车载打桩起重机减速器及卷筒设计

- I -车载打桩起重机减速器及卷筒设计摘 要这篇论文设计的是打桩机起重装置。它集机械设计最新理念、铸造工艺最新技术及 CAD、CAM 于一身，是将最新设计技术、CAD、CAM 应用于实际的一个实例。文中涉及了蜗杆减速器和卷筒装置的设计、计算和校核，以及后期三维建模的相关内容。将蜗杆减速器应用于起重装置不仅提高了工作的可靠性，也大大提高了工作效率和经济效益。蜗杆减速器以其传动平稳，无噪声，结构紧凑，可以自锁等优点在起重装置及传动装置中得到了广泛的应用。在该系统中，选用的是单级蜗杆减速器。单级蜗杆减速器机构简单，易于设计，设计基础和经验丰富，且可以自锁，与其配套的附件容易买到。卷筒结构设计的好坏决定着整个系统性能的优劣。该起重装置采用了最新的结构，并在铸造上采用了最新的工艺来提高卷筒的强度、硬度和耐磨性。该系统能安全可靠地控制钢丝绳的牵引长度、速度，并能够实现作业中的自锁。论文中主要包括了减速器设计及计算和卷筒设计部分，并结合图表作了充分的讲解。关键词 打桩机；起重装置；减速器；卷筒- II -Design of car reducer and drum crane pilingAbstractIt is about the draw equipment of drill-machine in this paper. It concentrates the latest mechanical design concepts, casting techniques and the latest technology of CAD/CAM. The thesis is an example of the application of theory. It concludes the design，calculation and checking out of the worm gears speed reducer and the reel system, as well as the next three-dimensional simulation. Worm gears speed reducer will not only enhance the work for the reliability, but also greatly enhance the efficiency and cost-effectiveness. The worm gears speed reducer is widely application in drive system and transmission system because of its smoothness, the non-noise, the structure tightly packed and the ability of auto-lock. In addition, the reel system is very important in the draw system, so goodness or badness of the design of it directly have impact on the performance of the whole system. This draw equipment applies the latest structure, and the latest advances in technology to improve reels intensity, hardness and abrasion resistance.In this system, the choice is the single-grade worm gears speed reducer. Single-grade worm gears speed reducer has a simple structure, easy to design, foundation design and experience, and has the ability of auto-lock, and its supporting accessories are easy to buy. The system can safely and stably control the length, speed, and to achieve operational auto-locks. The whole paper concludes the design and calculation of the speed reducer and the reel part, and three-dimensional