垂直提升机(20吨)的设计

目 录

摘 要 ............................................... 2 前 言 ................................................ 4 1、卷扬机的工作级别 .................................... 5

1.1卷扬机的利用等级 .................................. 5 1.2卷扬机的载荷状态 .................................. 5 1.3工作级别 ......................................... 6

2、选择电动机 .......................................... 8

2.1选择电动机的类型和结构型式 ......................... 8 2.2电动机的特点及使用条件 ............................. 8 2.3电动机的容量 ..................................... 12 3 选择减速器 ........................................... 13 3.1直齿圆柱齿轮的设计计算 ............................ 13 3.2轴的结构设计及计算 ............................... 13 4、卷筒的设计 .......................................... 18 4.1卷筒的结构 ...................................... 18 4.2卷筒容绳尺寸参数 ................................. 19

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4.3、卷筒扭矩的计算 .................................. 21 4.4、卷筒强度的计算 .................................. 21

5、钢丝绳的选择 ....................................... 23 6、制动器的选用 ....................................... 25 7、卷筒轴的设计 ....................................... 26 8、卷扬机使用安全常识 ................................. 29 致 谢 ................................................. 33 参考文献 .............................................. 34

摘 要

垂直提升机主要用于各种重物的升降和输送.提升机在日常生活中也起着重要

的作用。提升机由电动机和减速器以及滚筒三部分组成,各部分之间分别由联轴器联接。电动机是动力源,减速器是传动系统,滚筒为执行和控制部分,其中以减速器的设计最为重要。

垂直提升机的重要组成部件是卷扬机。建筑卷扬机是一种超重设备，由于具有

结构简单、搬运安装灵活、维护保养简单、操作方便、价格低和可靠性高等优点，所以被广泛应用于物料提升、水平或倾斜曳引重物、打桩、集材冷拉钢筋、设备安装等工作中。

提升重物是建筑卷扬机的一种主要功能，所以各类卷扬机的设计都是根据这一要求为依据的。建筑卷扬机除了在建筑工地、设备安装等方面被广泛应用外，在冶金、矿山等行业中也广泛应用，如高炉料钟和物料的提升，小型矿井的物料提升等。建筑卷扬机用于提升重物时，需要门字架、桅杆等配套设备方能实现。

建筑卷扬机还可应用于林区的集材工作，建筑业的冷拉钢筋，小型矿井的水平、倾斜运输等水平或倾斜曳引重物的工作和打桩等工作。正因为建筑卷扬机具有多种用途，

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所以它已不仅用于建筑业，而且在冶金、化工、水电、农业、军事及交通运输等行业中也广泛应用。

本文从标准件电动机、减速器、联轴器、制动器等的选择，卷筒设计及其加工工艺等多方面，阐述了垂直提升机设计与制造的全过程。尤其在工艺规程设计中，我们运用了大量的科学的加工理论及计算公式，选择了基面，制定了工艺路线确定了机械加工余量、工序尺寸和毛坯尺寸，最后确定了切削用量及基本工时。

关键词：卷扬机 卷筒 工序尺寸

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前 言

毕业设计是在我们学完了大学的全部基础课、技术基础课以及大部分专业课之后进行的。这是我们在进行毕业设计之前对所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练，因此，它在我们三年的大学生活中占有重要的地位。是培养学生实践性的重要环节之一，也是检验我们学生综合知识与专业技能的重要手段。

毕业设计的主要目的是培养我们综合运用所学的基础理论课，技术基础课和专业课的知识和技能来分析，解决一般工程技术问题，使我们建立正确的设计思想，概念。掌握工程设计的一般程序，规则和方法，为以后的工作打下基础。通过这次设计能进一步巩固和理解自己所学的基础知识，基本理论和基本技能，提高自己的设计、计算、制图以及计算机绘图的能力，把书面知识与实际的操作相结合，设计过程中，同时提高和了解如何编写技术文件，正确使用技术资料手册，相关的工具书，更是培养我们严肃认真，一丝不苟和实事求是的工作作风，从一名学生向一名工程技术人员的过渡。就我个人而言，我希望能通过这次毕业设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后参加工作以及专业知识的研究打下坚实的基础。

本次设计的题目为垂直提升机，在社会中应用非常广泛，有了垂直提升机为人们为社会减轻了许多的烦恼，本部件的设计是一次应用性，实践性，综合性的设计过程。起以后的社会生活中我会努力学习凭着老师传授的知识和我的努力争取设计出更方便、更简单、更先进的机器为社会出一份力。

在设计的过程中我遇到了自己解决不了的问题，我在我的指导老师葛道健老师、孙海燕老师的悉心指导下使我的问题都迎刃而解，并提出了许多宝贵意见和建议，在此深表谢意。由于设计能力有限，实践经验不足，设计中错误难免，敬请批评、指正。

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1 卷扬机的工作级别

1.1卷扬机的利用等级

利用等级是表示建筑卷扬机使用的频繁程度，以其在设计寿命期内应完成的总工作循环次数Nt表征。而一个工作循环是指从一个载荷准备提拉时开始到下一个载荷准备提拉时为止的全过程。建筑卷扬机的寿命一般不少于5年，在这个期间内依据工作频率程度的不同，总工作循环Nt可分为8个等级。

