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南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
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1緒 論
起重機械是用來對物料起重、運輸、裝卸和安裝等作業(yè)的機械設(shè)備，它在國民經(jīng)濟各部門都有廣泛的應(yīng)用，起著減輕體力勞動、節(jié)省人力、提高勞動生產(chǎn)率和促進(jìn)生產(chǎn)過程機械化的作用。
起重機在搬運物料時，經(jīng)歷上料、運送、卸料和回到原處的過程，有時運轉(zhuǎn)，有時停轉(zhuǎn)，是一種間歇動作的機械。通常，起重機械由工作機構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、動力裝置與控制系統(tǒng)等三大部分組成。所謂工作機構(gòu)是指起重機械的機械傳動部分而言，常見的有起升機構(gòu)、運行機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)和變幅機構(gòu)，通常稱為“起重機四大機構(gòu)”。
本設(shè)計為2t單軌抓斗起重機設(shè)計。當(dāng)起重量不大時，多采用電動單軌起重機。這種起重機的特點是小車可以走到另一跨去，本設(shè)計側(cè)重于機械方面的設(shè)計。主要機構(gòu)有：起升機構(gòu)、運行機構(gòu)。
起升機構(gòu)用來實現(xiàn)貨物的升降，它是任何起重機械不可或缺的一部分，是起重機中最重要與最基本的結(jié)構(gòu)。起升機構(gòu)工作的好壞將直接影響到整臺起重機的工作性能。起重機構(gòu)主要由驅(qū)動裝置、傳動裝置、卷繞系統(tǒng)、取物裝置與制動裝置組成。此外，根據(jù)需要還可裝設(shè)各種輔助裝置等。
本設(shè)計的起重機起升機構(gòu)采用電動葫蘆。電動葫蘆結(jié)構(gòu)緊湊，電機軸線垂直于卷筒軸線的電動葫蘆采用蝸輪傳動裝置,寬度方面尺寸大,結(jié)構(gòu)粗笨,機械效率低,加工較難題。其缺點為:長度尺寸大。液壓系統(tǒng)為雙重控制，溢流調(diào)節(jié)閥、磁接點壓力表均可對壓力進(jìn)行精確的控制。電器控制部門采用了低電壓控制，增加了支配系統(tǒng)的平安性。電動葫蘆屬于輕小型起重設(shè)備。它是將電動機、減速機構(gòu)、卷筒等緊湊地集合成一體的起重機構(gòu)。它可以單獨使用，也可以作為電動單軌起重機、電動單梁或雙梁起重機的小車來使用。由于電動葫蘆結(jié)構(gòu)非常緊湊，通常由廠家專門生產(chǎn)，價格便宜，從而得到了普遍的應(yīng)用。電動葫蘆可備有小車，以便在工字梁的下翼緣上運行，是吊重在一定范圍內(nèi)移動。鋼絲繩電動葫蘆工作安全可靠，起升速度較高，故在本設(shè)計中被采用。同時，為了減輕自重，減少零件數(shù)目，采用了錐形轉(zhuǎn)子電動機。
運行機構(gòu)是使起重機或者載重小車作水平運動。工作性的運行機構(gòu)用來搬運貨物；非工作性的運行機構(gòu)只是用來調(diào)整起重機的工作位置。運行機構(gòu)有無軌運行和有軌運行之分。本設(shè)計采用有軌運行方式。這種方式在專門鋪設(shè)的鋼軌上運行，負(fù)荷能力大，運行阻力小。運行裝置主要由運行支撐裝置運行驅(qū)動裝置兩大部分組成。本設(shè)計著重于電動小車的設(shè)計。
設(shè)計過程中，首先要確定總體的設(shè)計方案，然后各部件機構(gòu)、尺寸及相互間的連接方式等，最后對部件中各零件進(jìn)行校核。
2 總體方案確定及基本參數(shù)
2.1 總體方案確定
本設(shè)計的單軌抓斗起重機主體由`起升機構(gòu)和運行機構(gòu)組成。起升機構(gòu)主要包括電動機、卷筒、減速器三個部分。電動機選擇的是錐形轉(zhuǎn)子電動機，此種電動機自身可以實現(xiàn)制動，進(jìn)而減輕自重，減少零件數(shù)目；卷筒選用雙聯(lián)卷筒；減速器選擇同軸減速器，這種減速器特點是輸出與輸入同軸。電動機通電后旋轉(zhuǎn)，從電動機軸輸出的扭矩經(jīng)聯(lián)軸器傳到減速箱，經(jīng)減速箱三級減速后達(dá)到所需的傳動比，減速箱帶動卷筒轉(zhuǎn)動，使纏繞在卷筒上的鋼絲繩隨之轉(zhuǎn)動，同時鋼絲繩把轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樯舷路较虻囊苿?。鋼絲繩通過滑輪組帶動抓斗，使抓斗起重機實現(xiàn)下降、張開、抓料、閉合、卸料等一系列的動作，進(jìn)而完成了整個工作過程。運行機構(gòu)主要是指電動小車。電動小車在工字鋼軌道上來回移動，可以實現(xiàn)物料在兩個不同位置的運送，即實現(xiàn)小范圍內(nèi)的物料運送工作。
2.基本參數(shù)
此設(shè)計的單軌抓斗起重機涉及到的基本參數(shù)有:
起重量:是指正常工作時被提升的額定載荷(包括抓斗).
