（机械工程专业论文）带式输送机动态张紧装置的设计与研制.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导教师： 带式输送机动态张紧装置的设计与研制 机械工程 李宜海 李淑娟副教授 摘要 签 签 带式输送机是高强力、大运量、大功率的现代化的大型运输设备，在国民经济中发挥 着重要的作用。 本文通过对带式输送机张紧装置的分析，指出当前张紧装置存在的缺陷，对张紧装置 的原理及结构进行了改进设计。设计的张紧装置主要由张紧绞车系统、液压系统、电气控 制系统等部分组成。 由于电流和负载之间存在线性比例关系，根据驱动电流来识别输送带上荷载量，利用 电流与力双反馈动态系统，通过检测电流量的变化而控制比例溢流阀的溢流，从而控制系 统的压力，使输送带产生相应的张紧力，使胶带的张紧力随捕捉驱动电机电流的变化而变 化，时刻使胶带的张紧处在一个动态控制的过程，保证输送机正常运行的必要张力，防止 打滑。 设计了绞车部分部件的结构，进行了相应的强度校核，能满足稳定性要求 在上述设计的基础上，完成了整套控制系统的数学建模，运用m a t l a b 仿真软件对 系统的稳定性及可靠性进行了仿真，结果表明系统的运行是可靠的。 关键词：带式输送机动态控制稳定性仿真 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：d e s i g na n dr e s e a r c ho nb e l _ tc o n v e y o rd y n a m i c s t r e t c h i n gd e v i c e m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：y i h a il i s u p e r v i s o r ：p 代，f s h u j u a nl i a b s t r a c t s i g n a t u r e ：近坐笪 s i g n a t u 陀：! b ! 竺3 t h eb e l tc o n v e y e ri st h eh i g hf o r c e , t h eg r e a tt r a n s p o r t a t i o na m o l l n 4t h eh i g he f f i c i e n c y m o d e r n i z a t i o nl a r g e - s c a l et r a n s p o r tv e h i c l e s oi ti sp l a y i n gav i t a lr o l ei nt h en a t i o n a le c o n o m y a f t e ra n a l y z i n gt a k e - u pa s s e m b l yf o rb e l tc o n v e y o r , t h ec u r r e n tf l a wt h a tt h ed e v i c eh a s e x i s t e di sp o i n t e do u ti nt h i sp a p e r t h e nt h et a k e u pa s s e m b l yi si m p r o v e dd e s i g n e d t h e i m p r o v e dt a k e - u pa s s e m b l yc o n s i s t so ft a k e - u pw i n c hs y s t e m ，h y d r a u l i cw y s t e m ，e l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e m ，e t c t h el o a dc a nb eo b t a i n e db ye l e c t r i cc u r r e n tf o ri t sl i n e a rr e l a t i o n t h es y s t e m sp r e s