I摘 要液壓絞車即液壓驅動的卷揚機，由原動機帶動液壓泵，將工作油液輸入執(zhí)行構件（液壓缸或液壓馬達）使機構動作，通過控制輸入執(zhí)行構件的液體流量實現(xiàn)調(diào)速。本文主要針對 5 噸液壓絞車進行設計。首先，通過對液壓絞車的現(xiàn)況及類型原理進行了分析并提出了總體結構方案和傳動方案；接著，對傳動裝置及卷筒的主要零件進行了詳細設計并校核其強度；最后應用 AutoCAD 軟件繪制了液壓絞車裝配圖和主要零件圖。關鍵字：液壓；絞車；減速器；卷筒IIAbstractThe hydraulic driven winch hydraulic winch, motivated by the original hydraulic pump, the working oil input components (hydraulic cylinder or hydraulic motor) to achieve speed control mechanism, through the input of executive component in the liquid flow.This paper mainly aims at the design of 5 tons hydraulic winch. First of all, through the analysis of the current status and types of hydraulic winch, the overall structure scheme and transmission scheme is put forward. Then, the main parts of the transmission device and the main parts are designed and checked. Finally, AutoCAD software is used to draw the assembly drawing and the main parts.Key words: Hydraulic; Winch; Reducer; DrumIII目 錄摘 要 IAbstract II第一章 緒論 11.1 絞車簡介 .11.2 液壓絞車的特點 .11.3 液壓絞車的工作原理和用途 .11.4 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 .2第二章 總體設計與計算 42.1 設計要求 .42.2 方案設計 .42.2.1 原理分析 .42.2.2 總體布置方案 .42.2.3 傳動方案選擇 .52.2.4 液壓傳動原理圖 .5第三章 主要參數(shù)的確定 73.1 卷筒直徑的確定 .73.2 電動機的選擇 .93.3 液壓馬達的選用與驗算 .93.3.1 液壓馬達的分類及特點 .93.3.2 馬達的驗算 .10第四章 卷筒設計與校核 134.1 卷筒的分類和特點 .134.2 卷筒設計計算 .134.2.1 卷筒長度 L 確定 134.2.2 繩槽的選擇 .144.2.3 卷筒壁厚 .15?4.2.4 鋼絲繩允許偏角 .154.3 卷筒強度計算 .15第五章 傳動裝置的設計 175.1 確定傳動比 .175.2 齒輪齒數(shù)的確定 .175.3 選定齒輪的精度等級和材料 .185.4 齒輪模數(shù)的確定 .18IV5.5 齒輪基本參數(shù)的確定 .205.5.1 尺寸基本參數(shù)的選定與計算 .205.5.2 齒輪公法線長度的確定 .225.6 內(nèi)部結構的選定與設計 .225.6.1 轉臂軸承的選定 .225.6.2 銷孔數(shù)目、尺寸的確定 .235.6.3 銷軸套、銷軸的確定 .245.6.4 偏心套基本尺寸的確定 .245.7 軸的設計 .255.7.1 輸入軸的設計 .255.7.1 輸出軸（固定軸）的設計 28總 結 30參考文獻 31致 謝 321第一章 緒論1.1絞車簡介在起重機械中，用以提升或下降貨物的機構稱為起升機構，一般采用卷揚式，而這樣的機器叫做卷揚機又叫絞車。卷揚機的卷揚機構一般由驅動裝置、鋼絲繩卷繞系統(tǒng)、取物裝置和安全保護裝置等組成。驅動裝置包括電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速器、卷筒等部件。鋼絲繩卷繞系統(tǒng)包括鋼絲繩、卷筒、定滑輪和動滑輪。取物裝置有吊鉤、吊環(huán)、抓斗、電磁吸盤、吊具掛梁等多種形式。安全保護裝置有超負載限制器、起升高度限位器、下降深度限位器、超速保護開關等，根據(jù)實際需要配用。卷揚機的驅動方式有三種，分別為內(nèi)燃機驅動、電動機驅動和液壓驅動。內(nèi)燃機驅動的起升機構，其動力由內(nèi)燃機經(jīng)機械傳動裝置集中傳給包括起升機構在內(nèi)的各個工作機構，這種驅動方式的優(yōu)點是具有自身獨立的能源，機動靈活，適用于流動作業(yè)。為保證各機構的獨立運動，整機的傳動系統(tǒng)復雜笨重。由于內(nèi)燃機不能逆轉，不能帶載起動，需依靠傳動環(huán)節(jié)的離合實現(xiàn)起動和換向，這種驅動方式調(diào)速困難，操縱麻煩，屬于淘汰類型。目前只有少數(shù)地方應用。電動機驅動是卷揚機的主要驅動方式。直流電動機的機械特性適合起升機構的工作要求，調(diào)速性能好，但獲得直流電源較為困難。在大型的卷揚機中，常采用內(nèi)燃機和直流發(fā)電機實現(xiàn)直流傳動。交流電動機驅動能直接從電網(wǎng)取得電能，操縱簡單，維護容易，機組重量輕，工作可靠，在電動卷揚機中應用廣泛。液壓驅動的卷揚機，由原動機帶動液壓泵，將工作油液輸入執(zhí)行構件（液壓缸或液壓馬達）使機構動作，通過控制輸入執(zhí)行構件的液體流量實現(xiàn)調(diào)速。液壓驅動的優(yōu)點是傳動比大，可以實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速，結構緊湊，運轉平穩(wěn)，操作方便，過載保護性能好。缺點是液壓傳動元件的制造精度要求高，液體容易泄漏。目前液壓驅動在建筑卷揚機中獲得日益廣泛的應用。1.2液壓絞車的特點絞車采用液壓傳動，減少了產(chǎn)生電氣火花的元件。使用鼠籠電動機，使電器控制簡單，容易做成防暴型。所以采用液壓絞車是解決煤礦井下絞車全防暴問題的有效途徑。由于用管道傳遞壓力油，所以液壓元件和各種機械裝置都容易布局，各個元件的安裝可以隨意放在任何適當?shù)奈恢?，因此便于液壓絞車進行遠距離操作。21.3液壓絞車的工作原理和用途液壓絞車是利用防爆電動機 1 帶動乳化液泵 2，然后乳化液泵帶動變量液壓馬達 3，液壓馬達將動力通過減速器 4 拖動滾筒 5 轉動。絞車的正反轉和高低轉速改變依靠馬達自身調(diào)節(jié)完成。原理圖 1-1~1 電動機 2 主油泵 3 液壓馬達 4 減速箱 5 絞車滾筒圖 1-1 絞車工作原理圖液壓絞車用途：主要用于井下綜采工作面液壓支架以及其它井下設備的安裝和拆除。1.4國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀20 世紀年代后期，日本、美國又開始推廣應用液壓—機械傳動絞車。其優(yōu)點是高速小扭矩液壓馬達具有制造容易、質量穩(wěn)定、壽命長、傳動效率高、噪音低、體積小等。日本三井三池制作所引進西德蓋特拉馬齊克公司和法國西克馬菲爾公司的高速液壓馬達，研制了卷簡直徑為 的 型m21205?S.MHW液壓絞車，高速液壓馬達經(jīng)行星減速器傳動卷筒，用操作手柄改變變量泵斜盤的角度來實現(xiàn)無級調(diào)速。