基于特高压输电铁塔组装钢管抱杆的优化设计.doc

ee基于特高压输电铁塔组装钢管抱杆的优化设计ee（ee）指导教师：ee 摘要本论文主要对特高压输电铁塔组装钢管抱杆进行优化设计，根据特高压输电线路铁塔组立的经验，采用内悬浮外拉线抱杆分解组塔方法。针对这种方法，选择的抱杆长度为38m，而38m抱杆一般应选用格构型变截面金属抱杆。在对特高压输电铁塔组装钢管抱杆进行设计的过程中，主要分析了不同金属抱杆的结构特点，研究了金属抱杆的受力特点及长细比选择，对单抱杆中心受压、偏心压力和兼有横向弯矩抱杆、抱杆风荷载及格构型抱杆选材等进行了设计、计算、校核，确定了内悬浮外拉线抱杆分解组立特高压线路铁塔施工方案. 针对拟研究的内悬浮抱杆，本文利用Pro/E软件建立了钢管抱杆的有限元模型，再用ANSYS软件对钢管抱杆的结构进行了分析设计。 关键词特高压；输电铁塔；钢管抱杆；有限元分析；优化设计Based on UHV transmission tower assembly steel tube pole optimization designee（ee）tutor: ee Abstract: This thesis focuses on high voltage transmission tower steel pole assembly to optimize the design, according to special high-voltage transmission line tower assembly of experience, using the external cable suspended group Tower pole decomposition method. For this method, pole length should be selected for the 38m, 38m pole should be used in general variable cross-section of lattice-typ3.e metal pole. UHV transmission tower in the assembly of the steel pole design process, the main pole of the different structural characteristics of the metal, the metal pole of the force characteristics and the slenderness ratio selection, center of pressure on a single pole, Lateral pressure and bending moment both eccentric pole, wind load pass pole pole configuration was designed such selection, calculation, checking, determine the decomposition of suspended pole outside the cable assembly UHV transmission line tower construction program. Machinery Co., Ltd. developed for the peaks of research, we use Pro/E software to establish a steel pole in the finite element model ,then the structure of the steel pole design is optimized by ANSYS. Key words: UHV；transmission tower；steel tube pole；finite element analysis；optimal design目 录1.引 言11.1研究课题的内容和意义11.2输电线路铁塔及其结构11.2.1自立式塔型21.2.2拉线式塔型31.2.3特高压钢管塔31.2.4大跨越高塔41.3常用的立塔方法41.3.1整体立塔41.3.2分解组塔51.4金属抱杆的类型71.4.1金属抱杆按照材料不同分类81.4.2金属抱杆按照组装的结构型式不同分类91.4.3金属抱杆按照断面形状不同分类91.4.4按照立塔方式及结构特点不同分类101.5抱杆的研究现状112.