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摘 要
卷揚機又稱絞車。是起重垂直運輸機械的重要組成部分，配合井架、桅桿、 滑輪組等輔助設備，用來提升物料、安裝設備等作業(yè)，由人力或機械動力驅動卷筒、卷繞繩索來完成牽引工作的裝置。垂直提升、水平或傾斜曳引重物的簡單起重機械。分手動和電動兩種。現在以電動卷揚機為主。本次設計的5噸電動卷揚機是由電動機、連軸器、制動器、減速器、卷筒、導向滑輪、起升滑輪組、吊鉤等組成。 本次設計的步驟是從鋼絲繩開始入手，然后依次對卷揚機的卷筒、卷筒心軸、電動機、減速器齒輪、減速器軸、制動器、聯軸器以及卷筒機的導向滑輪設計與選取。其中卷筒、卷筒軸、卷筒轂、減速器的設計最為主要，本設計重點做了介紹，其余部分有得只是略作分析。 本次設計的卷筒機由于它結構簡單、搬運安裝靈活、操作方便、維護保養(yǎng)簡單、對作業(yè)環(huán)境適應能力強等特點，可以應用于冶金起重、建筑、水利作業(yè)等方面，但是此次設計的卷筒機主要運用于用于5噸橋式吊車起升機構。提升重物是卷揚機的一種主要功能，各類卷揚機的設計都是根據這一要求為依據的。
關鍵詞：卷揚機；卷筒；卷筒軸；減速器
Abstract
Also known the hoist another name is winch. Vertical lifting transport machinery is an important component of the tie in with the derrick, mast, pulley blocks, and auxiliary equipment, used to enhance the materials, installation of equipment operations, from human or mechanical power-driven drum, winding traction rope to complete the installation work. Vertical, horizontal or inclined simple tractor Lifting heavy objects. Two types of the hoist are manual and electric two kinds. and Now to the main electric winch. The design of the 5-ton electric hoist motor contions electromotor 、coupling、arrester、retarder、drum、boom sheave 、a system of pulleys set、hook, etc.. This design of hoist is start from the wire rope, and next then turn on the winch drum, drum spindle, motor, gear reducer, speed reducer shaft, brakes, couplings and pulley drum machine-oriented design and selection. On drum, drum shaft, drum hub, most major reducer design, the design are focus introduced, and the rest is just a little something for analysis. The design of the drum machine because of its simple structure, handling the installation of a flexible, convenient operation, simple maintenance, and operating environment features such as adaptability, can be applied to lifting metallurgical, construction, operations and other water conservancy, but the design mainly applied to the drum machine for 5-ton overhead crane hoisting mechanism. Heavy winch upgrade is one of the main functions of the design of various types of winches are based on based on this request.
