北京科技大学天津学院

本科生毕业设计（论文）开题报告

题目： 卷扬机传动装置结构设计
 
系    ： 机械工程系
班级： 物流0802班
姓名： 孙鲁希
 
学号： 08411226
 　　
指导教师签字： 杨光辉

2012年1月5日

　目      录
1 综述 2
1.1几种常用卷扬机的结构及原理 2
1.2 卷扬机性能参数的计算 5
1.3卷扬机在国内的研究进展 6
1.4卷扬机在国外的现状及发展趋势 7
2 课题背景及开展研究的意义 9
2.1课题背景 9
2.2课题开展研究的意义 11
3研究方法、内容及预期目的 12
3.1研究方法 12
3.1.1 CAD技术概述 12
3.1.2 Inventor概述 13
3.2研究内容 13
3.3预期目的 13
4进度安排 14
参考文献 15
指导教师意见 16

1 综述
　卷扬机是建筑工程施工中的一种最简单的常用起重设备，它具有结构简单，搬运安装灵活，维护保养容易，操作方便及可靠性高等优点，所以被广泛应用于建筑工地的物料提升、水平或倾斜曳引重物、打桩、冷拉钢筋、设备安装等工作中。建筑卷扬机用于提升重物时，需要有专门型架、桅杆等配套设备方能实现。
　在我国自古以来，为减轻劳动强度，就知道采用轳辘来提升重物。轳辘即为手动卷扬机的原形。现代卷扬机是以电动机驱动，通过一定的传动形式(减速器)予以减速，带动卷筒运转，通过钢丝绳来牵引物体完成运动。[1]
1.1几种常用卷扬机的结构及原理
（1）JK型快速卷扬机[2]
　结构：这类卷扬机主要由电动机、减速器、卷筒、电磁制动器、机架等组成如图1-1所示。
　工作原理：这种电动快速卷扬机的传动机构由电动机、减速器、卷筒三大部分所构成，如图1-2所示。电动机1与减速器5（高速轴端）以弹性柱销联轴器7连接，联轴器上固定有制动轮6，用以传递转矩；卷筒3固定在卷筒心轴2上，通过十字滑块联轴器4与减速器5（低速轴端）连接；卷筒心轴的另一端支撑在双列向心球面球轴承的剖分式轴承加上。钢丝绳穿过卷筒上的绳孔，用压板固定在卷扬筒的一端（一般均在右端）。

图1-1 JK型卷扬机
1—电动机   2—电磁制动器衔铁   3—联轴器及制动轮   4—卷筒
5—卷筒轴剖分式轴承架   6—减速器   7—机架

图1-2   JK型卷扬机传动结构示意图
1—电动机   2—卷筒心轴   3—卷筒   4—十字滑块联轴器
 5—减速器   6—制动轮   7—弹性柱销联轴器
（2）行星式卷扬机
　结构：行星式卷扬机主要特性是才用行星齿轮传动，它是由装在卷筒内的行星齿轮传动装置、轴承支架与电动机托架、电动机与底座组成，如图1-3所示。
　工作原理：行星式卷扬机的传动装置装在铸钢制的卷筒内，由三组行星齿轮组成，如图1-4所示。在卷筒中电动机圆柱齿轮2与内齿轮3啮合，第二组连轴齿轮4与内齿轮5啮合，第三组由齿轮连接轴17将内齿轮组3、5与行星齿轮系的中心齿轮（太阳齿轮）6链接。这样当电动机转动后，通过二级内齿轮和一级星齿轮组减速，使行星齿轮7转动，并在大内齿轮8中滚动（即公转）。传动机构部分均装在卷筒内，不另设减速器，所以该种卷扬机具有机构紧凑、机体较小、操作领白等优点。卷扬机设有起动与制动装置11-14。操作时，起动手柄和制动手柄动作相反。

图1-3 行星式卷扬机
1—电动机   2—卷筒   3—制动手柄   4—起动手柄
 5—电动机托架   6—轴承支架   7—底座   8—制动带   9—带式离合器