設(shè)計中的起重量為2t 。
起升速度：設(shè)計中起升速度為。
運行速度：運行速度為。
起升高度：設(shè)計中的起升高度為20m。
工作制度：反映機構(gòu)使用繁忙程度和載荷特性的參數(shù)。本設(shè)計中的工作級別：起升為M6，運行為M5。
3 抓斗計算
本次設(shè)計采用的是雙繩抓斗，主要是雙繩抓斗生產(chǎn)率高。雙繩抓斗由頭部、撐桿、顎板及橫梁組成，抓取和卸料動作是利用兩個卷筒（起升卷筒與閉合卷筒）與兩根鋼絲繩（起升繩與閉合繩）來操控的。起升繩系在抓斗頭部，閉合繩以滑輪組的形式繞于頭部和橫梁之間，倍率通常在2~6之間。
3.1 抓斗的幾何尺寸
抓斗的額定容積：Error! No bookmark name given.
抓取物料的容重 ：
3.1.1 抓斗的最大開度
難抓取的物料時應(yīng)取較大的值，易抓取的物料時應(yīng)取取較小的值。
取
3.1.2 抓斗的側(cè)面積及側(cè)面幾何形狀
為了保證給定的抓斗容積V，顎板應(yīng)有足夠的側(cè)面積。
根據(jù)及物料的性質(zhì)用以確定抓斗的側(cè)面幾何形狀。應(yīng)使側(cè)板上緣的傾斜角大致與物料在運動狀況下的自然坡角相等，通常約為30°~35°。
通過測量實際設(shè)計抓斗的尺寸：
則
側(cè)面積
3.1.3 寬度
確定抓斗寬度或的原則：
塊度比較大及堅實的物料堆 應(yīng)取較小值；松散物料應(yīng)取較大值。
取Error! No bookmark name given.
3.1.4 顎板鉸點位置
依據(jù)以下條件確定：
在最大開度時，顎板的切口應(yīng)是垂直方向，以便于切口插入物料。
測量得
校正得
3.1.5 撐桿的長度的確定
依據(jù)經(jīng)驗公式：
則
實際設(shè)計中取
撐桿鉸點位置確定：
為了使閉合繩的閉合力最小，有利于提高抓取能力，應(yīng)使抓斗在開閉兩種狀況下滑輪中心距變動量最大。
3.2 滑輪組倍率
據(jù)“起重機械”表6 - 2
取滑輪組倍率為 m=4
3.3 鋼絲繩計算
對于起升機構(gòu)，；對于開閉機構(gòu)，。為了滿足整機的需要，只計算時鋼絲繩的直徑。
采用滾動軸承，則
則導(dǎo)向滑輪效率為
且
按工作級別M6 ，使用抗拉強度 的鋼絲繩，則
查表鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)，選用的鋼絲繩。
3.4 確定選取滑輪直徑
閉合繩繞過滑輪的次數(shù)是很多的，為了延長鋼絲繩的壽命，常選用較大的滑輪，最大可達(dá)D=25d 。
按工作級別M6，取
則
取滑輪直徑 ，
3.5 上下橫梁軸線的傾斜角
3.6抓斗強度計算
3.6.1顎板的強度計算
顎板是受分布載荷的板，三邊固定，一邊是自由。最危險的部位在刃口的中央。
單位長度彎矩為：
則刃口中央的彎曲應(yīng)力為
選取材料為 ZGMn13, 查表得
所以合格。
3.6.2撐桿強度
當(dāng)抓斗閉合終了瞬間，撐桿所受載荷最大。撐桿材料選取采用號鋼。
其
，
撐桿內(nèi)力為
即
截面最小慣性矩：
查“金屬結(jié)構(gòu)”得穩(wěn)定性系數(shù)為
則
由
所以 撐桿強度滿足要求。
3.6.3撐桿鉸軸套強度計算
驗算比壓：
則
即撐桿鉸軸套處合格。
