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缠绕 提升 设计

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单绳缠绕式提升机设计,缠绕,提升,设计

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河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘 要 矿山生产的全过程离不开矿山提升和运输工作。因此，运输和提升工作的好坏直接影响到矿山生产能否正常高效进行。如果说运输线路是矿山生产的动脉，那提升设备则是其咽喉，可见其重要性和必要性。提升机是联系井下和地面的重要运输工具，矿井提升工作是整个采矿工程中的重要环节。 矿井提升机的主轴装置是其主要的工作机构，它不仅要承受各种正常载荷（包括固定载荷和工作载荷），还要承受各种紧急事故情况下所造成的非正常载荷。为了使提升机高效、安全、可靠地为国内外矿山机械用户服务，实现广大用户和企业的经济双赢，实现矿山机械用户的高效、安全、低耗的良性经济发展态势。设计者要综合运用机械设计等知识，通过设计计算、绘图以及运用技术标准、规范、设计手册等有关资料，完成预期设计任务，并使机械设计的基本技能得到训练。本文针对矿山机械的特殊要求，重点设计卷筒部件和主轴部件，两个部件是矿井提升机的关键部分，卷筒强度不够会导致筒壳被压溃、焊缝开裂等；主轴是传递力的装置，在设计时要考虑其承受的玩扭力矩，键对主轴强度的削弱及其改进和装配问题，轴的工艺等要求。关键词： 矿井提升机 滚筒 主轴 设计AbstractThe whole process of production in mines from mining ascension and transport work. Therefore, transportation and ascension direct influence work on mine production can be normal efficient. If the transport line is the artery, the mine production lifting equipment is its throat, It is obvious that its importance and necessity.Hoist is an important transport machine that contacting underground and surface, And it is the important link in the whole mining engineering.The spindle device of mine hoist is the primary operating mechanism, it not only to bear a variety of normal load (including the fixed load and working load), but also bear abnormal load that caused by a variety of emergency situlations. In order to improve machine efficiency, safety, reliable customer service for domestic and foreign mining machinery to achieve the majority of users and the enterprises economic win-win situation, mining machinery users to achieve efficient, safe, low consumption of good economic development trend. Designers to design the integrated use of mechanical knowledge, through the design calculations, drawing and the use of technical standards, specifications, design manuals and other information, is expected to complete the design tasks, and mechanical design of the basic skills of training.In this paper, the special requirements of mining machinery, components and key design reel spindle components, two components are a key part of mine hoist, roll shell of strength is not enough cause to be crushing, cracking and other weld; spindle force is passed Device to be considered in the design of torque to play the bear, the weakening of bond strength of the spindle and the improvement and assembly problems, the axis of the process requirements.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Key words: Hoist Drum Spindle Design目 录 摘 要I前 言11. 概述21.1 矿井提升机的简介21.2 矿井提升机的用途和发展概况41.3 矿井提升机的工作原理62 矿井提升机的主要组成部分及用途82.1 工作机构92.2 制动系统122.2.1制动装置的功用122.2.2 制动装置的类型122.2.3 制动系统的要求133. 矿井提升设备选型133.1 选型设计的基本原则与设计依据133.2 提升容器的选择计算143.3 提升钢丝绳的选择计算163.3.1 计算单位绳重力163.3.2 钢丝绳最大悬垂长度163.3.3 验算安全系数163.4 提升机卷筒和天轮的计算173.4.1 卷筒直径的确定173.4.2 卷筒宽度的确定173.4.3 选择天轮直径183.5 提升机的强度校核183.6 提升机与井筒相对位置的确定193.6.1 井架高度193.6.2 钢丝绳弦长203.6.3 卷筒的下出绳角203.7 提升电动机的初选214 单绳缠绕式提升机滚筒的设计与计算214.1 滚筒的结构224.2滚筒失效的形式及原因244.2.1 滚筒失效的形式244.2.2 滚筒失效的原因254.3筒壳许用应力的确定264.4正常工作时作用于筒壳上的外载荷274.5筒壳强度的计算334.6多层缠绕时筒壳的计算特点354.7 JK-21.5型提升机筒壳强度计算364.7.1 已知条件364.7.2 筒壳强度的计算及校核365 单绳缠绕式提升机主轴的设计与计算395.1 主轴的结构与强度计算395.2 主轴的力学模型和受力分析415.3 主轴及附属部件的设计计算445.4 主轴的校核465.4.1 综合所有JK-21.5型提升机已知条件为465.4.2 固定载荷分配于主轴各轮毂作用点上的力475.4.3 钢绳张力分配于主轴上各轮毂作用点上的力485.4.4 作用于轴上水平方向及垂直方向的合力485.4.5 计算支点反力495.4.6 计算弯矩505.4.7 计算扭矩及扭转强度515.4.8 计算危险断面的安全系数516 提升机制动装置的结构设计526.1 制动装置的有关规定和要求526.2 提升机制动器主要类型556.2.1 块式制动器556.2.2 盘式制动器566.3 盘式制动器的结构及工作原理576.3 液压站586.3.1 工作制动力矩的调节596.4 制动器及液压站的设计626.4.1 JK-2/20型提升机盘闸制动器的主要参数626.4.2 液压泵站的设计637.