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综合课程设计(Ⅱ>
轮胎式起重机起升机构设计指导书
工程机械及物流技术系薛渊
哈尔滨工业大学
2018年3月
目录
第1章概述
1.1轮胎式起重机起升机构设计的教案目的
轮胎式起升机构课程设计是工程机械及物流技术模块学生完成《工程机械设计基础》之后的一个重要实践教案环节。
课堂上讲授的有关工程机械设计的基本理论、基础知识和基本技能要通过这个教案环节的印证、理解、消化、巩固和检验。
轮胎式起重机起升机构设计是一次综合性的工程设计训练,通过这次设计活动,使学生受到如下几个方面的锻炼。
<1)运用工程机械设计基础课程中的基本理论,以及其他先行课程的相关知识,为指定的设计任务拟定合理可行的工作计划,并且在设计过程中进行检验和修正;
<2)提高对工程机械设计的表达能力。
其中包括,图纸、计算和文字表达能力等;
<3)学会查阅和运用与工程机械设计相关的文献资料。
其中包括教材、专著、期刊、手册、标准、规范、样本等。
<4)培养学生掌握工程机械工作机构本体设计、分析步骤和方法,培养和锻炼学生综合运用所学知识解决实际工程问题的能力,为后续专业课程和毕业设计奠定了基础
1.2设计内容与步骤
1.方案设计<1天)
<1)拟定工作计划和设计技术路线。
(2>对设计任务分析,确定起升机构的主要功能和附加功能;
<3)确定起升机构的方案,包括工作原理、驱动形式、传动形式、工作机构、制动形式、支撑结构形式和调速形式的确定。
2.设计计算和选择关键选型件<3天)
在设计方案的基础上,进行设计计算和关键选型件,包括起升功率计算;钢丝绳选型计算和选择;液压马达的选型计算和选择;减速器的选型计算和选择;卷筒的选型计算和选择;制动器的设计计算及其他部件的设计计算和选择。
3.结构设计<学时:
8~9天)
进行起升机构总体布局,绘制总装配图<1张A0,)和部分零部件图<2张A2)。
4.编写设计说明书<学时:
1~2天)
5.答辩<学时:
1天)
1.3设计工作量
系统复习所需过的理论知识,积极思考、独立工作。
准备必要的设计手册、设计规范。
可收集同类产品资料,对同类产品进行分析、理解消化,鼓励进行创新设计。
要明确题目,充分理解任务书。
对所设计轮胎式起重机起升机构任务书提出的技术要求和起升机构整机环境约束应有全面理解。
轮胎式起重机起升机构设计的工作量如下:
1.起升卷扬装配图1张A0图;
2.零件图2张 3.设计说明书1份<5000-10000字)。 第2章设计题目 轮胎式起重机起升机构设计应充分发挥学生的主动性和积极性,以学生为主体完成设计任务,指导教师起着指导和答疑作用。 鼓励学生创新性地完成课程设计。 轮胎式起重机起升机构设计的题目和技术参数应体现如下几点要求。 1.所设计的起升机构应是轮胎式起重机的起升机构;这样对可达到对学生进行工程机械设计综合训练的目的<液压件是工程机械一种常见的重要部件)。 2.所设计的起升机构必须包含完整的机械系统,即至少包含动力系统、传动系统、升降机构、制动机构、操控系统和支承; 3.为发挥学生的主观能动性和创造性,每个学生设计的题目和技术参数不能相同; 4.生产纲领为样机试制; 5.题目和技术要求可按如下给定。 题目: “××吨轮胎式起重机起升机构设计”;任务书见表2-1。 