3.6.4顎板鉸軸軸套強度計算
驗算比壓：
又
則
所以顎板鉸軸軸套驗算合格。
4 起升機構(gòu)
4.1傳動比的計算
起升機構(gòu)減速器采用漸開線齒形定軸外嚙合三級傳動減速器。
4.1.1 級速比
總速比：
4.1.2 卷筒轉(zhuǎn)速
電動機選用型千瓦錐形轉(zhuǎn)子電動機。
電動機轉(zhuǎn)速
4.2 起升速度
按起升結(jié)構(gòu)工作級別M6，查“規(guī)范”取
卷筒材料采用普通碳素鋼
取310mm
滑輪組倍率
合格
4.3機構(gòu)效率
4.3.1減速器總效率
取
則
4.3.2抓斗滑輪組的效率
單個滑輪的效率取為
則滑輪組的效率
4.3.3卷筒的效率
取
4.3.4導(dǎo)向滑輪的效率
取
起升結(jié)構(gòu)的總效率
4.4電動機的靜功率
查表選取 ，則
4.5電動機軸的靜扭轉(zhuǎn)力矩
4.6制動器的計算
制動器是依靠摩擦副間的摩擦而產(chǎn)生制動作用的
4.6.1制動電動機軸需要的靜扭轉(zhuǎn)力矩的計算
4.6.2制動力矩的計算
彈簧工作時的軸向壓力
摩擦系數(shù)選取
則制動片平均直徑：
且夾角
則制動力矩
4.6.3制動安全系數(shù)計算
查“起重機械”表，制動安全系數(shù)
故安全。
4.6.4制動單位比壓力
彈簧的工作壓力
制動片寬度：
所以單位比壓力為：
4.6.5軸向吸力
定子線包通電過后，圓錐轉(zhuǎn)子在軸向吸力作用下產(chǎn)生移動，打開制動盤后，使載荷產(chǎn)生上升或下降的運動。此軸向吸力應(yīng)大于彈簧所產(chǎn)生制動力矩的壓力和在靜載荷下靜扭轉(zhuǎn)力矩在彈簧聯(lián)軸器花鍵中產(chǎn)生的靜摩擦力。圓錐轉(zhuǎn)子軸在軸向吸力作用下帶動聯(lián)軸器相對齒輪長軸有軸向移動。
有相對運動的花鍵尺寸是。
則平均半徑
選取摩擦系數(shù)
則
則軸向力
4.7起動時間
4.7.1電動機額定轉(zhuǎn)矩
4.7.2電動機的平均力矩倍數(shù)
4.7.3總轉(zhuǎn)動慣量
電動機轉(zhuǎn)子軸飛輪矩
聯(lián)軸節(jié)飛輪矩
則起動時間：
4.8制動時間
電動機轉(zhuǎn)速為
則制動時間：
4.9卷筒裝置
4.9.1卷筒繩槽底徑
卷筒材料選用
查表得
則
卷筒直徑選取
其它尺寸：
4.9.2卷筒長度及壁厚
其中：
又 ，，
取
則
取 。
卷筒壁厚：
取 。
4.9.3卷筒強度的校核
卷筒強度采用，屈服極限為
則
①鋼絲繩卷繞箍緊對卷筒時產(chǎn)生的壓應(yīng)力
由，可得
②鋼絲繩卷繞產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力
又
則
③彎曲合成應(yīng)力
即
故滿足要求。
4.9.4計算卷筒壓繩板和螺釘
①鋼絲繩繩端固定方法：采用壓繩板固定
②壓繩板的計算
繩尾的拉力 ：
按歐拉公式
安全圈數(shù)n=2，
則，；取
每個壓繩板的夾持力：
壓繩板選用圓形槽，則
取
只有在壓繩板與鋼絲繩之間和鋼絲繩與卷筒之間的接觸面上產(chǎn)生足夠大的摩擦力，此摩擦力大于或等于鋼絲繩在固定處的拉力，才能保證安全。取鋼絲繩分離體
則 ，
又 ，
則一個螺釘作用給壓繩板的力：
即
取n=6， ，
壓板夾持力為：
螺釘?shù)膹姸刃：耍?