抱杆的设计132.1研究抱杆要解决的问题132.2金属抱杆的受力特点及长细比选择132.3单抱杆中心受压的设计计算142.3.1等截面抱杆的中心压力计算142.3.2变截面抱杆的中心压力计算162.4偏心压力和兼有横向弯矩抱杆的设计计算192.4.1等截面抱杆的偏心受压计算192.4.2变截面抱杆的偏心压力计算202.5抱杆风荷载计算212.5.1风振系数212.5.2顺向风荷载标准值242.5.3风载计算252.6格构型抱杆选材的验算262.6.1抱杆主材截面的选择262.6.2抱杆辅助条材的选择273.有限元分析方法283.1有限元法基础理论283.2 ANSYS软件基础323.3抱杆模型说明374.抱杆的有限元分析384.1抱杆的仿真实验目的384.2计算机仿真实验模型384.2.1仿真实验项目及步骤394.2.2仿真实验结果及分析394.2.3内悬浮抱杆仿真实验结论404.3特高压输电铁塔组装用钢管抱杆的最优设计404.3.1技术参数414.3.2抱杆主材选择及截面形状优化414.3.3 S600抱杆的特点485总结与展望495.1总结495.2展望49致 谢51参 考 文 献52附：英文原文中文翻译431.引 言1.1研究课题的内容和意义 电力工业是国家的支柱产业之一，也是国民经济的命脉，关系到国计民生。特高压电网是基于我国发电能源分布和经济发展极不均衡的基本国情，为保证能源资源在全国范围内优化配置，适应东西20003000km、南北8002000km远距离、大容量电力输送需求而建立的。我国能源资源蕴藏丰富地区远离经济发达地区，三分之二以上的经济可开发水能资源分布在四川、西藏、云南，三分之二以上的煤炭资源分布在山西、陕西和内蒙古西部。东部地区经济发达，能源消费量大，能源资源却十分匮乏，因此，客观上需要采用长距离、大容量的特高压输电技术。而由于电厂装机容量越来越大，电力输送逐渐形成输电线路远、电压高的特点，再加上地形、地理位置的不同，对高压输电线路铁塔及其相关设施提出了更高的要求。要在崇山峻岭之间及交通不便的地区兴建众多的输电线铁塔，要求进一步研制更多的在不同地形地貌进行施工组装这一类大型输电线铁塔的安装设备抱杆。抱杆是一种起重类桅杆结构。目前它在电力建设施工中尤其是吊装施工中的使用日益广泛，其主要功能是以杆身为载体，将某种工艺装置举向高空，或作为安装及施工用的起重机结构。抱杆的设计和建造要求具有很高的安全性能和使用性能。在正式投入使用之前，必须按照设计要求进行载荷设计，以考验桅杆设计的合理性和制造质量的可靠性，确保抱杆在使用过程中安全可靠。此次拟研究的抱杆是专为山区地形组立特高压铁塔设计，通过对抱杆的优化设计，使抱杆单位长度重量、结构尺寸达到最优，以更加突出钢管抱杆组装高度大、截面尺寸小、相对重量轻、方便运输和吊装的特点。1.2输电线路铁塔及其结构铁塔是支持导线及避雷线的空间钢结构，国内外多数用热轧等肢角钢(腹杆国外有用不等肢角钢的)，选用螺栓连接的空间桁架结构，只有少数国家采用冷弯型钢或钢管及钢筋混凝土结构。我国从1974年开始试验研究500kV输电线路上使用的各种型式的铁塔，80年代初建成第一条平武500kV的超高压线路以来，东北、华北、中南、西南及华南地区(西北地区为330kV系统)，有15000多千米500kV超高压线路在运行。21世纪我国开始研究多回路的500kV线路铁塔，同时也在着手研究l000kV以上的特高压输电线路铁塔。 架空输电线路的铁塔按用途分为：直线型铁塔、耐张型铁塔和特殊型铁塔；按导线回路数分为：单回路、双回路和多回路铁塔；按结构型式分为：自立式铁塔、拉线型铁塔、特高压钢管塔和大跨越高塔。 1.2.1自立式塔型 指不带拉线的铁塔，因其塔身较宽大，刚性好，也称刚性铁塔。该塔有宽基和窄基两种：宽基塔的底宽与塔高的比值：承力型为1/4-1/5，直线型为1/6-1/8；窄基塔的宽高比约为1/12-1/13。自立式塔又可分为导线呈三角形排列的上字型如图1.1(a)和鸟骨型如图1.1(b)、猫头型如图1.2、干字型如图1.3、导线水平排列的酒杯型如图1.4(a)及门型如图1.4(b)、鼓型如图1.5和蝴蝶型如图1.6等结构。 (a) 上字型 (b)鸟骨型 猫头型 干字型 图1.1 自立式塔1 图1.2 自立式塔2 图1.3 自立式塔3 (a)酒杯型 (b)门型 鼓型 蝴蝶 图1.4 自立式塔4 图1.5 自立式塔5 图1.6 自立式塔6 1.2.2拉线式塔型拉线塔由塔头、主柱和拉线组成，塔头和主柱一般由角钢组成空间桁架，有较好的整体稳定性，能承受较大的轴向压力。