牽引絞車及其控制系統(tǒng)設(shè)計（可編輯）

1、牽引絞車及其控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 絞車,是用卷筒纏繞鋼絲繩以提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備。本設(shè)計以零件疲勞理論和線性累積損傷假說為理論基礎(chǔ),運用靜力學(xué)的普遍原理,分析和解決了絞車運動過程中的一些受力和運動問題,力求最優(yōu)化和最可靠設(shè)計絞車減速器和卷筒。在最普遍絞車傳動方式和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,運用位置傳感和水位傳感技術(shù),采用plc控制,實現(xiàn)了牽引絞車根據(jù)水位提升和下放泵房的自動控制和手動控制。 本文主要介紹了絞車的發(fā)展歷史,用途,組成及工作原理;牽引絞車的工作特點;設(shè)計的一般步驟;使用中存在的問題及改進措施。在本次牽引絞車的設(shè)計過程中,著重對減速器、卷筒進行了分析和設(shè)計。對重要的部件進行了受力分析、

2、強度的校核,根據(jù)其常見失效形式、影響因素及基本設(shè)計要求,給出了重要部件的受力分析、強度和剛度的設(shè)計方法。關(guān)鍵詞:牽引絞車; 減速器; plc; 自動控制abstract the winch, is promotes or the hauling heavy item light small hoisting equipment with the reel winding steel wire. this design take the components fatigue theory and the linearity cumulative damage hypothesis as the

3、rationale, the utilization statics general principle, analyzed and has solved in winch rate process some stress and the movement question, made every effort the optimization and the most reliable design winch reduction gear and the reel. in the most universal winch type of drive and in the structure

4、 foundation, utilizes the position sensing and the water level sensing technology, uses the plc control, realized the traction winch to promote and to release the pump house according to the water level the automatic control and the hand control this article mainly introduced winchs historical devel

5、opment, the use, the composition and the principle of work; traction winchs operating feature; design general step; in the use exists question and corrective measure. in this traction winchs design process, to the reduction gear, the reel has carried on the analysis and the design emphatically. has

6、carried on the stress analysis, the intensity examination to the important part, according to its common failure mode, the influencing factor and the basic design request, has given the important parts stress analysis, the intensity and the rigidity design method. keywords:traction winch;reduction g

7、ear; plc;automatic control目 錄1 概述.11.1絞車的應(yīng)用11.2絞車的發(fā)展概況.11.3國外絞車概況.21.4絞車發(fā)展趨勢.42 絞車的計算基礎(chǔ).52.1絞車工作級別劃分的理論基礎(chǔ).52.2絞車的工作級別與類別.62.2.1利用等級.62.2.2載荷狀態(tài).72.2.3絞車工作級別的劃分.82.3絞車計算載荷.92.3.1額定拉力.92.3.2當量拉力.92.3.3靜強度計算拉力.92.3.4動載系數(shù).102.3.5試驗拉力.102.3.6許用應(yīng)力和安全系數(shù).102.3.7零件強度的可靠性計算安全系數(shù)和許用應(yīng)力.133 鋼絲繩的選擇.173.1概述.173.1.1安

8、全系數(shù)法.173.1.2選擇系數(shù)法.183.2鋼絲繩選擇.183.3鋼絲繩在卷筒上的固定.193.3.1鋼絲繩在卷筒上的固定方式.193.3.2鋼絲繩固定端承載能力驗算.193.3.3鋼絲繩的出繩方向及其偏角.204 卷筒設(shè)計計算.214.1卷筒結(jié)構(gòu).214.2卷筒容繩尺寸參數(shù)計算.224.2.1卷筒節(jié)徑.224.2.2卷筒邊緣直徑.224.2.3卷筒容繩寬度.224.2.4卷筒筒殼厚度.234.2.5卷筒端側(cè)板厚度.234.3卷筒的受力分析.234.3.1鋼絲繩拉力與卷筒支撐處反力.244.3.2由鋼絲繩拉力產(chǎn)生在筒壁上的轉(zhuǎn)矩.244.3.3卷筒筒壁的徑向壓力.244.3.4鋼絲繩對端側(cè)板產(chǎn)

9、生的軸向推力.255 減速器的設(shè)計計算.265.1傳動方式的擬定.265.2電動機的選型設(shè)計.275.3總傳動比及傳動比分配.285.3.1總傳動比.285.3.2傳動比分配.285.4傳動裝置運動參數(shù)計算.295.4.1各軸轉(zhuǎn)速計算.295.4.2各軸功率計算.295.4.3各軸扭矩計算.305.5齒輪參數(shù)計算.315.5.1開式齒輪齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算.315.5.2開式齒輪齒根彎曲疲勞強度校核計算.335.5.3齒輪其他主要參數(shù).345.6軸的設(shè)計計算.355.6.1軸的材料選擇.355.6.2軸的設(shè)計計算.355.7滾動軸承的選擇及校核計算.455.7.1軸承的類型選擇.455.7

