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s d j 8 煤矿双速绞车传动机构优化设计 摘要 矿用绞车是煤矿不可缺少的重要设备，我国绞车技术水平落后，甚至有些是 上世纪五十年代的仿苏产品，存在工作效率低下，使用寿命短，使用不方便等问 题。随着煤矿采煤机械化的发展，这些落后的设备已不能满足现场的要求，甚至 影响煤矿的安全生产和正常生产。 本文旨在进一步完善s d j 一8 煤矿双速绞车传动机构的设计，由于虚拟制造基 本不消耗资源和能量，也不生产实际产品，而是在产品的设计、开发与实现过程 在计算机上的本质实现，将虚拟制造技术引入了对双速绞车的设计和制造当中。 文中首先分析了现有s d j 一8 矿用双速绞车的结构及其工作原理，进行关键部件的 强度计算分析和校核；然后利用计算机辅助设计技术进行建立了模型；并利用虚 拟样机制造技术，运用优化设计的方法，建立传动系统的优化设计数学模型，在 保证零件强度和刚度等条件下，对绞车的主要部分即传动系统各传动参数进行最 优化设计，使变速箱齿轮体积最小；将建好的模型导入到动力学仿真软件a d a m s 之中，进行运动学和动力学仿真分析，并对仿真结果进行研究，以验证设计结果 的可靠性；对关键部分利用u g 软件进行有限元分析，分析了零部件在一定载荷作 用下产生的应力和应变，从而预知设计零部件是否满足使用要求，保证设计的可 靠性。 本文采用虚拟样机技术对s d j - 8 双速绞车传动机构的研究，完善了s d j 一8 双 速绞车的设计，改变了传统的设计方法。采用虚拟样机技术，可以不需制造物理 样机就完成该产品的设计，可以缩短设计周期，增加产品设计的可行性，节省材 料，降低生产成本。 关键词：双速绞车；虚拟样机；优化设计；动态仿真；有限元分析 n 高教硕上学位论文 a b s t r a c t t h em i n ew i n c hi s i n d i s p e n s a b l yi m p o r t a n te q u i p m e n tf o rac o a lm i n e t h e t e c h n i c a ll e v e lo fo u rc o u n t r y sw i n c hi so u to fd a t e e v e ns o m ea r em o d e l e da f t e r s o v i e tp r o d u c to fl9 5 0 s ，w h i c ha r ei n e 街c i e n t 。i n c o n v e n i e n ta n ds h o r ts e r v i c el i r e a l o n gw i t ht h em e c h a n i z e dd e v e l o p m e n to fc o a lm i n em i n i n g ，t h o s eo u t d a t e d e q u i p m e n t sh a v en o tb e e na b l et os a t i s f yt h ep r a c t i c a lr e q u e s t ，a l s oi n f l u e n c et h ec o a l m i n eo ns a f ep r o d u c ta n dn o r m a lp r o d u c t t h ep u r p o s eo ft h i sa r t i c l ei st oc o n s u m m a t et h ed e s i g no fm i n ed o u b l ev e l o c i t y w i n c ht r a n s m i s s i o ns y s t e mm o r e i nt h i s a r t i c l e ，i ti n t r o d u c ev i r t u a lp r o t o t y p e t e c h n o l o g yt o d e s i g na n dm a n u f a c t u r et h ed o u b l ew i n c h v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y u s e sn or e s o u r c ea n de n e r g y ，p r o d u c e sn op r a c t i c a lp r o d u c ta n do n l yr e a l i z e st h e d e s i g no ft h ep r o d u c ti nc o m p u t e r a f t e ra n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n dw o r kp r i n c i p l eo f s d j - 8m i n ed o u b l ev e l o c i t yw i n c h ，t h i sa r t i c l ec a l c u l a t e sa n dv e r i f i e st h ek e y p a r t i n t e n s i t y t h e ni te s t a b l i s