狭窄空间使用吊车设计方案

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摘要：吊车是各重轻型企业应用很广泛的一种起重运输机械。但是，大型吊车受厂房空间、结构的限制，对于厂房空间狭窄、结构不规则、小范围内的起重和搬运，可以选择小型移动式的简易吊车，这种吊车的结构及提升重量等可以根据实际需求和现场情况来设计。本文针对移动式吊车的工作原理及提升要求，提出了一种用于狭窄空间使用的吊车设计方案。

关键词：吊车；传动系统；卷筒；制动器

吊车是各重轻型企业应用很广泛的一种起重运输机械。它方便、高效，但是，大型吊车受厂房空间、结构的限制，对于厂房空间狭窄、结构不规则、小范围内的起重和搬运，可以选择小型移动式的简易吊车，这种吊车的结构及提升重量等可以根据实际需求和现场情况来设计。本设计主要是针对机械加工间等小范围内的起重和搬运。

1设计的理论依据

根据现场的实际需要，为实现机械加工间的原料、半成品、成品的搬运，以及协助机床装卸工件等琐碎的简单操作，而设计的移动式吊车最大提升重力G＝7500N，提升的线速度为v0＝0.23m/s，提升的最大高度为H=2.5m。根据原始数据要求及现场的加工制作能力，其工作机构是指吊车的起升机构，传动装置也仅限于为起升机构提供动力传动的系统。吊车的东西南北方向运行，则是依靠吊车底部安装的万向轮，并利用人力推动来控制的。

