机床安装用起重机的设计(梁与小车)【定柱式悬臂起重机】
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一. 滚动轴承的选择与计算
1.轴承类型的选择：选择轴承的类型与多种因素有关。
（1）允许空间（2）载荷大小和方向。例如既有径向又有轴向的联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，如果径向载荷大，轴向载荷小，可选用深沟球轴承和内外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。如同时还存在轴或壳体变形大及安装对中性差的情况，可选用调心球轴承，调心滚子轴承。（3）轴承工作转速，旋转精度，G级公差轴承（4）轴承的刚性，一般滚子轴承的刚性大与球轴承，提高轴承的刚性可通过“预紧”单必须适当。（5）轴向游动（6）摩擦力矩（7）安装与拆卸。
2.按额定动载荷选择轴承：
选择轴承一般应根据机械的类型，工作条件，可靠性要求及轴承的工作转速n，预先确定一个适当上午使用寿命Lh（用工作小时表示），再进行额定动载荷和 额定静载荷的计算。
2.1 基本额定动载荷计算
轴承基本额定动载荷可按式（6-2-1）进行简化粗略计算。
C=〈Cr或（Ca） （6-2-1）
C-基本额定动载荷计算值N； f=冲击载荷因数，按表6-2-10选取 ；
P-当量动载荷，按式（6-2-2）计算，N； f-温度因数，按表6-2-11选取；
f-寿命因数，按表6-2-8选取； Cr-轴承尺寸及性能表中所列径向基本额定动载荷，N；
f-速度因素，按表6-2-9选取； Ca-轴承尺寸及性能表中所列轴向基本额定动载荷，N；
f-力矩载荷因素，力矩载荷较小时f=1.5，力矩载荷较大时f=2。
2.2 当量动载荷P的计算
预设该机构寿命为3年，每年工作300天，每天工作8小时，则Lh=7200h。
P=XFr+YFa
P-当量动载荷,N; Fr-径向载荷,N; Fa-轴向载荷,N; X-径向动载荷系数; Y-轴向动载荷系数。
内径为50mm的轴承的选择与计算：
求轴承径向力Fr：Fr*221/2=Q*E=2315250 N/mm
解得Fr=20.942KN
轴承轴向力Fa：Fa=1.715KN
查表的：e=0.30
因为Fa/Fr=0.081937678.7N 故轴承选取合适。
校核轴承的额定静载荷：Pr=0.67Fr+3.6Fa=0.67*20.942+3.6*1.715=20205.14N
Pr =20205.14N < 73200N = Cr
经过验算轴承22210满足要求。
二.阶梯轴的校核计算
预算：计算轴上的载荷 T=9594
Q=mg=1.715KN
阶梯轴材料为合金钢， 规定安全因数为n=2.
（1） 校核60MM到50MM的阶梯轴
1. 计算轴的工作应力，首先计算交变弯曲正应力及循环特征：
其次计算交变扭转切应力及其循环特征：
2.确定各种系数根据P/d=60/50=1.2 R/d=5/50=0.1 由图11.8C查的
由图11.8E查的 由于名义应力是按轴直径等于50MM来计算的。
所以尺寸因数也应按轴直径等于50MM来确定，由表11.1查的，
，由表11.2查的 对于合金钢取
3.计算弯曲工作安全因数和扭转工作安全因数
因为弯曲正应力是非对称循环，r=0.118 按公式（11.6）计算
扭转应力是脉动循环，r=0应按非对称循环计算工作安全因数的公式（11.17）
计算
4.计算弯矩组合交变应力下，轴的工作安全因数 由公式（11.19）
所以满足疲劳强度条件。
（2）校核100MM到60MM的阶梯轴
1.计算轴的工作应力，首先计算交变弯曲正应力及循环特征：
其次计算交变扭转切应力及其循环特征：
2.确定各种系数根据P/d=100/60=1.67 R/d=5/60=0.083 由图11.8C查的
由图11.8E查的 由于名义应力是按轴直径等于60MM来计算的。
所以尺寸因数也应按轴直径等于60MM来确定，由表11.1查的，
，由表11.2查的 对于合金钢取
3.计算弯曲工作安全因数和扭转工作安全因数
因为弯曲正应力是非对称循环，r=0.148 按公式（11.6）计算
扭转应力是脉动循环，r=0应按非对称循环计算工作安全因数的公式（11.17）
计算
4.计算弯矩组合交变应力下，轴的工作安全因数 由公式（11.19）
所以满足疲劳强度条件。
三 立柱的选择与计算
确定该设计起重机为繁忙使用，确定机构利用等级为T7总设计寿命为7200h 载荷状态为L3 工作级别为M8
由国家标准钢管合格表初选：
立柱D=219MM
厚度为 10MM
屈服强度为 235
