畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-高桿燈提升裝置設(shè)計(jì).docx

摘 要高桿燈，總體高度達(dá)到20米以上，是我們現(xiàn)今社會(huì)中比較重要的照明方式。在安裝與維修的時(shí)候，工人要上到20米以上的高空進(jìn)行作業(yè)，工人的生命安全將會(huì)產(chǎn)生威脅。本文擬對(duì)高桿燈的提升裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，高桿燈的維修借助此升降裝置，將燈盤或部分燈盤降低至地面再進(jìn)行修理。在修理之后，再次將燈盤提升上去進(jìn)行安裝。這種方法省時(shí)省力，工人的安全得到了保障。關(guān)鍵詞：高桿燈；提升裝置；卸載裝置；制動(dòng)裝置AbstractPole lamp, the overall height of 20 meters, is more important in todays society we are lighting the way. When the installation and maintenance workers to up to 20 meters above the altitude of work, workers life would be a threat to the safety of workers. This paper on the pole lifting device design, pole maintenance by means of this lifting device or part of the lower Medallions to the ground again for repairs. Following repair, raise up again Medallions installation. This approach saves time and effort, the safety of workers has been secured. Keys：Pole； lifting device； unloading device；brakes目錄1. 緒論11.1課題背景11.2 課題研究目的11.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.4本章小結(jié)32. 總體方案設(shè)計(jì)42.1設(shè)計(jì)要求42.2關(guān)鍵問(wèn)題42.3總體方案示意圖42.4部件方案示意圖52.5可行性分析72.6部分三維圖裝配圖82.7本章小結(jié)93. 機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)和選擇103.1卷?yè)P(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)103.1.1電動(dòng)機(jī)選型103.1.2滾筒的設(shè)計(jì)113.1.3軸的設(shè)計(jì)123.1.4齒輪的設(shè)計(jì)163.1.5軸承端蓋的設(shè)計(jì)和其緊固件的選擇173.2抱閘卸載裝置的設(shè)計(jì)203.2.1抱閘鉗數(shù)學(xué)模型分析203.2.2抱閘鉗的設(shè)計(jì)分析213.2.3彈簧的設(shè)計(jì)分析213.2.4抱閘鉗轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)分析223.2.5外殼的設(shè)計(jì)233.3制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)243.2.1制動(dòng)裝置數(shù)學(xué)模型分析243.2.2U型蹄設(shè)計(jì)253.4本章小結(jié)25總結(jié)與展望26總結(jié)26展望26參考文獻(xiàn)27致謝28IIIError! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document. 1. 緒論1.1課題背景在工業(yè)、科技發(fā)展的今天，人們的工作量也隨之不斷的增加。以至于，在工作效率相似的情況下，工作時(shí)間也相對(duì)應(yīng)的不斷增加。在快節(jié)奏的生活下，人們有了“一寸光陰，一寸金”的時(shí)間理念。于是乎，廣場(chǎng)、公路、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所，直到黑夜也是人流涌動(dòng)。在人們總體作息時(shí)間往后調(diào)整的今天，大面積的照明設(shè)施顯得尤為的重要。因此高桿燈的應(yīng)用也受到了很高的重視。高桿燈，一般指15米以上組合式燈架和鋼制錐形燈桿構(gòu)成的照明裝置。它由內(nèi)部燈具電氣、燈架、燈盤以及桿體等基礎(chǔ)部分組成。燈盤造型可根據(jù)周圍環(huán)境、照明需要的具體情況而定；內(nèi)部燈具多投光燈組成,高壓鈉燈作為燈源,照明半徑遠(yuǎn)達(dá)50米。桿體大多用鋼板卷制而成，為棱錐形獨(dú)體結(jié)構(gòu)，高度為1540米。由于高桿燈的高度，高桿燈的安裝與維修是一個(gè)重要的問(wèn)題。