水电站卷扬式启闭机机构设计论文 2.docx

水电站卷扬式启闭机机构设计论文 2.docx

《水电站卷扬式启闭机机构设计论文 2.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水电站卷扬式启闭机机构设计论文 2.docx（46页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

水电站卷扬式启闭机机构设计论文2

摘要

本文在充分论证的基础上，对固定式卷扬式启闭机进行设计和分析，并运用solidworks软件对其进行三维造型和分析。

首先，查询和翻阅资料，对固定卷扬式启闭机的零部件进行设计与计算，主要是对其运动机构进行选择和计算；其次，运用三维设计软件solidworks对其进行三维建模；再次，根据所学资料，给出该启闭机的安装和使用注意事项；最后，利用solidworks软件生成二维工程图。

由于在进行设计时，采用solidworks对其进行三维建模，使得更有立体感。

同时，由于采用了先进的三维技术生成工程图，使得生产和设计联系起来，利用solidworks软件的尺寸驱动功能，在发现有错误时能够及时改正，这样会极大地缩短设计周期，减轻设计者的负担，从而带来巨大的经济效益！

关键字：

启闭机、设计、三维建模、工程图

Abstract

Afterthefullydemonstrated,thispaperhasadesignandanalysisforthefixedwindinghoist,andusingSolidWorkssoftwarefor3Dmodelingandanalysis.Firstofall,throughqueryingandbrowseingdata,thefixedtypehoistpartscarriesonthedesignandcalculation,mainlycarriesontheselectionandcalculationofitsmotionmechanism;secondly,usingsolidworkstodesignthree.dimensionalmodeling;thirdly,accordingtothedata,giveouttheinstallationandusematterofthehoist;finally,usingSolidWorkssoftwaretogenerateengineeringdrawing.

BecauseofusingSolidWorks3Dmodelingtodesignthehoistmakesthehoistmorethree.dimensional.Atthesametime,duingtotheadoptionoftheadvancedthree.dimensionaltechnologytogenerateengineeringdrawing,makesproductionanddesignhavealink.usingSolidWorkssoftwaredimensiondrivingfunction,canbecorrectedinatimelymannerwhenthemistakesarefound.itwillgreatlyshortenthedesigncycle,reducetheburdenofdesigners,whichbringsgreateconomicbenefits!

Keywords:

hoist,design,3Dmodeling,engineering

1绪论

1.1启闭机的研究与应用现状

1.1.1启闭机在我国工农业生产中的地位和作用

随着国民经济的飞速发展，国家各行各业及百姓生活对电力的需求量都大大增加。

为了解决电力不足、缓解用电压力，国家充分利用水资源，大力发展水利电力事业，各种大大小小的水电站星罗密布、遍布全国。

在工农业生产和日常生活中，水电站在水利发电、防洪排涝、农田灌溉及生产生活供水等方面都发挥着重要作用。

而启闭机是水电站中用来调节闸门开度、起吊拦污栅，实现调节水流、拦泄洪峰、排沙冲沙等目的的重要的起重机械，也是完成其他金属结构与机电设备安装和检修的辅助机械。

因此，启闭机的生产质量和工作性能的好坏，对水利水电工程的正常运行、充分发挥其效益，乃至对人民的生命财产安全都至关重要。

1.1.2国内外启闭机的研究与应用现状

1．国内外启闭机的研究现状

在国外的一些发达国家尤其是美、英国家，在工业革命后都对水电站启闭机进行了大量的分析和研究，采用先进的技术方法相继研制出了一批高质量、高性能的启闭机。

由于他们研制工作开始较早，积累了很多的经验，已经有了设计和制造启闭机的一套完整的理论体系。

他们已经摒弃了采用平面结构进行设计计算的方法，开始运用先进的相关软件，例如，solidworks、autoCAD、Pro/E、ANSYS等对启闭机进行三维建模或者是有限元分析。

