机械毕业设计（论文）-P-30(B)耙斗装岩机绞车设计【全套图纸】

1 P-30(B)P-30(B)耙斗装岩机绞车设计耙斗装岩机绞车设计 学 生： 指导老师： 摘 要：P-30(B)耙斗装载机属于矿井巷道掘进的装岩设备，是耙装机和转载机“合二为一” 的机型。可称之为转载式耙斗装岩机。为了适应大断面矿井快速掘进的要求，从而解决装载速度 不能满足掘进速度要求的矛盾，论文中以耙斗装岩机的生产率和耙斗容积为已知条件，通过大量 的计算、推理和论证，设计了耙斗装岩机绞车部分的减速器、工作滚筒、空程滚筒、制动器等绞 车主要部件。本设计中工作滚筒和空程滚筒的传动部分采用行星齿轮机构来完成，并对行星齿轮 传动系统均载的基本原理做了简单的说明。这样就使得按该方案设计的绞车具有操作省力、灵活， 调整简便，事故少，维修工作量小的优点，同时在吸取成型产品生产和使用经验的基础上完成了 耙斗装岩机的绞车设计。 关键词：绞车；电动机；滚筒；变速箱；制动器 全套图纸，加全套图纸，加 153893706153893706 Design of P-30(B) Rake Bucket Rock Loader Winch Student: u Tutor: u Abstract: P-30 (B) rake bucket loader is installed to mine rock Tunneling Equipment, is a rake 2 and loader installed “combined“ models. Reprinted type rake may be called to rock loader bucket. Large section of mine in order to meet the requirements of fast driving, in address loading speed can not meet the requirements of the contradictions driving speed, paper, rock loader bucket with rake and rake the productivity of the buckets of known conditions, through a large number of calculations, reasoning and argumentation, designing to rake bucket rock loader winch part of the reducer, the working cylinder, air- way roller, brakes and other key components winch. The design of the work rollers and air-way roller planetary gear transmission part is to be completed, and the planetary gear transmission system. The basic principles are set out in a simple description. This shide in accordance with its design of the winch with operational effort, flexible, easy to adjust, less accidents, maintenance workload of small advantages, while on the basis of learning from the experience of molding products and using a rake the complet of the winch rock loader bucket design . Key words:winch;electric motor;roller;transmission;brakes 1 前言 对该课题 P-30(B)耙斗装岩机的绞车部分进行设计，在对产品工作的环境进行实 地考察时，发现该机械实际生产中作业过程中绞车部分的设计有不足的地方，且不能 保证设计者所达到的要求。在具有的先进的技术条件下，却没有较好的利用现有的设 备来进行生产和加工。从而在机器长时间的运转中变速箱部分的磨损比较厉害，从而 影响机器的整体性能和局部零件的使用寿命。 1.1 耙斗装岩机绞车概述 绞车一般由动力机构、变速机构、传动机构、滚筒、刹车等部件组成。绞车在矿 井中起到了很大的作用，它的工作特点是操作使用频繁，变速范围宽、载荷变化大。 1.1.1 矿井耙矿工作对绞车的要求 根据绞车的功用和特点，一般来说，挖矿工作对绞车有以下要求: (1)为了保证传送的动力，要求绞车各零部件在强度、刚度满足其使用性能的前提 下，绞车要有足够的功率。 (2)为了适应起重量的变化及提高功效，绞车应有足够的起升档数或变速调解范围。 (3)绞车滚筒应有足够的尺寸和容绳量。 (4)绞车应有灵敏可靠的刹车系统，以便刹住最大载荷。 3 (5)绞车控制部分应便于操作，安全可靠。 