建筑卷扬机利用等级 利用等级 总工作循环次数N2 U0 1.6×104 U4 利用等级 总工作循环次数Nt 2.5×105 经常地轻闲地使用 U1 3.2×105 4说明 U5 5×105 经常地中地使用 U2 6.3×104 U6 1×106 有时频繁地 使用 U3 1.25×105 U7 2×106 频繁地使用 因卷扬机的实际使用情况无法统计确定，则假定JM20吨卷扬机的使用情况为:每日平均使用时间为3—5小时，使用寿命期限内总使用时间为3200—6400小时，则总的使用寿命为5年；设计寿命期内总工作循环次数Ni=500000次，属于经常地中地使用情况，由此确定JM20吨卷扬机的利用等级为U5。

1.2 卷扬机的载荷状态

载荷状态表明卷扬机钢丝绳承受拉力的大小与频繁程度，它于整个使用寿命期限内钢丝绳每次承受的拉力Fi额定拉力Fe 之比（Fi/Fe）和钢丝绳每次承受拉力Fi 作用F的工作循环次数ni，与总工作循环次数Nt之比（ni/Nt）有关。因设计时不知其实际载荷状态，则假定JM20卷扬机通常承受1/3—2/3的额定载荷，

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载荷谱系数Kp=0.25,当量拉力系数Kp=0.6,JM20卷扬机的载荷状态为中级Q2。

1.3 工作级别

按利用等级和载荷状态的不同，可将建筑卷扬机分为A1—A8，八个工作级别。JM20吨卷扬机利用等级U6,载荷状态Q2则根据GB/T5031-93《建筑卷扬机设计规范》该JM20吨卷扬机的工作级别为A5级.

计算拉力是指作用在基准层上钢丝绳拉力,分为疲劳计算拉力、静强度计算拉力和实验拉力。 疲劳计算拉力Fd

疲劳计算拉力采用当量拉力，考虑的工况是卷扬机在正常工作情况下钢丝绳承的拉力。

Fd=Kd×Fe=0.6×200KN=120KN 静强度计算拉力Fjmax

静强度计算拉力是考虑卷扬机作业可能出现的最大拉力，此时零件的强度不得超过材料的许用拉力。动载系数按规范取φ=1.23 Fjmax=Fe=1.23×200KN=246KN 试验拉力

卷扬机的强度用试验拉力进行验算,取下面两种情况的计算. 静载试验拉力Fsj

Fsj=1.25Fe=1.25×200KN=250KN 动载荷试验拉力Fsd

Fsd=1.1Fe=1.1×200KN=220KN

1．电机 2．弹性联轴器 3．减速器 4．过轮

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5．主轴装置 6．离合螺旋 7．带式制动器

图1 原传动及工作原理图

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2 选择电动机

电动机已经标准化，系列化。应该按照工作机的要求，根据工作机构的特点、工作环境、工作载荷的大小和性质等条件，选择电动机类型和结构型式、功率、转速，确定电机型号。

2.1选择电动机的类型和结构型式

电机类型要根据电源种类（交流或直流），工作条件（温度、环境、空间位置等）。载荷特点（变化性质、大小和过载情况），起动性能和起、制动频繁程度，转速高低和调速性能要求等条件确定。

电动机分为直流电动机和交流电动机两种，由于直流电动机需要直流电源，结构复杂，价格较高，因此无特殊要求时不宜采用。

生产单位一般采用三相交流电源，如无特殊要求均应采用三相交流电动机。其中以三相异步电动机应用最多，常用的为Y系例三相异步电动机，其结构简单，启动性能好，工作可靠，价格低廉，维护方便，适用于不易燃，不易爆，无腐蚀性气体，当无特殊要求的场合，如运输机，机床，风机，农机，轻工机械等。 电动机需经常起动、制动和正、反转时（例如起重机），要求电动机有较小的转动惯量和较大的过载能力，因此应采用起重及冶金用的三相异步电动机，常用的型号有YZ或YZR系例。

建筑卷扬机主要采用三相交流异步电动机，根据建筑行业的工作特点，电动机工作制应考虑选择短时重复工作制S3和短时工作制S2，并优先选用YZR（绕线形转子）YZ（笼型转子）系列，起重专用电动机，多数情况下选用绕线转子电动机，在工作条件较轻，接电次数较少时，亦可选用绕线转子电动机，对于小吨位建筑卷扬机考虑到多方面因素，电动机工作制也允许选择连续工作制S1如选择Y系列三相异步电动机。

2.2 电动机的特点及使用条件

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电动机的特点用途及使用条件

类别 系列名称 特点用途 使用条件及工作方式 一 般 异 步 电 动 机 Y 系 列 （IP44） 三 相 异 步 电 动 机 符号含义 该系列电动机为1、海拔不超过Y型异步电动机 封闭自扇冷笼型1000m。 三相异步电动2、环境温度不机，效率高、节高于140℃ 能、堵转矩高，3、额定电压IP44为4级 方固体，4级防水 S—短时座 M—中机座 噪声低、振动小，380v,允许电压L—长机座 运行安全可靠，能防灰尘、铁屑偏差±5%。 4、额定频率S1—连续要作制 或其他杂物侵入50HZ，允许频率电机内部，还能偏差1%。 适用于灰尘多尘5、3KW以下的飞溅的场合，防为Y接，4KW以护等级好。 上的为△接法。 6、绝缘等级：B级。 7、工作方式：连续（S1）。 9