通过这些软件，他们设计和制造出来的启闭机性能好、工作安全可靠、事故率低、价格也相对便宜。

这些水电站启闭机无论是在他们国内还是国外都有很好的竞争力！

而在中国，由于工业起步较晚，远远落后于其他发达国家，现如今大部分设计和制造启闭机的方法均采用平面设计计算。

采用二维设计计算不但耗时长而且安全可靠性低，很难在国内外有较高的竞争力。

随着中国经济的日益发展，尤其是改革开放以来，国内设计人员已经意识到了手工绘图和计算的不足，已经有很多研究者运用高科技软件进行启闭机的设计与制造。

例如：

武汉水利电力大学的李纯教授面向方案的启闭机优化建模、优化方法、启闭机CAD；原电力部中南勘测设计院薛瑞宝教授等对启闭机的体系进行了研究确定；中国矿业大学孙幼兰教授研究了启闭机的优化结构设计[1]；国家电力公司郑州机械研究所采用变频器来控制启闭机，以免启闭机在制动时因受冲击而损坏。

同时，在启闭机的动力学系统建模、分析及数字仿真等方面的研究也在不断地进步。

例如：

武汉水利电力大学的林武教授对固定式启闭机进行了数学建模和优化分析，并提出了新的优化设计方案[2]。

随着CAD技术的发展，一些高性能、高技术的软件的开发应用，一些专家教授也开始利用CAD对其进行优化设计。

例如：

武汉大学袁策武教授CAD开发工具开发出了水工闸门启闭机智能CAD系统；太原重型机械学院的陶远芳开发了启闭机起升机构的CAD软件[3]。

然而，国内的这些采用软件进行设计计算的方法大部分还是以二维平面结构进行设计计算的，他仍然有很大的局限性，因此采用solidworks进行启闭机的三维建模和有限元仿真分析是必要的。

近年来，水利工程启闭机有了很大的发展，其工程规模不断地扩大，启闭机的安装工程量也越来越大，启闭力也不断地增加，启闭机的发展特点和发展趋势有以下几点：

1、向大型化和专用启闭机发展；2、广泛采用液压技术；3、新材料被广泛应用；4、结构组成形式也越来越先进；5、设计计算方法需要采用仿真分析；6、大力推广标准化工作[4]。

综上所述，根据国内外的启闭机的发展现状，国内设计者需要一套完整的三维建模体系和有限元仿真分析方法。

2．国内外启闭机的应用现状

随着大大小小的水电站不断兴建，各种类型的启闭机得到了广泛的应用，如：

卷扬式启闭机、链式启闭机、螺杆启闭机及连杆启闭机，还有液压式启闭机等[15]。

螺杆式启闭机在小型平面闸门和弧形闸门上得到较广泛的应用，如图1.1所示。

通用的螺杆式启闭机启闭力大都在200KN以下，已经实行系列标准（QL系列），由各地方厂家进行定型生产。

图1.1螺杆式启闭机

Fig.1.1Thescrewhoist

葛州坝二号船闸人字闸门采用的是连杆式启闭机，启闭机的设计能力（连杆上最大力矩）为2500kN·m，是目前世界上最大的连杆式启闭机，如图1.2所示。

链式启闭机采用片式关节链，国内上个世纪50年代建成的佛子岭水库溢洪道的双扉门使用这种启闭机，但至今未能广泛应用。

1.双速鼠笼式电动机2.制动器及带制动轮的联轴器3.减速器4.齿轮联轴器5.立轴圆锥圆柱齿轮联轴器6.小齿轮7.扇形齿轮8.曲柄9.推拉杆10.门体

图1.2人字闸门连杆式启闭机

Fig.1.2Thelinked.barhoist

在国外，苏联伏尔加河水闸上的固定卷扬式启闭机启闭力为2x9000KN。

在我国，东江水电站高扬程启闭机的启闭力为2x4000KN；浙江珊溪水利枢纽水库工程泄洪洞事故检修闸门的启闭设备是一台启闭能力为8000kN的固定卷扬式启闭机，于2000年4月底投入使用，是目前国内启闭能力最大的高扬程固定卷扬式启闭机。

