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30m高杆灯灯盘提升系统动力传递的设计计算原理

以力学的相关公式、概念为依据,理性地给出以定滑轮、动滑轮、齿轮、轮轴、减速机、电机等组成的高杆灯灯盘提升系统的设计计算方法,以期对国内高杆灯照明技术中,有关灯盘及其提升系统的构思和设计提供积极的作用。


1、灯盘的提升方法

见图 1,用三根分钢索通过三组固定在杆顶支架上的定滑轮组(每组两只定滑轮)归结到提升铁板上, 主钢索的一端栓牢在灯杆杆根内壁。另一端穿过提升铁板下方的动滑轮后盘绕在卷扬机组的轮轴上。

2、动力传递的设计计算

设: 灯盘的最大重量 460kg〈注 1〉。单列向心滚珠轴承的定滑轴的效率η0≥ 0. 93,三根提升灯盘的分钢索分别跨过杆顶三角支架内的两只定滑轮后归结到

提升铁板上〈注 2〉。

2. 1 三根分钢索上作用力分别为 F1:

F1 = ( 460÷ 3) /( 0. 93× 0. 93) × 9. 8= 1 737N

2. 2 跨过提升铁板的主钢索盘绕在卷扬机组轮轴的一段受到的作用力 F2:


F2 =3F1 /Z = 23× 1 737 /0. 93= 2 802 N 〈 注 3 〉2


注 1. 合理设计并使用一体化灯具的灯盘 , 其一般可控制在460kg,对于灯只数较多的装饰样灯盘 ,可设计成分解式 ,一部分固定在杆顶 ,使提升部分的灯盘不大于 450kg。

注 2. 据机械手册可知 ,用轴承的滑轮摩擦系数 uf 为 0. 003,所以

效率 η0≥ 0. 93较可靠。

注 3. 根据动滑轮原理和主钢索跨过动滑轴后的工作方式 ( 见图1) ,主钢索与铅直线之间有一个较小的夹角 α,主钢索上的受力实际应该为 F2 /cosα,比计算值略大些 ,此处忽略不计。


2. 3 主钢索选用直径为 7. 7m m, 横截面积为22. 37m m2 , 抗 拉 强 度 155kg /m m2 , ( 即 1 519N / m m2 ) ,能承受最大拉力 33 908N。 现提升拉力 F2= 2 802N. 使用中的安全系数 β=  33 908 /2 802=  12. 1

>8。 完全符合国家有关部门规定。

2. 4 卷扬机的主体结构和关键尺寸见图 2。 卷扬机组的轮轴直径 0 = 110m m,可排绕主钢索的长度 L= 215m m。 30m高杆灯,灯盘上升或下降的最大行程为 28m。 主钢索在轮轴上盘绕部分的总长度,即为主钢索跨过动滑轮移动的长度 S= 56m。 据计算: 56m 主钢索在轮轴上需排绕 6层。 排绕第 1层时,轮轴加钢索的力学计算直径 O′0  =  110+   7. 7=  117. 7m m; 排绕第 6层时, 轮轴加钢索后的力学计算直径 O″0 为 190mm。 设这两种情况时,轮轴需付出的最小、最大扭矩分别为 M小 和 M大:

M小=   F2·  ′0   /2=  2 802× 0. 118 /2=  165. 3Nm( ′0=  117. 7mm  0. 118m )

M大=   F2·  ″0   /2=  2 802× 0. 19 /2=  266. 2Nm

2. 5 卷扬机的轮轴与大齿轮同轴心组合。 大齿轮的分度圆直径 1 = 280m m,齿数为 70; 与大齿轮衔接的小齿轮 (组装在减速机的输出轴心上)分度圆直径

  2 = 192mm ,齿数为 48。 两个传递齿轮的模数皆为

4。 齿轮间的传递效率 η2 =  0. 95。

2. 6 因大齿轮与轮轴同心组合,大齿轮分度圆周上必须付出的力矩等于 M小 或 M大。设大齿轮分度圆周上承担的最大作用力为 F3:

F =  M1 =  266.  2 0. 281 901. 4N;

2. 7 小齿轮与大齿轮衔接,小齿轮必须付出的作用力为 F4 ,付出的力矩 M:

F4=   F3   /η2=  1 901. 4 /0. 95=  2 001. 5N;

M= F4· 2 /2= 2 001. 5× 0. 192 /2= 192. 1Nm

2. 8 若选用 W PA 80型减速机,其输入转速为 800r / min,输出扭矩为 211Nm ,减速比为 62∶ 1,因 211Nm

>M ( 192. 1Nm ) ,符合需求。

2. 9 当减速机的输入转速满足 800r /min(由电动机相应的转速和皮带轮传动比来满足)时,减速机的输出扭矩即为 211Nm ,小齿轮与减速机输出轴同心组合,输送到小齿轮分度圆周上的作用力 F5:

 0. 192= 211 /4 > F3 (满足需求)2 = 2 198N> F

2. 10 设暂时选用的电动机为 4P,转速 n1 = 940r / mi n。减速机要求输入转速η2=  800r /mi n〈注 4〉。若电机的输出皮带轮直径 4= 105mm ,则减速机输入皮带轮直径为 3:n1· 43=n2= 940× 105 / 800= 123m m;


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