资源描述
单卷筒行星齿轮传动的设计引 言 绞车,用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备,又称卷扬机,可单独使用,也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件,因操作简单、绕绳量大、移置方便而广泛应用。本次设计旨在以单卷筒行星齿轮传动调度绞车为依托,采用新的设计方法三维实体设计来完成产品的设计。三维实体设计(实体造型)是近年来发展起来的一种先进的设计方法,与传统设计方法相比较有许多优越性。长期以来,传统的设计方法由于受到技术手段的限制,不得不放弃用直观感强的立体图来表达产品,而是遵循着一种工作量大、设计周期长的方式进行设计:三维构思-平面图形-三维产品,不仅使原本直观的立体抽象化了,而且耗费了大量的精力和时间。因为在这样一个抽象思维和想象的环境中,既不符合由形象思维到抽象思维的认知规律,又不利于培养空间想象能力和创新设计能力。而三维实体设计(实体造型)弥补了传统设计法的这种缺陷,在二维和三维空间中架起一座桥梁,让我们在三维空间中直接认知和感知三维实体,更加充分地发展和提高了设计师的空间想象能力及创新能力,为先进产品的开发提供了广阔而优越的设计平台。本设计是应用以参数化为基础的CAD/CAE/CAM集成软件Pro/ENGINEER进行三维实体造型,来完成产品的零件、部件设计和整机的装配。其最大的优点在于大大减少了设计师的工作量,从而加速了机械设计的过程。另外,还可以对产品进行优化,使其结构更加合理,性能更加良好。第一章 方案评述绞车有手动、内燃机和电动机驱动几类。手动绞车的手柄回转的传动机构上装有停止器(棘轮和棘爪),可使重物保持在需要的位置。装配或提升重物的手动绞车还应设置安全手柄和制动器。手动绞车一般用在起重量小、设施条件较差或无电源的地方。内燃机驱动的绞车,在卷筒与内燃机之间装有离合器。当离合器和卷筒轴上的制动器松开后,卷筒上的绳索处于无载状态,此时绳索一端可从卷筒上自由地拽出,以缩短再次提拉物件时的挂绳时间。内燃机须在无载情况下启动,离合器能将卷筒与内燃机脱开,待启动正常后再使离合器接合而驱动卷筒。内燃机驱动的绞车常用于户外需要经常移动的作业,或缺乏电源的场所。电动调度绞车广泛用于工作繁重和需牵引力较大的场所。根据工作环境的不同,可选用防爆型或非防爆型电动机为动力源。单卷筒电动绞车的电动机经减速器带动卷筒,电动机与减速器输入之间装有制动器。为适应提升、牵引、回转等作业的需要,还有双卷筒和多卷筒装置的绞车。根据传动形式的不同,绞车可分为苏式多级内齿行星齿轮传动调度绞车、摆线针轮传动调度绞车、蜗轮-蜗杆传动回柱绞车和少差齿回柱和调度绞车等。对于单滚筒行星齿轮传动调度绞车,其具有成本低,效率较高,重量轻,结构简单,易于维修和保养等优点。本次设计的绞车用于矿井中井底车场、中间巷道、采区运输巷及掘进头等场合调度矿车,或用于矿山地面、冶金矿物或建筑工地的地面调度和搬运工作。根据实际工作要求,采用行星齿轮传动,传动简图如下:第二章 计算参数的确定第一节 电动机的选择一、类型的选择该绞车用于矿井中井底车场、中间巷道、采取运输巷及掘进头等场合调度矿车,矿井中含有沼气与煤尘等爆炸性气体,相对湿度在97%以内,周围介质温度不超过35,须选用YB系列防爆电机。当用于矿山地面、冶金矿物或建筑工地的地面调度和搬运工作,要求环境湿度在80%以下,周围介质温度不超过40,且空气中不得含有沼气等爆炸性及具有腐蚀作用的气体,可选用非防爆电机。二、容量选择 电机计算功率:,其中起重量F=10KN,绳速v=26m/min=0.43m/s(按满载时算)。由电动机到滚筒的传动总效率为:其中、分别为轴承、齿轮传动和滚筒的传动效率,由P3选=0.91(脂润滑,均按球轴承计算),=0.93(8级精度的一般齿轮传动,脂润滑),=0.96,则,选额定功率=15kW(连续工作制)。