h e st h em o d e lb yu s i n gc o m p u t e ra i d e dd e s i g n i ts e t su p o p t i m i z e dm a t h e m a t i c sm o d e lo ft h e d r i v es y s t e mu n d e rt h ev i r t u a l p r o t o t y p e t e c h n o l o g ya n dt h eo p t i m i z e dd e s i g nm e t h o da n do p t i m i z e st h ed r i v ep a r a m e t e r st o m i n i m i z et h eg e a rv o l u m ei ng e a r - b o xu n d e rt h ep r o t e c t i o no fa c c e s s o r yi n t e n s i t ya n d r i g i d i t y i tl e a d st h em o d e lt ot h ed y n a m i c ss i m u l a t i o ns o f t w a r ea d a m s ，a n a l y s e st h e k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o na n ds t u d i e ss i m u l a t i o nr e s u l t si 1 1o r d e rt ov e r i f y t h er e l i a b i l i t y i ta n a l y s e st h ek e y p a r tb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di nu g s o f t w a r e ，s t u d i e st h ea c c e s s o r ys t r e s sa n ds t r a i nu n d e rc e r t a i nl o a d ，w h i c hp r e d i c t s w h e t h e rt h ed e s i g na c c e s s o r yc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t sa n de n s u r e st h ed e s i g n r e l i a b i l i t y t h i sa r t i c l eu s e st h ev i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g yt os t u d y i n gt h es d j 8d o u b l e v e l o c i t yw i n c ht r a n s m i s s i o ns y s t e m i tm a yp e r f e c tt h ed e s i g no f d o u b l ew i n c ha n d a l t e rt h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d t h ea p l i c a t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y c o u l dc o m p l e t et h es d j 一8d o u b l ew i n c hd e s i g n i n gw i t h o u tm a k i n ga p h y s i c a l p r o t o t y p e i tw i l ln o to n l yr e d u c e st h ed e s i g nc y c l ea n di n c r e a s e sp r o d u c td e s i g n f e a s i b i l i t y , b u ta l s os a v e st h em a t e r i a la n dr e d u c e st h ep r o d u c t i o nc o s t k e yw o r d s ：d o u b l ev e l o c i t yw i n c h ；v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ；o p t i m u md e s i g n ； d y n a m i cs i m u l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：蓼乏挣华 日期：跏3 年 夕月2 - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 ， 2 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打”) 作者签名：欧j 包牛， 日期：毋年 7 月l 2 e l 导师签名：叶掷日期：驴3 年白月7 z 日 高教硕上学位论文 1 1 课题背景及目的 第1 章绪论 本课题是关于s d j 一8 型煤矿用双速多用绞车的设计，矿用绞车是煤矿不可缺 少的重要设备，是我国煤矿的主要矿山辅助运输设备。