教育文档欢迎下载 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 1 绪 论 1.1 建筑卷扬机的简介 自从1955年沈阳国泰矿山机械厂试制了10马力(约7.5kw)单筒卷扬机，我国 的建筑卷扬机生产已有近50年的历史，而线 年代初我国的建筑卷扬机技术的研究才活跃起来，但和国外的建筑卷扬机技术相 比落后至少3O年。在8O年代以前，我国还没有制定有关建筑卷扬机的国家标准， 产品规格五花八门，结构与技术的维持绝大多数都是根据日本JIS8OOl等40年代落后 标准及按苏联图纸制造的1Oll、1012等落后机型，进展十分缓慢。 80年代以后， 是我国建筑卷扬机设计制造技术发展最快的时期。国家也制定了有关建筑卷扬机 的配套标准、规范。 1985年底，由行业组织9厂1所1校共同参加的卷扬机产品系 列设计， 使卷扬机的性能参数与经济效益结合指标达到了较为统一的水平，也给 使用和维修带来了方便，促进了卷扬机的更新换代。然后新产品种数达到近十个， 其中最有代表性的产品有福建省建筑机械厂的行星传动卷扬机、 昆明建筑机械 厂的少齿差传动卷扬机、 长沙建筑机械研究所与福州市建筑机械厂联合开发的仿 日本Seibu公司采用立式齿轮传动的电控卷扬机．广州市一建公司机械厂的高速 卷扬机适应高层建筑的多功能需要，而江苏海门第三机械厂引进专利技术开发的 系列多排顶杆蠕动传动的卷扬机分为三大系列： 即电控、手控和微机程控三大类， 其性能优于代表国际先进承平的Seibu“一”字型卷扬机， 使我国的建筑卷扬机技术 跨入世界先进行列。Stocky系列卷扬机采用多排顶杆蠕动减速装置，并将该减速 装置直接设置于卷筒内，使设计的卷扬机达到体积小、重量轻、过载能力大、节 省能源、工作安全可靠。按照每个用户使用反映卷扬机采用锥形制动电机后，由于一 般建筑工地离变压器较远，电缆压降较大，时常出现制动器释放不开，使得卷扬 机异常工作，因此又设计了一种采用普通Y系列的、带制动器的“一”字型卷扬 机， 将多排顶杆蠕动传动应用在建筑卷扬机中，当时使我国的卷扬机技术一改几 教育文档欢迎下载 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 十年一贯制的落后状态，一跃跨入世界先进行列，该产品的整机组合合理，结构 紧凑， 重量轻， 过载能力强， 工作安全可靠． 其中传动方式部分的设计构思独特、 新颖、受力均匀、合理，当时属国内外首创。 Rotzler公司， I℃型卷扬机设计 用于汽车装载机和船舶起重机，也可用于打井机和特种提升设备。重量轻尺寸紧 凑的结构可提高起重机起重能力， I℃卷扬机减速箱的扭矩不断受到检测，并借 助一种新型电子检测控制装置(MCD)将检测结果转换为线性模拟信号。该信号可 整合到任何起重机的电子控制管理系统中， 使司机随时能够精确测定卷扬机的负荷。 利用该线性信号，在卷扬机负荷超过90％额定值时还可发出声音或图象警示。当 卷扬机提升或放下重物时， 或当制动使重物静止时测定减速箱扭矩。新型电子控 制系统可用来确定最低吊钩位置，防止操作者误操作使钢绳缠绕圈数少于安全必 需的3圈。该卷扬机有3种规格，提升力7 KN、10KN和19 KN，最小型号重50Kg， 长320 rain，宽280 rain，高280 rain 。Demag公司推出了一种能频繁、快速进 行提升作业的高速提升装置。一种能以70m／min的提升速度提升80kg物体，另一 种以35m／min的提升速度提升1 60 kg物体。这种装置的速度是Demag DS1卷扬机 的5倍。可用于发货中心的货物码。联合动力产品公司(APPI)研制开发了一种带 式葫芦和卷扬机系列新产品， 它用高强度编织带代替传统的钢丝绳或起重环链，能 消除载荷回转、钢丝绳缠绕等问题，具有便于搬运、安装和检查等优点。该公司 还可按照每个用户的要求，提供电动机、 液压马达和气动马达作为传动部件，这种带 式葫芦的最大起重量为2.5 t，带式卷扬机为5.4t。 为了适应我国建设任务具有量大、面广、分散等特点，以及劳力资源丰富， 财力不足以及贯彻执行机械化、半机械化与改良工具相结合的方针，实行多层次 的装备政策和 近期内以发展中、 小型机械为主的方针要求，设计符合我国国情 的新的卷扬机势在必行，也是迫在眉睫的事。 随着微机技术在世界的改变及在电路中的智能化，PLC 在电路中的运用得到 了广泛的应用,而它可靠性高、能经受恶劣环境的考验、使用极方便的巨大优越 性，迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品， 与机动人、CDM/CAM 并称为工业生产自动化的三大支柱。 