KEY WORDS: hoist；drum; drum shaft; retarder
目錄
摘 要 1
Abstract 1
緒 論 2
1. 卷揚機的主要設計參數 4
2. 卷揚機的分類與特點 6
2.1 根據卷筒的個數分類： 6
2.2 根據卷揚機使用的動力源不同分類 6
2.3 卷揚機的工作過程 6
2.4 起升機構的構成 6
3.卷揚機構各部分的設計與計算 8
3.1鋼絲繩的計算校核與選用 8
3.1.1 鋼絲繩的分類： 8
3.1.2鋼絲繩的選用與計算： 8
3.2 卷筒的尺寸計算與確定 8
3.2.1卷筒的設計計算與強度校核 9
3.2.2卷筒厚度計算: 9
3.2.3卷筒的強度計算機校核檢驗： 9
3.3卷筒軸的設計與校核 10
3.3.1軸上的作用力計算 10
3.3.2計算該軸的工作應力 11
3.2.4卷通軸的靜強度計算 12
3.4電機及減速器的設計與選擇 13
3.5減速器的設計與計算 13
3.5.1傳動比的確定與傳動效率的計算 13
3.5.2各軸轉速的計算 14
3.5.3各軸的轉矩計算 15
3.5.4齒輪的設計與計算 15
3.5.5齒面接觸應力計算 15
3.5.6齒輪設計： 16
3.5.7軸的設計計算： 19
3.5.8減速器箱體的設計與計算 20
3.6聯軸器與制動器的選擇 20
3.7制動器的選擇 21
4.小車行走機構的設計 23
4.1軌道 23
4.2車輪材料 23
4.3車輪直徑的計算 23
5.結論 25
參考文獻 26
附錄1外文翻譯 28
附錄2外文原文 36
致謝 52
緒 論
本次設計的題目是5T單梁橋式起重機的卷揚機構設計，隨著工業(yè)、農業(yè)、建筑業(yè)、制造業(yè)、運輸業(yè)等的發(fā)展，卷揚機的應用越來越多。目前，國內的卷揚機發(fā)生故障較多、監(jiān)管工作不足。橋式起重機做作為物料搬運的起重機械在國民經濟發(fā)展中起著至關重要的作用。因此，設計一款可靠性高，制造成本低，運行精度高的橋式起重機是大勢所趨。
當下社會，各行各業(yè)越來越多的應用機械生產來替代原有的人工制造，節(jié)約了制造成本的同時，也大大的提高的產品的質量以及生產效率，為社會的進步與發(fā)展做出了巨大的貢獻。這其中應用十分廣泛的起重機械起到了巨大的促進作用。我國的起重機械相關的技術有著悠久的歷史，如長、故宮的修筑、歷朝歷代的古都上十分巨大的鑄種和數十噸甚至上百噸的巨大雕像等的運輸與吊裝，都凝聚著我國古代勞動人民的智慧。
卷揚機還有一個別名叫做絞車，是應用在一些需要水平移動或者垂直升降機構的重要裝置，起重機械都會安裝有特定的卷揚機構用于作業(yè)，還有一些越野車以及廠礦企業(yè)會安裝有卷揚機。由于卷揚機結構簡單、操作方便、方便維護、使用成本低等一系列優(yōu)點，被廣泛應用在起重、采礦、冶金、加工制造業(yè)和建筑業(yè)之中。
卷揚機的主要作用是用于提升重物，當下汽車吊和塔吊發(fā)展十分迅速，逐漸進入了起重機市場，但是塔吊成本高，安裝復雜，一般在建筑行業(yè)應用的比較廣泛，可以更好的提高建筑施工的效率。而汽車吊的機動性很好使用靈活而廣受歡迎，單是汽車吊對于作業(yè)環(huán)境要求較高且起升重量受到車體結構與設備的限制，無法充分發(fā)揮其效能。而卷揚機的制作方便簡單，能夠適應不同的工作環(huán)境，且起升重量范圍十分廣泛，從而受到歡迎，在一些港口、大型的裝配車間和廠礦企業(yè)都可以看到他們的身影，應用十分廣泛。
我國卷揚機的狀況
在古時候，我們的祖先就將手動的絞車放在井上，利用人力來旋轉轉筒來提升水桶打水，這就是我們當下的卷揚機的鼻祖，充分體現了古代勞動人民的的智慧。在沒有解放之前，我國只有一些有實力的大型企業(yè)才有卷揚機的應用，應用很少，那時候我國的工業(yè)制造能力差，國內還沒有能夠生產卷揚機的廠家，應用的全部卷揚機都是在國外購買。
年代，國家大量基建工程陸續(xù)上馬，制造業(yè)發(fā)展迅速，對于起重機的需求日益旺盛。因此我國的一些卷揚機生產廠家（阜新礦山機械廠、天津卷揚機廠、山西機器廣、寶雞起重運輸機廠）組建了一個卷揚機生產組織。新組織參照已有卷揚機的產品進行模仿與創(chuàng)新，制造出一些小噸位的電控卷揚機，但這些小型卷揚機無法滿足當時的使用需求，所以那些大噸位的起重機和卷揚機仍然需要進口。
