機床安裝用起重機的設計(梁與小車)
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一. 滾動軸承的選擇與計算
1.軸承類型的選擇：選擇軸承的類型與多種因素有關。
（1）允許空間（2）載荷大小和方向。例如既有徑向又有軸向的聯(lián)合載荷一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，如果徑向載荷大，軸向載荷小，可選用深溝球軸承和內(nèi)外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承。如同時還存在軸或殼體變形大及安裝對中性差的情況，可選用調(diào)心球軸承，調(diào)心滾子軸承。（3）軸承工作轉速，旋轉精度，G級公差軸承（4）軸承的剛性，一般滾子軸承的剛性大與球軸承，提高軸承的剛性可通過“預緊”單必須適當。（5）軸向游動（6）摩擦力矩（7）安裝與拆卸。
2.按額定動載荷選擇軸承：
選擇軸承一般應根據(jù)機械的類型，工作條件，可靠性要求及軸承的工作轉速n，預先確定一個適當上午使用壽命Lh（用工作小時表示），再進行額定動載荷和 額定靜載荷的計算。
2.1 基本額定動載荷計算
軸承基本額定動載荷可按式（6-2-1）進行簡化粗略計算。
C=〈Cr或（Ca） （6-2-1）
C-基本額定動載荷計算值N； f=沖擊載荷因數(shù)，按表6-2-10選取 ；
P-當量動載荷，按式（6-2-2）計算，N； f-溫度因數(shù)，按表6-2-11選取；
f-壽命因數(shù)，按表6-2-8選?。? Cr-軸承尺寸及性能表中所列徑向基本額定動載荷，N；
f-速度因素，按表6-2-9選取； Ca-軸承尺寸及性能表中所列軸向基本額定動載荷，N；
f-力矩載荷因素，力矩載荷較小時f=1.5，力矩載荷較大時f=2。
2.2 當量動載荷P的計算
預設該機構壽命為3年，每年工作300天，每天工作8小時，則Lh=7200h。
P=XFr+YFa
P-當量動載荷,N; Fr-徑向載荷,N; Fa-軸向載荷,N; X-徑向動載荷系數(shù); Y-軸向動載荷系數(shù)。
內(nèi)徑為50mm的軸承的選擇與計算：
求軸承徑向力Fr：Fr*221/2=Q*E=2315250 N/mm
解得Fr=20.942KN
軸承軸向力Fa：Fa=1.715KN
查表的：e=0.30
因為Fa/Fr=0.081937678.7N 故軸承選取合適。
校核軸承的額定靜載荷：Pr=0.67Fr+3.6Fa=0.67*20.942+3.6*1.715=20205.14N
Pr =20205.14N < 73200N = Cr
經(jīng)過驗算軸承22210滿足要求。
二.階梯軸的校核計算
預算：計算軸上的載荷 T=9594
Q=mg=1.715KN
階梯軸材料為合金鋼， 規(guī)定安全因數(shù)為n=2.
（1） 校核60MM到50MM的階梯軸
1. 計算軸的工作應力，首先計算交變彎曲正應力及循環(huán)特征：
其次計算交變扭轉切應力及其循環(huán)特征：
2.確定各種系數(shù)根據(jù)P/d=60/50=1.2 R/d=5/50=0.1 由圖11.8C查的
由圖11.8E查的 由于名義應力是按軸直徑等于50MM來計算的。
所以尺寸因數(shù)也應按軸直徑等于50MM來確定，由表11.1查的，
，由表11.2查的 對于合金鋼取
3.計算彎曲工作安全因數(shù)和扭轉工作安全因數(shù)
因為彎曲正應力是非對稱循環(huán)，r=0.118 按公式（11.6）計算
扭轉應力是脈動循環(huán)，r=0應按非對稱循環(huán)計算工作安全因數(shù)的公式（11.17）