机械系统647.1 传动系统647.2 润滑系统657.3 观察和操纵系统657.4 拖动，控制和自动保护系统657.5 辅助部分66致 谢67参考文献6873前 言矿井提升机是煤炭、冶金化工和建材矿井中的四大关键之一，作为竖井提升矿物和升降人员、材料设备之用。矿井提升机是矿井大型固定设备之一，它的任务是沿井筒提升煤炭（或矿山）、矸石、运送材料、升降人员和设备等，因此，它是地面和井下联系的纽带，在矿井机械化生产中占有重要地位。矿井提升运输不仅关系到矿山的正常生产，而且关系到矿工的生命安全。从20世纪50年代生产第一台矿井提升机以来，至今已经设计制造、使用了近10000多台。随着社会需求和现代技术的高速发展，矿井提升设备正在走向机械化、电气化、现代化。然而矿井行业的提升机是关键，产品不断更新换代，老产品运行年深日久，原本落后的结构问题以及设计缺陷日益严重的暴漏出来，故障不断的增多，严重的影响了矿山的安全生产工作，抑制了矿山工业的高速发展，给国民经济带来了不良的影响。随着国内矿井的生产量日益增加，对矿井提升机的安全性、可靠性、生产效率以及整机的自动化运行水平，降低操作者及维修人员的劳动强度、处理设备事故的速度和对策等，成为迫切的要求。为此本人利用本科四年所学的书本知识已经实习现场的学习经验，应且结合相关的资料进行设计。设计内容为：虚拟工作条件，对JK-21.5型矿井提升机主轴装置的设计工作具体有以下几个方面：1. 设计完成主要零部件的工作图设计；2. 设计完成装配图设计；3. 完成主轴强度、滚筒强度等校核计算；4. 编写完成设计计算说明书。在设计过程中老师给给予我们很大的帮助，我们在老师的指导和帮助下了解认识了矿井提升机得工作原理和基本构造，在毕业实习的过程中进一步深入了解了滚筒的生产过程，为我们能够圆满完成设计任务奠定了良好的基础。1. 概述 1.1 矿井提升机的简介 矿井提升机是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而带动容器在井筒中升降，完成输送任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，安全性高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。 矿井提升设备的特点是：矿井提升设备是矿山较复杂且庞大的机电设备，他不仅承担物料的提升与下放任务，同时还上、下人员。在工作中一旦发生故障，不仅影响到矿井的生产，而且可能危机到人员的生命安全。因此，矿井提升设备的安全性是极为重要的。煤矿安全规程中对提升设备提出了极为严格的要求。矿井提升设备是周期动作式输送设备，需要频繁的启动与停机，工作条件较差，其机械电气设备必须可靠。矿井提升设备是矿山大型设备，合理选择、正确使用和维护具有重要的经济意义。 为此，必须掌握矿井提升设备的结构、工作原理、性能特点、选型设计等方面的知识，以便做到选型合理，正确使用和维护，使之安全、可靠、经济的运转。 矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。矿井提升机具有以下特点：（1）安全性所谓安全性，就是不能发生突然事故。由于矿井提升设备在矿山生产中所占的地位十分重要，其运转的安全性不仅直接影响整个矿井的生产，而且还涉及人员的生命安全。因此各国都对矿井提升设备提出了极严格的要求。在我国这些规定包括在煤矿安全规程只中。（2）可靠性 所谓可靠性，是指能够可靠地连续长期运转而不需在短期内检修。矿井提升设备所担负的任务十分艰巨，不仅每年要把数十万吨到数百万吨的煤炭和矿石从井下提升到地面，而且还要完成其他辅助工作。一个年产150万吨的矿井，停产一天就要损失大约20万元。因此矿井提升机至少要服务二十年以上而不需大修。（3）经济性矿井提升设备是矿山大型设备之一，功率大，耗电多，大型矿井提升机的功率超过1000KW。因此矿井提升设备的造价以及运转费用，也就成为影响矿井生产技术经济指标的重要因素之一。1.2 矿井提升机的用途和发展概况 矿井提升设备是矿山运输中的咽喉设备,又是矿山最大的耗电设备。西德、瑞典等国是当今世界上制造矿井提升机较先进的国家,特别是多绳摩擦式提升机更为突出。在这些国家的竖井中几乎全部采用较先进的多绳摩擦式提升机,不仅广泛采用庞大井塔的塔式多绳摩擦提升机,而且越来越多地使用较低的井架的落地式多绳提升机。它们的发展特点是体积小,重量轻,终端提升量大,提升速度高,衬垫材料摩擦系数大又耐磨,液压制动,运转安全可靠,自动化程度高,多机集中控制等。生产的产品供世界上二十多个国家使用。我国矿井提升设备在上述技术方面与发达国家相比有一定的差距，自动化和多机集中控制技术方面差距大，产品在国际市场上缺乏竞争能力。 内装式提升机在我国已有多台运行，作为高度机电一体化的，节能新产品应重点发展。同时开展斜井提摩擦提升和布雷尔提升机的研制。目前国外矿井提升机总的发展趋向是： (1)向大型化发展 矿井大型化和要求提升机大型化之目的主要在于获得更大的矿产量。1O年前，年产90120万t的矿为大型矿。目前，就世界范围而言， 年产200300万t的矿山也不算大，仅仅算中、小型矿 瑞典最大地下矿将达1000 2500万ra。大型化主要体现在大容量的提升容器。目前世界上一次提升最大重量已达63t。国外大型提升机都采用多绳摩擦式提升机。 (2)向自动化、遥控方向发展 自动化不仅仅是为了节省人力，更重要的是适应大生产、集中控制、集中管理、系统联动的需要也是保证产量和提高劳动生产率的有效手段 同时也包含减轻劳动强度、节省人力、电力和提高运行安全性。国外大型矿井提升机都广泛采用以多种保护为基础的自动化运行并能记录和处理各种生产数据、运行等资料。英国完善了包括有全功能维护设计的可控硅供电，直接连接直流电动机驱动系统和在井简中的提升机控制系统 目前国外主井几乎都是自动化运行，副井由于机动性大一般都是采用按钮控制和在罐笼内遥控。 (3)继续发展多绳提升机 一般浅井、提升重量不大时可采用常规缠绕式提升机；但当深井、提升重量大时，须采用多绳摩擦式提升机。有相当一部分提升任务既可采用缠绕式提升机也可采用多绳提升机，如果现场条件允许则多绳摩擦式提升机更为经济。目前多绳缠绕式提升机继续向更先进方向投展。有些国家生产的多绳提升机，塔式和落地式多绳提升机大致各占5O%。 (4)发展各种新型和专用提升设备除目前已出现的落地式提升机、布雷尔提升机和采用钢芯胶带牵引的摩擦式提升机外； 国外还研制了起重式提升机、各种不同包围角的多绳摩擦式提升机(用于浅井)另外，还研制了不同形式的无绳提升设备，现已知的有机械式、电磁式、水力式和风动式。 (5)采用“四新”(新技术、新结构、新材料和新工艺)采用“四新” 后，提升机主轴装置、制动系统、液压系统、操纵系统和驱动系统等各部分不断改进提高，使整个多绳摩擦式提升机结构朝着体积小、重量轻、效率高的方向发展。 国内矿井提升机的发展趋向是：(1)发展多绳摩擦轮提升机，特别是大型落地式多绳提升机 以及斜井、斜坡道用的多绳提升机；(2)不断改进井研制新型单绳及多绳缠绕式矿井提升机(3)可控硅供电及徽电子技术在提升机上应用，以及可编程序控制器，遥控技术交交变频调速等先进技术；(4)研制应用高性能摩擦衬垫高比压闸瓦等新技术、新材料；(5)不断引进、消化、吸收国外先进技术，并用于制造国产矿井提升机。淘汰落后技术，如块式闸及角移式闸气动制动器，铸造结构并限制减速器和控制继电器的使用。1.3 矿井提升机的工作原理按工作原理不同，矿井提升机可分为两类：单绳缠绕式和多绳缠绕式提升机。