三、确定电动机转速由3表推荐的传动比合理范围,且由简图知其经过两对圆柱齿轮减速传动,再经行星轮传动(在满载时,制动器A放松,B制动),故总传动比的合理范围是:=(26)(26) (39)=27324滚筒轴的工作转速为(粗取滚筒直径为250mm): n=r/min则电动机转速的可选范围是:=(27324) 32.8=88510627r/min由容量和电机转速,综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、和价格等,根据7选定电动机为YB系列,方案比较见表-1:表-1型号额定功率(kW)额定转速(r/min)效率(%)重量(kg)YB160M2-215293088.2149YB160L-415146088.5166YB180L-61597089.5215经比较,选电动机型号为YB160L-4,其主要外形和安装尺寸见表-2:表-2参数AABBCEHNPHDADACL尺寸254330254108110350275325530240325695第二节 传动比的确定和分配计算和说明计算结果一、计算总传动比电动机满载转速=1460r/min,总传动比:二、分配传动装置的传动比 其中、分别为两对齿轮、行星轮的传动比。初步取=2.24,则行星轮的传动比为:=1460r/min=8.869第三节 传动装置的运动和动力参数计算一 、轴转速计算轴:=1460r/min轴:r/min 轴:r/min滚筒:n=r/min二、功率计算(一)各轴输入功率I轴:=轴: 轴:滚筒:P=(二)各轴输出功率轴:=轴: 轴:滚筒: =三、转矩计算(一)各轴输入转矩电机输出转矩: Nm轴:=Nm轴: Nm 轴: Nm滚筒:T= Nm(二)各轴输出转矩轴:= Nm轴: Nm 轴: Nm滚筒: = Nm=1460r/minr/minr/minn=32.80 r/min=13.65kW P=8.274kW= Nm=Nm Nm NmT=2646.72 Nm= Nm Nm Nm = Nm运动和动力参数计算结果见表-3。表-3轴号功率(kW)转矩(Nm)转速(r/min)传动比i效率输入输出输入输出电动机1598.12146011=0.91轴13.6512.4289.2981.2514602.241=0.912=0.93轴11.5510.51186.01169.27651.792.241=0.912=0.93 轴9.788.90352.62320.88290.988.8711=0.913=0.96滚筒8.277.942646.722540.8532.80第三章 传动零件的设计第一节 行星齿轮传动的设计一、配齿及其校核(一)配齿 1行星轮传动比为:知该行星轮负载工作时,为NGW型行星齿轮传动,有2P198表10-4,修正配齿为: =18,=60,=138(二)校核1.校核装配条件:有2表10-3,选行星轮数目K=3,则:(为整数),满足条件。2.校核同心条件: (138-18)=60=,满足。3.校核邻接条件:(取标准值),满足条件。4.校核滚筒转速:实际传动比滚筒实际转速r/min滚筒转速的相对差值0.6%),安全系数S=1.25(较高可靠度),则:42.7441.00mm齿轮模数:mmm,取m=4mm中心轮a分度圆直径:行星轮c分度圆直径:TaNmmkc1.6T1= Nmmd0.55ZH2.5u=3.33ZE189.81.0461.046m=4mm行星轮c齿宽:,取中心轮a齿宽:(二)校核计算1.