拉线一般用高强度钢绞线做成，能承受很大的拉力，因此拉线塔能充分利用材料的强度特性而减少材料用量，但拉线占地面积较大。拉线塔又可分为导线三角形排列的鸟骨型、猫头型、上字型等，导线水平排列的八字型、V字型还有纵向能自立的内拉门型塔，如图1.7、1.8、1.9。 (a)拉线上字型 (b)拉线猫头型 (a)拉线八字型 (b)拉线V型 内拉门型 图1.7 拉线式塔1 图1.8 拉线式塔2 图1.9 拉线式塔3 1.2.3特高压钢管塔特高压双回路钢管塔的直线塔和悬垂转角塔是鼓型铁塔，耐张转角塔采用鼓型铁塔和单柱组合耐张塔。塔高一般大于100m，平均塔重约200t，塔材单件重量可达4t、长度可达9m、管径可达1m。图1.10中，(a)、(b)、(c)为直线塔型，(d)为耐张塔型。 (a)SZ271-54 (b)SZ272-54 (c)SZ273-60 (d)SJ271图1.10 特高压双回路钢管塔示意图 1.2.4大跨越高塔大跨越高塔指跨越大的江河或海峡，跨越超过l000m、塔高l00m以上的输电线路铁塔。这种铁塔因外荷载大(主要是风荷载)，造成铁塔结构复杂。目前国内外多用组合构件铁塔，用角钢做组合构件较多，也有用钢管塔及拉线钢管塔。我国跨越长江在南京(塔高257m)、武汉、安徽等处也用了钢筋混凝土塔，塔身为圆筒状钢筋混凝土结构，塔头为钢管或角钢结构，如图1.11、1.12、1.13。 图1.11 大跨越组合构件自立塔 图1.12 大跨越拉线塔 图1.13 大跨越混凝土塔1.3常用的立塔方法施工过程中常见的立塔方法有：整体立塔和分解组塔两大类。其中整体立塔又分为：倒落式人字抱杆整体立塔和座腿式人字抱杆整体立塔两种；分解组塔又分为：内悬浮内拉线抱杆分解组塔、内悬浮外拉线抱杆分解组塔、外拉线抱杆分解组塔、内悬浮带摇臂抱杆分解组塔、座地式摇臂抱杆分解组塔、流动式起重机组立铁塔、小抱杆分解组塔、倒装分解组塔等。 1.3.1整体立塔整体立塔已形成了一套完整的标准化的工艺流程和操作方法，适用于各种铁塔型式，包括拉线塔、自立塔和钢管塔，尤其适用于拉线铁塔和钢管塔。1.倒落式人字抱杆整体立塔倒落式人字抱杆整体立塔是目前国内施工单位使用比较多的一种立塔方法，施工工艺较为成熟。其施工工艺流程与倒落式抱杆整体组立混凝土电杆基本相同，操作方法也基本相同。2.座腿式人字抱杆整体立塔座腿式人字抱杆整体立塔是由倒落式人字抱杆整体立塔发展而来的，其特点是：人字抱杆由坐落地面改为坐落在铁塔的塔腿上。起立铁塔的抱杆有效高度相当于抱杆有效高度加铁塔根开，故与倒落式人字抱杆相比，实际抱杆长度较短，质量较轻，故也称为小抱杆整体立塔。 1.3.2分解组塔1.3.2.1内悬浮内拉线抱杆分解组塔内悬浮内拉线抱杆，简称内拉线抱杆，是指抱杆置于铁塔结构中心呈悬浮状态，抱杆拉线固定于铁塔的四根主材上，故称其为内拉线。内悬浮内拉线抱杆分解组塔主要适用于110-220KV线路的各种自立式铁塔，也可以在500KV线路铁塔组立中使用。其与外拉线抱杆组塔相比主要有以下优点：(1)工具简单。减少了地锚及减短了临时拉线长度。(2)不受地形影响。当铁塔塔位处于陡坡地形时，由于取消了外拉线，使组塔受外界条件限制较小。(3)吊装过程中，抱杆处于铁塔结构中心，铁塔主材受力较均衡，易于保证安装质量。(4)减少操作人员，主要是监视抱杆拉线人员，提高了工作效率。1.3.2.2内悬浮外拉线抱杆分解组塔内悬浮外拉线抱杆是指抱杆的拉线由抱杆顶引至铁塔以外的地面，通过拉线控制器与地锚连接固定，故也称为落地拉线。内悬浮外拉线抱杆分解组塔法广泛用于各种电压等级的输电线路铁塔组立中，特别适用于500KV及以上电压线路，在一些高塔组立施工中也有使用。这种方法比内拉线更适用于起吊较重的塔片。各种组塔方法对于吊装酒杯塔横担都存在一定困难，但使用内悬浮外拉线抱杆吊装酒杯型铁塔横担困难较小。1.3.2.3外拉线抱杆分解组塔外拉线抱杆分解组塔是使用较早的一种分解组塔方法。抱杆根固定于铁塔主材某节点或预留孔处，抱杆顶挂四条落地拉线用以平衡起吊重力及抱杆的稳定。由于拉线在铁塔结构的外面，故称外拉线或落地拉线。其特点是拉线落地，因此适用于比较平坦的地形条件。它与内悬浮外拉线抱杆的差别在于抱杆根的固定方式不同。外拉线抱杆的坐落方式有三种：塔外单主材固定式、塔内单主材固定式、塔外双主材悬浮式。与外拉线抱杆分解组塔相似的一种方法是外拉线通天抱杆分解组塔，都主要适用于220KV及以下线路铁塔的组立。