計算
4.計算彎矩組合交變應力下，軸的工作安全因數(shù) 由公式（11.19）
所以滿足疲勞強度條件。
（2）校核100MM到60MM的階梯軸
1.計算軸的工作應力，首先計算交變彎曲正應力及循環(huán)特征：
其次計算交變扭轉切應力及其循環(huán)特征：
2.確定各種系數(shù)根據(jù)P/d=100/60=1.67 R/d=5/60=0.083 由圖11.8C查的
由圖11.8E查的 由于名義應力是按軸直徑等于60MM來計算的。
所以尺寸因數(shù)也應按軸直徑等于60MM來確定，由表11.1查的，
，由表11.2查的 對于合金鋼取
3.計算彎曲工作安全因數(shù)和扭轉工作安全因數(shù)
因為彎曲正應力是非對稱循環(huán)，r=0.148 按公式（11.6）計算
扭轉應力是脈動循環(huán)，r=0應按非對稱循環(huán)計算工作安全因數(shù)的公式（11.17）
計算
4.計算彎矩組合交變應力下，軸的工作安全因數(shù) 由公式（11.19）
所以滿足疲勞強度條件。
三 立柱的選擇與計算
確定該設計起重機為繁忙使用，確定機構利用等級為T7總設計壽命為7200h 載荷狀態(tài)為L3 工作級別為M8
由國家標準鋼管合格表初選：
立柱D=219MM
厚度為 10MM
屈服強度為 235
抗拉強度為 375-460
軸慣性矩為 3593.286 cm
極慣性矩為 Ip=7186.572
抗扭系數(shù)為656.307
截面面積為 65.659
單位重量為 51.542kg/m
每米外表面積為 688
g近似取10n/kg
G(重物)=mg=100kg*10n/kg=1000n
q=11.26kg/m
G(梁)=m梁g=q*l*g=11.261*1.5*10=169n
G（電機）=18*10=180n
G(電葫蘆)=47*10=470n
G(總)= G(重物)+ G（電機）+ G(電葫蘆)=1000+180+470=1650n
M= G(總)*L+ G(梁)*L/2=1650*1.5+169*0.75=2601.75N/M
四.立柱穩(wěn)定性計算
由結構知，此立柱采用標準型鋼鋼管制成為等斷面立柱，根據(jù)《機械設計手冊》
第一卷（等斷面立柱變壓穩(wěn)定性計算）由表1-1-120等斷面立柱變壓靜力穩(wěn)定性計算。此立柱屬于偏心壓桿，采用折減系數(shù)法計算：
穩(wěn)定性條件：
實際工作載荷P=1000N 偏心壓桿的折減系數(shù)，其值根據(jù)桿的柔度及
查表1-1-123得
查表1-1-94為
為壓桿的長度系數(shù) 查表1-1-125 =2
（1） 梁與立柱垂直時
偏心距e為1.5m+219mm/2=1609.5mm
立柱截面面積
截面抗彎模數(shù)
取=0.028 計算如下：
穩(wěn)定性符合要求
（2）梁處于極限位置處
偏心距e=1359.85mm
取=0.037 計算如下：
穩(wěn)定性符合要求
五.焊縫的強度計算
由《機械設計手冊》第一篇表1-4-43起重機金屬結構焊縫的許用應力（GB3811-1983）
取
結構件材料的基本許用應力由表1-4-44查得
由表1-4-45（安全系數(shù)和許用應力）選取組合，安全系數(shù)=1.5，拉伸，壓縮，彎曲許用應力,剪切許用應力,端面承壓許用應力（磨平頂緊）
由《機械設計手冊》第一卷表1-4-35得：彎曲應力
由《機械設計手冊》第一卷第三篇 熱軋工字鋼（GB/T 706-1988）查的
根據(jù)《機械設計手冊》第一卷第三篇 熱軋工字鋼（GB/T 706-1988）查的
10號工字鋼h=100mm,t=7.6mm.
