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1、个人资料整理仅限学习使用综合课程设计 ( 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 月精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用目 录精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用第 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
2、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
3、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） 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： 89 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.
4、编写设计说明书 学时： 12 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精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用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A1 或 A2）图；3设计说明书 1 份
5、5000-10000字）。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用第 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 Q2 起升速度 (m/min VQ3 工作级别Mj4 基本起升高度(m H 5 主臂起升高度(m Hmax6 基本倍率a
6、 7 常用倍率an8 臂架最大仰角max9 油泵泄荷压力 (MPa pB10 超载系数11 臂架全缩长度(m LO12 滑轮组安全距离(m b 13 调速系数精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用第 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
7、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
8、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
9、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。 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。 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。 (3-2 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
10、。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 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。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用(3-4 (3-5 由式 式中： H基本臂起升高度；Hmax最长主臂起升高度；an常用倍率；max臂架最大仰角；D卷筒直径， mm，Dd(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
11、用压板钢丝绳用压板的选择应根据国家规范 (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， Nmp马达压力差， MPa；p =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 MPa），包括换向阀压力损失pH1.0MPa）和顺序阀压力损失pS=0.6MPa）；pb为马达后背压 MPa），包括换向阀背压 pHb=1.0MPa）和精滤器pJ=0.4MPa）；mh马达机械效率。液压马达负载转矩由式 式中 超载系数，可取=1.25 。MDm卷筒最大静转矩， N m。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
12、- - - - - -第 8 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用imax传动比最大值。T减速器效率，可取T=0.94。L联轴器效率，可取L=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；D卷筒效率；ni减速器输入转速界限；nD卷筒负载转速， r/min； 调速系数。卷筒外径 Dm和卷筒负载转速可分别由式312）和式 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/
13、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 式中：修正强度功率， kw；P公称功率， kw；P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 (3-19 Mq=0.159qMpmh (3-20 P=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
14、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 GCL 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。GCL 型鼓形齿式联轴器许用条件为TCK1Tn(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
15、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CorSoPo(3-27 Po=Fr+YoFa(3-28精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用式中： 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；
16、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L10hTi(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/ Fre，(3-31 当 Fa/ Fre，(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，
17、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 式中： MB制动力矩， N m；B制动带宽度， mm；p许用比压， MPa； 摩擦系数； 制动带包角。制动力矩按下式计算。MB= MDm(3-34 其中安全系数 =1.25。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用表 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
18、 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； 许用应力，可取 =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 式中： 制动轮径向间隙，取 =1.5mm。3. 上闸弹簧 F10.2Fj(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 、(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 制动带松边拉力按下式计算。图 2-2制动带紧边和松边拉力精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 22 页个人
19、资料整理仅限学习使用(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 m油缸机械效率， m=0.90.95；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；K应力集中系数；0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
20、要求 5. 卷筒壁厚 可按经验公式计算(3-46 c=0.5 s(3-47 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用式中： A1多层缠绕系数；t绳槽节距；c卷筒材料许用应力， MPa；s卷筒材料屈服极限 ,s = 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 DFdD+4A(3-49 3.3 起升机构起制时间验算精选学习资料
21、- - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用设计题目为“ 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 Q80t 臂架最大仰角max 80 起升速度 (m/min VQ5m/s 液压泵额定工作压力(MPa pB / MPa16MPa-32MPa 工作级别MjM4 超载系数1.2 基本起升高度(m H10 臂架全缩长度 (m LO10 主臂起升高度(m Hmax40 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
22、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。 (2 (3 已知参数：滑轮效率w=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 292.2408 103P(N 64.9424 103d(mm 24 查设计手册1.钢丝绳长度钢丝绳的长度由两部
23、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=10；取臂架最大仰角max=80；卷筒直径 Dd(hD-1，其中直径系数 hD=16。由式 取滑轮组安全距离b=1.5m；滑轮直径系数hH=18；臂架全缩长度LO=10m。待定倍率aj可根据 Lj的计算结果确定。钢丝绳长度的计算结果如表6所示。根据计算结果确定钢丝绳类型、性能和结构参数。钢丝绳标识为：16 NAT6 19W+IWR1570 ZS133 0.94 GB8918。 参数如表见 7。表 6 钢丝绳长度计算过程精选
24、学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用参数 400 标准化，见附表3.1-6 aj10 由 Lj=Lan= 得aj=anLan(m 434.4569 Lfj(m 33.7824 La(m 143.9941 L (m 470 圆整Lj(m 434.4569 表 7 钢丝绳参数钢丝绳直径钢丝绳最大静拉力钢丝绳卷绕长度钢丝绳长度钢丝绳质量d=24mm P=64.9424 103N Lj=434.4569m L=470m 996.4kg 4.2.2 液压马达1. 种类确定柱塞液压马达具有耐高压、高效率、工
25、作可靠、容易实现变量等优点，能够满足使用要求。故选择柱塞液压马达作为驱动力。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qqc(4-8 (4-9 马达的负载转矩为(4-10卷筒最大静转矩MDm、最大传动比 imax分别由式 411）和式 (4-12 卷筒外层直径 Dm、卷筒负载转速 nD、卷绕层数 m分别由式 4-13）式 (4-14 (4-15 卷筒速度层直径Dz平均直径） 由式 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用式中 Z=1+INT( m/2。已知常数确定。1）压力差p
26、=pBplpb, 根据系统压力确定pB=25MPa；pl为马达前压力损失MPa），包括换向阀压力损失pH1.0MPa）和顺序阀压力损失pS=0.6MPa）故 pl1.6MPa ； pb为 马 达 后 背 压 MPa） ， 包 括 换 向 阀 背 压 pHb=1.0MPa ） 和 精 滤 器pJ=0.4MPa），故 pb1.4MPa；2） 马达机械效率 mh，取 mh=0.93。 超载系数 =1.2。减速器效率 T=0.94。联轴器效率 L=0.99。卷筒效率 D=0.95；减速器输入转速界限ni=1500r/min；调速系数 =2。起升速度 VQ=5m/min。把已知常数代入计算公式可得计算结
27、果，见表4-8。表 4-8 液压马达需求排量确定过程参数 单位）计算结果说明参数 6 圆整MDm(N m 22.6957 103(第Z(层 4 M(N m 1.4633 103DZ(mm 568 pb(MPa 1.4 nD(r/min 39.2482 pl(MPa 1.6 imax20 标准化，附表3.4-1 pm(MPa 22 Dm(mm 664 qc(ml/r 449.8091 3. 液压马达确定根据计算结果选择型号A6V ，规格为 500 的液压马达，其标记为：A6V.500HD2.2.F.P.2.160 ；液压马达参数如表4-9。制图信息见图 4-9。表 4-9 液压马达参数A6V 马
28、达规格马达排量 qM最高转速额定压力质量500 500ml/r 1900r/min 35MPa 223kg 图 4-9 液压马达草图4.2.3 钢丝绳用压板根据国标钢丝绳用压板规范GB/T5975-1986）选用，材料： Q235；选用序号为 4钢丝绳公称直径d1417mm）的标准槽压板，单件重0.32kg。标记：压板4 GB/T5975-精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 22 页个人资料整理仅限学习使用1986。压板结构见 410。 压板螺栓直径为M16。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 22 页