1.3.2.4内悬浮带摇臂抱杆分解组塔内悬浮带摇臂抱杆分解组塔是在内悬浮外拉线抱杆和座地摇臂抱杆分解组塔基础上经工艺改进形成的一种组塔方法。它比内悬浮外拉线抱杆增加了摇臂，有利于酒杯塔曲臂的吊装；比座地摇臂抱杆增加了外拉线，使抱杆更加稳定，提高了抗风或承受水平荷载的能力；比座地摇臂抱杆短，运输机提升较轻便。但是它比内悬浮外拉线抱杆的自重大，特别是抱杆重心高，在操作上要求更加严格。因结构受力较为复杂，选用内悬浮带摇臂抱杆时，要根据其吊重进行强度和稳定的校验，必要时还应经抱杆力学性能试验。1.3.2.5座地式摇臂抱杆分解组塔座地式摇臂抱杆也称为通天座地式抱杆。就其竖立位置来看，座地式抱杆分为在铁塔内和在铁塔外两种。就抱杆头部来看，有带摇臂和不带摇臂两种。在铁塔内的座地抱杆可以利用塔身做支撑，减少抱杆的长细比，提高承载能力。与外拉线通天抱杆不同的是：其一，抱杆高度随铁塔塔段的组立而递增；其二，在抱杆顶端装有四根摇臂，既便于吊装塔片，又可兼做平衡拉线。座地式摇臂抱杆分解组塔具有施工安全、安装质量好、工效高和适用于复杂地形条件等优点。它的缺点是使用工具较多。座地式摇臂抱杆适用于220-500KV线路的各种类型铁塔，特别是酒杯型、猫头型塔横担的吊装，更显现其优越性。铁塔高度不宜大于50m。1.3.2.6流动式起重机组立铁塔高压架空输电线路杆塔组立施工中，因受地形及道路条件限制，使用流动式起重机组立杆塔的机会较少。但是，在运输道路通达的狭窄地区或者高塔组立中使用流动式起重机组塔确是一个既安全又高效的施工方法。流动式起重机包括汽车起重机和履带式起重机两种。可根据现场条件和设备条件选择。1.3.2.7小抱杆分解组塔小抱杆指的是比常规组塔方法(外抱杆、内悬浮抱杆等)使用的抱杆(有时也称其为大抱杆)长度短一些、断面小一些的抱杆，习惯上称为小抱杆。小抱杆的材料有木质、铝合金及钢。小抱杆有时在顶部设置临时拉线，有时不设置，当不设置临时拉线时称其为无拉线小抱杆。在运输特别困难的山区组立铁塔，一些施工人员采用了无拉线小抱杆分解组塔的方法。某35KV输电线路的铁塔组立中，还使用过一种短的钢抱杆，全长仅1.8m。无拉线小抱杆组塔的主要优点是工具轻便、简单，运输省力，施工人员少，便于小组作业。主要缺点是起吊重量小，起吊次数多，高处作业量大，施工安全风险大。无拉线小抱杆分解组塔的小抱杆具有两个特点：(1)小抱杆不带临时拉线，小抱杆相当于一个竖直的悬臂梁，每次起吊重量不宜太大。(2)由于起吊荷重轻，选择的抱杆等工具比其他分解组塔显得小而轻便。针对酒杯型或门型塔，当使用小抱杆组塔时，吊装横担必须使用双抱杆，即在酒杯塔的两侧上曲臂或在门型塔的两根塔身上各设一根小抱杆，利用两根小抱杆抬吊横担，这种组塔方法也称为双抱杆组塔法。1.3.2.8倒装分解组塔倒装分解组塔是指组立铁塔的顺序由上至下，先组塔头，再组塔身，最后组塔腿，直至完成全塔的组立，这与其他组塔方法的组立顺序恰恰相反。倒装组塔法分为半倒装和全倒装两种。全倒装是利用倒装架作提升支承，将塔体自上而下逐段提升倒装，直至全部铁塔组成整体。它较适用于拉线铁塔及窄基轻型铁塔。半倒装法也称混合倒装法。是利用塔体下部(塔腿)作为提升支承，逐段提升倒装铁塔上部，然后将塔身上部与塔腿合拢对接成整体。合拢时，提升体下端需安装支托结构的假腿，或者在塔腿上部安装提升塔体的假身，也称短抱杆。它较适用于宽基重型自立塔。倒装组塔法具有操作高度低，安装质量好，施工较安全，工作效率高等优点。根据施工经验，对高塔、重塔采用倒装法经济效益较好。1.4金属抱杆的类型架空输电线路杆塔组立施工中，金属抱杆是主要的起重工具之一。抱杆的工作特点是：吊装时，拉线转动灵活，能在任意方向上倾斜，可进行全方位吊装，施工效率较高；变幅系统还能适应施工空间随高度变化而变化的情况。抱杆结构吊装使用机具设备少，占地面积小，节省劳力，减少费用；且起吊能力大，效率高，受力均匀，稳定性能好，既经济又安全；同时，还可拆装，便于搬运，易转移；并能适应场地小，地理环境差的施工场合。金属抱杆各部分结构如图1.14所示。(a)抱杆起吊 (b)抱杆顶部构造 (c)抱杆拉线布置位置 (d)抱杆支座(e)抱杆焊接连接节点 (f)抱杆螺栓连接节点图1.14 金属抱杆各部分结构合理选择则抱杆型式及其布置方式是杆塔组立工艺设计的主要内容。金属抱杆按照材料不同可分为：钢抱杆、铝抱杆、全铝抱杆及铝钢组合抱杆；按照组装结构型式不同可分为：单抱杆、带摇臂抱杆、人字抱杆及星形抱杆；按照断面形状不同可分为：圆环形、四方断面格构形、三角断面格构形及方形断面抱杆；按照立塔方式及结构特点不同可分为：倒落式人字抱杆、座腿式人字抱杆、内悬浮内拉线抱杆、内悬浮外拉线抱杆、座地式摇臂抱杆、内悬浮带摇臂抱杆、外拉线抱杆及小抱杆。 