由《機械設計手冊》第一卷表1-4-34得：a=0~2 取a=2
由《機械設計手冊》第一卷表1-4-40(建筑鋼結構焊縫許用應力)查得：
焊接符合要求。
六.套筒聯(lián)軸器所用鍵及電動小車車輪所用鍵的選擇與校核
（1）套筒聯(lián)軸器所用鍵的選擇與校核
按已知條件初選鍵的類型為A型平鍵，由（GB1096-79）查得鍵的公稱尺寸為
b*h=16*10。鍵的參數(shù)如下：
鍵槽：
寬度 b=16 深度
較緊鍵聯(lián)結 軸t 極限偏差
軸和轂為p9 公稱尺寸 +0.2
-0.018 6.0 0
-0.061 轂t1 極限偏差
公稱尺寸 +0.2
4.3 0
已知傳遞功率p=0.4kw 輸出轉速為7r/min 有輕微沖擊
1. 選擇鍵的類型：A型普通平鍵
2. 確定鍵的尺寸：鍵寬b=16mm
鍵高h=10mm
鍵長L=50mm
3. 驗算擠壓強度：公式
鍵的工作長度l=L-b=50-16=34mm
擠壓面高度k=h/2=10/2=5mm
轉矩T=9.55=9.55
許用擠壓應力由表6-1，[]=100MPa
擠壓應力
經(jīng)驗算所選平鍵能夠安全使用。
（2） 電動小車車輪所用鍵的選擇與校核
按已知條件初選鍵的類型為A型平鍵，由（GB1096-79）查得鍵的公稱尺寸為
b*h=8*7。鍵的參數(shù)如下：
鍵槽：
寬度 8=16 深度
較緊鍵聯(lián)結 軸t 極限偏差
軸和轂為p9 公稱尺寸 +0.2
-0.015 4.0 0
轂t1 極限偏差
公稱尺寸 +0.2
3.3 0
已知傳遞功率p=0.4kw 輸出轉速為70r/min 有輕微沖擊
4. 選擇鍵的類型：A型普通平鍵
5. 確定鍵的尺寸：鍵寬b=8mm
鍵高h=7mm
鍵長L=25mm
6. 驗算擠壓強度：公式
鍵的工作長度l=L-b=25-8=17mm
擠壓面高度k=h/2=7/2=3.5mm
轉矩T=9.55=9.55
許用擠壓應力由表6-1，[]=100MPa
擠壓應力
經(jīng)驗算所選平鍵能夠安全使用。
七.卡箍聯(lián)結螺栓的選擇
先計算卡箍所受的軸向力：Q=mg=[m(梁)+m（電葫蘆）+m(電動小車)+m(重物)]g
=（10*1.5+47+20+100）*9.8=1.715KN
由于連接板下設置支托板，故豎直剪力由支托板承受，而螺栓承受彎矩.其值為
M=Qe=1.715*210=360.15KNmm
此處聯(lián)結螺栓采用高強度螺栓：
確定螺栓承受最大拉力
高強度螺栓預緊力為：
P
經(jīng)計算選用45號鋼制造高強度螺栓M10
八.環(huán)鏈電動葫蘆的選擇
環(huán)鏈電動葫蘆是以焊接圓環(huán)鏈作為承載件的電動葫蘆，與鋼絲繩電動葫蘆相比，結構更加輕巧，價格更便宜，用途也很廣。
環(huán)鏈電動葫蘆起升機構通常是由一臺單速錐形轉子電動機或一臺雙繞組變級式雙速錐形轉子電動機驅(qū)動，通過兩級或三級齒輪傳動減速驅(qū)動鏈輪旋轉，達到起重目的。起升機構的雙速比多數(shù)為1：4~1：6，其起重鏈條一般都采用80級（σb=800Mpa）高強薄層滲碳鏈
環(huán)鏈電動葫蘆由吊鉤裝置，集鏈箱，機體，電動運行小車，起升電動機，電氣控制裝置。根據(jù)已知條件此設計中選擇BHHM0.125型環(huán)鏈電動葫蘆，其參數(shù)如下：
BHHM0.125型環(huán)鏈電動葫蘆：
起重量：0.125t
起升高度：1.5m
起升速度：常速：4m/min 慢速：1m/min 運行速度：26m/min
工作制度：起升：JC=25/15% 運行：JC=40%
起重鏈：行數(shù)：2 直徑*節(jié)距： Φ4*12
電動機：起升常速：0.2kw 慢速：0.05kw 運行：0.4kw
電源：380/220v 50Hz
工字鋼型號：10
軌道最小曲率半徑：1m
起升高度增加1m所增加重量；0.7k
與電動葫蘆配套使用的電機為電動葫蘆專用交流三相異步電動機系列
系列號：YHHZ1
電動機名稱：環(huán)鏈電動葫蘆起升用雙速錐形轉子感應電動機
基準工作制：高速S4-40%,240次/h
低速S4-20%,240次/h
系列容量（KW）：高速：0.2~3.1（0.2）
低速：0.05~0.51（0.05）
級數(shù)：2/8 2/12
九.工字鋼翼緣彎曲強度計算
1.工字鋼出現(xiàn)的危險點
影響工字鋼翼緣局部彎曲的因素很多，但主要是輪壓。翼緣的厚度和輪壓作用點的位置，其中輪壓和翼緣的厚度只影響局部彎曲應力大小而壓力作用點的位置不僅影響力的大小，同時還決定危險點的位置。
實際上，工字鋼下翼緣局部彎曲的危險點將隨著輪壓作用點的位置變化而改變，當力作用點靠近工字鋼翼緣邊緣時，危險點將會在點5和點6處出現(xiàn)；當作用點在工字鋼翼緣中間時，危險點將在輪壓作用點3和4處出現(xiàn)；當作用點靠近工字鋼腹板時，危險點將會在翼緣根部點1和點2處出現(xiàn)。
2.k-曲線.