10、.2滾動軸承常見的失效形式及計算準則.455.7.3滾動軸承的校核計算.465.8鍵連接的校核計算.485.9聯(lián)接螺栓的校核計算.505.9.2螺栓剪切強度校核.505.10減速器的潤滑和密封.505.10.1減速器的潤滑.505.10.2減速器的密封.515.11減速器箱體及附件的選型設(shè)計.515.11.1減速器箱體的設(shè)計.515.11.2減速器附件的選型設(shè)計.516 聯(lián)軸器與制動器的選型設(shè)計.546.1聯(lián)軸器的選型設(shè)計.546.2制動器的選型設(shè)計.556.2.1制動器的選型計算.567 牽引絞車控制系統(tǒng)的設(shè)計.577.1牽引絞車降壓起動.577.2絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器.577.2.1絕對式旋轉(zhuǎn)

11、編碼器的工作原理.577.2.2絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的特點與應(yīng)用.587.2.3絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的選型.597.2.4絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器的機械安裝使用.607.2.5編碼器脈沖轉(zhuǎn)換.617.3水位傳感器的選型.617.4可編程控制器控制系統(tǒng).627.4.1plc的主要功能.627.4.2plc的特點.627.4.3被控絞車的工作情況.637.4.4plc選型.647.4.5plc控制系統(tǒng)圖.657.4.6i/o接線及i/o分配.657.4.7plc自動控制程序設(shè)計.667.5提高plc控制系統(tǒng)可靠性的措施.707.5.1plc安裝的環(huán)境條件.707.5.2plc的抗干擾措施.70設(shè)計總結(jié).73參考文

12、獻.74翻譯部分.75英文原文.75中文譯文.80致 謝.851 概述1.1絞車的應(yīng)用 絞車,用卷筒纏繞鋼絲繩或鏈條以提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備,也可稱為卷揚機。絞車可以單獨使用,也可作為起重、筑路和礦井提升等機械中的組成部件,因具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、搬運安裝靈活,維護保養(yǎng)簡單、繞繩量大、價格低廉和可靠性高的有點而廣泛應(yīng)用于物料提升、水平或傾斜拽引重物、打樁、集材、冷拉鋼筋、設(shè)備安裝等工作中。 絞車除在建筑工地、設(shè)備安裝等方面被廣泛應(yīng)用外,在冶金、礦山、水電、農(nóng)業(yè)、軍事、化工及交通運輸?shù)刃袠I(yè)中亦廣泛應(yīng)用,如高爐料鐘和物料的提升,礦井的物料提升,水平、傾斜牽引運輸,礦車調(diào)度、回柱,船舶上錨

13、鏈的提升等。1.2絞車的發(fā)展概況 現(xiàn)在礦山所用絞車都是由建筑卷揚機發(fā)展而來的,所以我們有必要先談?wù)劷ㄖ頁P機的發(fā)展,從而了解整個礦用絞車的發(fā)展歷程。 我國在很久以前的古代,就知道采用轆轤等來提升重物,以減輕體力勞動的強度和提高工作效率。但由于舊中國的工業(yè)落后,勞動力便宜,所以在物料的提升和搬運過程中大都是靠工人的肩挑背扛,而絞車只有在一些大型企業(yè)中才被使用,應(yīng)用很少,而且所適用的絞車也均為國外生產(chǎn),國內(nèi)基本沒有生產(chǎn)絞車的廠家。 我國的絞車生產(chǎn)是解放后才開始的,已有近60年的歷史。50年代為滿足恢復(fù)經(jīng)濟的需要和第一個五年計劃的需要,絞車的生產(chǎn)被提到了日程上。原沈陽國泰機器廠(阜新礦山機械廠前身)

14、等成批仿制了兩種絞車,一種為日本的jis8001型動力絞車,它是一種原動機為電動機,傳動形式是開式圓柱齒輪傳動,雙錐體摩擦離合器,操作為手扳腳踩的快速絞車;另一種是按蘇聯(lián)圖紙制造的1011型和1012型普通蝸桿傳動、電控慢速絞車。 隨著生產(chǎn)的發(fā)展,到了60年代,絞車的生產(chǎn)和使用越來越多。為了協(xié)調(diào)生產(chǎn),主要絞車生產(chǎn)廠家(阜新礦山機械廠、天津卷揚機廠、山西機器廠、寶雞起重運輸機廠等)組成了卷揚機行業(yè)組織,隸屬于第一機械工業(yè)部礦山機械行業(yè)下。為了發(fā)展絞車的生產(chǎn),行業(yè)組織了相關(guān)廠家的人員對全國絞車的生產(chǎn)和應(yīng)用情況進行了調(diào)查。在調(diào)查的基礎(chǔ)上,開始自行設(shè)計和制造新的卷揚機,先后試制了0.5t、1t、3t電