1.4.1金属抱杆按照材料不同分类 (1)钢抱杆：以钢材为主辅材及法兰的抱杆； (2)铝抱杆：以铝合金为主材、钢为辅材且以钢法兰相配套的抱杆； (3)全铝抱杆：以铝合金材料为主辅材及法兰的抱杆； (4)铝钢组合抱杆：中段为钢段，两端部分为铝段组合而成的抱杆。 1.4.2金属抱杆按照组装的结构型式不同分类 (1)单抱杆，如图1.15(a)所示； (2)带摇臂抱杆，结构示意图1.15(b)，图1.16为摇臂抱杆分解组塔现场照片； (3)人字抱杆，如图1.15(c)所示； (4)星形抱杆，如图1.15(d)所示。 (a)单抱杆示意图 (b)带摇臂抱杆 (c)人字抱杆 (d)星形抱杆图1.15 金属抱杆外形示意图图1.16 摇臂抱杆分解组塔现场照片 1.4.3金属抱杆按照断面形状不同分类 (1)圆环形，即管型抱杆，如图1.17(a)所示； (2)四方断面格构形，如图1.17(b)所示； (3)三角断面格构形，如图1.17(c)所示； (4)方形断面抱杆，以小钢管为主材。如图1.17(d)所示。工程上使用最多的是圆环形和四方断面格构形。 (a)圆环形 (b)四方断面格构形 (c)三角断面格构形 (d)四方断面图1.17 抱杆断面形状 1.4.4按照立塔方式及结构特点不同分类 (1)倒落式人字抱杆：人字抱杆座落于地面。 (2)座腿式人字抱杆：人字抱杆由座落地面改为座落在铁塔的塔腿上。 (3)内悬浮内拉线抱杆：是指抱杆置于铁塔结构中心呈悬浮状态，抱杆拉线固定于铁塔的四根主材上，故称其为内拉线。 (4)内悬浮外拉线抱杆：抱杆的临时拉线由抱杆顶引至铁塔以外的地面，通过拉线控制器与地锚连接固定，图1.18为内悬浮外拉线抱杆分解组塔照片。图1.18 内悬浮外拉线抱杆分解组塔照片 (5)座地式摇臂抱杆：也称为通天座地式抱杆。就其竖立位置来看，座地式抱杆分为铁塔内和在铁塔外两种。就抱杆头部来看，有带摇臂和不带摇臂两种。 (6)内悬浮带摇臂抱杆：是在内悬浮外拉线抱杆和座地摇臂抱杆基础上形成的。它比内悬浮外拉线抱杆增加了摇臂，有利于酒杯塔曲臂的吊装；它比座地抱杆增加了外拉线，使抱杆更加稳定，提高了抗风和承受水平荷载的能力它比座地摇臂抱杆短，运输及提升较轻便。但是它比内悬浮外拉线抱杆的自重大，特别是抱杆重心高，在操作上要求更加严格。 (7)外拉线抱杆：是指抱杆根固定于铁塔主材某节点或预留孔处，抱杆顶挂四条落地拉线用以平衡起吊重力及抱杆的稳定。外拉线抱杆分解组塔的特点是拉线落地，因此适用于较平坦的地形条件。它与内悬浮外拉线抱杆的差别在于抱杆根的固定方式不同。(8)小抱杆：比常规组塔方法(外抱杆、内悬浮抱杆等)使用的抱杆(有也称其为大抱杆)长度短一些，断面小一些的抱杆，习惯上称为小抱杆。1.5抱杆的研究现状 衣立东，吕世荣在2006年电网技术第30卷第3期发表了名为750kV输变电示范工程施关键技术的研究与应用的文章，研究了铁塔组立、钢铝混合新型抱杆的研制、六分裂导线展放、扩径导线展放等问题的解决方法，并介绍了这些施工技术和方法的实际应用情况，为西北750kV骨干网架和国家百万伏级输电工程的施工建设提供了可借鉴的经验。 李庆林在电力建设2007年03期发表了名为特高压输电线路铁塔组立抱杆的方案选择的文章，特高压输电线路铁塔组立施工中需要使用长度为40m的内悬浮抱杆。文章对长度为40m的格构型金属抱杆的断面尺寸、材质及重量等进行了方案比较,提出了抱杆设计的推荐意见。 郑怀清等在2008年10月在新电力网站发表了名为1000 kV交流特高压线路铁塔组立技术的论文，1000 kV特高压输电线路铁塔结构尺寸大、横担长、部件大，使得特高压线路组塔施工难度加大。文章在借鉴我国500 kV和750 kV架空输电线路组塔施工技术和经验的基础上，提出了内悬浮外拉线抱杆组塔、落地摇臂抱杆组塔、塔式起重机组塔等适合于特高压线路铁塔组立的方法。该方法已在特高压交流试验示范工程中得到应用，为后续工程建设提供了技术储备。 蒙超雄在广西电业2009年第09期发表了名为云南至广东±800kV直流输电线路铁塔内悬浮外拉线抱杆分解组立施工计算方法的文章，针对内悬浮外拉线抱杆分解组立铁塔进行施工计算,希望能够对今后的特高压线路铁塔施工计算提供借鉴。 刘振亚在2009年出了一本名为特高压交流输电技术研究成果专辑的图书，系统介绍了2009年度国家电网公司完成的32项特高压交流输电技术课题和单项专题的研究成果。 