施工升降机设计计算书(中速)

施工升降机设计计算书

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施工升降机设计计算书目录 一.基本参数·················································3 二.传动系统的计算···········································3 2.1 传动简图·············································3 2.2 驱动原理·············································4 2.3 电机驱动能力校核计算·······································4 2.4 减速机参数的选择·····································7 2.5 电机制动力矩的校核···································8 2.6 齿轮齿条的校核·······································9 三.导轨架的校核·············································11 3.1 导轨架的受力情况分析···································11 3.2 导轨架的强度校核·······································12 四、笼架的有关计算··········································14 4.1 笼架下横梁的强度校核···································14 4.2 笼架下横梁最大挠度计算···································14 4.3 笼架纵梁最大挠度计算···································15 - 1 - 4.4 导轮连接螺栓的强度校核·································15 4.5 导轮轴的强度校核·······································16 五、弹簧缓冲器的校核········································16 5.1 已知条件···············································16 5.2 缓冲弹簧的基本参数·····································16 5.3 弹簧的验算·············································17 六、关于驱动吊轴的强度校核····································20 七、引用标准及参考文献····································22 - 2 - 施工升降机设计计算书 一、基本参数 1.工作机类型：建筑机械垂直施工升降机 2.额定载重量F1： 2000 Kg 3.吊笼及传动系统自重F2： 2000 Kg 4.电气电缆及安全系统F3： 500 Kg 5.运行速度V： 63 m/min 6.电源电压及频率： 380V/50Hz 7.驱动电机数量： 2 台 8.传动方式： 齿轮齿条传动垂直升降 9.控制系统： 变频调速 10.总机械传动效率： η=0.9 二、 传动系统的计算 2.1 传动简图 驱动电机： 上海张江产 规格型号：YZEJ132L3-4 驱动功率：18.5KW - 3 - 额定电压：380/450V 图1 频 率：50Hz/60Hz 额定转速：1395 rpm 制动力矩：210Nm 重量：145Kg 联轴器： 弹性梅花 ML8 减速器：斜齿面平行轴传动式减速机 减速机型号：GF-14.5 传动比：i = 14.5 驱动齿轮： 模数 m8 齿数Z = 15 齿宽b = 45 齿 条： 模数 m8 齿宽B = 40 2.2 驱动原理： 齿条固定在导轨架上（导轨架由标准节构成），驱动装置固定在吊笼上方，与吊笼形成铰链联接，通过驱动齿轮带动吊笼沿齿条做垂直上下运动。 