教育文档欢迎下载 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 1.2 设计方法或技术路线)设计一台带排绳机构的卷扬机 2)要求能提升 5 吨的物体 1.2.2 各零部件的设计 1)电动机的功率计算及选用： 电动机的选取原则是在确保最大工作载荷转矩的前提下，尽量选取最小功率 值的电动机。同时充分的发挥电动机容许的最大启动转矩能力，以适应启动时所需 转矩值的增大，为此应优先选用启动转矩和短时过载系数大的电动机。 2)减速箱的参数设计与选用： 减速箱的选择主要是依据齿面性能，传动比等方面做选择。本设计中选择硬 齿面及合适的传动比减速器作为卷扬机的选型方案，其传动比需满足设计的基本要求。 3)卷扬机滚筒及排绳机构的设计： 卷扬机滚筒的选择最重要的包含结构设计和强度设计，强度设计主要是考虑弯曲 校核、扭矩校核和寿命校核。 4)电动机控制线路的设计及卷扬机钢丝绳的选择： 卷扬机绳径的选择依据是JG／T503 1—93《建筑卷扬机设计规范》 4 ．1 ．1 条，根据安全系数来确定的。 控制线路的设计实现三相异步电机的正、反转、快 转和慢转的要求。 1.2.3 拟采用的方法或技术路线)动力及传动部分 采用合适的三相异步电机， 通过减速箱驱动卷扬机转动 2)排绳机构 设计出排绳机构，以减速箱齿轮提供的动力， 驱动排绳机构往复直线运 动， 使得钢丝绳能在卷扬机卷筒上整齐排列 3)卷扬机 对卷扬机滚筒进行结构设计和强度、寿命校核 教育文档欢迎下载 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 4)采用继电器和手动按钮设计三相异步电机的正、反转、快转和慢转，完 成控制面板的设计 1.3 本设计的意义 随着卷扬机在工业的广泛应用，新的卷扬机势在必行，也是迫在眉睫的事 所以本设计就为了更好地改善已往卷扬机在工业中的缺点，如：钢丝绳在 工作中由于受到挤压而使其常规使用的寿命下降，而采用排绳机构进行均匀排绳从而提 高了钢丝绳的常规使用的寿命。同样在控制电路中，采用 plc 来来控制这样能减少电 路中的繁锁，跟据科学技术要从智能化和微型化进行发展。从而改善了采用继电 器来控制电路。 并增强了控制的实时性，更能保证精度要求的产品质量。这样也 跟上了主流计算机发展的潮流、将生产控制与生产管理合二为一。也就是迎合了 全集成自动化的概念，将数据处理、通信、控制程序统一起来了。这也就是本设 计的意义。 教育文档欢迎下载 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 2 卷扬机部件的设计计算 2.1：电动机功率选择、总传动比设计计算与校验 正确选择电动机额定功率的原则是：在电动机能够很好的满足机械负载要求的前提 下，最经济、最合理地决定电动机功率。 根据电动机的类别有直流电动机和交流电动机。而它又分为三相异步电动机 和同步电动机。异步电动机结构相对比较简单，维护容易，运行可靠，价格实惠公道，具有较 好的稳态和动态特性，而直流电动机也结构相对比较简单、维护方便，但由于长期以来交 流电动的调速问题未能得到满意的解决。因此，交流电动机在工业中使用得最为 广泛的一种电动机。 卷扬机属于非连续制工作机械，而且起动、 制动频繁。因此，选择电动机应 与其工作特点相适应。 卷扬机主要是采用三相交流异步电动机。根据工作特点，电动机工作制应考虑 选择短时重复工作制S 和短时工作制S ，并优先选用 YZR (绕线 型转子)系列起重专用电动机。 多数情况下选用绕线转子电动机；根据本设计要 求， 综合以上分析，本设计主要选择绕线转子的短时重复工作制 S 。 3 2.1.1．电动机功率的初选： 卷扬机电动机功率的初选可按所需的静功率计算，然后根据电动机工作方式 类别进一步确定电动机的功率， 并做必要的校验。 静功率 (单位：KW) 计算公式为： P = F vee …………………… (1) g 60000n 式中 F ——钢丝绳额定拉力( N)； e v ——钢丝绳额定速度( m/min )； e n ——卷扬机整机传动效率。 这里的传动效率包括传动装置、 轴承、联轴器、离合器和卷筒缠绕等的效率。 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 n =n1 .n2 ... 