1.1.2 耙斗装岩机绞车类型及特性介绍 绞车的形式多种多样，但主要有以下几种类型: (l)从动力上分类，绞车有柴油机驱动，包括柴油机直接驱动和柴油机加液力驱动 两种型式;电驱动绞车主要包括直流电驱动和交流电驱动两种。 (2)从结构上来说，绞车一般有五种类型，即单轴、双轴、三轴、五轴和各为单轴 的主、辅绞车等。单轴绞车是将滚筒和猫头装在同一根轴上操作的，该绞车的不足是 猫头转速偏高，位置过低，操作不便;双轴绞车是将滚筒和猫头各自装在两根轴上， 靠链条联系在一起，其不足是由于变速机构与传动系统采用了齿轮和链条两种方式， 使得管理维修不方便;三轴绞车能实现独立的三低一高档转速，转盘可通过绞车传动， 是目前常用的绞车结构型式 (3)从变速调解状况分类，一般可分为一档、两档、四档和六档等多种形式。 1.1.3 耙斗装岩机绞车的发展趋势 纵观耙斗装岩机的发展历史，经历了一个由简单到复杂，由自动化水平低到自动 化水平高的发展变化过程，纹车的发展过程也同样如此。随着电子技术、液压技术等 新技术的日新月异，矿用绞车将会朝着以下几个方面发展。 (l)进一步向电驱动方向发展。 (2)进一步向自动化、智能化方向努力。 (3)继续向大型化方向发展。 (4)向分体式、单轴式方向发展。单轴式绞车近年来在西方比较流行，这两种绞 车的共同特点是结构简单，体积小，重量轻，便于运输安装等。 (5)向系列化、标准化、模块化方向努力。随着国际市场的逐步规范化，钻井设 备向系列化、标准化、通用化等方向发展的趋势是必然的，这有利于增加设备的互换 性及产品性能的稳定性，并能节约大量的生产成本。 (6)向高适应性方向发展。由于矿井下作业的环境都是很恶劣的，因此，开发高 适应性的矿山设备是今后和未来的必然要求。 1.2 国内外研究现状 中国矿用绞车产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、 产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素 决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、对自然资源破坏力大；企业总体 规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。 4 我国从 1960 年开始研制耙斗装岩机，经历了 40 多年的发展，可分为试验研究、 小批试生产、大批量生产、发展创新四个阶段。煤炭部煤炭科学院上海研究所最早开 始耙斗装岩机的研究工作，主要由煤炭系统的制造厂生产，因产量小满足不了用户需 要。自 1971 年以来，根据矿山生产的需要，江苏冶金修造厂、梅山铁矿一大队的工 人、干部、工程技术人员一起，在“鞍钢宪法”的指引下，对ZYP-7 型耙斗装岩机 作了一些改进，试制了 ZP-30 型耙斗装岩机。几年来，经过有关矿山的使用表明，效 果较好，受到现场工人的欢迎。1973 年，除煤炭系统增加制造厂外，并陆续转产给机 械部系统制造厂生产，如锦州矿山机械厂、上海采矿机械厂、温州矿山机械厂等 20 多家。其产品标准 JB/T23782004行星传动耙斗装岩机是由锦州矿山机器（集团） 有限公司负责起草的。由于生产的需要，耙斗装岩机在国内外都得到很好的发展。耙 斗装岩机在国外生产和使用也很普遍，法国、德国、英国、波兰、捷克、俄罗斯等国 都制造和使用。目前国内外的耙斗装岩机正积极采用新技术、新工艺、新材料，向大 功率、多用途、 “距控”和“自控”发展。最近几年在波兰采矿工业中，特别是在煤 矿和金属矿的矿井建设中，在掘进开拓巷道和准备巷道时广泛采用耙斗装岩机。耙矿 绞车为耙斗装岩机的心脏，所以在耙矿绞车发展的同时也推动了耙斗装岩机的发展。 耙矿绞车的主要技术发展方向是尽量提高设备的生产率。而发展趋势是尽量增大耙斗 容积，提高原动机的功率。并逐步实现遥控和向自动控制方向发展。 1.3 本文选题的目的及来源 本次设计所要达到的主要目的是对耙斗装岩机绞车部分进行改正设计和优化设计， 因为在对产品即将工作的环境进行实地考察时，发现该机械的加工生产实际生产中绞 车部分的设计有不足的地方，且不能保证设计者所达到的要求。在具有的先进的技术 条件下，却没有较好的利用现有的设备来进行生产和加工。从而在机器长时间的运转 中变速箱部分的磨损比较厉害，从而影响机器的整体性能和局部零件的使用寿命。 1.4 本设计的主要内容 本文在通过对矿山机械的学习和了解以及实地考察，确定了要做以下的内容： (l)对绞车的组成、类型、性能特点等进行概要介绍，简单阐述了绞车今后的发 展方向 (2)介绍了绞车功能和原理，对组成绞车各主要单元部件的结构和性能特点进行 了对比、分析和选择，从中选出了最优方案，对其进行了可行性分析。 5 (3)完成了绞车参数设计，确定了绞车总体参数，并先后对组成绞车主要单元如 滚筒、变速箱、主刹车、辅助刹车等技术参数进行了较为详细的设计计算。 (4)对绞车总体结构、主要组成部件及关键零件等进行了比较详细的设计，确定 了绞车总体结构尺寸和重量。 (5)完成了绞车主要组成零件的强度设计，尤其对滚筒轴、变速箱输出齿轮等关 键零件进行了模型简化、载荷分析、应力分析、静强度分析、疲劳强度分析及可靠性 分析等，以确保设计零件的安全性、合理性等。 