關(guān)于高桿燈的安裝與維修，有兩種可行性的方案。（1）將桿體整體放倒，進(jìn)行安裝維修。這種方法存在巨大的劣勢(shì)，由于桿體總體較重，且長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)15米以上，因此在放倒過(guò)程中，將產(chǎn)生巨大的力矩，對(duì)桿體質(zhì)量以及提升裝置等有較大的載荷，易出現(xiàn)破損變形等；考慮到桿體尺寸，若要放倒，則會(huì)占據(jù)非常大的一塊面積，妨礙到工作出行等；此方法會(huì)用到大量的人力物力，耗時(shí)耗力，對(duì)于如今的效率至上的時(shí)代并不符合。（2）將燈具沿桿體提升與降落，進(jìn)行安裝維修。此方法對(duì)比于上種方法，所需的人力物力較少，而且并不會(huì)占用過(guò)大的面積。由于是沿著桿體軸向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的力矩也將很小。有較好的應(yīng)用意義。本設(shè)計(jì)就是針對(duì)第二種方案進(jìn)行高桿燈提升裝置的設(shè)計(jì)。1.2 課題研究目的對(duì)于高桿燈，總體高度達(dá)到20米以上。若要維修，工人要上到20米以上的高空進(jìn)行作業(yè)，工人的生命安全將會(huì)產(chǎn)生威脅。本文擬對(duì)高桿燈的提升裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，高桿燈的維修借助此升降裝置，將燈盤或部分燈盤降低至地面再進(jìn)行修理。在修理之后，再次將燈盤提升上去進(jìn)行安裝。這種方法省時(shí)省力，工人的安全得到了保障。因此，本課題的設(shè)計(jì)有著重要的理論以及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀高桿照明系統(tǒng)通常在國(guó)內(nèi)稱為高桿燈，國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)定義高度在20m或以上者為高桿照明系統(tǒng),。其有著較大照明面積的高桿燈系統(tǒng)，因此戶外大面積照明場(chǎng)所都會(huì)選擇高桿燈作為其主要照明設(shè)備進(jìn)行使用1。在燈桿的整體設(shè)計(jì)時(shí),風(fēng)荷載作為計(jì)算的主要依據(jù)，需要參照高桿燈安裝現(xiàn)場(chǎng)所，并且在該地區(qū)的最大風(fēng)速下，所能夠經(jīng)受的最大風(fēng)載荷作用 (個(gè)別地方,還須考慮到周圍氣霧的影響)。復(fù)核計(jì)算擬定的高桿燈桿根處應(yīng)受到的總風(fēng)荷載彎矩以及各分節(jié)桿體的力學(xué)特征, 同時(shí)應(yīng)該測(cè)算高桿燈底板的直徑和底板上地腳緊固螺栓孔的個(gè)數(shù)。固定式高桿照明燈，燈盤固定于燈桿頂部。維修時(shí)，工人必須借助鋼架、高架車等到達(dá)燈頭處再進(jìn)行維修，目前使用的升降式高桿燈有效的避免了這一難題。目前國(guó)外發(fā)明了傾倒式高桿燈，這種高桿燈在極端天氣下可以傾倒，便于維修的同時(shí)，也能很好的避免事故的發(fā)生。港口高桿燈一般為30米40米，由于港口發(fā)展的需要，監(jiān)控和通訊設(shè)備也被應(yīng)用于高桿燈，保障港口照明需求的同時(shí)，也方便了港口的管理，為確保港口的安全起到了重要作用2。對(duì)于燈盤的升降，一般會(huì)使用到卷?yè)P(yáng)機(jī)?？缮禑舯P在卷?yè)P(yáng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，可以沿?zé)魲U容易地升降,并可以在任意部位停留。燈盤的安裝、維修和照明覆蓋面的調(diào)整均可在地面上進(jìn)行,既減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度, 保證了操作人員的安全 ,并且省去了昂貴的高空升降車的購(gòu)買。為確保使用安全,升降燈架上設(shè)有防墜制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)懸吊鋼絲繩脫扣或拉斷時(shí),制動(dòng)系統(tǒng)能立即實(shí)現(xiàn)緩沖式制動(dòng),從而可確保地面人員的安全和燈架燈具等設(shè)備不受嚴(yán)重?fù)p壞3。大多數(shù)的提升裝置都與滑輪、滾筒等可以改變力的作用方向的構(gòu)件有著聯(lián)系。為了對(duì)這類升舉系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，并得到關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)特性，大多產(chǎn)品在其開(kāi)發(fā)初期就需要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，類似于滑輪組的仿真被大多數(shù)公司企業(yè)開(kāi)發(fā)部門所需要4。ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件是美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件。該軟件的求解器中采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，自動(dòng)的建立起數(shù)學(xué)模型及方程，并對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、計(jì)算有限元、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及運(yùn)動(dòng)范圍的輸入載荷等5。吊重滑輪組平衡式抽油機(jī)由吊重滑輪組平衡機(jī)、曲肘提升游梁擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、前置式游梁驢頭底座、支架組成。游梁用絞架固定，可以隨意上下擺動(dòng)。平衡吊重的吊繩的一端固定在托架上,并經(jīng)過(guò)一組滑輪對(duì)游梁前段部分總是能夠施加反向力矩，使其保持平衡。曲柄輪安裝在減速器輸出軸上,推拉桿與曲柄輪用曲柄銷裝置聯(lián)接, 三桿匯交軸、底座以及上下曲肘分別與游梁均以鉸鏈方式聯(lián)接6。一般情況下會(huì)使用Gear Joint，使得每段繩子與定滑輪接觸點(diǎn)保持始終相切的狀態(tài)7。文獻(xiàn)中也有提到海洋自升式平臺(tái)的升降系統(tǒng)。自升式海洋平臺(tái)是用鋼量少、移動(dòng)作業(yè)效率高、定位能力強(qiáng)以及造價(jià)低等特點(diǎn)，在臨海的石油開(kāi)采中起到了非常重要的位置。其中的升降裝置是其重要的裝置之一，保證了平臺(tái)整體的工作性能以及安全性能。齒輪齒條式升降裝置主要由安裝在每個(gè)樁腿上的齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，由于其具有工作連續(xù)升降速度快控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的工程應(yīng)用8.高桿燈在每個(gè)機(jī)場(chǎng)都有著廣泛的應(yīng)用,這些高桿燈大都由機(jī)場(chǎng)中不同的配電室手動(dòng)控制。這種人工分散控制成本高、效率低,控制質(zhì)量也難以保證。由于分布范圍廣,沿途路徑復(fù)雜,許多機(jī)場(chǎng)高桿燈升級(jí)改造面臨許多困難。因而我們提出了一種新型的高桿燈照明管理系統(tǒng),該系統(tǒng)采用Zigbee無(wú)線遠(yuǎn)程通訊技術(shù),將高桿連接成一個(gè)可控的系統(tǒng),具有本地、遙控等控制功能。工業(yè)級(jí)的硬件,使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，國(guó)際通用的無(wú)線2.4GHz的免費(fèi)頻段,系統(tǒng)保密性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn),不會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)其他的無(wú)線通訊產(chǎn)生任何干擾和數(shù)據(jù)誤傳9。高桿燈及其部件的設(shè)計(jì)制造，滲透于各門學(xué)科，用到了許多設(shè)計(jì)方法,有著它的嚴(yán)密性和科學(xué)性10。1.4本章小結(jié)本章節(jié)主要是對(duì)我們畢業(yè)設(shè)計(jì)中需要做的裝置進(jìn)行完整的了解，包括了對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展的了解、總體的設(shè)計(jì)方案，是整個(gè)設(shè)計(jì)的初始了解部分。本章教會(huì)了我們對(duì)資料庫(kù)的了解，懂得在何時(shí)何地能查到所需的資料，并加以應(yīng)用。也能讓我們明白，一件工作的開(kāi)始應(yīng)該做些什么。2.總體方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求通過(guò)起重裝置將燈具沿?zé)魲U降落到地面，維修后再通過(guò)同一套起重裝置將燈具提升到燈桿頂部。此種提升裝置操作方便，占地面積小，應(yīng)用廣泛。應(yīng)用這種方式對(duì)高燈桿燈進(jìn)行安裝與維修，需要為每套燈配置一套提升裝置，用于燈具的提升和降落?；緟?shù)：高度：30 m；頂端直徑：625 mm；底端直徑：1000 mm；提升重量：1000 kg；工作壽命400 h；2.2關(guān)鍵問(wèn)題1.卷?yè)P(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)，與電機(jī)的選擇問(wèn)題；2.脫掛鉤裝置的設(shè)計(jì)問(wèn)題；3.防墜裝置的設(shè)計(jì)問(wèn)題；4.提升的穩(wěn)定性問(wèn)題。2.3總體方案示意圖本設(shè)計(jì)通過(guò)了解設(shè)計(jì)對(duì)象的使用情況以及相關(guān)新技術(shù)對(duì)高桿燈的提升裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出實(shí)際可行的設(shè)計(jì)方案。