图1-4   行星式卷扬机传动示意图
1—电动机  2—电动机圆柱齿轮  3、5—内齿轮  4—连轴齿轮  6—行星中心齿轮（太阳齿轮）
7—行星齿轮  8—大内齿轮  9—卷筒  10—轴承及轴承架  11—制动盘  12—制动带  13—制动手柄 
14—起动手柄  15—卷筒轴承及轴套  16、17—连接轴  18—行星齿轮轴
(3)JM型慢速卷扬机
　结构：JM型卷扬机属于慢速类型，如图1-5所示。
　此种卷扬机与JK型卷扬机在构造上的不同之处主要是用蜗轮减速器而不是用齿轮减速器传动，并多一对开始齿轮。速度靠可逆式鼓形控制器用手轮旋转到不同的党委进行调节和控制。
　工作原理：该种卷扬机的传动系统如图1-6所示。电动机1通过联轴器2驱动蜗轮减速器4的蜗轮传动，使开始齿轮组5带动卷筒6转动，在联轴器的外面装有电磁式制动器3.可逆式孤星控制器用于调节电动机速度。[5]

图1-5  JM型卷扬机
1—机架   2—电动机   3—重锤电磁制动器   4—联轴器   5—蜗轮减速器
6—开式传动齿轮组   7—凸轮控制器   8—电气箱   9—卷筒  10—支架

图1-6  JM型卷扬机传动系统
1—电动机   2—联轴器   3—电磁制动器  
4—蜗轮减速器   5—开式齿轮组   6—卷筒
1.2 卷扬机性能参数的计算
　卷扬机在已知电动机功率及转速的情况下，可用下列格式计算其工作性能。
（1）卷筒转速()

　式中  —电动机的转速（r/min）；
　       i0—减速器的减速比。

　式中  z1—减速器中的主动齿轮的齿数（蜗杆指头数）；
　      z2—减速器中从动齿轮的齿数。
(2)卷扬速度（）

　式中 v—钢丝绳速度（m/min）；
　     D—卷筒直径（mm）；
　     n2—卷扬机卷筒转速。
(3)卷扬能力（Q,kg）
　用千瓦计算时：

　式中  N—电动机功率（kW）；
　          N'—电动机功率（hp）；
　         —卷扬机的机械效率，齿轮传动时=0.8；蜗轮传动时=0.52。
(4)绕在卷筒上的钢丝绳长度（L，m）

　式中  c—卷筒有效长度内，钢丝绳所绕的圈数；

　          —卷筒有效长度（cm）；
　          b—钢丝绳卷绕的节距（cm），光面卷筒时b=1.1d；
　          d—钢丝绳直径（cm）；
　          n—干死生卷绕的层数；
　          3πD—三圈备用的钢丝绳长度。
1.3卷扬机在国内的研究进展
　我国的建筑卷扬机生产已有近40年的历史，而真正定型生产还是在70年代初的事。80年代初我国的建筑卷扬机技术的研究才活跃起来，但和国外的建筑卷扬机技术相比落后至少30年。我国目前生产使用的建筑卷扬机还是70年代定型的产品。
　在80年代以前，我国还没有制定有关建筑卷扬机的国家标准，也缺少建筑卷扬机的设计、试验、生产、使用规范。全国处于无标准可循，呈现出放任自流状态，产品规格五花八门，结构与技术基本上维持根据日本Jlsso01等40年代落后标准及按苏联图纸制造的1011、1012等落后机型，进展十分缓慢。
　80年代以后，各种竞争机制的引入，科技是第一生产力的概念逐渐被人们所认识，所接受。是我国建筑卷扬机设计制造技术发展最快的时期。国家也制定了有关建筑卷扬机的配套标准、规范。新产品种数近十个，其中最具有代表性的产品有福建省建筑机械厂的行星传动卷扬机、昆明建筑机械厂的少齿差传动卷扬机、长沙建筑机械研究所与福州市建筑机械厂联合开发的仿日本seibu公司采用立式齿轮传动的电控卷扬机，广州市一建公司机械厂的高速卷扬机适应高层建筑的多功能需要，而江苏海门第三机械厂引进专利技术开发的系列多排顶杆蠕动传动的卷扬机分为三大系列:即电控、手控和微机程控三大类，其综合性能优于代表国际先进水平的Seibu一字型卷扬机，使我国的建筑卷扬机技术跨入世界先进行列。1991年10月通过的省科委组织的专家鉴定意见:该产品整机组合合理、结构紧凑、重量轻、过载能力强、工作安全可靠，与同类产品相比，居国内先进水平，其中传动方式部分的设计构思独特、新颖，受力均匀、合理，属国内外首创。[3]
表1-1 90年代国内外先进技术