按接触疲劳强度校核,式中,由1P215表12.9,使用情况系数,由1P216图12.9,动载荷系数 /b=1.251323/40=41.32N/mm100N/mm齿间载荷分配系数,(1P217表12.10)齿向载荷分布系数(1P218表12.11,非对称布置,d0.55,b=40mm,8级精度)b/h=40/(42.25)=4.44, (1P219图12.14)1.251.061.01.34=1.78= 1.251.061.01.17=1.55,安全.2.按弯曲疲劳强度校核,式中k=1.55由1P229-230图12.21、12.22查的:2.9,2.28,1.52,1.742.92.281.521.74,由1.046,1.046得寿命系数1,0.89 (1P38式3.2)由5P339有 2.346HRC+605.6282.346(4854)605.628718.3732.3N/同上711.2723N/安全系数S=1.60(较高可靠度,1P225表12.14),安全。1.046,1.04610.89718.3732.3N/711.2723N/448.9457.5N/m=395.4402.2N/m三、内啮合齿轮传动的设计(一)确定材料及其相关参数选内齿轮齿宽mm,选用ZG35,调质处理,硬度HB200250。(二)校核计算1.按接触疲劳强度校核接触,k=,由1P215表12.9,使用情况系数1.25由1P216图12.9,动载荷系数1.5(圆周速度v=1.93m/s)u= ,/b=1.251323/38=43.5N/mm),安全系数S=1.25(较高可靠度),则:,安全2.按弯曲疲劳强度校核,式中k=2.16由1P229-230图12.21、12.22查的:2.23,2.14,1.71,1.77,由5P339有 0.5HBS+1750.5(200250)+175275300N/寿命系数1,安全系数S=1.60(较高可靠度,1P225表12.14),安全1.25u=1.01.01.34=1.152.51= 2.16335.3384N/1S=1.25k=2.162.232.141.711.77=172187.5N/m四、效率计算行星齿轮传动的啮合效率式中转动机构的啮合损失系数,设转动机构的啮合效率为0.95,则:110.950.05,|95.6,合乎要求。0.950.0595.6行星齿轮传动参数表名称单位中心轮a行星轮c大内齿轮b中心距amm156模数mmm4齿数z1860138分度圆直径dmm72240552齿顶圆直径damm80248544齿根圆直径dfmm62230562齿宽bmm424038第二节 连轴齿轮3和小内齿轮4的传动设计一、设计计算(一)相关参数的确定由表-3知:输入功率=10.51kW,主动轮转速=651.79r/min,主动轮3传递的转矩=169.27Nm=1.693Nmm选齿轮材料及热处理方法齿轮3用20CrMnTi,由1P211,渗碳淬火加低温回火,齿面硬度HRC56-62,齿轮4采用20Cr,HRC56-62。(参照5附表) 选齿宽系数d和齿轮精度查1P222表12.13,选d0.5(硬齿面,非对称布置,直齿轮)查1P207表12.6,选8级精度(估计节点圆周速度按齿轮3设计查1P206表12.3, 选m=3mm(传递动力的齿轮)则分度圆直径51mm114mm中心距82.5mm计算齿宽25.5,取b=30mm,圆周速度二、校核计算(一)校核齿根弯曲疲劳强度使用系数(1P215表12.9)动载系数 =1.11齿向载荷分布系数(1P218表12.11)(由5P336)齿间载荷分配系数,(1P217表12.10)6639N重合度 =1.78重合度系数弯曲最小安全系数(1P225,一般可靠度)应力循环次数 弯曲寿命系数尺寸系数齿根弯曲疲劳强度安全(二)校核齿面接触疲劳强度重合度系数(1P221式12.10)弹性系数(1P221表12.12)节点区域系数(1P222图12.16)接触最小安全系数(1P225,一般可靠度)接触寿命系数(允许一定点蚀)接触疲劳极限(5P339)许用接触应力,齿面接触疲劳强度安全。