2005 年國內(nèi)直徑最大的液壓絞車在河南省洛陽中信重機公司試車成功，并順利發(fā)往內(nèi)蒙古大雁煤業(yè)公司。國外由于電器技術水平較高，井下工程機械化程度高，一般巷道和硐室較大，設備安裝方便，較早的開始推廣應用電動絞車，主要是繞線型電機轉子外接電子調(diào)速。其缺點為發(fā)熱嚴重，占地面積大，電控系統(tǒng)復雜，成本高，調(diào)整性差。隨著液壓技術的不斷發(fā)展，軸向柱塞式和徑向柱塞式液壓馬達系列產(chǎn)品推出，并逐漸用于井下提升設備和研制液壓絞車。液壓絞車具有結構緊湊、造價便宜、起動平穩(wěn)、調(diào)速方便、過載保護等優(yōu)點，特別是采用鼠籠式電機拖動，使電控系統(tǒng)簡單，實現(xiàn)了防爆要求。在國外，液壓絞車根據(jù)結構形式可分為兩大類：一類是采用低速大扭矩柱塞液壓馬達直接拖動絞車卷筒的全液壓傳動式；另一類是采用高速小扭矩柱塞液壓馬達經(jīng)減速器再拖動絞車卷筒的液壓—機械傳動式。日本三井三池制作所制造出第一臺防暴液壓絞車，以后反復進行了多種設3計和改，生產(chǎn)有 和 等幾種型號的防暴液壓絞車，具有手動和半自動兩種運4075轉方式。液壓控制方式與電動控制方式進行比較，液壓控制方式能任意選擇所需要的速度，操作簡單，能任意調(diào)整加減速度，易于防暴結構，電器控制系統(tǒng)復雜，維修麻煩。蘇聯(lián)、波蘭、德國等國家研制和采用液壓安全絞車作為傾斜煤層的采煤機的防滑、同步牽引設備。這些國家還礦泛采用液壓無極繩絞車牽引井下運輸用的卡軌車和單軌吊。日本三井三池制作所研制的小型液壓絞車系列，主要用于煤礦井下作輔助運輸，功率有 、 及 三檔。其采用高速軸向柱kW237k48塞式液壓馬達通過安裝在滾筒內(nèi)部的行星齒輪減速箱拖動絞車運轉，因而結構緊湊，體積小[5] 。我國煤礦井下防暴液壓絞車的研制和應用比歐美、日本大約晚 年，在煤10與沼氣突出的礦井都要使用防暴型電器設備。由湖南省煤炭科學研究所和湖南省煤礦專業(yè)機械廠共同研制 型防暴液壓絞車和 型防暴液120?BYT6.BYT?壓絞車，并隨同研制了 型防暴絞車。國內(nèi)其它廠家也進行了液壓絞6ENIM車的研制工作，淮南煤機廠研制了 型防暴液壓絞車，它采用高速液YJ壓馬達通過行星減速箱驅動滾筒，洛陽礦山機械研究所研制采用高速馬達驅動的防暴液壓絞車。4第二章 總體設計與計算2.1設計要求設計一 5 噸液壓絞車，設計參數(shù)要求如下：（1）單繩拉力 5 噸；（2）鋼絲繩直徑 18mm；（3）容繩量 50m；（4）繩速 10m/min。2.2方案設計2.2.1原理分析液壓絞車是利用防爆電動機 1 帶動乳化液泵 2，然后乳化液泵帶動變量液壓馬達 3，液壓馬達將動力通過減速器 4 拖動滾筒 5 轉動。絞車的正反轉和高低轉速改變依靠馬達自身調(diào)節(jié)完成。原理圖 2-1~1 電動機 2 主油泵 3 液壓馬達 4 減速箱 5 絞車滾筒圖 2-1 液壓絞車原理圖2.2.2總體布置方案液壓馬達、制動器和行星減速器都布置在卷筒的同一側（圖 2-2） 。這種布置形式，易于加工和裝配，總成分組性較好。5圖 2-2 液壓卷揚機構總體布置方案2.2.3傳動方案選擇減速裝置采用漸開線少齒差行星齒輪減速裝置，傳動的原理：少齒差行星傳動原理如圖 3 所示，當帶曲柄的輸入軸旋轉時，空套在曲柄上的行星輪 Z1反向旋轉（Z2-Z1）/Z1 轉，然后通過輸出軸輸出，去速比是 I＝－Z1/(Z2-Z1),負號代表旋轉反向相反。圖 2-3 傳動原理簡圖2.2.4液壓傳動原理圖系統(tǒng)的工作原理及其特點簡要說明如下：（見圖 2-4）液壓馬達 9 的排量切換由二位四通電磁換向閥 5 實現(xiàn)，控制壓力由液壓馬達 9 自身提供，為了防止下放時因超越負載作用而失速，在馬達回油路上設置了外控式平衡閥 4。另外，為了提高系統(tǒng)工作可靠性，以防污染和過熱造成的故障，在回油路上設置了回油過濾器 7 及冷卻器 8。三位四通電磁換向閥 9 的中位機能為 K 型，所以，絞車停止待命時，液壓泵可以中位低壓卸荷，有利于節(jié)能。表 2.1 絞車液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序電磁鐵工 況1YA 2YA 3YA滿載卷揚上升 - + -6空包下放 + - -停止 - - +由表 1.2 可知：當電磁鐵 2YA 通電時，三位四通電磁換向閥 5 切換至右位，液壓油經(jīng)過單向閥進入液壓馬達 2，驅動滾筒卷揚方向旋轉。當電磁鐵 1YA 通電時，負載由平衡閥支撐的同時快速下放，當需要制動時，電磁鐵 3YA 通電，制動器制動 。圖 2-4 液壓傳動原理圖1.多片式摩擦離合器 2、液壓馬達 3、6、溢流閥 4、外控式平衡閥5、三位四通電磁換向閥 7、回油過濾器 8 冷卻器 9、液壓馬達 10、油箱7第三章 主要參數(shù)的確定3.1卷筒直徑的確定（1）卷筒直徑 計算（方法一）0D卷筒容繩寬度 ，一般可以由下式確定：tB取03t?0t?預設卷筒鋼絲繩纏繞層數(shù)為 4 層，則卷筒容繩量 L卷筒繩容量是指鋼絲繩在卷筒上順序緊密排布是，達到規(guī)定的纏繞層數(shù)所能容納的鋼絲繩工作長度的最大值，卷筒容繩量按下式計算，第 i 層鋼絲繩繩芯直徑 為：iDdii )12(0???式中： - 卷筒直徑- 鋼絲繩直徑d卷筒容繩量 L 為： ??diDdBdBtit )12(1104141 ????????????????????聯(lián)立上述各式得：??306??L已知 ， ，mL50?d18求得： 24?D表 3-1 卷筒直徑 D 系列（摘自 JB/T9006.1-1999）100 125 160 200 250 280 315 355 4008450 500 560 630 710 800 900 1000 11201250 1320 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000按照表 3-1 卷筒直徑 D 系列，取卷筒直徑 250?D（2）卷筒直徑 計算（方法二）0hdD?0式中： -與機構工作級別相關的系數(shù)-鋼絲繩直徑表 3-2 機構利用等級（摘自 GB/T3811-1983）機構利用等級總設計壽命 說明機構利用等級總設計壽命 說明T0 200 T5 6300 經(jīng)常中等使用T1 400 T6 12500 不經(jīng)常繁忙地使用T2 800 T7 25000T3 1600不經(jīng)常使用T8 50000T4 3200 經(jīng)常使用 T9 100000繁忙地使用表 3-3 機構載荷狀態(tài)（摘自 GB/T3811-1983）載荷狀態(tài) 說明L1-輕 機構經(jīng)常承受輕載荷，偶爾承受最大的載荷L2-中 機構經(jīng)常承受中等載荷，較少承受最大的載荷L3-重 機構經(jīng)常承受較重的載荷，也常承受最大的載荷L4-特重 經(jīng)常承受最大的載荷表 3-4 機構工作級別（摘自 GB/T3811-1983）機構利用等級載荷狀態(tài) T0 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9L1-輕 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8L2-中 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8L3-重 M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8L4-特重 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8表 3-5 系數(shù) h 值（摘自 GB/T3811-1983）機構工作級別 系數(shù) h 值 機構工作級別 系數(shù) h 值M1~M3 14 M6 20M4 16 M7 22.49M5 18 M8 25根據(jù)本卷筒工作工況要求，參照上述表 3-2~3-5 可選定工作級別為 M4，則16?h故： mhdD28160??