s u r e w h i c hc o n t r o l st h ec o n v e y e rb e h st e n s i o nc a nb ec o n t r o l l e db yt h ef l o w o fp r o p o r t i o n a l o v e r f l o wv a l v e t h ef l o wc a nb ei d e n t i f i e db ye l e c t r i cc u r r e n tv i ac u r r e n ta n df o r c ef e e d b a c k d y n a m i cs y s t e m o nt h ec o n d i t i o n ，t h ec o n v e y e rb e l t st e n s i o nc h a n g e da l o n gw i t ht h ec u r r e n t o fd r i v em o t o r t h eb e l tc o n v e y e ro p e r a t e sn o r m a l l y , p r e v e n t i n gs k i df o rt h et e n s i o no f c o n v e y e ru n d e rad y n a m i cc o n t r o l l i n gc o n d i t i o n s o m ek e yc o m p o n e n t s s t r u c t i l r ei sd e s i g n e d i tc a nf u l l ym e e tt h ea r e n g t hr e q u i r e m e n t t h r o u g hs t r e n g t hc h e c k am a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l tf o rt h ec o n t r o ls y s t e mo nt h eb a s i so fd e s i g n t h es t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e ma r es i m u l a t e dv i am a t l a b t h er e s u l ts h o w st h a tt h e c o n t r o ls y s t e mc a no p e r a t er e g u l a r l y k e y w o r d s ：b e l tc o n v e y o r ；d y n a m i cc o n t r o l ；s t a b i l i t y ；s i m u l a t i o n 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：杰蚴约口夕年夕月e l 学位论文使用授权声明 本人盔亟i 趟在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：擞 导师签名：懿豆 。7 年 7 月日 1 绪论 1 绪论 1 1 概述 带式输送机经过近两个世纪的发展，己从最初的小型运输工具发展成为具有高强力、 大运量、大功率的现代化的大型运输设备，在国民经济中发挥着重要的作用。今天，带式 输送机已成为我国煤矿井下连续运输系统的主要运输设备之一，它不仅具有大落差、连续 性、高效益、长距离、大运量的特点，而且运行可靠，易于实现自动化和集中控制，广泛 应用于煤炭、冶金、矿山、化工、港口、电站、轻工、建材、粮食等许多工业领域。其生 产率高，输送量大，能源消耗也比较少；能实现连续长距离大倾斜输送；工作平稳可靠、 噪音小；结构简单，设备运行费用低；可在胶带的任意位置加料或卸料。 自2 0 世纪6 0 年代末开始，随着科学技术的迅速发展，可用于制造、设计、安装的各 种新技术、新方法出的出现，胶带接头技术的不断完善，带式输送机进入了一个新的发展 时期。