水文缆道分体式专用绞车的设计.docx
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水文缆道分体式专用绞车的设计.docx
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水文缆道分体式专用绞车的设计
水文缆道用绞车
专用水文绞车是用于控制铅鱼升降和水平移动的专用水文电缆装置。
它在水文站的流量、沙量和波浪测量中发挥着重要作用。
这是由水文管道组成的主要设备。
传统水文缆道专用绞车存在体积重量大、主轴跨距过宽、结构较复杂、噪音大、钢丝绳易磨损等缺点,其开放性传动易对人身造成伤害,在已建好的站房内安装较困难。
为此,根据水文缆道测验特点,设计了一种分体式水文专用绞车,如图1所示。
1循环索工作绳速
1)工作环境:
-10℃~85℃;
2)额定载荷:
250kg,极限载荷:
500kg;
3)循环索工作绳速:
0~0.7m/s,起重索工作绳速:
0~0.45m/s(均可无级调速);
4)体积不大于600mm×500mm×450mm(1台);
5)重量不大于110kg(1台)。
2搭建零件组合
本分体绞车设计成结构形状相同、安装方向相反的单体绞车,左右绞车形成一套,分别控制铅鱼的升降和水平移动。
由于结构形状相同,左右绞车除机体(方向相反)外,其他零部件相同,便于批量生产和质量控制,零件可实现互换,利于设备的维修。
为实现以上要求,设备可分为以下部分进行设计。
2.1绳轮+带原理型铜带束
主轴传动部分是绞车的核心,承载着绞车的主要负载和动力传递,主要包含主轴、绳轮、主轴大齿轮、离合器和联轴器等(见图2)。
其工作原理是电机动力通过主轴,传递到离合器带动绳轮,利用钢丝绳与绳轮的挠性摩擦力带动钢丝绳,实现铅鱼的移动。
主轴根据轴上零件安装的位置、功能和受力不同设计成为阶梯轴;为避免钢丝绳的挤伤或磨伤,延长钢丝绳的使用寿命,绳轮设计了钢丝槽,钢丝槽形状为半圆形;大齿轮为手动操作时传递人工力矩,与手动小齿轮的传动比应在4∶1以上。
2.2旋转小齿轮与主轴大齿轮间的互补设计
手动操作是防止突然断电或电机故障,无法实现电动操作而设计。
手动操作部分主要有手动轴、手动小齿轮、摇把等组成。
手动操作时,人工摇动摇把,动力通过手动轴上的小齿轮与主轴大齿轮啮合转动驱动绳轮,实现人工操作。
手动轴设计为阶梯轴,由于长度相对较长,结构上要有足够强度使手工操作时不产生变形;摇把要易于操作,拆装方便,摇动时与其他部件无干涉现象;小齿轮与主轴大齿轮间设计离合器,使人工操作与电动操作实现互锁,避免损坏设备和意外事故发生。
由于循环索开口平衡锤式水文缆道有平衡锤,在正常工作状态下,人工操作很轻松,但在极限负载下(如遇大洪水、铅鱼挂到漂浮物等),要求人工仍能实现操作。
2.3鼠笼式异步电动机
电力驱动部分是绞车动力来源,由电动机和减速机配合组成。
电动机采用目前技术较为成熟、易于采购的三相鼠笼式异步电动机,配以变频器实现无级变速。
减速机选用蜗轮蜗减速机,该机体积小、运行平稳、噪音小,适合大扭矩、大速比、高稳定的机械减速控制。
2.4比较优势的改进
为增加绳轮的摩擦力,实现绞车的挠性传动,须设置分线装置。
传统分线装置滑轮没有绳槽,钢丝绳运动时在滑轮上存在滑动现象,使钢丝绳相互挤压,产生很大的噪声,降低了钢丝绳的寿命。
为改进以上缺点,分线轮与绳轮一致,设计了半圆形绳槽,使钢丝绳在包轮时分开,相互不挤压,达到了降低噪声和延长钢丝绳寿命的目的。
分线轮由双滑轮组成(见图3),钢丝绳统一在分线轮下部引出,使分线装置同时兼有导向轮作用,使得钢丝绳布线更为美观。
