摘要
随着人类文明发展，建筑工作愈来愈频繁，古老的起重装置已不能满足现代话作业的需要，大型塔吊和汽吊又有其相对的局限性，于是卷扬机以起灵活方便，成本相对小等特点孕育而生了。
建筑卷扬机是一种起重设备，由于具有结构简单、搬运安装灵活、维护保养简单、操作方便、价格低廉和可靠性高等优点，所以被广泛应用于诸多工作中。提升重物是其主要功能提升重物。本课题简要介绍了建筑卷扬机的结构和特点，给出了建筑卷扬机的设计，并对卷筒的设计要点进行了说明。本课题重点在于一控制方便和节省资源为主要设计特点对建筑卷扬机制动和传动部分进行了设计和校核。
本课题主要设计齿轮和轴还有卷筒的结构尺寸，确定了齿轮传动的各主要参数,对驱动机构中的各部件进行了选型,设计,校核。
关键词 卷扬机； 减速器； 轴； 齿轮； 设计
Abstract
Along with the development of human civilization, construction work have bec -ome more and more frequent ,Lifting the ancient device has been unable to meet the mo- dern needs of the operation so large tower crane hoists and steam has its limitations relative ,So hoist to take flexible, cost is relatively small and breed characteristics of Health.
Winch is a construction lifting equipment, the structure is simple, flexible hand- ling installation, maintenance is simple and convenient to operate, low price and high relia bility, which is widely used in many work .Upgrade heavy Its main function is to upgrade heavy loads. This paper describes the construction hoist the structure and ch -aracteristics of a given construction hoist the design, Reel also the design features a summary statement. This paper focus is a convenient control and save resources as the main design features of the construction hoist the part of the design and verification .
The design of the main gear and shaft design still reel size of the structure to de- termine the gear transmission of the main parameters, to drive the various components of the selection, design and verification.
Keywords Windlass shaft gear reducer design
第1章 绪论
1．1建筑卷扬机的发展状况
1．1．1建筑卷扬机的应用
建筑卷扬机是一种起重设备，由于具有结构简单、搬运安装灵活、维护保养简单、操作方便、价格低廉和可靠性高等优点，所以被广泛应用于提升重物、打桩、集材、冷拉钢筋、设备安装等工作中。