k-曲線是反映輪壓作用點位置對局部彎曲應力影響的曲線，是力（輪壓）作用點位置系數(shù)，是指力的作用點到工字鋼腹板的距離i與工字鋼翼緣懸臂板寬
a的比值，即=i/a,i=a+c-e,a=b-d/2
其中：i-力作用點至腹板距離（mm） a-工字鋼翼緣懸臂板寬度（mm）
b-工字鋼翼緣寬度（mm） d-工字鋼腹板厚度（mm）
c-輪緣與工字鋼翼緣之間的間隙（mm）取3~5
e-力作用點至輪緣邊的距離（mm）
由《起重運輸設備選用手冊》查得
當工字鋼為普通熱軋工字鋼時，翼緣表面斜度為1/6,取e=0.164R;采用輕型工字鋼 ，工字鋼翼緣表面斜度為12%，取e=0.118R，R為車輪踏面曲率半徑。
3.工字鋼翼緣局部彎曲應力計算：
i和a值一經(jīng)確定，便可計算出，由值查出相應k1-k5值
1點處局部彎曲應力：
3點處局部彎曲應力：
5點處局部彎曲應力：
式中F-一個車輪最大輪壓（N）;
-工字鋼翼緣離腹板（b-d）/4處厚度（mm）;
-局部彎曲應力計算系數(shù)；式中負號表示壓應力，正號表示拉應力。
4.工字鋼合成應力彎曲強度計算;工字鋼合成應力彎曲強度，即工字鋼下翼緣下表面各危險點的合成應力（包括整體與局部應力）按第四強度理論公式計算：
1點處合成應力：
由《機械設計手冊》查得10號熱軋工字鋼的參數(shù)如下：
h=100mm, r=6.5mm, b=68mm, d=4.5mm, t=7.6mm,
h-工字鋼高度，i-慣性半徑，b-腿高度，d-腰厚度，s-半截面靜力矩，t-平均腿高度，r-內(nèi)圓弧半徑，-腿端圓弧半徑，I-慣性矩，W-截面系數(shù)。
[]=215MPa,E=210GPa
取a=32mm,c=3,R=1000mm,e=0.164R,( )
則i=a+c-e=32+3-1000*0.164=18.6mm
工字鋼翼緣局部彎曲應力計算
1點處局部彎曲應力：
3點處局部彎曲應力：
工字鋼合成應力彎曲強度計算
經(jīng)驗算校核該工字鋼的彎曲應力符合條件要求。
十.梁的穩(wěn)定性計算
梁的整體穩(wěn)定性條件為
—梁的最大彎矩（在最大彎曲剛度平面內(nèi)）
—抗彎截面系數(shù)
—梁的彎曲許用應力，當梁的截面厚度不超過16mm時
[]=215MPa(Q235鋼)
—梁的整體穩(wěn)定系數(shù)
集中載荷作用于下翼緣
工字鋼號：10 自由長度l/m：3.1/
均布載荷作用于下翼緣
工字鋼號：10 自由長度l/m:2.5/
梁的受力分析與彎矩圖如下：
經(jīng)驗算梁的穩(wěn)定性符合所要求的條件。
十一.電動機的選擇
1.選擇電動機應綜合考慮的問題：
（1）根據(jù)機械的負載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調(diào)速等要求，選擇電動機類型。
（2）根據(jù)負載轉矩、速度變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機的溫升限制、過載能力和啟動轉矩，選擇電動機功率，并確定冷卻通風方式。所選電動機功率應留有余量。負載率一般取0.8~0.9。過大的備用功率會使電機效率降低，對于感應電動機，其功率因數(shù)將變壞，并使按電動機最大轉矩校驗強度的生產(chǎn)機械造價提高。
（3）根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃氣體等考慮必要保護方式，選擇電動機的結構型式。
（4）根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標準和對功率因數(shù)的要求，確定電動機的電壓等級和類型。
（5）根據(jù)產(chǎn)生機械的最高轉速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程性能的要求，以及機械減速機構的復雜程度，選擇電動機額定轉速。
除此之外，選擇電動機還必須符合節(jié)能要求、考慮運行可靠性、設備的供貨情況、備品備件的通用性、安裝檢修的難易，以及產(chǎn)品價格、建設費用、運行和維修費用、生產(chǎn)過程中前后期電動機功率變化關系等各種因素。