表2-1××吨轮胎式起重机工作机构技术要求 序号 参数名称 参数代号 参数值 1 起重量(t> Q 2 起升速度(m/min> VQ 3 工作级别 Mj 4 基本起升高度(m> H 5 主臂起升高度(m> Hmax 6 基本倍率 a 7 常用倍率 an 8 臂架最大仰角 θmax 9 油泵泄荷压力(MPa> pB 10 超载系数 φ 11 臂架全缩长度(m> LO 12 滑轮组安全距离(m> b 13 调速系数 ψ 第3章轮胎式起重机起升机构设计 起升机构是起重机的一个重要机构。 起升机构可视为一个完整的机械系统考虑,但又受到整机约束,如结构约束、工作环境、动力源等。 故在设计中必须满足起升机构性能要求,也应符合整机工作性能要求;同时还需要满足结构简单、工作安全可靠、效率高、寿命长、经济性能好、使用维护方便和美观等条件。 起升机构的设计主要包括方案设计、设计计算和结构制图三大部分,一般地方案设计和设计计算部分在设计计算说明书中体现,是结构制图的依据,而结构制图是方案和设计计算的体现和细化,是产品制造的直接依据。 3.1方案设计 接受设计任务书后,首先要对设计任务进行技术分析,确定机构要实现的主要功能和附加功能,并尽可能找出的约束条件。 然后,根据要实现的功能和约束条件,确定系统的功能模块,并对功能模块形式进行分析和筛选,在此基础上确定机构工作原理,明确组成机构的关键零部件工能及结构形式,为具体下一部具体结构设计做好铺垫。 3.1.1设计任务分析 起升机构设计任务书给定了设计输入条件,通常包括基本功能要求。 方案设计阶段的第一项工作就是要明确总体功能<起重机的总体功能)对工作机构提出了什么样的基本功能要求,且以此为基础进行功能分析。 基本性能要求有时也会对机构的功能产生影响,在进行设计任务分析时应注意发现机构工作性能与机构工作原理之间的内在关系,在进行功能原理设计时加以考虑。 通常设计任务分析工作包括功能分析和约束分析两项基本内容。 功能分析就是分析起升机构所达到的功能。 起升机构必须具备的功能有: 基本功能和附加功能。 其中,基本功能有: 起升运动、下降运动和空中停留。 附加功能主要是调速功能。 约束条件主要有: 结构约束、行使条件约束、动力约束。 3.1.2功能模块划分和确定 起升机构是由若干个功能模块组成,并在各个功能模块协调工作下完成指定任务。 一般地包括动力、传动机构、制动机构、升降机构、操控系统和支承。 划分功能模块后可进行功能模块形式的确定,其过程如下: <1)机构功能模块形态搜索;<2)功能模块形态评价与筛选。 3.1.3方案确定 根据所确定的各个功能模块,确定起升机构的功能原理方案。 通常,功能原理方案包括以下基本内容。 <1)机构原理简图 机构原理简图通常包括的内容有: 1>机构原理图;2>各组成部分的原理图;3)系统之间的相对位置,联接顺序与方式。 <2)机构原理框图 机构原理框图通常包括以下要素: 1>目标机构所包含的所有系统;2>各系统的形态;3>各系统之间的联接顺序与方式。 <3)关键零部件清单 3.2设计计算与选型 起升机构由多个系统组成,零部件较多,故零部件的设计顺序将影响设计周期、设计质量甚至设计的成败。 一般地在具体结构设计之前,应进行设计路径分析,确定设计设计计算顺序,确定计算工作的起点,并确定选型和非选型件。 轮胎式起重机起升机构设计计算的工作起点为钢丝绳。 轮胎式起重机起升机构的选型件一般有10个,分别是: 钢丝绳、钢丝绳臂端接头、钢丝绳卷筒接头、滑轮组、吊钩、卷筒轴承、减速器、联轴器压马达等。 其中,钢丝绳臂端接头、滑轮组和吊钩不在卷扬总图中编号,故在选型计算中不作分析和选择。 轮胎式起重机起升机构的非选型有: 制动器、卷筒、卷筒轴、卷筒轴承座、制动器、马达座、回转台和臂架等8个。 3.2.1钢丝绳 1.钢丝绳类型 钢丝绳有多种类型,起升机构的钢丝绳应满足起升用、多层卷绕、普通环境和自然表面的要求。 