按照表 3-1 卷筒直徑 D 系列，取卷筒直徑 ，故本次設計的提升裝280?D置采用 JB/T9006.1-1999 中標準鑄造卷筒，且取卷筒直徑 。3.2電動機的選擇正確選擇電動機額定功率的原則是：在電動機能夠滿足機械負載要求的前提下，最經(jīng)濟、最合理地決定電動機的功率。建筑卷筒屬于非連續(xù)工作機械，而啟動、制動頻繁，因此選擇電動機應與其工作特點相適應。建筑卷筒主要采用三向交流異步電動機。該卷筒輸出功率：KWFvP17.860.9153???F——額定拉力（ F=5000KG） ；V——提升速度（V=10m/min） ；——卷筒整機傳動效率。?可設定效率 ＝0.85，則輸入功率：KP6.985.0170??根據(jù)該卷筒的工作特點可選 Y 系列異步電動機。據(jù)化學工業(yè)出版社《機械設計手冊》第四版可選電動機：Y160M－4其技術參數(shù)如表 3-6：表 3-6 技術參數(shù)型號 功率/kw 轉速 r/min 重量（kg）Y1160L-4 11 1460 1233.3液壓馬達的選用與驗算3.3.1液壓馬達的分類及特點起重機的常用液壓馬達分為高速液壓馬達和低速液壓馬達。高速液壓馬達的主要性能特點是負載速度低、扭矩小、體積緊湊、重量輕，但在機構傳動中需與相應的減速器配套使用，以滿足機構工作的低速重載要求，其他的特點與同類的液壓泵相同，較多應用的有擺線齒輪馬達，軸向柱塞馬達。低速液壓馬達的負載扭矩大、轉速較低、平穩(wěn)性較好，可直接或只需一級減速驅動機構，10但體積和重量較大。內(nèi)曲線徑向柱塞或球塞馬達和軸向球塞式馬達是較常用的型式。液壓馬達在使用中并不是泵的逆運轉，它的效率較高，轉速范圍更大，可正、反向運轉，能長期承受頻繁沖擊，有時還承受較大的徑向負載。因此，應根據(jù)液壓馬達的負載扭矩、速度、布置型式和工作條件等選擇液壓馬達的結構型式、規(guī)格和連接型 根據(jù)已知液壓馬達的工作壓力為 16.5MP，總排量 520ml/r，初選液壓馬達的型號為 JMQ—23 型低速大扭矩葉片馬達，參數(shù)見（表 3-7） 。型號 排量（ml/r）壓力（Mp ）轉速（r/min）效率 轉矩（N/m）額定 最高 額定 最高 容積效率 總效率JMQ—2360416 20 75 400 0.95 0.851440表 3-7 YM630 型葉片馬達參數(shù)3.3.2馬達的驗算滿載起升時液壓馬達的輸出功率 mP（kw）210Qv????式中 ——起升載荷動載系數(shù)，因液壓馬達不具有電動機的過載能力而馬2?達工作壓力又受系統(tǒng)壓力限制，一般取 =1.15~1.3；2?——額定起升載荷（N）Q——物品起升速度（m/s）v——機械總效率，初步計算時，取 0.8~0.85。???額定起升載荷 根據(jù)下式計算QSm??式中 ——鋼絲繩自由端拉力（N） ；S——滑輪組倍率。m根據(jù)已知 =10787.7N。一般當起升載荷 時，滑輪組倍率宜取50QPkN?2， 時，倍率取 3~6，載荷量更大時，倍率可取 8 以上。因此，50QPk?11。2m?把數(shù)值代入到式子中得： =21575.4N1078.2Q??物品提升速度按下式計算： =0.5m/sv根據(jù)需要選取 =1.3，機械總效率取 =0.85，卷筒機械效率 =0.97，2?2??m?=0.5m/s， =21575.4N，把數(shù)據(jù)代入式中得：1v?Q=17.009kw.3257.40098mP?滿載起升時液壓馬達輸出扭矩 mT2[(1)]()QDzdNmi??????式中 ——減速器傳動比；i——鋼繩在卷筒上的卷繞層數(shù)。z其余符號同以前式子。由于已知為大排量馬達，選用低速方案。因此不采用減速器，所以 =1。i又由已知卷筒鋼絲繩卷繞三層，故 =3。z把所有數(shù)值代入式子中得：=1004.8451.3257.4[0(231)0.8].95mT????? Nm?所選用的馬達的額定轉矩為 =1440 ，因為 ，所以選用的馬達T?T?轉矩符合要求。計算液壓馬達的轉速 和輸入油量mnmQ根據(jù) 60[(1)]ivDzd????式中各符號同以前的式子，把數(shù)值代入式中得：=176.43 r/min6021.5[.8]mn????計算馬達的輸入油量用下式12mvqnQ???式中 ——液壓馬達的排量（ml/r） ；——液壓馬達容積效率。mv?馬達的排量根據(jù)已知得 =520 ml/r， 根據(jù)下式計算：mqmv??v???式中 ——液壓馬達總效率；m?——液壓馬達機械效率。?根據(jù)表查得 取 0.85， 取 0.9。mm??把數(shù)代入式中得： =0.950.859v??把所計算的數(shù)據(jù)代入式中得： 3(/)r選用的液壓馬達轉速范圍為 r/min，由于計算得 =216r/min，所以75~40mn馬達的轉速符合要求。13第四章 卷筒設計與校核4.1卷筒的分類和特點卷筒是起升機構中卷繞鋼絲繩的部件。常用卷筒組類型有齒輪連接盤式、周邊大齒輪式、短軸式和內(nèi)裝行星齒輪式。齒輪連接盤式卷筒組為封閉式傳動，分組性好，卷筒軸不承受扭矩，是目前橋式起重機卷筒組的典型結構。缺點是檢修時需沿軸向外移卷筒。周邊大齒輪式卷筒組多用于傳動速比大、轉速低的場合，一般為開式傳動，卷筒軸只承受彎矩。短軸式卷筒組采用分開的短軸代替整根卷筒長軸。減速器側短軸采用鍵與過盈配合與卷筒法蘭盤剛性連接，減速器通過鋼球或圓柱銷與底架鉸接；支座側采用定軸式或轉軸式短軸，其優(yōu)點是構造簡單，調(diào)整安裝比較方便。內(nèi)裝行星齒輪式卷筒組輸入軸與卷筒同軸線布置，行星減速器置于卷筒內(nèi)腔，結構緊湊。根據(jù)鋼絲繩在卷筒上卷繞的層數(shù)分單層繞卷筒和多層繞卷筒。由于本設計的卷繞層數(shù)為三層，因此采用多層卷筒。根據(jù)鋼絲繩卷入卷筒的情況分單聯(lián)卷筒（一根鋼絲繩分支繞入卷筒）和雙卷筒（兩根鋼絲繩分支同時繞入卷筒） 。單聯(lián)卷筒可以單層繞或多層繞，雙聯(lián)卷筒一般為單層繞。起升高度大時，為了減小雙聯(lián)卷筒長度，有將兩個多層繞卷筒同軸布置，或平行布置外加同步裝置的14實例。多層卷筒可以減小卷筒長度，使機構緊湊，但鋼絲繩磨損加快，工作級別M5 以上的機構不宜使用。4.2卷筒設計計算根據(jù) 3.1 節(jié)已選定卷筒直徑 280?D4.2.1卷筒長度 L確定由于采用多層卷繞卷筒 L，由下式 1.()lpnd????.~2?式中 ——多層卷繞鋼繩總長度（mm） ；l根據(jù)已知卷筒容繩量為 27m，所以 =27m，l把數(shù)據(jù)代入式中得=195.52mm31.2709.6(8)L????取多層卷繞卷筒長度 =200mm。4.2.2繩槽的選擇單層卷繞卷筒表面通常切出導向螺旋槽，繩槽分為標準槽和深槽兩種形式，一般情況都采用標準槽。當鋼絲繩有脫槽危險時（例如起升機構卷筒，鋼絲繩向上引出的卷筒）以及高速機構中，采用深槽。多層卷繞卷筒表面以往都推薦做成光面，為了減小鋼絲繩磨損。但實踐證明，帶螺旋槽的卷筒多層卷繞時，由于繩槽保證第一層鋼絲繩排列整齊，有利于以后各層鋼絲繩的整齊卷繞。光面卷筒極易使鋼絲繩多層卷繞時雜亂無序，由此導致的鋼絲繩磨損遠大于有繩槽的卷筒。