矿用绞车是用来进行煤矿 井下的物料运输、矿车调度、回柱放顶、综采设备的安装、拆卸及搬迁、各类机 电设备运输等工作，也可进行煤矿井下各种临时性的牵引工作。我国煤矿行业采 用的绞车的型号系列有j h 系列、j m 系列、j d 系列、s d j 系列，相比较之下，s d j 型双速绞车的性能是比较优越的，s d j 系列绞车打破了传统的设计原理研制而成， 具有回柱、调度、辅助运输等多种功能，克服了老式绞车的速度慢、效率低、寿 命短等缺陷。是j h 、j m 等系列型号绞车的更新换代产品，s d j - 2 8 、s d j - ：3 2 型绞 车能够替代1 6 米、2 米的液压绞车，具有牵引力大、容绳量大、体积小、操作 简单、性能稳定等特点。该系列绞车传动新颖、结构紧凑、采用螺旋锥齿轮副、 传动平稳、承载能力大、传动效率高、使用寿命长，设计两级传动，运行更加安 全可靠，综合性能良好。就s d j 系列双速绞车而言，已经进行了重大更新。 在我国，矿用绞车从无到有，从引进消化到仿制生产，再从仿制产品的改造 到独立设计新的产品经过了五十多年的历史。在我国煤矿，由于各种工况条件是 不同的，矿用绞车的技术原理、结构特点、性能指标等均存在很大的差异。因而 造成了矿用绞车的规格、品种繁多。产品的技术水平和技术性能差异很大，甚至 有一些绞车产品仍然是五十年代的仿苏产品，存在着技术水平落后，- 工作效率低 下、使用寿命短、使用不方便等问题。随着煤矿采煤机械化的发展，这些落后的 设备已不能满足现场的要求，甚至影响煤矿的安全生产和正常生产。例如在斜坡 上对矿车进行牵引时，万一突然停电或电动机发生故障，矿车将延斜坡下滑，很 可能对斜坡下方的作业人员造成伤害。所以绞车上应该安装紧急制动装置，当遇 到紧急情况时( 例如停电) 绞车能及时制动。 本论文研究的双速绞车属于煤矿井下矿山辅助运输设备。所谓“双速 ，是指 该产品具有快、慢两种速度，快速用于放绳，慢速牵引力大( 8 0 k n 、1 4 0 k n 、2 0 0 k n ) ， 快速牵引力小( 1 0 k n 、2 0 k n 、3 0 k n ) ，在煤矿现场可根据牵引力的大小选择快速或 慢速。所谓“多用 是指该产品具有多种功能，即适应煤矿井下各种特殊的工况 条件。其关键技术是采用了两个双联齿轮、一个内齿轮圈和一个滑移齿轮所形成 的齿轮传动和联结传动的传动变换系统，简称为齿一联传动变换系统。该传 动系统可实现快速和慢速很大的速度比，可容易地实现各种工况条件下所要求的 双速要求。 s d j 8 煤矿双速绞车传动机构优化设计 本课题的设计目的是：本项研究工作旨在进一步完善s d j 一8 煤矿双速绞车的 设计。了解和掌握现有某种型号( 煤矿用) 的双速绞车的结构及其工作原理，对 其关键部件进行强度计算分析和校核，然后利用计算机辅助设计技术进行建立模 型，并利用虚拟样机技术，运用优化设计的方法，建立传动系统的优化设计数学 模型，在保证零件强度和刚度等条件下，对绞车的主要部分：传动系统各传动参 数进行最优化设计，使变速箱齿轮体积最小，并运用m a t l a b 优化工具箱进行求解， 同时将建好的模型导入到动力学仿真软件a d a m s 之中，进行运动学和动力学仿真 分析，并对仿真结果进行研究，以验证设计结果的可靠性。同时对双速绞车的主 要传动元件进行有限元分析，得出重要元件的应力及应变，分析构件是否满足强 度条件，是否适合工作要求，并对求解结果进行分析，与原设计参数进行比较， 提出改进的措施。 1 2 国内外研究状况及虚拟样机技术 1 2 1 国内外双速绞车研究状况 由于历史原因，日本侵华时期大势掠夺我国矿产资源，他们当时投入很大力 气研制出了较先进的绞车等煤矿设备，所以日本的绞车技术水平至今还比我国高 一个档次。前苏联( 包括现在的俄罗斯) 因为地大物博，矿产资源丰富，并且长 期重视科学教育工作，他们的绞车技术也很先进，我国解放初期的煤矿设备主要 是通过仿造苏联的设备制造的，存在着技术水平落后、工作效率低下、使用寿命 短，使用不方便等问题。 随着我国经济和科技的进步，煤矿开采技术突飞猛进，我国的煤矿设备已经 能够做到自主研发，自主生产。我国综合机械化采煤技术正向高产量、大功率、 重型化的趋势发展，但搬运设备却没有相应地更新开发，延误了综合开采设备搬 运的工期，特别是在端头支架受压的情况下。现在大型液压支架单台重量已达3 0 多吨，而液压支架等综采设备在采煤工作面的撤移与运输仍然使用回柱绞车等老 式设备，因为牵引力小、容绳量少、钢丝绳细等不适应综采工作面的工况要求。 在实际生产中，因缺乏合适设备，只能采用两台绞车合拉或接力，生产效率低、 出力不均衡、设备损坏多，并且由于负载大、钢丝绳细、容易出现断绳，存在安 全隐患。在斜巷运输时，提升绞车、调速绞车、回柱绞车均因牵引力、绳速、容 绳量等主要技术参数不能同时满足综采设备运输要求。为缩短工期，充分发挥综 采设备的潜力，研制了双速绞车。双速绞车在结构特点上，不仅实现了小结构， 大拉力的特点，也实现了长条形对称结构特点，适合于煤矿井下狭小的作业空间， 操作灵活方便，是一种理想的矿用绞车系列产品。它克服了目前慢速、回柱等系 列绞车存在的传动效率低、寿命短、工效低等特点，克服了调度、运输等系列绞 车存在的牵引力小，宽型结构等特点。 