庞军教授在机械管理开发期刊发表一篇名为基于S600特高压输电铁塔钢管抱杆优化设计的文章，利用ANSYS及Midas/Civil软件建立了钢管抱杆的有限元模型,对钢管抱杆的结构进行了优化设计。孙竹森等在2010年6月电网技术第34卷第6期发表了名为输电线路钢管塔的推广与应用的文章，对比角钢塔，介绍了钢管塔应用的主要原则和技术经济性，研究了节点构造、高强钢管、带颈锻造法兰、高强螺栓等钢管塔设计和加工方面的关键技术问题及其在试点工程的应用情况。另外还介绍了钢管塔的通用设计、材料供应以及规程编制等情况。2.电机选择2.1电动机选择（倒数第三页里有东东）2.1.1选择电动机类型2.1.2选择电动机容量电动机所需工作功率为：；工作机所需功率为：；传动装置的总效率为：；传动滚筒 滚动轴承效率 闭式齿轮传动效率 联轴器效率 代入数值得：所需电动机功率为：略大于 即可。选用同步转速1460r/min ；4级 ；型号 Y160M-4.功率为11kW2.1.3确定电动机转速取滚筒直径1.分配传动比（1）总传动比(2)分配动装置各级传动比取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比则低速级的传动比2.1.4 电机端盖组装CAD截图 图2.1.4电机端盖2.2 运动和动力参数计算2.2.1电动机轴 2.2.2高速轴2.2.3中间轴2.2.4低速轴2.2.5滚筒轴3.齿轮计算3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数1>按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。2>绞车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。3>材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。4>选小齿轮齿数，大齿轮齿数。取5初选螺旋角。初选螺旋角3.2按齿面接触强度设计由机械设计设计计算公式（10-21）进行试算，即3.2.1确定公式内的各计算数值（1）试选载荷系数1。（2）由机械设计第八版图10-30选取区域系数。（3）由机械设计第八版图10-26查得，则。（4）计算小齿轮传递的转矩。（5）由机械设计第八版表10-7 选取齿宽系数（6）由机械设计第八版表10-6查得材料的弹性影响系数（7）由机械设计第八版图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 ；大齿轮的接触疲劳强度极限 。13计算应力循环次数。（9）由机械设计第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数; 。（10）计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由机械设计第八版式（10-12）得（11）许用接触应力3.2.2计算（1）试算小齿轮分度圆直径=49.56mm（2）计算圆周速度（3）计算齿宽及模数 =2mmh=2.252.252=4.5mm49.56/4.5=11.01（4）计算纵向重合度0.318124tan=20.73（5）计算载荷系数K。已知使用系数根据v= 7.6 m/s,7级精度，由机械设计第八版图10-8查得动载系数由机械设计第八版表10-4查得的值与齿轮的相同，故由机械设计第八版图 10-13查得由机械设计第八版表10-3查得.故载荷系数11.111.41.42=2.2（6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得（7）计算模数 3.3按齿根弯曲强度设计由式（10-17）3.3.1确定计算参数（1）计算载荷系数。 =2.09（2）根据纵向重合度 ，从机械设计第八版图10-28查得螺旋角影响系数（3）计算当量齿数。（4）查齿形系数。由表10-5查得（5）查取应力校正系数。由机械设计第八版表10-5查得（6）由机械设计第八版图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 ；大齿轮的弯曲强度极限 ；（7）由机械设计第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数 ，；（8）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S1.4,由机械设计第八版式（10-12）得（9）计算大、小齿轮的 并加以比较。