15、動卷揚機,但由于對當時各廠家的生產(chǎn)能力估計不足,無法推廣。 從70年代起,我國絞車的生產(chǎn)進入了技術(shù)提高、品種增多、定性生產(chǎn)的新階段。在各廠自行設(shè)計和生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,1973年,由卷揚機行業(yè)組織了有關(guān)廠家和院校聯(lián)合進行了絞車基型設(shè)計,并充分考慮到了當時中小廠家的生產(chǎn)能力?？焖俳g車的基型采用半開半閉式齒輪傳動,離合器采用單錐面石棉橡膠摩擦帶結(jié)構(gòu),操縱用手扳剎車帶制動。慢速絞車的基型為閉式傳動(圓柱齒輪傳動或蝸桿傳動減速器)、電磁鐵制動結(jié)構(gòu)。這兩種基型一直到今天還在生產(chǎn)。為了適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要,當時第一機械工業(yè)部發(fā)布了jb926-74建筑卷揚機形式與基本參數(shù)和jb1803-76建筑卷揚機技術(shù)條件兩個部

16、標準,并把卷揚機行業(yè)劃歸常德建筑機械研究所(長沙建筑機械研究院前身)領(lǐng)導(dǎo)。隨著部標準的頒布,使絞車有了大發(fā)展的基礎(chǔ)。為了滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要,各廠家相繼生產(chǎn)了20t和32t絞車。 從70年代末開始,我國實行了改革開放政策,國民經(jīng)濟大發(fā)展,作為國民經(jīng)濟的動力,煤炭產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和機械化的要求日益強烈,許多產(chǎn)品逗進行了防爆改造,從而進入到煤礦井下,其中絞車是最成功的一種產(chǎn)品,jd系列的調(diào)度絞車和jh系列的回柱絞車至今還在大量的生產(chǎn),是礦山井下,運輸調(diào)度不可替代的機械設(shè)備。但這種設(shè)備的自動化的程度不高,無法實現(xiàn)無人值守的自動操作,往往由于絞車操作工的操作失誤或精神不集中造成安全生產(chǎn)事故。 礦山絞車的發(fā)展是

17、伴隨著煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展,九十年代中后期,是我國煤炭生產(chǎn)的一個低潮,礦用絞車的發(fā)展十分緩慢,沒有什么新的結(jié)構(gòu),產(chǎn)品出現(xiàn)。但是,2000年以后,國際油價居高不下,煤炭再一次被人們所重視,煤炭價格一路上漲,絞車等一系列的礦山機電產(chǎn)品需求量劇增,促進了絞車的發(fā)展,這一時期絞車品種增加,自動化水平增加,新結(jié)構(gòu)、新功能不斷出現(xiàn),但是仍然具有一定的技術(shù)瓶頸,即自動控制設(shè)備的防爆問題?，F(xiàn)在,變頻調(diào)速技術(shù)和plc控制技術(shù)十分的成熟,但是,也只是在礦井的主井和副井的提升系統(tǒng)中得到了最廣泛的最成熟的應(yīng)用。然而,自動化和數(shù)字化是礦井發(fā)展的必然趨勢,為了實現(xiàn)這一目的,礦山設(shè)備的自動化和數(shù)字化是實現(xiàn)這一目的的基礎(chǔ)。 本設(shè)計也

18、力求用最成熟的plc控制技術(shù),實現(xiàn)礦井水倉的無人值守,達到牽引絞車能夠根據(jù)水位自動提升和下降泵房的目的,探索一條能夠?qū)崿F(xiàn)絞車自動化控制的路徑。1.3國外絞車概況 在國外,絞車的品種繁多,應(yīng)用也很廣泛。在西方技術(shù)先進的國家中,鉆機制造商德國wirth公司、bentec公司以及美國varco公司擁有先進的絞車控制技術(shù)、電動機四象限傳動技術(shù)以及電子自動 司鉆控制技術(shù)。這些絞車控制系統(tǒng)能根據(jù)鉆壓、機械鉆速、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和扭矩等參數(shù)控制鉆井鋼絲繩的連續(xù)遞送以保持穩(wěn)定的鉆井狀態(tài), 進而大大提高鉆井效率。下面簡單介紹三款國外絞車及其控制。一、德國wirth公司齒輪傳動絞車 德國wirth公司新一代齒輪傳動絞車采