圖2-1為提升裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖，電機(jī)作為提升裝置的動(dòng)力部分，需要通過(guò)減速器將速度降低。由于需要降低的轉(zhuǎn)速過(guò)大，需要通過(guò)齒輪進(jìn)行2次降速，所以需要對(duì)齒輪組進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算以做到減速的目的。傳動(dòng)過(guò)程中，裝置通過(guò)分線器，將主鋼纜分為4條副鋼纜，使得燈盤的提升更加穩(wěn)定。燈桿頂部有定滑輪組，對(duì)鋼纜方向進(jìn)行改變。在燈盤上升到頂端的時(shí)候，整體裝置不能一直處于通電的狀態(tài)。否則，鋼纜會(huì)因?yàn)橐恢碧幱诶鞝顟B(tài)，而導(dǎo)致疲勞斷裂。因此桿頂需要裝有抱閘卸載裝置，令鋼纜在非工作狀態(tài)下不受到外力的影響，降低鋼纜疲勞斷裂的可能性。燈架上裝有防墜制動(dòng)裝置，防止副鋼纜斷裂以及突然的停電的情況下，燈架墜落而造成不可磨滅的傷害。脫鉤裝置副鋼纜防墜裝置滑輪組主鋼纜卷?yè)P(yáng)機(jī)圖2-1 提升裝置總體示意圖2.4部件方案示意圖電機(jī)齒輪1滾筒齒輪2圖2-2 卷?yè)P(yáng)機(jī)示意圖圖2-2為卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，主要的零部件為電機(jī)、齒輪組、滾筒以及殼體。作為該裝置的整體動(dòng)力部分，卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)起到至關(guān)重要的位置，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪進(jìn)行動(dòng)力的傳動(dòng)。由輸出軸帶動(dòng)滾筒端蓋從而帶動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)。滾筒上需要對(duì)滾筒厚度，滾筒直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。除此之外，還有齒輪的校核與設(shè)計(jì)。作為傳動(dòng)裝置，卷?yè)P(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)將是本課題最重要的設(shè)計(jì)。 彈簧蟹爪鉤電磁鐵圖2-3 抱閘裝置示意圖圖2-3是抱閘卸載裝置原理圖。在燈盤運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電磁鐵處于通電狀態(tài)，對(duì)鋼制抱閘鉗產(chǎn)生較大的吸引力，克服中間的拉伸彈簧，使得抱閘鉗繞支架轉(zhuǎn)動(dòng)，并打開(kāi)。在達(dá)到一定界限之后，抱閘裝置的外殼將會(huì)對(duì)抱閘鉗進(jìn)行定位，使得該鉗不會(huì)無(wú)限制的打開(kāi)。當(dāng)燈盤上的掛鉤進(jìn)入鉤爪范圍后，將會(huì)碰撞到抱閘裝置中的行程開(kāi)關(guān)。經(jīng)過(guò)行程開(kāi)關(guān)之后，電磁鐵將會(huì)斷電，從而使磁力消失。抱閘鉗在彈簧拉力作用下迅速夾緊，使得燈盤固定在燈桿頂端，最終起到鋼纜的卸載作用。圖2-4 制動(dòng)裝置示意圖1.制動(dòng)蹄；2.U形蹄；3.導(dǎo)向輪；4.齒條總成；5.支承輪；6.齒輪拉緊彈簧；7.制動(dòng)蹄U形拉緊彈簧；8.水平調(diào)節(jié)輪；9.副鋼絲繩；10.齒條壓輪；11.止動(dòng)銷軸；12.繩軸；13.制動(dòng)蹄拉緊鋼絲繩圖2-4為制動(dòng)裝置的原理圖，在通常狀態(tài)下，即副鋼纜9未斷裂或者忽然停電導(dǎo)致的鋼纜失力情況下，整體裝置拉力下燈盤與齒條4之間沒(méi)有壓力產(chǎn)生，整體部件在拉緊鋼絲13以及拉緊彈簧6的拉力下保持相對(duì)靜止的狀態(tài)，并沿?zé)魲U在導(dǎo)向輪3的方向控制下，穩(wěn)定的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)副鋼纜斷裂，或特殊情況下鋼纜拉力卸載后，在燈盤自身重力的作用下，燈盤將與齒條壓合，并拉緊制動(dòng)蹄拉緊彈簧7，并壓緊制動(dòng)蹄1與燈桿。制動(dòng)蹄將裝有摩擦系數(shù)較大的材料或部件，能產(chǎn)生較大的摩擦力，保證事故發(fā)生的時(shí)候能使燈盤短時(shí)間內(nèi)完成制動(dòng)。主要設(shè)計(jì)時(shí)，齒條部分所受到的力比較巨大，并且受力也比較復(fù)雜，因此是較重要的校核部分。其次是U型蹄以及制動(dòng)蹄的設(shè)計(jì)，而這也將是該部件工作性能的重要設(shè)計(jì)要求。2.5可行性分析高桿燈提升裝置有大量的應(yīng)用實(shí)例，設(shè)計(jì)中可充分參考這些實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)根據(jù)使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)可行的基礎(chǔ)上提高設(shè)計(jì)水平。