simulation narrative, combining with graphics and forms.Keywords Drill Machine; Draw Equipment; Speed Reducer;Reel- III -目 录摘要 .IAbstractII第 1 章 绪论 11.1 课题背景 .11.2 本课题的研究内容与意义 .1第 2 章 起重机的总体设计 32.1 起重装置设计参数的初步确定 .32.1.1 钢丝绳直径的选择 .32.1.2 卷筒直径的确定 .32.1.3 卷筒输出转速、扭矩的确定 .32.2 起重装置的总体设计 .32.2.1 分析和确定传动方案 .32.2.2 电动机的选择 .42.3 本章小结 .6第 3 章 减速器传动零件的设计计算 73.1 涡轮蜗杆的初步设计 .73.1.1 选择蜗杆传动的类型 .73.1.2 选择材料 .73.1.3 按吃面接触疲劳强度进行计算 .73.1.4 涡轮蜗杆的主要参数和几何尺寸 .83.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度 .93.1.6 精度等级公差和表面粗糙度的确定 103.2 初估轴径 103.3 蜗杆轴的结构设计 113.4 蜗杆轴的校核 113.5 蜗杆轴轴承校核 123.6 蜗杆轴的结构设计 133.7 蜗杆轴的校核 133.7.1 计算蜗轮受力 133.7.2 计算轴承支反力 133.7.3 选择轴的材料，确定许用应力 143.8 涡轮轴轴承的校核 143.9 本章小结 15第 4 章 卷筒总成的传动零件 .16- IV -4.1 卷筒装置的组成 164.2 卷筒结构设计 164.2.1 材料的选择 164.2.2 强度计算 164.2.3 卷筒结构尺寸的确定 174.3 卷筒的计算 174.3.1 强度计算 174.3.2 稳定性计算 174.3.3 钢丝绳在卷筒上的固定及其计算 174.3.4 卷筒轴的结构设计 184.3.5 轴的校核 184.4.起重装置的合理使用及润滑 194.5 起重装置主要技术指标 204.6 本章小结 20第 5 章 箱体及附件的设计 .225.1 箱体概述 225.1.1 设计准则 225.1.2 散热及润滑系统计算 235.1.3 箱体的设计 245.2 箱体附件的设计 265.3 本章小结 28结 论 29致 谢 .30参考文献 31附 录 A .32附 录 B .35- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景这是一套车用钻机起重装置，即卷扬机装置。 ，用于牵引车用钻机进行钻土工作，适用于各种环境条件下作业，机动性能好。目前，国内外在发展起重装置技术，特别是在发展卷扬机装置技术方面，在其减速器部分，最流行的是行星轮减速器和蜗杆减速器。两者的特点分别是：行星轮减速器承载能力大，传动效率高，结构紧凑，尺寸小，重量轻等特点，所以，可以将减速器放在卷筒内部，但行星轮减速器结构过于复杂，难于设计和加工；蜗杆减速器传动平稳，无噪声，结构紧凑，可以自锁。但是蜗杆减速器传动效率低 。12、随着现代工业技术的发展，人们对机械牵引装置的技术性能及经济指标提出了越来越高的要求，在这种形式下，具有工作可靠、结构紧凑、无噪声等优点的传动装置获得了广泛的应用。1.2 本课题的研究内容与意义原动机是电动机，工作机是卷筒，中间是减速机构。电动机带动减速器，把扭矩传输到卷筒上，卷筒上卷绕钢丝绳，钢丝绳再通过滑轮带动钻头作业，并在电动机与减速器之间设计制动器来进行制动。在钻头上下工作过程中，当钻机要求在某一位置停下时，可以通过制动器来实现这一动作，并把钻头锁在此处不动，达到制动和自锁的目的。卷筒在起升机构或牵引机构中用来卷绕钢丝绳，将旋转运动转换为所需要的直线运动。卷筒通常为圆柱型，特殊要求的卷筒也有制成圆椎形或曲线形的。本设计采用圆柱形。在此次设计中，采用蜗杆减速器的同时，对蜗杆减速器及卷筒部分作了以下几点改进：1蜗杆减速器采用环面蜗杆传动，环面蜗杆传动是多啮合和双接触线接触，润滑条件好，当量曲率半径大。因此，传递效率较高，承载能力大，容易实现磨削，故制作成淬火磨削的蜗杆。以此来保证传动的精度和提高传动的性能 2。2卷筒有单层卷绕与多层卷绕之分。在起重高度较高时，为缩小卷筒尺寸，可采用表面带导向螺旋槽形式或光面卷筒，进行多层卷绕，但钢丝磨损较快。目前，多层卷绕卷筒大多数制成带有绳槽。由于本次设计的钢丝绳卷绕量大，所以采用将第一层钢丝绳卷绕入卷筒螺旋槽，第二层钢丝绳以相同的旋转方向卷绕入内层绳形成的螺旋沟，钢丝绳的接触情况大为改善，并防止钢丝绳互相摩擦，从而提高钢丝绳的使用寿命。卷筒端部- 2 -设挡边，以防钢丝绳脱出筒外。其挡边高度在卷筒绕满钢丝绳后还要剩余11.5 层钢丝绳的余量 2。