这段时期的一个明显特点是，带式输送机技术发展迅速，具体表现在： ( 1 ) 带式输送机功能多元化、应用范围扩大化，如大倾角带式输送机、管状带式输 送机、空间转弯带式输送机等各种机型；( 2 ) 带式输送机本身的技术向长运距、大运量、 高带速的大型带式输送机方向发展，运行控制更加智能化、稳定化、界面化；( 3 ) 带式输 送机本身关键零部件向高性能、高可靠性方向发展。 然而在煤矿运输中，张紧装置是带式输送机不可缺少的重要组成部分，它的性能好坏 直接影响带式输送机整体的性能，随着带式输送机的用途不断扩大和科学技术的不断发 展，合理设计张紧装置就显得尤为重要。 由于在启动、稳定运行、制动过程中输送带会发生蠕交，使输送带变长而松弛。带式 输送机的张紧装置使输送带不会发生打滑现象。由此可见，张紧装置是保证带式输送机正 常运行必不可少的重要部件，它的功能主要有以下几点： ( 1 ) 保证带式输送机驱动滚筒分离点的足够张力，从而保证驱动装置依靠摩擦传动 所必须传递的摩擦牵引力，以带动输送机的正常运转。 ( 2 ) 保证承载分支最小张力点的必须张力，限制输送带在托辊之间的垂度，保证带 式输送机的正常运行不致因输送带松弛而导致打滑、跑偏等现象。 ( 3 ) 补偿塑性变形与过渡工况时输送带伸长量的变化。由于负载变化会引起输送带 发生长度变化，蠕变现象也会造成输送带伸长，张紧力是变化的，必须经常调节张紧滚筒 的位置，才能保证带式输送机的正常运行。 ( 4 ) 为输送带重新接头做必要的行程准备。每部带式输送机都有若干个接头，可能 在某一时间接头会出现问题，必须截头重做，张紧装置为带式输送机准备了负荷以外的运 输带，这样接头故障就可以通过放松张紧装置重新接头来解决问题。 1 2 张紧装置发展状况 张紧装置的性能好坏直接影响带式输送机整机的性能，因此，国内外学者对张紧装置 西安理工大学工程硕士学位论文 进行了大量的研究，研制了许多新产品，张紧装置的发展大致经历了三个阶段“1 。 第一阶段，固定张紧装置。这个阶段的典型产品代表是绞车张紧装置。这类产品能张 紧输送带，使带式输送机运转，从本质上说，其功能仅仅是张紧，当输送带由于各种原因 伸长，张紧力下降时，只能通过人的观察发现后，再次张紧。 第二阶段，自动张紧装置。这个阶段的典型产品代表是自动绞车( 机械绞车、液压绞 车) 张紧装置。这类产品只能实现在稳定( 匀速) 阶段的自动张紧，保持输送带在该阶段 的张力恒定。由于其惯性大，响应速度慢，无法实现起、制动阶段的张力恒定。 第三阶段，阶段性的动态自动张紧( 两点式自动张紧) 。这个阶段的典型产品代表是 油缸式自动张紧装置。这类产品动态响应快，只能实现起、制动阶段和稳定运行阶段的张 力恒定，无法实现整套系统的动态张紧。 目前国内外常用的带式输送机张紧装置主要有以下几种，一是绞车张紧装置，二是重 锤张紧装置，三是液压张紧装置。 绞车张紧装置又分为自动绞车张紧装置和固定绞车张紧装置两种形式。自动绞车张紧 装置是由压力传感器根据带式输送机运行工况的需要自动控制张紧力的大小，由于压力传 感器质量不高和机械系统惯性及信号滞后等因素的影响，自动绞车张紧装置有误动作的现 象，影响自动绞车张紧装置的使用效果。固定绞车张紧是根据所需的张紧力调定后产生固 定的张紧力，张紧力不能自动调节。绞车张紧的缺点是当绞车和控制系统出现问题时，对 带式输送机不能产生恒定的张紧力或张紧力失效，安全可靠性相对降低。 重锤张紧装置分为重载车式张紧装置和重锤张紧装置。重载车式张紧装置是将重物放 在带式输送机的重物张紧车上，利用输送机地脚板的坡度使重物张紧车产生下滑力对输送 机产生张紧力。重锤张紧装置是通过钢丝绳悬挂起来的重锤使输送机的张紧车产生张紧 力。无论是重载车式张紧装置还是重锤式张紧装置，其特点都是由重物始终产生一个恒定 的张紧力，安全可靠性比较高。缺点是张紧力不能调节。 液压张紧装置是由液压站产生的压力通过油缸对带式输送机旌加张紧力，其特点是 可以根据输送机运行工况的需要调节张紧力的大小。由于液压站和油缸始终处于工作状 态，当液压系统及控制系统出故障时，对输送机不能产生恒定的张紧力或张紧力失效，安 全可靠性相对降低。 