而位于湖北清江上游的水布垭水利枢纽工程中的防空洞事故闸门的最大扬程达159m，在国内同类机型中扬程最高[5][6][7][8]。

液压式启闭机是利用液体压力来传递动力，来驱动液压缸对闸门进行操作的一种启闭设备，如图1.4所示，液压启闭机的组成部分有液压缸、液压阀组和管道、液压泵站及控制装置等。

一些中小型液压启闭机已经实行系列化，并有专业化制造厂定型生产，大型液压启闭机的系列标准正在拟定之中。

近年来，液压式启闭机在国内外得到了越来越广泛的应用，我国龙羊峡水电厂采用的液压启闭机，其最大启闭力是8000KN/3000KN，扬程为11m。

还有举世瞩目的三峡工程就共用了120多台液压启闭机，其中最大的启门力矩53100kN·m,最大闭门力矩7800kN·m，相应的启门力为4500kN，闭门力为500kN，最大工作行程为16m，最大液压缸内径为4800mm，活塞杆直径为400mm。

目前，国内液压启闭机最大启闭力可达10000kN，行程超过16m，油缸直径大于1m，活塞杆直径大于0.5m。

液压式启闭机是今后启闭机发展的一个方向[5][6][7][9]。

图1.4液压式启闭机

Fig.1.4Thehydraulichoist1.启闭机2.闸门

图1.5固定卷扬式启闭机

1.1.3目前存在的主要问题及未来发展趋势

1．目前存在的主要问题

由于众多历史原因和技术条件的限制，迄今为止在各式启闭机的设计方面仍大量采用类比法

和经验法。

由于这些方法存在着很大的主观性，缺乏细致的理论分析与足够的试验数据，对启闭机在工作时出现的动载荷和疲劳现象考虑不足或重视不够，导致启闭机机座变形、钢丝绳断裂等现象时有发生，严重影响了启闭机的工作性能和产品质量。

另一方面，传统的启闭机设计均为非参数化的二维设计，往往需要反复修改设计方案、调整设计参数，存在着设计任务繁重、设计效率低、设计成本高等问题，给企业造成巨大的经济损失和人力资源浪费[5][6][10]。

2．未来发展趋势

液压式启闭机将得到越来越广泛的应用。

由于液压启闭机与其他启闭设备相比具有结构简单紧凑，体积小重量轻但承载能力大，传动平稳且传动效率高，易于防止过载、安全可靠等优点，能很好地满足水电工程规模不断发展的需要，所以液压启闭机在水利水电工程中的应用会越来越普遍[11]。

许多跨学科的现代设计方法和技术将得到更加广泛的应用。

由于二维设计已不能满足现代设计的需要，人们越来越热衷于三维实体化、形体参数化、产品形象化；作为能提高产品设计效率的三维CAD设计，也将成为产品设计的主流，并正在向着设计、分析、优化、装配、仿真、制造等集成化的方向发展[12]。

而模糊优化反映了中介过渡普遍存在的模糊性，反映了定量研究从物理领域进入到事理领域必然遇到的大量的模糊概念，反映了启闭机系统所涉及的种种模糊因素，反映了定量值的模糊属性[13]，因此启闭机的模糊优化设计必将推动启闭机设计进入一个崭新的阶段。

另外还有其他一些设计方法，如：

可靠性设计、有限元法、动态仿真设计等。

而这些现代设计方法也必将给启闭机设计注入新的生机和活力。

1.2关于本课题的研究内容及其意义

1.2.1本课题的研究内容与技术路线

鉴于以上分析，本课题选择2X630固定式卷扬启闭机为研究对象，采用了先进的技术和方法进行产品开发，其具体的研究内容是：

在广泛调研和方案论证的基础上，确定整机参数；首先，查询和翻阅资料，并利用所学的机械设计理论完成对双吊点固定式卷扬式启闭机的零部件进行设计与计算，主要是对其运动机构进行选择和计算；其次，运用三维设计软件solidworks对其进行三维建模，得到其三维实体模型；再次，利用利用solidworks软件对初步设计好的模型进行力和运动仿真分析，根据结果对初选参数进行校核；最后，利用solidworks软件生成二维工程图。