帶繩槽單層繞雙聯(lián)卷筒，可以不設擋邊，因為鋼絲繩的兩頭固定在卷筒的兩端。多層繞卷筒兩端應設擋邊，以防止鋼絲繩脫出筒外，檔邊高度應比最外層鋼絲繩高出 。(1~.5)d（1）繩槽半徑 根據(jù)下式R(0.53~.6)d?取 R=0.5d把數(shù)值代入得：15繩槽節(jié)距 P=d+（2～4）mm取 P=8+2=10mm繩槽深度 h=（0.25～0.4）d取 h=0.35d=0.35×8=2.8圖 4-1 繩槽的放大示意圖（2）卷筒上有螺旋槽部分長 0L01()3lpZd??式中 —— = ，卷筒計算直徑，由鋼絲繩中心算起的卷筒直徑0D0d?（mm） ；—— 1.5，為固定鋼絲繩的安全圈數(shù)。取 2；1z?1Z?把數(shù)據(jù)代入式中得=167.8mm30271()08L???由此可取 =170mm。0L（3）繩槽表面精度：2 級—— 值 12.5。aR4.2.3卷筒壁厚 ?初步選定卷筒材料為鑄鐵卷筒，根據(jù)鑄鐵卷筒的計算式子：mm0.2(6~10)D??把數(shù)值代入式中有： =0.02D+8=12mm，故選用 =12mm。??4.2.4鋼絲繩允許偏角鋼絲繩繞進或繞出卷筒時，鋼絲繩偏離螺旋槽兩側的角度推薦不大于3.5o。16對于光面卷筒和多層繞卷筒，鋼絲繩與垂直于卷筒軸的平面的偏角推薦不大于 2o，以避免亂繩。布置卷繞系統(tǒng)時，鋼角推薦不大于 5o，以避免槽口損壞和鋼繩脫槽。4.3卷筒強度計算卷筒在鋼絲繩拉力作用下，產(chǎn)生壓縮，彎曲和扭轉剪應力，其中壓縮應力最大。當 時，彎曲和扭轉的合成應力不超過壓縮應力的 ，只3LD? 10%~5計算壓應力即可。當 時，要考慮彎曲應力。對尺寸較大，壁厚較薄的卷?筒還需對筒壁進行抗壓穩(wěn)定性驗算。由于所設計的卷筒直徑 =200mm， =200mm， 。所以只計算壓L3D?應力即可。卷筒筒壁的最大壓應力出現(xiàn)在筒壁的內(nèi)表面壓應力 按下式計算：c?max12[]ccSAp????式中 ——卷筒壁壓應力（MPa） ；c?——鋼絲繩最大靜拉力（N） ；maxS——應力減小系數(shù)，在繩圈拉力作用下，筒壁產(chǎn)生徑向彈性變形，使繩1A圈緊度降低，鋼絲繩拉力減小，一般取 ；10.75A?——多層卷繞系數(shù)。多層卷繞時，卷筒外層繩圈的箍緊力壓縮下層鋼絲2繩，使各層繩圈的緊度降低，鋼絲繩拉力減小，筒壁壓應力不與卷繞層數(shù)成正比 按表取值；2A——許用壓應力，對鑄鐵 ， 為鑄鐵抗壓強度極限，對鋼[]c?[]c?/5b?b， 為鋼的屈服極限。/s?s取 ， 按表取 ，根據(jù)已知卷筒底層拉力 1100kgf，可算得10.75A221.8A，把各數(shù)代入式中：max9.8.7SN??=121.36MP0.75120c?根據(jù)所計算的結果查得卷筒的材料為球墨鑄鐵 ，其抗壓強度極限802QT?17， ， =121.36MP100~300162~217 580 290 270 135 5545調(diào)質 200?217~255 650 360 300 155 605.7.1輸入軸的設計軸的合理外型應滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的26零件應便于裝拆和調(diào)整。軸應具有良好的制造工藝性.影響軸結構的主要因素有：軸的受力性質，大小，方向及分布情況；軸上零件的布置和固定形式；所采用軸承類型和尺寸；軸的加工工藝等。（1）求出輸入軸上的轉矩 618.479.50950503.816PT Nmn??????其中： ---輸入功率，取 8.47kW；1---輸入轉速，取 1460 r/min；n（2）初步確定軸得最小直徑由于軸的材料選用的為 45 鋼，調(diào)質處理，抗拉強度 ,屈服MPab750??，彎曲疲勞極限 ，扭轉疲勞極限 。MPas50??MPa3501???21??通過《機械設計手冊》第四版第二卷表 6-1-19 選取 =126。則有：0A。133min08.47262.60dAm??輸入軸的最小直徑安裝在聯(lián)軸器處軸的直徑，為了使所選的軸的直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。聯(lián)軸器轉矩的計算：（N.m）ntzwcTKnpT??950式中 ——驅動功率，KW；——工作轉速，r/min；——動力機系數(shù)，由于為電動機，故取 1；wK——工作系數(shù)，故取 1.75；——啟動系數(shù)，取 1；z——溫度系數(shù)，取 1.1；t——公稱轉矩，N.mnT所以， 。8.479509501.5.106.56cwztpKNmn?????0英文原文Electrical Winch Controlsby Tom YoungThe form of motor control we all know best is the simple manual station with up and down pushbuttons. While these stations may still be the perfect choice for certain applications， a dizzying array of more sophisticated controls is also available. This article addresses the basic electrical requirements of the motors and user interface issues you will need to address before spcifying， building or buying winch controls.begin with， the manual control stations should be of the hold-to-run type， so that if you take your finger off of the button the winch stops. Additionally， every control station needs an emergency stop (E-stop) that kills all power to the winch， not just the control circuit. Think about it—if the winch isn’t stopping when it should， you really need a failsafe way to kill the line power. It’s also a great idea to have a key operated switch on control stations， especially where access to the stations is not controlled.Safe operation by authorized personnel must be considered when designing even the simplest manual controls.Controlling Fixed Speed MotorsThe actual controlling device for a fixed speed winch is a three phase reversing starter. The motor is reversed by simply switching the phase sequence