国内现在使用比较多的张紧装置是由d y l 系列液压绞车分段自动张紧装置，在多个 矿业公司得到了使用；普通矿一般采用简单的重锤张紧装置。 1 3 研究的意义 按常规方式设计的张紧装置的动态张紧效果不佳，包括现在应用广泛的d y l 系列液压 绞车自动张紧装置，这类设计的问题在于都只是在静态特性的基础上实现各阶段独立的动 态设计，即把整个张紧过程分成四个阶段：起动、运行、制动和停车，在每个阶段中设置 固定张力的限定范围，只有在皮带产生张力超出限定范围时，张紧系统进行调整，不能对 2 1 绪论 皮带变化的张力进行及时调整，因此出现了不合理性，有时余量过大，有时余量不足，这 样会导致输送带过张紧，应力疲劳，拉断，功率消耗过大等问题，造成巨大的浪费或不安 全因素，达不到真正的张紧效果。 针对d y l 系列和其它常规张紧装置出现的问题”1 ，在论文中提出另一种方案电流 与力双反馈动态张紧装置。根据识别电流来识别输送带上荷载量的原理，即电流和负载信 息之间存在正比例关系，采用电流作为闭环回路的反馈信号，直接从皮带输送机电机取得 电流信号，通过检测电流量变化计算出理论张紧力的值，然后与力传感器所测的实际张紧 力的值比较后来自动调节张紧张力，从而适应负载随时的变化，保证输送机正常运行的必 要张力，防止打滑。 设计的张紧装置主要由张紧绞车系统、液压系统、电气控制系统等部分组成。张紧绞 车系统是通过钢丝绳把绞车、滑轮、游动张紧小车联接成系统；液压系统有液压泵站、粘 性离合器、制动器等组成；电控箱、传感元件等组成电气控制系统。 此种电流反馈自动控制系统不仅可以克服常规设计中张紧力不均的问题，满足整套张 紧系统的要求，达到最佳的动态张紧效果，还可以与正在研究的输送机的动力学设计相匹 配，适应输送机目前的发展形势。 在论文设计中，考虑到闭环张紧系统控制存在的不稳定性等问题，所以采用数学建模 的方式，对系统进行仿真分析，然后考虑进一步的设计及试验，提高了设计的针对性和可 行性问题，从而可以节约资源。 1 4 研究内容及论文结构 通过对输送机动态张紧装置过程的分析，力图完成带式输送机液压绞车动态张紧 装置原理设计和部分机械结构的设计，并对闭环控制系统不稳定性的影响进行响应分 析，分下列几个步骤进行： 完成液压绞车动态张紧装置中张紧绞车部分的设计：主要包括张紧力的计算、张紧卷 筒的设计、卷筒主轴的设计、省力滑轮系统的设计以及相关零部件的设计和选型，绞车装 配图等图纸的设计； 完成对整套控制系统的数学建模：主要对液压站模块、离合器模块以及工作绞车装置 模块建立数学模型； 运用m a t l a b 对控制系统进行仿真，确认系统的稳定性和可靠性。 3 2 动态张紧装置的原理及部件设计 2 动态张紧装置的原理及部件设计 动态张紧装置是带式输送机的关键装置，其结构设计对整个输送机的运行起着关键作 用。本章主要通过对动态系统的组成部分液压系统、绞车系统、粘性离合器及其制动系统 的原理进行探讨和设计，及相应的部件设计校核，为进一步的制造打下基础。 2 1 系统的结构框图及液压系统框图 2 1 1 系统结构框图及工作原理 张紧系统主要由慢速绞车、液压泵站、粘性离合器、矿用隔爆兼本质安全型电控箱及 附件等5 大部分组成。 1 螺钉2 减速器3 粘性离合器4 电动机5 机座6 制动器7 卷筒主轴8 绞盘9 卷筒1 0 卷筒毂 1 1 制动轮1 2 套筒1 3 一滚动轴承1 4 主轴支架1 5 联轴器 1 6 滑轮支架1 7 滑轮组 1 8 滑轮组11 9 滑轮组2 图2 1 动态张紧装置示意图 f i g 2 - 1t h es c h e m a t i cd i a g r a m so f d y n a n 】i cs u e t c h i n gd e v i c e 西安理工大学工程硕士学位论文 图2 - - 2 整套控制系统的原理框图 f i g 2 - 2ac o m p l e t es e to f c o n t r o ls y s t e mp r i n c i p l ef r a m e 具体的工作原理：在正常运行阶段，由电流传感器测得电机( 驱动滚筒) 的驱动电流 ，然后输入电控箱，经过一系列转换计算得出理论上的张紧力乓，与此同时由力传感器 测得绞车钢丝绳上的张紧力，；作为反馈信号，比较两值的大小，采用单片机来控制，输 出模拟信号控制电液比例溢流阀的电流i ，由此来控制液压系统的压力p ，即控制油膜离 合器( 1 粘性调速离合器2 粘性制动离合器) 的间距h ，具体的情况可以分为三种情况： 当 磊时，控制离合器2 动作，增加离合器间距h ，由绞车装置反转放出钢丝绳，减小 钢丝绳上的张紧力与理论值平衡，这样依次一步一步缓慢动作；当岛 a , , q , g 8 ( h a ) 一= 3 x 4 7 6 x 9 8 ( 8 x 0 0 1 【户1 7 5 1 删 c 最小张紧力的计算 m2 ( 弘馏q , o + 咖( 2 缈+ 吼) c o s 占 + 咖h g + r i + r 2 1 0 2 动态张紧装置的原理及部件设计 承载分支阻力：w j = c f l n g ( q “+ , ) 一q o - l s r l - 只2 ( 2 4 ) t = 1 0 5 x 0 0 2 5 x 2 0 0 0 x 9 8 9 9 9 7 + 4 7 6 - 4 7 6 x 7 0 x 9 8 1 6 0 9 8 - 1 0 0 8 = - 2 0 1 2k n 回承分支阻力： w 2 t = c f l g ( q r o + q , + q g ) + ( q + q s ) h s + f a + f , 2 ( 2 5 ) = 1 0 5 x 0 0 2 5 x 2 0 0 0 x 9 8 ( 2 3 2 8 + 4 7 6 + 1 9 5 6 2 ) 郴7 6 + 1 9 5 6 2 ) x 7 0 x 9 8 + 1 6 0 9 8 + 1 0 0 8 = 3 2 1 0 6 9 1 7n = 3 2 1 0 6 9 咒 张紧力f 3 = f 2 。i n - - w k = 5 0 0 6 9 + 2 0 1 2 = 5 2 0 8 1 删 考虑到动力学及实际运行等方面因素，适当增大其值为7 0k n ，其示意图如2 4 所示， 则可以得出最小张紧力f = 6 x 7 ( b - - , 4 2 0k n 。 n 图2 4 兖州矿区某矿输送带安装简图 f i g 2 _ 4i n s t a l l a t i o ns i m p l i f i e dd i a g r a mo f c o n v e y e rb a n di ny a n z o um i n i n ga r e a 2 3 张紧绞车的卷筒设计 2 3 1 钢丝绳的选择 钢丝绳起着连接张紧小车与卷筒的作用，通过钢丝绳在卷筒上的缠绕使得张紧小车移 动，达到将输送带张紧的目的，在工作过程中，钢丝绳从卷筒的下方出绳。 因为输送带张紧力为只= 4 2 0 j e ，根据手册剀第5 0 0 页表6 - 8 1 2 ，绞车选用1 2 倍率 滑轮系统，通过该系统大大减小了张紧钢丝绳所承受的拉力，使钢丝绳的最大张紧力， = 4 2 0 1 2 = 3 5k n 。 根据卷筒本身的作用及矿山的工作环境作确定工级别为m 7 口】，根据手册第8 1 2 页表8 - 1 8 查得安全系数以= 7 。根据公式，钢丝绳的破断拉力f o r = 3 5 x 7 = 2 4 5k n 。 根据手册第8 2 0 页表8 - 1 - 1 3 ，选用公称抗拉强度为1 8 7 0 m p a 的钢芯钢丝绳，其最 小破断拉力为2 8 8 k n 2 4 5k n ，这种钢丝绳为6 股1 9 丝捻制而成，直径为d = 2 2 m m 。 钢丝绳在捻制过程中分左旋捻制和右旋捻制两种捻制方法，每股的轴线为右螺旋形的 称为右捻钢丝绳，反之称为左捻钢丝绳。钢丝绳在卷筒上呈右螺旋缠绕时应选用右捻钢丝 绳，钢丝绳在卷筒上呈左螺旋缠绕时应选用左捻钢丝绳，这主要是为了避免钢丝绳在工作 过程中松捻，在此选用右捻钢丝绳。 西安理工大学工程硕士学位论文 若钢丝绳中各绳股和绳股中的钢丝均向同一方向捻制时，叫做同向捻或顺捻钢丝绳， 若捻制方向相反，则叫做交互捻或逆捻钢丝绳。顺捻钢丝绳较柔软，表面较光滑，支承面 大，所以寿命较长，但缺点是容易松散或卷成环状，逆捻刚钢丝绳的特性则正与之相反。 