单绳缠绕式又可分为单卷筒提升机和双卷筒提升机。单绳缠绕式提升机的工作原地如图l2所示，简单地说，就是用一根较粗的钢丝绳在卷筒上缠上和缠下来实现容器的提升和下放运动。图1-1 单绳缠绕式提升机 图2-1 多绳缠绕式提升机1-滚筒；2-钢丝绳；3-容器； 1-主导轮；2-钢丝绳；3-平衡尾绳；4-平衡尾绳；5-天轮 4-容器；5-导向轮 提升机安装在地面提升机房里，钢丝绳一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮后悬挂提升容器。图11所承为单绳缠绕式单卷筒提升机，卷筒上固定两根钢丝绳，并应使每根钢丝绳在卷简上的缠绕方向相反。这样，当电动机经过减速器带动卷筒旋转时，两根钢丝绳便经过天轮在卷筒上缠上和缠下，从而使提升容器在井筒里上下运动。不难看出，单绳缠绕式提升机的一个根本特点和缺点是钢丝绳在卷筒上不断的缠上和缠下，这就要求卷筒必须具备一定的缠绕表面积，以便能容纳下根据井深或提升高度所确定的钢丝绳悬垂长度。单绳缠绕式提升机的规格性能、应用范围、机械结构等都是由这一特点来确定的。 单绳缠绕式单卷筒提升机只有一个卷筒，缠绳时容器上升，松绳时容器下降。单绳缠绕式双卷筒提升机在一个主轴上具有两个卷筒，一个为固定滚筒（死滚筒），一个为游动滚筒（活滚筒）。每个卷筒上固定一根钢丝绳，并应使钢丝绳在两卷筒上的缠绕方向相反，其工作原理和特点与单卷筒提升机完全相同。固定滚筒与主轴固接，游动滚筒通过离合器与主轴相连，其优点是两个滚筒可以相对转动，便于调节绳长或更换水平。多绳摩擦式提升机的工作原理与单绳缠绕式提升机不同，钢丝绳不是固定和缠绕在主导轮上，而是搭放在主导轮的摩擦衬垫上，如图l2所示，提升容器悬挂在钢丝绳的两端，在容器的底部还悬挂有平衡尾绳。提升机工作时，拉紧的钢丝绳必须以一定的正压力紧压在摩擦衬垫上。当主导轮由电动机通过减速器带动向某一个方向转动时，在钢丝绳和摩擦衬垫之间使发生很大的摩擦力，使钢丝绳在这种摩擦力的作用下，跟随主导轮一起运动，从而实现容器的提升和下放。不难看出，多绳摩擦式提升机的一个根本特点和优点是钢丝绳不在主导轮轮上缠绕，而是搭放在主导轮的摩擦衬垫上，靠摩擦力进行工作。同样，多绳摩擦式提升机的规格性能、应用范围和机械结构等，都是由这一特点来确定的。多绳摩擦式提升机特别适应于深并和大产量的提升工作。 多绳摩擦式提升机与单绳缠绕式提升机比较，在规格性能、应用范围、机械结构和经济效果等方而都优越得多，就深井和大产量来说，是坚井提升的发展方向。但是，根据我国目前浅井多、斜并多的特点，单绳缠绕式提升机仍然是目前制造和使用的重点。对于部分深井和大产量的矿井，则应该合理的选用多绳摩擦式提升机，而不宜选用大型的单绳缠绕式提升机。 2 矿井提升机的主要组成部分及用途 矿井提升机作为一个完整的机械电气机组，它的组成部分如图12所示。2.1 工作机构 工作机构主要是指主轴装置和主轴承等，它的作用是： （1）缠绕或搭放提升钢丝绳； （2）承受各种正常载荷(包括固定静载荷和工作载荷)，并将此载荷经过轴承传给基础； （3）承受在各种紧急事故情况下所造成的非常载荷，在非常载荷作用下，主轴装置的各部分不应有残余变形； （4）当更换提升水平时，能调节钢丝绳的长度(仅限于单绳缠绕式双卷筒提升机)。 因此，主轴装置应保证主轴、卷筒和其它部分有足够的强度和刚度。保安规程规定，主轴装置的卷筒或主导轮直径与钢丝绳和钢丝直径的比值应符合下列要求我：对地面提升设备 , (2-1)对于井下提升设备 ， (2-2)式中 提升机卷筒或主导轮名义直径（毫米）； 钢丝绳直径（毫米）； 钢丝直径（毫米）； 本系列主轴装置有以下A、B两种不同的结构形式，分别为卷筒上带衬木、筒壳上直接加工出绳槽两种结构。A种形式固定卷筒两支轮与主轴的是过盈配合，卷筒轴板与支轮为高强度螺栓连接；B种形式为主轴上直接锻制出两个法兰盘，用高强度螺栓与卷筒辐板连接。卷筒和制动盘为两半装配式结构，安装时现场不再焊接和加工制动盘。主轴承采用调心滚子轴承。调绳离合器均采用径向齿块离合器结构，该装置由齿块、齿圈等工作机构，液压缸、移动毂等驱动机构，操作闭锁等控制机构三部分组成。该结构可满足调绳过程中安全、精确、快速、可靠的使用要求。 制动盘合口面之间用键作轴向定位，并设有少量精制螺栓，提高定位精度，增强局部刚件，刃拆式制动盘优点主要是便于运输并可以更换，尤其适用主轴装置是提升机的工作机构，也是提升机的主要承载部件，它承担了提升机的全部转矩，同时也承受着摩擦轮上两侧钢丝绳的拉力。主轴装置主要由主轴、摩擦轮、滚动轴承、轴承座、轴承盖、轴承梁、摩擦衬垫、固定块、压块、夹板、高强度螺栓组件等零部件组成。 对于小型多绳提升机，如无特殊要求，制动盘是焊接在筒壳上的，通常称之为固定闸盘或死闸盘，根据使用盘形制功器副数的多少，可以焊有一个或两个制功盘；大型提升机多采用双制功盘形式，制动盘与摩擦轮之间采用可拆组合式联接，即制动盘做成两半，用高强度螺栓与摩擦轮联接，成对装在摩擦轮上，采用大平面摩擦副来传递转矩，制动盘与摩擦轮之间有配合止口作径向定位，两半于大型或特大型多绳提升机。 单绳缠绕式提升机主铀装置的卷筒外面没有木衬。木衬的作用是作为钢丝绳的软垫，在其上钢丝绳不会发生过度变形。木衬应用柞木，水曲柳或榆木等制作。松木不适于作木衬，因为它在横过纤维的压力作用下，经常开裂，使用寿命仅为几个星期。木衬每块的年度与滚筒宽度相等，每块的厚度应不少于钢丝绳直径的两倍，一般为100毫米左右（对于直径大于50毫米的钢丝绳，以采用150毫米为宜)，每块的宽度在150一200毫米之间，断面成扇形。固定卷筒木衬的螺钉头，应沉入木衬厚度三分之一以上；当全部木衬固定完以后，应用木塞沾胶水将螺钉孔塞死，并须用木胶将木衬夹缝填满。使用中的木衬，当因磨损使螺钉头的沉入深度尚存10豪米时，即应重新更换。卷筒木衬必须刻制绳槽，其尺寸关系如下式所示：（毫米） （2-3）式中A沟槽的深度（毫米）。两相邻沟槽的中心距t可参照下式计算： （毫米） （2-4） 单绳缠绕式提升机的主轴装置分单卷筒（以下简称单筒)和双卷筒(以下简称双筒)两种。双筒提升机有两个卷筒，即固定卷筒和游动卷筒，在游动卷筒里面没有调绳装置。 调绳装置的作用是：当更换提升水平需要调节钢丝组的长度时，利用调绳装置使游动卷筒与主轴脱开，从而可以转动固定卷筒(此时游动卷筒应用制动器闸住)调节钢丝绳长度。调绳结束时，利用调绳装置使游动卷筒与主轴合上(即连接上)，以便恢复正常的提升工作。2.2 制动系统2.2.1制动装置的功用1)在提升机正常工作的减速阶段或下放重物时，参与调整提升机的运行速度，并在提升终了时使之正常停车，即工作制动； 2）当提升机工作异常时使之迅速停车，以免事故扩大，即安全制动； 3）当提升机检修时，使之保持不动； 4）双筒提升机在进行调绳操作时，是卷筒保持不动。2.2.2 制动装置的类型 制动装置中的制动器按结构分为块闸和盘闸；传动装置按传动能源分为油压、气压及弹簧等。 JK型和BM型提升机使用油压角移式制动装置。JK型和HKM3型提升机使用压气平移制动装置。JKA型提升机使用液压综合式制动装置。XKT型、JK型、GKT型、JKD型、JKM型、JKMD型提升机使用液压盘式制动装置。矿用提升绞车使用手动角移式制动器作为工作制动，重锤-电磁铁丝杠螺母操纵的角移式制动器或重锤-电力液压推杆操纵的平移式制动器作为安全制动，担新系列JT型提升绞车则使用液压盘式制动装置。2.2.3 制动系统的要求 （1）全部制动力矩Mz不得小于提升机所允许最大静力矩的三倍，则 （2）一副制动器的制动力矩应大于调绳力矩的的1.2倍，即 （3）安全制动时，对于提升重物，减速度必须小于5米/秒；对于下方重物，减速度应大于1.5米/秒； （4）对于摩擦式提升，安全制动时的减速度不应使钢丝绳滑动。3. 矿井提升设备选型3.1 选型设计的基本原则与设计依据选型设计的基本原则矿井提升设备的的选型是否合理，直接影响到矿井的安全生产、基建投资、生产能力、生产效率和吨煤成本，所以在选型设计之前，必须进行技术方案比较，使其达到技术先进，经济合理。 