2.6部分三維圖裝配圖圖2-5 卷?yè)P(yáng)機(jī)三維裝配圖圖2-5為卷?yè)P(yáng)機(jī)的三維示意圖，為表示清晰，我將外殼頂蓋暫時(shí)去掉?？梢?jiàn)到較詳細(xì)的各處零件放置以及形狀。具體工作方式也可以如上訴中進(jìn)行運(yùn)作。此為該裝置的主要?jiǎng)恿Σ糠?。圖2-6 抱閘三維示意圖該裝置為抱閘示意圖，此圖可較好的表示抱閘裝置的工作狀態(tài)。抱閘鉗夾緊時(shí)將有效的使燈盤保持在燈頂?shù)臓顟B(tài)。抱閘裝置通過(guò)連接板，與燈桿頂端進(jìn)行連接，保證了裝置的定位問(wèn)題。本裝置需要對(duì)抱閘鉗進(jìn)行受力分析，用以確定抱閘鉗的厚度。因?yàn)橹饕氖芰μ幱诒чl鉗的固定軸上，因此需要對(duì)抱閘鉗的固定軸進(jìn)行校核，保證整體部件的安全。圖2-7 制動(dòng)裝置三維示意圖制動(dòng)裝置與燈盤之間有拉緊鋼纜以及拉緊彈簧進(jìn)行連接，而不使用螺栓等螺紋緊固件進(jìn)行連接。因?yàn)闊魲U與垂直方向有一定的角度，所以該裝置將需要沿?zé)舯P徑向有一定的自由度，故不使用緊固連接，而使用柔性連接。2.7本章小結(jié)本章節(jié)是整體設(shè)計(jì)的起始部分，讓我們對(duì)自己的設(shè)計(jì)有更加充分的理解，并且對(duì)自己的想法進(jìn)行進(jìn)一步的思考。鍛煉了我們思維廣度以及深度，讓我們得以理解自己要做什么，該做什么。本章節(jié)也作為一個(gè)展示作用，向各位老師表達(dá)出自己所做的工作原理以及工作方式，因此也是對(duì)我們自身表達(dá)能力的一種鍛煉。對(duì)我們今后的思維方式較為深遠(yuǎn)的影響。3.機(jī)械零部件的設(shè)計(jì)和選擇3.1卷?yè)P(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)3.1.1電動(dòng)機(jī)選型3.1.1.1功率估算該裝置提升速度為v=0.1m/s，所以鋼纜以及滾筒線速度vh=0.1m/s,鋼纜的拉力為Fe=15kN,取滾筒直徑D0=200mm,滾筒轉(zhuǎn)速n1=vh60/(R02)=10r/min。則估算功率Pj=Fevh/=1.87kW 3.1.1.2電動(dòng)機(jī)的選型由于轉(zhuǎn)速較慢，所以優(yōu)先選擇轉(zhuǎn)速較低的電動(dòng)機(jī)并且符合功率要求的電機(jī)。查表可得,Y-132S-8電機(jī)，此電機(jī)額定功率為2.2kW，轉(zhuǎn)速為710r/min?？伤銈鲃?dòng)比i=710/10=71。根據(jù)使各級(jí)傳動(dòng)的承載能力大致相等（吃面接觸強(qiáng)度大致相等）原則總傳動(dòng)比i總=71，取減速器傳動(dòng)比i減速=60，則i齒輪=1.18.各軸轉(zhuǎn)速：nI=710r/min nII=11.8r/min nIII=10r/min各軸輸入功率，按電動(dòng)機(jī)額定功率Ped=2.2kW，則 PI=Ped聯(lián)=2.18kW PII=PI承齒=1.95kW PIII=PII承齒=1.85kW各軸轉(zhuǎn)矩 TI=PInI=307.7NmTII=PIInII=964.3Nm TIII=PIIInIII=1254.2Nm 3.1.2滾筒的設(shè)計(jì)首先考慮提升重量，有燈架重量提供的1000kg的重量以及鋼纜的自身重量。初設(shè)定為1500kg，既有鋼纜的額定拉力：Fe=mg=150010=15kNm-總體重量，包括燈架重量以及鋼纜自重；鋼纜許用安全系數(shù)Ks,根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度vh=0.1m/s。屬于中等載荷慢速卷?yè)P(yáng)機(jī)，所以取Ks=5。鋼纜安全系數(shù)：KS=SpFeKs （3-1）Sp-鋼纜的最小破斷拉力（N）Fe-鋼纜的額定拉力（kN）則有SPKsFe=515=45kN查鋼纜標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20118-2006，選取6*37纖維鋼纜，取鋼纜直徑d=13mm，自重為57kg/100mm,該種標(biāo)準(zhǔn)Sp=78.3kN。選取滾筒制造材料為鑄鐵，取滾筒容繩長(zhǎng)度L=30m，滾筒直徑D0=200mm，有滾筒容繩寬度Bt=L(d-1)/(D0+d) (3-2) =30(13-3)/(200+13) =370.4mm取Bt=580mm。卷筒邊緣直徑DkD0+2S+3d=200+2+313=270mm (3-3)S-鋼纜的卷繞層數(shù)，取1；卷筒壁厚 AnFectz=49.5mm (3-4)取=50mmc-鑄鐵c=150 MPaAn-多層卷繞系數(shù)，取An= 0.65tz-鋼纜軸向卷繞節(jié)距，tz =1.01d滾筒受到的扭矩Te=FeD0+d/2=1597.5Nm則最大切應(yīng)力T=Te/Wt=1.48Mpa （3-5)-扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；Te-軸所受的扭矩，；-軸的抗扭截面系數(shù)，；D0-滾筒直徑，md -計(jì)算截面處軸的直徑，m；-許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。