等到了70年代，經過多年的實踐摸索以及生產經驗，我國卷揚機的技術大步提升，產品種類也從以前的單一品種發(fā)展到能適應哥哥行業(yè)的多種類型卷揚機。為適應當時生產發(fā)展的需要，我們的工業(yè)部發(fā)布了JB926—74《卷揚機型式與基本參數》和JBl803—76《卷揚機技術條件》兩個部標準，是我國的卷揚機行業(yè)進入了標準化的階段，各個廠家可以參照國家頒布的標準進行分工生產，提高了企業(yè)的生產效率和產品質量，增強了卷揚機零件的互換性與通用性。
如今，我國的卷揚機與起重機產業(yè)發(fā)展勢頭良好，知名的企業(yè)有徐工機械、廈工機械、柳工機械等等一些國際知名的企業(yè)，他們制造的產品不僅受到國內企業(yè)軍隊和一些用戶的歡迎，并且每年都會大量出口到其他國家，增強我國知名度并為國家創(chuàng)立了大量外匯收入。
國外卷揚機的發(fā)展狀況
在西方技術先進的一些國家中，工業(yè)發(fā)展起步較早，工業(yè)產品水平先進，機械化進程不斷提高，起重設備也在不斷更新，卷揚機的品種繁多，應用十分廣泛。
美國
哲恩有限公司是美國較大的生產起重設備的公司，主要產品有各種手動卷揚機、電動卷揚機、起重機等相關設備。手動卷揚機的主要品種有：直齒傳動卷揚機、蝸桿傳動卷揚機；電動卷揚機的主要品種有：蝸桿傳動系列、直齒齒輪傳動系列、直接驅動系列、鏈傳動系列。
日本
日本從明治30年開始制造卷揚機。據日本的相關部門統(tǒng)計計，1970~1975年間日本卷揚機行業(yè)的產量增加62.5％。在1977年卷揚機的產量就達到12萬臺，創(chuàng)造產值產值約100億日元。現在日本主要生產廠家有北川鐵工所、遠藤鋼機、南星、越野總業(yè)、藝浦、松崗產業(yè)等80多個廠家。
其他國家，如俄羅斯、英國、挪威、瑞典、加拿大、德國等也都生產著不同用途的各種型號的卷揚機。而俄羅斯在我國建國初期給予我國大量的卷揚機成套圖紙，為我國的卷揚機行業(yè)發(fā)展做出了巨大的促進作用。
1. 卷揚機的主要設計參數：
本次設計用到的基本參數：
額定起升重量：5噸。
起升高度：14米。
起升速度：12.5米/分。
卷揚機用途：應用在5噸單梁橋式起重機。
工作條件：頻繁啟動 粉塵量比較大大的工作環(huán)境。
單梁橋式起重機的主要構成部分有：電動機、電磁式制動器、齒式聯軸器、起重機用減速器、卷筒、滑輪組與鋼絲繩等組件構成。機構簡圖如圖1-1
圖1-1
2. 卷揚機的分類與特點
2.1 根據卷筒的個數分類：
卷揚機的主體結構分布與該卷揚機應用的卷筒數目有關。卷揚機根據卷筒數目可分為單筒卷揚機、雙筒卷揚機和多筒卷揚機三類?，F在市面上以及實際應用工作中的大多數卷揚機都是用單卷筒或者雙卷筒，單筒卷揚機應用在一些起重重量小的環(huán)境，這種單卷筒卷揚機制作成本低，在發(fā)生故障時維修費用和工序簡單，現在被廣泛的應用，也有一些特殊的卷揚機會增加一個輔助卷筒來提高工作效率，例如那些大型吊車，它們會采用輔助卷筒，在前起升重量小時，會用那個小卷筒來進行工作，節(jié)省燃料。當起升重量大時，便會使用主卷筒來進行工作。
2.2 根據卷揚機使用的動力源不同分類
1.手動型：應用于一些小重量起重場合，便于移動和安裝，使用方便
2.電動型：利用電動機帶動相應的傳動機構對重物進行起降作業(yè)，這種類型的起重機應用非常廣泛，多數工廠在廠房內安裝這種卷揚機，能極大提高生產效率。
3.內熱機類型：這種卷揚機最大的優(yōu)點是機動性與適應性好，可以在一些比較偏遠的和沒有電源地方工作，起重重量大，可以裝載在汽車上成為隨車吊。
4.液壓動力型：能夠與一些帶有液壓裝置的設備進行配合使用，該類型卷揚機運行時起升與下降柔和，對整體機構的損害最小，提高設備的使用壽命。
2.3 卷揚機的工作過程
制動器在不工作時通過彈簧使制動片時刻貼緊制動輪，整個機構處于靜止狀態(tài)。當觸動啟動開關時，電磁鐵工作使制動片與制動輪分離，同時電動機工作帶動減速器齒輪轉動，減速器將動力傳到卷筒軸，卷通軸通過卷繞或者下放鋼絲繩來提升或者下降重物。當開關斷開后，制動器工作，整個機構停止運行，重物在空中停止。
2.4 起升機構的構成
起升機構是通過齒輪減速器聯軸器傳動使重物作升降運動的機構，它是起重機最主要且最基本的機構。 我們設計的電動5噸卷揚機是由電動機、連軸器、制動器、減速器、卷筒、起升滑輪組、釣鉤等組成（如圖2-1）。
3.卷揚機構各部分的設計與計算
3.1鋼絲繩的計算校核與選用
3.1.1 鋼絲繩的分類：
3.1.2鋼絲繩的選用與計算：
查機械設計手冊知：我們選取鋼絲繩類型為先接觸型（減少彎曲應力，結構緊密，消除了點接觸的二次彎曲應力，使用壽命長）
由于本卷揚機構長期頻繁使用，我們定機構利用等級為T5（6300h）.
（1）.鋼絲繩的計算