抗拉强度为 375-460
轴惯性矩为 3593.286 cm
极惯性矩为 Ip=7186.572
抗扭系数为656.307
截面面积为 65.659
单位重量为 51.542kg/m
每米外表面积为 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（电机）=18*10=180n
G(电葫芦)=47*10=470n
G(总)= G(重物)+ G（电机）+ G(电葫芦)=1000+180+470=1650n
M= G(总)*L+ G(梁)*L/2=1650*1.5+169*0.75=2601.75N/M
四.立柱稳定性计算
由结构知，此立柱采用标准型钢钢管制成为等断面立柱，根据《机械设计手册》
第一卷（等断面立柱变压稳定性计算）由表1-1-120等断面立柱变压静力稳定性计算。此立柱属于偏心压杆，采用折减系数法计算：
稳定性条件：
实际工作载荷P=1000N 偏心压杆的折减系数，其值根据杆的柔度及
查表1-1-123得
查表1-1-94为
为压杆的长度系数 查表1-1-125 =2
（1） 梁与立柱垂直时
偏心距e为1.5m+219mm/2=1609.5mm
立柱截面面积
截面抗弯模数
取=0.028 计算如下：
稳定性符合要求
（2）梁处于极限位置处
偏心距e=1359.85mm
取=0.037 计算如下：
稳定性符合要求
五.焊缝的强度计算
由《机械设计手册》第一篇表1-4-43起重机金属结构焊缝的许用应力（GB3811-1983）
取
结构件材料的基本许用应力由表1-4-44查得
由表1-4-45（安全系数和许用应力）选取组合，安全系数=1.5，拉伸，压缩，弯曲许用应力,剪切许用应力,端面承压许用应力（磨平顶紧）
由《机械设计手册》第一卷表1-4-35得：弯曲应力
由《机械设计手册》第一卷第三篇 热轧工字钢（GB/T 706-1988）查的
根据《机械设计手册》第一卷第三篇 热轧工字钢（GB/T 706-1988）查的
10号工字钢h=100mm,t=7.6mm.
由《机械设计手册》第一卷表1-4-34得：a=0~2 取a=2
由《机械设计手册》第一卷表1-4-40(建筑钢结构焊缝许用应力)查得：
焊接符合要求。
六.套筒联轴器所用键及电动小车车轮所用键的选择与校核
（1）套筒联轴器所用键的选择与校核
按已知条件初选键的类型为A型平键，由（GB1096-79）查得键的公称尺寸为
b*h=16*10。键的参数如下：
键槽：
宽度 b=16 深度
较紧键联结 轴t 极限偏差
轴和毂为p9 公称尺寸 +0.2
-0.018 6.0 0
-0.061 毂t1 极限偏差
公称尺寸 +0.2
4.3 0
已知传递功率p=0.4kw 输出转速为7r/min 有轻微冲击
1. 选择键的类型：A型普通平键
2. 确定键的尺寸：键宽b=16mm
键高h=10mm
键长L=50mm
3. 验算挤压强度：公式
键的工作长度l=L-b=50-16=34mm
挤压面高度k=h/2=10/2=5mm
转矩T=9.55=9.55
许用挤压应力由表6-1，[]=100MPa
挤压应力
经验算所选平键能够安全使用。
（2） 电动小车车轮所用键的选择与校核
按已知条件初选键的类型为A型平键，由（GB1096-79）查得键的公称尺寸为
b*h=8*7。键的参数如下：
键槽：
宽度 8=16 深度
较紧键联结 轴t 极限偏差
轴和毂为p9 公称尺寸 +0.2
-0.015 4.0 0
毂t1 极限偏差
公称尺寸 +0.2
3.3 0
已知传递功率p=0.4kw 输出转速为70r/min 有轻微冲击
4. 选择键的类型：A型普通平键
5. 确定键的尺寸：键宽b=8mm
键高h=7mm
键长L=25mm
6. 验算挤压强度：公式
键的工作长度l=L-b=25-8=17mm
挤压面高度k=h/2=7/2=3.5mm
转矩T=9.55=9.55
许用挤压应力由表6-1，[]=100MPa
挤压应力
经验算所选平键能够安全使用。
七.卡箍联结螺栓的选择
先计算卡箍所受的轴向力：Q=mg=[m(梁)+m（电葫芦）+m(电动小车)+m(重物)]g
=（10*1.5+47+20+100）*9.8=1.715KN
由于连接板下设置支托板，故竖直剪力由支托板承受，而螺栓承受弯矩.其值为
M=Qe=1.715*210=360.15KNmm
此处联结螺栓采用高强度螺栓：
确定螺栓承受最大拉力
高强度螺栓预紧力为：
P
经计算选用45号钢制造高强度螺栓M10
八.环链电动葫芦的选择
环链电动葫芦是以焊接圆环链作为承载件的电动葫芦，与钢丝绳电动葫芦相比，结构更加轻巧，价格更便宜，用途也很广。