19、用四象限控制技術(shù),配有2臺或3臺直流或交流電動機,能平穩(wěn)地減速和停止下降或上升的載荷,在不超過設(shè)備使用限制的情況下,直流和交流電動機都能運用再生制動技術(shù),制動能量大部分回饋給電網(wǎng)。絞車控制系統(tǒng)通過控制電動機四象限傳動,使能量在一個起下鉆作業(yè)中按4個不同傳動階段分配。 絞車的控制系統(tǒng)是通過一個3060kw的交流電動機來實現(xiàn)其它的輔助驅(qū)動。在鉆井過程中,自動化司鉆控制電動機實現(xiàn)恒鉆壓自動送鉆,保持設(shè)定的參數(shù),使鉆井工具的壽命得以大大增長。另外,在主電動機失效時,還可做為應(yīng)急裝置,將井中鉆具提起。 絞車控制系統(tǒng)還包括一套智能防碰系統(tǒng)acs,用來優(yōu)化游車上下運行過程中的安全和效率,它監(jiān)控絞車獨立的3個

20、剎車系統(tǒng)。系統(tǒng)提供了整個提升系統(tǒng)動能的參數(shù)分析,并考慮了包括系統(tǒng)制動能力、鉤載、游車的速度和位置等參數(shù),在位于司鉆控制室的acs系統(tǒng)終端設(shè)定系統(tǒng)的上、下限位。 兩個plc上獨立計算大鉤的位置、速度和制動距離。根據(jù)控制系統(tǒng)的運算法則,并考慮到系統(tǒng)的動能和絞車的剎車系統(tǒng)能力,兩個plc能獨立啟用再生制動、渦流剎車或盤式剎車。大鉤位置、載荷和所需要的制動距離等參數(shù)持續(xù)地由兩個微處理器檢測和比較,任何差異都認為是acs系統(tǒng)失效。電動機再生制動、渦流剎車和盤剎緊急制動將被激活,使載荷制動停止。bentec公司絞車 德國bentec公司已成功地將四象限傳動用于其鏈傳動鉆機上, 將電動機用于剎車,并將能量回

21、饋。盤式剎車只用于駐車或緊急制動。絞車遙控操作,游車可以準確定位。自動送鉆速度從10 m/ h到150 m/ h 。三、美國varco公司單軸絞車 美國varco公司最新一代單軸ads ?10絞車,充分利用了交流變頻的控制技術(shù), 可不使用摩擦離合器而使用電動機再生制動來保持負荷。高性能可精確控制的空氣冷卻和水冷卻伊頓 eaton 組合盤式剎車可實現(xiàn)自動送鉆,并且使該絞車唯一的剎車?空氣冷卻模塊用于緊急制動和負載的靜態(tài)控制, 而水冷卻模塊用于鉆井鋼絲繩的均勻遞送、游車運行、鉆壓以及其它鉆井參數(shù)的動態(tài)控制。1.4絞車發(fā)展趨勢1.大型化 由于基礎(chǔ)工業(yè)大發(fā)展,大型設(shè)備和建筑構(gòu)件要求整體安裝,促進了大型

22、絞車的發(fā)展。2.采用先進電子技術(shù) 為了實現(xiàn)絞車的自動控制和遙控,廣泛采用先進的電子技術(shù),傳感器技術(shù),可編程控制技術(shù)。3.發(fā)展手提式絞車 為了提高機械化程度,減輕工人的勞動強度,大力發(fā)展小型手提式絞車,如以汽車蓄電池為動力的直流電動小型絞車。4.大力發(fā)展不帶動力源裝置的絞車 此種絞車借助汽車和拖拉機動力,結(jié)構(gòu)簡單,有一個卷筒和一個減速器即可。2 絞車的計算基礎(chǔ)2.1絞車工作級別劃分的理論基礎(chǔ) 絞車工作級別的理論基礎(chǔ)是零件疲勞理論和邁內(nèi)爾的線性累積損傷假說。我們知道,金屬材料或零部件在變應(yīng)力作用下,近似應(yīng)力-循環(huán)次數(shù)的試驗曲線(曲線),如圖2.1所示。由圖2.1可知,2.1 2.2按邁內(nèi)爾理論,零