螺釘選用國標(biāo)GB70-86，
標(biāo)準(zhǔn)件材料選用鋼，屈服極限
螺紋內(nèi)徑
則
又
取 ，則
故螺釘強度合格。
4.9.5彈性聯(lián)軸器計算
1) 彈性聯(lián)軸器的最大計算扭矩
由
，，取
得
2) 輪胎圈中間截面的剪切應(yīng)力
;
則截面剪切應(yīng)力：
3) 輪胎圈的扭轉(zhuǎn)角
假設(shè)在長度內(nèi)，輪胎圈是一等截面環(huán)
截面彈性系數(shù)：
截面的極慣性矩：
則
4) 輪胎圈的擠壓應(yīng)力
i正應(yīng)力
聯(lián)軸器半體和壓板作用給輪胎圈的正壓力靠擰緊螺釘?shù)玫健?
在干燥表面，取
則
， ，
ii擠壓應(yīng)力
又橡膠的擠壓許用應(yīng)力
所以
故符合要求。
5) 螺釘?shù)膹姸刃：?
螺釘選用，。材料為鋼
螺紋內(nèi)徑，螺釘數(shù)目
又
所以
故強度滿足。
5 起升機構(gòu)減速箱
5.1軸的計算
起升機構(gòu)的減速器各齒輪和齒輪軸在載荷作用下，即由鋼絲繩對卷筒產(chǎn)生的力矩的方向始終不變。載荷上升是由電動機通過齒輪傳動把載荷起吊上來；載荷下降由電動機反相制動，阻止載荷以重力加速度下降。載荷上升和下降時，作用力方向不變，不以旋轉(zhuǎn)方向的改變而改變，也就是齒輪和齒輪軸的齒是單面嚙合。因此，起升減速器的軸在計算時假定扭轉(zhuǎn)應(yīng)力按脈動循環(huán)變化，彎曲應(yīng)力按對稱循環(huán)變化。
5.1.1軸所傳遞的扭矩
空心軸扭矩：
第三軸額定扭矩：
，
則
第二軸額定扭矩：
，
第一軸額定扭矩：
，
則
5.1.2第I軸受載及校核
對圖a,
由，得
則
對圖b,可簡化如下：
由，得
驗算軸危險截面：
a.I截面：
軸的材料采用20MnTiB,
則
查表，得，
故第I截面合格。
b.II截面：
，（按齒根圓計算，不考慮應(yīng)力集中影響）
材料的對稱循環(huán)的扭轉(zhuǎn)疲勞極限
查表，得（按齒根圓直徑，不考慮應(yīng)力集中影響），
故第II截面滿足要求。
c.III截面：
III截面只受扭矩作用
查表，得（不考慮應(yīng)力集中影響）
，
故第III截面滿足要求。
5.1.3第II軸校核
和的分力：
由，得
由，得
則
驗算軸的危險斷面：
a.I截面：
由，，
得
查表，得
則
故I截面滿足要求。
b.II截面：
；
鍵槽引起的應(yīng)力集中，算得
齒輪和齒輪軸裝配過盈而引起的應(yīng)力集中，算得
取二者中最大值，即
則
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力按脈動循環(huán)應(yīng)力
由
查表，得
則
故II截面滿足要求。
c.III截面：
由帶圓角的階梯軸引起的應(yīng)力集中
，，
由 ，
查表，得
則
查表，得
，，
故III截面滿足要求。
d.IV截面：
；
查表，得，
查表，得，，
則
故IV截面滿足要求。
e.V截面：
經(jīng)分析，V截面受力情況同I截面相似，且兩處軸徑相等，故截面也滿足要求。III軸IV軸校核方法同上，且兩軸經(jīng)校核后，均滿足強度要求。
5.2齒輪校核
以第一對傳動齒輪為例
5.2.1選擇材料及參數(shù)
材料選用20CrMn，選8級精度的漸開線圓柱齒輪。小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。
傳動比
螺旋角
兩齒輪都可以采用硬齒面，則HRC=56~62
5.2.2計算切向力
起升載荷動載荷系數(shù)
則動載荷系數(shù)
由，，，Z=12500h
則
選取，
則
查表選取載荷系數(shù)
分度圓上的基本切向力
第I軸聯(lián)軸器的效率為1，滾動軸承的效率為0.99
則
最大扭矩
計算最大切向力
由，，
得
查表，得
由
查得
齒間載荷分配系數(shù)
則輪齒齒面接觸強度切向力：
同上，輪齒彎曲強度切向力：
5.2.3齒面接觸強度
法向壓力角
查表，得
節(jié)點區(qū)域系數(shù)
彈性系數(shù)
由，
得重合度系數(shù)
螺旋角系數(shù)
節(jié)圓處的計算接觸應(yīng)力：