2.電動機類型和結構形式的選擇：
如無特殊要求，一般選用Y系列三相交流異步電動機。Y系列電動機為一般用途的全封閉自扇冷式電動機，試用于無特殊要求的各種機械設備。對于頻繁啟動、制動和換向的機械（如起重機械），宜選允許有較大振動和沖擊，轉動慣量小，過載能力大的YZ和YZR系列，起重用三相交流異步電動機。
同一系列電動機有不同的防護及安裝形式，可根據(jù)具體要求使用。因本設計安裝所要求，選用立式電動機。例如L 200 20 S B型號電動機，此系列電動機為廠家產(chǎn)品需外購。
3.電動機容量的確定：
電動機的容量選擇是否合適，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響，選擇功率小于工作要求，則才能保證工作機的正常工作，或使電動機長期過載，發(fā)熱大而過早損壞；選擇功率過大，則電動機價格高，能力不能充分利用而造成浪費。
此設計中，由于設計任務書所要求工作機一般為穩(wěn)定載荷連續(xù)運轉的機械，而且傳遞功率較小，故只需使電動機的額定功率等于或稍大于電動機的實際輸出功率，即就可以了，一般不需要對電動機進行熱平衡計算和校核起動力矩。
所需電動機的輸出功率為：
--工作機所需輸入功率（KW）
--傳動裝置的總效率
工作機所需功率由工作阻力（F或T）和運動參數(shù)（v或n）按下式計算：
或
式中：F--工作機阻力（N）
--工作機效率
v--工作機線速度（m/s）
T--工作機阻力矩（N·m）
n—工作機轉速（r/min）
所以電動機的輸出軸與轉動部件是由鍵直接聯(lián)結。
傳動裝置的總效率為100%
則所需電動機的輸出功率：
4．電動機的選擇
（1）初選電動運行小車驅(qū)動電動機的馬力為400W，轉速為1440r/min，約為1400r/min，減速比1/20，本機工作效率為
符合要求，則初選電機合適。
符合要求，則初選電機合適。
電機的確定：馬力400 1/4 HP4P 減速比1/10～1/50取1/20 電機轉速1400r/min，減速后70r/min，型號28，重量18kg。
驗算小車運行速度：小輪直徑60mm。
則小車速度：
與所選電葫蘆要求的速度幾乎相同，符合要求。
此電動機型號為：L 400 20 S B
(2)初選懸臂驅(qū)動電機的馬力為400W，轉速為1400r/min,減速比1/100，本機工作效率為。
符合要求，則初選電機合適。
符合要求，則初選電機合適。
電機的確定：馬力：400W 1/2HP4P ,減速比：1/100-1/200取1/200
電機轉速1400r/min, 減速后 7r/min,型號：32，重量：58kg
(3)以上所選用的電機為AC/DC電磁剎車變速齒輪減速馬達（廠家產(chǎn)品）
馬力：60-420W（單相） 25W-420W（三相）比數(shù)1/3-1/1800
電壓：110V-220V（單相）220V-380V（三相）
特長：1.因配用速度控制器，可廣泛范圍平穩(wěn)的加減速度。
2.可按需要選擇變速，制動轉換正反轉慢速起動，慢速減速等多種復雜的運轉程序。
3.確實地保持負載，即為無刺激磁動式電磁制動器。關掉電源時，立即產(chǎn)生制動力而確定地保持負載。
4.短時間內(nèi)制動，電動機單機時，超程是2-4旋轉。
5.可以控制較復雜的瞬時正反轉，每分鐘可以停止6次，采用剎車安全，靈敏保持力大的無刺激磁動式電磁制動器。在關掉電源時，立即產(chǎn)生制動力而確定地保持負載。
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機床安裝用起重機的設計(梁與小車)
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安裝
起重機
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小車
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