设计依据:主井提升 （1）矿井年产量An，42万吨/年。 （2）工作制度：年工作日br，日工作小时t。煤矿工业设计规范规定，br=350天，t=16小时。 (3)矿井开采水平数、各水平深度Hs，185 m及各水平的服务年限。 (4)提升方式：箕斗或罐笼。 (5)卸载水平与井口的高差（卸载高度），20 m。 (6)卸载水平与井下运输水平的高差（装载高度）Hz,20 m。 (7)煤的松散度，500 Kg/m3。 (8)矿井电压等级。3.2 提升容器的选择计算 提升容器需根据提升任务的大小来确定。针对某一矿井的具体情况，加大提升容器，可降低提升速度，提升机、井筒装备都要加大，但可节约用电；反之，加大提升速度，可选用较小的提升容器和提升机，投资较少，但电耗增加。为解决上述矛盾，应通过技术经济比较，并考虑矿井将来的发展，选择合理的方案。一般认为，在不加大提升机及井筒直径的前提下，选择较大的提升容器，采用较低的提升速度，节省电耗，比较经济合理。(1)小时提升量 = =103.5 t/小时 式中 C提升不均衡系数。煤矿工业设计规范规定，有井底煤仓时为1.101.15，无井底煤仓时为1.20, 取C=1.15; 提升能力富裕系数。主井提升设备对于第一水平留有20%的富裕能力。 1）提升高度H： H=225m (2-1) 2）经济提升速度: =4.5m/s (2-2) 3) 一次提升循环估算时间: 初估加速度 a=0.5m/s，爬行时间估取10 s，休止时间估取8s。将式(2-1) ，(2-2)代入式(2-3)求得：= s (2-3) 4）计算箕斗一次提升量 t/次 (2-4) 故选用箕斗名义装载量为3t的IL-3型单绳箕斗，其主要技术规格如下：自重：=3.5t；容器全高：=7.78m；有效容积：V=3.3m3;最大终端载荷80KN；因散煤容量，故一次实际提升量Q：Q=5003.3=1650kg 3.3 提升钢丝绳的选择计算3.3.1 计算单位绳重力P = = = 1.96 上式中： - 钢丝绳的公称抗拉强度，取170 m- 箕斗拉煤安全系数，取6.53.3.2 钢丝绳最大悬垂长度 H = H + H + H = 35 + 185 + 20 = 240m H- 井架高度,35m; H- 井的深度,185m; H- 容器装载高度,20m. 根据上式求出的p值，由表可知选用6x19普通圆股钢丝绳，其有关数据是：d = 22 mm , mm ，P = 29.50 , = 170 , Q = 389 。3.3.3 验算安全系数 m = = = 6.64 6.5 根据煤矿安全规程对安全系数的规定，单绳缠绕式提升装置转为提升物料的钢丝绳安全系数的最低值为6.5。 故所选钢丝绳合格。3.4 提升机卷筒和天轮的计算3.4.1 卷筒直径的确定 卷筒直径D的确定是以保证钢丝绳在卷筒上缠绕时产生的弯曲应力较少为原则。根据理论和试验研究，钢丝绳弯曲应力与比值间的关系，当比值80时再增大比值D/d弯曲应力无显著下降；相反当D/d60时再减小比值D/d，则会引起弯曲应力的急剧增加。据此，安全规程规定，卷筒直径D与钢丝绳直径d之比：对于地面提升设备故有卷筒直径D 80 x 24 = 1920 mm式中 是卷筒直径 是钢丝绳直直径故选用标准直径D = 2 m .3.4.2 卷筒宽度的确定 卷筒宽度B根据所需容纳的钢丝绳总长度来确定。钢丝绳总长度包括：1）提升高度；2）供试验用的钢丝绳长度；3）为减少绳头在卷筒上固定处的张力而设的三圈摩擦圈。B = (d+) = (24+3) = 633.17 mm式中： H是最大提升高度； 钢丝绳试验长度，取30m； n- 缠绕层数，取n=2 ； D- 平均缠绕直径， D= D+； 钢丝绳绳圈圈之间的间隙，取3mm。 故卷筒宽度B取1.5米。 3.4.3 选择天轮直径 天轮安装在井架上，作为提升钢丝绳的支撑、导向之用。根据煤矿安全规程规定，天轮直径按以下条件确定 井下围包角大于时，1920 mm 故天轮直径取为2 m. 天轮可分为固定天轮和游动天轮。井上固定天轮按结构形式有三种类型：当直径3000时采用整体铸钢结构，直径3500时采用模压焊接结构，直径为4000时采用模压铆接结构。游动天轮轮体制成整体铸钢结构形式，采用光轴，其两端装有滚动轴承使其轮体既能在轴上滑动，又能随轴一起转动。 3.5 提升机的强度校核1）最大静拉力F 缠绕式提升机滚筒要受绳的拉力，缠绕到滚筒上的绳是在具有一定的绳张力的条件下缠绕到滚筒上的。所以提升绳对滚筒的作用力主要有两个：一方面是没有缠到简上的绳对 滚筒的作用力，对这个力来讲滚筒像一般的空心轴一样要受到达个力的弯曲和扭转；另一个是缠绕到滚筒上的绳的张力对滚筒的作用，这个作用可看作是在筒壳外有一个均匀的压力压到筒壳上，好像一个密闭的圆筒在海底其四周受到均布水压一样，只是筒壳的两端在提升机处并不受侧面的压力。故钢丝绳最大静张力为：F= + Qg + pH =16500+ 35000 + 29.5 x 225 = 58137.5N58.1 KN 61 KNQ - 一次提升量Q - 箕斗自重P - 钢丝绳单位绳重H - 提升高度g - 重力加速度2）钢丝绳最大静拉力差FF = + pH = 16500 + 29.5 x 225 = 23137.5 N23.1 KN 61 KN通过以上各项计算，可选用JK-2型缠绕式提升机。3.6 提升机与井筒相对位置的确定3.6.1 井架高度井架高度是指从井口水乎到员上面天轮轴线间的垂直距离。H = H + H + H + 0.75 R = 20+ 7.78 + 4 + 0.75 x 1= 32.53 m 4mR - 天轮半径3.6.2 钢丝绳弦长L = = = 40.45 mc - 卷简中心线与井口的高差，一般c 12m 3.6.3 卷筒的下出绳角 钢丝绳弦对水平线所构成的仰角，应按提升机技术要求的规定值检验,JK系列提升机曾限定下出绳角不得小于15度，这是考虑下出绳角过小时，钢丝绳有可能与提升机基础相接触，造成钢丝绳磨损。 = + = 15即下出绳角满足要求。3.7 提升电动机的初选157.24 - 预选电动机的功率，KW- 动力系数，箕斗提升，取= 1.2 1.4 - 减速器传动效率，一般取 = 0.85 选用Y355M-6型异步电动机。有关参数为：P = 185 KW ,n = 988 , = 0.935 , (GD) = 8.6 kgm , 4 单绳缠绕式提升机滚筒的设计与计算 矿井提升机的卷筒是缠绕钢丝绳的，并且承受钢丝绳的拉力所造成的各种载荷的主要部件。 卷筒一般由三部分组成，即筒壳、法兰盘(支轮)和支环。筒壳是卷筒最基本和最薄弱的元件，是卷筒的主要承载部分。法兰盘(支轮)是支撑筒壳和传递力的元件。支环的作用是增加卷筒的稳定性。 由于筒壳是一个处于负荷不断变化和复杂应力状态下的壳体，这就要求卷筒必须具有合适的结构，以便使筒壳能足以适应外力和内应力的变化，而不致产生变形。因此卷筒的结构设计，是一个非常重要的问题。加工、装配和安装质量对筒壳能否良好的工作也有很大的影响。例如筒壳与法兰盘的结合处沿圆周方向接触不严密，局部地方间隙过大(超过0.5毫米)；两半卷筒的对口处间隙过大，连接不牢。 卷筒的结构设计应保证卷筒的各个部分有足够的强度和刚度，并应尽量使各部分的强度和刚度均匀。根据使用资料，卷筒突然失稳或整体损坏的情况很少发生，这说明卷筒作为一个整体，它的总强度和总刚度是足够的。但卷筒筒壳的局部变形和开裂又是非常普遍的现象这说明卷筒整体的局部地方强度和刚度不够(也即是卷筒各部分的强度和刚度不均匀)，或者是卷筒在负荷工作过程中，筒壳的局部地方在工作的不同瞬间将要承担较其它地方大的负荷。4.1 滚筒的结构 根据制造工艺的不同，可把提升机的滚筒结构分为铸造一焊接混合型(支轮为铸造，滚筒为焊接)和焊接型。它们的结构分别见图41及图42。图4-1 铸焊混合型滚筒1-支轮（铸造）；2-筒壳；3-支环；4-木衬图4-2 焊接性滚筒1-支轮（焊接结构）；2-筒壳；3-支环；4-木衬 图41所示的支轮为铸钢(小型提升机也有用铸铁的)，它用螺钉与筒壳相连。