高教硕士学位论文 在煤矿绞车研究方面，我国科学家也付出了很多心血。1 9 8 8 年，李炳文从绞 车的薄弱环节着手，走遍华东、华北、华中等几十家煤矿和矿山机械生产企业， 经过一年多的辛勤探索，1 9 9 0 年发明了”齿一联”传动的双速多用绞车并获国家专 利，被同行专家评价为：国内外首创，达世界领先水平。别小看这个发明，论使 用寿命和工作效率，双速多用绞车比原有设备提高3 倍，节能达到6 0 。而且， 新型绞车结构紧凑合理、体积小、重量轻，使用灵活方便，很受煤矿欢迎，效益 显著。 1 2 2 虚拟样机技术简介 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是指在产品设计开发过程 中，将分散的零件设计和分析技术( 指在某单一系统中零部件的c a d 和f e a 技术) 揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的 各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计以提高产品性 能的一种新技术。虚拟样机技术是将c a d 建模技术、计算机支持的协同工作( c s c w ) 技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟 现实技术集成起来，形成一个基于计算机桌面化的分布式环境以支持产品设计过 程中的并行工程方法；是当前设计制造领域的一项新技术，涉及多体系统动力学、 计算方法与软件工程等学科，它利用软件建立机械系统的三维实体模型和力学模 型，分析和评估系统的各性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据j 随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期， 提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标，谁 早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计， 在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是 破坏性的，当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证，只有通 过周而复始的设计试验设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是 冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活 反应了，样机的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工程师为了保证产品按 时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病，在竞争的市 场的背景下，基于物理样机上的设计验证过程严重地缺陷，制约了产品的质量的 提高、成本的降低和对市场的占有。面对无法预测且持续发展的市场需求，企业 为了提高竞争力，必须尽快适应市场，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计 质量，降低产品的研发成本，同时进行创新性设计，对快速多变的市场需求做出 敏捷响应，以此才能在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技术就 是在这种迫切需要的驱动下产生的。虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之 前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方 s d j 8 煤矿双速绞车传动机构优化设计 式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技 术；虚拟样机技术在设计的初级阶段概念设计阶段就可以对整个系统进行完整 的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况，使用系统仿真软件在各种 虚拟环境中真实地模拟系统的运动。虚拟样机的设计方法同传统的设计方法相比 具有以下优点：在设计早期确定关键的设计参数，更新产品开发过程，缩短开发 周期，降低成本，提高产品质量。 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及相关问题的角度出发，解决传统 的设计与制造过程弊端的高新技术，在该技术中，工程设计人员可以直接利用c a d 系统所提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连 接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿 真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和 受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算 机上方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进， 直到获得最优设计方案以后，再做出物理样机“1 。 