3.1.3軸的設(shè)計(jì) 通過(guò)實(shí)際的載荷和工作情況，忽略次要因素，作出合理性的假設(shè)并建立以下數(shù)學(xué)物理模型。已知輸出軸轉(zhuǎn)速10r/min，輸出功率1.5kW，軸材料選擇為45號(hào)鋼。3.1.3.1軸的最小直徑估算根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)P370的公式，可得軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度極限計(jì)算。選取軸的材料為45號(hào)鋼，已知45號(hào)鋼=45.T=TWT=9550000P0.2nd3T d39550000P0.2Tn=395500001.50.24510=55.03mm (3-6)-扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；T-軸所受的扭矩，；-軸的抗扭截面系數(shù)，；d -計(jì)算截面處軸的直徑，mm；-許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。選定軸的最小直徑d=56mm。3.1.3.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1 2 3 4 5 6 7 8 9（1）軸的結(jié)構(gòu)工藝性希望越簡(jiǎn)單越好，要求在滿足主要條件的情況下，盡可能簡(jiǎn)化軸的結(jié)構(gòu)。該軸主要受到周向載荷以及徑向載荷，而幾乎不受到軸向載荷。故建立數(shù)學(xué)模型為一端支點(diǎn)雙向固定，而另一端支點(diǎn)游動(dòng)的方法。（2）根據(jù)各軸段要求確定其以及長(zhǎng)度1）1-2段放置滾動(dòng)軸承以保證軸的軸向定位。選取滾動(dòng)軸承代號(hào)為6310，軸承外徑為110mm，內(nèi)徑為50mm，軸承寬度為27mm。故d1-2=50mm，軸肩高度約為0.1 d1-d。去l1-2=30mm2）2-3段由于軸肩的要求，取d2-3=56mm。2-3段為滾筒提供定位，取l2-3=30mm。3-4為用于定位的軸環(huán)d3-4=66mm，長(zhǎng)度為5mm 。4-5段為滾筒所處位置無(wú)定位要求，取d4-5=60mm。5-6段為滾筒端蓋與軸定位所需的軸環(huán)，d5-6=66mm長(zhǎng)度為5mm。則d6-7=60mm。 3）7-8段放置齒輪，由一個(gè)套筒防止齒輪與滾筒端蓋直接的接觸，所以選擇l7-8=80，d7-8=56mm。左端軸肩高度為2mm，右端為3mm。4）軸的軸向定位通過(guò)軸左右端的端蓋與殼體的螺絲固定，進(jìn)行定位。初定端蓋厚度為20mm。（3）軸上零件的周向定位通過(guò)平鍵。6-7段通過(guò)平鍵與滾筒端蓋鏈接并帶動(dòng)滾筒做周向運(yùn)動(dòng)。d6-7=60mm，由機(jī)械設(shè)計(jì)課本P106表6-1查得平鍵截面bhL=15mm16mm50mm。7-8段通過(guò)平鍵與齒輪鏈接，d7-8=56mm，同理得bhL=16mm10mm45mm。（4）確定軸上的圓角和倒角尺寸參考機(jī)械設(shè)計(jì)課本P365表15-2取軸端的倒角為2mm45，且軸肩的圓角半徑為2mm。3.1.3.3求軸上載荷根據(jù)軸的計(jì)算見(jiàn)圖做出彎矩圖b和扭矩圖c，如圖所示。彎矩M扭矩TFRAFRBF1F2計(jì)算最大的彎矩和最大扭矩值列入下表載荷水平面垂直面支反力0FRA=6438N FRB=5562N彎矩0695.25Nm扭矩01200Nm軸所受到的最大彎矩為695.25Nm，計(jì)算該處的彎曲應(yīng)力。首先計(jì)算該處的抗彎截面系數(shù)WW=d3/32=1.72410-5m3 （3-7）所以最大彎曲正應(yīng)力為max=Mmax/W=39.74Mpa （3-8）有max1.5 所以是安全的。 3.1.4齒輪的設(shè)計(jì)根據(jù)工作情況，選用1:60的渦輪蝸桿減速機(jī)。齒輪傳動(dòng)比為i12=71/60=1.18。根據(jù)工作情況選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，材料選擇查詢機(jī)械設(shè)計(jì)課本191頁(yè)表10-1，選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS。該卷?yè)P(yáng)機(jī)為一般工作機(jī)械，速度較低，故選用7級(jí)精度（GB 10095-88）。選小齒輪齒數(shù)z1=50，大齒輪齒數(shù)z2=59。