环链电动葫芦起升机构通常是由一台单速锥形转子电动机或一台双绕组变级式双速锥形转子电动机驱动，通过两级或三级齿轮传动减速驱动链轮旋转，达到起重目的。起升机构的双速比多数为1：4~1：6，其起重链条一般都采用80级（σb=800Mpa）高强薄层渗碳链
环链电动葫芦由吊钩装置，集链箱，机体，电动运行小车，起升电动机，电气控制装置。根据已知条件此设计中选择BHHM0.125型环链电动葫芦，其参数如下：
BHHM0.125型环链电动葫芦：
起重量：0.125t
起升高度：1.5m
起升速度：常速：4m/min 慢速：1m/min 运行速度：26m/min
工作制度：起升：JC=25/15% 运行：JC=40%
起重链：行数：2 直径*节距： Φ4*12
电动机：起升常速：0.2kw 慢速：0.05kw 运行：0.4kw
电源：380/220v 50Hz
工字钢型号：10
轨道最小曲率半径：1m
起升高度增加1m所增加重量；0.7k
与电动葫芦配套使用的电机为电动葫芦专用交流三相异步电动机系列
系列号：YHHZ1
电动机名称：环链电动葫芦起升用双速锥形转子感应电动机
基准工作制：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）
级数：2/8 2/12
九.工字钢翼缘弯曲强度计算
1.工字钢出现的危险点
影响工字钢翼缘局部弯曲的因素很多，但主要是轮压。翼缘的厚度和轮压作用点的位置，其中轮压和翼缘的厚度只影响局部弯曲应力大小而压力作用点的位置不仅影响力的大小，同时还决定危险点的位置。
实际上，工字钢下翼缘局部弯曲的危险点将随着轮压作用点的位置变化而改变，当力作用点靠近工字钢翼缘边缘时，危险点将会在点5和点6处出现；当作用点在工字钢翼缘中间时，危险点将在轮压作用点3和4处出现；当作用点靠近工字钢腹板时，危险点将会在翼缘根部点1和点2处出现。
2.k-曲线.
k-曲线是反映轮压作用点位置对局部弯曲应力影响的曲线，是力（轮压）作用点位置系数，是指力的作用点到工字钢腹板的距离i与工字钢翼缘悬臂板宽
a的比值，即=i/a,i=a+c-e,a=b-d/2
其中：i-力作用点至腹板距离（mm） a-工字钢翼缘悬臂板宽度（mm）
b-工字钢翼缘宽度（mm） d-工字钢腹板厚度（mm）
c-轮缘与工字钢翼缘之间的间隙（mm）取3~5
e-力作用点至轮缘边的距离（mm）
由《起重运输设备选用手册》查得
当工字钢为普通热轧工字钢时，翼缘表面斜度为1/6,取e=0.164R;采用轻型工字钢 ，工字钢翼缘表面斜度为12%，取e=0.118R，R为车轮踏面曲率半径。
3.工字钢翼缘局部弯曲应力计算：
i和a值一经确定，便可计算出，由值查出相应k1-k5值
1点处局部弯曲应力：
3点处局部弯曲应力：
5点处局部弯曲应力：
式中F-一个车轮最大轮压（N）;
-工字钢翼缘离腹板（b-d）/4处厚度（mm）;
-局部弯曲应力计算系数；式中负号表示压应力，正号表示拉应力。
4.工字钢合成应力弯曲强度计算;工字钢合成应力弯曲强度，即工字钢下翼缘下表面各危险点的合成应力（包括整体与局部应力）按第四强度理论公式计算：
1点处合成应力：
由《机械设计手册》查得10号热轧工字钢的参数如下：
h=100mm, r=6.5mm, b=68mm, d=4.5mm, t=7.6mm,
h-工字钢高度，i-惯性半径，b-腿高度，d-腰厚度，s-半截面静力矩，t-平均腿高度，r-内圆弧半径，-腿端圆弧半径，I-惯性矩，W-截面系数。
[]=215MPa,E=210GPa
取a=32mm,c=3,R=1000mm,e=0.164R,( )
则i=a+c-e=32+3-1000*0.164=18.6mm
工字钢翼缘局部弯曲应力计算
1点处局部弯曲应力：
3点处局部弯曲应力：
工字钢合成应力弯曲强度计算
经验算校核该工字钢的弯曲应力符合条件要求。
十.梁的稳定性计算
梁的整体稳定性条件为
—梁的最大弯矩（在最大弯曲刚度平面内）
—抗弯截面系数
—梁的弯曲许用应力，当梁的截面厚度不超过16mm时
[]=215MPa(Q235钢)
—梁的整体稳定系数
集中载荷作用于下翼缘
工字钢号：10 自由长度l/m：3.1/
均布载荷作用于下翼缘
工字钢号：10 自由长度l/m:2.5/
梁的受力分析与弯矩图如下：
经验算梁的稳定性符合所要求的条件。
十一.电动机的选择
1.选择电动机应综合考虑的问题：
（1）根据机械的负载性质和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。