筒壳可以是整体的也可以是分瓣的，互相间以螺钉连接，如图43、图44所示。图4-3搭板连接 图4-4角钢连接1-筒壳；2-支环；3、4-搭板 1-筒壳；2-支环；3-搭板；4-角钢；5-垫片 在图42中，其滚筒与支轮全部为焊接结构，在筒壳内还有圆环形的加强筋(称为支环)，在支轮与筒壳连接处和轮辐上都加有刚性较大的加强筋板。从侧面来看，这些滚筒的支轮大多呈辐条形或在整板上开有较大的孔。当支轮的变形与筒壳的变形相比可以忽略时，称它为刚性支轮，图41和图42所示均为刚性支轮。如支轮的变形与筒壳变形相比不可忽略时，称它为弹性支轮。它的特点是筒壳与支轮的应力分布较均匀。 经验表明，图4l和图42所示的结构在制造工艺上较复杂，而且往往容易出现早期失效。因此，现代大中型提升机滚筒常采用图45和图46所示的滚筒结构，它们的支轮是弹性的。 这两种结构共同的持点是取消了支环，用较厚的筒壳来承担载荷，并且支轮改为辐板式(即在支轮上开有两个人孔)或圆环式。这样做工艺上较简单，同时也可以避免由于焊接工艺不当造成加强筋附近的局部应力过高。经验表明，这种改进是成功的。4.2滚筒失效的形式及原因4.2.1 滚筒失效的形式 (1)裂纹：裂纹出现于筒壳、支轮及支环上。筒壳上的裂纹多出现干圆周方向和螺钉孔处，如图45所示。支轮的裂纹多出现于人孔周边，呈放射状；支环的裂纹多出现干焊缝处，或支环断裂。图45筒壳的裂纹形式示意图(a)沿筒壳圆周方向局部开裂；(b)沿焊缝和支环处局部开裂1一筒壳；2一支环(2)局部变形过大多。此种情况多数是筒壳中部塌陷。(3)连接螺栓被剪断或弯曲变形过大。4.2.2 滚筒失效的原因 造成上述失效的原因是复杂的，需要具体分析，一般来说可能有以下几种：(1)理论计算有误。如某矿使用的2x4x1.7仿苏型提升机，根据正确计算应有34个支环，而实际只有两个，故造成滚筒强度不足。(2)结构设计不良，造成该筒各部分刚度相差过大。如所加支轮和支环的结构不合理，形成局部刚性过高，从而导致局部应力过高，不符合弹性均匀化设计原则。(3)加工安装不当。如滚筒不圆或支环与筒壳贴合不好等。(4)使用维修不当。如过载以及加速度过大等。(5)原材料有缺陷。如内部裂纹等。 (6)焊接工艺不当。如焊条或焊接参数选用不当，焊接处清洗不净，以及焊后不进行热处理或热处理不当造成焊接残余应力过高等。 (7)原设计许用应力选取过大。如苏制或仿苏的2x4x1.7和2x4X1.8型提升机，标推中可以采用8t底卸式箕斗，钢绳直径可达47.5mm，钢绳最大静拉力可分别达到17.5t和18t，而筒壳厚度仅有16mm，其应力可达180Mpa一200Mpa，因此很容易出现裂纹。4.3筒壳许用应力的确定 筒壳和支环的材料通常是A3和16Mn。铸造支轮多用ZG35，A3的厚度在20mm一40mm时，230Mpa，400Mpa;l6Mn的厚度在20mm一40mm时，290Mpa一330Mpa，=500Mpa。 从理论上分析可知筒壳和支轮所受的应力是变化的，但实践证明多数滚筒的失效都是在没有显著变形的情况下形成裂纹。设计计算时，都是按照静强度的方法来计算，或按照与疲劳强度等效的静强度计算。 安全系数的确定是一个比较复杂的问题。它主要取决于下列几种因素：(1)原材料的稳定情况，包括材料性质，原材料尺寸变化，制造工艺的稳定性等；(2)计算的精确度，包括外载荷，以及应力等计算的精确程度；(3)零件的重要程度。 根据滚筒的具体情况，其原材料和制造工艺都比较稳定，计算精度为中等，又是属于比较重要的零件，根据经验可把安全系数定为1.51.8。目前，我国各厂家常取A3的许用应力140Mpa，16Mn的许用应力=180Mpa。它们也都在1.5-1.8之间，亦可这样计算，即取材料的脉动疲劳极限为(0.52一0.56) ，安全系数为1.5；这样计算出的许用应力与上述相近。但考虑到滚筒在成形或安装时，会有局部凹陷的现象，故有人建议在校上述许用应力计算出卷筒厚度之后再加上2mm一3mm。 滚筒的焊缝和连接螺栓的许用应力至今尚无统一认识，设计中可以参照滚筒母材的许用应力或参照结构设计规范选取，见表41。表41 焊缝和连接螺栓的许用应力 Mpa 在滚筒上的螺孔及焊缝截面的变化处均有应力集中，焊接处如不经退火也会有残余应力存在。未经处理的焊缝中心的残余应力是拉应力，其值可达到屈服极限，当它与工作应力叠加时，造成平均应力增加。这样就大大降低许用疲劳强度，使寿命降低。消除的方法可以用退火、振动与锤击，以及火焰烘烤等，另外也可以用预热法 4.4正常工作时作用于筒壳上的外载荷 作用于提升机筒壳上的外载荷有：（1)钢绳张力和自重，使筒壳像空心轴一样被弯曲；（2)钢绳张力作用于缠绕半径上，使筒壳像空心轴一样被扭转；由于卷筒的直径很大(尽管筒壳较薄)，因而惯性矩(包括极惯性矩很大，故由上两种载荷所产生的应力都不大，计算时可以略去。（3）钢丝绳缠绕在滚筒上，当钢绳有张力时，会产生一个沿圆周分布的力，压缩筒壳，使其半径有缩小的趋势。根据下面将叙述的理由，这是使筒壳产生应力的主要载荷。 为了简化，可以把螺旋缠绕的绳因看成是环形缠绕，因为螺距(与直径相比)很小。缠绕的全部绳圈，可以看作是若干环状载荷的叠加，也就是说，只要分析清楚一个绳圈的作用就可以了，其余绳圈的作用，可用同样的方法来分析。1一个绳圈对筒壳的作用 可以直观的看出，每一环状绳困都是一个沿圆周均匀分布的径向载荷(图4-6a)。对于这一点，我们可以从力的分析上来说明。图4-6 筒壳受力分析图a)筒壳的径向外载荷；b)绳圈对筒壳的压力 自筒壳上分出一单位(1厘米)弧长，夹角为(图4-6b)。如认为钢绳张力F为定值，则钢绳张力的合力(当夹角足够小时)为： 由于r1，故上式可写成：式中 r筒壳平均半径。 此力是作用在单位弧长简壳上的外载荷，方向为径向，指向圆心。如令此载荷为P，则 当筒壳受此力时，显然有沿径向缩小的趋势，即沿径向产生变形(挠度)。如径向变形(挠度)为y，它在筒壳中必然引起压缩应力式中E材料的弹性模数。 如认为此应力在径向沿筒壳厚度、在轴向沿绳圈间距均匀分布，则由此而产生的侧向压缩力(与钢绳张力F大小相等、方向相反)为： （4-1）式中 t钢绳缠绕节距(即绳圈间距)； 筒壳厚度。 仿上面的推导方法，可求出在单位弧长筒壳的单位长度(轴向)上二侧向压缩力的合力(方向为径向向外)为：用表示、k表示，则上式可写成： （4-2） 上式表明，当筒壳受外载荷P时，产生径向压缩变形y，同时伴随着产生一反力，其大小与y成正比，方向与挠度方向相反。式中k称为基础系数。 经过以上分析，对于这种在结构上和载荷上都是极对称的筒壳，在计算时不必从筒壳的一般方程出发而可以把它当作一个自筒壳上分割出的、沿弧长为单位长的、反力与挠度成正比的“梁”来计算。按这种方线计算较简单，概念也比较容易建立。即可按普通梁的公式和计算程序来计算筒壳。 不过，在作为梁处理之前，还需要附加一点变化。原因是梁在变形时，以中性层为界，受压缩的一面纤维缩短，受拉伸的一面纤维伸长，因而在梁的侧面上有向外凸出和向里凹进的现象。也就是说，如梁的纵向变形为，则横向变形为，但对自筒壳中截出的这个“梁”则不然，因为它受侧面相邻截面的约束，不允许在变形后侧面有凸出或凹进的现象，因此，侧面受有应力，使此“梁”处于平面应力状态。其应力和应变关系，应由广义虎克定律得出，即 上式与单向应力状态下的应力和应变关系相比，相当于弹性模数放产了倍，因比在计算“梁”的刚度时，不用普通梁的刚度EJ，而要相应改变为： （4-3）式中 D-板的弯曲刚度 -泊桑比，取0.3。2“梁”(筒壳)的变形和内力分析 分析梁的变形和内力的方法很多，我们采用弹性线方程的方法。根据材科力学，普通粱的弹性线方程为：式中 q作用于梁上的均布载荷。 根据前面所述，对于自筒壳中分割出的“梁”，一旦产生挠度后，便有一相应的反力ky产生，故此时作用于“梁”上的载荷不再为q，而为qky，并且应把EJ改用D，则“梁”(筒壳)的弹性线方程为或 （4-4）上式的特解为；其齐次方程的解为： （4-5）式中 为求出积分常数、，需求出相应的边界条件。 