1.4卷扬机在国外的现状及发展趋势
　国外的卷扬机减速传动机构普遍使用了蜗轮减速器或行星减速器，行星减速器因为体积小，易于应用各种规格，故用的最多，驱动方式有机械和液压驱动两种，制动装置则采用制动效能较高的多片摩擦片制动，控制方式采用了更安全可靠的遥控控制，并且由于使用了微处理器，能对卷扬机使用中的复杂工况进行全工况的自动控制并提供安全保护措施。在传动方面，从国外的发展情况看，行星减速器的推广使用成了国内卷扬机技术发展的重要方向。国外的卷扬机进行设计时，强掉在产品的整个生命周期内构造产品模型，采用模块化设计等依赖于现代计算机软件的设计方法进行系统全面的设计，得到的产品更安全、更可靠、更经济、更具通用性，设计周期更短，适应了卷扬机机、电、液一体化的发展需要。[4]
　(1)大型化 由于基础工业的发展，大型设备和建筑构件要求整体安装，促进了大型卷扬机的发展。
　目前，俄罗斯已经生产了60t卷扬机，日本生产了32t、50t、60t液压和气动卷扬机，美国生产了136t和270t卷扬机。
　(2)采用先进电子技术 为了实现卷扬机的自动控制和遥控，国外广泛采用了先进的电子技术。对大型卷扬机安装了电器连锁装置，以保证绝对安全可靠。
　（3）发展手提式卷扬机 为提高机械化水平，减轻工人劳动强度，国外大力发展小型手提式卷扬机，如以汽车蓄电池为动力的直流。
　电动小型卷扬机，其电压为12V，质量为7.7~15.4kg,拉力为3336~13344N。
　（4）大力发展不带动力源装置的卷扬机 欧美国家非常重视发展借助汽车和拖拉机动力的卷扬机。此种卷扬机结构简单，有一个卷筒和一个变速箱即可。[5]
2 课题背景及开展研究的意义
2.1课题背景
　当今世界是科技突飞猛进的时代，技术的更新更是日新月异。我们应该把握有利时机，瞄准国际先进水平，从宏观上及时修订新的建筑卷扬机国家标准，以替代86标准。技术进步的主要表现是逐步制订一整套先进标准，用于指导卷扬机的设计生产，使产品质量日益提高，且标准的制订、修改尽量地走在设计的前头，向世界先进水平靠拢，以促进我国的建筑卷扬机技术不断更新，不断发展。生产厂家应该及时掌握市场动态，及时引进先进技术。市场的竞争实际上是科技的竞争，邓小平的“科学技术是第一生产力”的理论越来越被实践所检验，并由实践得到证实。我们的企业只有不断更新现有技术，才能立于不败之地，再也不能让像老式“JI”型卷扬机一统天下几十年的落后状态重现。[6]
　作为建筑卷扬机的设计、研究，目前国内外公认的“一”字型结构是最合理的结构形式，它具有外型简洁、体积小、重量轻、便于运输，安装方便，把传动装置置钢绳卷筒内又是“一”字型结构的卷扬机中最理想结构。国内外的其它形式的卷扬机由于未能解决传动机构内藏卷筒的难题，即使将少齿差传动装置免强设置卷筒内，但卷筒直径变大，安装维修不方便，成本又高，得不偿失，因此未能推广应用，使设计生产无法有突破性的进展;而内藏减速器的卷筒的关键是未能找到合适的传动机构。采用多排顶杆蠕动减速机构内藏钢绳卷筒的结构是目前国内外“一”字型结构中最合理的一种形式，它将卷扬机结构化成简单的二体组成:电机及钢绳卷筒。这在国内外的卷扬机设计中还无先例报道。建筑卷扬机作为建筑机械中最基本的设备，由于其结构简单、制造成本低、操作方便，对作业环境适应性强，因此在建筑、工业、农业、海运、交通、化工、冶金和油田等部门中用于起重、拖重物等工作，也是每个建筑工地、每个工程队必不可少的设备。[7]
　卷扬机的规格、型号繁多，按用途可分为用于建筑、林业、矿山、船舶等行业；按速度可分为快速、慢速、多速等；按卷筒数量可分为单筒、双筒和多筒等；按传动方式可分为手动、电动、液压、启动以及其他动力形式；按机械传动形式可分为直齿轮传动、斜齿轮传动、性质轮传动、球面蜗杆传动、我论蜗杆传动等。[8]
表2-1 卷扬机的型号分类及表示方法