3钢丝绳的固定，以往是在卷筒的内侧用压板固定，这样就占用了内侧的空间，减少了钢丝绳的卷绕长度，并容易引起钢丝绳的挤压干涉和摩擦，降低使用寿命。此次设计为避开以上缺点，将钢丝绳引到卷筒外侧，再以压板固定。这样一来，虽增加了卷筒外侧的尺寸，可是钢丝绳的卷绕长度得到增加，并且减少钢丝绳的挤压和摩擦，提高其寿命。4灰口铸铁是应用最广的金属材料之一。对于要求较高的零件，灰口铁表面应光滑，上下层组织差异不大，且有一定的抗震性和较高的耐磨性。多年来，在实际生产中难以保证上下层的组织密度和硬度要求。此次设计，采用加入浇铸添加剂的方法，解决这个问题。此次设计中，卷筒是对强度要求较高的零件，采用此方法来提高其强度和硬度，跟以往设计相比，强度、硬度和耐磨性都有了一定的提高 3。- 3 -第 2 章 起重机的总体设计2.1 起重装置设计参数的初步确定2.1.1 钢丝绳直径的选择按 GB3811-83 计算方法考虑全面，计算较精确，即(2-1)maxCFd根据文献6中表 9.1-15，查得 C=0.085，钢丝公称抗拉强度MPa,d0.085 ,取 d=37 。1850b160342.1.2 卷筒直径的确定卷筒直径根据钢丝绳的直径以及机构工作级别而定。H1d (2-2) MIND式中： 为卷筒名义直径（卷筒槽底直径） ，mm；MINDH1 为与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，d 为钢丝绳直径，mm。根据文献6中表 9.1-21 得 H1=14。所以 mm，取143758MIND=590mm。2.1.3 卷筒输出转速、扭矩的确定由已给条件，起重装置所受最大牵引力为 16 吨，最大牵引速度为 40米/分，牵引长度为 60 米。所以最大输出转速 min/02.456.rdvn最大输出功率kW 1.6760wFp最大输出扭矩Nm 39.5042.Tn2.2 起重装置的总体设计 2.2.1 分析和确定传动方案这是一套车用钻机起重装置，即卷扬机装置。原动机是电动机，工作机是卷筒，中间是减速机构。电动机带动减速器，把扭矩传输到卷筒上，卷筒上卷绕钢丝绳，钢丝绳再通过滑轮带动钻头作业。在钻机工作过程中，- 4 -要求制动和自锁。故在电动机与减速器之间设计制动器来进行制动 1。考虑到输出功率比较大，故电动机选用直流电动机，中间通过减速器来降速。减速器主要有圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器、圆柱蜗杆减速器，主要用于冶金、矿山、运输、水泥、建筑、化工、纺织、轻工、能源等行业，应用广泛。前两者本身没有自锁功能，所以不予考虑；圆柱蜗杆减速器有自锁功能，蜗杆传动用于交错轴间传递运动和动力。它的主要优点是是：传动平稳，无噪声，结构紧凑，可以自锁。缺点：效率低，需要贵重的减摩性有色金属。行星轮减速器主要用于冶金、矿山、起重运输及通用机械设备，主要特点：功率大，体积小，重量轻。但结构复杂，制造困难。综上所述，选用单级圆柱蜗杆减速器。 654211-电机 2-离合器 3-制动器 4-减速器 5-联轴器 6-卷筒图 2-1 总体配置系统图电动机的选择2.2.2 电动机的选择1 选择电动机系列按工作要求及工作条件选用直流电动机 Y 系列，交流电动机是拖动生产机械的一重动力设备，具有调速平滑、调速范围宽、过载能力大、能承受频繁的冲击负载、可实现频繁的无级快速起动及反转等优点。2 选择电动机的功率传动卷筒所需有效功率Kw (2-3)106.7Pw传动装置的总效率(2-4) ycBG2根据文献6中表 2-1-1 确定各部分效率如下 4：蜗杆传动（自锁）- 5 -0.7G滚动轴承效率（一对） 98.B联轴器效率 .0C卷筒效率 96.cy 41.096.098.45022 cyCBG所需电动机功率 kW1.7.wrP3 确定电动机转速及型号传动卷筒轴转速 min/02.4rnw选用 Y 系列（ IP44）封闭式三项异步电动机。选择 Y315M2-4 型号。转速 1500r/min 功率 300Kw4 传动装置的运动及动力参数的计算在选定电动机型号，确定传动比之后，应将传动装置中各轴传递的功率、转速、转矩和相邻轴间的传动比及传动效率计算出来，为传动零件和轴的设计计算提供依据。各轴的功率和转矩均按输入处计算。可有两种计算方法，其一是按工作机的需要功率计算；其二是按所选电动机的额定功率计算。前一种方法的优点是设计出的传动装置结构较为紧凑；而后一种方法由于一般所选定的电动机额定功率大于工作机所需的电动机功率，故而根据电动机额定功率计算出的各轴功率和转矩都会较实际需要的大一些，根据这些数据设计出来的传动零件，其结构尺寸也会较实际需要的稍大，设计出的传动装置具有一定的生产潜力。