2.5同步轮带动距离传感器和流量计
计数装置利用距离传感器和机械计数器结合的方式实现电动和人工测距。
计数装置安装于分线轮上方,利用同步轮带动距离传感器和计数器。
因缆道多架设在空旷的河道上,容易受到雷击,雷电通过缆道钢丝绳、绞车、距离传感器等导体而损坏缆道智能控制系统,所以在计数装置与绞车连接处需做物理隔离防雷设计。
2.6机体的强度
设备机体起到有效支撑整个运动系统和安全防护的作用,由机箱和底座组成。
绞车在运行过程中,可能存在振动、受力大小改变等因素,因此机体需有足够的强度,有效的连接和支撑各运动部件。
在整个运行系统中,有齿轮、钢丝绳等易绞入东西的运动部件,而绞车一般装在站房操作室,人员来往频繁,水文设备较多,机体应对上述危险部件有良好的防护作用,不能设计为开放式,避免意外事故的发生。
2.7其他设备
如离合器、联轴器、标准件的选用可按《机械设计手册》以及根据绞车使用的参数和需要选用。
3计算主参数
3.1电机功率的确定
绞车电动机的功率选择要适当,功率过小,绞车不能满足工作要求;功率过大,绞车不仅耗电、附属设备也要相应增大,成本随之提高。
绞车电动机功率可按下列公式计算:
P=(1−Kp)QV102η电
(1)
式中P为电动机功率,kW;Q为钢丝绳负荷,kg,水平循环电动机采用循环索拉力,垂直升降电动机采用起重索拉力;V为循环索、升降索运行速度,m/s;102为功率换算系数,1kW=102(kg·m)/s;Kp为平衡系数,为铅鱼附着物及水冲击力与铅鱼之比,可取Kp=0.35;η电为电动机机械传动效率,取90%~95%。
选用电动机功率时,应保持有一定的富余量,一般取计算功率的1.50倍,本绞车额定载荷Q=250kg,按最大循环索绳速V循=0.7m/s取电动机功率,由式
(1)计算得电动机功率P=1.86kW,取标准值2.2kW。
选择电动机除计算功率外,应同时注意选择电动机与减速机、机体的连接方式,在保证连接强度足够的前提下,选择安装占用体积小、安装平稳、便于拆装的连接方式。
3.2选择减速选择计算
3.2.1绳轮节圆直径
按下式计算:
i=Dπn电60V
(2)
式中i为减速机传动比;n电为电动机转速,r/min;D为绳轮节圆直径,m;π为圆周率,取3.14;V为循环索、升降索运行速度,m/s。
若绳轮节圆直径设计为0.2m,电动机转速n电=1440r/min,V循=0.7m/s,V起=0.45m/s,代入式
(2),则i循=22,i起=33,取标准值分别为i循=20,i起=30。
3.2.2循回索拉力和垂直升降发电机
T减=9.8KQD2(3)
式中T减为减速机输出转矩N·m;K为安全系数,取1.5;Q为钢丝绳负荷,kg,水平循回电动机采用循回索拉力,垂直升降电动机采用起重索拉力;D为绳轮节圆直径,m。
将Q=250kg和D=0.2m代入式(3),可得转矩T减=367.5N·m
绞车在运行过程中无冲击,运行平稳,有正反转,按整个汛期使用情况即平均每2d工作1次,每次时长小于2h选择减速机工况,由减速机传动比、转矩参数及以输出轴直径(即主轴输入直径),可选出减速机的具体型号。
3.3[]型钢调质绞车主轴应力及弯矩变化测量
绞车主轴受绳轮处钢丝绳拉力而产生弯矩和电动机驱动而产生的扭矩联合作用,按弯转合成力矩计算其直径,公式为:
D≥10M2+(αT)2√k[σ−1]−−−−−−−−−−√3(4)
式中D为主轴直径,mm;M为主轴计算截面上的弯矩,N·mm;T为主轴计算截面上的转矩,N·mm;α为根据应力变化性质而定的校正系数,绞车主轴应力为对称循环变化,取α=1;k为绞车主轴疲劳应力系数,取k=0.40;[σ-1]为45#钢调质的许用疲劳应力,MPa,取[σ-1]=200MPa。