from ABC to CBA. This is accomplished by two three-pole contactors， interlocked， so they can’t both be closed at the same time. The NEC requires both overload and short circuit protection. To protect the motor from overheating due to mechanical overloads a thermal overload relay is 1built into the starter. This has bi-metallic strips that match the heating pattern of the motor and trips contacts when they overheat. Alternatively， a thermistor can be mounted in the motor winding to monitor the motor temperature. Short circuit protection is generally provided by fuses rated for use with motors.A separate line contactor should be provided ahead of the reversing contactor for redundancy. This contactor is controlled by the safety circuits: E-stop and overtravel limits. This brings us to limit switches. When you get to the normal end of travel limit the winch stops and you can only move it in the opposite direction (away from the limit). There also needs to be an overtravel limit in case， due to an electrical or mechanical problem， the winch runs past the normal limit. If you hit an overtravel limit the line contactor opens so there is no way to drive off ofthe limits. If this occurs， a competent technician needs to fix the problem that resulted in hitting the overtravel limit. Then， you can override the overtravels using the spring return toggle switch inside the starter—as opposed to using jumpers or hand shooting the contactors.Variable Speed RequirementsOf course， the simple fixed speed starter gets replaced with a variable speed drive. Here’s where things start to get interesting! At the very least you need to add a speed pot to the control station. A joystick is a better operator interface， as it gives you a more intuitive control of the moving piece.Unfortunately， you can’t just order any old variable speed drive from your local supplier and expect it to raise and lower equipment safely and reliably over kids on stage. Most variable speed drives won’t， as they aren’t designed for lifting. The drive needs to be set up so that torque is developed at the motor before the brake is released， and (when stopping) the brake is set before torque is taken away.For many years DC motors and drives provided a popular solution as they allowed for good torque at all speeds. The large DC motors required for most winches are expensive， costing many times what a comparable AC motor costs. However， the early AC drives were not very useful， as they had a very limited speed range and produced low torque at low speeds. More recently， as the AC drives improved， the low cost and plentiful availability of AC motors resulted in a transition to AC drives.There are two families of variable speed AC drives. Variable frequency inverters are well known and readily available. These drives convert AC to DC， then convert it2back to AC with a different frequency. If the drive produces 30 Hz， a normal 60 Hz motor will run at half speed. In theory this is great， but in reality there are a couple of problems. First， a typical 60 Hz motor gets confused at a line frequency below 2 or 3 Hz， and starts to cog (jerk and sputter)， or just stops. This limits you to a speed range of as low as 20:1—hardly suitable for subtle effects on stage! Second， many lower cost inverters are also incapable of providing