提升重物是建筑卷扬机的一种主要功能，所以各类卷扬机是根据这一要求为依据的。虽然现在塔吊，汽车吊取代了建筑卷扬机的工作。如塔吊在建筑工地上用于物料和物件的提升工作。由于塔吊成本高一般在大型建筑中使用，而且灵活性较差，也需卷扬机做辅助提升用。建筑卷扬机还用于林业的集材工作。建筑业的冷拉钢筋，小型矿井的物料提升和打桩等工作。正因为建筑卷扬机具有多种用途，所以不仅用于建筑业，而且在冶金，化工，水电，农业和军事等行业亦被广泛使用。
1．1．2建筑卷扬机的发展概况
我国在古代就知道采用轳辘等来提升重物，以减轻体力劳动的强度和提高生产效率。我国由于旧中国工业落后。使用的卷扬机均为国外生产，至50年代我国的卷扬机生产才开始的。从70年代起，我国卷扬机的生产才进入了技术提高，品种增加的新阶段。
从70年代末期开始，中国实行改革开放政策国民经济大力发展，基本建设任务增多许多，促使卷扬机的大量生产。生产厂家也逐渐增多。至今卷扬机的生产与设计已较为成熟，现如今卷扬机的品种繁多和使用较广泛。虽然现在的工业水平先进机械化程度不断提高，起重设备不断更新，但仍不能淘汰卷扬机的行之有效的机械设备。
1．1．3国外卷扬机的概况
在国外，卷扬机的品种繁多，应用也很广泛。在西方技术先进的国家中，虽然工业水平先进，机械化程度不断提高，起重设备也不断更新，但仍不能淘汰这样的行之有效的简单机械设备。下面介绍一下几个主要国家生产卷扬机的状况。
（一）美国
美国生产卷扬机的厂家有近百家，主要有贝波（BEEBE）国际有限公司，哲恩（THERN）有限公司等。
贝波国际有限公司是美国较大的生产起重设备的公司，主要产品有各种手动卷扬机，电动卷扬机，提升机械及起重机。手动卷扬机重要品种有蜗杆传动系列，直齿圆柱齿轮系列，齿轮蜗杆传动组合系列，直接驱动系列，链传动系列。其中直间驱动式电动卷扬机的传动是全封闭行星齿轮传动，传动系列全部全部安装在卷筒里面，机架和卷筒用高强度钢焊接而成。
（二）日本
日本从明治30年开始制造和使用卷扬机。据日本荷役机械研究所核计，1970～1975年间卷扬机的产量增加62.5%.据日本通产省机械核计月报载,接年单纯土卷扬机的产量就达12万台,生产值约100亿日元。
日本卷扬机行业由机械技术部会,荷役机械技术委员会领导.主要生产厂家有北川铁工所,远藤钢机,南星,越野总业,松岗产业等80多个产业。
（三）法国
法国生产卷扬机的厂家很多,其中包藤(POTAIN)公司就是生产卷扬机的主要国家之一。包藤公司主要生产KUSW系列卷扬机，LMD系列卷扬机，PC系列卷扬机和RCS系列卷扬机。
（四）国外卷扬机的发展趋势
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，俄罗斯已生产了60t的卷扬机，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
为了实现自动控制和遥控，国外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，以保证绝对的安全可靠。
3．发展手提式卷扬机
为了提高机械化水平，减轻工人劳动强度，国外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。
4．大力发展不带电源装置的卷扬机
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。
1．2建筑卷扬机的主要类型
建筑卷扬机由于应用范围较广，为适应各种不同的使用条件，建筑卷扬机亦制造成各种不同机型的产品。机型的分类方法很多，目前可以按下述方法分类。
1．2．1按钢丝绳额定拉力
分
按钢丝绳在基准层上所能承受的最大拉力来区分。按GB1955—88《建筑卷扬机》中规定为5、7.5 、10 、12.5、 16 、20 、25、 32 、50 、80 、120 、160 、200 、320 、500KN共15级。此参数为建筑卷扬机的主要参数。
1．2．2按钢丝绳额定速度
分
钢丝绳在基准层上的出绳速度是建筑卷扬机的又一项主要参数。根据钢丝绳的速度可分为：