弯矩M计算公式:
M=9.8×2Qabl(5)
式中Q为钢丝绳负荷,kg,水平循回电动机采用循回索拉力,垂直升降电动机采用起重索拉力;a、b为绳轮中心到两轴承中心尺寸(见图2);l为主轴前后主轴承中心尺寸(见图2)。
Q取额定负荷250kg,由图1中尺寸代入式(5)中可得M=272×103N·mm。
转矩T计算公式:
T=9550×103Piη减n(6)
式中P为电动机功率,kW;i为减速机传动比;η减为减速机机械效率,取η减=50%~60%;n为电动机转速,取n=1440r/min。
由式
(1)计算可知,P=2.2kW,减速机传动比取式
(2)计算的最大转动比i起=30,代入式(6)中得T=219×103N·mm。
由M=272×103N·mm和T=219×103N·mm代入式(4)中计算得主轴直径D≥39.4mm,即主轴直径在40mm以上。
3.4铅鱼中松边拉力的变化
本绞车以循环索开口平衡锤式水文缆道为应用基础,由绳轮以摩擦力的方式驱动钢丝绳,如摩擦力不足,绳轮打滑,将无法工作;而摩擦力过大,造成过多的钢丝绳绕圈数,加大主轴的径向受力。
绳轮由前述得知设计为半圆槽形式,要实现钢丝绳在绳轮中的挠性摩擦传动,即要符合以下柔韧体欧拉公式:
F1/F2≤efa(7)
式中F1为钢丝绳紧边拉力;F2为钢丝绳松边拉力;e为自然对数的底,其值为e=2.718;a为钢丝绳在绳轮上的包角,rad;f为钢丝绳在绳槽中的当量摩擦系数,取f=0.115。
efa称为曳引系数,它限定了F1/F2的比值,efa越大,则表明了F1/F2允许值越大,也就表明绳轮曳引能力越大。
如F1/F2>efa则钢丝绳打滑,无曳引能力。
由图2可知,钢丝绳绕绳轮1圈的包角大于180°(可取1圈的包角为180°),若绕绳轮3圈,则efa=2.95。
根据式(7),按铅鱼工况分为以下4种情况:
1)铅鱼放置在工作台时,F铅→0(不会等于0),F锤=Q。
铅鱼提起时,F1/F2→1
2)铅鱼升起、未入水时:
F1≈F2,F1/F2=1 3)铅鱼测流时: F铅=(1+Kp)Q,F锤=Q。 铅鱼在水中提起时,F1/F2=1.34 4)铅鱼触底时,F铅→0(不会等于0),F锤=Q。 铅鱼提起时,F1/F2→1.34 4轮和分线轮的研制 为减轻整机重量,可选择用市场上技术较成熟的铝合金电动机和减速机;主轴材料可选用45#钢,由于其传递主要扭矩,结构为阶梯轴,需进行调质处理,减少应力变形;绳轮和分线轮宜选用耐磨、切削性能好的球墨铸铁;机体可用普通钢板拼焊后加工完成,最后成品图如图4所示。 绞车在使用过程有随时停车、调速、正反转的情况出现,要求绞车有较好的机械性能和可靠的自锁功能,大转比蜗轮蜗杆减速机可以有效地实现电动操作时的自锁功能,而手动操作时的自锁可在手动轴齿轮设置锁舌或棘轮装置即可。 绞车的调速和正反转可用电路部分实现,使用范围较广的交流变频器可使该绞车很容易实现从停止到额定速度之间的任一速度运行,配合水文缆道智能控制系统可实现缆道铅鱼、吊箱自动化测流等水文工作。 5b外包缆道建设 该绞车以循环索开口平衡锤式水文缆道的方式,已在广西、海南、广东、云南、山西、越南等水文站安装数十套,通过对不同大小、不同水深河流的使用情况看,绞车运行平稳、故障率低、噪音小,比传统绞车适应范围更广,各项指标符合水文规范要求,是各水文站建设现代缆道测验和改造吊箱缆道较理想的绞车产品。
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- 水文 缆道分 体式 专用 绞车 设计