2.钢丝绳直径 的计算 方法一 钢丝绳的直径的计算公式为 [Fb]≥Fb=nP×10-3(3-1> (3-2> 式中: [Fb]—产品最小破断拉力,kN; Fb—设计要求最小破断拉力,kN; n—安全系数,取n=4.5; P—钢丝绳最大静荷载,N。 Q——起重量,取Q=25t; a——基本臂倍率; —滑轮效率, =0.95<滑动轴承), =0.98<滚动轴承); —滑轮组效率, 。 方法二 根据钢丝绳的最大工作静拉力计算。 式中 ——选择系数,查表。 3.钢丝绳长度 钢丝绳的长度 由两部分组成: 卷绕长度 和非卷绕长度 。 其表达式如下: L=Lj+Lfj(3-3> 取决于基本卷绳量La和常用卷绳量Lan,取其较大者,即 。 La和Lan分别由下式(3-4>决定。 (3-4> (3-5> 由式<3-6)确定 (3-6> 式中: H—基本臂起升高度; Hmax—最长主臂起升高度; an—常用倍率; θmax—臂架最大仰角; D—卷筒直径,mm,D≥d(hD-1>,卷筒直径系数hD=16; aj—待定倍率,根据Lj的计算结果确定; b—滑轮组安全距离; hH—滑轮直径系数; —臂架全缩长度。 3.2.2钢丝绳用压板 钢丝绳用压板的选择应根据国家规范 3.2.3液压马达 根据起升机构的工作环境、起升力矩和工作速度确定液压马达的主要参数。 同时考虑结构空间、成本、维修和安全等问题。 1.种类确定 柱塞液压马达与叶片或齿轮液压马达比较虽然价格高,但是耐高压、高效率、工作可靠,容易实现变量等优点。 故可选用柱塞液压马达。 2.液压马达排量 所选择液压马达排量必须大于马达计算排量,即 q≥qc(3-7> (3-8> 式中q—马达排量,ml/r; qc—马达计算排量,ml/r。 M—液压马达负载转矩,Nm Δp—马达压力差,MPa;Δp=pB-pl-pb,pB为油泵泄荷压力,pB为系统液压;pl为马达前压力损失 ηmh—马达机械效率。 液压马达负载转矩由式<3-9)确定 (3-9> 式中φ—超载系数,可取φ=1.25。 MDm—卷筒最大静转矩,N·m。 imax—传动比最大值。 ηT—减速器效率,可取ηT=0.94。 ηL—联轴器效率,可取ηL=0.99。 和 分别由式(3-10>和式(3-11>表示。 (3-10> (3-11> 式中Dm—卷筒外层直径,mm; ηD—卷筒效率; [ni]—减速器输入转速界限; nD—卷筒负载转速,r/min; ψ—调速系数。 卷筒外径Dm和卷筒负载转速可分别由式<3-12)和式<3-13)表示 Dm=Dz+(2m-1>d(3-12> (3-13> 式中: m—卷绕层数; VQ—起升速度,取VQ=10m/min; Dz—卷筒速度层直径,mm; 卷绕层数m和卷筒速度层直径Dz分别取决于。 (3-14> (3-15> 式中Z=1+INT(m/2>; D—卷筒直径。 3.2.4减速器选择 根据传递功率、力距、输入速度和传动比确定减速器的主要参数,同时考虑其结构空间和安装维修问题。 减速器的选择工作主要包括类型确定和强度验算。 1.强度选型 减速器的强度选型计算公式为 ≤[P](3-16> <由力矩限制得到)(3-17> 式中: ——修正强度功率,kw; [P]——公称功率,kw; Pσ——强度功率,kw; nT——减速器的临近ni的转速,r/min,查减速器手册可得到; ni——减速器负载输入转速,r/min。 负载输入转速由式<3-18)确定 ni=inD(3-18> (3-19> Mq=0.159qMΔpηmh(3-20> Pσ=MAX{Pm,PS}(3-21> (3-22> (3-23> (3-24> 式中i—减速器传动比。 