d0.5=17=38u=2.235=1.502.932.371.511.66m=3mm51mm114mm82.5mmb=30mm6639N齿轮3和齿轮4的传动参数表名称单位小齿轮3小内齿轮4中心距amm31.5模数mmm3齿数z1738分度圆直径dmm51114齿顶圆直径damm57108齿根圆直径dfmm43.5121.5齿宽bmm3530第三节 主要传动轴的设计一、行星齿轮传动之中心齿轮轴的设计(一)受力分析轴传递转矩: Nm=3.35 Nmm齿轮分度圆直径:d=72mm齿轮上的圆周力:齿轮上的径向力:(有三个行星轮,径向力分布如图) 取载荷不均匀系数,(二)轴的结构设计1.按扭转强度估算轴的直径轴受转矩作用,应满足 dc轴的材料同齿轮,为20CrMnTi,b=1100N/m;S=850N/m(14P113表6-2)查1P314表16.2,选许用扭转切应力=4052 N/m,系数c=10698d(10698)=34.231.6 mm轴上有单个键槽,d 应增加3%,取d=34 mm取轴长l=100 mm。2.轴的弯矩计算把两滚动轴承简化为铰支,各尺寸如图轴只在垂直面受力,在水平面内不受力,作轴在垂直面的受力图及弯矩图。轴承A、B的支反力为 对A点取矩,M=0,(应力校正系数,扭转切应力按脉动循环变化,见P1315表16.3)从左端 从右端 B点弯矩 C点弯矩(三)按弯矩校核轴的强度:1.应根据来选择危险截面,由计算图可以看出,B截面危险。故对B截面进行校核:B截面的抗弯截面系数W=0.1满足强度要求。2.疲劳强度安全系数校核应根据和应力集中情况选择危险截面,可知B截面为危险截面,校核B截面。抗弯截面系数抗扭截面系数弯矩扭矩弯曲应力,(按对称循环变化)扭转应力(按脉动循环变化)查1P329附录表1,插值得有效应力集中系数,查1P331附录表5,有表面状态系数查1P331附录表6,得尺寸系数,取寿命系数查1P41表3.2 等效系数 安全系数 查1P316,选S=1.50,SS,安全。=3.35 Nmmd=72mm=9806N=3569N=0.533=0.233=1071Nb=1100N/mS=850N/m=4052 N/mc=10698d=34 mml=100 mm=2039N=-968N=5.03Nmm=2.12NmmNmmNmmNmmNmmW=3.93S=1.50二、行星齿轮轴的设计采用双臂分开式行星架,行星轮轴固定于臂中,属固定心轴,验算弯曲强度,结构取等直径轴,d=30mm,L=75mm。最大弯矩危险剖面抗弯截面系数 ,材料选45钢,按脉动循环处理,安全。第四节 主要轴承的选择一、行星齿轮轴之轴承的选择1.作用于轴承上的径向载荷R=2646N作用于轴承上的当量动载荷,式中冲击载荷系数=1.5(中等冲击),X和Y为径向系数与轴向系数,由0知X=1,Y=02.取轴承预期寿命:按五年计算3.行星轮轴承的相对转速:4.选深沟球轴承,计算额定动载荷 =11087N选6306轴承,Cr=16630N,满足要求。=1.5X=1Y=0C=11087NCr=16630N二、中心齿轮轴之轴承的选择1.该轴承受有连轴齿轮3和小内齿轮4传动产生的径向力,以及中心轮与行星轮传动产生的径向力,即2.作用在轴承上的当量动载荷(其中=1.5,X=1,Y=0,理由同上) 3.预期寿命:4.轴承转速:5.计算额定动载荷,选深沟球轴承=N选6312轴承,Cr=N ,满足要求。P=11925NC=NCr=N第五节 主要键联接的选择一、行星齿轮架与滚筒间键联接的选择采用普通圆头平键,取,L=60mm为非标准件,采用双键。1.