2.3 电机驱动能力校核计算 根据设计需要，已知的基本参数如下： 额定载重量F1=2000 Kgf ， 吊笼及传动系统自重F2=2000 Kgf ， 电气电缆及安全系统F3=500 Kgf, 运行速度V=63 m/min 驱动齿轮模数m8，齿数Z=15，传动比i =14.5，总传动效率η=0.9， 总负载F= F1＋F2＋F3=2000＋2000＋500=4500 Kgf 动载系数K0=（1.1+0.2V）=（1.1+0.2×63/60）=1.38 那么，额定负载下所需提升最大转矩： MΣ=F·K0·m·Z/（1000·2·η） - 4 - =4500×9.81×1.38×8×15÷2÷1000÷0.9 =4061.3Nm 单台电机工作转矩：M=MΣ/（i ·2）=4061.3÷2÷14.5=140Nm 额定负载25%超载下所需提升最大转矩： M/Σ=F·1.25·K0·m·Z/（1000·2·η） =4500×9.81×1.25×1.38×8×15÷2÷1000÷0.9 =5076.6Nm 单台电机超载转矩：M/=M/Σ/（i ·2）=5076.6÷2÷14.5=175Nm 所需电机转速： nA=V·i /（π·m·Z） =63×14.5÷(3.14×8×15/1000)= 2423.1rpm 电机运行的工作制情况： 在每天的T=24hr中，升降机不停工作的总时间假定为t0=8hr，在8hr中，满载运行的时间假定为t1=50%×t0=0.5×8=4hr， 其余工作时间按照75%额定负载计算t2= t0- t1=8-4=4hr， 在总工作时间t0中有一半是下降时间，下降的负载按照总重量的30%计算。所以得到S3工作制下的Cdf值： 选取电机功率为：P=18.5 KW 初选张江电机型号：YZEJ132L3-4 其主要参数如下： 额定转速：n0=1395 rpm S3工作制，Cdf=25%，最大转矩比KM=2.6 - 5 - 根据IEC60034-1和IEC34，可以得到Kp=1.3的额定功率提升倍数： 额定输出转矩：T0= 9550·Kp·P/n0 =9550×1.3×18.5÷1395=1.6 Nm ＞140Nm =M 最大输出转矩：TM= 9550·KM·P/n0 =9550×2.6×18.5÷1395=329.3 Nm＞175Nm = M/ 制动力矩：210Nm 使用变频器驱动的基频提升技术，可以得到fECK=87Hz的频率转矩曲线： 由于使用变频器，可以对电机进行变频提速到2500rpm np=2500rpm＞2423.1rpm =nA 此时，如曲线所示转矩保持额定转矩不下降。 ∵T0＞M，TM＞M/且np＞nA；电机转矩和转速都满足使用要求。 ∴选用电机型号：YZEJ132L3-4，是合适的。 其他相关参数如下： 连接法兰尺寸：止口：φ230 连接螺孔中心：φ265 轴伸： 80 电机输出轴径：φ38 2.4 减速机参数的选择： 输出轴齿轮：模数 m8 齿数 Z = 15 分度圆直径 d = 120 mm - 6 - 对应的总负荷所需最大负载扭矩： Tmax= F·K0·d/2 = 4500×9.81×1.38×120/1000÷2 = 3655.2 Nm 单台减速机输出轴应具备的最小负载扭矩： T= Tmax /2= 3655.2÷2= 1827.6Nm 依据设计参数对运行速度的要求，计算减速机输出端转速应不小于： 速比取值：i =2500÷167.1=14.96 依据上述计算结果， 选取减速电机机座型号为：GF-14.5 其相关参数如下： 速 比/：i = 14.5 输出轴扭矩：T2=2500 Nm＞T 减速机输出轴径：φ60mm 输出端法兰止口：φ250 以上计算结果恰好能够满足设计需求。 