3.1.4.1齒輪齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算計(jì)算小齒輪直徑 （3-14）選定載荷系數(shù)Kt=1.3計(jì)算小齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩T1=95500001.510=1432.5Nm由機(jī)械設(shè)計(jì)課本205頁(yè)表10-7，選取齒寬系數(shù)d=1由機(jī)械設(shè)計(jì)課本201頁(yè)表10-6，查得材料彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa12由機(jī)械設(shè)計(jì)課本210頁(yè)圖10-21（d）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim1=600MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim2=550MPa計(jì)算齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=60101400=2.40105 (3-15)N2=N1i12=2.03105 由機(jī)械設(shè)計(jì)課本207頁(yè)圖10-19，去接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=KHN2=1.6計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，H1=KHN1lim1S=960MPa (3-16) H1=KHN2lim2S=880MPa 計(jì)算式（3-14）得d1t119.573mm計(jì)算圓周速度v=d1tn1601000=0.062m/s計(jì)算齒寬b=dd1t=119.573mm模數(shù)為m=2.39齒高為h=2.25x2.39=5.3775mm則齒高與齒寬比bh=22.23由機(jī)械設(shè)計(jì)課本198頁(yè)圖10-8得動(dòng)載系數(shù)Kv=1.10對(duì)于直齒輪KH=1查表10-2得使用系數(shù)KA=1查表10-4用插值法查得7級(jí)精度，小齒輪支承非對(duì)稱放置時(shí)，KH=1.42由齒高齒寬比，查圖10-13得KF=1.29故載荷系數(shù)K=KvKHKHKH=1.562則矯正后，d1=d1t3KKT=106.72mm模數(shù)m=106.72/50=2.13mm3.1.5軸承端蓋的設(shè)計(jì)和其緊固件的選擇3.1.5.1軸承端蓋的設(shè)計(jì) 軸承端蓋用于固定軸承并承受軸承的軸向力，其主要根據(jù)選定的軸承從設(shè)計(jì)手冊(cè)上選用用嵌入式端蓋，如圖3-1所示： 圖3-1嵌入式軸承端蓋（通蓋）示意圖端蓋與軸承座用螺釘緊固，圖中凹進(jìn)去部分是為了減少加工.3.1.5.2螺釘?shù)倪x擇由于軸承端蓋的尺寸較小，且考慮到本實(shí)驗(yàn)裝置所受的軸向力很小，綜合考慮選擇十字槽螺釘GB/T13806.1，其示意圖如圖3-12所示： 圖3-2 A型十字槽螺釘?shù)氖疽鈭D表3-1 A型-十字槽圓柱頭螺釘?shù)某叽缌斜?.1.5.3螺栓組的選擇 滾筒端蓋的固定的安裝均選擇六角頭螺栓-C級(jí)，其示意圖如下，其中d=20mm，K=0.8d=16mm，b=2d=40mm. 圖3-3 六角螺栓的示意圖3.1.5.4殼體固定和電機(jī)底板的固定選用的螺栓規(guī)格如下：標(biāo)準(zhǔn)=摘自GB/T 5780-1986 等效ISO4016-1979單位=(mm)-螺紋規(guī)格d=M8b參考l125=22b參考125l200=28b參考l200=a(max)=5e(min)=14.2k公稱=5.3r(min)=0.4s(max)=13l范圍=3580100mm長(zhǎng)的重量(kg)=0.0473.2抱閘卸載裝置的設(shè)計(jì)3.2.1抱閘鉗數(shù)學(xué)模型分析圖3-4 抱閘鉗三維模型圖在燈盤未到頂端前，抱閘鉗所受到的力，相對(duì)于燈盤到達(dá)頂端后要小得多。可認(rèn)為受到重力，電磁鐵對(duì)鉗子的力，彈簧的拉力。計(jì)算時(shí)，對(duì)閉合狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算即可。將該鉗子改為如下理想模型，自身重量相對(duì)其他力較小，可忽略不計(jì)。CBAFRYFNFT1GFRX其中AB段長(zhǎng)200mm，BC段長(zhǎng)68.5mm，F(xiàn)T1距離頂端為80mm，AB與BC夾角為120，G=2500N。計(jì)算 FRY=G （3-17） FRX=FN-FT1 （3-18） GLBCcos30+FN(LAB+LBCsin30)=80FT1 （3-19）令Ft=2000N，可得FRY=2500N，F(xiàn)N=50.0N，F(xiàn)RX=-1950N。3.2.2抱閘鉗的設(shè)計(jì)分析初設(shè)計(jì)抱閘鉗截面大小為80mm*20mm的方形，使用鑄鐵鑄造完成。且鑄造精度不需要太高，沒(méi)有高度的配合要求。豎直方向上，受到較大的力為彈簧的拉力。應(yīng)力的校核應(yīng)在此處。Mmax=Ftl=20000.08=160Nm (3-20) =MmaxW=Mmaxbh26=30MPa （3-21） ，故該位置絕對(duì)的安全。3.2.3彈簧的設(shè)計(jì)分析圖3-5 彈簧三維模型圖彈簧選型選擇LII型冷卷拉伸彈簧，材料為碳素彈簧鋼絲C級(jí)，估取彈簧絲直徑為3mm,由機(jī)械設(shè)計(jì)課本391頁(yè)表16-3查得該材料在鋼絲直徑d=3mm時(shí)，暫選抗拉強(qiáng)度極限b=1570MPa，根據(jù)表16-2查得=0.80.5b=628MPa.