2 绞车方案设计 我们知道，设计方案的好坏，将直接决定着设计产品的性能及最终成败。为此， 绞车的方案设计就显的非常重要。考虑到绞车工作性质和工作条件的特殊性，在方案 设计当中，我们应首先从绞车的功能原理出发，多建立几个方案，经过对比分析，以 便从中选出最合理的方案。绞车是装岩机的心脏，是装岩机动力的主要来源，它能实 现耙斗的运动及停止，耙斗运动的速度也是通过绞车里的减速器来实现的，从而能使 耙斗完成整个装料和卸料的过程。绞车由电动机、减速机及两个行星滚筒及两组制动 器等组成。两组制动器实际上起着两组离合器的作用，分别对两个滚筒进行控制。工 作时，刹紧工作滚筒的闸带，使内齿轮停止转动，行星齿轮在太阳轮的带动下沿内齿 齿轮滚动，从而借行星轮架带动滚筒传动，牵引耙斗。 回程时，松开工作滚筒的闸带， 刹紧空载滚筒的闸带，依上述原理，尾绳把耙斗牵回扒岩处。由于二个滚筒中齿轮齿 数不同，二个滚筒转数也就不同。空载滚筒比工作滚筒有比较高的转速。下面对耙矿 绞车进行简要的说明： 2.1 绞车的功能、原理 为了能准确并清晰的描述绞车的功能、原理，以下从绞车的功能、功能逻辑分析 和工作原理三方面进行叙述。 2.1.1 绞车的功能 在矿井耙矿过程当中，绞车的主要功能表面在: (l)实现耙斗的运动及停止。 (2)实现耙斗在耙矿过程中的速度变化。 (3)提供耙斗在耙矿的时候的动力和卸料时候的动力。 (4)实现耙斗的往返作业动作和耙矿动作。 2.1.22.1.2 绞车功能的分析 6 绞车担负的任务，要想实现每一个功能动作，就需对实现这些功能的过程进行逻 辑分析。首先，做为机械设备要完成规定的动作，就必须有一定的动力来源，目前用 于绞车驱动的动力设备比较成熟的有柴油机和电动机两种，但由于这两种动力设备的 输入转速相对较高，且用于绞车在完成各规定动作时，所需的转速也不相同，从而在 动力传至执行动作的系统中要考虑速度的可调解性，即需设变速机构;其次，考虑到 绞车的运动是旋转运动，而实作业程中，耙斗的往返及耙矿过程必须考虑相应的运动 转化，设置相应的运动转化系统，目前在钻机上实现这一运动转化紧装的零部件主要 依靠绞车滚筒和钢丝绳来完成，且滚筒、钢丝绳结构也是实现这一转化功能最简单， 也比较理想的元件;另外，绞车在作业操作过程中，有时遇到突发事件或井下故障等 需要立刻停止作业，就需要相应的刹车操纵系统来完成这一动作等。通过上述分析， 我们可以看出，构成耙矿绞车至少需要动力、变速传动、运动转化和控制操纵等四大 体系，具体关系见图 1 所示。 图 1 绞车逻辑方框图 Fig 1 The logical box of winch 2.1.3 绞车工作原理 耙矿绞车的工作方式是靠缠绕在卷筒上的钢丝绳牵引耙斗作往返运动来实现耙运 矿物或岩石的。当电动机起动后，如果各内齿轮均未被闸住，则各内齿轮都旋转，卷 筒在钢丝绳和耙斗的阻力作用下都不转动。如果某一内齿轮被操纵装置闸住时则相应 的卷筒即旋转缠绳，带动耙斗运动;此时另一个内齿未被闸住，其卷筒在钢绳的主动 作用下，作从动旋转，放出钢绳。 工作时，刹紧工作滚筒的闸带，使内齿轮停止转 动，行星齿轮在太阳轮的带动下沿内齿齿轮滚动，从而借行星轮架带动滚筒传动，牵 引耙斗。 回程时，松开工作滚筒的闸带，刹紧空载滚筒的闸带，依上述原理，尾绳把 耙斗牵回扒岩处。由于二个滚筒中齿轮齿数不同，二个滚筒转数也就不同。空载滚筒 7 相比工作滚筒有较高的转速。操纷闸如此交替地闸住工作和空载的内齿轮，耙斗即作 往复运动，进行耙运工作。 2.2 组成绞车主要部件形式设计 绞车主要由动力、变速箱、滚筒、刹车装置(包括主、辅刹车)、钢丝绳等单元部 件组成。为了做到所选部件技术先进、性能良好、匹配性能最佳，在建立绞车方案之 前，有必要对组成绞车主要部件的性能特点进行必要的分析选择。 2.2.1 动力类型的分析选择 当前，据资料可知作为驱动钻井绞车的主要动力有柴油机和电动机两大类型。 11 柴油机驱动包括柴油机直接驱动和柴油机加液力传动两种;电动机驱动则包括 DC-OC 驱动、AC 交流驱动、AC-SCR-OC 驱动和 AC-VFD(变频)-AC 驱动四种形式。矿用绞车的 电动机和控制设备均采用非防爆式的，其电压为 380 伏，满压直接启动，并具有失压 保护线圈。 (1)AC-SCR-DC 驱动 该项技术大约于 20 世纪中期在国外矿山行业上开始使用，直到 20 世纪 80 年代 才有了长足发展。该动力系统由柴油机交流发电站输出交流电，按播要整流后送到各 工作机，并能按工作机的需要平滑柔性调速。电动机可在额定转速的 130%范围内调节 转速，它既可由 SCR 调节对电机的供电电压，也可以对电动机的励磁系统由 SCR 控制 实现弱磁调速，二者可结合使用，也可自动过渡。相比较，AC-SCR-DC 驱动有以下优 点: 采用并联供电方式，电力可以互济，动力分配更合理，功率利用率高。 动力分配灵活性高。 传动效率高。 可达 86%(SCR 装置效率为 99%，交流发 电机效率为 95%，其余同 DC-DC 驱动)，虽然相比 DC-DC 驱动效率约低 1.5%，但比柴 油机加液力传动驱动高 11%。 (2)AC-VFD-AC 驱动 这种动力系统是近年来才迅速发展起来的一种新型动力系统。