　快速卷扬机系列和基本参数如表2-2所示。调速卷扬机的额定拉力必须与快速系列相符。慢速卷扬机系列和基本参数如表2-3所示。注：带括号的尽量不选。[9]
表2-2 快速卷扬机系列和基本参数

表2-2 快速卷扬机系列和基本参数（续）

表2-3 慢速卷扬机系列和参数和基本参数

2.2课题开展研究的意义
　卷扬机是起重机械中最简单的常用起重设备之一，既可以单独使用，也可作为起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、移置方便而被广泛应用。传动装置作为卷扬机最为重要的部件之一，其可靠性和安全性等性能，对卷扬机的稳定性具有决定性影响。[10]随着我国建筑业的迅猛发展,建筑施工对建筑设备的安全性、方便灵活性和工作效率提出了更高的要求。[11]因此，作为即将毕业的工科大学生，对卷扬机的研究有十分重要的意义。
3研究方法、内容及预期目的
3.1研究方法
（1）收集材料：通过查找书籍、报刊、杂志和网上文章，收集有关卷扬机用途、外形、零部件规格及其铸造工艺过程等相关资料。
（2）掌握原理：在阅读大量材料的基础上，掌握卷扬机的工作原理、工作条件、性能等。
（3）研究设计：分析卷扬机的运动规律，掌握各个运动参数，按照给定的零部件规格，利用Inventor和Auto CAD软件设计出卷扬机零部件的实体三维模型及其装配图。
（4）方案改进：在老师的指导下，对设计出的模型进行改进。
3.1.1 CAD技术概述
　在新时期，AutoCAD 广泛应用于工程图样的绘制当中。通过目前我国大多数建筑类企业都在不同程度上采用了 CAD 技术 （虽然仅仅是采用了其中的计算机辅助绘图功能）。利用 CAD 可以绘制建筑、结构、设备、电气、道桥等土木建筑专业的施工图，也可以利用 CAD 完成对专业软件绘制的上述各专业的施工图的编辑、修改，而第二个功能的实现，应基于第一个功能，也就是要学会利用CAD 进行图形的编辑、修改，必须首先学会熟练使用 CAD 进行工程图的绘制。[12]从60年代的二维平面图形设计开始,CAD经历了70年代的交互式图形技术、三维线框系统及绘图系统,80年代的三维实体造型、自由曲面设计、有限元分析、机构及机器人分析和仿真,90年代的参数化设计、特征造型CNC代码生成,刀具轨迹仿真等发展过程。进入新千年,CAD技术已成为中、小型企业提高自身技术素质,增强市场竞争力的重要手段。国家科委实施的CIMS工程和CAD应用工程,使“甩掉图板”在我国成为现实。伴随着CAD技术的发展,对CAD应用人才的需求也大增,在前两年的毕业生招聘面试中,已有企业要求应试者上机实绘图样。[13]CAD技术充分体现了现代新技术的相互渗透性。它涉及面广,变化快,竞争激烈。除了传统的二维计算机辅助绘图外，三维 CAD 设计软件具有形象、直观、精确、快速方便、易于把握、便于修改的特点。并且CAD绘图软件具有友好的操作界面、完善的绘图功能和编辑功能，强大的建模与分析手段，[13]更利于使用者的操作与设计。
3.1.2 Inventor概述
　Inventor是Autodesk公司推出的面向机械设计的三维CAD软件,它融合了当前CAD所采用的最新造型技术,属于参数化特征造型软件。[14]