23、件損傷可按下式計算 2.3當時,零件損壞。設(shè)為,中的最大值,則公式2.3可改寫為 2.4令應(yīng)力循環(huán)系數(shù) 2.5則 2.6如果保持,不變,并以,代替,以及以代替,同時公式2.6中的和均保持不變,則上式載荷具有相同的應(yīng)力循環(huán)系數(shù),因此公式2.3可改寫為2.7如果足夠大,則可達到,零件隨即損壞。稱時的為臨界應(yīng)力,并以表示,則有 2.8 公式中的與材料、零件特性、應(yīng)力類型及等因素有關(guān),這些因素決定了和值,此外還和總循環(huán)次數(shù)和應(yīng)力循環(huán)系數(shù)有關(guān)。 公式2.8為臨界狀態(tài),它是劃分工作級別的基礎(chǔ)表達式。2.2絞車的工作級別與類別 絞車根據(jù)載荷狀態(tài)和利用等級分為a1a8八個工作級別。其目的就是為了合理地設(shè)計,制

24、造和使用絞車,提高零部件的三化水平,取得滿意的技術(shù)經(jīng)濟效果。2.2.1利用等級利用等級是表示絞車使用的頻繁程度,以其在設(shè)計壽命期內(nèi)應(yīng)完成的總工作循環(huán)次數(shù)表征。而一個工作循環(huán)是指從一個載荷準備提拉時開始到下一個載荷準備提拉時為止的全過程。絞車的壽命一般不少于5年,在這個期間內(nèi)依據(jù)工作頻繁程度的不同,總工作循環(huán)數(shù)可分為8個利用等級,見表2.1表2.1絞車利用等級利用等級總的工作循環(huán)次數(shù)說明u0u1u2u3不經(jīng)常使用u4經(jīng)常輕閑使用u5經(jīng)常中等使用u6有時繁忙使用u7繁忙使用2.2.2載荷狀態(tài) 載荷狀態(tài)表示絞車鋼絲繩受拉力作用的輕重與頻繁程度,它與整個使用壽命期限內(nèi)鋼絲繩每次承受的拉力與額定拉力之比

25、()和鋼絲繩每次承受拉力作用下的工作循環(huán)次數(shù)和總工作循環(huán)次數(shù)之比()有關(guān)。表達這種關(guān)系的圖形稱為載荷譜,見圖2.2. 載荷譜系數(shù)可用下式計算 2.9式中 ?載荷譜系數(shù); ?鋼絲繩承受的第個拉力,(); ?鋼絲繩承受的額定拉力(); ?在鋼絲繩拉力作用下的工作循環(huán)次數(shù),; ?總的工作循環(huán)次數(shù),; ?由應(yīng)力換算成載荷的耐久曲線指數(shù),此處取。絞車的載荷狀態(tài)可根據(jù)鋼絲繩承受的拉力(載荷)大小和頻繁程度,按名義載荷譜系數(shù)分為四級,見表2.2。表2.2載荷狀態(tài)載荷狀態(tài)名義載荷譜系數(shù)當量拉力系數(shù)說明q1輕0.125 通常承受1/3的額定拉力,很少承受額定拉力時使用q2中0.25 通常承受(1/32/3)的額

26、定拉力,有時承受額定拉力時使用q3重0.5通常承受2/3以上額定拉力時使用,較多承受額定拉力時使用q4特重1.0 頻繁地承受額定拉力或者魚額定拉力相近時使用在表2.2說明欄中的內(nèi)容選擇一個適合的載荷譜系數(shù)確定載荷狀態(tài)。如果鋼絲繩的在拉力作用下的時間為,可以得出當量拉力系數(shù),按以下公式計算 2.10式中 ?當量拉力系數(shù); ?作用下的時間;,根據(jù)載荷譜系數(shù)的分級可以得出相應(yīng)的當量拉力系數(shù)。2.2.3絞車工作級別的劃分按利用等級和載荷狀態(tài)的不同,可將絞車分為a1a8八個工作級別,見表2.3。表2.3絞車工作級別每日平均使用時間h0.250.250.50.5112244881616使用壽命期限內(nèi)的總使

27、用時間h40040080080016001600320032006400640012500125002500025000利用等級u0u1u2u3u4u5u6u7載荷q1輕a1a2a3a4a5a6a7q2中a1a2a3a4a5a6a7a8狀態(tài)q3重a2a3a4a5a6a7a8q4特重a3a4a5a6a7a8 絞車按工作級別和用途可分為四種類型,見表2.4。表2.4絞車分類類別工作級別說明舉例a1a4不經(jīng)常使用,輕或中等載荷狀態(tài)的快速和慢速絞車工程安裝a3a5經(jīng)常中等使用,中等載荷狀態(tài)的快速絞車垂直或傾斜吊運,水平拽引,牽引a4a6有時經(jīng)常頻繁使用,中等載荷狀態(tài)的快速絞車與井字架、人字架和桅桿等配