该动力系统主要由 二相交流电源、整流器、逆变器、交流电动机等单元组成，它的工作过程是将电源给 出的交流.它通过整流后变为直流，并通过逆变器再将直流电转换为频率和电压可调 的交流电输送给电动机工作。该动力不仅平滑调速性好，安全可靠，便于运输安装， 而且调速性能远远高出 SCR 直流动力，电动机可以在额定转速的 0200%甚至更高的 范围内调节转速.除此，该动力还有以下优点: 8 保护功能好。对过电流、电压，欠电流、电压，过热，输出短路，接地故障等 可进行在线检测，并可自动跳闸和复位。 I/0 接口。可接多种信号输入输出，模拟控制，实现远距离自动操作和微机控 制。 效率可高达 200%(直流电机仅为 91%)，节能效果明显，占地面积小，全过程控 制，操作方便、灵活、安全可靠。 先进的电机控制程序，可编程应用单元，控制的通用性好，监测便利，可实现 恒功率无级调速。 交流电机相比直流电机没有碳刷换向器，无防爆，冷却等要求，因此价格比较 便宜、质量小。但该动力系统的不足是变频器价格相对较高。 通过以上两种动力系统性能对比，AC-VFF-AC 驱动方式更加理想，因此，本设计 宜选择该驱动方式为绞车动力。通过资料参考，选择 YBB-17 型号电动机作为绞车 10 的动力来源。 2.2.2 变速传动方式的分析选择 在矿山机械中，特别是耙斗装岩机上的变速机构常常采用链传动或齿轮传动方式， 这主要由耙斗装岩机的工作条件决定的，为此，这里主要对这两种变速传动机构进行 分析选择。 （1）链传动的性能特点 鱿飞链传动包括滚子链和齿形链两种，石油钻机上使用的通常是滚子链。链传动 是属于具有中间挠性的啮合传动，它兼有齿轮传动和带传动的一些特点。链的应用范 围较广，通常，中心距较大，多轴、传动比要求比较准确的传动、环境条件比较恶劣 的开式传动、低速重载传动、润滑良好的高速传动等都可以成功地采用链传动。相比 较，链传动的主要特点有 链传动的制造与安装精度要求较低，适宜于较远距离间的动力传递。 轮齿受力情况较好，承载能力较大，有一定的缓冲和减振性能。 摩擦型带传动相比，链传动的平均传动比准确，传动效率稍高。 链条的磨损伸长相对缓慢，张紧调解工作量小，并且能在恶劣环境条件下工作。 链传动的主要缺点是:不能保持瞬时传动比恒定，工作时有噪声，磨损后易发生跳齿， 不适用于受空间限制要求中心距小及急速反向传动的场合。 (2)齿轮传动的性能特点 9 齿轮传动历史悠久，应用广泛。早在纪元前 400-200 年，就开始使用齿轮。齿轮 的形式主要包括直齿轮、渐开线圆柱齿轮及圆弧齿轮等。齿轮传动在矿山机械上被广 泛使用于绞车减速器、变速传动箱及绞车传动箱等许多方面。齿轮传动的优点主要有 瞬时传动比恒定，传动比范围大，可用于减速和增速。 速度(指节圆圆周速度)和传递功率的范围大，可用于高速(v40m/s)、中速和 低速(v25 而 s)的传动;功率可从小于 IW 到 IO5kW。 传递效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮、效率高达 99%以上，而链轮效率 一般为 94%96%。 结构紧凑，体积小，适用于近距离传动。 齿轮传动的不足之处是加工周期较长，成本较高，且损坏后不易更换等。 对比以上两种传动方式，在充分考虑绞车电机驱动方式、功率大等特点后，为了 保证绞车结构紧凑、体积小，整体成本低等，本文选择齿轮传动形式。 2.2.3 刹车类型的分析选择 纵观石矿山机械百年发展史,绞车刹车统虽经千变万化,但带式刹车仍是耙矿机绞 车刹车系统主要采用的刹车方式。带式刹车之所以受到如此青睐,它得益于结构简单、 有自增能力、便于操纵、维修方便等诸多优点。近十几年,一些有识之士,就盘式刹车 做了大量尝试,取得了较好效果,但欲取代带式刹车,尚为时太早。随着作业难度的不 断增加和环境的恶劣,工作负荷加大,工况更加复杂,这就要求我们研制出的带刹车系 统更加安全、可靠、省力、高效。在耙斗装岩机绞车上， 一般需配置两套刹车系统， 一套主要用于实施夹持定位和紧急制动，即称主刹车一套主要用来完成耙斗的往返运 动等，称为辅助刹车。鉴于本文从优化设计的角度出发，绞车的主刹车-制动器和辅 助刹车都选择用带刹车。主刹车和辅助刹车见下图 2 和 3： 10 图 2 辅助刹车 Fig 2 Assist brake 根据参考资料，下面简单介绍下带式刹车的几个主要内容： 10 （1）带刹车的型式和刹车机理刹车装置无非是将运动物体的动能转变成热能、电 能等其他形式的能,而使物体的运动加以抑制或停止的装置。绞车的带刹车,是通过刹 把及连杆机构而使施加在刹把上的力增加数十倍后,作用在刹车带上,产生闭合推力。 又由于刹带在轮鼓上围抱,刹车块随轮鼓转动方向产生位移,而迫使刹带在轮鼓上压紧,造 成固定端刹块形成所谓的“锥度压力”,即摩擦力,将刹车鼓上的运动能转变成热能, 达到调节耙斗的运动速度以及刹止的目的。目前,耙矿绞车上所采用的带刹车结构形 式大同小异,只是根据其承载负荷,在杠杆配比、刹带根数、刹带包角等方面略有变化， 而在刹车机理、刹止方式上没有不同。 11 图 3 制动器 Fig 3 Brake （2）带刹车机构几个要素的分析及选取作用在刹把上力的大小,是决定带刹车能 否靠一个人的力量有效地刹止钻具的关键。