0 轴：0 轴即电动机轴kW r/min 026.rP015nNm30.295798.pTn1 轴：1 轴即减速器高速轴kW1016.95.6r/minoNm112.71039 8pTn2 轴：2 轴即减速器低速轴- 6 -kW212125.7604.914.8GBppr/min50.963niNm22489. .31.T3 轴：3 轴即卷筒轴kW3232.098.1.cBppr/min.nNm331.3.9552T上述计算结果汇总列于表 2-1，以便查用。表 2-1 各轴运动及动力参数电机轴 蜗杆轴 涡轮轴 卷筒轴转速(r/min) 1500 1500 21.9 21.9功率 P(KW) 260.24 257.64 180.18 172.97转矩 T(Nm) 1798.85 1780.9 50513.8 48561效率 0.99 0.7 0.97传动比 i 1 63 12.3 本章小结本章对起重机的钢丝绳直径、各轴的转速、功率、转距、效率、传动比加以确定，并且初步选定了电动机。- 7 -第 3 章 减速器传动零件的设计计算3.1 涡轮蜗杆的初步设计3.1.1 选择蜗杆传动的类型 根据 GB/T0085-1988 的推荐，采用 ZC 蜗杆。3.1.2 选择材料 考虑到蜗杆传递的功率较大，速度是中等，故蜗杆采用 20CRMnTi, =1079， =834，因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面bs要求淬火，硬度为 225250HBC。涡轮用 20CRMnTi。3.1.3 按吃面接触疲劳强度进行计算根据闭式蜗杆传动的设计规则，先按接触面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距(3-1)232/()HEPaKTZ确定核载系数 K因为工作载荷较稳定，古曲在和分布不均匀系数 =1；根据文献6BK中表 8-5 选取系数 =1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数AKV=0.05，则K= =1.21ABKV确定接触系数 Zp蜗杆分度圆直径 和中心距 a 的比值 /a=0.35，可查到 =2.9。1d1dZp确定弹性影响系数 E因选用 20CRMnTi 的搭配，故 =160Mpa。EZ确定许用接触应力 H根据涡轮材料 20CRMnTi，蜗杆螺旋硬度。225HRC，可查表=834Mpa。/H应力循环次数 N=60 =2hjnL760145/2015.210寿命系数(要求寿命 12000 小时)78.835.HNK计算中心距- 8 -23160.91.2984()7508a故=750mm,因 i=63,故可知模数 m=20, 故蜗杆分度圆直径1d=232mm。 这时 /a=0.4，可查得接触系1d数 ，因为 Tc,其轴孔直径 d=160300,能满足减速器轴径的要求，故最后确定选 CLZ13 联轴器。最后确定蜗轮轴外伸段直径 d=280mm。3.3 蜗杆轴的结构设计初估轴径 d=df1-(24)=176-4=172 mm。蜗杆圆的直径 d =240 mm，齿顶圆直径 da1=264 mm，齿根圆直径1df1=176 mm，轴承处轴径取 172-216=140 mm。蜗杆有轴向力和径向力，故拟采用圆锥滚子轴承，根据轴直径 140，根据文献4中表 22-23 得轴承型号 7328E。3.4 蜗杆轴的校核轴的强度计算主要有三种方法：许用切应力计算；许用弯曲应力计算；安全系数校核计算。一般转轴按许用弯曲应力计算已足够可靠，不一定再用安全系数法校核。许用弯曲应力计算必须先知道作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各段轴径等参数。它主要用于计算一般重要的、弯扭- 12 -复合的轴，计算精度中等。计算蜗轮受力。由d1=224mm， d2=1260mm， T1=1780.9r/min，T 2=50513.8r/min， =20圆周力 Ftl=Fa2= = =15900N2d49.780轴向力 F al=Ft2= = =80180N16.53径向力 Frl=Fr2=Ft2tg=80180tg20 =29183N计算轴承支反力水平面 R H1= =7900N=RH221275.09垂直面 R V1= =8931.7N10883RV2=Frl-Rv1=29813-8931.7=20251.3NT=1780.9Nm选择轴的材料，确定许用应力。轴的材料选用 45 钢，表面渗碳淬火，查得 =580Mpa， =290Mpa4。用插值法，由表 16-3 查得 BS 1b=194Mpa， 0b=91Mpa, b=53Mpa，1。58.0931在蜗杆中间处当量弯矩最大，M =73861Nm校核轴径，由式 16-4 得D= mm176mm (3-9)33178610.0.5b176 为齿根圆直径，满足要求。