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运 动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无 法进行的试验，直到获得系统的优化设计方案，虚拟样机技术的应用贯穿在整个 设计过程当中，它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的技术与 经验结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创造力充分发挥，当虚拟样机用 来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率得到 了提高。利用虚拟样机技术进行运动和动力学仿真的一般工作流程如图示： j 运动学仿j 1 真分析 r 1 黼 _ 图1 1 虚拟样机工作流程图 1 3 本论文的构成与研究内容 本篇论文主要由双速绞车的介绍、总体结构设计改进与建模、绞车变速箱结 构的优化计算、虚拟样机动态仿真、有限元分析等五部分构成。本篇论文是在虚 拟样机技术原理的基础上，针对煤矿双速绞车进行三维数字化设计、传动部分参 数优化计算、动力学仿真分析、关键部件的有限元分析等工作。 总体结构设计与建模是优化设计的前提，本文主要论述了双速绞车的结构可 高教硕士学位论文 行性和工作原理，各个部件的设计以及在总体结构中的作用，利用u gn x5 0 软 件建模，为后面利用虚拟样机对模型进行运动动力学分析仿真分析提供了参数和 模型，在设计改进过程中把结构设计的数据，利用优化算法对计算结果进行优化， 从成本最低或重量最轻等角度来分析计算结果，并利用a d m a s 动态仿真软件进行 动态虚拟，看看在各个结构上是否有影响正常运转的隐患存在，例如自由度不足 或过多，约束不合理，受力不均匀等等。同时为了满足现实生产的需求，对重要 零件进行有限元分析，分析其应交和应力是否满足强度要求，为进一步优化设计 的结构和参数提供理论依据，最后将结果进行比较，完善双速绞车产品的最优化 设计。 课题研究设计方案流程图： 一参if 】l卜 前期 零件 u g j矗士他古 j 替木序挂旦牟开| 裕- 0 -工作尺寸 建模 砌忿内具 7 i “”“” 收集结构 装配 资料 设计 叫郁艮元析卜_ 图1 2 课题研究设计方案流程图 1 4 本章小结 本章首先介绍了论文的背景、意义，阐述了煤矿双速绞车的发展及现状，确 立了本论文的研究方向，采用虚拟样机技术对s d j 一8 型双速绞车进行传动机构 的优化设计。最后介绍了本论文的研究方法和研究内容。 s d j - 8 煤矿双速绞车传动机构优化设计 第2 章双速绞车传动数字化设计 2 1s d j 一8 型双速绞车的介绍 2 1 1 绞车传动系统的示意图 轴 图2 1 绞车传动系统示意图 上图为绞车的传动系统示意图，绞车分为二种速度，一种为高速档，一种为 低速档，其传动系统传动过程如图2 。2 所示： 电ll 联li 圆锥 动h 轴h 齿轮 机jl 若ji 传动 言i 嗣滑移齿轮l ：眵n 双联齿轮2 孽h 攀h 罄 齿轮h 齿轮h 鬻 4 jj5jj 图2 2 绞车传动系统说明图 高速档：动力从电机轴输入，带动小圆锥齿轮转动，进而大圆锥齿轮转动， 大圆锥齿轮与二轴用键连接，滑移齿轮1 与二轴也用键连接，所以大圆锥齿轮与 滑移齿轮l 同向同速转动。滑移齿轮1 向下滑移与双联齿轮2 通过内齿轮圈啮合， 带动双联齿轮2 转动，双联齿轮2 的小齿轮与三轴上的大直齿轮4 啮合，大直齿 轮4 再通过键与三轴连接，进而三轴转动，此时由于双联齿轮3 与三轴是通过轴 承连接( 轴承置于双联齿轮3 内部) ，所以双联齿轮3 空转。三轴上的 高教硕士学位论文 小直齿轮5 与三轴通过键连接，小直齿轮5 转动，进而过桥齿轮8 转动。因为过 桥齿轮与过桥轮轴通过轴承连接( 轴承置于过桥齿轮内部) ，过桥轮轴不转，最 后过桥齿轮带动滚筒转动，实现绕绳拖动矿车动作( 此处未画滚筒) 。 低速档：动力从电机轴输入，带动小圆锥齿轮转动，进而大圆锥齿轮转动，大 圆锥齿轮与二轴用键连接，滑移齿轮1 与二轴也用键连接，所以大圆锥齿轮与滑 移齿轮1 同向同速转动。由于双联齿轮2 与二轴是通过轴承连接，所以二轴并不 带动双联齿轮2 转动。滑移齿轮1 与双联齿轮3 的大齿轮啮合，双联齿轮3 转动， 双联齿轮3 与三轴通过轴承连接，所以它并不带动三轴转动。双联齿轮3 的小齿 轮与双联齿轮2 的大齿轮啮合，双联齿轮2 转动。双联齿轮2 的小齿轮带动三轴 上大直齿轮4 转动，大直齿轮4 与三轴用键连接，三轴转动，三轴上的小直齿轮 5 与三轴用键连接，小直齿轮5 转动，进而过桥齿轮转动。因为过桥齿轮与过桥 轮轴通过轴承连接( 轴承置于过桥齿轮内部) ，过桥轮轴不转，最后过桥齿轮带动 滚筒转动，实现绕绳拖动矿车动作( 此处未画滚筒) 。这样很显然就实现了绞车的 双速传动。 2 1 2 双速绞车的特点 s d j 一8 型双速多用绞车系列产品属于煤矿井下辅助运输设备，是现有各类回 柱绞车、调度绞车、搬运绞车等煤矿井下使用的矿用小绞车的更新换代产品，适 用于采煤工作面的回柱放顶、平巷运输及井下工作面设备的安装、拆卸及搬运。 