2.5 电机制动力矩的校核 在额定载荷时电机轴的制动工作力矩： MD = F′·K0·R·η/ i 其中，单台电机负载力F′= 4500×9.81÷2 = 22072.5N ， 传动齿轮节圆半径R= D/2=120÷2=60mm =0.06 m ， 机械传动效率η=0.9 ，传动比i =14.5 当载荷超过25%时，制动力矩的校核： - 7 - 此时，F″= 1.25·F′= 1.25×22072.5 = 27590.6N MD″= F″·K0·R·η/i = 27590.6×1.38×0.06×0.9÷14.5=141.8Nm＜210Nm 当速度达到触发防坠安全器动作速度时，制动力矩的校核： 此时，动载系数K1=[1.1+0.2（V+0.4）] =1.1+0.2×（63/60+0.4）=1.48 M///D= F′·K1·R·η/i = 22072.5×1.48×0.06×0.9÷14.5=121.7Nm＜210Nm 依据国家标准《施工升降机技术条件》GB/T10054-2005之5.2.6.6.11条制动力矩不小于额定力矩1.75倍的规定，5.2.6.6.4条制动器应能使装有1.25倍额定重量，额定速度提升的吊笼停止运行；也能使装有额定载重量而速度达到防坠安全器触发速度的吊笼停止运行的规定，上述计算得出的结果，完全符合要求。 2.6 齿轮齿条的校核 ⑴ 提升负荷 总提升负荷F = F1＋F2＋F3= 2000＋2000＋500= 4500 Kg = 44145N 式中，F1=2000 Kg 为额定载重；F2=2000 Kg 为吊笼自重；F3=500为电气电缆及安全系统重量。 - 8 - ⑵ 初步计算模数 对于开式传动，一般只计算弯曲强度，因此其模数可依据下式进行计算： m= 12.1[K·T·yFa/(σFlimZ12φd)]1/3 = 12.1×[(2.5×44145×0.06×3.1)÷(350×152×0.9)] 1/3 = 4.1 yFa = 3.1 为齿形系数；σFlim = 350 N/mm2 为弯曲疲劳极限 φd = 0.9 为齿宽系数； 根据国家标准《施工升降机技术条件》GB/T10054-2005之5.2.6.3.7条之规定，对于SC型升降机而言，其齿条模数不应小于4，安全系数不应小于5；其传动系统输出端齿轮的模数不得小于4，齿厚磨损减薄到规定值后，齿根弯曲疲劳强度的安全系数不得小于1.5。 因此，取m=8，则，Z= D / m = 120÷8 = 15齿 ⑶ 齿根应力的计算 根据国家标准《施工升降机安全规则》9.3.2条之规定，假设参与传动的二个齿轮各只有一个齿参与啮合，安全系数不得小于5，那么每个齿所承受的力为： F′= F/2 = 44145÷2 = 22072.5N 其应力： - 9 - σF= F′/(b·m)·KA ·KV·KFβ·KFα·KFa·YSa·Yδ·Yβ = [22072.5÷(40×8)]×1×1.05×1.26×1.33×3.1×1.5×0.68×1 = 383.78 (N/mm2) h为齿高； b为齿宽。 KFβ′= 1.33＋1.1×(b/d1)2＋1.05×10-3×b = 1.467 ； KFβ= （KFβ′）N= 1.4670.605= 1.26 为齿向载荷分布系数； KFα= 1.33 为齿间载荷分配系数； KFa = 3.1 为齿形系数； YSa = 1.5 为应力修正系数； Yδ= 0.25＋0.75÷1.73=0.68 为重合度系数； Yβ=1 为螺旋角系数。 ⑷ 许用齿根应力的计算 σFP=σFlim/SFmin ·YST·YNT·Yδreit·YRreit·Yx =350÷1.4×2×1.75×0.97×1.12×0.96=913 (N/mm2) 式中，σFlim =350 N/mm2，为弯曲疲劳极限； SFmin =1.4 为最小安全系数； YST =2 为应力修正系数； YNT =1.75 为弯曲强度计算寿命系数； Yδreit =0.97 为齿根圆角敏感系数； YRreit =1.12 为齿根表面状况系数； - 10 - Yx =0.96 为尺寸系数。 ⑸ 强度条件 ａ）按单齿受力作用的齿根应力 由上面计算可知：实际应力 σF = 383.78 N/mm2 许用应力 [σFP] = 913 N/mm2 显然，σF≤[σFP]成立，符合设计要求。 