校核强度 属于静联接,按挤压强度校核,由1P125(7.1)式可知校核公式为式中:键联接所传递的转矩键的工作长度键的高度,配合直径由1P126表7.1得许用挤压应力(静联接,铸铁,冲击载荷),强度满足要求。2.决定键与槽的配合,键槽表面粗糙度和键槽的对称度公差查4P51,按一般联接对待,键与轴28N9/h9,键与毂28Js9/h9。键槽表面粗糙度:工作表面,一般联接,取3.2键槽的对称度公差:一般联接,按7级精度决定对称度公差。3.键槽的工作图L=60mm二、中心轮a与内齿轮4的键联接的选择采用普通圆头平键,查4P51表4-1,由d=34mm,可知键的剖面尺寸为,参照轴长度l=100mm,取键长L=80mm(符合4 P51表4-1长度系列)键的标记为:键1.校核强度属于静联接,校核挤压强度 其中:键联接所传递的转矩键的工作长度键的高度,配合直径由1P126表7.1得许用挤压应力(静联接,钢,冲击载荷),强度满足要求。2.决定键与槽的配合,键槽表面粗糙度和键槽的对称度公差 查4P51,按一般联接对待,键与轴10N9/h9,键与毂10Js9/h9。键槽表面粗糙度:工作表面,一般联接,取3.2,非工作表面取6.3(均为Ra值)。键槽的对称度公差:一般联接,按7级精度决定对称度公差。3.键槽的工作图L=80mm第六节 制动带的设计根据结构需要,采用凸缘式带制动。计算圆周力F 计算带的绕入端张力和绕出端张力 式中:T制动转矩()摩擦系数,由16表29.13-48取=0.45制动轮包角,取D制动带直径,D=0.69m带宽b的确定 带宽b按许用单位压力p(其取值参考资料16,本计算取p=0.3N/)决定,其取值应比轮宽B小510mm ,取b=75mm确定带厚 由1629-383表29.13-33,选=6mm。=0.45D=0.69mb=75mm=6mm第四章 本产品的技术参数和相关说明第一节 技术参数表起重量kN10电动机型号YB160L-4绳速m/min最小26功率kW15最大62转速r/min1460平均44电压V380/660减速比44.5整机质量kg530容绳量m400绳径mm12.5地脚孔直径mm25卷筒直径mm250外形尺寸(长宽高)mm1100766727卷筒宽度mm310第二节 相关说明一、装配说明、1.对于各轴承和定位零件,要将其装到规定的位置上;各轴承推荐热装(在柴油中加热,温度在120-140之间)。装前在结合面上涂以适量的机油,在各轴承内填入2/3容积的黄油,滚筒体内的小齿轮中,以及行星传动的大内齿轮中填入黄油(机体内的黄油均采用钙基润滑脂)。2.行星传动的大内齿轮与滚筒之间应保证有0.5-1.5毫米的间隙,通过加工表面来保证;电机与滚筒端面之间的间隙为2毫米,可调整安装与其间的垫片来实现。3.电机和轴承支架中心高应保持一致,偏差不可大于0.1毫米。4.滚筒上的各固定螺钉和油堵,不得高出滚筒外表面。螺钉和地脚螺栓等紧固装置必须可靠。5.刹车带要平稳地与刹车毂接触;刹车带的松紧程度可由铰链螺栓来调整,要保证刹车把及杠杆系统动作灵活可靠。二、安全操作说明1.起重负荷不得超过1000公斤,而且不可运送人员。本绞车操作人员必须了解本绞车的性能,熟悉操作方法,才能单独操作。2.防爆电器设备的检查和维修应符合有关安全生产试行规程;非防爆电器设备也应符合有关电器设备的安全操作规程。3.工作前的注意事项:(1)检查钢丝绳接头是否牢固,绳卡和轴承支架及电机地脚的连接螺栓固紧完好,车安装是否牢靠。(2)检查绞车部件制动性能是否良好,使用是否灵活,刹车把之顶丝、销轴的紧固,如果有折曲损伤或松动现象,应及时更换与紧固。(3)电器部分不得有漏电现象,电动机和开关盒应接地良好。(4)检查钢丝绳,不允许有结节、扭绕现象,如果在一个节距内断丝超过10%时,应以予更换。(5)清理行车轨道,并检查钢丝绳经过处有无障碍物,以防工作过程中发生事故。(6)开始工作前应盘转滚筒一圈,然后刹紧滚筒,松开大内齿轮刹车带,启动电机试运行。