它的习惯计算方法是： Fb=Fmi (1) 式中 Fb刹把上作用力,N Fm刹带活端拉力,N i杠杆比 Fm=2MDr1e-1 (2) 式中 滚筒扭矩,m Dr刹车鼓直径,mm e自然对数的底 摩擦因数 刹带包角,() 由公式中不难看出,带刹车的刹车效果以及作用在刹把上力的大小,主要取决于滚 筒扭矩、轮鼓直径、杠杆比、刹带包角、摩擦因数、等等。这里就不做具体分析了。 2.2.4 滚筒形式的选择 滚筒从结构上来说有铸造和焊接两种形式，铸造滚筒由于受强度、刚度的限制及 生产工艺的影响，己非常少见了;另外，从滚筒的表面形式来说，有光面和带绳槽滚 简两种，带绳槽滚筒的优点是能够保证钢绳排列整齐，挤压应力小。所以，这里选用 12 焊接带绳槽式滚筒形式。本文所设计的绞车是双滚筒类型的，一个工作滚筒，一个空 程滚筒，都是选用焊接带绳槽式滚筒形式。 2.3 绞车传动方案设计及结构特点 依据绞车功能原理和组成绞车主要部件的分析选择，本文设计了图 2.4 所示绞车 传动方案。以下介绍其组成和结构特点： 图 4 绞车简单示意图 Fig 4 Simple diagram of winch 方案：主要由一台交流电机、四级一档变速箱、滚筒和主、辅刹车等元器件组成。 该方案的结构特点为动力通过变速箱从滚筒轴的一侧输入，滚筒的正档和倒档依靠电 动机换向旋转实现。变速箱输出端与滚筒轴之间靠齿轮连接，绞车下耙斗时，刹紧工 作滚筒的闸带，使内齿轮停止转动，行星齿轮在太阳轮的带动下沿内齿齿轮滚动，从 而借行星轮架带动工作滚筒传动，牵引耙斗。同时还可以由主刹车控制其牵引速度， 回程时，松开工作滚筒的闸带，刹紧空载滚筒的闸带，依上述原理，尾绳把耙斗牵回 扒岩处。主、辅刹车分别安装在工作滚筒体和空程滚筒两侧，安装位置合理。该方案 从总体上来说，其特点是结构简单、紧凑、使用元件少、重量轻、体积小。绞车简单 示意图如图 4。 2.4 绞车方案的对比分析及优选 以上设计并提出了一种绞车方案及结构特点，其优点比较突出，但是要确定方案 是否真的可行，就必须从绞车实际工作需要出发，综合考虑其工艺性、可靠性、经济 性、运输安装维修性、通用性、互换性等许多问题。 13 2.4.1 工艺性分析 从上述绞车方案的总体情况来说，方案的工艺性较好，主要原因是绞车使用元件 少，变速箱体积小，从而降低了整台绞车的生产加工难度。箱体尺寸小，箱体上各轴 承孔的加工精度比较容易保证，又因箱体小，则刚性相对较好，加工后的变形量就小， 轴承、齿轮等传动件的定位精度自然较高。另外，这两种方案中各传动轴的尺寸较小， 加之轴面安装零件少，从而降低了轴的毛坯及表面生产加工难度，改善了轴的加工工 艺性，但不足是由于受变速箱外形尺寸的影响，手工装配的难度会有所增加，装配工 艺性较差。 2.4.2 可靠性分析 对耙矿绞车来说，其可靠性来源于三个方面： （1）是电机及控制系统的可靠程度; （2）是传动系统的可靠程度; （3）是主、辅刹车的可靠性程度； 只有这三个方面都可靠，则整机才算可靠。主、辅刹车的可靠性在具体选型设计 时考虑，以下主要从前两个方面对绞车方案进行可靠性分析： 该方案为一档变速系统，该系统变速完全依靠电动机的调速特性来完成绞车的变 速范围，要想良好的满足绞车的工作性能，则电机的转速范围大约需要在 0- 1500r/min 左右，在这样的速度范围，其电机及其变频控制系统设计不是很复杂，可 靠性相对较高;同时，由于电机的运转不高，使得变速箱、特别是输入轴轴承、齿轮 等零件的寿命得到了保障，可靠性高;另外，从承载特性上分析，由于纹车使用工况 恶劣，变速箱齿轮、输出轴齿轮大约要承受 2000N.M 左右的扭矩，一旦齿轮等元件发 生故障，必然导致整个传统系统失效，造成的结果是耙斗无法作业，甚至会波及整套 设备和人身事故，而电机的转速适中就很好的降低了事故的发生可能性。所以，单从 可靠性来说，该方案满足优化设计的要求。 2.4.3 经济性分析 对产品方案来说，经济性分析非常重要，它将直接决定着产品今后的发展。产品 经济性一般包括产品的生产加工成本，外购件价格及产品今后的社会效益等多个方面， 考虑到产品自身因素的影响及企业的生产效益，以下从各方案生产加工成本、外购件 成本及运输安装维修费用等方面对方案进行必要的分析。本文提出的方案自制传动元 件最小，体积小，重量轻，生产加工成本最低，运输费用低。 2.4.4 运输安装维修性分析 14 （1）从运输搬迁性上来说，本文提车的方案由于体积、重要等因素其运输性能好， 如果设计控制的较好，整台绞车可以整体包装发运，占据的空间最省，车次最少，这 一点非常重要，设计和控制好绞车的外形尺寸及整体重量，会给铁路、公路运输及油 田井场搬迁带来极大的方便。 （2）从安装上分析，该方案由于选用元件少，安装性能好，同时由于重量轻，可 以选用普通的器材安装或人力安装，给运输和耙斗装岩机搬迁拆装创造了有利条件。 （3）从维修性上分析，该方案设计中使用的选用元件少，传动结构设置合理，整 体布局简单紧凑，可维修性强。 2 2.4.5 标准化、通用性分析 从当前的技术条件来看，该方案中所选元件在实现标准化、模块化、通用化及系 列化的情况比较成熟，这是因为: (1)电机的标准化、系列化、通用性相对很高，可供选择的范围较广。 (2)对同功率的绞车，变速箱的传动比、传动方式可以不发生变化，对于功率级 差相同或较小的绞车，甚至可以使用同一变速箱，而对于功率级高对半的绞车，在不 改变变速箱整体结构的情况下，选用单台电机便能满足工作要求等。 (3)由于该方案选配的电动机、变速箱、滚筒等单元部件无需采用联轴器等连接 器件连接，这便为产品的通用化、模块化和系列化设计提供了方便，使其之间的匹配 更灵活，选择现套范围更广。 2.4.6 技术性分析 该方案采用一档变速形式，所配电机在满足工作条件的情况下，转速只需在 O 一 150Or/min 左右便能良好的满足绞车工作所需，且这种电机已比较普遍，也比较成熟， 易于实现，使用在绞车上其功率、扭矩、转速等参数同样能得到充分利用，技术经济 性非常良好。 2.5 方案可行性分析 通过上述分析，己确定方案为最终 P-(30)耙斗装岩机绞车的设计依据，但该方案 是否可行，即所选元器件的性能、制造水平、技术参数等能否保证绞车的功能目标呢?这 就需要认真分析研究。 2.5.1 外购配套元件的可行性分析 该方案中，主要外购配套元件有交流变频电动机、制动器，辅助刹车。目前，转 速在 0-1500r/min 的交流电动机在国内已经有很成熟的产品，像我们国产的 DZ3B17 电动机是煤矿井下装岩机专用防爆电动机，本电动机的防爆性能符合 GB3836.1爆炸 15 性环境用防爆电气设备 通用要求及 GB3836.2爆炸性环境用防爆电气设备 隔爆 型电气设备“d” 的要求，制成矿用隔爆型，防爆标志为“d” 。制动器和辅助刹车 都是选用扎带式刹车，所以选择的空间非常的宽松。至于其它的一些销钉花键之类的 小零件就更容易选择了，综上所述，本设计在外购方面也是合理的。 2.5.2 生产加工件的可行性分析 该方案中主要生产加工件为变速箱、滚筒体、滚筒轴、绞车架、主刹车等部件。 作为变速箱三轴、滚筒体、滚筒轴、绞车架等零部件己属常规生产加工件，不存在任 何生产难度;但是由于绞车受力复杂，扭矩大，所以对箱体、齿轮等件的承载能力和 精度要求就相对较高。首先，对箱体而言，如果采用整体焊接不难实现，如果采用铸 件，也不会有太大问题，主要原因国内矿用机械上使用类似铸件箱体比较常见。只要 在设计时考虑选用较高牌号的铸件材料，在厚度选择合适、局部加强、应力分析等前 提下，相信这个问题完全在国内现有条件下能够解决。其次，对齿轮而言，齿轮的最 大模数可能要选到 10 左右，且齿面还需进行淬火、渗碳、磨齿等特殊处理，这对当 前国内已成熟的齿轮加工模数为 16 而言，也完全没有问题。 2.5.3 总体传动系统的可行性分析 （1）从该方案的传动过程来看，电机以一定转速和扭矩驱动变速箱输入轴和中 间轴齿轮转动，再通过齿轮传动直接传给滚筒轴，滚筒轴与滚筒之间通过行星齿轮传 动，配合制动器和辅助刹车的使用来控制滚筒的转动，从而控制耙斗的作业运动。所 以，从传动方式上来看，方案是可行的。 （2）从方案的传动效果上分析，滚筒轴为满足实际作业需要，在处理耙斗的往 返作业过程中，需要最大的扭矩和很低的转速，在回程等过程中又需要很低的扭矩、 较高的转速等，而交流变频控制电动机正好有这种特性，如果变速箱传动比等参数选 择合理，且绞车扭矩和速度要求完全能够与电机特性匹配。 （3）从方案的控制方式上分析，电机变频系统控制滚筒所需转速和扭矩，主、 辅刹车分别控制紧急制动和耙斗往返，其控制方式完全可行，符合绞车工作要求。 综上所述，本文提出的设计方案完全能够实现生产加工及总体传动需要，可行性 良好。 16 3 绞车性能参数设计 3.1 绞车基本参数确定 根据对绞车的总体设计和相关资料可以得以下绞车设计的主要约束参数： (1)工作滚筒 钢绳牵引力 11051620 （N） 绳速 0.821.2 （M/S） 最大容绳量 85 （M） 滚筒直径 150260 （MM） 传动比 23.83 (2)空程滚筒 钢绳牵引力 7171060 （N） 绳速 1.271.85 （M/S） 最大容绳量 85 （M） 滚筒直径 150260 （MM） 传动比 15.49 (3)电动机 型号 DZ3B-17 功率 17 (KW) 转速 1460 (r/min) 重量 225 (KG) (4)钢绳直径 12.5 (MM) (5)绞车外形尺寸 长度 1220 (MM) 宽度 950 (MM) 高度 615 (MM) 3.1.1 绞车基本形式和参数 依据上述内容及相关内容的参考，绞车基本形式和参数设计结果见表 1 17 表 1 绞车的基本形式和参数 Tab 1 The basic form and parameters of winch 序 号 类型 名称及单位序 号 类型名称及单位 1 绞车形式单独驱动 7 滚筒形式焊接带绳槽式 2 额定功率 13.2KW8 钢丝绳直径 12.5MM 3 动力类型交流变频驱动 9 工作滚筒主绳最 大速度 1.2M/S 4 变速箱形式四级齿轮传动 10 空程滚筒主绳最 大速度 1.85M/S 5 绞车档位一档 11 主刹车形式闸带式刹车 6 滚筒内传动 方式 行星传动 12 辅助刹车形式闸带式刹车 3.2 绞车主要零部件参数设计 3.2.1 电动机参数 根据上述资料提供的参数，该方案所选用的电动机是 DZ3B-17 型隔爆三相异步 11 电动机，具体参数详见表 2 表 2 DZ3B-17 型隔爆三相异步电动机主要参数 Tab 2 The main parameter of three-phase asynchnous motor 额定功率 KW 同步转速 r/min 效率 （%） 功率因素启动转矩/ 额定转矩 启动电流/ 额定电流 最大转矩/ 额定转矩 17 150090.80.852.87.02.7 3.2.2 绞车滚筒参数设计 设计原则: (l)缠绳层数一般不超过 5 层； (2)绞车架顶部中心至滚筒中心与滚筒边延夹角 1510 根据资料中的方法，以下进行参数设计。 （注:图示尺寸等符号不再在计算中说明） 。 5 18 图 5 DZ3B-17 型隔爆三相异步电动机外形图 Fig 5 The shape of a graph DZ3B-17 with a three wire asynchronous (l)滚筒直径D。的设计 （3） 绳 dD)2317( 0 取均值，系数按20代入 式中:钢丝绳直径。 绳 dmm5 .12 绳 d 则，mmD250 0 (2)滚筒缠绳长度L的设计 图 6 滚筒 Fig 6 Roller （4）tan2HL 又 立 LH7 . 1 式中绞车到耙斗的最大距离取 m4 立 L 取 计算：5000 则有 mL346 . 0 19 这里我们取整得 mL4 . 0 即mmL400 (3)每层排绳数计算n （5）)/( 绳 dLn 式中:一钢绳被压扁时直径增量，取0.3mm 则25.31n (4)滚筒容绳量 M 计算 （6）nDZLM）（ 绳立 d0 计算得=128mM (5)滚筒缠绳层数e （7）0/)( 00 2 绳立绳绳绳 ）（dnZLdDdedDe 式中:钢丝绳在滚筒半径上的增量系数，取0.9 则，取整即 4 层997 . 3 e (6)滚筒缠绳平均直径 _ D 4/ )( 4321 _ DDDDD 式中Dl、DZ、D3、D;分别为每缠一层绳后滚筒的直径。 计算得mmD410 _ (7)滚筒轮毅直径的设计 毂 D 根据经验，轮毅直径按滚筒缠绳层数再加 2 层缠绳的方法设计，即按能缠满 6 层绳计 算: 得mmdDD42512 0 绳毂 3.2.3 传动系统变速设计 本方案中的主要传动系统有变速箱的传动系统以及变速系统的设计，再者就是滚 筒内部的传动方式设计下面分别进行设计(注：本方案中绞车设计为双滚筒式绞车， 即一个工作滚筒，一个空程滚筒，基于工作量和工作强度的考虑，本文只对工作滚筒 的相关参数进行设计和校核) 20 （1）滚筒最高转速与正常工作最低转速设计 按照滚筒转速与钢绳速度之间的关系，有: 筒 n 绳 V （8） _ /60DZVn 绳筒 即 绳筒 Vn233 根据已经取得的绞车参数可取钢绳最大运动速度，正常工作最低速度sm/2 . 1 计算，sm/82 . 0 则有: 滚筒工作时最高转速，min/88 max rn 滚筒正常工作最低转速，min/60 min rn （2）滚筒内部行星齿轮传动的设计 本方案将滚筒内部的传动方式设计为行星传动，本方案设计在滚筒外面连接有刹 车装置。在这种制动式行星调速装置的实施例中，当需要滚筒慢速运转或者停止运动 时，操纵制动杆，使闸带套施转，螺纹闸带套向内收缩，此时连于行星架上的内摩闸 带与外闸带相结合，从而制动行星架实现滚筒慢速运转或停止运动;当需要滚筒快速运 转时，松开制动杆 ，制动闸带相互分离，从而达到目的。这种制动式行星调速装置， 当改变滚筒的运动速度或停止运动时，不需要停车，在原运转状态下实现换速(如图 6) 根据资料中提供的行星传动的配齿原则可知:齿轮的齿数除应满足渐开线圆柱齿轮 齿数的选择原则之外，还须满足传动比条件、同心条件、装配条件和邻接条件等。另 外，几乎所有设计手册中均提到“齿数互质”原则:“齿数互质”可以增加齿轮的耐磨性， 并可提高运转的平稳性。经计算和查阅资料，行星系中各个齿轮的选择如表 3。 21 表 3 行星轮系各齿轮参数表 Tab 3 A list of planetary gears parameter 太阳轮齿数内齿圈齿数行星轮齿数模数（mm）行星轮个数 22802943 行星齿轮传动是一种周转轮系，一般是由输入太阳轮、行星轮、行星架和固定的 内齿轮组成，是依靠多个行星轮实现轮系的动力分流传动，在直升机的主减速器中多 以行星架为输出构件。行星齿轮传动与普通齿轮传动相比，当它们的零件材料和机械 性能、制造精度、工作条件等均相同时，前者具有一系列突出的优点，因此它常被用 21 作减速器、增速器、差速器和换向机构以及其它特殊用途。行星齿轮传动的主要特点 如下： 体积小、重量轻、结构紧凑，传递功率大、承载能力高。用几个完全相同的行 星齿轮均匀地分布在中心轮的周围来共同分担载荷，因而使每个齿轮所受的载荷较小， 相应齿轮模数就可较小；充分利用内啮合承载能力高和内齿轮(或称内齿圈)的空间容 积，从而缩小了径向、轴向尺寸，使结构很紧凑而承载能力又很高；各中心轮构成共 轴线式的传动，输入轴与输出轴共轴线，使这种传动装置长度方向的尺寸大大缩小。 传动比大。只要适当选择行星传动的类型及配齿方案，便可利用少数几个齿 轮而得到很大的传动比。在不作为动力传动而主要用以传递运动的行星机构 图 7 行星传动示意图 Fig 7 Planets driven 中，其传动比可达到量级。此外，行星齿轮传动由于它的三个基本构件都可以转 4 10 动，故可实现运动的合成与分解，以及有级和无级变速传动等复杂的运动。 