应用绞车广泛应用于工程机械、建筑机械、林业、渔业、矿山机械、船舶运图 1.3 线型绞车示意图中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页输、海洋石油等多领域，可配套多种类型主机设备。绞车具体配套的部分设备如下：1.汽车起重机主吊、辅吊绞车2.塔式起重机主吊绞车3.驳船定位绞车，拉索绞车4.钻探船拔桩绞车5.挖泥船悬挂和斗架绞车、抓斗绞车6.通用船舶锚泊绞车、起重绞车、牵引绞车7.集装箱船船尾恒张力装料绞车8.码
8、头起重机主起重卷扬机9.海洋石油铺管工作船恒张力移船绞车、张紧器、A/R 绞车、起重吊机的负荷绞车等等10.运输铁道车辆定位卷扬机、索道牵引绞车11.森林及木材加工机械重木起吊卷扬机、木材车、堆材机12.液压打桩锤配套设备液压管线绞车、电缆及气动管线绞车13.矿山和冶金行业运输绞车、提升绞车1.2 最新技术与发展趋势随着液压元件的不断发展、丰富，随着液压控制技术和测试技术的进步，液压绞车的应用范围不断扩大，功率回收、负荷传感、恒张力等多种先进技术已在大型绞车上广泛应用。执行元件(液压马达)的使用更加多样。一方面，大排量液压马达实用性的增加大大改变了许多绞车的面貌；同时，小型、低成本液压马达配套
9、行星减速系统也显现出取代大型马达的趋势，能简化或代替传统的多级开式齿轮组。现有的成熟可编程序控制(PLC)技术和高水平的数字传输技术在绞车精确缠绕控制上成功结合使用，出现了“层补偿输出”技术，可以实现绞车各层缆绳以设定的线速度输出设定的张力。在测量技术上，通过采用接近传感器和光学编码器测试缆绳的线速度和收放距离，采用安装在绞车滑轮轮轴上的应变仪测量缆绳的线张力，通过 PC 和 PLC 接收以上信息并应用电比例技术控制液压泵、液压马达的排量与压力。采用远距离无线接收和遥控技术，操控人员可以远程操纵绞车并随时了解绞车的工作状态和发布工作指令。在传统负荷绞车的基础上出现了一种“存储绞车” ，用于大量
10、液压管线、电缆(光缆)、气动管线等的存储和动力收放。在德国 MENCK 公司、荷兰 IHC中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页公司生产的液压打桩锤液压管线绞车、脐带绞车（电缆和气动管线绞车）上，采用了多通道液压回转接头和电滑环技术，可以在绞车回转收放过程中正常传输液、气、电介质，使打桩锤能在 200 米以上水深的海底正常、连续使用。如图 1.4。在船舶、海洋石油领域的系泊绞车、移船绞车上，采用了一种远程遥控压力限制回路(RVPL)用于恒张力控制功能的实现。在恒张力系泊绞车以设定的速度收缆过程中，当绞车缆绳张力增加到 RVPL 系统设定点时，液压泵的排量将自动减小以维持设定压力；如
11、果这时张力继续增加，PVPL 系统将控制泵的斜盘越过中点，绞车自动放缆以维持张力的恒定。RVPL 系统可应用于美国萨奥公司的 90 系列轴向柱塞变量泵上。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页基于能量回收和重新利用的二次调节静液压传动技术是德国科学家于1977 年首先提出的一种液压传动技术。在二次调节系统中，液压变量马达/泵(称为二次元件)没有节流损失地连接在由恒压变量泵与液压蓄能器组成的恒压网络中，液压蓄能器在网络中不仅起到了吸收压力脉动的作用，而且作为贮能元件，能够回收并重新利用系统的惯性能或重力势能。二次调节技术在国外已经成功应用于矿山、造船、冶金等行业，能显著提高液压系统的
12、效率，对能源紧缺的当今社会具有很大的经济价值和社会价值。国内对于此项技术的研究还仅限于应用基础研究阶段。1.3 液压传动系统概述1.3.1 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图 1.4 液压锤管线绞车中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页求。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
13、。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。1.3.2 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
14、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压系统。1.3.3 液压系统的类型液压系统可以按多种方式进行分类，见表 1.1。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页1.3.4 液压传动的优缺点随着液压技术的迅速发展，液压传动已经在各种各样的机械上得到越来越广泛的应用，代替了许多复杂的机械结构。液压传动具有很多其它传动方式所没有的独特的优点：（1）易于获得很大的力和力矩，使液压传动成为实现省力的有效手段。提升机往往需要产生很大的提升力，故这一优点使液压传动适用于提升系统。（2）可以实现无级调
15、速，而且能获得很大的调速比，还容易获得极地的运转速度，使整个传动系统简化。这对于工作中需要调速的提升机来说是很重要的。（3）能容量大，用较小重量和尺寸的液压件就可传递较大的功率，使机械结构紧凑，体积小，重量轻。矿用防爆液压提升机由于受井下空间尺寸限制，就要求体积小。同时，液压系统惯性小，启动快，工作平稳，易于实现快速而无冲击的变速与换向。这对于提升机的频繁启动、换向很有利。（4）易于获得各种复杂的机械动作，以直接驱动工作装置，故可用低速大扭矩液压马达直接拖动滚筒，而不需要减速装置。（5）动力传递很方便。由于用管道传递压力油，所以液压元件和各种机械装置都易于布局，各元件的安装可以随意放在任何适当