在绞车自动张紧装置中，可使用顺捻钢丝绳。 综上所述，选用公称抗拉强度为1 8 7 0m p a ，最小破断拉力为2 8 8 k n 的6 股1 9 丝右 旋捻制顺捻钢芯钢丝绳，其直径为2 2m m 。 2 3 2 卷筒及配件尺寸的参数设计 卷筒按钢丝绳的卷饶层数分为单层缠绕卷筒和多层缠绕卷筒，其中单层缠绕卷筒又分 单联卷筒和双联卷筒两种。为了缩小卷筒尺寸，可采用表面带有导向螺旋槽或光面的卷筒， 进行多层卷绕，它的缺点是钢丝绳磨损较快，这种卷筒适用于慢速的工作场合。 与表面带有导向螺旋槽的卷筒相比，光面卷筒在实际工作中，钢丝绳排列凌乱，互相 交叉挤压，使钢丝绳寿命大为降低。目前，多层卷筒大多数制成带有导向螺旋槽型。第一 钢丝绳卷绕入卷筒螺旋槽，第二层钢丝绳以相同的螺旋方向卷入内层钢丝绳形成的螺旋 沟，钢丝绳的接触情况大为改善，延长了使用寿命。 根据兖州矿区某矿的实际工作情况，绞车的张紧速度较慢，在此采用带螺旋导向槽的 多层缠绕卷筒。卷筒的制作材料用4 5 # 钢，卷筒的厚度用占表示，根据手册0 5 第8 4 2 页 表8 - 2 - 1 ，艿d = 2 2m m 。 a 卷简直径的确定 根据手册第8 4 3 页表8 2 2 可查得工作级别为m 7 的卷筒的系数h = 2 2 4 ，滑轮的系 数h = 2 5 。按钢丝绳中心计算的卷筒最小直径称为卷筒的名义直径，用d 表示。 d l - hd = 2 2 4 2 2 = 4 9 2 8 m m ，槽底直径d = d i d = 4 9 2 8 - 2 2 = 4 7 0 8 m m 。根据手册第 8 4 5 页表8 2 6 ，将槽底直径d 圆整为5 0 0m m ，则名义直径d l - 5 0 0 + 2 2 = 5 2 2 m 州。 b 筒绳槽各项参数的确定 卷筒表面带有导向螺旋槽，一般采用标准槽，只有当钢丝绳有脱槽危险时( 例如抓土 起重机的卷筒和工作中振动较大者) 才采用深槽。按照手册卷规定钢丝绳绕进或绕出卷筒 时钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度不应大于3 5 ，对于多层缠绕卷筒，钢丝绳偏离与卷筒轴 垂直的平面的角度不应大于2 。卷筒螺旋槽的旋转方向分左旋和右旋两种，在此采用右 旋。绳槽半径用r 表示，根据公式，足= ( 0 5 3 o 5 6 ) d ，取r = 0 5 5 d = o 5 5 2 2 = 1 2 1 m m ， 据手册第8 4 6 页表8 - 2 7 ，将r 圆整为1 2 5 ：o 。2m m 。 因为钢丝绳在卷筒上卷绕时比较平稳，振动较小，故在此选用标准槽。标准槽深度 用h 表示。根据公式日= ( o 2 5 0 4 ) d ，取h = o 4 d = 0 4 2 2 = 8 8m m ，据手册第8 4 6 页表8 2 7 ，将圆整为9 0m m 。 标准槽的绳槽节距用p 表示，p = d + ( 2 4 ) ，在此取p = d + 4 = 2 2 + 4 = 2 6m m 。据手册 第8 4 6 页表8 - 2 - 7 ，将p 圆整为2 6 0 删。 1 2 2 动态张紧装置的原理及部件设计 c 卷筒长度的确定 根据手册第5 0 0 页表6 - 8 - 1 2 可确定小车的最大张紧行程为1 2m ，张紧速度为0 1 m s 。由于使用1 2 倍率的滑轮，因此整根绳长为l s = 1 2 1 2 = 1 4 4 m = 1 4 4 0 0 0m m 。 根据公式o = z 万 ( d + h d ) ，式中z 为卷筒每层所绕钢丝绳的圈数，n 为卷简缠绕钢 丝绳的层数，取n = 4 层。则z = l o j r n ( d + n d ) = 1 4 4 0 0 0 3 1 4 x 4 x ( 5 0 0 + 4 x 2 2 ) = 1 9 4 9 ， 圆整为2 0 圈。 考虑到钢丝绳在卷筒上的排列可能不均匀，应将卷筒长度增加1 0 ，即卷筒上绕绳部 分长度厶= 1 1 z p = i 1 x 2 0 x 2 6 = 5 7 2 m m ，因为卷筒两边要留出一定的距离，用来安装卷筒 毂等配件，故将卷筒全长取为l = 8 0 0 m m 。 