full torque at low speeds. Employing such drives can result in jerky moves， or a complete failure to lift the piece—exactly what you don’t want to see when you are trying to start smoothly lifting a scenic element. Some of the newer inverters are closed loop (obtain feedback from the motor to provide more accurate speed control) and will work quite well.The other family of AC drives is flux vector drives. These units require an encoder mounted on the motor shaft allowing the drive to precisely monitor the rotation of the armature. A processor determines the exact vector of magnetic flux (thus flux vector drive) required to rotate the armature the next few degrees at a given speed. These drives allow an infinite speed range， as you can actually produce full torque at zero speed. The precise speed and position control offered by these drives make them a favorite in high performance applications.PLC-based controls provide system status as well as control options. This screen give the operator full access to Carnegie Hall’s nine stage floor lifts.PLC Based SystemsA PLC is a programmable logic controller. First developed to replace the relay based industrial control systems of the ’50s and ’60s， these controls are at home in rugged， industrial environments. These are modular systems with a great variety of I/O modules allowing semi-custom hardware configurations to be assembled easily at a reasonable price. These include position control modules， counters， A/D and D/A converters and all sorts of 3solid state or hard contact closure outputs. The great variety of I/O components and the modular nature of the PLC make this an effective way to build custom and semi-custom control systems.The greatest drawback to PLC systems is the lack of really great displays to tell you what they are doing or to help you program them. Monochrome and medium resolution color displays are the norm， as the primary use for these components in on a factory floor.One of the first major PLC systems used in a large entertainment venue is the complex lift and wagon system at the original MGM Grand (now Bally’s) in Las Vegas. Several manufacturers offer standard PLC-based systems and a host of semi-custom acoustic banner， shell， and lift control systems is also available. The ability to build custom systems from standard building blocks is the greatest strength of PLC-based controls.High End ControllersThe most sophisticated rigging controllers go well beyond speed， time， and position control. They include the ability to write complex cues， record profiled moves， and manage multiple cues running at once.Many of the larger opera houses are moving toward point hoist systems， where there is a separate winch for each lift line (the rigging equivalent of dimmer per cir cuit). When multiple winches are used to carry a single piece， the winches must be perfectly synchronized， or the load can shift so that an individual winch can become dangerously overloaded. The control system must be able to keep selected winches in synch or provide a rapid， coordinated stop if a winch is unable to stay in synch with the others. With a typical top speed of of each other?240 fpm and a requirement to keep the winches within a 1/8″， you have less than three milliseconds to recognize a problem， attempt to correct the