主要特点： 1 具有快、慢两种速度，慢速平均为8 - - 9 m m i n 左右，与目前煤矿井下使用 的回柱绞车等慢速绞车的速度相似；快速平均为5 5 6 5 m m i n 左右，与目前煤矿 井下使用的调度绞车等快速绞车的速度相似；通过离合内齿方式实现速比差异较 大的两档快慢速度，使用灵活方便。 2 该系列绞车的慢速牵引力分别为8 0 k n 、1 4 0 k n 、2 0 0 k n 、2 6 0 k n 、3 2 0 k n 分别 与相应规格的回柱绞车等慢速绞车的牵引力相同；快速牵引力分别为1 3 k n 、2 1 k n 、 2 9 1 k n 、3 9 6 k n 、4 9 3 k n ，分别与相应规格的调度绞车等快速绞车的牵引力相同。 3 一机多用，可代替现有同规格的回柱绞车、调度绞车、慢速绞车、运输绞 车，实现一机多用途。 4 传动系统采用圆锥一圆柱齿传动，传动效率高，整机传动效率在7 5 以上， 能耗低，油箱内油的温升低，绞车设计寿命长( 5 0 0 0 h ) ，是现有回柱绞车寿命的3 8 倍。 5 结构紧凑、外形尺寸小、呈长条形对称结构、底座呈船形结构，可整体下 井，在井下可自移，且平稳、不摆动、不翻倒，很适应在煤矿井下采掘工作面、 顺槽等狭小条件下工作。 6 系列产品的设计参数适合煤矿井下使用条件。 s d j 8 煤矿双速绞下传动机构优化设计 2 1 3 使用范围及结构特征 2 1 3 1 使用范围 本绞车可用于煤矿井下采煤工作面综采设备及各类机电设备的搬迁等辅助运 输工作，也可用于煤矿井下采掘工作面、井底车场、上山下山、煤矿地面等处的 矿车调度、物料运输等工作，还可以用于回采工作面的回柱放顶。该绞车具有快 速和慢速两档速度，可以根据现场的需要变换速度和牵引力进行不同条件下的工 作。 2 1 3 2 结构特征 绞车外形见图2 3 ，绞车主要由以下部分组成：( 1 ) 电动机( 2 ) 联轴器( 3 ) 制动闸( 4 ) 变速手把( 5 ) 减速箱( 6 ) 卷筒装置。( 7 ) 底座。 图2 3 绞车外形图 绞车由电动机经过带式制动轮的联轴器、减速箱，再经过一级开式齿轮传动 传递到滚筒，绞车内部各个转动部位均是采用滚动轴承支撑。底座由型钢焊接而 成。减速箱是绞车的传动心脏，共有两种速度。 本绞车对称布置，呈长条形，便于绞车的搬移和固定。绞车宽度、高度尺寸 较小，适合井下空间狭小的条件下工作。绞车结构简单、紧凑；上下箱体为剖分 式，装配、维修均很方便；采用常规机械传动，安全可靠。 2 2 双速绞车的结构设计 2 2 1 电动机及各动力参数的选取 绞车的电动机的功率选择为标准电动机，即选用y b l 6 0 m 一6 型电动机，功率 为7 5 k w ，转速为9 7 0 r m i n 。 各轴的运动动力参数的选择如下表： 高教硕士学位论文 高速级： 表2 1 高速级传动 2 2 2 轴的设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于 以下的因素：轴在机器中的安装位置及其形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、 数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及其分布情况；轴的加工工 艺等。 2 2 2 1 拟定轴上零件的装配方案 拟定轴上零件的装配方案是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关 系。在这里我们以二轴为例说明装配方案的选取，如图2 4 中的装配方案是： 先在轴上安装键，安装完毕后安装套筒，而后安装圆锥齿轮，接下来安装双 联齿轮内的轴承，安装双联齿轮，然后安装内齿轮和螺钉螺母，接下来是拨叉和 滑移齿轮，在轴两端安装轴套和轴承以及端盖。这里分析的是这根轴上的最好的 装配方案。 零件的轴向定位主要是采用轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和轴套定位相 结合的方式来实现轴向定位。周向定位的目的是限制轴上的零件与轴发生相对转 动，本轴主要采用键和过盈配合来实现周向定位。 s d j 8 煤矿双速绞车传动机构优化设计 轮 图2 4 二轴装配方粟 2 2 2 2 各轴段直径和长度的确定 按照所求的轴的扭矩初步估算轴所需要的直径，将初步估算的直径作为承受 扭矩最小轴段的最小直径，然后根据轴上零件的装配方案和定位要求，从丸缸 处起逐二确定各个轴段的直径( 一般比氏i n 大5 8 m m ) 。 由公式 d 凡詈= 1 2 6x 叁筹，考虑到其上开有键槽可适当增大轴径，故本例中取和圆 锥齿轮相配合的轴段的直径作为，圆整后即“i 。= 7 5 m m 作为最小轴径；其余的 则依次为8 0 m m 、8 5 m m 、7 0 m m ，由于本轴上有两级功率传动，故而其上剩余轴段 直径依次为7 0 m m 、6 5 m m 。选取轴的材料为4 5 钢，并且调质处理。 1 轴的强度校核： 第轴受力的物理模型如图2 5 ： 图2 5i i 轴受力的物理模型 高教硕士学位论文 结合设计图中a 、b 、c 、d 、e 、f 处的截面轴径大小，可以计算出危险截面位 于截面c 附近( 位于截面c 右端) ，这样将截面c 当作危险截面计算，其误差非常 小，可以忽略。