Mq—液压马达可达转矩,N·m; qM—马达产品铭牌排量,qM=500ml/r; SA—安全系数,取SA=1.5; KA—工况系数,取KA=1.25; Ni—减速器负载输入功率,kw; Pm—正常载荷计算功率,kw; PS—尖峰载荷计算功率,kw; 3.2.5联轴器 联轴器的选择包括类型和型号的确定以及力学验算。 先选定联轴器的类型再根据既定构件与联轴器的接口来确定联轴器的型号,之后,进行力学验算,并给出制图信息。 可选择GⅡCL型鼓形齿式联轴器。 该联轴器承载能力大,工作可靠,补偿性能好。 GⅡCL型鼓形齿式联轴器许用条件为 TC≤K1Tn(3-25> TC=KT(3-26> 式中Tn——公称转矩,Tn=5000N·m; K1——转矩修正系数;由设计手册查得; TC——计算转矩,N·m,按下式计算。 K—工作情况系数,取K=2; T—理论转矩,取T=Mq=1626.57N·m。 3.2.6轴承 可采用类比法确定卷筒半轴轴径。 然后进行验算和寿命计算。 不同类型的轴承,其验算和寿命计算方法不同,下面以调心轴承为例介绍轴承的验算和寿命计算方法。 1.验算 基本额定静载荷要满足 Cor≥SoPo(3-27> Po=Fr+YoFa(3-28> 式中: Cor—径向基本额定静载荷,取Cor=410×103N; So—安全系数,可取So=2.5; Po—当量静载荷,N; Fr—径向静载荷,N; Yo—静轴向载荷系数; Fa—轴向静载荷,N。 并且,Fa=Frsin2°。 2.寿命计算 L10h≥Ti(3-29> (3-30> 式中: Ti—轴承设计寿命; L10h—轴承基本额定寿命<可靠度为90%),h; Cr—基本额定动载荷,取Cr=195×103N; n—轴承转速,r/min;n=[ni]/i; P—当量动载荷,N。 当Fa/Fr≤e, P=fP(Fr+Y1Fa>(3-31> 当Fa/Fr>e, P=fP(0.67Fr+Y2Fa>(3-32 式中: Y1—轴向系数; fP—载荷系数; Y2—轴向系数。 3.2.7制动器 起升机构的制动器为常闭式制动器。 作为非选型件,在设计过程中,首先要进行原理设计,然后进行各个要件的实体设计。 设计中要充分考虑在实现功能的前提下,结构紧凑,工作安全可靠,便于维修,符合国家规范。 1.制动器原理设计 制动器的原理和原理要件见表3-1。 2.制动轮与制动带 <1)制动轮直径。 制动轮直径按下式计算。 (3-33> 式中: MB—制动力矩,N·m; B—制动带宽度,mm; [p]—许用比压,MPa; μ—摩擦系数; α—制动带包角。 制动力矩按下式计算。 MB=βMDm(3-34> 其中安全系数β=1.25。 表3-1制动器简图及原理要件 制动器简图 制动器的原理要件 序号 要件名称 1 制动带 2 制动带紧边支座 3 制动轮 4 操动杠杆 5 杠杆支座 6 上闸弹簧 7 操动推拉杆 8 松闸油缸 <2)制动带厚度。 制动带厚度按下式计算。 (3-35> 式中: S1—制动带紧边拉力,N; i—制动带横截面螺钉数目; dB—螺钉直径; [σ]—许用应力,可取[σ]=140MPa; 制动带紧边拉力计算简图见图2-2,制动带紧边拉力按下式计算。 (3-36> <3)制动带松闸行程。 制动带松闸行程按下式计算。 h=εα(3-37> 式中: ε—制动轮径向间隙,取ε=1.5mm。 3.上闸弹簧 <1)杠杆比。 