16、的位置上，因此便于液压提升机进行远距离操纵。（6）容易实现安全保护，能自动防止过载，故能满足提升机安全工作的要求，避免发生事故。（7）液压元件能自行润滑，延长了使用寿命。（8）液压元件易于实现标准化、系列化、通用化、便于组织专业化大批量生产，从而提高生产率，提高产品质量、降低成本。同时液压传动也有一些缺点：（1）液压油易泄漏。外漏会污染环境，并造成液压油的浪费；内漏会降低传动效率，并影响传动的平稳性和准确性。（2）液压油的粘度随温度的变化而变化，容易引起工作机构的不稳定。在低温和高温的情况下，不宜采用液压传动。（3）液压油易污染，要求液压油经常保持清洁干净，使用中要防止灰尘和杂物混入。（4）零
17、件加工精度和质量要求高，加工难度大、成本较高。（5）液压油易燃，需注意防火，如用阻燃液作为液压传动介质则可避中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页免。由于液压传动具有以上许多突出的优点，对提高提升机的技术性能具有很重要的作用，所以导致在提升机上采用液压传动。1.3.5 拟定液压绞车系统图系统的工作原理及其特点简要说明如下： 如图 1.5 所示，液压马达 15 的排量方向切换由手动换向阀 10 实现，控制压力由液压马达 15 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平衡阀 14。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
18、器 3 及冷却器 7。图 1.5 液压系统图中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页1电动机；2柱塞泵；3回油滤油器；4吸油滤油器；5温度计；6液位计；7冷却器；8溢流阀；9调速阀；10手动换向阀；11压力表开关；12压力表；13梭阀；14平衡阀；15液压马达；16制动器1.4 液压绞车结构方案的确定液压绞车结构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、机型种类与参数匹配等。1.4.1 常见卷扬机构结构方案及分析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
19、。下面介绍几种常见的卷扬机构结构方案。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页图 1.6 并轴布置单卷筒卷扬机构图 1.6 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 1.6b） 。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 1.6（a） 、 （b）所示方案，它们是把卷筒安装在减速器输出轴
20、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 1.6（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 1.6（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 1.6（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、
21、安装均有良好的分组性。并轴布置双卷筒卷扬机构，如图 1.7 所示，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。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页图 1.7 并轴布置双卷筒卷扬机构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
22、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、液压卷扬机构的分类中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页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：
23、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，
24、由马达壳体直接带动卷筒转动，结构简单紧凑，便于布置。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，如图 1.8 所示。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页图 1.8 液压卷扬机构布置方案(一)（2）液压马达和制动器分别布置在卷筒的两侧，行星减速器装在卷筒内部，如图 1.9 所示。图 1.9 液压卷扬机构布置方案(二)（3）液压马达、制动器和行星减速器均装入卷筒内部，如图 1.10所示。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页图 1.10 液压卷扬机构布置方案(三)方案二由于