許用接觸耐性應(yīng)力計算
工作硬化系數(shù)
則
所以齒面接觸耐久性的安全系數(shù)：
5.2.4齒面接觸靜強度計算
節(jié)圓處的齒面接觸最大計算應(yīng)力：
由
則
齒面接觸靜強度安全系數(shù)
查表，得
則
5.2.5輪齒彎曲強度計算
齒形系數(shù)
查表，得
應(yīng)力修正系數(shù)
重合度系數(shù)
螺旋角系數(shù)
磨損系數(shù)
則齒根彎曲應(yīng)力：
試驗齒輪彎曲疲勞極限應(yīng)力
尺寸系數(shù)
則許用彎曲疲勞應(yīng)力
齒輪彎曲靜強度計算
彎曲最大計算應(yīng)力
齒跟彎曲靜強度的安全系數(shù)：
查表，得
則
所以彎曲靜強度滿足要求。
6 運行機構(gòu)
運行機構(gòu)的任務(wù)是使起重機或載重小車作水平運動。
6.1傳動比的計算
6.1.1此運行機構(gòu)減速比
（采用二級齒輪減速）
每一級傳動比為：
總速比：
6.1.2走輪轉(zhuǎn)速
6.2 運行速度
6.3 機構(gòu)的效率
取齒輪傳動效率
則
6.4運行摩擦阻力
運行摩擦阻力包括：車輪軸承中的摩擦；車輪的滾動摩擦；以及車輪輪緣與軌道間的附加摩擦阻力。
6.4.1車輪軸承中的摩擦
—— 車輪輪壓
—— 車輪直徑
—— 車輪軸樞直徑
—— 車輪軸承摩擦系數(shù)
選取，又，
6.4.2車輪的滾動摩擦
車輪前進(jìn)時，由于車輪與軌道之間的擠壓應(yīng)力的合力偏向運行前方。
——滾動摩擦系數(shù)
取
6.4.3總摩擦阻力
——附加阻力系數(shù)
取（全輪驅(qū)動）
則
6.5電動機容量的初選
每組運行驅(qū)動機構(gòu)的靜功率為：
取，又
故
所以選取額定功率為1.5kw 的ZYD21-4型錐形轉(zhuǎn)子電動機。
6.6走輪輪壓
6.7 驗算起動時間
6.8制動器計算
6.8.1制動電動機軸需要的靜轉(zhuǎn)力矩
由公式得：
電動機最小制動行程
電動機最小制動時間：
6.8.2制動器制動力矩
所選電動機制動環(huán)尺寸：
，
則
壓力彈簧：工作壓力，
則
6.8.3所選制動片單位比壓力
6.8.4制動時間
6.9 電動機最大力矩
因此電動機的最大力矩能夠克服最大動力。
6.10驗算電動機打滑
6.10.1起動時間打滑驗算
取附著系數(shù)（室內(nèi)）
安全系數(shù)，，
則
又
則
即
6.10.2驗算制動時間打滑
取制動時，打滑安全系數(shù)
則
即
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致 謝
經(jīng)過幾個月的忙碌和工作，本次畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 在這里首先要感謝我的導(dǎo)師封立耀老師。封老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設(shè)計的每個階段，從查閱資料到設(shè)計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細(xì)設(shè)計，裝配草圖等整個過程中都給予了我悉心的指導(dǎo)。我的設(shè)計較為復(fù)雜煩瑣，但是封老師仍然細(xì)心地糾正圖紙中的錯誤。除了敬佩封老師的專業(yè)水平外，他的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。正是由于他在百忙之中多次審閱全文，對細(xì)節(jié)進(jìn)行修改，并為本文的撰寫提供了許多中肯而且寶貴的意見，本文才得以成型。
在此特向封立耀老師致以衷心的謝意！向他無可挑剔的敬業(yè)精神、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的治學(xué)態(tài)度、深厚的專業(yè)修養(yǎng)和平易近人的待人方式表示深深的敬意！同時感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、輔導(dǎo)員以及代課老師們幾年來對我的栽培和教育。
謝謝你們。