1．慢速卷扬机 绳速
；
2．中速卷扬机 绳速
；
3．快速卷扬机 绳速
；
4．高速卷扬机 绳速
；
为适应特殊需要，还有一种变速卷扬机，其变速可调，有双速、三速和多速几种类型。
1．2．3按卷筒数目分
一台卷扬机上卷筒数目的多少，直接影响到卷扬机的结构。卷扬机按卷筒数目可分为单筒卷扬机、双筒卷扬机、和多筒卷扬机三大类。目前生产的大多数是单筒和双筒卷扬机，其卷筒都是工作卷筒，再增加的卷筒大都是辅助用卷筒，卷筒相对要小些。
1．2．4按动力源分
由于工作环境不同，所用的动力源亦不同。
1．手动卷扬机 用于无动力来源地区的小型卷扬机；
2．电动卷扬机 大多数卷扬机皆属于此类；
3．内燃机卷扬机 用于无电源的地方；
4．气动卷扬机 用于不能使用电源的地方；
5．液压卷扬机 与其他设备配合使用而有液压源的场合。
1．2．5按传动形式分
1．开式齿轮传动 最早的形式。目前主要用于手动卷扬机；
2．闭式圆柱齿轮传动 主要为为快速单筒卷扬机，应用广泛。
3．圆锥—圆柱齿轮传动减速器
4．蜗杆传动减速器
5．圆柱齿轮减少速器加开式齿轮传动
6．蜗杆减速器加开式齿轮传动
7．行星齿轮传动
1．2．6按控制方法分
1．手控卷扬机 由人工操作纵闸把控制卷扬机提升或下放重物。
2．电控卷扬机 用电控制磁铁制动器使卷扬机工作。
3．液控卷扬机 用压力油控制卷扬机卷筒的离合和制动。
4．气控卷扬机
5．自动控制卷扬机 用限位器来控制卷扬机的工作。
1．2．7按用途分
卷扬机由于其用途不同，使其条件的差异，其结构设计上也有差异。
(1)提升重物
要求有一定的速度，以利于提高生产率，并要求高的安全性，以防坠落。
(2)设备安装
一般设备的质量较大，则要求卷扬机具有较大的提升能 力；以保证安装精度，其速度就不能太高；为防止坠落，其安全性要求更高。
(3)曳引物品
因为此项工作一般是在水平或倾斜方向进行的，为使物品前后运动，则要求卷扬机的卷筒正反转均能工作。
(4)打桩
要求卷扬机把重物提升到一定的高度后，能使重物成自由落体 下降，实现打桩工作，即要求卷扬机具有溜放功能。
建筑卷扬机虽然可以分很多种类，实际上由于应用情况的复杂，很难把他们绝对分清，而且一台卷扬机往往几种工作都要做，所以在建筑卷扬机的设计上对用途分得并不清楚，而是要求高的来设计。这样能使卷扬机实现一机多用，得到更广泛的应用。
第2章 卷扬机的基本结构设计
建筑卷扬机由于应用广泛，为适应各种不同使用条件，建筑卷扬机亦制造各种不同的机型的产品。
2．1本设计的总体确定
本卷扬机设计的主要参数：
（1）钢丝绳的拉力
（2）钢丝绳的速度
由于钢丝绳的速度
，由建筑卷扬机设计查得该卷扬机为快速卷扬机。
按动力源分该卷扬机设计为电动卷扬机。
按传动形式分该卷扬机设计为二级圆柱齿轮减速器。
按控制方法分该卷扬机设计为电控卷扬机（用电钮控制电磁铁制动器使卷扬机工作）。
2．2 卷扬机的总体结构设计
由于卷扬机是二级圆柱斜齿轮减速器传动卷扬机
故简易图如下图（图2-1）
图2-1 传动装置简图
1.电动机 2.联轴器 3.减速器 4.制动器 5.卷筒
第3章 钢丝绳的选择和卷筒的设计
建筑卷扬机通过钢丝绳升降、牵引重物。工作时钢丝绳所所应力十分复杂，加之对外界影响因素比较敏感，一旦失败，后果十分严重。因此，应特别重视选择与使用。
3．1钢丝绳的选择
3．1．1钢丝绳的种类和构造
钢丝绳是由许多高强度刚上编绕而成，可单捻、也可双捻成行。绳芯采用天然纤维芯（NF）、合成纤维芯（SF）、金属纤维芯（IWR）和金属丝股芯（IWS）。
纤维芯钢丝具有较高的扰性和弹性，缠绕时弯曲应力较小。但不能承受横向压力；金属
丝芯钢丝绳强度较高，能承受高温和横向压力，但扰性较差。建筑卷扬机系多层缠绕，更合适选用双捻制金属丝芯钢丝绳。
钢丝绳的种类，根据钢丝绳绕成股和股绕成绳的互相方向可分：（1）顺捻钢丝绳 、（2）交捻钢丝绳。
因为交捻钢丝绳在卷扬机设计中应优先考虑，故在本设计上钢丝绳的选取是双捻制金属丝芯钢丝绳。
3．1．2 钢丝绳直径的选择
钢丝绳的安全系数按下式计算：
式（3.1）
式中