25、行星减速器装在卷筒内，所以体积小，结构较紧凑，对称性好，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。方案三显然较方案二的外形尺寸更小，结构更加紧凑。但是它除了有方案二中的问题外，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。（4）液压马达、制动器和行星减速器都布置在卷筒的同一侧，如图1.11 所示。图 1.11 液压卷扬机构布置方案（四）这种布置形式，机构的轴向尺寸较大，维修不太方便，同时也会给总体中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页布置带来一定困难。但它易于加工和装配，总成分组性较好。1.4.2 本设计所采用的方案液
26、压马达、制动器布置在卷筒同一侧，行星减速器装在卷筒内。这种布置基于方案二、三之间，同时具备了它们的优点。图 1.11 液压卷扬机构布置方案(五)1.4.3 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，级差不宜过大，一般可采取从原动机至卷筒逐级降低传动比的分配方法。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页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大，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。3、对于具有多种替换工作
27、装置的机械，卷筒的构造应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，滑轮组的倍率宜取 2， 时，50QPkN50QPkN倍率取 36，载荷量更大时，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的关键部件。支持制动器一般应装在扭矩最小的驱动轴上，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。2 卷扬机构组成及工作过程分析2.1 卷扬机构的组成根据选用的结构方案分析卷扬机由
28、液压马达、长闭多片盘式制动器、卷筒、支承轴、平衡阀和机架等部件组成。2.2 卷扬机构工作过程分析2.2.1 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（a b）和制动减速（ bc）三个过程（图 2.1） 。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，设计时中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页可通过计算选取较为适合的时间。图 2.1 卷扬机构工作过程曲线2.2.2 载荷升
29、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 2.2a）为：QgSP中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页式中 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。图 2.2 重物升降过程的动力分析（a）起升起动；（b）起升制动；（c）下降起动；（d）下降制动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
30、起升制动过程。此时，悬挂重物的钢丝绳拉力 （图 2.2b） 。由于减速运动质量产生的惯QgSP性力 的方向与起升载荷 的方向相反，故使钢丝绳拉力减小。gP3、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 2.2c） 。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页此时，惯性为 的方向与载荷 的方向相反，使钢丝绳拉力减小，即 gPQP。QS4.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 2.2d） 。此时因惯性力 的gP方向与起升载荷 的方向一致，故使钢丝绳拉力增加，即 。QP QS综上分析可得如
31、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qMmaxqjg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：ZMmaxZjgM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；j卷扬机构起、制动时的最大惯性阻力矩。maxgM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。3 钢丝绳的选择和滚筒的设计3.1 钢丝绳的选择3.1.1钢丝绳的结构中国矿业大学 2008 届本科毕业
32、生设计论文 第页矿用钢丝绳都是丝股绳结构，即先由钢丝捻成绳股，再由绳股捻成绳。制造钢丝绳的钢丝是由优质碳素结构圆钢冷拔而成的，一般直径为0.44，钢丝的抗拉强度为 14002000N/2，我国多用 1550 和 1700 两种。为了增加抗腐蚀能力，钢丝表面可以镀锌，称为镀锌钢丝，未镀锌的称为光面钢丝。此外还可以用钢丝韧性来标志，分为特号，号和号三种，提升矿物用的钢丝绳可以选用特号或号钢丝来制造，提升人员用的钢丝绳只允许用特号钢丝来制造。在由钢丝捻成股时有一个股芯，在由股捻成绳时有一个绳芯。股芯一般为钢丝，绳芯有金属绳芯和纤维绳芯两种，前者由钢丝组成，后者可用剑麻、黄麻或有机纤维制成。绳芯的作用