B ）按单齿受力作用的安全系数 （a）对弯曲疲劳极限的安全系数 Sn=σFlim·b·m / F′= 350×40×8÷22072.5 = 5.1＞ 5 （b）对强度极限的安全系数 Sb=σb·b·m / F′= 660×40×8÷22072.5 = 9.56 由以上计算结果可知，所有条件均符合国家标准规定，完全能满足要求。 三 、导轨架的校核 3.1 导轨架的受力情况分析： 轿厢在导轨架上运行其受力状态如图3所示。 升降机升降运行的轨道即导轨架由多个标准节 （见图4所示）组成，标准节由四根Ф76×4.5的 管子及六根75×50×5角钢构成，两根齿条分别固 定在导轨架两侧各三根角钢上，标准节间用定位套 和高强度螺栓连接，每隔4个标准节设有一个附墙 - 11 - 架，通过高强度螺栓与建筑物上的预埋支架相连接。 根据图中2所示的受力情况，我们知道： 总提升负荷F= 4500 Kg 总负荷与导轨之间的距离： L= 101 cm 3.2 标准节自重应力 1． 标准节总高度380米，共分三段： 120米以下为76X8管径 120米至240米为76X6.3管径 140米以上为76X4.2管径 2． 标准节四根立柱的截面积在上述各段分别为： SA=4X（382-34.12）X3.14=3531.7mm2 其单根标准节自重为：154.5Kg SB=4X（382-322）X3.14=5275.2mm2 其单根标准节自重为：175 Kg SC=4X（382-30.32）X3.14=6605.4mm2 其单根标准节自重为：190.56Kg 吊笼空载着地时， 3． 应力分别为： a.自由端高度为7.5米1、2两点的自重应力： σ1、2= -5X154.5X9.81/3531.7= -2.14(MPa) b.基础节3、4两点的自重应力： - 12 - σ3、4=-（80X190.56+80X175+93X154.5）X9.81/6605.4 = -.78(MPa) 3.3 导轨架的强度校核 1）导轨架的受力分析 总提升负荷F= 4500Kg，导轨架承受 向下的力F同时承受由F产生的弯矩M， 具体见图3。 其弯矩值为： M=F·L=4500× 101 = 454500 (Kg·cm) 此弯矩由上下四组共8个导轮承受，如图3所示。上下导轮间距2200 mm，上下导轮作用在导轨上的力： FN= FN，=M/220=2066 Kg 按其中的4组导轮承受全部力计算，平均每个导轮所受的力为：FN0=FN/8=2066÷8= 258.25Kg 2）风载荷的分析计算 a.高度小于100 米时作用在吊笼上的风载荷： Fr=qIII·C·KH·A=80×1.2×1.99×6.17=1178.7 Kg 式中，qIII为风压， 80 Kg㎡； C=1.2 矩形截面边长比小于2时的风力系数； KH =1.99 高100米时风压修正系数； 由于吊笼上部为冲孔钢板，结构充实率为70%，迎风面积按下式计算： A=3.2×2.4×70/100=5.38㎡ 为吊笼受风面积。 - 13 - 如图所示，Fr由轿架上的四组导轮与导轨架接触点1、2、3、4承受。 每个导轮所承受的径向力 Fr0 = 1178.7÷8 = 147.3Kg 风载荷加上弯矩M作用1、4两点受力最大。1、4点的受力为： FΣ1= FΣ2 = FN0＋Fr0 = 258.25＋147.3 = 405.6Kg b.高度大于150 米小于200米时作用在吊笼上的风载荷： Fr=C·KH·A =80×1.2×2.45×6.17=1451.2 Kg C=1.2 矩形截面边长比小于2时的风力系数； KH =2.45 高200米时风压修正系数； 由于吊笼上部为冲孔钢板，结构充实率为70%，迎风面积按下式计算： A=3.2×2.4×70/100=5.38㎡ 为吊笼受风面积。 如图所示，Fr由轿架上的四组导轮与导轨架接触点1、2、3、4承受。 每个导轮所承受的径向力 Fr0 = 1451.2÷8 = 181.4Kg 风载荷加上弯矩M作用1、4两点受力最大。1、4点的受力为： FΣ1= FΣ2 = F= 439.65Kg c.