对于Ⅰ类弹簧通常要求 F2≤0.6Fj(3-38> F1≥0.2Fj(3-39> 式中F2——最大工作载荷<松闸力),N; Fj——极限载荷,N; F1—最小工作载荷<上闸力),N; 综合式(3-38>、(3-39>及 可得 (3-40> 式中: S2—制动带松边拉力,N; i—杠杆比。 根据式<3-40)可得杠杆比估算公式。 (3-41> 制动带松边拉力按下式计算。 (3-42> (2>弹簧圈数。 弹簧圈数按下式计算。 (3-43> 式中fSj—单圈弹簧在Fj作用下的变形量; 4.松闸油缸 (1>油缸内径d。 油缸的计算公式如下。 式中ηm—油缸机械效率,ηm=0.9~0.95; Pmin—最小松闸比压。 (2>缸筒外径D。 根据内径和压力查液压缸设计手册,可得到缸筒外径,再确定螺纹结构.缸筒材料精密无缝钢管。 (3>螺纹长度。 螺纹基本长度Lj可表示为 (3-44> 式中dmin——螺纹小径,mm; Kσ——应力集中系数; [τ0]——许用剪应力,MPa; 3.2.8卷筒 卷筒设计主要包括卷筒类型选择、结构尺寸确定和强度验算。 卷筒的结构和强度计算必须符合起重机设计规范的要求 1.种类选择 应选择多层卷绕卷筒。 由于是非批量生产,采用焊接结构。 2.确定卷筒直径 卷筒最小名义直径D取决于钢丝绳直径。 其确定详见2.7.1钢丝绳选择。 3.卷筒轴径设计 因满足强度要求和要件之间的接口要求。 4.卷筒工作长度Lg 卷筒长度计算由下式确定。 (3-45> 5.卷筒壁厚δ 可按经验公式计算 (3-46> [σc]=0.5σs(3-47> 式中: A1——多层缠绕系数; t——绳槽节距; [σc]——卷筒材料许用应力,MPa; σs——卷筒材料屈服极限,σs=235MPa。 6.卷筒挡板直径Dmax 卷筒挡板直径的计算可根据Dmax=MAX{Dmm,DmB,DF}来确定。 Dmm为挡绳直径;DmB为制动盘直径,mm;DF为绳头相关直径,mm。 Dmm=Dm+5d(3-48> DF≥dD+4A(3-49> 3.3起升机构起制时间验算 设计题目为“80吨轮胎式起重机起升机构设计”。 技术要求见下表。 参数名称 参数代号 参数值 参数名称 参数代号 参数值 起重量(t> Q 80t 臂架最大仰角 θmax 80 起升速度(m/min> VQ 5m/s 液压泵额定工作压力(MPa> pB/MPa 16MPa-32MPa 工作级别 Mj M4 超载系数 Φ 1.2 基本起升高度(m> H 10 臂架全缩长度(m> LO 10 主臂起升高度(m> Hmax 40 滑轮组安全距离(m> b 1.5 基本倍率 a 14 常用倍率 an 10 方案设计 任务分析 起重机的起升机构通常具有如下功能: 起升运动、下降运动和空中停留等基本功能及轻载高速的附加功能。 由于轮胎式起重机经常受到行驶条件的限制,因此起重机吊臂适合采用伸缩式吊臂。 设计时常常将起升机构与整机的行驶动力相统一,因而起升机构采用“液压马达驱动”形式。 起升机构功能模块划分 起升机构划分为升降模块、驱动模块、制动模块、操作控制模块、支承模块和连接模块等部分。 <本方案把动力和传动合并为驱动模块。 ) 升降模块形式 当屏障高度相同时,摆臂升降的臂架长度约为卷绳升降的两倍,导致自重和行驶状态臂架折叠高度的增大。 当采用油缸升降时,油缸全伸长度约为臂架全伸长度的两倍,导致自重增加。 为了满足行驶状态长度要求,油缸伸缩节的数目约为臂架伸缩节数目的两倍,导致油缸结构复杂。 当采用螺杆或齿条升降时,螺杆或齿条的长度与臂架全伸长度相近,导致自重增加。 行使状态下,螺杆或齿条需要折叠收放,导致起重作业的准备时间延长。 综上所述,目标起升机构决定采用卷绳升降方法。 