根據公式 根據機構利用等級為T5，C查機械設計手冊 c=0.10000，S為最大靜拉力，本機構采用雙動滑輪，則鋼絲繩最大靜拉力為1.25噸，取最大靜拉力為1.3噸 s=1300㎏×10ɡ/N=13000N則d≈11mm
根據芯材料可以選用纖維芯鋼絲繩（6×19s+a）也可以選用鋼芯鋼絲繩(6×19s+FC）
鋼絲繩最小破斷拉力總和=58.6×1000×1.214+71.14KN 能夠達到使用要求
鋼絲繩代號：11-NAT-FC-1470-2S
3.2 卷筒的尺寸計算與確定
卷筒經查機械設計手冊和起重機設計手冊，我們選用齒式接盤連接形式卷筒，如圖3-1
圖3-1 選用齒輪接盤連接型式
3.2.1卷筒的設計計算與強度校核
卷筒的名義直徑： （3.1）
查手冊得： 則 取
繩槽半徑： （3.2）
繩槽深度： （3.3）
繩槽節(jié)距： （3.4）
卷筒長度：繞線采用多層，則多層卷筒長度 （3.5）
每層繞線圈數z取30，由起升高度為14m經計算得卷繞層數層
繞線部分長度：mm （3.6）
端部長度： （3.7）
端部長度根據實際需要而定
則卷筒長度mm
3.2.2卷筒厚度計算:
卷筒材料分類：鋼和鑄鐵卷筒
查找手冊可知使用鑄鐵卷筒能夠有效的延長鋼絲繩的使用壽命，則 取 （3.8）
3.2.3卷筒的強度計算機校核檢驗：
本卷揚機的起重噸位屬于小噸位范疇，材料采用HT200的鑄鐵，卷筒在受最大拉力作用時會產生最大的壓應力和彎矩產生的扭曲應力。
查機械設計手冊知:當時，只需計算表面最大壓應力即可。
（3.9）
與卷筒的層數有關的系數
鋼絲繩最大拉力，N
卷筒繩槽節(jié)距，mm
卷筒壁厚，mm
許用應力
鑄鐵：. 抗壓強度 （3.10）
查手冊知
則
所以卷筒的抗壓強度滿足使用的要求
3.3卷筒軸的設計與校核
鋼絲繩的拉力，卷筒直徑，鋼絲繩直徑，卷筒外齒的分度圓直徑。我們選用應用最廣泛的45鋼來做為軸的材料，采用調質處理，抗拉強度，屈服點，彎曲疲勞極限，扭轉疲勞極限。
整個軸是卷筒一起轉動的，這種軸我們稱之為心軸，在計算受力時應當根據鋼絲繩在極限位置時的受力來進行計算，由圖可知，鋼絲繩處于最右端時整個軸的受力是最大的，我們應按照它的最大應力來進行強度計算，查閱起重機設計手冊，機械設計手冊，根據此卷揚機構的應用等級以及起重重量初步得出了心軸的各段長度以及相應的直徑如圖所示。
3.3.1軸上的作用力計算
卷筒齒輪的圓周力： （3.11）
卷筒齒輪的徑向力： （3.12）
與軸垂直的支撐反力以及彎矩如圖3-5
水平面的支撐反力： （3.13）
垂直面的支撐反力 （3.13）
合成反支撐力: （3.14）
水平面的彎矩： （3.15）
垂直面的彎矩： （3.16）
合成彎矩： （3.17）
3.3.2計算該軸的工作應力
卷通軸是是心軸，所以只存在彎矩，沒有轉矩，如圖3-5因此我們應找到彎矩最大的點來進行計算。
（3.18）
則
經過圓整后取，中間段
3.3.3卷筒軸的疲勞強度計算
應當用鋼絲繩的當量拉力來進行卷筒軸的疲勞強度計算，
（3.19）
為鋼絲繩的當量拉力
為當量拉力系數
經查機械設計手冊，我們取當量拉力系數為1
查閱相關資料可知，對于心軸的的應力，可以按照脈動應力循環(huán)規(guī)律進行變化。
則 （3.20）
則平均應力和應力幅為：
由于本軸的結構簡單，在布局上屬于對稱結構，在尺寸有變化的地方會有應力的存在并且此處的彎矩應為最大的，所以在尺寸有變化的地方會出現危險截面，我們應用此處來進行軸的疲勞強度計算。
查機械設計手冊知有效應力集中系數,表面狀態(tài)系數，絕對尺寸系數，等效系數。
計算所得的疲勞強度安全系數： （3.21）
查機械設計手冊知，一般機械的疲勞強度安全系數,因此軸的的疲勞強度滿足使用要求，符合設計標準，可以應用。
3.2.4卷通軸的靜強度計算
計算卷通軸的靜強度要利用靜強度拉力來進行計算
（3.22）
為靜強度時計算的最大拉力
為動載荷系數，經查機械設計手冊知取1.35
根據靜強度計算的安全系數
（3.23）
當時,該軸的強度滿足使用要求，符合設計規(guī)定。
3.4電機及減速器的設計與選擇
根據卷筒直徑與提升速度計算出卷筒的轉速為:
卷筒轉速為
傳動機構運轉的靜功率： （3.24）
（3.25）
為起重重量 為吊具重量
為總效率（滑輪組、聯軸器、齒輪效率）
機構的靜功率 （3.26）
電動機功率
則
查機械設計手冊：
選用YZ或者YZR系列起重及冶金用三項異步電動機
型號：YZL160L-6 轉速：920r/min
額定電壓：380V 50HZ 額定功率：15KW
3.5減速器的設計與計算
3.5.1傳動比的確定與傳動效率的計算
總傳動比
為電動機額定轉速
為卷筒轉速
（3.27）
傳動機構采二級直齒圓柱齒輪減速器