从力学意义上来看，式(65)为受有环向集中载荷P的筒壳的弹性钱方程，它与弹性基础经受有集中力P的挠度方程相同。先用比较简单的条件定出其积分常数。 比较简单的情况是无穷长梁，此时边界条件为：时，y=0，；x=0（即在P的作用点处）时，。由此求出常数：=0；=0；=代入（4-5）式，整理得： （4-6）式中根据挠度方程，便可求出弯矩及剪力方程：式中 上面几个式子，虽然是对于无穷长梁求出的，但是由于挠度、弯矩和剪力均为x的衰减函数，衰减的速度也较快。因此，作为近似，上述各式在一定条件下亦可用于有限长度的梁。 经过以上分析可以得出如下概念： 由于、经过其第一个零点的第一个零点是，的第一个零点是，的第一个零点是后余值不大，故实际上可以把无穷长梁理解为： （4-7） 也就是说，在计算筒壳时，只要其长度距集中载荷的作用点大于时，均可作为无穷长的弹性基础梁来处理。(47)式中的、分别称为挠度、弯矩和剪力的影响区。3各绳圈力的叠加 要注意到这样一个现象即所有绳圈的力不是同时加上，而是有先有后，逐圈加上的。这种缠绕方式的特点，对钢绳的张力亦有影响，下面来对此进行分析，可直接参考矿山提升运输机械（修订版）此书来计算。 参考公式，此处C为钢绳张力降低系数 （4-8） 上式是根据无穷长梁的条件导出，对于有支撑处的C值则不能用上式计算。为了避免运算上的繁琐，也可用下面的较简单的公式： （4-9）一般情况下（4-8）式与（4-9）式之差约为5%。4.5筒壳强度的计算 基于上面的分析可以看出，由于引入了影响区的概念，可以不必把“梁”(筒壳)看成一个整体，而可把它分为若干区域：1)自由筒壳：不受支撑影响的区域，故可把此区域的“梁”作为无穷长梁来处理；2)支轮区：受支轮支撑影响的区域；3)支环区：受支环支撑影响的区域。 下面分别讨论各区筒壳应力的计算：1自由区筒壳应力的计算 由于不受支撑的影响，故无弯曲应力，仅受压缩应力，其值为： （4-10）式中 q-作用在筒壳上的均布载荷，； C自由区钢绳张力降低系数，按（4-8）或（4-9）式计算。2.支轮处筒壳应力的计算 由于支轮结构的不同，故所造成的支撑条件亦不同，大致有如下三种类型：1)接近铰支的；2)接近固定的；3)接近弹性支撑的。 端点(支轮处)的弯曲应力为： （4-11）3支坏处筒壳应力的计算 支环与筒壳系刚性固定，由于支环不是绝对刚性的，所以在缠绕绳圈作用下筒壳与支环同时产生变形，显然它们的变形量(挠度)相等，即支环处简壳的挠度等于支环的挠度。 矿井提升机的运转实践证明，木衬对筒壳能起到一定的保护作用。卷筒在具有新木衬的情况下运转，其特性是稳定的。使用一段时期，当木衬已经磨损时，卷筒就开始发响，筒壳的有些地方被压进去，甚至发生裂缝和裂口。4.6多层缠绕时筒壳的计算特点 多层缠绕与单层缠绕相比，是载荷增大了。如前所述，单层缠绕时筒壳所受的均布载荷qC，则多层缠绕时筒壳所受的均布载荷为 (称为缠绕系数，随缠绕层数而变化)。此外，由于缠绕多层后，钢绳对卷筒挡板产生侧压，使筒壳产生纵向拉力。如缠绕的层数不太多(例如不超过5层)，这种现象所造成的应力远小于径向载荷所造成应力，故可略去不计。以下仅讨论由径向载荷所造成的筒壳应力。 显然，在多层缠绕时，筒壳外载荷的计算可归结为求缠绕系数。当外载荷求出后，其它的计算与单层缠绕时相同。图4-14 双层缠绕计算示意图双层缠绕时：三层缠绕时：筒壳的许用应力如下：当材料为或时，；当材料为16Mn时，许用应力比高30%。4.7 JK-21.5型提升机筒壳强度计算4.7.1 已知条件JK-21.5型提升机钢绳最大静张力F=61KN，钢绳直径d=24mm；刚生弹性模量Es=1.0Mpa；钢绳金属断面面积As=4.25；卷筒半径r=120cm；缠绕层数n=2;轮毂半径=30cm；缠绕节距t=26mm；滚筒壳厚度=23mm;圆盘厚=23mm；钢的弹性模量E=2.0Mpa筒壳及圆盘材料16Mn，；4.7.2 筒壳强度的计算及校核计算与校核过程如下：集中力的影响区长： 在影响区内钢丝绳缠绕圈数： 取i=10 的计算如下：查表4-2表4-2距第一圈的距离x（mm）2.655.307.9510.6013.2515.918.5521.20.28060.56130.84201.12261.40331.6841.96462.24530.93530.78740.60960.4360.28150.16340.07540.01553.3051自由筒壳区钢绳张力降低系数：计算两层缠绕时的缠绕系数：计算筒壳强度 1）自由筒壳区筒壳均布载荷：筒壳压缩应力：2）在支撑处：如认为此处钢绳张力降低系数 弯曲应力：压缩应力：各应力值均在极限应力值内，满足强度要求。5 单绳缠绕式提升机主轴的设计与计算5.1 主轴的结构与强度计算 主轴是提升机承载的主要部件，提升机的主要工作构件如滚筒、轴承、离合器以及联轴器等均安装在主轴上。有些小型提升机的主轴还装有减速的末级大齿轮。电动机通过主轴驱动滚筒。主轴也是传动的主要部件。提升机主轴应能承受工作过程中的外负荷而不发生残余变形和过量的弹性变形，同时要保证一定的使用寿命。 主轴往往是提升机中重量最大的一个零件，其尺寸和传递的力矩也较大。因此，在结构上除应满足强度和刚度要求外，还应重视工艺和安装方面的问题。主轴的结构设计应考虑如下几点： (1)要便于起吊、拆装和加工。零件在轴上要求定位准确，工作中不发生移动。例如，为了便于安装、找正，提升机主轴目前一般做成两支点。为了便于加工，主轴轴向尺寸不宜过长以免需要大型工装及需要大型炉进行热处理等。现代提升机上已普遍采用滚动轴承代替原来的滑动轴承，这样可减小主轴轴向尺寸：为便于安装，主轴结构应作相应考虑。 (2)滚筒在轴上的固定方法可用切向键也可用静配合，但不论用何种方法都应使连接可靠，不允许在运转中出现松动现象。对键连接应有防迟装置。双滚筒提升机每个滚筒仅在一个支轮轮毂处固定就可以了。对于活滚筒，为了避免因多次调绳操作后轴上磨出构槽，所以在其右轮毅与主轴问加设衬套。 (3)轴的结构应尽量使轴受力合理，避免或减轻应力集中，以保证铀的疲劳强度。轴径变化处过渡圆角半径不应过小。根据需要和可能对主轴进行表面强化处理(如喷九、该压等)以提高其疲劳强度。 (4)主轴是主要承载部件且受交变应力，故对其工艺要求较高。主轴锻造后必须进行探伤试验及机械性能试验，当有裂纹及其他缺陷存在时，此轴的寿命会受到影响。主轴加工后要进行热处理，热处理方法有用正火也有用调质的。 (5)主轴材料一般采用优质中碳钢，最常用的是45碳素结构钢。这种材料价廉、对应力集中敏感性小、加工性能好，通过调质热处理，可获得强度、耐磨性和冲击韧性都比较好的综合机械性能。一般不采用合金钢，因为碳钢与合金钢的弹性模量相差很小，用合金钢虽可提高主轴强度，但对提高主轴刚度意义不大。 提升机主轴的强度计算步骤和计算内容如下：（1）根据结构及工艺要求，绘制出主轴结构草图，并初定主轴的尺寸。主轴的直径可以根据它们传递的扭矩进行初算，也可以根据经验估计。（2）计算主轴的正常载荷。根据最大正常载荷，计算主轴危险断面的安全系数，对于对称循环应力，一般取疲劳安全系数n15；对于非对称循环应力，疲劳安全系数n2。（3）按正常载荷校核主轴的刚度。主轴的最大挠度应满足，式中L为规定的跨度。（4）计算主轴的非常载荷(按卡罐、断绳情况)。根据非常载荷计算主轴危险断面的应力，此应力应小于材料的屈服极限，以保证主轴在非常载荷下不产生残余变形。 提升机主轴强度计算，可按机械零件中轴的计算方法进行，只是主轴的外载荷应根据提升机具体工作持点确定。5.2 主轴的力学模型和受力分析 把主轴简化成受几个集中载荷的无重轴，只有滚筒的左轮毂、右轮毂处和联轴器处传递扭矩。 （1）安装在主轴上的各零部件及主轴的自重；主要有滚筒、调绳离合器和齿轮联轴器。它们的重量可认为集中加于各自轮毂的中心；主轴可认为是均布载荷，用加在各轮毂中心及支座亡的集中力来代替。因此，把主轴分成6段7点。 比如滚筒的重量可以认为是加在两轮毂点上的两个集中力，其中应力的大小各自等于该滚筒自重的一半。