errant winch’s speed， determine that you’ve failed and initiate a coordinated stop of all the winches in the group. This takes a lot of computing， fast I/O， and well-written software.There are two very different approaches to large rigging control systems. Originally， a single console was used， with the usual problem of where it should be located for the operator’s optimum view. Unfortunately this can change not only from show to show， but also from one cue to the next. This dilemma has been partially addressed by using video cameras at different locations in conjunction with 3D screen graphics that allow the operator to view the expected rigging motion three dimensionally from any viewpoint. This allows the operator to view the on screen movement of the rigging from a viewpoint that matches his actual view of the stage， or the actual view of a closed circuit camera. For complex moves with inter-related pieces this makes the control and understanding of what is happening much simpler.4The other approach is a distributed system， with several portable consoles. This allows different operators to control different aspects of the rigging， in the same manner we have done with manual sets. A dramatic example of this approach is used by the Royal Opera at Covent Garden， where there are ten consoles controlling a total of 240 motors. Each console has five playbacks， and is set up so that each motor is assigned to a single console. One operator and console could control everything， but frequently one console may be running stage lifts， another the onstage rigging， and a third is being used backstage to move stored drops.Cutting-edge portable consoles allow multiple operators to control the action from the best vantage points and provide 3D displays.Reprinted from PROTOCOL， the Journal of the Entertainment Services and Technology Association (www.esta.org) Fall 2003 issue. ?2003 ESTA.ConclusionThe tremendous variety of rigging control systems currently available ranges from the pushbutton station to complex multi-user computerized control system. When shopping for rigging control systems you generally get what you pay for. The most important features are safety and reliability. These are features with real value， and you should expect to pay a fair price for this security. Work with an established manufacturer who can show you working installations and who will put you in contact with users who have requirements similar to yours. 5中文譯文電力絞車的控制對于電動機的控制，我們所知道的最好的方式就是使用由許多點動式按鈕組成的簡單的手工操作臺。而這種操作臺在某些應用方面可能仍然是個不錯的選擇，如一些令人頭痛的復雜的控制也可以用。這篇文章講述了，在你設計、組建或是購買絞車控制器之前，你必須對電動機的基本電氣設備和你將需要尋址的用戶接口命令進行編址。首先，手動控制臺應該是手動控制型的，因此，如果你把你的手指移開按鈕，絞車就會停車。另外，每個控制工作站都需要配備緊急制動閘，緊急制動閘可以切斷絞車的所有電源，而不僅僅是控制電路的。仔細想想看，如果絞車在該停車時，它卻沒有停下來，你就確實需要一種故障保障的方法去切斷線路的電源。在控制工作臺上設置一個關鍵操作開關，也是一個非常好的主意，特別是在通向工作站的線路不能控制時，就可以用那個開關來控制。(在設計控制臺時，即使是最簡單的手工控制臺，也要考慮設置由專門人員操作的安全操作按鍵。)控制定速電動機對于一臺定速絞車的實際控制設備是一臺三相起動器。電動機的轉向被反向，是通過簡單的開關控制相序從 A-B-C 變換到 C-B-A。這些動作被完成，是通過兩個三磁極式電流接觸器，而且它們是互鎖的，所以，它們不可能被同時關閉。NEC 公司要求同時擁有過載和短路保護裝置。為了保護電動機免受由于機械過載引起的過熱的影響，在起動器內(nèi)要安裝熱量過載延遲裝置。當熱量過載延遲裝置過熱時，它所擁有的雙金屬長條斷開電動機的電源。除此外，還可以選擇一臺電熱調(diào)節(jié)器可以用纏繞的方式安裝在電動機上，它可以用于監(jiān)控電動機的溫度變化。對于短路保護，我們一般是通過電動機常用的熔斷器來實現(xiàn)的。一臺獨立的線性電流接觸器，被配置的電流接觸器應該超過主回路的電流接觸器，從而達到冗余的目的。這臺電流接觸器是由安全電路來控制的，如：緊急制動和越程極限。我們可以使用限位開關來實現(xiàn)上述的操作。當你到達正常的行程極限位置末端時，絞車就會停車，并且你只能夠向相反的方向移動絞車(即遠離極限位置的方向)。