　Inventor软件集成了三维建模、信息管理和支持功能。作为三维设计软件，它采用全中文操作系统，具有良好的操作界面，易学易用。Inventor主要由五个模块组成:零件造型模块、饭金模块、装配部件模块、视图表达模块、工程图纸模块，与此对应五种类型的文件:零件文件(ipt)、饭金文件(ipt)、部件文件(iam)、表达视图文件(ipn)和工程图纸文件(idw)。各模块及其相应文件的功能如下:在零件环境中可以进行单一零件设计，创建用于装配的标准件，创建用于布局的二维草图几何特征，创建饭金零件，文件类型为零件或饭金文件;在装配部件环境中，可以将已有的零件调人部件环境，并添加装配约束，也可以在装配环境中创建新零件，添加的装配约束用于定位零件，并可么控制特征的自适应驱动，该模块中文件类型为部件文件；在视图表达模块环境中，可以定义部件的爆炸视图，可以进行装配过程的动态模拟，文件类型为表达视图文件;在工程图纸模块环境中，可以创建零件、部件及表达视图的工程图，使用一张或多张图纸定义零部件的多角度视图，文件类型为工程图纸文件。[15]
3.2研究内容
（1）卷扬机的工作原理及系统设计计算方法；
（2）卷扬机的零件图和装配图；
（3）利用 Inventor 和Auto CAD软件，制作出卷扬机的三维实体模型。
3.3预期目的
（1）了解卷扬机的工作环境及主要用途；
（2）熟悉卷扬机的工作原理、性能和铸造工艺方法；
（3）学习机械工程制图的基本原理；
（4）掌握Inventor和Auto CAD软件的建模方法和装配方法。
4进度安排
　第1周～第2周：文献检索与调研；
　第3周～第4周：理论计算与分析；
　第5周～第9周：论文写作；
　第10周～第11周：论文装订与评阅；
　第12周～第16周：答辩。
参考文献
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[2] 朱森林. 建筑施工特种设备安全使用知识与技术[M]，北京市：机械工业出版社，2008.
[3] 史超. 我国卷扬机技术的现状与发展[J]，建筑机械，1992,11:24-25.
[4] L.Hvam，J，Riis，M，Malis，J，Mertz&B.Hansen，Construction of product models for the development of specification processes. Department of Manufacturing Engineering Technical University of Denmark[J]，2001.
[5]D.C. Pentz，I.W. Hofsajer.COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering[J] ，USA：John Wiley & Sons Inc，2008 No.1Vol.27.
[6] 吴绪钧.新型建筑快速卷扬机系列设计简介[J]，建筑机械，1991,05:24.
[7] 张丽珍，吴燕翔，胡明堉. 卷扬机系统的国产化设计[J]，机电工程，2003,02:12.
[8] 高秀,方圆集团,山东建筑工程学院编著. 建设机械设计制造与应用[M]，北京市：人民交通出版社，2001.
[9] GB1955-86，建筑卷扬机[S].
[10] 齐治国等编著. 建筑卷扬机设计[M]，北京市：机械工业出版社，1996.
[11] 胡璟.卷扬机传动装置齿轮结构应力分析[J]，2011,08:36-37.
[12] 袁裔铭,王恩杰. JK-D 系列快速卷扬机的设计研制[J]，建筑机械，1998,4:19.
[13] 王磊. CAD技术在建筑教学中的应用[J]，黑龙江科技信息，2009,25:187.
[14] 许锦鸿.机械CAD技术与CAD基础教学[J]，嘉兴高等专科学校学报,2000,13:42.
[15]杜峰坡,穆希辉.基于Inventor的三维实体造型[J]，兵工自动化，2003,06:8.
指导教师意见