现校核截面c 。 轴的弯扭合成强度条件为： 仃：i 蓍两；3 互垦三亚w c 仃一。，c 2 - ， 其中形= 誓一1 b t ( d 厂- 0 2 ； 所以仃= 、( 4 2 8 1x 1 0 4 ) 1 2 蘅+ ( 两0 5 i 8 x7 3 8 1 x 一1 0 * ) 2 = 1 7 2 6 0 m p 。；由于前已经选定 轴的材料是4 5 钢，调质处理，查表可得p 一，】- 6 0 m p , , ；符合弯扭强度。 2 轴的刚度校核 ( 1 ) 轴的弯曲刚度校核计算： 进行轴的弯曲刚度和扭转刚度的校核，轴的弯曲刚度条件为： 挠度y 【y 】 偏转角9 s 印】 由于此轴为安装齿轮的轴，所以其允许的挠度为【y 】_ ( o 0 1 0 0 3 ) ， 坍。= ( 0 0 1 o 0 3 ) x3 = 0 0 3 0 0 9 ；由于轴端安装有圆锥滚子轴承，可以知道其允 许的偏转角度咿】= 0 0 0 1 6 ：由材料力学计算挠度和偏转角的公式进行计算可知， 此设计符合弯曲刚度要求。 ( 2 ) 轴的扭转刚度校核计算： 轴的扭转刚度校核条件为： 9 = 5 7 3 x 1 0 4 去竽； ( 2 2 )j l g 鲁i i 、7 妒：5 7 3 1 0 上( 三塑塑+ 堕坚婴塑+ 鱼些掣z + 掣兰盟) 4 0 x 8 。l x l 0 4 、r r 7 5 2r r 8 0 2；, r 8 5 2；, r 7 0 2 7 3 23 23 23 2 即妒= 0 7 3 2 4 ( 。) m ；轴的扭转刚度条件为：9 】；对于一般传动轴，可取 咖】= 0 5 一l ( 。) l m ，可以知道轴的扭转刚度是合适的。由以上分析可知，设计的轴 径d m i 。以及各段轴径是符合实际需要的。 依据以上的设计步骤和原理以及校核方案可以设计其余三根传动轴的轴径。 2 2 3 齿轮的设计 目前齿轮传动设计基本的准则为：保证齿根弯曲疲劳强度和保证齿面接触疲 劳强度两个准则来进行计算。如图2 6 为建模后的三维图，齿轮在上面标注以便 于讲述设计过程 1 小唰锥齿轮2 人嘲锥齿轮3 取璇齿轮4 滑移齿轮 5 取联曲轮6 大直撕轮7 小直撕轮8 过桥齿轮9 内曲轮 1 0 齿轮轴1 1 。轴 12j 轴13 过桥轮轴 目26齿轮传动 2231 第1 对齿轮设计( 小圆锥齿轮( 1 ) 和大圆锥齿轮( 2 ) ) 条件： 输八功牢只= 74 2 b , v ，转速： ，= 9 7 0 r r a i n 传动比3 , 6 ，使用寿命：l 。= 5 0 0 0 0 h l 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 ( 1 ) 按照传动方案，选用血齿圆锥齿轮化动 ( 2 ) 此变速器为一般丁作机器，速度小变，故选用7 级精度 ( 3 ) 材料选择 山r 小圆锥齿轮与齿轮轴是个整体，故小圆锥齿轮村料与齿轮轴材料一样， 为4 5 号钢( 调质后进行表自阜火处理) ，硬度为3 7 0 h b s ，太甫轮材料为4 0 c r ( 训 质) ，硬度为2 8 0 h b s 。 ( 4 ) 小圆锥齿轮齿数取2 = 2 4 大圆锥齿轮齿数取2 2 = 啦。= 3 6 x2 4 = 8 6 ，取 ：，= 8 6 ； 2 按齿面接触强度设计 设计算公式如f ： 啦z 蛇j c 南，2 而纂而 ( 1 ) 确定蛩式内的并 f _ 算数值 ”盘墩轴承系数k ，m = 12 5 则齿向载荷分却系数 k 口= l5 k 圳n r = 1 5 12 5 = i8 7 5 ，敞口取4 荷系数k = 25 ( 23 ) 高教硕上学位论文 2 ) 计算小圆锥齿轮传递的转矩 z = 9 5 5 x 1 0 51 = 9 5 5 1 0 5x 竺n m m ：7 3 8 1 d1 0 4 聊聊 一，一， n t 9 7 0 3 ) 通常取以= 0 2 5 o 3 5 ，这里取齿宽系数九= o 3 4 ) 查取材料的弹性影响系数z ，= 1 8 9 8 5 ) 计算接触疲劳许用应力 按齿面硬度查取： 小圆锥齿轮的接触疲劳极限仃片曲。= 1 0 0 0 m p , , 大圆锥齿轮的接触疲劳极限仃岫2 = 9 0 0 m p o 计算应力循环次数 l = 6 0 n i 以= 6 0 9 7 0 x5 0 0 0 0 = 2 9 1 1 0 9 ：盟：婴兰! q ：8 5 6 5 1 0 s 。 u 3 6 按照应力循环次数查取接触疲劳寿命系数 k h n 、= o 8 9 ，k 阱1 = o 9 5 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1 ，安全系数s = i ，由公式p 】：墨巫畦得： 【吲l ：毕= 0 8 9 x 1 0 0 0 坦：8 9 0 m p , , p 胃】2 ：粤- o 9 5 9 0 0 m p 。：8 5 5 m p o ( 2 ) 计算， 将p 】中较小的值代入设计计算公式( 2 3 ) 得： d l 2 = 6 8 8 3 2 m m 模数m ：堕：皇坠些小m ：2 8 6 8 m 聊 毛 2 4 3 按齿根弯曲强度设计 设计计算公式如下： = 2 9 2 ，1 8 9 8 、2 2 5 7 3 8 1 1 0 4 、8 5 5 7 0 3 ( 1 0 5 0 3 ) 2 3 6 刀哩3 1 y 月、，4 y k 尺，t ；1 i 丽yy 趴、，y 尺谬1 2 “2 + l ( 1 ) 确定公式内的各计算数值 1 ) 查取小圆锥齿轮的接触疲劳极限。