其两轮毂之间的轴重也认为是加在两轮毅处，而各自等于此段轴重的一半： 此项载荷在提升过程中，对于各点来说大、小不变且方向垂直向下，对轴产生垂直方向的弯矩。 （2）缠绕在滚筒上的钢丝绳重量。由于缠在滚筒上的钢绳圈数随提升过程而发生变化，所以此项载荷在提升过程中大小是变化的，绳圈重量认为是作用在两轮毂点上的集中力，方向向下，对主轴产生垂直方向的弯矩。 （3）钢绳的拉力在主轴上产生的集中力。钢绳的拉力是作用在滚筒半径上的，它对主轴的作用可视为一个集中力和一个力偶矩的合成。一般集中力的方向与水平面成一个角度，故在计算过程中，应把它分解成水平力和垂直力。在提升过程中，该集中力的作用点和大小是随提升过程而变化(但力偶矩的作用点不变)的，故使轴产生水平和垂直两个方向的弯矩。 主轴的正常载荷 （1）安装载荷 安装载荷包括：主轴、卷简、调绳装置、轮毂、半联轴器以及已缠绕在卷筒上的钢丝绳等的自重。卷筒(包括木讨)自重认为平均分配在各轮毂上，并集中于轮毂长度的中心；调绳装置、轮毂和半联助器的自重认为集中加于各自轮毂的中心；主轴自重所产生的均匀载荷可用加于各轮毂中心和支座上的集中力来代替，其各力的大小按相邻轴段自重之半来计算。这些载荷方向始终垂直向下，大小不变。缠绕在卷筒上的钢丝绳除非工作部分的自重不变外，其工作部分自重在整个提升过程中随缠绕在卷简上钢丝绳数量的变化而变化，故应根据实际工况分配到各轮毂上。 （2）工作载荷 工作载荷是由钢丝绳张力而产生的弯矩和钮矩。作用在卷筒上的钢绳张力分别为： 上升绳的张力：下放绳的张力： 考虑到出绳角的影响，钢绳的张力可分为垂直方向及水平方向的分力。由于出绳角一般为正值(即出绳高于水平)，故垂直分力方向向上，与安装载荷的方向相反。当校核已知出绳角的提升机主轴强度时，应按实际的出绳角进行计算，但在新设计提升机时，从较危险的工况出发，出绳角按水平计算。 钢丝绳张力在各轮毂上的分配，是根据钢丝绳在卷筒上的位置及卷筒的结构尺寸，按杠杆比例关系(即简支梁求反力的关系)将其分配各点上。当提升机工作时，在一次提升过程中钢丝绳张力作用在卷筒上的位置是变化的，对于不平衡提升系统其大小也是变化的，要想在开始计算时，就判别出哪一种工况最危险是不容易的，但又不可能对运行中的所有各点均进行计算。因此，实际上所采用的方法是找出几个典型工况，并认为最危险的工况就是共中之一。对于双筒提升机单层缠绕时通常按四种工况进行计算。 同时，由于平衡提升时，钢丝绳张力对主轴所产生的弯矩比较大、扭矩比较小，而不平衡提升时则相反。因此，对于成批生产的大型提升机，应按两种提升系统分别进行计算，亦即对于双筒提升机单县缠绕时需要计算八种工况。显然，对于多层缠绕时提升机主轴的计算将更加复杂。 根据安装载荷和工作载荷，可求出作用于主轴上的垂直分力和水平分力，从而可求出主轴各断面由正常载荷产生的垂直弯矩，水平弯矩及合成弯矩，它使主轴产生交变弯曲应力。 （3）主轴的事故载荷 钢丝绳断裂时对主轴造成事故载荷。当提升容器在井筒中的任何位置时，由于各种原因都可能发生断绳。最可能的原因是全速上升的容器突然被卡住由于钢丝绳的弹性，整个系统的其它运动部分并不立刻停止，而因惯性继续运动。因此除上升容器以外的整个系统的惯性力都作用在上升钢丝绳上，使其张力大大增加，从而引起钢丝绳很大的变形直至断裂。 担升机主轴的强度计算，按机械零件中所阐述的方法进行。首先计算出各种工况下主轴各断面在垂直面上和水平面上的弯矩，同时绘出相应的弯矩图，并求出合成弯矩；其次计算出各种工况下各段轴所承受的扭矩，并绘出相应的扭矩图。综合分析弯矩和扭矩的计算结构，确定危险截面。然后根据应力集中、载荷性质等因素，校核主轴各危险断面的安全系数。5.3 主轴及附属部件的设计计算 本设计参数卷筒直径：2000mm；卷筒宽度：1500mm；钢丝绳最大静张力（载物）：61KN；钢丝绳最大静张力差（载物）：61KN；钢丝绳最大直径：24mm；钢丝绳最小破断拉力总和：213KN；提升速度：4.5；提升高度：225m；最大扭矩T=Fr=610001=61000主轴的直径可以根据它们传递的扭矩进行初算，亦可以根据经验估计。通常取；式中 D滚筒名义缠绕直径。代入D=2000mm；计算得；取 固定滚筒处采用过盈连接，安排两个轮毂处轴径=280mm；轴承是标准件所以两个轴承处轴径均取，以便于选择轴承。由于主轴主要受径向载荷且受一定的轴向载荷，所以选用调心滚子轴承。 右端连接联轴器处轴径取d=230mm；由于是低速重载且受一定的冲击，所以用切向键连接。 除去联轴器联接部位处外，在主轴上不再另开键槽，主轴与支轮的装配采用无键过盈联接，很好的避免了主轴与支轮之间传递扭矩时有的冲击，同时也保证了主轴的强度及主轴的刚性，极大的提高了主轴的安全性和延长了使用寿命。 支轮采用ZG310-570材质。卷筒支轮与主轴采用过盈配合，保证卷筒不发生轴向窜动，保证盘形闸闸瓦间隙，提高制动安全性。 卷筒采用16MN钢板焊接而成，经高温回火处理，耐磨，抗变形。制动盘采用16MN板材制成，抗变形，耐磨。轴承采用滚动轴承，运行可靠，维护量小。 计算一些必要数据 主轴全长：L=3142mm； 左右轴承中心线之间的距离：； 轴的重量：； 根据提升机设计的经验确定出挡绳板的厚度为23mm，制动盘的厚度为30mm，支撑板厚为23mm，一个滚筒上的木衬重量为500kg； 由于轮毂外径是内径的1.6倍，可以计算出轮毂的重量G=450kg；5.4 主轴的校核 5.4.1 综合所有JK-21.5型提升机已知条件为：图4-2 主轴受力示意图卷筒直径：D=2000mm；卷筒宽度：B=1500mm；钢丝绳最大静张力（载物）：=61KN；钢丝绳最大静张力差（载物）：=61KN；主轴全重：=1518kg；卷筒左轮毂重：=450kg；卷筒右轮毂重：=450kg；卷筒筒壳重：G=1200kg；卷筒上的木衬重：=500kg；钢丝绳直径：d=24mm；一次提升总量：F=61KN；提升加速度：a=0.5；略去联轴器重及周边不平衡力。5.4.2 固定载荷分配于主轴各轮毂作用点上的力（1）主轴自重作用于轮毂上的力主轴单位长度q为： 主轴自重作为集中力分配于轮毂作用点上，计算如下： 附加于 点1 点2 （2）卷筒、轮毂等自重作用于轮毂上的力，计算如下：附加于 点1 点2 （3）合成的固定静载荷 两种工况下的值为：5.4.3 钢绳张力分配于主轴上各轮毂作用点上的力 （1）钢绳张力及其位置的计算分两种工况计算卷筒提升开始 卷筒上的钢绳张力 距右挡板的距离 卷筒提升结束 卷筒上的钢绳张力 距右挡板的距离 （2）钢绳张力在各轮毂上的分配 根据钢绳在卷筒上的位置及卷筒的结构尺寸，按杠杆比例关系(即简支粱求反力的关系)，把钢绳张力分配于1、2、各点，计算结构如下：工况I： 计算结果 工况II：计算结果 5.4.4 作用于轴上水平方向及垂直方向的合力 将钢绳张力的垂直分力（实际上各分力均为零）与合成固定静载荷相加，则得作用于轴上垂直方向的合力；而作用于轴上水平方向的合力就等于钢绳张力的水平分力，计算如下：工况I ， ； ， ；工况II ， ； ， ；-角标c1表作用点1处得垂直力，头标（1）表示工况I5.4.5 计算支点反力工况I 垂直合力对主轴所造成的支点反力对于左轴承对于右轴承水平合力对主轴所造成的支点反力：同理计算出其他工况的支点反力，结果如下：工况II ， ， 5.4.6 计算弯矩工况I：（1）垂直力对主轴所造成的垂直弯矩在1、2各点分别为：（2）水平合力对主轴所造成的支点反力（3）合成弯矩同理计算出其他工况时的弯矩，结果如下：工况II，5.4.7 计算扭矩及扭转强度 在计算扭矩时，由于支撑卷筒右轮毂到左轴承中心线出的轴都不受扭矩，即（1-2这段轴不受扭转）（1）扭矩卷筒提升开始：扭转切应力：45号钢许用扭转切应力=2545Mpa，故满足强度要求。显然，卷筒提升结束时，卸掉煤块后也满足要求。按扭转强度校核，主轴满足强度要求。5.4.8 计算危险断面的安全系数轴的材料为45号调质钢，断面：。有切向键。抗弯断面系数为最大弯应力： 最大扭应力： 最小弯应力和扭应力分别为：，应力幅： 平均应力： 抗弯安全系数： 合成安全系数： 故按扭转、弯扭合成等校核主轴强度都符合要求。