传动效率高。由于行星齿轮传动采用了对称的分流传动结构，即它具有数个均 匀分布的行星齿轮，使作用于中心轮和转臂轴承中的反作用力相互平衡，有利于提高 传动效率。在传动类型选择恰当、结构布置合理的情况下，其效率可达 0.970.99。 运动平稳、抗冲击和振动的能力较强。由于采用数个相同的行星轮均匀分布于 中心轮周围，从而可使行星轮与转臂的惯性力相互平衡。同时，也使参与啮合的齿数 增多，故行星齿轮传动的运动平稳，抗冲击和振动的能力较强，工作较可靠。行星齿 轮传动广泛地应用于航空发动机的体内减速器和直升机的主减速器中。如果各行星轮 之间的载荷均衡，行星轮数增加，则其结构更为紧凑。如果行星轮间载荷不均衡，则 22 难以实现上述优点。因此，在设计行星齿轮传动时，认真地解决行星轮间载荷分配的 不均匀性问题，对于充分发挥其优越性就显得非常重要。 （3）变速箱变速范围设计和变速箱总传动比 根据前面的设计可知绞车工作滚筒的主绳速度范围在。sm/25 . 1 82 . 0 由， （9）Dvn/60000 其中mmD250 可得绞车滚筒的转速范围为min/8860r 可得电机与滚筒转速对应关系为: 滚筒正工作最高速度对应电机恒功率区最高转速min88 min rn 滚 min/1460 max rn 电 由此，变速箱总传动比可暂定为: 59.16/ maxmax 滚电 nni 对应变速箱变速范围为:min/880r （4）变速箱各分传动比的初步设计 该变速箱的齿轮传动简图如图 8 所示，该变速箱为四级传动。 据图有 59.16 4321 iiiii 根据机械设计手册可将多级减速器各级传动比的分配，直接影响减速器的承载能 力和使用寿命，还会影响其体积、重量和滑。传动比一般按以下原则分配：使各级传 动承载能力大致相等；使减速器的尺寸与质量较小；使各级齿轮圆周速度较小；采用 油浴润滑时，使各级齿轮副的大齿轮浸油深度相差较小。 则可以将各级传动比初步 定为： 6 . 1 1 i,7 . 2 2 i2 . 3 3 i2 . 1 4 i 23 图 8 变速箱齿轮传动简图 Fig 8 Gear driven simplified （5）变速箱中心距和齿轮参数设计 考虑到传动的平稳性，承载能力，轴向力影响和结构的对称性等，变速箱中所选 用的齿轮全部为螺旋角较小的渐开线圆柱斜齿轮。减速箱剖面图如图 9 图 9 减速箱剖面图 Fig 9 Slowdown box sections 按机械设计资料中齿轮设计计算方法，可得齿轮的计算结果如表 4 5 中心距:mmaaa525 21 传动比:59.16 4321 iiiii 齿数:，33 1 z54 2 z20 3 z64 4 z53 5 z 24 表 4 变速箱齿轮参数设计表 Tab 4 The table of gearboxs design paprameter 1 Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 Z 齿形渐开线斜齿渐开线斜齿齿轮轴斜齿渐开线斜齿渐开线斜齿 材料CrMn1845CrMnTi184545 表面处 理 渗碳淬 HRC50 淬火 HRC46-52 渗碳淬 HRC62淬火 HRC46- 52 淬火 HRC40- 45 Z3354206453 a150mm152.06mm152.06mm150mm219.87mm 0414016130161300414016130 mn34433 a 0 20 0 20 0 20 0 20 0 20 4 绞车结构设计 结构设计的任务就是按照确定的方案、参数，在图纸上按比例正确描绘出各安装 件之间的装配关系及零部件自身的形状、尺寸、重量、技术要求等。为了节约文章篇 幅，本章仅对绞车总体、主要部件、关键零件等结构进行设计分析。 4.1 绞车总体结构设计 4.1.1 绞车总体结构图设计 在充分考虑绞车安装、运输、维修及各零部件连接、定位、配合等因素前提下， 绞车总体结构设计如图 10、11 所示。由图可知，绞车总体主要由绞车架总成、变速 箱总成、电动机、变速箱底座、制动器、辅助刹车、滚简轴总成及护罩等部件组成。 绞车总体外形尺寸为(长 X 宽 X 高)，总重量为。mm6159501220kg904 25 图 10 绞车总体结构设计图 Fig 10 The overall structure layout of winch 4.1.2 绞车总体结构设计特点 与其它绞车相比较，该绞车结构紧凑、体积小;刚性强、重量轻、运输安装方便、 可靠性高、安全性好等。除此，该绞车在结构设计中还有以下特点。 (l)绞车滚筒支架与连接底座采用整体焊接结构，其刚性好，能保证滚筒平稳运 转。 图 11 绞车总体结构局部视图 26 Fig 11 The overall structure of local views of winch (2)变速箱与电机共用一个底座，底座主梁选用的是重型工字钢。这样不仅保证 了电机、变速箱运转的平稳，同时为电机、变速箱等安装找正提供了有利条件。 (3)滚筒支架底座与变速箱、电机底座分体设计的目的有三:一是分体运输尺寸可 以保证正常运输要求;二是保证各运物单元在吊装时不致偏心;三是有利于改善焊接加 工工艺性等