尼1 = 6 0 0 m p o 1 3 ( 2 4 ) s d j - 8 煤矿双速绞车传动机构优化设计 查取大圆锥齿轮的接触疲劳极限仃尼：= 5 0 0 m p , , 2 ) 按照应力循环次数查取弯曲疲劳寿命系数 k 融l = 0 8 6 ，k 融2 = 0 9 0 3 ) 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数s = 1 4 ，由公式p 】- 墨矗得： = 竽= 等产把= 3 6 8 5 7 m p o = 竽= 塑学坦= 3 2 1 4 3 m p a 4 ) 查取齿形系数、应力校正系数 l - 2 6 5 ，2 = 2 2 2 ， = 1 5 8 ，比2 = 1 7 7 5 ) 计算大、小圆锥齿轮的挚粤并加以比较 婴：2 6 5 x 1 5 8 ：o 0 1 1 3 6 二= = 一= - - - - p f 】1 3 6 8 5 7 。 大圆锥齿轮的数值大 ( 2 ) 设计计算 ，挖 l y f _ a 2 y - s a 2 = 2 6 5 1 5 8 ：0 0 1 2 2 2 【1 9 f 】2 3 6 8 5 7 。 丽砑4 面o r , 0 ) z 12 而1 ，( 酱o f )r ( 1 一5 妒尺 掰2 +f】。 4 2 5 7 3 8 i 1 0 4 0 0 1 2 2 2 = 2 6 5 7 m m d l = 7 2 l = 2 6 5 7 x2 4 m m = 6 3 7 6 8 m m 因而模数取m = 3 ，分度圆直径取d 。= 7 2 m m ，既满足了齿面接触疲劳强度，又 满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。 4 几何尺寸计算 ( 1 ) 计算分度圆直径 d l = 肱l = 2 4 x3 m m = 7 2 r a m ，取保守值7 6 m m ；d ，= 耽，= 8 6 3 r a m ：2 5 8 m m ， 取保守值2 6 0 m m 。 ( 2 ) 计算中心距 口= 掣= t ( 7 6 + 2 6 0 ) m m = 1 6 8 朋所 ( 3 ) 计算锥距 “= d 2 d l = 2 6 0 7 6 = 3 4 2 ，也就是实际的传动比。 1 4 高教硕士学位论文 齿轮材料模数齿数齿宽 2 2 4 其它零件的设计 1 键的选取 本绞车共有4 个普通圆头平键和一个导向平键。 齿轮轴的平键的选取，查表可得此键的规格为：1 2 m mx 8 m m ，其长度l 为 7 0 m m 。键的材料为钢，由于普通平键是静联接，其主要失效的形式是工作面被 压溃。 二轴的普通平键和导向平键的选取，对于导向平键联接( 动联接) ，其失效的 形式是工作面的过度磨损。因此需要进行强度校核。同理，二轴上面的普通平键 的系数为：1 4 r a m 9 r a m ，长度l 为4 0 m m ；键的材料为钢，导向平键的系数为： 2 0 m m 1 4 m m ，长度l 为l0 0 m m ，键的材料为钢，联接的强度条件为： p = 1 2 t x 矿1 0 3 例 即p ：型塑塑垒堡：9 8 7 6 0 m p a 1 2 0 m p a i m l - a1m f ab i j 口= 2 。0 5 1 2 x 8 0 x 7 0 ( 2 5 ) s d j - 8 谋r 日速# t * 自m 自优m * h 理，三轴j j 的半键的选取系数为普通平键1 的系数为：2 8 r a m 1 6 m m ，k 度l 为7 0 r a m ；普通平键2 的系数为：2 5 r a mx 1 4 m m ，长度i 为8 0 m r n ；键的材料 为钢。 2 轴承的选取 以齿轮轴两端轴承的选取来说明。由j 一直齿阋锥齿轮i 一作时会产生轴向力， 故齿轮轴两端应该选用圆锥滚了轴承，根据该处轴径大小，选择型号为 3 0 2 1 1 ( g b 2 9 7 一i 9 8 4 ) 酐j 轴承，其中：d = 5 5 r a m ，d o o m m 。 同理一轴两端的轴承选取为：轴径d - 7 0 ，外径d - 1 4 0 ，选择圆锥滚于轴承 符合g b 2 7 31 - - 8 7 标准；轴径d - 6 5 ，外径d - 1 4 0 ，选择圆惟滚子轴承，符合g b 2 7 3l 8 7 ，型号为中( 3 ) 系列一一窄0 。二轴上齿轮与轴间配合的轴承选取d - 8 5 ， d - 1 5 0 ，型号为轻宽( 5 ) 系列；d - 8 0 ，d - 1 4 0 ，型号为轻宽( 5 ) 系列；杓。合g b 2 7 31 8 7 标准。二二轴和齿轮轴的轴承的选取方法是相同的。 23 双速多用绞车的几何建模 1 几何建模简述 根据所设计的各个零件的参数，进行图纸的分析和建模，模型的建立为后面 的虚拟仿真提供依据。本次建模利用u g 建模软什的n x 50 版本。 削27 齿轮轴槿型 目28 呵锥曲轮模型凹幽29 曲轮轴装配 图21 0 内齿轮模型闰 幽2l l 取联齿轮模型 图212 滑移齿轮模型 酗21 3 腹板式直齿轮模型 人弋矽 幽2ld 螺栓模型 圉2l5 螺钉模型 qq 圈21 6 螺母 圈217 锁紧螺母 脚2 】8 平垫圈斟2 i9 ，f 口垫幽 、。 露。岁 ， 圈