卷筒设计图纸见图2 - 1 。 d 卷筒毂的尺寸设计 卷筒毂起着将卷筒与主轴连接起来的作用， 钢丝绳的作用。卷筒毂通过螺丝固定在卷筒上， 转动。 主轴通过卷筒毂带动卷筒旋转，达到缠绕 内径带有键槽，使得它能在主轴的带动下 此前已经确定了卷筒的槽底直径d = 5 0 0 m m ，则卷筒毂的尺寸数据可由手册第 3 卜4 4 页表3 1 1 - 3 7 确定，个别地方稍做修改，具体数据见图纸。由该表可知卷筒毂的 直径为4 7 4 m m ，即可确定卷筒的内径为以= 4 7 4 m m ，由该表还可知该卷筒毂的参考质量为 2 4 6 堙。 卷筒毅设计图纸见图2 - 2 。 o 绞盘的尺寸设计 多层缠绕卷筒两端设有绞盘，以防钢丝绳脱出筒外。绞盘边高度应比最外层钢丝绳高 出( 2 3 ) d 。在此张紧绞车设计中，将绞盘做成圆环形的实心圆盘，焊接在卷筒两端。 绞盘高度高出卷筒最外层钢丝绳3 层，该卷筒设计为缠绕4 层钢丝绳，故绞盘应高出卷筒 7 层钢丝绳的高度。由此可知绞盘的外径为d 。= 5 0 0 + 2 2 7 = 8 0 8 m m ，圆整为8 0 0 m m 。绞盘 的内径应与卷筒内径相同，即以= 4 7 4m m 。绞盘的宽度定为2 0 m m 。 制作绞盘的材料用4 5 # 钢。根据手册忉1 第2 - 4 9 页表2 2 - 1 0 查得4 5 # 钢的密度为 p = 7 8 9 e r a = 7 8 1 0 4g i 甜。则绞盘的质量为： m ，- 3 1 4 x 【( 8 0 0 2 ) 2 _ ( 4 7 4 2 ) 2 2 0 x 7 8 x 1 0 - = = 7 0 3 5 船 f 整个卷筒的质量设计 整个卷筒的质量为卷筒、卷筒毂及绞盘的质量之和： m = 3 1 4 x ( 5 1 1 2 ) 2 一( 4 7 4 2 ) 2 x 8 0 0 x 7 8 x1 0 。+ 2 m ，+ 2 m ， = 6 3 9 4 7 6 + 2 x 4 6 + 2 x 7 0 3 5 = 8 7 2 1 7 6 堙 西安理工大学工程硕士学位论文 g 卷筒的强度强度校核 卷筒所受的载荷主要是缠绕在其上的钢丝绳对卷筒壳所施加的径向压力，在这种载荷 作用下使卷筒壳自由段产生压缩应力，简称压应力。为了确保卷筒能够承受钢丝绳所施加 的压应力，进行卷筒的强度校核是比不可少的环节。 因为已知l = 8 0 0m m ，d = 5 0 0m m ，可知工3d = 1 5 0 0 研m ，所以采用公式 q = a ，慨甜s 【叹】进行强度校核。式中爿为多层卷绕系数，根据手册1 第8 4 3 页表 8 2 3 查得a = 2 。f i 眦为钢丝绳的最大静拉力，已知为3 5 k n 。艿为卷筒壁厚，已知为2 2 珊所。p 为绳槽节距，己知为2 6m t 。【以1 为许用压应力。根据公式可知钢的许用压应力 o 。 = o 1 5 ，式中o 。为钢的屈服极限，根据手册。”2 第6 - 4 页查得4 5 8 钢o = 2 7 5 n r a m 2 ， 则 以】= 以1 5 = 1 8 3 3 3 n i m l l 2 。 因为该卷筒的许用拉应力o 。= 2 3 5 x1 0 0 0 ( 2 2 2 6 ) = 1 2 2 3 8 n m m 2 ，可见， o 1 【吼】，选用4 5 # 钢做卷筒强度符合。 2 4 卷筒主轴的设计 2 4 1 卷筒主轴传递扭矩的计算 卷筒主轴在整个张紧绞车设计过程中起着非常重要的作用，它将电动机的动力传给卷 筒，带动卷筒转动，使得缠绕在其上的钢丝绳拉动张紧小车，从而起到张紧输送带的作用。 卷筒主轴在工作过程中主要传递扭矩，同时还要承受钢丝绳的拉力。 a 主轴所传递功率的计算 因为前面已求出输送带的张紧力只= 4 2 0 k n ，且已知道小车的张紧速度 ，= o 1 m s ， 所以主轴传递的功率为p = e v = 4 2 0 0 1 = 4 2 k w 。 