33、是支持绳股，使绳富于弹性，并可储存润滑油，防止内部钢丝腐蚀生锈。3.1.2 钢丝绳的分类提升钢丝绳有很多种，结构不同性能也不同。根据不同的特点有不同的分类方法，实际上都是从不同的角度来说明钢丝绳的结构特点，了解这些特点，对于认识不同钢丝绳的性能，正确选择和合理使用钢丝绳都是有益的。（1）依绳股在绳中的捻向来分，有：左捻钢丝绳，即股在绳中以左螺旋方向捻绕；右捻钢丝绳，即股在绳中以右螺旋方向捻绕。（2）依钢丝在股中和股灾绳中捻向的关系分，有：同向捻钢丝绳，即股和绳的捻制方向相同；交叉捻钢丝绳，即股和绳的捻制方向相反。同向捻钢丝绳比较柔软，表面比较光滑，弯曲应力较小，因而寿命较长，但有较大的恢复力，
34、容易旋转打结；交叉捻钢丝绳则与上述情况相反。习惯上又把以上两种分类方法结合起来，分为右同向捻、左同向捻、右交叉捻、左交叉捻四种。（3）依钢丝在股中的接触情况分，钢丝在绳股中的接触形式有点接触、线接触和面接触三种。点接触式钢丝绳，股中内外层钢丝以等捻角不等捻距来捻制，一般以相同直径的钢丝来制造，钢丝间呈点接触状态。线接触式钢丝绳，股中内外层钢丝以等捻距不等捻角来捻制，一般以不同直径的钢丝来制造，丝间呈线接触状态。两种绳比较，线接触绳比较柔软，无压力集中现象，寿命较长。为了改善丝间的接触状态，将线接触式钢丝绳的绳股经特殊碾压加工，使钢丝产生塑性变形，形成钢丝间呈面接触状态，然后再捻制成绳，称为面接
35、触式钢丝绳，所有线接触钢丝绳均可制成面接触式钢丝绳。面接触式钢丝绳结构紧密，表面光滑，抗磨损和抗腐蚀性能好，寿命较长。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页（4）依绳股断面形状分，种类较多，其中最常用为圆股绳，这种绳的绳股断面为圆形。此外还有异形股绳，绳股的断面形状为三角形或椭圆形，提升应用最多的三角绳股，三角绳股具有承压面积达、抗磨损、强度大和寿命长等优点。（5）特种钢丝绳。除了上面介绍的一些钢丝绳以外，还有一些结构比较特殊的钢丝绳。在矿井提升中应用的有多层股不旋转钢丝绳，这种绳由二层或三层绳股捻成，各层捻向相反，因而克服了钢丝绳的旋转性，适用于作凿井提升绳或生产矿井提升尾绳。密
36、封钢丝绳和半密封钢丝绳，属于单股节后，最外一层是用异形钢丝彼此互相锁住，它的特点是密实、表面光滑、耐磨和耐腐蚀性能好、不旋转、弹性伸长小，但挠性差、制造技术复杂，适用于作罐道绳，国外也有用作提升钢丝绳的。扁钢丝绳，这是一种扁平钢丝绳，一般为手工编制，生产效率低，但这种绳由很大的挠性，又不旋转，所以有些矿井用来作尾绳。3.1.3 钢丝绳的选择经过综合比较并查阅资料，本设计采用一种叫安全系数法的方法选择钢丝绳。该方法是一种静力计算方法，间接选择绳径。设计时，钢丝绳的额定拉力为已知，将额定拉力乘以规定的最小安全系数 ，然后从产品目录n中选择一种破断拉力不小于 的绳径。Fen该方法是沿用多年的传统方法
37、，它具有简化计算、资料系统、齐全、完整的特点，基本上能满足现有国产绳径的选择，是一种比较成熟的选择方法。它的不足之处就是选择过程比较繁琐，必须经过多次的试算才能选出，而且是间接选择的。煤矿安全规程的规定专为升降物料用的提升钢丝绳的安全系数不得低于6.5 。gsnFSep式中 整条钢丝绳的破断拉力（ ） ；p N绞车工作级别规定的最小安全系数；选定钢丝绳的安全系数；gs钢丝绳的额定拉力（ ）e 162505.6PSN中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页选型结果：14NAT 619W+IWR 1670 ZS 100 85 GB8919-19963.1.4 钢丝绳在卷筒上的固定方式钢丝
38、绳在卷筒上固定应保证工作时安全可靠，便于检查、装拆及调整，且固定处不应使钢丝绳过分弯折。钢丝绳常用的固定方式有：楔块固定和压板固定两类。（1）楔块固定钢丝绳通过楔块固定在卷筒上。楔块的斜度通常取 1：41：5，以满足自锁条件。这种绳端的固定方式比较简单，但钢丝绳允许的直径不能太大。（2）压板和螺钉绳端固定装置钢丝绳端从端侧板预留斜孔中引出至板外，通过压板和螺钉把绳端固定。为安全起见，压板数目至少为两个。这种绳端的固定方式，卷筒结构简单，对铸造卷筒及钢板焊接卷筒都适用。本设计中就采用此种固定方式。斜孔角度为 45，斜孔的边缘倒圆角，这样可保证钢丝绳平缓的缠绕在卷筒上，避免了钢丝绳的损伤。3.2
39、滚筒的设计3.2.1 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
40、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。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页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
41、机构不宜使用。3.2.2 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 M3。1、卷筒节径 D卷筒节径 对筒壁和端侧板的设计具有重要意义。 值小，结构自然D紧凑，但单位长度上的力较大，钢丝绳寿命低。卷筒节径 应满足下式dKe式中 筒绳直径比，是绞车工作级别有关的系数。 ；eK 21eK钢丝绳直径（ ） ， 。dm14结果 取整 D2941D302、卷筒边缘直径 K卷筒边缘直径即卷筒端侧板。对于多层缠绕，为了防止钢丝绳脱落，端侧板直径应大于钢丝绳最外层绳圈直径。端侧板直径