高度大于200 米小于300米时作用在吊笼上的风载荷： Fr= qIII·C·KH·A =10.7 Kg 式中，qIII为风压， 80 Kg㎡； C=1.2 矩形截面边长比小于2时的风力系数； KH =2.77 高300米时风压修正系数； 由于吊笼上部为冲孔铝板，结构充实率为70%，迎风面积按下式计算： A=3.2×2.4×70/100=5.38 ㎡ 为吊笼受风面积。 如图所示，Fr由轿架上的四组导轮与导轨架接触点1、2、3、4承受。 - 14 - 每个导轮所承受的径向力 Fr0 = 10.7÷8 = 205.1 Kg 风载荷加上弯矩M作用1、4两点受力最大。1、4点的受力为： FΣ1= FΣ2 = FN0＋Fr0 = 516.5＋205.1= 721.6Kg 3）导轨架的强度计算 a.架设高度小于100米时的强度计算： 把导轨架看成多支点铰接的连续梁，当升降机运行时，导轮处在两支点中间时导轨架（管子）所受弯矩最大： Mmax= FΣ1×75.4 = 405×75.4 = 30537Kg·cm 导轨架管子规格：Ф76×4.2（20#钢）两根管子 单管：截面积S=8.83 cm2 , 其截面模数W=π(D4-d4)/32D=16.1cm3 其计算强度：σ= Mmax / 2W = 30537÷2÷17 =8.15Kg/cm2≈88.14MPa 查其许用应力[σ]=160 MPa ，显而易见，σ＜[σ]。 计算中还略去了多个角钢的连缀件，更偏于安全。 b.架设高度大于100米小于200米时的强度计算： 此时，FΣ1=439.65，其弯矩为： Mmax= FΣ1×75.4 = 439.65×75.4 = 33149.6Kg·cm 导轨架管子规格：Ф76×6.3（20#钢）两根管子 单管：截面积S=16.8 cm2 , 其截面模数W=π(D4-d4)/32D=17 cm3 其计算强度：σ= Mmax / 2W = 33149.6÷2÷17 =974.99 Kg/cm2≈96.53 MPa 查其许用应力[σ]=160 MPa ，显而易见，σ＜[σ]。 - 15 - 计算中还略去了多个角钢的连缀件，更偏于安全。 4）导轨架最大挠度（变形量）的计算 根据前面的计算，对于单根管子，FΣ1=621Kg fmax= FΣ1·L3/48EI =(621×9.81×1.5083)÷(48×201×109×8×10-9) = 0.003356m =3.356㎜ 式中，L=1.508 m E=201×109 N/m2 I=0.0491(D4-d4)=8×10-9 四、 笼架的有关计算 图4 4.1 笼架下横梁的强度校核 1）如图4所示，下横梁承受吊笼自重、驱动机构电气控制箱及额定载荷作用，两支点以外的悬臂根部A-A截面是危险截面，作用在两下梁上的载荷视为均布载荷。 下横梁由两根L150*50*3的弯制角槽钢构成， A-A截面的最大弯曲应力： 对于单根梁 q=4500/2/320= 7.03Kg/cm MA-A=q·l12/2=7.03×91.52÷2=29433.7 Kg/cm2 σN=1479Kg/cm2 = 145MPa - 16 - 式中，Wx为L150*50*3槽钢的截面模数：Wx =9.95 查，对于16Mn钢，[σb]=600 MPa， [σS]=345 MPa 可见，σN＜[σS]，完全满足设计要求。 对于屈服极限的安全系数，n=σS /σN=345÷141.87=2.43 4.2 笼架下横梁最大挠度计算 笼架下横梁主要由两根L150*50*3的槽钢构成，见图4。下横梁总长3200㎜，最大挠度产生在纵梁中间，如图所示的1600㎜处，其最大挠度为： fmax = -ql24·(5/24-l12/l22)/16·E·I = 0.029 ㎝ = 0.29㎜ 式中，I = 61.5 cm4, 为L150*50*3槽钢横截面的惯性矩。 按国家标准要求，最大挠度应小于1/960， 即最大容许挠度应不超过[f] = 3200 / 960 = 3.33 ㎜， 由以上计算可知：fmax＜[f]，符合设计要求。 图5 4.3 笼架纵梁最大挠度计算 笼架纵梁主要由两根210*50*4的 弯制槽钢构成，见图5。 