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类别 系列名称 特点用途 使用条件及工作方式 符号含义 YZR系列为绕线转子电动机，YZ系列为笼型转子电动机YZR、YZ系列电动机适用于各种型式起重机械及其他类似设备的专用产品。具有较大的过载能力和较高的机械强度，因此它特别适用于那些短时或断续运转、频繁起动制动、有过载负荷及显著振动的场合。 绝缘等级为FZ—冶金起重用 级，环境温度不R—转子为绕线型 超过40℃，绝S2—短时工作制 缘等级为H级，S3—短时重复工作制 环境温度不超S4—带起动的断续周期工过60℃。 工作方式： 作制 S5—带电制动的断续周期冶金及起YZR、YZ系列重用异步冶金及起重电动机 用三相异步电动机 S3基准负荷连工作制 续率为40%，还有S2、S3、S4 等工作制。其他参考Y系列三相异电动。 10

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类别 系列名称 特点用途 使用条件及工作方式 符号含义 冶金及起重用异步 电动机 YZD系列起重用多速三相该系列电动机为起重用变极多速笼型转子三相异步电动机，是在 绝缘等级为F1其他参见YZR、 D多速，其他同上。 异步电动机 YZ系列上的派生YZ及Y系列具有YZ系列特点，适用于起重机械、建筑等。防护等级为IP44。 YZRW系列涡流制动三相异步电动机 电动机YZR系列 绝缘等级F、H绕线转子三相异步电动机和感应式涡流制动器组成，适用于频繁起动、制动工作场合，调速范围可以从电动机额定转速调到同步转速的115-1/10防护等级IP44，IP54冶金，涡流制动防护等级IP00 （冶金），其他参见YZR、Y系列（IP44 W—涡流制动，其他上 （IP44） 注：YZR、YZ系列电动机是按设计，并取代JZRZ，JZRHZ，JZ2系列的更

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新换代产品，更新产品YZRZ、YZ2系列电动机也即将投放市场。 工作机所需有效功率PW应由工作机的工作阻力和运动参数计算求得：

PW=FV/1000KW

200KN24m/minKW1000=48kw =

式中：F——工作机的工作阻力，N；

V——工作机的线速度，M/S； 电动机的工作功率 P0=PW/ηa

电动机到卷筒轴的总效率 ηa=η1×η2×η3×η4×η5

由表得η1=0.96，η2=0.98（滚子轴承），η3=0.98（齿轮精度为8级），η4=0.99（凸缘联轴器），η5=0.98（V带传动比）。

ηa=0.96×0.972×0.98×0.99×0.98=0.86 P0=48/ηa=55KW

2.3电动机的容量

容量相同的同类电动机，其同步转速有3000r/min、1500r/min、1000r/min和750r/min四种，电动机的转速越高，则极数越少，尺寸和重量越小，价格也越低，但机械传动装置的总传动比增大，传动级数要增多，传动尺寸和成本都要增加，所以选择电动机转速时，必须做全面分析比较，通常多用同步转速为1000r/min和1500r/min两种。

综合表电动机的特点用途及使用条件，选择电动机的型号为YZR315S—10 55KW.

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3 选择减速器

该系列圆柱齿轮减速机是两级三轴圆柱渐开线齿轮传动，箱体结构为水平分割全封闭式，机械性能好，工作可靠，维护方便。本机还具有过载能力强，耐冲击、惯性力矩小，适用于起重频繁和正、反向运转的特点。广泛应用于各种起重运输机械及其它各种机械中作为减速之用。其联动方式可用联轴器直接联动，也可用链条、皮带挠性联动。JZQ、ZQ型两级传动的外啮合渐开线圆柱齿轮减速器。主要用于起重机械、矿山、冶金、建筑，也可以用于运输、通用、化工和轻工等机械行业。

3.1直齿圆柱齿轮的设计计算

考虑是普通减速器，无特殊的要求帮采用软齿轮转动，由表知选大、小齿轮材料为45号钢小齿轮调制处理，硬度为240HBS，大齿轮正火处理200HBS。

由于本卷扬机主要用于起重机械、矿山、冶金、建筑，也可以用于运输、通用、化工和轻工等机械行业。故取齿传动精度等级为8级。

3.2轴的结构设计及计算

选择轴的材料和热处理方法

已知条件可知减速器传递的功率中，小功率，对材料没有特殊要求，故选用45号钢，并经正火处理。查表得，强度极限σb=65Mpa,许用弯曲应力[σ-1b]=60Mpa 低速轴的设计

估算轴的最小直径 C=110

d≥ A（39550103P/0.2[]n)=A（3P2/n2) =110（34.07/72.72)=42.65mm T——工作转矩 （N.mm） P——轴传递的功率 （Kw） n——轴的转速 （r/min）

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[τ]——弯曲后的材料许用扭转应力 （Mpa）

A——随材料而定的系数，当轴上弯矩较小时，取较小值，反之则取较大值。 根据设计要求截面上有键槽时，轴径增大4%—5% 所以 d=（1+5%）× 42.07=44.17mm

根据标准直径系列查得联轴器的标准直径d=45mm（轴承的型号为6211系列的深沟球轴承的内孔直径为55.宽度为21mm） 定轴的径向尺寸

d=45mm d3=d2+5mm=60mm d1=d+5mm=50 mm d4=d3+5mm =65mm d2=d1+5mm=55 mm

轴承宽b=21mm . 齿轮宽B=55mm . 轴承端盖宽度为10mm . 箱体内侧轴承面间隙Δ1=6mm . 箱体内壁到齿轮面距离Δ2=65mm . 定轴向尺寸

L=111mm L′=70.5mm L″=60mm 最后得到各段的直径和长度尺寸如下表：

d 45 d1 50 d2 55 d3 60 d4 65 L 110 L′ 70.5 L″ 60 绘制轴的结构草图

由于设计的单级减速器可将齿轮布置在箱体中间，将轴承对称安放在齿轮两侧 如图（A）所示：

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ⅠⅡ′L″d4d3L/2ⅠⅡ0d2. 图A. 轴的受力分析 按弯扭合成强度校核轴径 画出轴的受力图。（图A（b）） 作水平面内的弯矩图（图A（c））。 T2=9.55×106×4.24/320=126530N