28、合使用垂直吊運a6a8經(jīng)常頻繁使用,重級載荷狀態(tài)的快速和慢速絞車斜坡拽引、牽引、冷拉鋼筋、沖抓、拉樁2.3絞車計算載荷2.3.1額定拉力 絞車鋼絲繩的額定拉力規(guī)定為作用在基準層(在規(guī)定的拉力下,鋼絲繩在卷筒上順序緊密排列時,恰為1/2容繩量處所在的纏繞層),方向為沿鋼絲繩出繩方向的拉力。鋼絲繩出繩方向偏角:對于自然排繩,;對于排繩器排繩,。2.3.2當量拉力這是用來計算絞車零件疲勞、磨損和發(fā)熱的一種拉力,也稱壽命計算拉力,它所考慮的工況是絞車在正常工作情況下鋼絲繩的拉力,可按公式2.11計算 2.11當絞車的實際載荷狀態(tài)為已知時,應(yīng)按公式2.9和公式2.10計算實際載荷譜系數(shù)和當量拉力系數(shù)。當

29、無法確定實際載荷狀態(tài)時,可根據(jù)用途或與用戶協(xié)商按表2.2選取合適值。2.3.3靜強度計算拉力經(jīng)強度計算拉力是考慮絞車正常工作時可能出現(xiàn)的最大拉力,此時零件的強度不得超過材料的許用應(yīng)力。 (2.12)式中 ?動載系數(shù)。2.3.4動載系數(shù) 當絞車啟動或制動時,載荷將對絞車承載結(jié)構(gòu)和傳動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加動載作用,鋼絲繩速度越大,啟動或制動時間越短,沖擊也就越大,值也就越大,值可按表2.5選取。 表2.5 動載系數(shù) 1.001.10 1.20 1.05+0.4(-0.2) 1.35 1.10+0.6(-0.2) 1.90注:?電動機啟動完成時或制動開始時載荷的速度,即鋼絲繩的速度當較大,以至按表中公式計算

30、出的值大于1.90時,應(yīng)在控制方面采取措施,使載荷的加速度不致太大,且去2.3.5試驗拉力 當絞車的強度用試驗拉力計算時,取下面兩種情況的最大值: (一)靜載試驗拉力 靜載試驗拉力為鋼絲繩額定拉力的1.25倍,即 (2.13) (二)動載試驗拉力 動載試驗拉力為鋼絲繩額定拉力的1.10倍,即 (2.14) 若用動載拉力進行強度校核時,應(yīng)考慮動載系數(shù)。2.3.6許用應(yīng)力和安全系數(shù)絞車的壽命計算可保證絞車在規(guī)定的使用期限內(nèi),零件不失效或者有局部失效(如齒輪傳動的齒面有部分點蝕)但不影響使用。絞車的靜強度計算可保證絞車零件在最大拉力作用下不失效,即零件最大應(yīng)力應(yīng)小于材料的屈服極限,并有足夠的安全裕量

31、。在具體的零件強度計算中沒有給出許用應(yīng)力和安全系數(shù)時,應(yīng)按本節(jié)介紹的許用應(yīng)力和安全系數(shù)選取。靜強度計算的許用應(yīng)力與安全系數(shù)靜強度計算公式為 (2.15)式中 ?塑性材料的許用應(yīng)力(); ?塑性材料的屈服極限(); ?零件危險斷面的最大計算應(yīng)力或復(fù)合應(yīng)力(); ?安全系數(shù)。對于塑性較好的材料,用材料的屈服極限作為零件的屈服點。當材料的屈服極限與抗拉強度之比大雨0.7時,為了減小偶人超過材料屈服極限而引起的脆性斷裂的危險,我們規(guī)定按下面公式計算的屈服點作為零件的假想抗拉屈服極限。(2.16) (2.17) 式中 ?零件假想抗拉屈服強度(); ?塑性材料的抗拉強度(); ?零件假想抗剪屈服強度()。

32、安全系數(shù),見表2.6。表2.6安全系數(shù)的規(guī)定值條件疲勞強度和壽命計算拉力靜強度計算靜強度計算拉力試驗拉力1.251.501.15(二)疲勞強度計算的許用應(yīng)力與安全系數(shù)1.材料的疲勞曲線及疲勞極限 在任一給定的循環(huán)特性的條件下,以應(yīng)力為縱坐標,以應(yīng)力循環(huán)數(shù)為橫坐標,可繪出圖2.3所示的曲線。 對數(shù)坐標上的曲線由兩段直線組成,一段是斜直線,另一段是水平直線。兩直線的交點的橫坐標為,稱為循環(huán)基數(shù)。對一般結(jié)構(gòu)鋼,硬度350hbs時,;硬度350hbs時,。水平直線段的縱坐標,稱為疲勞極限。當時,疲勞極限用表示;當時,疲勞極限用表示。常用的疲勞極限見表2.7所示。 表2.7 常用材料疲勞極限材料變形形式