734 5 6 7 3 8 21 2 1 10 1-电动机 2-弹性联轴器 3-二级圆柱齿轮减速器(同轴式) 4-齿轮联轴器 5-开式齿轮传动 6-卷筒 7-排绳器导辊 8双向丝杠 9-链条 10-链轮 图 1 卷扬机工作原理图 根据《建筑卷扬机的设计》表 3－3 选取各传动件的传动效率： 弹性联轴器 两级圆柱齿轮减速器(同轴式) 齿式连轴器 开式齿轮传动 卷筒(滚动轴承) 链传动 丝杠 则总传动效率为： n ＝99％ 1 n ＝93％ 2 n ＝99％ 3 n ＝98％ 4 n ＝96％ 5 n ＝94％ 6 n ＝40％ 8 i ＝1 1 i 2 i ＝1 3 i 4 i 5 i 6 n =n .n .n .n .n ＝0.86 1 2 3 4 5 选取钢丝绳的速度v ＝0.25m/s，则动载系数 ＝1.13 e 教育文档欢迎下载 教育文档欢迎下载 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 P = F vee ＝ 4.9 104 0.25 60 ＝14.24(KW) g 60000n 60000 0.86 卷筒转速： v n = e 10 3 e 几D e 式中 v ——钢丝绳额定速度( m/min )； e D ——卷筒基准层钢丝绳中心直径( mm)。 e n = ve 103 ＝ 0.2560 103 必10.70 必 11(r / min) …………………(2) e 几D 几 446.5 e 总传动比n 总传动比 i= de i n e 式中 n —— 电动机额定转速(r/min)； de n ——卷筒转速(r/min)。 e i = ndeng = 750 11 ＝68.18 根据《建筑卷扬机的设计》表 3－7 可选取传动比8 i 60 的两级圆柱齿轮 2 减速器 (同轴式)。 并取 i ＝25，则开式齿轮传动比 i ＝i = i ＝ 68. 18 =2.73 2 4 4 i . i . i 1. 25 . 1 1 2 3 根据《电气工程师手册》表7.6－4 可选取： YR 系列绕线转子三相异步电动机，转速n ＝750 r/min；额定功率 P＝ 15KW； de 标称电压： 380V。 教育文档欢迎下载 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 2.2：钢丝绳的计算及确定 2.2.1 材料和种类的分析 钢丝绳由许多高强度钢丝绳编绕而成，可单捻、双捻成形。绳芯常采用天然 纤维芯(NF)、合成纤维芯(SF)、金属丝绳芯(IWR)和金属丝股芯(IWS)。纤 维芯钢丝绳具有较高的绕性和弹性， 缠绕时弯曲应力较小， 但不能承受横向压力。 金属丝芯钢丝绳强度较高，能承受高温和横向压力，但绕性较差。本设计中卷扬 机为多层缠绕，更适合选用双捻制天然纤维芯(NF)钢丝绳。 根据钢丝绕成股和股绕成绳的相互方向可分为：顺捻钢丝绳和交捻钢丝绳。 顺捻的特点是钢丝绳绕性好，磨损小，常规使用的寿命长，但容易松散和扭转。它不允 许在无导轨的情况下作单独提升，故在不松散的情况下或有刚性导轨时应用为 佳。交捻的与顺捻的相比绕性和常规使用的寿命相对要差，但由于绳与股的扭转趋势相 反，克服了扭转和易松散的缺陷，故本设计优先选用交捻钢丝绳。 根据钢丝绳中钢丝与钢丝的接触状态不同又可分为：点接触钢丝绳、 线接触 钢丝绳、点线接触钢丝绳、 面接触钢丝绳。点接触的特点是： 接触应力高， 表面 粗糙，钢丝易折断，常规使用的寿命低。但制造工艺简单， 价格实惠公道。由于线接触钢丝 绳比点接触钢丝绳的有效钢丝总面积打，因而承载能力高。 如果在破断拉力相同 的情况下选用线接触钢丝绳，能够使用较小的滑轮和卷筒，从而使整个机构的尺 寸减小。点线接触是一种混合结构的钢丝绳， 里面是点接触，外面是线接触。面 接触的接触应力比线接触要小， 从而进一步改善了钢丝绳的性能，但钢丝绳的绕 性较差。由以上分析可知，卷扬机宜选用不易松散和旋转向小的线接触钢丝绳。 综上，本设计选用交捻制天然纤维芯(NF) 线 钢丝绳的固定方法： 钢丝绳在卷筒上的固定方式 钢丝绳在卷筒上的固定应保证工作安全可靠、便于检查、装拆及调整， 且固定处不应使钢丝绳过份弯折。绳端常见的固定方式有：压板固定和楔块固定 两类。 a:压板和螺钉绳端固定装置对多层缠绕， 螺钉头不能露出卷筒表面。这种绳 教育文档欢迎下载 建筑卷扬机及其排绳机构的设计 端的固定方式， 工作台可靠， 对钢丝绳的损伤小， 安装便捷， 出绳方向容易变换。 b:楔形块固定装置它是钢丝绳通过楔块固定在卷筒上。楔块的斜度通常取 1： 4~1:5,以满足自锁条件。这种绳端的固定方式最简单，但钢丝绳允

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