傳動比的分配
為使各級傳動的承載能力大致相等（齒面接觸強度大致相等、各級大齒輪浸油深度相等）
使傳動比分配為 （3.28）
為高速級傳動比
為低速級傳動比
求得
效率計算： （3.29）
（GⅡCL2型聯軸器）
（深溝球軸承）
（齒輪精度為8級）
傳遞到卷筒的功率為
滿足要求。
3.5.2各軸轉速的計算
軸Ⅰ：與電機相連轉速與電機相同為920r/min
軸Ⅱ: （3.30）
軸Ⅲ： （3.31）
卷通軸： （3.32）
軸的功率計算
軸Ⅰ： （3.33）
軸Ⅱ: （3.34）
軸Ⅲ： （3.35）
卷通軸： （3.36）
3.5.3各軸的轉矩計算
查機械設計手冊知轉矩計算公式為： （3.37）
電機軸： （3.38）
軸Ⅰ： （3.39）
軸Ⅱ: （3.40）
軸Ⅲ: （3.41）
卷通軸： （3.42）
3.5.4齒輪的設計與計算
本設計中齒輪材料選用應用廣泛的45#鋼
大齒輪：采用45#鋼 正火處理
小齒輪：采用45#鋼 調質處理
查機械設計手冊知：接觸疲勞極限
大齒輪：
小齒輪：
應力循環(huán)次數： 為齒輪工作壽命（單位為h）
機構為但齒輪嚙合則 齒輪的工作年限為10年 每年工作300天 8小時工作制
則
3.5.5齒面接觸應力計算
查機械設計教材知：接觸疲勞壽命系數 安全系數S取1
齒面接觸應力 []=524.4MPa
[]=523.8MPa
取小值 []=[]=523.8MPa
計算許用彎曲應力 []
彎曲疲勞極限分別為：小齒輪[]
大齒輪[]
彎曲強度的計算壽命系數：
彎曲強度最小安全系數：
（3.43）
齒輪的彎曲應力： （3.44）
（3.45）
3.5.6齒輪設計：
第一級傳動
螺旋角,根據小功率高轉速選小值，大功率低轉速選大值
查機械設計手冊與參照已有產品，選取螺旋角
小齒輪齒數：
大齒輪齒數： （3.46）
根據接觸強度計算分度圓直徑：
（3.47）
查手冊知：載荷系數
節(jié)點區(qū)域系數：
彈性系數：
齒數比：
齒寬系數：
根據接觸疲勞強度計算的重合度系數：
所以，
模數： 在滿足使用的情況下取小值 （3.48）
中心距： （3.49）
實際分度圓螺旋角計算： （3.50）
分度圓直徑： （3.51）
（3.52）
齒頂圓直徑： 為齒頂高系數 取 （3.53）
則
齒根圓直徑： 取0.25 取1 （3.54）
齒寬
取1 （3.55）
則
經校核計算，齒根彎曲強度滿足使用要求。
第一級傳動中的具體參數與尺寸
名稱
小齒輪
大齒輪
選用材料與處理方法
45鋼調制
45鋼正火
具體參數
齒數
19
152
模數
2
分度圓壓力角
20
齒頂高系數
1
1
齒隙系數
0.25
0.25
尺寸
中心距
173
分度圓直徑
38
308
齒頂圓直徑
40
310
齒根圓直徑
33
303
齒寬
43
38
第二級傳動
小齒輪齒數：
大齒輪齒數： （3.56）
根據接觸強度計算分度圓直徑：
（3.57）
查手冊知：載荷系數
節(jié)點區(qū)域系數：
彈性系數：
齒數比：
齒寬系數：
節(jié)點區(qū)域系數：
根據接觸疲勞強度計算的重合度系數：
齒寬系數：
所以，
模數： 在滿足使用的情況下取小值 （3.58）
中心距： （3.59）
實際分度圓螺旋角計算： （3.60）
分度圓直徑： （3.61）
齒頂圓直徑： 為齒頂高系數 取 （3.62）
則
齒根圓直徑： 取0.25 取1 （3.63）
齒寬
取1 （3.64）
則
經校核計算，齒根彎曲強度滿足使用要求。
第二級傳動中的具體參數與尺寸
名稱
小齒輪
大齒輪
選用材料與處理方法
45鋼調制
45鋼正火
具體參數
齒數
19
108
模數
5
分度圓壓力角
20
齒頂高系數
1
1
齒隙系數
0.25
0.25
尺寸
中心距
317.5
分度圓直徑
95
540
齒頂圓直徑
100
545
齒根圓直徑
92.5
542.5
齒寬
101
96
3.5.7軸的設計計算：
軸的結構如圖3-7
查手冊知 可以根據扭轉強度計算
（3.65）
為軸傳遞的功率
為軸的轉速
軸的材料采用45#鋼 應用廣泛
軸Ⅰ：
軸Ⅱ:
軸Ⅲ:
軸Ⅰ齒輪直徑較小，將其制作成齒輪軸，軸端處安裝聯軸器，故將其直徑增加5％，取，軸承處取,其他處根據結構而定。
軸Ⅱ有兩個鍵槽，軸徑需要增大10％，取,軸承處取，其它根據結構而定。
軸Ⅲ有一個鍵槽，軸徑需要增大5％，取，其他根據結構而定。
軸肩(環(huán)）高度： ，取整
軸環(huán)寬度： 取整
軸頸長度： 由軸承工作能而定 和分別有熱膨脹和安裝誤差確定 按GB/T6403.4選取
圖3-7
3.5.8減速器箱體的設計與計算
查機械設計手冊，參照QJR型起重機減速器而設計如圖，根據需要制定選取尺寸。