其技术路线如图1.6所示：

1.2.2本课题的关键技术和方法

1、采用solidworks三维建模的方法，将滑轮组、卷筒组、驱动装置（包括开式齿轮副、减速器、制动器、电动机等）的三维实体模型建立出来；

2、采用solidworks三维建模的方法，将所建立的三维实体装配在一起；

3、采用solidworks生成工程图的方法，将所得到的装配体生成二维平面图；

4、利用solidworks的功能，将其中一个零件的参数改变的同时，其他所有与之有关的参数均自动改变；

1.2.3本课题的主要成果及其意义

1.本课题的主要成果

1　完成了固定式卷扬启闭机零部件的设计计算；

2　建立了固定式卷扬启闭机的三维模型；

3　生成固定式卷扬机的二维工程图；

4　完成毕业论文一份。

2.本课题的研究意义

本课题采用了先进的三维建模技术和有限元分析方法，应用于传统的固定式卷扬启闭机当中，实现了产品模型的参数化、数字化，不仅提高了产品的设计质量，而且缩短了产品的研发周期，降低了设计成本，能为企业带来可观的经济效益和社会效益。

本课题所采用的研究技术和方法对其他机械产品的设计和研发也有一定的参考价值。

1.3本章小结

本章较全面概述了国内外启闭机的研究应用现状、存在问题及未来发展趋势，阐述了本课题的主要研究内容、技术路线、关键技术及创新点、主要成果及本课题的研究意义等。

2固定式卷扬启闭机总体方案设计

2.1启闭机概述

2.1.1分类及特点

按传动方式来分，启闭机有机械式和液压式两种类型；从启闭机的布置方式来分，启闭机有固定式和移动式两种。

其中：

固定式的启闭机有螺杆式、连杆式、链式、卷扬式等，这类启闭机专机专用，即一台启闭机只用来操作一扇闸门或拦污栅；而移动式启闭机又有桥式、门式、半门式等类型，这类启闭机往往一机多用，即一台启闭机用以轮流操作一组闸门或拦污栅。

螺杆式启闭机：

如图1.1所示，由于它采用人力驱动或小电机驱动，其启闭力小、起升速度慢、结构简单，具有自锁功能，故广泛应用于小型水电站。

卷扬式启闭机：

如图2.1所示，卷扬式启闭机用于各种水利水电工程中，用来启闭各种闸门，由于卷扬式启闭机通过了减速器和开式齿轮的减速，速比可以很大，其实际扬程也可以不受限制，因此，卷扬式启闭机结构紧凑，承载能力大，运行平稳可靠，安装维修方便，同等承载能力条件下其所需费用较少。

在电站厂房内用于起吊闸门或拦污栅的启闭机多为固定式卷扬启闭机[4]。

1.电动机2.定滑轮组3.卷筒组4.机架5.减速器

6.开式齿轮7.负荷限制器8.动滑轮组（启闭机下部）

图2.1固定式卷扬启闭机

Fig.2.1Thestationarywindinghoist

液压式启闭机：

如图1.4所示，由于液压启闭机与其他启闭设备相比具有结构简单紧凑，量轻但承载能力大，传动平稳且传动效率高，易于防止过载、安全可靠等优点，是未来发展的趋势。

但是，由于液压式启闭机要求加工精度高，对起升高度有一定的限制，因此在某种程度上限制了它的广泛应用。

通过以上几种启闭机的比较，本课题的研究对象选择优点突出、适用广泛的固定式卷扬启闭机。

2.1.2卷扬式启闭机的构成及工作原理

固定式卷扬启闭机一般由起升机构、卷扬机构、金属机架、动力传动部分和其他辅助设备等五部分组成。

其中，起升机构包括动滑轮组、定滑轮组、钢丝绳等；卷扬机构包括卷筒、开式齿轮、排绳装置等；动力传动部分包括电动机、联轴器、制动器、减速器等部件；其他辅助设备包括负荷限制器、开度指示器、移轴装置等，如图2.1所示[4]。

当需要起吊闸门时，电机接通电源，动力由电机经联轴器、制动器、减速器、开式齿轮驱动卷筒卷动，由缠绕在卷筒上的钢丝绳经过动、定滑轮组的倍率放大作用，使动滑轮上升，从而吊起闸门。