（2）根据负载转矩、速度变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力和启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量。负载率一般取0.8~0.9。过大的备用功率会使电机效率降低，对于感应电动机，其功率因数将变坏，并使按电动机最大转矩校验强度的生产机械造价提高。
（3）根据使用场所的环境条件，如温度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃气体等考虑必要保护方式，选择电动机的结构型式。
（4）根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求，确定电动机的电压等级和类型。
（5）根据产生机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程性能的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。
除此之外，选择电动机还必须符合节能要求、考虑运行可靠性、设备的供货情况、备品备件的通用性、安装检修的难易，以及产品价格、建设费用、运行和维修费用、生产过程中前后期电动机功率变化关系等各种因素。
2.电动机类型和结构形式的选择：
如无特殊要求，一般选用Y系列三相交流异步电动机。Y系列电动机为一般用途的全封闭自扇冷式电动机，试用于无特殊要求的各种机械设备。对于频繁启动、制动和换向的机械（如起重机械），宜选允许有较大振动和冲击，转动惯量小，过载能力大的YZ和YZR系列，起重用三相交流异步电动机。
同一系列电动机有不同的防护及安装形式，可根据具体要求使用。因本设计安装所要求，选用立式电动机。例如L 200 20 S B型号电动机，此系列电动机为厂家产品需外购。
3.电动机容量的确定：
电动机的容量选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响，选择功率小于工作要求，则才能保证工作机的正常工作，或使电动机长期过载，发热大而过早损坏；选择功率过大，则电动机价格高，能力不能充分利用而造成浪费。
此设计中，由于设计任务书所要求工作机一般为稳定载荷连续运转的机械，而且传递功率较小，故只需使电动机的额定功率等于或稍大于电动机的实际输出功率，即就可以了，一般不需要对电动机进行热平衡计算和校核起动力矩。
所需电动机的输出功率为：
--工作机所需输入功率（KW）
--传动装置的总效率
工作机所需功率由工作阻力（F或T）和运动参数（v或n）按下式计算：
或
式中：F--工作机阻力（N）
--工作机效率
v--工作机线速度（m/s）
T--工作机阻力矩（N·m）
n—工作机转速（r/min）
所以电动机的输出轴与转动部件是由键直接联结。
传动装置的总效率为100%
则所需电动机的输出功率：
4．电动机的选择
（1）初选电动运行小车驱动电动机的马力为400W，转速为1440r/min，约为1400r/min，减速比1/20，本机工作效率为
符合要求，则初选电机合适。
符合要求，则初选电机合适。
电机的确定：马力400 1/4 HP4P 减速比1/10～1/50取1/20 电机转速1400r/min，减速后70r/min，型号28，重量18kg。
验算小车运行速度：小轮直径60mm。
则小车速度：
与所选电葫芦要求的速度几乎相同，符合要求。
此电动机型号为：L 400 20 S B
(2)初选悬臂驱动电机的马力为400W，转速为1400r/min,减速比1/100，本机工作效率为。
符合要求，则初选电机合适。
符合要求，则初选电机合适。
电机的确定：马力：400W 1/2HP4P ,减速比：1/100-1/200取1/200
电机转速1400r/min, 减速后 7r/min,型号：32，重量：58kg
(3)以上所选用的电机为AC/DC电磁刹车变速齿轮减速马达（厂家产品）
马力：60-420W（单相） 25W-420W（三相）比数1/3-1/1800
电压：110V-220V（单相）220V-380V（三相）
特长：1.因配用速度控制器，可广泛范围平稳的加减速度。
2.可按需要选择变速，制动转换正反转慢速起动，慢速减速等多种复杂的运转程序。
3.确实地保持负载，即为无刺激磁动式电磁制动器。关掉电源时，立即产生制动力而确定地保持负载。
4.短时间内制动，电动机单机时，超程是2-4旋转。
5.可以控制较复杂的瞬时正反转，每分钟可以停止6次，采用刹车安全，灵敏保持力大的无刺激磁动式电磁制动器。在关掉电源时，立即产生制动力而确定地保持负载。
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