2方案设计及原理说明

移动式吊车的工作原理：是由电动机带动皮带轮和一对开式齿轮传动，将运动和动力传递给卷筒，再通过钢丝绳和滑轮组提升重物。（1）机构的设计。这里的工作机构是指吊车的起升机构，即包括卷筒、滑轮和钢丝绳。（2）钢丝绳。钢丝绳是起重工作中最常用的绳索，它拉力强度高，耐磨损。根据不同钢丝绳的特点，这里选择纤维芯的交互捻钢丝绳。钢丝绳的受力情况如图1。已知G＝7500N，G由两根钢丝绳分担，因此得到：Fmax=η2G当滑轮组效率时，3990N，则F绳≥ϕsFmax＝≈24330N其中，s、ϕ由手册查得为：钢丝绳安全系数s=5，钢丝绳破断系数ϕ=0.82。从有关手册上查得，大于24330N的破断拉力总和是26000N，由此得到，应采用直径0.4mm的钢丝拧成直径为6.2mm的6股，其抗拉强度为1850N/mm2。（3）滑轮。定滑轮能起改变绳索和拉力方向的作用，而动滑轮能起到省力的作用。滑轮组合既可以省力，又可改变作用力方向。根据经验公式D≥(e–1)d，其中系数e=16，d为钢丝绳直径d=6.2mm，则滑轮直径D≥(16-1)×6.2=93㎜，取滑轮的直径为整数并略大于计算值：D滑=120mm。（4）卷筒。它是起重机械中不可缺少的一个组成部分，卷筒的直径的大小决定着卷筒转速地快慢，若在传动比不变的情况下，为了减小电机轴的转速，必须减小卷筒的转速，则卷筒的直径增大，考虑到提升速度和传动比的设计，取卷筒直径为200mm。（5）传动装置的设计和计算。①计算卷筒的功率及转速。根据公式,式中F=Fmax=3990N，n卷≈42.6r/min因此，可以计算出电机的功率P电=总卷ηP取η总为0.8时，P电==2.25kW，由手册查得，选择JZ2－11－16型电动机。②计算传动比，确定传动方案根据公式总的传动比为：i总＝19.6，为了获得i总＝19.6的传动比，设计一个由带传动和开式齿轮传动组成的方案，如图2所示。根据手册上查得，可将总的传动比i总＝19.6分配为i带=3.4，i齿=5.76，齿轮的传动比稍大于带轮的传动比。如此选择的依据是齿轮啮合的传动比最好不是整数，这样有利于齿轮均匀磨损，而且应该尽量提高小带轮包角，以提高承载能力。③计算效率、验算电动机功率查表所得到各类传动机构的效率η总为它们乘积：η总=η带×η齿×η2滚≈0.88。因此，得到P电≈2.05kW说明所选电动机的功率是足够的。④计算各轴的转速，功率和转矩。各轴的功率为：电动机轴功率p1=p电=2.2kW，小齿轮轴功率p2=2.1kW，卷筒轴功率p3=2kW。p3比卷筒轴的实际所需功率P卷＝1.8kW要大一些，因此，能保证正常的工作。在钢丝绳最大拉力Fmax下产生的转矩为：T=Fmax20D=411.37N•m，方向为顺时针。但是吊车提升重物，卷筒要逆时针转动才行。因此，必须使小齿轮给大齿轮施加一个作用力F，使大齿轮产生逆时针方向的转矩，并且还要使T大齿轮>T卷才能提升起重物。而这个力F是由电动机的额定功率传递来的，即电动机轴的转矩为T电=25.10N•m小齿轮的转矩：T小齿轮＝81.93Nm卷筒轴的转矩≈439.17N•m。计算结果表明，T大齿轮大于T卷能够使卷筒得到逆时针方向的转动，达到提升的目的。（6）制动器的选择。设计的吊车是依靠电动机的正反转实现提升和卸下重物的。考虑到工作中的必要停止，应设有一个制动器，制动力矩必须大于轴上的最大力矩。为了使安装位置合理，结构紧凑，在小齿轮上安装制动器。根据公式T制＝K制T轴，得到其制动力矩为T制≥1.5×81.93＝122.90Nm，可以选用电磁闸瓦制动器JWZ-200。①传动机构的设计和计算。带传动：已知带所传递的功率P电＝2.2kW，查表取工况系数kA=1.3，则设计功率为P带＝KA•P电＝2.86kW根据P带＝2.86kW和n电＝837r/min，查表得为A型V带，选取内带轮直径d带1＝125mm，大带轮直径d带2=i带×d带1＝3.4×125＝425mm。查表取带的基准长度为2500mm：实际中心距为a=a0+20LL－带=800+=785.81mm计算V带根数，查得单根V带所能传递的功率为P单＝1.23kW，根据公式Z＝ldKKPP⋅⋅单带，则Z=≈2.3，取Z=3。齿轮传动：首先确定齿数，由公式M≥268计算，查表得Y=0.27,取标准模数m=3.5mm。计算齿轮的几何尺寸如下：小齿轮分度圆直径d1=mz1=3.5×22=77mm；大齿轮分度圆直径d2=mz2=3.5×125=437.5mm；小齿轮齿顶圆直径da1=m(z1+2)=3.5×24=84mm；大齿轮齿顶圆直径da2=m(z2+2)=3.5×127=444.5mm；小齿轮齿根圆直径df1=m(z1-2.5)=3.5×19.5=68.25mm；大齿轮齿根圆直径df2=m(z2-2.5）=3.5×122.5=428.75mm；中心距a=21m(z1+z2)=21×3.5(22+125)=257.25mm；大，小齿轮齿宽B=mϕ•m=12×3.5=42mm3传动系统的结构设计（1）轮轴和卷筒轴的结构。将轴的材料选定为45＃钢，调质处理，轴径为d2=38mm，卷筒轴的材质也一样，则：d3≥39.6mm，取标准并适量增大d3=45mm。d2、d3均为齿轮轴和卷筒轴的最小直径。（2）带轮的结构。已知选用A型V带，小带轮材料选用HT2000，设计为实心轮。外径da2=d带+2ha=425+2×3=431mm，孔径d等于和它装配的轴头直径一致，取38mm，材料也为HT200。轮缘内径d缘=da2-2(h+δ)=395mm；轮缘外径d毂=(1.8～2)d轴取d毂=76mm；轮毂宽度L=(1.5～2)d轴=(1.5～2)×38=57～76,取L=70mm。（3）卷筒的结构。根据大齿轮的结构，可将卷筒设计成轴向联接的组合式卷筒，钢丝绳在卷筒上只绕一层，卷筒的表面设计成螺旋槽面，根据查有关手册，得出螺旋槽深h=2.5mm,间距p=8mm,半径R=4mm。工作时，卷筒上钢丝绳与定滑轮的偏角不能大于5º。而卷筒的长度可根据实际情况设计为230mm。卷筒壁厚取为15mm。钢丝绳末端在卷筒上的固定要牢固可靠。（4）滑轮结构。滑轮一般用灰铸铁，已知D滑=120mm，则D0=126.2mm，绳槽角一般为α=30º～45º，查表得h=17.5mm。（6）制动装置及轴承。选择的制动器为JWZ－200制动器。它的制动瓦块宽度为90mm，而制动轮的宽度要略大于瓦块，取95mm。它的硬度不低于HRL35～45，表面粗糙度不低于0.8μm。5设计小结起重运输机械是一门专业性很强的学科，这里对制动和平衡等问题只作了粗略的设计。设计时多采用标准件，可以降低设计的难度。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社.

[2]韩学铨.起重机设计手册[M].机械工业出版社.

[3]机械零件课程设计[M].机械工业出版社.

作者:石瑜 单位:工程公司修建分公司