圆周力为：Ft2=2T2/d1=2×126530/50=5061.2N 径向力为：Fr2= Ft2 tanα=5061.2×tan200=1842.12N 法向力为：Fa2=Ft/cosα=5061.2×cos200=4755.97N 支点反力为 FHA=FHB= Ft2/2=5061.2/2=2530.6N Ⅰ-Ⅰ截面处的弯矩为MHI=2530.6×110/2=139183N.mm Ⅱ-Ⅱ截面处的弯矩为MHⅡ=2530.6×23=58203.8N.mm 作垂直面内的弯矩图（图A（d））。

FVA=Fr2/2-Fa2×d/2L=1842.12/2-4755.97×220/2×110=-3834.91N FVB=Fr2- FVA=1842.12-(-3834.91)=5677.03N Ⅰ-Ⅰ截面左侧弯矩为

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MVI左= FVA×L/2=-3834.91×110/2=-210920.05N.mm Ⅰ-Ⅰ截面右侧弯矩为

MVI右= FVB×L/2=5677.03×110/2=312236.65N.mm

Ⅱ-Ⅱ截面处的弯矩为MVⅡ=FVB×23=5677.03×23=130571.69N.mm 作合成弯矩图（图A（e））。

M=

MHMY22

22Ⅰ-Ⅰ面

MI左MY1左MH12222（210920.05）（139183）==252703.72N.mm

22MI右MH1MY1（139183）（312236.65）341852.63N.mm

Ⅱ-Ⅱ截面

22MIIMYIIMHII=（130571.69）（58203.8）=142956.8

22作转矩图(图A（f）)

T=534490N.mm

求当量弯矩:因减速器单向运动,故认为转矩为脉动循环变化,取修正系数α=0.6 Ⅰ-Ⅰ截面

Me1右M1右（aT)2222(341852.63)(0.6X534490)==536908.7N.m

m Ⅱ-Ⅱ截面

MeIIMII(aT)2=58203.8)2(0.6X534490)2=418085.42N.mm

确定危险截面及校核强度

由图A可以看出,截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ所受的转矩相同,单弯矩Me1右>M eⅡ,且轴上还有键槽,所以截面Ⅰ-Ⅰ应为危险截面.但由于轴径d3>d2,故也应对截面Ⅱ-Ⅱ进行校核.

Ⅰ-Ⅰ截面σⅠ=Me1右/W=536908.7/0.1d33=24.85MPa Ⅱ-Ⅱ截面σⅡ=MeⅡ/W=418085.42/0.1d23=29.12MPa

已查得〔σ-1b〕=60MPa,满足σ1≤〔σ-1b〕的条件，故轴的强度足够。

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修改轴的结构

因为所设计轴的强度足够，故此轴不必再修改。 高速轴的设计

估算轴的最小直径 A=110

3d(39550103P/0.2[]n)=A(3P1/n1)=110(4.24/320)=26.02

根据设计要求截面上有键槽时，轴径增大4%—5% 所以 d=（1+5%）× 26.5=27.83mm

根据标准直径系列查得联轴器的标准直径d=30mm（轴承的型号为6108系列深沟球轴承的内孔d=40mm.宽度为15mm）

同低速轴的设计原理，最后得到轴的各段直径和长度尺寸，如下表所示：

d 30

d1 d2 d3 d4 d5 L L′ L″ mm

40 45 50 45 109 58 50

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4 卷筒的设计

卷筒转速nj(r/min)

Ve103112103nj===64.85(r/min)

3.14552Dj卷扬机总传动比i

i=ne/nj=3150/64.85=48.57 取减速器的速比ij=48.57

由于本减速器用于各种起重运输机械及其它各种机械中作为减速之用。所以选择其型号为ZQ750。该系列圆柱齿轮减速机是两级三轴圆柱渐开线齿轮传动，箱体结构为水平分割全封闭式，机械性能好，工作可靠，维护方便。本机还具有过载能力强，耐冲击、惯性力矩小，适用于起重频繁和正、反向运转的特点。其联动方式可用联轴器直接联动，也可用链条、皮带挠性联动。ZQ型两级传动的外啮合渐开线圆柱齿轮减速器。主要用于起重机械、矿山、冶金、建筑，也可以用于运输、通用、化工和轻工等机械行业。

考虑是普通减速器，无特殊的要求帮采用软齿轮转动，由表知选大、小齿轮材料为45号钢小齿轮调制处理，硬度为240HBS，大齿轮正火处理200HBS。

由于本卷扬机主要用于起重机械、矿山、冶金、建筑，也可以用于运输、通用、化工和轻工等机械行业。减速器的型号为ZQ—750—48.57。

建筑卷扬机的重要零件，对建筑卷扬机安全、可靠的工作至关重要，应该合理地进行设计。

4.1卷筒的结构

按照结构形式较多，可按下述方法分类：按照制造方式不同可分为铸造卷筒和焊接卷筒。铸造卷筒应用广泛。建筑卷扬机卷筒大多数为铸铁卷筒，成本低，工艺性好。大吨位建筑卷扬机一般采用铸钢卷筒，铸钢卷筒虽然承载能力较大，但成本较高，若工艺允许，可改用钢板焊接结构。