=由此可知大齿轮的数值大。3.3.2设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲劳强度计算 的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm 来计算应有的齿数。于是由取 ，则 取 3.4几何尺寸计算3.4.1计算中心距a=将中以距圆整为141mm.3.4.2按圆整后的中心距修正螺旋角因值改变不多，故参数、等不必修正。3.4.3计算大、小齿轮的分度圆直径3.4.4计算齿轮宽度圆整后取.低速级取m=3;由 取圆整后取表 1高速级齿轮：名称代号计 算 公 式 小齿轮大齿轮模数m22压力角2020分度圆直径d=227=54=2109=218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径表 2低速级齿轮：名称代号计 算 公 式 小齿轮大齿轮模数m33压力角2020分度圆直径d=327=54=2109=218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径4.轴的设计4.1低速轴4.1.1求输出轴上的功率转速和转矩 若取每级齿轮的传动的效率,则4.1.2求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮的分度圆直径为圆周力 ,径向力 及轴向力 的4.1.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据机械设计第八版表15-3,取 ,于是得输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则:按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003或手册,选用LX4型弹性柱销联轴器,其公称转矩为2500000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.4.1.4轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案 图4-1（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1)根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上,故1-2 段的长度应比 略短一些,现取.2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为dDT=65mm140mm36mm，故 ；而。3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径 ；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度 ，故取h=6mm ，则轴环处的直径 。轴环宽度 ，取。4）轴承端盖的总宽度为20mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取 低速轴的相关参数：表4-1功率转速转矩1-2段轴长84mm1-2段直径50mm2-3段轴长40.57mm2-3段直径62mm3-4段轴长49.5mm3-4段直径65mm4-5段轴长85mm4-5段直径70mm5-6段轴长60.5mm5-6段直径82mm6-7段轴长54.5mm6-7段直径65mm（3）轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=20mm12mm，键槽用键槽铣刀加工，长为L=63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为 ；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。4.2中间轴4.2.1求输出轴上的功率转速和转矩4.2.2求作用在齿轮上的力（1）因已知低速级小齿轮的分度圆直径为：（2）因已知高速级大齿轮的分度圆直径为：4.2.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：轴的最小直径显然是