3.5 蜗杆轴轴承校核求轴承轴向和径向载荷。由轴校核知：水平面支反力 21790HHRNR垂直面支反力 .83vN25轴承总的径向支反力为：= =20251.3N11vHrRF227.893170= =11924N22- 13 -由文献6查表 18-3，S=Fr/2Y 6。由文献4查表 22-33 得 Y=1.7，所以有N1/2194/.7350rFN4.69122N235078aSSN N。1 28aF下面是右轴承的校核： 14./6/0raCF由文献6查表 22-33 得 e=0.35。er 8.362783由文献6表 18-5，X =0.4,Y=1.0986。根据文献6中表 18-6 得，负荷系数 6。1.fp当量动负荷 kN()1.(04273.867)1.5rraPfpF计算额定动负荷kN33%0561nrLCP根据文献4查表 22-33，得 ，可满足寿命要求 4。rrCN83.6 蜗杆轴的结构设计初估轴径，由初估蜗轮外伸段轴径 d=280mm，有此可推出其它各段轴径，轴承处轴径取 d1=320mm，蜗轮处轴径取 d2=340mm，蜗轮毂长度L=1.4d2=1.4340=476 mm，取 L=440 mm。选用轴承，蜗轮有轴向力，根据轴径 d=320mm，查标准拟采用圆锥滚子轴承 4。3.7 蜗杆轴的校核3.7.1 计算蜗轮受力由蜗杆轴校核知，圆周力 N，轴向力 N，径向21590tF2801aF力 N。29183rF3.7.2 计算轴承支反力水平面 N=RH21.68492tHR垂直面 1605.50arvF- 14 -N291830.56190.52601N8vrvRF所以 N，2 21144rHN。2209593v3.7.3 选择轴的材料，确定许用应力轴的材料选用 45 钢，表面渗碳淬火，查得 MPa, 80BMPa 4。用插值法，由表 16-3 查得 b=194Mpa， 090s 1b=91Mpa, b=53Mpa，1 5.09130b(3-10)(2TM，在蜗杆中间处当量弯矩最大， Nm。038.57)(2T 36291M，31/.62/0.580d340 为蜗轮毂处轴径，满足要求。3.8 涡轮轴轴承的校核求轴承轴向和径向载荷由轴校核知：水平面支反力 N=RH21409HR垂直面支反力 N N6V285V轴承总的径向支反力为：N2 21160149rHFN24935VR由文献6查表 18-3，S=F r/2Y，查表 22-23 得 Y=1.4。所以1/05/.3YN2231758rN249914aFS所以，轴有向右移的趋势， N， N。14aS09aF右轴承校核 ，.0/0/oraC根据文献6中表 22-23 得 e=0.424。 er 6.9235根据文献6中表 18-5，X=0.4，Y=1.1，查表 18-6 得，负荷系数- 15 -fp=1.16。当量动负荷 )30219.495.0(1)( arrYFXfpP计算额定动负荷kN33%8.66767nrLC 查表 22-33，得 Cr=882N ，可满足寿命要求 4。rc3.9 本章小结本章对减速器的主要传动零件蜗杆蜗论、蜗杆轴进行了设计计算并进行了相应的校合，同时也对弯曲疲劳强度和蜗轮轴轴承进行了校合，满足了减速器各传动零件的强度要求和合理性。- 16 -第 4 章 卷筒总成的传动零件4.1 卷筒装置的组成卷筒在起升机构或牵引机构中用来卷绕钢丝绳，将旋转运动转换为所需要的直线运动。卷筒通常为圆柱形，特殊要求的卷筒也有制成圆锥形或曲线形的。本设计采用圆柱形。卷筒有单层卷绕与多层卷绕之分，一般起重机大多采用单层卷绕的卷筒。因单层卷绕卷筒表面通常切出螺旋槽，增加钢丝绳的接触面积，并防止相邻钢丝绳互相磨擦，从而提高钢丝绳的使用寿命。当卷绕钢丝绳量大时，为了缩小卷筒尺寸可采用多层卷绕。本设计采用多层卷绕，一般采用光卷筒，但为了增加钢丝绳的接触面积，并防止钢丝绳互相磨擦，提高钢丝绳的寿命。本设计采用带螺旋槽形，其卷筒端部带侧边，侧边高度在卷筒绕满钢丝绳后还要有 11.5 层钢丝绳的余量。卷筒装置是由卷筒体、连接盘、轴及轴承支架等部件组成 2。4.2 卷筒结构设计卷筒直径 D=590mm最大输出转速 n=24.05r/min最大输出功率 pw=106.7kW最大输出扭矩 T=42422.36kW4.2.1 材料的选择常用卷筒有铸造卷筒与焊接卷筒的，铸造卷筒又分铸铁卷筒与铸钢卷筒，铸铁卷筒所用材料一般不低于 HT200，它对钢丝绳的寿命是有利的；铸钢卷筒由于成本高，且限于铸造工艺壁厚不能减少很多，因而很少采用。重要卷筒可用高强度铸铁或球墨铸铁。大型卷筒多半用 Q235 钢板弯成筒形焊接而成，可减轻重量，适用于单件生产。本设计由于卷筒并不大，所以采用铸铁卷筒，材料选用高强度球墨铸铁 QT9002，卷筒表面采用螺旋槽形式 。23、