按照卷筒绕线层数的不同可分为单层缠绕卷筒和多层缠绕卷筒。建筑卷扬机主要使用多层缠绕卷筒。

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按照卷筒内部是否有筋板，可分为带筋板卷筒和不带筋板卷筒。无论是卷筒内的环向筋还是纵向筋，均增加了制造难度，同时在筒壁的连接处还会引起应力集中。目前的设计趋势，主张取消纵向盘和环向筋。

按照结构的整体性，卷筒可分整体式卷筒和分体装配式卷筒。卷扬机吨位比较小时，卷筒常采用整体结构。对吨位较大的卷筒，常做成分体装配形式，这样可简化工艺，减轻重量。

按照转矩的传递方式来分，常采用端侧板周边大齿轮外啮合式和筒或筒内齿轮内啮合式。

4.2卷筒容绳尺寸参数

卷筒容蝇尺寸参数意义及表示方法应符合国家标准规定，参见下图：

卷筒节径D

卷筒节径D应满足下式 D≥Ked

式中 Ke——筒绳直径比，是与卷扬机工作级别有关的系数。 d——钢丝绳直径

卷筒节径D对筒壁和端侧板的设计具有重要意义，也影响钢丝绳直径的选择。D值小结构自然紧凑，但单位长度上的力较大，钢丝绳寿命低。

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对于JM20吨卷扬机的工作级别为A5级,卷筒节径系数Ke≥19。 取卷筒直径D0=435mm,则卷筒节径D=D0+d=435+13=448mm. D>Ked符合规范要求。 卷筒容绳宽度Bt

卷筒容绳宽度Bt，一般可按下述关系式确定 Bt<3D0=705mm 取Bt=660mm 式中D0——卷筒直径（mm）。

建筑卷扬机卷筒壁厚的设计计算中，通常卷筒长度都设计成小于其直径的3倍，甚至小于其直径的2倍。因为此时的钢丝绳拉力产生的扭剪应力和弯曲应力的合成应力较小，故计算卷筒强度时时可忽略不计，简化了设计计算。 卷筒边缘直径Dk

卷筒边缘直径即卷筒端侧板直径。对于多层缠绕，为了防止钢丝绳脱落，端板直径应大于钢丝绳最外层绳圈直径。端侧板直径用下式计算 Dk≥DS+3d=552+3×13=591mm Ds=D0+(2s-1)d=435+117=552mm

式中Ds——最外层钢丝绳芯直径，由下式确定：Ds=D0+(2s-1)d0其中：S—钢丝

绳缠绕层数。 缠绕层数S

卷筒缠绕层数S按下式计算 S≤

DKD02mk591435213==5 取S=5

2d213卷筒容绳量L

的容绳量指钢丝绳在卷筒上顺序紧密排列时，达到规定的绕层数所能容纳的钢丝绳工作长度的最大值。

卷筒的容绳量可按下述方法计算： 第i层钢丝绳芯直径为

Di=D0+(2si-1)d

式中Si——第i层，i=1,2,3,…S。 第i层卷筒的钢丝绳长度为

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Li=(Bt/d-1)[D0+(2Si-1)d] ×103 卷筒容绳量为

L=L1+L2+…+Li =SI1(

Bt1)[D0(2Si1)d103 d =276mm

实际容绳量应再加上钢丝绳安全圈的长度（一般为5圈）。 卷扬机的额定速度

根据GB/T1955-2002《建筑卷扬机》3.1条规定，JM20卷扬机的基准层取为5层。额定速度指基准层的速度。

Ve=n电×[D0+(2S-1)d/i总

=3150×3.14[435+(2×5-1) ×13]/48.57=112(m/min)

4.3 卷筒扭矩的计算

卷筒是卷扬机直接承载零件，受力比较复杂，分析清楚卷筒上所受的力，对卷扬机整机设计具有十分重要的意义。 额定扭矩Te

Te=

Dj2×Fe=

D0(2S1)d43525113Fe=×16=4416(Nm)

22疲劳强度计算扭矩Td

Td=Dj×Fd×103/2=552×9.6×103×103/2=2650(Nm) 静强度计算扭矩Tjmax

Tjmax=Dj×Fjmax×103/2×103=552/2×19.7=5437(Nm)

4.4 卷筒强度的计算

卷筒壁厚δ

An——多层卷绕系数，按规范取An=1.45 tz——钢丝材料轴向卷绕节距tz=1.01d

[c]——卷筒材料HT200许用应力[c]=150Mpa

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δ≥An×F/(tz[c])=1.45×200000/(1.01×13×150)=147(mm) 取δ=150mm 卷筒侧板根部厚δ2

δ2≥BnFe/[e]=0.44200000/67=36.24（mm） 按标准圆整取δ2=36mm [σe]——HT200许用应力 [σe]——σb/kj=200/3=67(Mpa) Bn——综合影响系数。HT200取Bn=0.44

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5 钢丝绳的选择

建筑卷扬机通过钢丝绳升降重物。工作时钢丝绳所受应力十分复杂，加之结外界影响因素比较敏感，一旦失效，后果十分严重。因此，应特别重视钢丝绳的合理选择与使用。

线接触钢丝绳股断面的结构又可分为三种型式：

西鲁式（外粗式）代号为S，其特点是耐磨性好，但性差，对于多层缠绕。当卷筒与钢丝绳直径比较大时，选用S型较适宜。

瓦林吞式（又称粗细式）代号W。其特点是煌面充填系数高，承载能力大，这种钢丝绳为建筑卷扬机广泛采用。

建筑卷扬机为多层缠绕，应选用双捻制线接触的西鲁式钢丝绳。JM20吨卷扬机选用44NAT6×37S+FC-1770ZS1010钢丝绳。A5级工作的卷扬机钢丝绳的安全系数[K]=5最小钢丝破断拉力Sp=1570(kn)