各部分厚度：底座壁厚 取
箱蓋壁厚 取
底座上部凸緣厚度 取
箱蓋凸緣厚度 取
底座下凸緣厚度
底座加強筋厚度 取
箱蓋加強筋厚度 取
地腳螺栓直徑
軸承座連接螺栓直徑
底座與連接螺栓直徑
軸承蓋固定螺栓直徑
視孔蓋螺栓直徑
圖3-6
3.6聯軸器與制動器的選擇
聯軸器的參數計算
理論轉矩 （3.66）
為驅動功率 KW
為工作轉速 r/min
為動力系數 電動機取1
為工況系數 查手冊知取1.75
為啟動系數 與啟動頻率有關取1
公稱轉矩
則 軸Ⅰ聯軸器
軸Ⅲ聯軸器
3.7制動器的選擇
制動器分為摩擦式制動器和非摩擦式制動器
查機械設計手冊和根據工作環(huán)境我們確定使用JZ型交流節(jié)能電磁塊式制動器
JZ型交流節(jié)能電磁塊制動器工作原理：
制動器轉矩的計算 （3.67）
為重物質量與吊具質量之和
為卷筒計算直徑
為滑輪組倍率
制動軸到卷筒軸的機械效率
制動軸到卷筒軸的傳動比
為重力加速度
則
制動力矩滿足要求，選用JZ-200型制動器
將制動器與軸Ⅰ和電動機相連
圖4-1
4.小車行走機構的設計
小車的行走機構的主要作用是通過水平運動，將起升機構運動到相應的位置來對貨物進行吊裝作業(yè)，小車在整體的機構中也是一關鍵機構，它的質量與制造精度都影響著整個卷揚機構的使用壽命。
運行小車一般分為有軌運行與無軌運行兩種，我們的卷揚機是采用的有軌運行
4.1軌道
起重機軌道有專用軌、鐵路軌、方軌和P型軌絕大多數采用P型軌，我們也選用P型軌
4.2車輪材料
由于起重機吊裝質量較小，可以選用45號鋼作為車輪材料，通過淬火深度不小于15mm來提高使用壽命，表面硬度，車輪裝配圖如下圖4-2
圖4-2車輪裝配圖
4.3車輪直徑的計算
車輪的最大輪壓：小車自重估取為2000Kg，假設四個車輪的在和均勻分布，則 （4.1）
載荷率： （4.2）
查機械設計手冊可以知道小車運行速度應小于60m/min,工作類型為中級，車輪直徑選取350mm,軌道型號p18,使用的軸承為深溝球軸承。
根據小車的行走速度和轉矩來選用交流電動機，額定功率1.5KW,轉速680r/min.
減速器選用起重機用減速器，傳動比為30，其他參數與卷揚機減速器設計與選用類似，不做重復。小車轉配圖如圖4.2
圖4.2
5.結論：
在本次設計過程中，學到了以前沒用應用過的知識，讓自己的知識面又寬了一些，對于自己以后的工作和發(fā)展具有極大的幫助。
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附錄1：外文翻譯
超級電容器電動葫蘆再生制動策略
摘要：全球范圍內對環(huán)境問題的關注越來越多，使得動力設備的節(jié)能成為重中之重。為提高電動葫蘆的能量效率和行駛范圍，設計并討論了再生制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用獨特的超級電容器方式進行能量儲存系統(tǒng)。雙向新娘DC / DC轉換器調節(jié)流過超級電容器的電流流動有兩種模式：升壓和降壓，取決于流向。為了在超級電容器上提供恒定的輸入和輸出電流，該系統(tǒng)使用雙比例積分（PI）控制策略來調節(jié)PWM到DC / DC轉換器的占空比。還研究了永磁同步電機（PWSM）驅動系統(tǒng)。采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術，以及雙閉環(huán)矢量控制模型，詳細分析了PMSM特性。該再生制動系統(tǒng)的總體模型和控制策略最終在MATLAB和Simulink環(huán)境下構建和模擬。建立了一個測試平臺來獲得實驗結果。結果分析表明，該系統(tǒng)可以恢復一半以上的重力勢能。仿真和實驗結果證明了超級電容接口電路和PMSM的SVPWM策略的雙PI控制策略的有效性。
1引言*
隨著氣候變化和能源危機的問題在全世界越來越受到重視，工業(yè)化國家加大了減少化石燃料使用的努力。這一努力中最重要的步驟之一是將汽車和建筑車輛的電源從熱機轉變?yōu)榭勺兯俣入姍C。變速電機驅動系統(tǒng)不僅具有更高的效率，還可以利用風力發(fā)電和太陽能等可再生能源產生的電力。變速馬達驅動器具有自己的技術問題，但驅動中的快速加速和減速作為應用經常要求，將電源置于短暫但電壓波動較大的地方。簡易解決方案是在變頻器直流母線上增加制動電阻，但會導致相當大的浪費。一個更為常見和復雜的解決方案是整合一個
能量儲存系統(tǒng)（ESS）進入系統(tǒng)以吸收能量，同時制動并在需要時重新生成。能量儲存系統(tǒng)[1-8]已經在電動車（EV），混合動力電動汽車（HEV）和插電式混合動力汽車中應用。