這里也需要一個越程限制以防萬一，由于電氣的或者機械的問題，而使絞車的運行超過正常的6極限位。如果你碰到越程限制器，線形電流接觸器就會打開，因此，絞車將無法被驅動超過這個極限位置。如果上述情況發(fā)生，就需要請專業(yè)的技術人員來檢查導致碰到越程限制器的具體原因。然后，你就能夠用起動器內(nèi)部的彈力恢復撥動開關來處理越程的問題，而不是使用跳閘器或是手工切斷電流接觸器。變速的必要條件當然，簡單的定速起動器被變速驅動器所取代。這就使事情開始變得有趣起來了！至少，你需要在控制操作臺上增加一個速度表盤。操縱桿是一個較好的操作接口，由于它使你對部件的移動有一個更直觀的控制。不幸的是，你不能僅僅從你的本地控制臺去發(fā)命令控制老式的變速驅動器，此外，你不能希望它在初始階段，就能安全而可靠的提升與下放設備。大多數(shù)的變速驅動器不能實現(xiàn)上述的要求，因為它們并不是設計用來做提升工作的。驅動器需要設置成在制動器松開之前，就能夠在電動機上產(chǎn)生扭矩，并且，當停車時，即在扭矩撤銷之前，制動器將先動作。許多年來，直流電動機和驅動器提供了一些普遍的解決方案，如它們在各種速度時都具有良好的力矩特性。對于大多數(shù)的絞車所需求的大型直流電動機是很貴的，那要比同類型的交流電動機貴得多。雖然，早期的交流驅動器不是非常有用，如它們有一個非常有限速度適用范圍，而且僅產(chǎn)生低速小扭矩。如今，隨著直流驅動器的發(fā)展，低成本而且大量可用的交流電動機的出現(xiàn)，導致了一場交流驅動的革命。變速交流驅動器有兩個系列。變頻轉換器已經(jīng)家喻戶曉，而且的確很容易使用。這些驅動器將交流轉換成直流，然后，再把它轉換回交流，轉換后的交流已經(jīng)是不同頻率的。如果驅動器產(chǎn)生 30Hz 的交流，一臺正常的 60Hz 的電動機將以一半的速度運行。從理論上說，這非常好，但是，在實際中，這將會有很多的問題。首先，一臺典型的 60Hz的電動機在線性頻率低于 2Hz 或是 3Hz 的區(qū)域會出現(xiàn)誤差，并且，開始嵌齒(即急推，猛拉)，或是停車。這將限制你的速度范圍低于 20：1，幾乎不適應于運行階段的細微調(diào)節(jié)。其次，許多低成本的轉換器也不能夠在低速時提供額定扭矩。使用這些驅動器，將導致急速移動，或是對于提升部件完全的失效，準確地說，當你試圖去平穩(wěn)的提升一臺科學儀器時，你不愿看到這樣的情況。一些新型的變極器是閉環(huán)系統(tǒng)(從電動機獲得反饋，提供更加準確的速度控制)，并且使電動機將會工作的相當好。交流驅動器的另一個系列是流量矢量型驅動器。這些元器件要求在電動機的主軸上安裝編碼器，使用這些編碼器會使驅動器可以準確地監(jiān)控電機電樞的旋轉。處理器測定了準確的磁性流量的矢量值，這些值要求使電樞在給定的速度下旋轉。這些驅動器允許有無窮大的速度，因此，你實際能夠在零速度時就產(chǎn)生額定扭矩。這些驅動器所提供的準確的速度和位置的控制，使這些驅動器在高性能應用方面受到歡迎。(基于 PLC 的控制器提供有系統(tǒng)狀態(tài)和控制選項。這個屏幕展示給操作者全面的訪問卡內(nèi)基霍爾德的九層電梯提升的控制面板。)基于 PLC 的系統(tǒng)一臺 PLC 的全稱是可編程序邏輯控制器。首先，PLC 的控制器發(fā)展到取代了基于五六十年代的工業(yè)控制系統(tǒng)的繼電器，它們工作在室內(nèi)的惡劣的工業(yè)環(huán)境中。這些是模塊化的系統(tǒng)，它們具有大量的各種各樣的 I/O 模塊。這些模塊化的系統(tǒng)可以很容易的實現(xiàn)把半自定義的硬件配置組裝起來，而這樣得到的配置的價錢也很合理。這些模塊包括：位7置控制模塊，計數(shù)器，A/D 和 D/A 轉換器，以及各種實體狀態(tài)或是物理接觸閉式輸出模塊。大量不同類型的 I/O 元器件和 PLC 的模塊屬性使得它成為一條有效的途徑去組裝自定義和半自定義的控制系統(tǒng)。對于 PLC 系統(tǒng)的最大的不足就是缺少真實的大量的顯示功能，從而告訴你 PLC 正在做什么和幫助你對 PLC 進行編程。第一臺被用于大型娛樂場所的專業(yè)的 PLC 系統(tǒng)之一，是在拉斯維加斯的原米高梅電影制片公司(現(xiàn)在的貝利公司)的搭車和四輪馬車系統(tǒng)上。許多的制造商提供了標準的基于 PLC 的系統(tǒng)和半自動化聲學的標志的主機，設定命令行解釋器的位置，以及提升控制系統(tǒng)也是可用的。使用標準的模塊去組構用戶自定義系統(tǒng)的能力是基于 PLC 的控制器的最大的優(yōu)勢。高端控制器對于復雜的傳動裝置，控制器開始變得復雜，超過了速度，時間以及位置控制。它們包括寫出復雜的指令，記錄輪廓線的移動，以及處理可以立即運行的多點指令的能力。許多大型的歌劇院正向著點提升系統(tǒng)的方向發(fā)展，在那里為每一條提升繩索配置有一臺獨立的絞車，那些繩索等同于每條電路的調(diào)光器。當多臺絞車被用來提升單個的部分時，這些絞車必須完全的同步，或是載荷能夠轉移，如此會導致一臺單獨的絞車變得有過載的危險?？刂葡到y(tǒng)必須能夠使被選的絞車保持同步，或是在一臺絞車不能夠保持與其他絞車同步時，能提供高速的同等的停車能力。對于一臺典型的高速達 240 英尺/分鐘和一臺要保持絞車的彼此間的速度誤差在 1/8 分之內(nèi)的設備，你只有少于三微秒的時間去確認問題，并嘗試糾正錯誤的絞車速度，在確定你失敗后，你起動組中所有絞車的停車。這將需要大量計算，快速 I/O 接口，以及好用的寫入軟件。對于大型的繩索控制系統(tǒng)有兩種非常不同的解決方法。首先是，使用單獨的控制臺，對于一般的問題而言，這樣的控制臺應該安裝在適合于操作者視角的位置。然而，這不僅不能夠從一個角度到另一個角度觀察，而且還不可以從一條指令到另一條指令的控制。這些困難已經(jīng)被部分解決。通過使用安裝在不同位置的視頻攝像機，而且這些攝象機連接于三維屏幕圖形，這些圖形使得操作者可以從任意的視角去觀察在三個坐標方向上的預期的繩索運動。這些可以使得操作者，從一個適合他在實際的操作臺處的視角，或是實際的閉環(huán)電路照相機的視角，來觀察在屏幕上的繩索的運動。對于有內(nèi)部關聯(lián)的部件的復雜的移動，上述的觀察使得實現(xiàn)控制和查出故障原因變得更加簡單。另一個解決的方案就是分布式系統(tǒng)，這個系統(tǒng)使用了多個輕便的控制臺。這將允許不同的操作者以同樣的方式控制傳動裝置的不同方面，我們已經(jīng)改進了手動控制裝置。一個生動的例子，就是在倫敦中部一個蔬菜花卉市場的皇家歌劇院使用了上述的方案，在那里用十個控制臺控制著 240 臺電動機。每個控制臺有五個錄音重放裝置，并且已經(jīng)被開啟，以便于每臺電動機被指派給一個單獨的控制臺。一位操作者和一個控制臺就能夠控制所有的裝置，但是，常常是一個控制臺可能是運行臺幕的提升，另一個控制臺是控制臺上的傳動裝置，以及第三個控制臺被用來在后臺將必要的背景畫面放下。(刃口式輕便的控制臺允許多位操作者從最優(yōu)點出發(fā)來控制機器的運動，并且提供三維圖象的顯示。)結論8有巨大變化的繩索控制系統(tǒng)，已經(jīng)從按鈕式的工作站發(fā)展到復雜的多用戶的計算機化的控制系統(tǒng)。當要購買繩索控制系統(tǒng)時，你總是可以找到滿足你需要的?？刂葡到y(tǒng)最重要的性能是安全性和可靠性。這些是有真實價值的性能，而且你會期望能以一個合適的價格買到這樣的安全性。與某個確定的產(chǎn)品制造商共事，他會使你知道如何進行安裝。而且，他將會讓你和用戶接觸，那些用戶有著與類似的要求。