Ks=Sp/Fe=1570/200=7.85>[K]

卷扬机所选钢丝绳的安全系数符合规范要求。 钢丝绳固定端部的计算拉力Fg 钢丝绳与卷筒表面磨擦系数=0.16 钢丝绳在卷筒上的包角a=4 Fg=Fmax/ea=

1.25Fe=0.167Fe=0.167×200=33.4(KN)

e0.164固定端承载能力的的验算

钢丝绳螺栓采用M12，性能等级σs=315Mpa级，螺栓预紧力为F0 F0=0.7×σs×As=0.7×315×84.3=18.6(KN) 压板处磨擦力Fy

Fy=F0=0.16×18.6=2.97(KN) Fy>Fg

因此,固定端承载能力满足要求. 钢丝绳出绳方向及其卷放偏斜角

卷扬机钢丝绳的出绳方向为水平方向,并且从卷扬机卷筒下方出绳,钢丝

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的卷放偏斜角≤2°。如图所示

卷筒导向定滑轮

Ld≥

Btd66013×103=×103=9.5(m) 2tg2tg2应保证导向滑轮中心线到卷筒轴线的距离大于9.5米,即可保证卷放偏斜角≤2°.

钢丝绳使用时应注意的问题：

1、为保证钢丝绳在绳筒上平滑缠绕，避免各圈钢丝绳间相互磨擦及多层缠绕锤击和堆绕现象，延长钢丝绳的使用寿命，钢丝绳在卷 筒及绳轮上的偏角必须保持在一定的限度之内，一般在0.5°-2°之间。

2、良好的周期性润滑是提高钢丝绳使用寿命的一需重要因素。它可以防止锈蚀，

减少钢丝绳内外磨损。一般常用中、低粘度润滑油和滤青质化合物。目前我国生产的“钢丝绳油”属于中等粘度油，适用于各种股捻钢丝绳的润滑，其附着力大，不易滑落或与水起作用，且含有防锈剂，是一种良好的润滑剂。 3、在室外、潮湿或腐蚀介质存在的环境里，应选用镀锌钢丝绳。

4、经常检查钢丝绳是否与别的机件磨擦，重新更新更换新绳时必须核对新绳与原

绳的型式、直径是否相同；经常检查钢丝绳表面的磨损及断丝，遇到问题及时解决。

5、使用中，应尽量减少钢丝绳的弯折次数并尽量避免反向弯折。

6、国家标准规定，建筑卷扬机钢丝绳在卷筒上安全圈数不得小于3圈。在保留两

圈的情况下，应承受1.25倍的钢丝绳额定拉力。

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6 制动器的选用

为了确保卷扬机安全，可靠地工作，必须装设制动器。

制动器可以分为摩擦式和非摩擦式两大类。①摩擦式制动器。靠制动件与运动件之间的摩擦力制动。按制动件的结构形式又可分为外抱块式制动器、内张蹄式制动器、带式制动器、盘式制动器等；按制动件所处工作状态还可分为常闭式制动器（常处于紧闸状态，需施加外力方可解除制动）和常开式制动器（常处于松闸状态，需施加外力方可制动）；按操纵方式也可分为人力、液压、气压和电磁力操纵的制动器。制动器的结构型式②非摩擦式制动器。主要有磁粉制动器（利用磁粉磁化所产生的剪力来制动）、磁涡流制动器（通过调节励磁电流来调节制动力矩的大小）以及水涡流制动器等。

对于JM20吨卷扬机采用常闭式的支持制动器,制动轮装在减速机高速轴上。在设计或选择制动器时，主要依据是制动力矩。无论是标准制动器，还是自行设计的制动器都要做必要的发热验算。 JM20吨卷扬机高速轴额定静载力矩T

T=

Te4416==101.022(Nm) in48.570.9采用YWZB-200/25液压制动器,额定制动力矩Tez

Tez=200N.m

Tez/T=200/101.022=1.98>1.5

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7 卷筒轴的设计

如图卷筒轴系结构及心轴受力及弯矩

① 已知参数

额定拉力Fe=200kN；轴材料45号调质处理；σb=650Mpa;σs=360Mpa;σ

1=300Mpa;[σb]=100Mpa

② 作用力的计算

由图可知，轴左端为调心轴承，右端通过减速机外齿轮内的调心轴承支承，并通过健将轴的转矩传到卷筒，此轴为不等径轴，此处轴端直径较小，且有键槽，因此右端受力最大，此轴系转轴，工作时同时承受弯矩和转矩作用，应按弯扭合成进行轴的强度计算，因为此轴与减速机低速轴系同一根轴，轴中弯曲应力，应按对称循环变应力处理，而扭转剪应力，由于转矩方向不变，可认为是脉动循环应力，为此根据第三强度理论，可直接求得当量弯矩，计算时，卷筒作用到转轴的力可简化为作用于支承面宽度中点的集中力，并且把它简化为受集中力的简支梁，左端支承点750mm,右端支承点85mm,求支反力：

静强度计算拉力Fj=19.7(kN)

Fj8519.785Rc===2(kN)

83583526

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Rd=

19.7750=17.7(kN)

835Mj=RaX(0≤X≤a)