傳統(tǒng)上，電氣ESS擁有廣泛的技術，并具有各種形式，例如電化學系統(tǒng)（例如電池，流通池），動能儲存（例如飛輪）和潛在能量存儲（例如抽水電，壓縮空氣）[9]。超級電容器的開發(fā)[10-12]為下一代純電動車提供了吸引人的選擇。最近的研究成果提出了在再生制動系統(tǒng)中使用超級電容器的方法。 WEI和Wang [13]提出了三種典型配置的性能分析和比較，以闡明不同拓撲的優(yōu)缺點。徐和謝[14]將其研究納入EV / HEV ESS系列電容器的電壓均衡方法。一個新的電池/
由CAO和EMADI [15]為EV，HEV和插電式HEV提出了超級電容器混合能量存儲系統(tǒng)（HESS），使用更小的DC / DC轉換器來維持超級電容器的電壓。 YAN和PATTERSON [16]提出了一種新穎的電源管理方案，以實現電動車輛的高性能和降低成本，實現短車隊應用。采用鋅 - 溴電池為普通驅動提供連續(xù)功率，同時使用超級電容器在加速期間提供峰值功率需求，并在減速期間存儲再生制動能量。 EV電動機在恒定轉矩模式下以低于基本速度的速度運行，并且在恒定功率模式下以超過基本速度的速度運行，以實現高效率和低成本。 AHMED和CHEMIELEWSKI [17]已經建立了一個模型，旨在模擬燃料電池車輛中預期的負載，包括直流電機，DC / DC轉換器和用于峰值剃刮和再生制動的可充電電池。該模型還包括車輛的運動學，因此可以連接到標準化的驅動循環(huán)場景。 LU和CORZINE [18]引入了一套新的方法，將超級電容器組直接集成到用于大型車輛推進的級聯多電平逆變器中。這個想法是用超級電容器替代常規(guī)直流鏈路電容器，以便結合儲能單元和電機驅動器。這些研究已經證明使用超級電容器作為混合動力車輛中的電池的可行補充存儲裝置來延長電池壽命。超級電容器被認為是輔助電源，其可以在啟動期間輔助燃料電池和燃料電池動力車輛的快速功率瞬變。
目前，沒有關于應用于起重設備的基于超級電容器的ESS的文獻研究。在這項研究中，將采用一種僅用于電動葫蘆的超級電容式儲能系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的汽車再生制動系統(tǒng)的超級電容器/電池混合動力方式不同。超級電容式儲能系統(tǒng)可以大大簡化電路結構，擴大控制總線。
首先將分別討論永磁同步電機（PMSM）和DC / DC轉換器的控制方案。然后基于DSP的控制系統(tǒng)是基于控制策略和數字信號處理技術開發(fā)的。隨后研究了整體系統(tǒng)結構和控制策略。本實驗開發(fā)并構建了再生制動系統(tǒng)的實施方案。最后，比較了仿真結果和實驗結果，分析了整個能量回收系統(tǒng)的效率。
2超級電容器儲能系統(tǒng)
2.1 DC / DC轉換器的控制策略
具有充電率高，效率高，功率密度高，循環(huán)壽命長，無維護[19]優(yōu)點的電動葫蘆作為電動葫蘆的儲能。超級電容器作為儲能單元通過DC / DC轉換器集成到逆變器直流鏈路中。根據輸入輸出條件，DC / DC轉換器可以作為升壓或降壓轉換器工作。
圖。 1顯示了DC / DC轉換器升壓運行的PSIM仿真模型。升壓操作用于驅動PMSM和放電超級電容器。
IGBT2在受控的占空比下接通和關斷，以將所需的能量從超級電容器傳遞到DC鏈路。當IGBT2導通時，從超級電容器中取出能量并存儲在電感器L1中。 IGBT2關斷時，能量超級電容器具有充電率高，
高效率，高功率密度，長循環(huán)壽命，無需維護[19]，作為電動葫蘆的儲能。超級電容器作為儲能單元通過DC / DC轉換器集成到逆變器直流鏈路中。該
DC / DC轉換器可以根據輸入輸出條件作為升壓或降壓轉換器工作。圖。 1顯示了DC / DC轉換器升壓運行的PSIM仿真模型。升壓操作用于驅動PMSM和放電超級電容器。 IGBT2以受控的工作周期接通和關斷，以將所需的能量從超級電容器傳送到DC鏈路。當IGBT2接通時，從超級電容器中取出能量并存儲在該電容器中
電感L1。當IGBT2關斷時，L1中的電能通過D1傳輸到直流母線。當放電超級電容器時，轉換器用作剛性電壓源到電動機控制器。升壓轉換器自動調節(jié)電壓，然后獲得穩(wěn)定的輸出電壓。確保超級電容器工作在安全，可靠和高效的條件下，采用雙PI閉環(huán)。