選擇彈簧指數(shù)C=6，求曲度系數(shù)KK=4C-14C-4+0.615C=1.25 （3-20）則彈簧絲直徑d1.6FKC=3.4mm 改取d=3.4mm，查表16-3，抗拉極限b無(wú)變化，故不變求得彈簧中徑D=Cd=18mm彈簧外徑，由彈簧中徑求得，D2=D+d=21.4mm彈簧內(nèi)徑，可得D1=D-d=14.6mm彈簧剛度kF=FT2-FT12-2=16.8N/mm （3-21）由機(jī)械設(shè)計(jì)課本390頁(yè)表16-2，取G=82000MPa，則彈簧圈數(shù)n=Gd48D3kf=820003.448018316.8=14.0 （3-22）取n=14，則有總?cè)?shù)n1=n,自由長(zhǎng)度HN=Hh+nd=8+143.4=55.6mm有節(jié)距為p=d=3.4mm有螺旋角為=arctanpD=3.43.2.4抱閘鉗轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)分析圖3-6 轉(zhuǎn)軸三維模型圖抱閘鉗在該軸上轉(zhuǎn)動(dòng)，軸本身固定不動(dòng)。軸兩端增加螺紋作為固定。軸上所受的力為抱閘鉗以及外殼體對(duì)其的剪切力，以及抱閘鉗轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，抱閘鉗對(duì)該軸上的摩擦力。而大多數(shù)工作情況下，摩擦力并沒(méi)有影響，故主要對(duì)剪切力做強(qiáng)度計(jì)算即可。在此前提下，對(duì)該轉(zhuǎn)軸做出簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)分析，如下圖FQ FRFR其中FQ=FRX2+FRY2=2FR=3170.5N，則FR=1585.2N。材料選用為45號(hào)鋼，剪切許用應(yīng)力=45MPa，桿材料的剪切應(yīng)力應(yīng)小于剪切許用應(yīng)力，故FRA=4FRD2 （3-23）D24FR=9.69mm （3-24）考慮該裝置有一定重量，因此選擇D=20mm,以保證安全。3.2.5外殼的設(shè)計(jì)下圖為外殼的正反面示意圖，使用材料為鑄鐵，又鑄造完成。中下部有螺絲孔，用以固定彈簧。上部裝有螺栓孔以跟鏈接板鏈接達(dá)到安裝目的。圖3-7 彈簧三維模型圖具體尺寸在零件圖圖中標(biāo)示有，在此不做具體說(shuō)明。3.3制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)3.2.1制動(dòng)裝置數(shù)學(xué)模型分析圖3-8 制動(dòng)齒條三維模型圖在通常狀態(tài)下各部分只受到自身重力以及與燈盤鏈接時(shí)的拉力作用，作用力較小，因此不需要在通常狀態(tài)下做強(qiáng)度校核計(jì)算。而主要需要研究，當(dāng)某一處的鋼纜斷裂時(shí)的力學(xué)分析。我將該情況簡(jiǎn)化為桿件形式，簡(jiǎn)化后如下。qlFN其中ql大小與燈盤總體重量相等即為10kN，l為300mm，F(xiàn)N與桿夾角為45。FT為拉緊鋼絲的作用力，其大小方向與燈盤所處位置有關(guān)，當(dāng)齒條與燈盤壓緊時(shí)，該力可近似認(rèn)為平行于桿，達(dá)到平衡FN水平方向分力的目的。此時(shí)，容易得出FN=2ql=14.14kNU型蹄為主要的受力構(gòu)件，因此為了容易計(jì)算，將U型蹄簡(jiǎn)化為二力桿可分析其受力情況，即可進(jìn)行強(qiáng)度校核。3.2.2U型蹄設(shè)計(jì)圖3-9 制動(dòng)齒條三維示意圖該構(gòu)件使用鑄鐵鑄造而成主要受力部分為與制動(dòng)蹄已經(jīng)與制動(dòng)齒條鏈接部分看，可假設(shè)為二力桿進(jìn)行分析。因此需要對(duì)兩鏈接部分進(jìn)行受力分析校核。因?yàn)榧僭O(shè)為二力桿，因此上下受力相同，而下部分的受力截面較小，因此對(duì)下部鏈接位置進(jìn)行校核即可。對(duì)正應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，=FNA=1414020.050.06=2.5MPa （3-25）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力極限，因此校核沒(méi)有問(wèn)題。3.4本章小結(jié)作為本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，本章節(jié)對(duì)我們的意義非凡。通過(guò)此章節(jié)，我們可以將大學(xué)之中所學(xué)習(xí)到的知識(shí)回顧起來(lái)，并且加以應(yīng)用。讓我們懂得了查詢書本以及各類資料，明白了書本對(duì)我們個(gè)人學(xué)習(xí)的重要性。更加是強(qiáng)化了我們自我查詢資料的能力。本章節(jié)對(duì)于整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)