驱动形式确定 本方案把动力和传动合并为驱动模块,液压马达+标准减速器的驱动形式,如图所示。 液压马达+标准减速器的驱动形式 4.1.4制动模块确定 制动位置通常有高速轴制动和低速轴制动两种情况,本机构采用的是盘式制动器,盘式制动器制动力较小,P=M*W功率一定时,转速越大扭距越小.为了保护制动器延长制动器使用寿命采用高速轴制动。 制动模块 调速模块确定 在液压马达驱动的条件下,有多种速度模块,为提高调速性能,目标起升机构采用内燃机油门调速、换向阀节流限速和变量液压马达调速串联的调速模式。 联接模块分析 联接模块如下图所示。 为减少重力、降低成本和使得结构紧凑,联接1采用附加轴联接方式,即采用减速器输出轴作为卷筒支撑的联接形式。 联接2的形态为采用卷筒侧板压绳的联接方式。 联接3的形态为采用钢丝绳通过动滑轮与吊具相连的联接方式。 联接模块 支承 模块确定 支撑模块如图所示。 支承1是指液压马达的支承,支承1采用焊接支架,与回转台螺栓连接。 支承2是指减速器的支承,减速器与回转台用螺栓连接。 支承3的形态确定为采用调心滚子轴承,轴承座与回转台为螺栓连接。 支承4是指钢丝绳的支承,支承4采用滚动轴承式导向滑轮,装在臂架上。 支承5的形态确定为采用单钩式吊钩。 支撑模块 4.1.8轮胎式起重机起升机构方案 综合以上分析,得到起升机构原理框图、工作原理图和液压系统工作原理简图。 关键零部件见表。 起升机构的原理框图 起升机构关键零部件 序号 名称 功能简述 结构形式 1 吊钩 承载重物 单钩式 2 滑轮组 承载吊钩;减少钢丝绳拉力 滚动轴承 3 导向滑轮 承载钢丝绳,并为其导向 滚动轴承 4 钢丝绳 联接动滑轮,定滑轮和卷筒;承载动滑轮组 5 钢丝绳臂端接头 承载钢丝绳 6 钢丝绳卷筒接头 承载钢丝绳 卷筒侧板压绳 7 卷筒 承载钢丝绳卷筒接头和钢丝绳;绕放钢丝绳 8 卷筒轴 承载卷筒 9 卷筒轴承 承载卷筒轴 调心滚子轴承 10 卷筒轴承座 承载卷筒轴承 焊件 11 卷筒制动器 抵抗卷筒转矩 带式制动器 12 制动器座 承载制动带拉力 焊件 13 减速器 减少卷筒转矩 标准产品 14 联轴器 联接减速器和液压马达,承载液压马达转矩 齿式 15 液压马达 提供起升机构原动力 变量 16 马达座 承载液压马达 焊件 17 回转台 承载马达座,减速器,卷筒轴承座和制动器座 18 臂架 承载导向滑轮,定滑轮组和钢丝绳臂端接头 关键选型件的确定 1钢丝绳 1.钢丝绳类型 钢丝绳用于起升重物,并且多层卷绕的钢丝绳,故选6×19W+IWR钢丝绳;普通环境,选自然表面,故采用NAT;频繁卷绕,钢丝强度级别选1570Mpa;防止钢丝绳扭转,选交互捻: ZS。 2.钢丝绳直径D的计算 钢丝绳的直径的计算公式为 (1> (2> (3> 已知参数: 滑轮效率ηw=0.98,倍率a=14,起重量Q=80t,安全系数n=4.5。 根据已知参数和式<1)~式<3),得到计算结果如表4-5所示。 表5钢丝绳直径d的确定过程 参数 计算结果 说明 参数 计算结果 说明 ηB 0.8799 Fb(N> 292.2408×103 P(N> 64.9424×103 d(mm> 24 查设计手册 1.钢丝绳长度 钢丝绳的长度 由两部分组成: 卷绕长度 和非卷绕长度 。 (4> 取决于基本卷绳量La和常用卷绳量Lan,取其较大者,即 。 La和Lan分别由下式决定。 (5> (6> 取H=10m;Hmax=40m;an=1
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