4.操作注意事项:(1)开动滚筒时,须将滚筒上的刹车带完全松开,而将大内齿轮上的刹车带刹紧。(2)在绞车作业过程中,如要使绞车暂时停止运转,应将大内齿轮上的刹车带松开,而将滚筒上的刹车带刹紧;如果要微程调度负载物的位置时,只需交替提上或下压左、右刹车把,使滚筒时转时停即可。(3)如停车时间较长,应将电动机关闭;此时如果钢丝绳处于拉紧状态,为防止其坠滑,必须将滚筒上的刹车带牢牢刹紧,工作人员不得离开绞车。(4)当下放重物滚筒反转时,应松开大内齿轮上的刹车带并放松滚筒上的刹车带,滚筒在重物自重的驱动下正常反转;下放的速度可以借助刹车带对滚筒的半制动加以控制调整。若电机为可逆型,在下放重物时,应先刹住滚筒,松开大内齿轮,使电机进入反转状态,然后松开滚筒上的刹车带紧刹大内齿轮上的刹车带,滚筒将在电机驱动下反转。(5)滚筒在起动或停止时,速度须逐渐增加或减少,不允许作急剧的开车、停车,以防损坏传动部分。(6)在电动机开动时,严禁两个刹车装置同时刹车,以防电机烧毁和主机内部受损,或其他意外事故。(7)操作过程中,如果发现声响不正常,制动不灵,绞车的滚筒、刹车带及轴承等温度剧烈上升等异常情况时,必须停车检查,及时排除。(8)钢丝绳在滚筒上要排列整齐,工作时不可全部放完,在滚筒上至少要保留三圈。 (9)预定任务完成后,应使刹车带置于松刹状态,切断电源,封闭开关;清除绞车上、电机上堆积的尘土;加工表面涂以保护油,以防锈蚀。三、维护与修理说明1.绞车应注意日常维护保养工作,在使用1-2个月后,应把钢丝绳拆除,用油枪通过两油堵孔向滚筒体内挤入半千克左右黄油;拆下挡盘和大内齿轮联接的螺钉,并通过螺孔挤入一定数量的黄油。加油时,必须仔细清除油孔处的灰尘、污垢,勿使其随油进入绞车内部;注油完毕后将油堵拧紧。新绞车或大修理后更换了齿轮的绞车在运转三个月后,必须更换滚筒体内的润滑油,更换时应将零件清洗干净。绞车如果较长时间搁置不用,应通风防潮,其裸露部分应涂保护油,防止锈蚀。2.在检修时,发现绞车零件出现以下情况应予以更换:石棉带磨损厚度大于2毫米时,应更换(相应的铆钉也应更换);因齿轮严重磨损而影响绞车正常运转时应予更换;发现轴承在弹道和滚珠上有金属剥落斑点时,或因轴承磨损后在运转过程中发生不正常的噪音及使温升不正常时,应更换。主要零部件三维实体图参考文献1 邱宣怀.机械设计,第四版,北京:高等教育出版社,1997年2 孙 恒, 陈作模.机械原理,第六版,北京:高等教育出版社,2001年3 罗圣国.机械设计课程设计指导书,第二版,北京:高等教育出版社,1990年4 吴宗泽, 罗圣国.机械设计课程设计手册,第二版,北京:高等教育出版社,1999年5 杜白石.机械设计习题例题设计作业结构设计,西北农林科技大学出版社,2001年6 朱龙根.机械系统设计,第二版,北京:机械工业出版社,2002年7 机械设计手册(新版)5,北京:机械工业出版社8 杜白石.机械设计课程设计,西北农林科技大学出版社,2003年9 濮良贵.机械设计,第六版,北京:高等教育出版社,1996年10成大先.机械设计手册(单行本)机械传动,北京:化学工业出版社,2004年11 JD-11.4型调度绞车说明书,徐州矿山设备制造厂,1995年12大连理工大学工程画教研室.机械制图,第四版,北京:高等教育出版社,1993年13龚湘义.机械设计课程设计图册,第三版,北京:高等教育出版社,1989年14李德玉.机械工程材料学,第二版,北京:中国农业出版社,1997年15曾志新, 吕 明.机械制造技术基础,武汉:武汉理工大学出版社,2001年16 机械设计手册(4),北京:机械工业出版社,1991年17刘 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