如圖所示。如圖2所示，DC / DC轉換器的工作原理是用于在再生制動期間對超級電容器充電。在降壓操作期間，轉換器將能量從直流鏈路傳輸到超級電容器。該操作通過對IGBT1的受控操作來實現。當IGBT1接通時，能量從鏈路總線傳遞到超級電容器，電感L1存儲部分能量。當IGBT1關斷時，存儲在電感L1中的剩余能量通過D2轉移到超級電容器中。雙PI閉環(huán)控制策略用于調節(jié)IGBT的PWM占空比。由于電感線圈，續(xù)流二極管和濾波電容器的影響，直流/直流轉換器電流隨著IGBT周期性導通和關斷而成為脈動電流，但輸出電流保持連續(xù)平穩(wěn)。如果負載是電阻性的，輸出直流電壓也保持連續(xù)平穩(wěn)。 DC / DC轉換器保持逆變器直流母線的恒定電壓，而超級電容器電壓具有寬的變化范圍。
2.2 DC / DC轉換器的仿真和實驗結果
為了評估再生制動能量系統(tǒng)控制原理的有效性和可用性，分別在降壓和升壓運行條件下建立了DC / DC轉換器的系統(tǒng)PSIM仿真模型。升壓和降壓轉換器的仿真結果如圖1所示。圖3（a）， 3（b）。結果表明，當前25 A時，超級電容器的電壓逐步上升或下降8 V。
電動機空載實驗在超級電容器的循環(huán)壽命期間進行。圖。圖4（a）?圖圖4（b）顯示了實驗結果，包括電機速度，電容器電流，直流母線電壓和超級電容器
電壓。數據顯示，在一個循環(huán)中，放電時間約為170秒，充電時間約為45秒。超級電容放電時，直流母線電壓約為570V，充電時為540V。超級電容器的最大電壓為300V，最小電壓為200V。如圖3（a）所示，超級電容器的放電電流比較平滑，因為電機是電阻的。
3矢量控制的PMSM
3.1 PMSM的數學建模
永磁同步電機（PMSM）由于功率密度高，效率高，轉矩慣量大，運行可靠等特點而得到廣泛應用。該PMSM工作在發(fā)電機或電機模式。操作模式由定子和轉子產生的磁場的旋轉速率偏差決定（電機模式為正，發(fā)電機模式為負）。本文討論的PMSM具有以下假設：核心飽和度和機器繞組漏電感被忽略;氣隙中的磁勢假定為正弦分布;磁場中的高次諧波可以忽略不計。根據坐標變換原理，數學PMSM的模型可以通過旋轉參考系（d-q參考系）中的這些方程表示：
3.2 SVPWM原理
空間矢量脈寬調制（SVPWM）技術廣泛應用于逆變器[20-21]。當定子通量空間矢量由三相正弦電壓提供時，定子磁通空間矢量以恒定的速度旋轉。同時，通量矢量的運動形成一個環(huán)形空間旋轉場。電壓矢量也是如此。當磁通矢量在空間中旋轉一段時間時，電壓矢量也沿著磁通圓的切線旋轉一段時間。因此，其軌跡與通量圓相符。 SVPWM是一種使用八個空間電壓矢量產生接近定子的磁通圓的技術電機的磁通圓?？臻g矢量脈寬調制技術用于通過電壓源逆變器用計算出的定子電壓空間矢量激勵電機。本文采用空間矢量脈寬調制的兩個閉環(huán)矢量控制模型。圖。圖5給出了所提出的控制方案的框圖。
4系統(tǒng)結構
4.1能源管理戰(zhàn)略
電動葫蘆經常用于施工。 如圖所示。 6，具有再生能量系統(tǒng)的電動葫蘆主要由超級電容器，DC / DC轉換器，編碼器，三相逆變器，PMSM，微處理器DSP，檢測系統(tǒng)和硬件保護組成。
編碼器檢測PMSM速度和方向。霍爾傳感器檢測超級電容器和直流母線的電壓，電流和溫度。微處理器DSP不僅調整降壓和升壓操作之間的DC / DC轉換器，還可以根據傳感器信號控制電機速度和方向。如果溫度或電流為自動，保護系統(tǒng)將自動切斷電路
電源管理策略如下：當負載下降時，電機作為發(fā)電機工作。在此過程中，如果超級電容器電壓小于300 V，則DC / DC轉換器將工作在降壓運行，并對超級電容器充電，直到超級電容器電壓高達300 V.然后超級電容器將被切斷，電阻制動將被采納。然而，在起重負載過程中，如果超級電容器電壓高于200 V，則DC / DC轉換器將在升壓操作中工作，并對超級電容器進行放電。但如果
超級電容器電壓小于200 V，電機將通過AC 380 V電源供電，以取代超級電容器作為能源。為了實現安全，可靠和高效的運行，超級電容器以各種恒定電流在20A下進行充放電，電壓范圍為200-300V。雙向DC / DC轉換器的工作模式取決于內部超級電容器的能量和PMSM的工作站。
4.2再生制動系統(tǒng)仿真
為了評估這種再生制動系統(tǒng)的可行性，基于MATLAB / Simulink進行仿真，如圖7
電機電路采用直接轉矩控制（DTC）感應電機驅動，在調速時具有空間矢量脈寬調制。感應電動機是
由PWM電壓源逆變器饋電。速度控制回路使用PI控制器為DTC塊產生磁通和轉矩參考。 DTC塊計算
電機扭矩和通量估計并將其與各自的參考值進行比較。然后由獨立的PI調節(jié)器控制轉矩和通量，計算參考電壓矢量。然后通過空間矢量調制方法控制電壓源逆變器，以便輸出所需的參考電壓。
電氣系統(tǒng)還包含一個DC / DC轉換器。這里，