=2×X=2×750=1500(N.mm)见图4c M2=Rb(1-X) (a≤X≤1) 当x=e时，M2=0

轴端平键传递的转矩为： T=9550×

p7.5=9550×=1104（N.m）见图4d

64.85n弯扭合成弯矩M合=M12T2

=1500211042= 1862(N.m)见图4e

③ 计算卷筒直径:

按弯扭合成强度计算卷筒轴径:从图中看出危险断面为B dB=21.683M2(T)2=21.6831p1500211104查表得=1

1952 =21.68×317.47= 110.568 mm 考虑到此处有一个增键槽,应增大5%,取db=65mm. ④ 卷筒轴的疲劳强度计算:

卷筒轴弯曲应力为对称循环,平均应力σm=0 =0

M1500103σbB=σmax===63.3Mpa

Z23.7103查表得Z=23.7cm3,ZP=50.7cm3. σa=σbB=63.3Mpa

查得有效应力集中系数Kσ=1.8,表面状态系数β=0.92,绝对尺寸影响系数εσ=0.78。

Sσ=

3001==1

K1.8M63.3.0.780.92因为σm=0

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一般轴疲劳强度安全系数[Sp]=1.5-1.8,所以该轴疲劳强度足够. ⑤ 卷筒轴的静强度计算

Ss=

SsSSS2sS2s≥Ssp

Ssσ=

S360S===5.7 MmaxbB63.3Z0.58ss11040000.58360Ss====9

Tmax2250700ZSs=

SsSsS2SS2S=

5.795.7922=4.82

静强度的许用安全系数Ssp在σs/σb=0.55-0.7时，Ssp=1.2-1.8。 故该轴静强度足够。

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8 卷扬机使用安全常识

安全使用卷扬机不仅能防止事故，延长使用寿命，还可以提高工效。 （1）卷扬机应安放在地势稍高、视线良好、地脚基坚定、距离起吊处15m以外的地方，若为临时使用，可将钢丝绳拉住机座上的座孔通过地锚固定；若是长期使用，则通过地脚螺栓将机座固定在混凝土基础上。地锚或混凝土地基必须按卷扬机额定牵引力的大小来埋没并与机座可靠连接，以防使用中产生滑动、位移，甚至拉翻卷扬机，导致重物坠落等重大事故。卷扬机在室外装用时，上方应设有遮阳挡雨的工棚，但不得妨碍机手操作，或影响机手对指挥人员及提升物的视线。（2）钢绳应从卷筒下方引出，出绳方向尽量同地面平行，当钢绳处于卷筒中间位置时，要与前面第一个导向滑轮的中心线垂直，卷扬机不可离滑轮太近，以免引起钢绳与导向滑轮或卷筒槽缘的过分磨损。当重物落至最低位置时，钢丝绳应在卷扬机卷筒上保留3圈以上。

（3）卷筒上的钢丝绳应按顺序排列整齐，不能发生乱层现象，也不可高于卷筒的侧边，以防受力后引起跳绳或滑出，从而造成联轴器损伤、钢丝绳断裂等故障。当钢丝绳断丝超过10%时必须更换，新换钢丝绳的安全系数应大于5，并注意质量要合格，卷扬机工作时，不可让钢丝绳在地面拖曳，以防泥沙沾污而加剧磨损，为此可设绳槽或托辊。另外，卷扬机运转时，不准用手或脚去拉、踩钢丝绳；不准任何人跨越钢丝绳或在提升物下穿越、停留。

(4）电动机要有单独的操作开关，并加装过载与短路保护装置；其金属外壳应可靠接地，以保安全，若电动机可以正、反转来驱动卷扬机，则卷筒的旋转方向必须与操纵开关上的指向一致。

（5）卷扬机的制动器大都为短行程常闭电磁式结构。合闸时制动电磁铁与电动机同时通电，于是磁铁吸合、制动瓦张开，电动机便通过减速器带着卷筒旋转，从而卷入或放出钢丝绳。拉闸断电时，制动瓦抱住制动轮，使卷筒可靠地停住。为此，试机前应先检查电磁制动器，要求制动瓦与制动轮之间的间隙为0.5-0.6mm，且两瓦的间隙相等、开闭灵活；然后，先空载试运转，让卷扬机正、反向各转15min，若无异常噪声，振动或冲击，才可投入全载试运转，最后，做超载10%试验，此时将重物提至2.5m高度，制动后观其下滑量，下滑量小于

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6cm时为合格。否则应重新调整电磁制动器，必要时更换磨损超限的制动瓦或制动轮。（6）采用胶带或开式齿轮传动的卷扬机，其传动部位应加装防护罩，以防卷扬机运转时将人员或物料卷入。

（7）操作时，机手要集中精力、看清信号、听从指挥。卷扬机运转中，机手不准离岗。提升重物时操作应柔和平稳，不可急速升起或飞速下降，尽量避免空中紧急制动。若被吊物需要空中临时停留，除使用制动器外，还要用保险棘轮卡牢。

（8）若遇上工作中突然停电，应先将开关扳到断电位置，接着将吊笼降至地面或将牵引重物落到坡底。卷扬机用于建筑工地的龙门提升架，若遇雷雨、浓雾或6级以上大风气候，应立即停止工作。另外，严禁用龙门提升架载人上人下。 （9）卷扬机运转中，若出现声响异常、制动失灵、减速器轴承部位温升过高等情况，应停机检查，排除故障；切忌带“病”作业，以免发生机械或人身事故。 （10）卷扬机虽不复杂，但若对其不能认真进行维护修理，就会故障频发，使用寿命缩短。因此除做好日常保养外，每年冬闲时应拆开全机，将各零部件按报废、修复、堪用3类分别处理。有的零件若一时买不到，自制时应掌握以下原则：