当闸门提升到一定高度时，开度指示器发出信号，使制动器制动，关闭电机，完成启闭闸门的过程。

2.2启闭机总体方案比较与确定

2.2.1卷扬式启闭机的整机布置

固定式卷扬启闭机的整机布置对整台设备的结构、性能、工作方式等都有重大影响，因此，确定整机的总体布置是启闭机设计的一项重要内容。

确定启闭机整机布置时应考虑水电站厂房的具体结构和实际使用要求，以及产品的结构型式、制造成本、工作可靠性等因素。

双吊点固定式卷扬启闭机适用于闸门跨度大或一机双门的情况，在实际当中多采用双机架或三机的架型式，图2.2和图2.3为双吊点启闭机机构布置示意图。

由于这种启闭机需采用专门的机构保持双吊点同步，而且动力传递路线一般都比较长，致使其整机尺寸庞大、自身重量大、需要解决机架刚度或各部件之间安装精度的问题；其驱动方式多采用单电机集中驱动，也有采用多台同步电机分别驱动的情况，如图2.4所示。

对于集中驱动的双吊点启闭机，可通过机械同步轴保证吊点的同步。

故本课题选择双机架分别驱动双吊点式卷扬式启闭机进行设计和分析。

图2.2双机架单边集中驱动的双吊点卷扬式启闭机

Fig.2.2Doublebracketscentral.drivenwindinghoistwithtwin.lifting

图2.3三机架集中驱动双吊点卷扬式启闭机

Fig.2.3Threebracketscentral.drivenwindinghoistwithtwin.lifting

图2.4双机架分别驱动双吊点式卷扬式启闭机

Fig.2.4Doublebracketsseparate.drivenwindinghoistwithtwin.lifting

2.2.2卷扬式启闭机动力传动方式的确定

对于固定卷扬式启闭机所采用的动力传递方式一般为：

方式一：

电机——联轴器——制动器——齿轮减速器——卷筒，如图2.5所示。

方式二：

电机——联轴器——制动器——齿轮减速器——开式齿轮——卷筒，如图2.6所示。

一般情况下，当启闭机不需要很大的传动比时可采用第一种传动方式，即不采用开式齿轮，而是将卷筒的中心轴直接连接在减速器的输出轴上。

这种形式结构紧凑、效率较高，但减速器输出轴的受力状况不好；当启闭机需要较大的传动比时，为了获得比较大的传动比往往采用第二种传动方式，即在减速器与卷筒之间增加一级开式齿轮。