——整条钢丝绳的破短拉力（N）
——钢丝绳的额定拉力
——卷扬机工作级别规定的最小安全系数
机械手册查表得卷扬机的工作级别为A6，则选取安全系数
=6
KN
钢丝绳不应小于下式计算的最小值：
式（3.2）
式中
——钢丝绳的最大工作拉力（KN）
——钢丝绳的选取系数，经查表=0.1036
机械手册查表得d=19(mm),钢丝绳的抗拉强度为1770MPa，使用双捻制金属丝芯钢丝绳。
3．2 卷筒的设计
建筑卷扬机卷筒系钢丝绳多层缠绕，所受应力非常复杂。它作为卷扬机的重要零件，对卷扬机安全、可靠的工作至关重要，应合理的进行设计。
3．2．1卷筒的材料
由于考虑到卷筒材料具有良好的铸造性和焊接工艺性，且货源广泛，在本设计中选取材料Q235极限应力
、
3．2．2卷筒容绳尺寸计算
卷筒容绳尺寸参数意义及表示方法应符合国家标准规定。
a) 卷筒节径
卷筒节径 应满足下式
式（3.3）
式中
——筒绳直径比，由建筑卷扬机设计查表得
——钢丝绳直径（mm）
则
取
b) 卷筒容绳宽度
卷筒容绳宽度，一般可以由下式确定
式(3.4)
式中
——卷筒直径（mm）
则
取
C) 卷筒边缘直径
卷筒边缘直径即卷筒端侧板直径．端侧板直径用下式计算
式(3.5)
式中
——最外层钢丝绳直径，由下式确定
——钢丝绳缠绕层数
则
取
d) 缠绕层数
缠绕层数按下式计算
式(3.6)
式中
——为保证钢丝绳不越出端侧板外圆的的安全高度（mm）
计算得
则
取
e) 卷筒容绳量
卷筒容绳量是指钢丝绳在卷筒上顺序紧密排练时，达到规定的缠绕层数所能容纳的钢丝绳工作长度的最大值．
卷筒容绳量按下式计算
第
层钢丝绳绳芯直径为
式(3.7)
式中的
——第层，
。
则
第层钢丝绳长度为
式(3.8)
卷筒容绳量为
式(3.9)
３．２．３卷筒筒壁的厚度计算和卷筒壁的强度计算
a)多层缠绕系数
的确定
多层缠绕系数
的理论计算:
式(3.10)
式中——钢丝绳的缠绕层数
式(3.11)
式(3.12)
式(3.13)
其中
——钢丝绳的缠绕节距
——卷筒壁厚
——卷筒直径 
——钢丝绳直径 
——钢丝绳纵向弹性模量
——钢丝绳横向弹性模量 
——卷筒材料的弹性模量
——钢丝绳的断面积
则
b)卷筒的厚度设计
卷筒厚度为
式(3.14)
式中
——钢丝绳的额定拉力
建筑卷扬机设计查得
则
C) 卷筒壁的强度计算
式(3.15)
经强度计算较合适无需调整。
3．3 卷筒轴的设计
由于卷筒轴的可靠性对卷扬机的的安全，可靠性非常重要，因此十分重视卷筒轴的结构设计和强度，刚性计算。卷筒轴的结构，应力求简单，合理，应力集中应尽可能小。卷筒轴不仅要计算疲劳强度，而且还要计算静强度；次外，对较长的轴还需校核轴的刚度。
在卷筒轴的设计上轴的材料采用
钢，调质处理
由机械设计手册查得
已知钢丝绳的额定拉力为
，卷筒的直径，钢丝绳的直径
轴径的估算：
式中：C——与轴材料有关的系数；
P——轴传递的功率；
n——轴的转速
图2-1 卷筒轴受力分析
a) 作用力的计算
将轴上的所有的作用力分解为垂直平面的力和水平平面的力，如图(2-1)所示：
b) 垂直面支承反力及弯矩
支反力，见图(2-1)
弯矩，见图（2-1）
c) 水平面支承反力及弯矩
支反力，见图(2-1)
弯矩计算,见图(2-1)
d) 合成弯矩,见图(2-1)
f) 应力校核系数
当量转矩
当量弯矩
校核轴径
经校核较合适无需调整。
g)轴疲劳强度计算
卷筒轴的疲劳强度,应该为钢丝绳的当量拉力进行计算,既
式(3.16)
式中
——钢丝绳的当量拉力
——当量拉力系数，由建筑卷扬机设计查得
平均应力
和应力幅
疲劳强度计算安全系数
由机械手册查得
——应力集中系数 
——表面状态系数
——绝对尺寸系数 
——等效系数 
一般轴的疲劳强度安全系数
，经校核轴的强度够用。
h)轴强度校核计算
卷筒轴的静强度计算，需要用静强度计算拉力，可按下式求得：
式(3.17)
式中 ——静强度计算最大拉力
——动载系数，有建筑卷扬机设计查得
静强度计算安全系数
当
时，
，所以经校核轴的强度足够。
........