其横截面的惯性矩为： I=(BH3-bh3)/12=(5×213-4.6×20.23)÷12= 699cm3 纵梁上下导轮间距2200㎜，最大挠度产生在纵梁中间，如图所示的1100㎜处（参见图3）。对于单根纵梁，其承受总弯矩的一半， - 17 - 即：M′= M / 2 = 454500÷2 = 227250 Kg/cm2， 其最大挠度为： fmax =3·M’·L2/48·E·I =3×227250×2202÷(48×201×105×699)= 0.049㎝ ≈ 0.5 ㎜ 按国家标准要求，最大挠度应小于1/960，即最大容许挠度应不超过[f]=2200/960=2.59 ㎜，由以上计算可知：fmax＜[f]，符合设计要求。 4.4 导轮连接螺栓的强度校核 前面已经提及，FΣ1= 621Kg，连接螺栓为M20强度等级为8.8级， 其保证负荷为 111Kg，故，螺栓的安全系数：n=111÷621=18 满足强度要求。 4.5 导轮轴的强度校核 见图所示，导轮轴在F1或F4的作用下，其最大弯矩为： M = FΣ1×5.5 = 621×5.5 = 3415.5 Kg㎝，其危险截面处的抗弯模数为： W= [π（3.84-1.84）]÷（32×3.8）= 1.63 cm3 ，其最大弯曲应力： σN = M / W = 3415.5÷1.63 = 2094.8 Kg·cm2 = 205.5 MPa 导轮采用40Cr钢调质处理，其屈服极限为：σS=8150 Kg·cm2=800 MPa 其安全系数为：n=800÷205.5=3.8 ,符合设计要求，足够安全。 五、 弹簧缓冲器的校核 5.1 已知条件：升降机运行速度：V = 63 m/min = 1.0833 m/s 自重加载荷总负荷：F=4500 Kg - 18 - 按国家标准要求，缓冲器： 1） 行程S＞6.35㎝； 2） 两倍静负荷作用下弹簧不被压实； 3） 三倍负荷作用下，弹簧被压实（各圈接触） 5.2 弹簧的验算 a) 极限工作负荷 Pj=πd3/(8KD) τj τj＜1.12[τP]III＜879 MPa 剪切极限 K=(4C-1)/(4C-4)＋0.615/C 曲度系数 C=D/d=110÷25=4.4 旋绕比 b) 弹簧刚度 K = Gd4/8D3n = 79×103×204÷(8×803×8.5) = 363N/㎜, c) 工作负荷下的变形量 单根弹簧的工作负荷 P= 4500×9.81/4= 11036.25N，四个缓冲器工作负荷下的变形量 Ff= P / K = 11036.25÷363 = 30.4㎜， d) 两倍负荷下的变形量 Ff′= 2×11036.25/ 363= 60.8㎜， e) 弹簧压实时的极限负荷Pj S = n·(t-d) = 8.5×(28-20) = 68㎜, Pj= P，·S=363×68= 24684N 当三倍负荷时，3P = 3× 11036.25= 33108.75N - 19 - 3P ＞Pj ，所以，三倍负荷时弹簧压实。满足国家标准之规定。 六、关于驱动吊轴的强度校核（图6） 1.轴的载荷： 此轴承受的重量为: F1+ F2+ F3=(2000Kg+1600Kg+500Kg)=4100Kg 转换成重力为: F=4100×9.8=40180 N 2.轴采用材料：合金结构钢 38CrMoAL (GB/T3077-1999) a.材料的屈服极限为： [σS]= 835MPa（淬火加热温度940°） b.抗拉强度: [σb]= 980MPa（淬火加热温度940°） 3.轴的截面尺寸： FF/[σb]=S=πR2 πR2=40180/980=41 R=3.6 4.校核： a、轴的直径为：D1=2×R=7.2mm b、根据需要，实际采用轴的直径为：D2=20mm c、安全系数： P=F实/F=[σb] ×S2/ F=980×314/40180=7.65 式中计算单根轴的全部承载,更偏于安全. 根据以上计算可以得出： - 20 - 图 6两根轴的连接方式足够安全，所以认定此连接系统符合GB/T 10054—2005的设计要求。 - 21 -