这种形式不仅改善了减速器的受力状况、便于安装和维修，而且也便于整机布置。

因此，本次设计采用了第二种动力传递方式。

图2.5单吊点无开式齿轮的卷扬式启闭机图2.6单吊点有开式齿轮的卷扬式启闭机

Fig.2.5Single.liftingwindinghoistFig.2.6Single.liftingwindinghoist

withoutopengearwithopengear

2.3启闭机总体参数的确定与计算

2.3.1给定的设计参数

表一给定的设计参数

项目名称

枢纽进水口工作门启闭机

额定启门力（KN）

2×630

起升速度（m/min）

～1.5

启闭机工作级别

Q3－中

起升机构工作级别

Q3－中

扬程（m）

12

吊距范围（m）

7～8

启闭机数量（台）

1

2.3.2总体参数的确定与计算

1．机构总效率

根据前面确定的动力传递路线可知，启闭机动力传动机构的总效率为：

η0=η卷·η滑·η开·η减=0.98×0.925×0.93×0.95=0.8

其中：

η卷=0.98——卷筒传动效率

η滑=0.925——滑轮组的传动效率

η开=0.93——开式齿轮传动效率

η减=0.95——减速机传动效率

2.电动机的选择计算

电机静功率计算：

Q=63000kg——起升力

V=1.5m/min——起升速度

η0=0.823——传动效率

于是

kW

则选：

YZR180L-6电动机，按工作方式S3-JC25%，由查得：

电机的功率为：

N=17kW；；电机的额定转速为：

n=955r/min。

3.滑轮组倍率的确定

滑轮组的倍率m是滑轮组在不考虑摩擦的影响下省力的倍数或减速的倍数。

滑轮组的倍率相当于它的传动比，即钢丝绳的卷绕速度与被起升物的起升速度之比，滑轮组的倍率可以由下式计算：

M=起升载荷Q/理论提升力S0=钢丝绳的卷速V绳/重物提升速度V物=钢丝绳卷绕长度L/重物移动距离S

单联滑轮组的倍率，在忽略摩擦力的条件下，根据平衡条件知

S0=Q/m

双联滑轮组相当于两个单联滑轮组平衡滑轮或者平衡杠杆并联而成的滑轮组，它有两个绕出端，因此它的倍率是单联滑轮组的一半。

故其钢丝绳端的理论拉力为：

S0=Q/2m

在起升机构设计中，恰当地确定滑轮组倍率是非常重要的。

选用较大的倍率可使单根钢丝绳的拉力减小，从而使丝绳的直径、卷筒和滑轮的直径减小。

减小卷筒的直径可使卷筒的扭矩减小，也就是使减速器输出轴的扭矩减小，使它的速比减小，这就可以选用较小的减速器，从而使整个启闭机尺寸紧凑重量轻的效果。

但是，滑轮组倍率过大，又使滑轮组本身复杂笨重，效率降低，钢丝绳磨损严重。

一般来说，大起重量应选取较大的倍率；双联滑轮组可取较小倍率，因为它的承重分支数比单式滑轮组多一倍；按启闭机的扬程而言，高扬程宜选择较小的倍率，以免卷筒过长，回避了采用多层卷绕的必要。

由此，本课题选用双联滑轮组，滑轮组倍率为a=4。

2.4本章小结

本章首先对各种类型的启闭机如：

螺杆式启闭机和卷扬式启闭机等进行了分析比较，阐述了卷扬式启闭机的优点和工作原理，并对卷扬式启闭机进行选型和整机布置，最后确定了总体设计的参数。

3固定卷扬启闭机主要零部件的设计与计算

固定卷扬式启闭机零部件的设计与计算主要包括：

钢丝绳的选型与计算，滑轮组的设计与计算，卷筒的设计计算与强度校核，减速器的选择与计算，开式齿轮的设计计算与强度校核，电动机的发热校核等。

3.1钢丝绳及滑轮组的选型与计算

3.1.1钢丝绳、滑轮组及卷筒的选型

1.钢丝绳的选型

钢丝绳是启闭机上最常用的挠性元件，它是有很细强度很高的钢丝，按照一定的螺距绕成股，再有股绕成绳的。

钢丝绳与别的挠性元件相比素具有的优点：

1、强度高，承载能力大过载能力强，弹性好，耐冲击，自重轻；2、挠性较好，运行平稳，即使速度高也没有噪音，可以高速工作；3、工作可靠，不会突然断裂。

钢丝绳的型式，不仅决定于它的断面形状，而且还要决定于它的绳芯、绕拧方向等等因素。

由于考虑到启闭机的重要性，不但要求钢丝绳绕性要好、制造方便，而且还要结构紧凑、使用寿命长、不能自行松散等。

所以在此选用双绕绳、圆形截面、线接触型、右旋交绕钢丝绳；在室外、水下及潮湿或接触腐蚀介质的环境宜用镀锌钢丝绳。

图3.1钢丝绳[4]

2.滑轮组的选型

滑轮组主要用于缠绕钢丝绳、改变提升倍率的机构，由若干动滑轮与定滑轮组成。

滑轮组又有单式滑轮组与双联滑轮组之分。

固定卷扬式启闭机一般都采用双联滑轮组，相当于两个单式滑轮组通过一个平衡滑轮组合在一起，卷筒上两个分支移动方向是相反的，起吊装置垂直升降。

在这种滑轮组中往往有一个平衡滑轮（也有采用平衡杠杆的），通过平衡滑轮的转动，自动调节两个单式滑轮组绳索的长度，保持滑轮组的平衡，