42、常用下式计算：dSK4式中 最外层钢丝绳绳芯直径，由下式确定：SD)12(0式中 钢丝绳缠绕层数 , ；3卷筒直径（ ） ， ，0Dmm94钢丝绳直径（ ） ， 。dd结果 取K42K503、卷筒容绳长度 L中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页由于采用多层卷绕，卷筒长度 L 由下式计算 1.()lpnDd.2式中 多层卷绕钢绳总长度（ mm） ，根据已知卷筒容绳量为 58m，所l以 =58000；lD卷筒直径，D300；d钢丝绳直径，d14。把数据代入式中得L 143014.3.58237故取卷筒长度 L245。4、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：0
43、.02D+（38）把数值代入式中有=0.02300+4=10故选用 =10mm。5、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推荐不大于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 2，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中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页5，以避免槽口损坏和钢绳脱槽。6、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3LD，只计算压应力即可。当 时，要考虑弯曲应力。对尺寸10%53LD较大，壁厚
44、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 =300mm， =245mm， 。所以只计3L算压应力即可。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：cmax12ccSAp式中 卷筒壁压应力（MPa） ；c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，1A使绳圈紧度降低，钢丝绳拉力减小，一般取 ；10.75A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2钢丝绳，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 按表取值， ；2A21.8许用压应力，对钢 ， 为钢的屈服极限。cc/ss把各数代入
45、式中：c10258.70337.5MPa根据所计算的结果查得卷筒的材料为铸钢，其抗压强度极限中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页850MPa ， /2425MPa， =337.5MPa /2,因此材料选用合格。sscs4 传动装置的设计4.1 传动装置结构设计液压传动装置结构如图 4.1 所示，此结构主要由 INM 型液压马达、Z 型4.1 液压传动装置结构图液压常闭多片式制动器、C 型行星齿轮箱、卷筒、支承轴、机架等组成。INM 型液压马达具有很高的机械效率，起动扭矩大，并可根据各种工况要求中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页带不同的配流器，还可根据用户需要设计阀
46、组直接集成于马达配油器之上，如带平衡阀、过载阀、高压梭阀、调速换向阀或其他性能的阀组，制动器、行星齿轮箱、离合器等直接安装于卷筒内，卷筒、支承轴、机架根据力学要求设计，整体结构简洁合理并具有足够的强度和刚性。因而该系列绞车在结构上具有紧凑、体积小、重量轻、外形美观等特点，在性能上则具有安全性好、效率高、起动扭矩大、低速稳定性好、噪音小、操作可靠等特点，值得一提的是液压马达极高的容积效率和平衡阀解决了一般绞车所存在的二次下滑和空钩抖动现象，使得该系列绞车的提升、下放和制动过程较平稳，带离合器的绞车还可实现自由下放工况，普通绞车如阀组带短路阀的在某些特定条件下也可实现自由下放。安装于配流盘上的集成
47、阀组则有效地简化了用户的液压系统。由于该系列绞车具备上述优点，使其广泛应用于船舶、铁路、工程机械、石油、地质勘探、冶金等行业。4.2 液压马达的选择4.2.1 概述液压马达是将液压能转变为机械能，并连续旋转的执行元件。液压马达通入压力油后，由于作用在转子上的液压力不平衡而产生扭矩，并使转子旋转。它的结构与液压泵相似。从工作原理上看，任何液压泵都可以作液压马达使用，反之也是一样，即液压泵与液压马达有可逆性。但是有时为了更好地改善它们的性能，往往分别采用特殊的结构，使之不能通用。例如采用配流盘配流的液压泵，不能作液压马达使用。另外，液压马达与液压泵技术要求的侧重点也有所不同，一般液压泵要求提高容积
48、效率，减少泄漏，而液压马达则希望有较高的机械效率，以得到较大的输出扭矩。在实际使用时，液压泵通常为单向旋转，而液压马达多为双向旋转。液压泵的工作转速都比较高，而液压马达往往需要很低的转速，这就使得它们在结构上不得不有所区别。中国矿业大学 2008 届本科毕业生设计论文 第页液压马达按结构和工作特性分类如下：起重机常用的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式。液压马达在使用中并不是泵的逆运转，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，有时还承受较大的径向负载。因此，应根据液压马达的负载扭矩、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。4.2.2 液压马达的选择1、负载力矩计算 Mh2DFc