33、對稱循環(huán)疲勞強度脈動循環(huán)疲勞強度結(jié)構(gòu)鋼彎曲拉伸扭轉(zhuǎn)鑄鐵彎曲拉伸扭轉(zhuǎn)青銅彎曲?注:?屈服強度;?抗拉強度;?拉伸注腳。由疲勞試驗得知,疲勞曲線ab段程下面函數(shù)關(guān)系,即 (2.18)式中 ?材料常數(shù); ?材料常數(shù)。當時,可得(2.19)由公式2.19可得 (2.20)式中 ?壽命系數(shù); ?材料常數(shù),此處取; ?材料有限期內(nèi)疲勞強度(); ?材料長期的疲勞強度(); ?與相對應(yīng)的基本循環(huán)次數(shù); ?零件在有限使用期內(nèi)盈利循環(huán)次數(shù)?？砂聪率接嬎?(2.21)式中 ?零件在使用期內(nèi),應(yīng)力循環(huán)的總次數(shù),可按公式2.22計算; ?系數(shù),零件在使用期限內(nèi),等于的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)與循環(huán)總次數(shù)之比;, 的數(shù)值應(yīng)根據(jù)所計

34、算零件的載荷特性和材料特性來決定,如果缺乏有關(guān)數(shù) 據(jù),可近似地取。計算公式如下 (2.22)式中 ?電動機額定轉(zhuǎn)數(shù)(); ?零件妹一轉(zhuǎn)經(jīng)受的應(yīng)力循環(huán)次數(shù); ?電動機到計算零件間的傳動比; ?絞車的設(shè)計壽命()。材料的疲勞極限由試驗或計算來決定,在這個應(yīng)力下有90%零件不失效,其值大小取決于盈利循環(huán)特性、材料質(zhì)量、零件形狀、零件尺寸和零件的表面質(zhì)量等。2.疲勞強度計算的許用應(yīng)力 疲勞強度計算公式為(2.23)式中 ?零件危險截面的疲勞計算應(yīng)力或復(fù)合應(yīng)力(); ?材料在有限期內(nèi)的疲勞許用應(yīng)力(); ?安全系數(shù),見表2.6。2.3.7零件強度的可靠性計算安全系數(shù)和許用應(yīng)力常規(guī)的疲勞強度計算,咩有將載

35、荷、材料的疲勞性能、零件的尺寸等數(shù)據(jù)作為有分散性隨即統(tǒng)計量來處理,而是用安全系數(shù)來考慮數(shù)據(jù)的分散性和其他不確定性因素,并且此安全系數(shù)主要憑設(shè)計者的經(jīng)驗來確定,所以使機械零件有可能偏于危險,也有可能偏于保守。因此可以說,不同的設(shè)計人員答案可能很多,不易確定哪些設(shè)計是最佳的。而疲勞強度的可靠性設(shè)計,由于考慮了工作應(yīng)力和強度數(shù)據(jù)的分散性,就能將零件在規(guī)定壽命運行過程中破壞概率,限制在某一給定的很小值下,使零件的質(zhì)量做到恰到好處的減小。對于承受載荷變化不大的零件,可以用靜強度可靠性設(shè)計來處理。(一)靜強度的可靠性設(shè)計在靜強度的可靠性設(shè)計中,假設(shè)載荷、零件的尺寸和材料的力學(xué)性能等參數(shù)都是統(tǒng)計量并且呈正態(tài)

36、分布。當可靠度已經(jīng)給定,載荷及材料強度的分布一直,就可以計算出所需的尺寸。當應(yīng)力和強度都是正態(tài)分布,其密度函數(shù)分別為 (2.24)2.25式中 、分別為應(yīng)力和強度的均值; 、分別為應(yīng)力和強度的標準離差。由于可靠度是指強度超過應(yīng)力(即)的概率。令,則可靠度為的概率。以表示及之差的概率密度函數(shù),因為及都是正態(tài)分布,即 2.26式中;為正值的概率,給出了可靠度為2.27令則當時,;當時,。公式2.27可化為標準正態(tài)分布函數(shù) 2.28由于標準正態(tài)分布函數(shù)的對稱性,上式可寫成2.29式中的積分極限 2.30公式2.30稱為可靠度系數(shù)。式中 ?強度均值; ?應(yīng)力均值; ?強度標準離差; ?應(yīng)力標準離差。當