1、卷筒心轴、传动轴要用45号钢加工制造，并进行热处理，使用旧轴时，当其轴径大于150mm时，要做探伤检查；对不合格者，必须更换。

2、卷筒应根据负荷大小，分别采用铸钢ZG35或灰铁HT20-40铸造，并进行有效处理。

3、对于直径大于30mm的制动轮，要用铸钢制造；对于直径小于30mm的，才允许用灰铁HT20-40制造。

4、对于轴承衬套，要用铸铜制作，不可用铸铁代替。

5、若钢丝绳还可使用，应取下作油浸蒸煮处理，并在表面涂以保护 油脂。

(11)．卷扬机作业人员须经培训，熟悉井字架和卷扬机技术性能、机械性能、

安全知识和管理制度，考核合格后，持证上岗。不准将机交给无证人员操作。

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(12)．卷扬机操作棚必须符合防雨、防火和抗冲击的要求，控制台、井架、卷

扬机和开关箱及接电源线安装完毕后，必须经验收合格挂牌，方可作用。 (13)．操作前必须认真检查卷扬机制动、升高限位、停层、防断绳、联络信号

等十二项安全装置是否灵敏有效，钢丝绳是否完好，井架垂直度是否符合要求，传动位的钢丝绳不准有接头，缆风绳或架体与结构拉结是否牢固，并空载试运行，确认正常，才可操作。

(14)．操作时精神集中，不得离开岗位。在开机中，要密切注意平台口、通道

口等处是否有装运工人员将头手伸入井架架体内或爬架或穿过吊笼底部，防止意外事故。有人在吊笼内未离开前，不准开机。 (15)．遇六级及其以上大风或大雨时，应停止作业。

(16)．发生故障或停电，必须采用按动卷扬机刹车吸铁慢速地将吊笼放因地面。 (17)．卷扬机放尽钢丝绳时必须保持不少于三圈在卷筒上，上升吊笼收卷钢丝

绳应保持排列整齐。运行中严禁用手或脚去调整排列或检修、保养。 (18)．井架上的平撑拉结、斜撑、缆风绳、各种安全装置安全防护和标志等严

禁随意拆除，施工需要拆除井架内侧斜撑，应经工长批准，也不准连续拆除三个标准节内侧的斜撑。

(19)．井架三向外侧的安全网防护，必须随井架升高及时满挂。井架必须高于

顶层作业层平台口6m—8m，确保吊笼升高的余位。

(20)．高速组合井架必须层层与建筑结构边梁附着，在无附着装置情况下的自

由高度应符合产品说明书。

(21)．工作中要听从指挥人员的信号，当信号不明或可能引起事故时，应先停

机待信号明确后方可继续作业。

(22)．井架在运转中，不得进行任何维修保养、调整工作。

(23)．作业完毕应切断电源，锁好操纵箱，关闭总电源，盖好防护罩。 (24)．夜间工作时，工作场地应有足够照明装置。

(25). 当起重机或周围确认无人时，才可闭合主电源。如电源断路装置上加锁

或有标牌时，应由有关人员除掉后方可闭合主电源。 (26). 做好清洁、润滑保养工作。

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致 谢

丰富多彩的三年求学生涯即将结束了，心里实在舍不得离开济职学院这片充满了关爱的五色土，更舍不得朝夕相处的老师同学们。有太多的事沥沥在目，宛如昨日, 有太多人的音容笑貌，跃然纸上，挥之不去。三年的时间，如同白驹过隙，转眼之间的事情会一下子浮现在眼前。热爱这片五色土，一草一木也都有了很深的感情，很荣幸的看到了三年里它在一点一滴发生着变化。济职学院的兴盛需要继续留守济职学院的同学们来奋斗，希望在未来的日子里可以看到一个更加美好的济职学院屹立在这片曾经并将一直热爱的土地上。

首先非常感谢我的老师在我三年求学生涯中给予的关心与帮助，他们不仅以那严谨的治学态度、缜密的思维能力、娴熟的操作技巧深刻地影响着我，更以他们那博大的胸怀潜移默化地影响我如何学会去宽容别人，笑着面对生活。让我感到三年中不仅积累了丰富的学识，更在如何做人上让我学到了很多，我将随身携带着它们，勇敢的踏上新的人生之路。让我深刻的认识到无论生活多么的艰辛,惟有读书才能够充实我的头脑,才会使你抵达成功的彼岸。 在此次论文写作中，我去图书馆查资料，在网上搜集资料，经过两个多月的精心准备，在苑成友老师的指导下我终于把论文底稿给定了下来，在此要感谢所有曾在论文写作期间对我提供一臂之力的同学和朋友。最后再次感谢我的指导苑成友老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。另外感谢我的班主任，他对我的关心和培养，在我读大学的这三给予我的帮助，特别是在做毕业设计的最后阶段，同时也是最需要帮助的时候给了我支持，才使得我能顺利完成毕业设计。在这里请接受我诚挚的谢意！

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参考文献

[1] 齐治国等编《建筑卷扬机设计》机械工业出版社，1996 [2] 李华主编《机械制造技术》机械工业出版社 [3] 成在主编《机械设计手册》化学工业出版社 [4] GB/T1955—2002建筑卷扬机

[5] 张耀宸主编《机械加工工艺手册》航空工业出版社 [6] JG/T5031—93建筑卷扬机设计规范

[7] 韩洪涛主编《机械制造技术》化学工业出版社

[8] 岳优兰，马文锁主编《新编机械设计基础》河南大学出版社

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