b 主轴传递扭距的计算 为了减小钢丝绳的张紧力，该装置使用了十二倍率的滑轮组，使得钢丝绳的张紧力减 小为张紧小车张紧力的十二分之一，所以钢丝绳的张紧速度应为张紧小车张紧速度的十二 倍，即吃= 1 2 0 1 = 1 2 m s = 7 2 0 0 0g r i m m i n 由于卷筒在钢丝绳的带动下发生转动，因此钢丝绳上某点移动的距离即为卷筒外径上 某点所转过的距离，由此可求出卷筒的转速： 1 4 2 动态张紧装置的原理及部件设计 n = ( x d , ) = 7 2 0 0 0 ( 3 1 4 x 5 2 2 ) = 4 4 9 r m i n 4 5 r n f i n ， 主轴所传递的扭矩用r 表示，t = 9 5 5 0 p 押= 9 5 5 0 x 4 2 4 5 = 8 9 3 3 1 8 k n m 。 2 4 2 卷筒主轴最小直径的计算 考虑到卷筒主轴是该张紧装置中比较重要的零件，且它所承受的扭矩比较大，为了保 证该轴能够正常工作，决定采用强度较大的材料3 7 s i m i l 2 m o v 制作该轴。 根据手册汹，按实心轴扭转强度估算主轴直径，公式为d 5 r r 】。式中扭矩 t = 8 9 3 3 1 8k n m = 8 9 3 3 1 8 0 n m m ，【r 】为工件的许用剪应力，其值与工件所用材料有关， 由手册第2 6 8 页表2 6 3 - 2 可查得，材料为3 7 s i m n 2 m o v 时，r = 4 5 m p a 。将数值带 入公式得d v 5 x 8 9 3 3 1 8 4 5 = 9 9 7 5 m m 。 因为主轴最小直径部分要安装联轴器，因此要在上面作出键槽，这样会减小主轴的强 度，为了保证主轴能够正常工作，应适当增加其最小直径，故将最小直径d 取为1 l o m m 。 2 4 3 卷筒主轴结构及尺寸的设计 卷筒主轴是张紧绞车重要的传动件，它的结构设计是否合理，对于零部件是否能够 正确的安装到主轴上，以及整个张紧绞车是否能够正常工作起着致关重要的作用。 在卷筒主轴的设计过程中，主轴的结构主要取决于：主轴在张紧装置中的安装位置 及形式；主轴上各零部件的类型、尺寸及配置、定位和固定方式；载荷的性质、大小、 方向及分布情况；主轴的加工及装配工艺性等。 在设计过程中，主轴的结构需满足：足够的强度和刚度；主轴和装配在主轴上的零 部件应有准确的工作位置；主轴上的零部件应便于拆装和调整主轴应具有良好的制造工 艺性。 因为在卷筒主轴上要安装联轴器、轴承、制动轮和卷筒毂等零部件，为了做到便于 零部件的拆装、调整和维修，将卷筒主轴设计成阶梯轴，利用阶梯轴的轴间来精确定位 各零部件的位置，防止其发生轴向位移。各段阶梯轴的轴径尺寸在设计时应考虑与其上 所安装的零部件内径尺寸相互配合，避免出现直径不同一，零部件无法正确安装的问题。 各段阶梯轴的长度根据其上所装零件尺寸、配合长度及实际加工工艺的需要确定。卷筒 主轴的具体结构及尺寸参见卷筒主轴图纸，主轴上面各零部件的安装位置参见液压绞车 装配图纸。根据机械设计手册第2 - 4 9 页表2 2 - 1 0 查得材料3 7 s m l i l 2 m o v 的密度为 p = 7 8 9 c m 3 = 7 8 x 1 0 5 9 m m 3 主轴的质量为：m = 3 1 4 5 5 2 ( 2 1 7 + 1 0 0 ) + 3 1 4 6 0 2 x 8 6 2 + 3 。1 4 6 5 2 x ( 5 5 0 + 1 2 8 ) + 3 1 4 x 7 0 2 5 4 4 x 7 8 x 1 0 3 2 1 5 5 3 0 9 9 = 1 5 5 3 0 9 k g 2 4 4 卷筒主轴上各键槽的尺寸计算及键的校核 卷简主轴上安装联轴器、制动轮和卷筒毂的位置都需用铣刀铣出键槽，采用键联接来 1 5 西安理工大学工程硕士学位论文 对这些零部件做径向定位，防止这些零部件和卷筒主轴发生径向转动。因为平键联接具有 拆装方便，对中性好，可用于较高精度、高转速及冲击载荷或变载荷，应用广泛等特点， 故主轴上各零部件的联接均采用平键联接。 若要键能够正常工作，键的强度必须满足两个条件：键联接工作面挤压应力 t ：r y r = 2 r 删【盯】；键的剪切应力f = 2 t d m 【f 】。式中p ，r 1 为键联接工作面许用挤 压应力，【f