37、可靠度系數(shù)給出時,可求出可靠度;當可靠度給定時,可求出可靠度系數(shù)。如果以強度極限作為強度判據(jù)的基準,假設(shè)強度極限也是正態(tài)分布的隨機變量(,),工作應(yīng)力也是正態(tài)分布的隨機變量(,),公式2.30可改寫成 2.31公式2.31可直接用來計算零件尺寸。(二)疲勞強度的可靠性設(shè)計當為常數(shù)時的疲勞強度可靠性設(shè)計與靜強度可靠性設(shè)計原理一樣,所不同的是,首先要得出危險點及該點在為給定值下的疲勞極限分布。零件的疲勞極限是從材料的疲勞極限考慮諸影響因素而求得的,即用下面公式 2.32式中 ?尺寸系數(shù)分布; ?表面加工系數(shù)分布; ?有效應(yīng)力集中系數(shù)分布; ?材料極限分布。(三)可靠性計算安全系數(shù)與許用應(yīng)力引入變異

38、系數(shù)概念,設(shè)為材料極限應(yīng)力的變異系數(shù),為零件應(yīng)力的變異系數(shù),根據(jù)變異系數(shù)定義,由公式2.30推導(dǎo)得可靠性安全系數(shù)公式為 2.33許用應(yīng)力公式為2.343 鋼絲繩的選擇3.1概述 絞車通過鋼絲繩升降、拽引重物。工作時鋼絲繩多層纏繞所受應(yīng)力十分復(fù)雜,加之對外界影響因素比較敏感,一旦失效,后果十分嚴重。因此應(yīng)特別重視鋼絲繩的合理選擇和實用。 鋼絲繩鋼絲繩直徑(以下簡稱繩徑)的選取,是絞車設(shè)計的第一步。直徑的選擇直接影響卷筒的直徑及相關(guān)尺寸的確定,還關(guān)系到絞車能否正常的運行。在以往起重類,絞車書目及絞車設(shè)計規(guī)范中,繩徑的選擇有兩種方法,這兩種方法是: 安全系數(shù)法(3.1) 選擇系數(shù)法(3.2)式中 ?

39、整條鋼絲繩的破斷拉力();?絞車工作級別規(guī)定的最小安全系數(shù);?選定鋼絲繩的安全系數(shù);?鋼絲繩的額定拉力();?鋼絲繩最小直徑(); ?鋼絲繩選擇系數(shù),它由機構(gòu)的工作級別、鋼絲繩是否旋轉(zhuǎn)以及吊運物品的性質(zhì)等因素有關(guān); ?鋼絲繩最大工作拉力()。由起升載荷(額定起重量,鋼絲繩懸掛部分的重量,滑輪組及其他吊具的重量)并考慮滑輪組效率和倍率還確定。3.1.1安全系數(shù)法 該方法是一種靜力計算方法,間接選擇繩徑。設(shè)計時,鋼絲繩的額定拉力為已知,將額定拉力乘以規(guī)定的最小安全系數(shù),然后從產(chǎn)品目錄中選擇一種破斷拉力不小于?的繩徑。 該方法是沿用多年的傳統(tǒng)方法,它具有簡化計算、資料系統(tǒng)、齊全、完整的特點,基本上能

40、滿足現(xiàn)有國產(chǎn)繩徑的選擇,是一種比較成熟的選擇方法。它的不足之處就是選擇過程比較繁瑣,必須經(jīng)過多次的試算才能選出,而且是間接選擇的。3.1.2選擇系數(shù)法目前在工業(yè)化國家,對繩徑的選擇普遍采用這種方法。國際標準iso4308(鋼絲繩的選擇)也推薦采用此方法。這種方法能直接計算出繩徑,比間接選擇要方便的多,簡單明了而且直觀,一旦查到了選擇系數(shù)就能很容易的把繩徑計算出來。但目前兩個規(guī)范(gb/t3811-1983和gb13752-1992)上提供的選擇系數(shù)都有很大的局限性,遠遠不能滿足選擇鋼絲繩的需要。因為它們沒有把現(xiàn)有的國產(chǎn)鋼絲繩的各種規(guī)格型號,不同繩芯,不同的鋼絲抗拉強度的選擇系數(shù)統(tǒng)統(tǒng)列出來。3.2鋼絲繩選擇經(jīng)過綜合比較并查閱資料,本設(shè)計采用第一種方法即安全系數(shù)法。