6 提升机制动装置的结构设计6.1 制动装置的有关规定和要求 按照煤炭安全规程及有关技术规范的规定，提升机(绞车)的制动装置必须达到下列要求。 （1） 提升机(绞车)必须装设司机不离开位置即能操纵的常用闸(即工作闸)保险闸(即安全闸)。保险闸必须能在紧急时自动发生作用。 常用闸和保险闸共同使用一套闸瓦制动时，操纵部分必须分开。双滚筒提升机（绞车）的两套闸瓦的传动装置必须分开。 （2）常用闸和保险闸必须经常处于良好的状态，保证灵活可靠。在工作中，司机不准离开工作岗位，也不准擅自调节制动闸。 对具有两套闸瓦只有一套传动装置的旧双滚筒提升机（绞车），应加强闸瓦间隙和传动系统的检查和维护。 （3）保险闸必须采用配重式或弹簧式的制动装置，除由司机操纵外，还必须具有能自动抱闸的作用，并且在抱闸同时使提升装置自动断电。 常用闸必须采用可调节的机械制动装置。 （4）提升机（绞车）除有（常用闸和保险闸）外，应加设定车装置，以便调整滚筒的位置（钢丝绳的长度）或修理制动装置时使用。 （5）保险闸（或保险闸第一级）的空动时间（由保护回路断电时起至闸瓦刚刚接触到闸轮上的一段时间）：压缩空气驱动闸瓦式制动器不得超过0.5秒，储能压缩驱动闸瓦式制动器不得超过0.6秒，盘式制动器不得超过0.3秒。 保险闸施闸时，在杠杆和闸瓦上不得发生显著的弹性摆动。 （6）提升机（绞车）的常用闸和保险闸制动时，所产生的力矩和实际提升最大静载荷重旋转力之比（K），都不得小于3。 （7）双滚筒提升机（绞车）在调整滚筒旋转的相对位置时（此时游动滚筒与主轴脱离连接），制动装置在各滚筒闸轮上所发生的力矩，不得小于该滚筒所悬重量（钢丝绳重量与提升容器重量之比）形成的旋转力矩的1.2倍。 计算制动力矩时，闸轮和闸瓦摩擦系数根据实测确定，一般采用0.3到0.35；常用闸和保险闸的力矩应分别计算。 （8）在立井和倾角以上的倾斜井巷，提升装置的保险闸发生作用时，全部机械的减速度：下放重载（设计额定的全部重量）时，不得小于1.5米每二次方秒；提升重载时，不得超过5米每二次方秒。 倾角在以下是倾斜井巷，下放重载时的制动减速度不得小于0.75米每二次方秒，提升重载时的制动减速度不得大于自然减速度。= m式中 -重力加速度， m； -井巷倾角， （）； -绳端载荷的运动阻力系数，一般采用0.10到0.105。 摩擦轮式提升装置，常用闸或保险闸发生作用时，全部机械的减速度，不得超过钢丝绳的滑动极限（上提重物加速度阶段及下放重物减速度阶段的动防滑安全系数不得小于1.25，静防滑安全系数不得小于1.75）。 下放重载时，必须检查减速度的最底极限。在提升重载时，必须检查减速度的最高极限。 （9）制动器的工作行程不得超过全程的四分之三，必须留有四分之一作为调整时备用。司机操纵台制动手把的移动应当灵活，在抱闸位置时，应有定位器来固定手把，防止手把从抱闸位置自动向前移动。 (10) 制动轮的椭圆度在使用前（新安装或大修后）不得超过0.5至1mm；使用中如超过1.5mm时，应重新车削或换新的。6.2 提升机制动器主要类型 提升机的制动器包括工作装置(即制动闸)和传动装置,工作装置直接作用于制动轮，产生摩擦力矩；传动装置是工作装置产生或解除制动摩擦力的机构。因此，按工作装置结构区分，制动器可分为盘式制动器和块式制动器；按传动装置的动力源区分，制动器可分为液压式、气压式和弹簧式。目前，进口提升机和国产新型提升机大都采用液压盘式制动器，而旧提升机(70年代以前产品)多采用液压或气压块式制动装置，但近年也对这些制动器进行了较大规模的改造。 6.2.1 块式制动器 块式制动器一般都是闸块压在提升机滚筒的制动轮上而产生制动力矩，出于闸块与制动轮的作用方式差别，块式制动器有角移式、平移式和综合式之分。 图(a)是角移式块闸的原理图,两个闸瓦块始终绕基座上的固定铰接点转动，故名为角移式。当制动动力向上拉三角块杠杆时，杠杆的联动会产生连杆拉力，从而迫使块闸压向制动轮，产生制动力；当外动力使三角块向下压时，连杆的压力则使块闸分离开制动轮，即达到松闸的目的。 图(b)是常见平移式块闸的原理图，两个闸瓦始终由一连杆在其中心铰接，连杆的另一端则与基座铰接。两个闸瓦块的端头用杠杆系统约束起来，在三角块杠杆是上提作用下，各连杆内部的拉力使两闸块压向制动轮，从而产生制动力；当三角块杠杆下放时，各连杆内部的压力迫使闸块与制动轮分离。由于闸块是在连杆转动时压向制动轮的，故闸块是整体平移运动，故称之为平移式。 图(c)是综合式闸块的一种形式，由于闸块与角移杆铰接，又与基座连杆铰接，故有些相似于四连杆平行移动机构，但闸块压向制动轮的运动都是靠角移杠杆带动的，所以综合式块闸是介于角移式和平移式之间的一种闸块。 6.2.2 盘式制动器 盘式制动器是为了克服块式制动器的可靠性不高的缺点而发展的新型制动装置，目前国内外生产的提升机或提升绞车都使用了盘式制动器.盘式制动器具有以下：制动力矩可在较大范围内调节，而且容易调整；制动系统空行程小、动作快、响应速度快、灵敏度高；重量轻，外形尺寸小，结构紧凑；通用性好，可通过改变盘形闸的数量来满足不同绞车的制动要求；安全可靠性高，多副盘形闸同时工作，其中少数部分盘形闸失灵或故障，其余完好盘闸一般仍可刹住绞车；而且传动环节(如管路破裂失、压断电等)均可自动施闸。 盘式制动器都是依靠碟形的预压缩恢复张力使闸块压向制动盘，从而产生制动力矩；当松闸时，向活塞腔内注入压力油，压力油推动活塞后移并压缩碟形弹簧，带动闸瓦离开制动盘，从而实现松闸。 目前国内外提升机使用的盘式制动器形式多样，主要有前腔式盘形闸，后腔式盘形闸单缸双作用盘形闸，以及钳式盘形闸。 盘式制动器原理如图6-1所示： 图6-1 盘式制动器原理图6.3 盘式制动器的结构及工作原理 盘式制动器的结构如图所示。两个制动油缸3位于滚筒制动盘的两侧，均装在支座2上。支座2为整体铸钢件，一副盘式制动器通过支座及垫板1用地脚螺栓固定在基座上。制动油缸3内装有活塞5柱塞13调整螺栓6螺钉7盘式弹簧4及弹簧套筒8等。筒体9衬板11和渣瓦15一齐可沿支座的内孔往复移动。闸瓦与衬板的连接，可用铜螺钉连接或用黏结剂粘贴，但大多数是以燕尾槽的形式将闸瓦固定在衬板上。在使用中当闸瓦磨损或闸瓦与制动盘的间隙过大时，可用调整螺栓6调节筒体9的位置，使闸瓦间隙保持在11.5mm 。柱塞13与销子14的连接采用榫槽结构，在拧动螺钉7时不致使柱塞13转动，以便调整闸瓦间隙。压向制动盘的制动力，由盘式弹簧产生。解除制动力，靠线油缸内充入油液而向右推动活塞5，压缩盘式弹簧来实现。 螺钉12是放空气用的。在第一次向制动油缸3充油，或在使用中发现送闸的时间教长时，可将放气螺钉12旋松，把制动油缸中的空气排出，以免影响制动油缸的正常工作。 塞头20是排油用的。在使用中制动油缸可能有微量的渗油，因而要定期将塞头20旋开排油。在排油时，应避免渗出的油玷污闸瓦及制动盘。 盘式制动器的结构如图6-3所示：图6-3 盘式制动器的结构图 6.3 液压站 液压站是矿井提升机的重要部件，它和盘式制动器组合为一完整的制动装置。它是用来控制盘式制动器的，其具体作用如下： （1）在提升机的正常工作时，产生工作制动所需不同的油压，使盘式制动器产生所需的工作制动力矩； （2）当提升机工作异常时，能迅速回油，产生安全制动； （3）开支双筒提升机的调绳装置。 根据结构不同，液压站有两种形式：一种用于双筒提升机；另一种用于单筒提升机和多绳摩擦式提升机。下面以JKA型和JKB型双筒提升机的液压站为例说明其主要工作原理。图6-4所示的液压站，是由互相独立的工作制动和安全制动两部分组成。工作制动部分，又分为互相独立的两套，若其中一套损坏，可以方便地换到另一套进行工作，同时可以检修另一套，做到互不影响。该液压站的另特点：各种液压元件在油箱外面，维修时不必揭开箱盖就可以处理故障。 6.3.1 工作制动力矩的调节 由原理图可知，工作制动部分是由油泵、滤油器及调压部分组成，它的作用是：1）可以为盘形制动器提供足够的压力油源；2）可以调节制动系统的油压，从而获得不同的制动力矩；3）若安全阀发生故障时，盘形制动器