（机械工程专业论文）液压防爆绞车关键技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 绞车作为矿山采矿运输系统中的关键机械设备，广泛应用于煤炭、有色金属、黑色 金属等矿山开采行业，其性能技术水平的高低直接影响到矿山的生产效率和职工的生命 安危。液压防爆绞车由于其安全可靠，易于实现无级调速，换向平稳，低速运转性能良 好等优点，已成为矿用防爆绞车的主要发展方向之一。 目前，国家要求井下工作必须使用防爆设备，随着液压元件、液压传动及控制技术 的发展，应用液压技术的防爆绞车在经济性、技术性、安全性和可靠性都显示出独特的 优势。本文以洛阳矿山机械工程设计研究院研制开发的j t y 系列液压防爆绞车为研究对 象，通过对绞车关键部件的分析研究，建立液压防爆绞车设计计算的模型，为进一步提 高液压防爆绞车的设计制造水平奠定基础；通过对主要零部件如主轴、减速器、二级制 动阀的设计制造的研究，为液压防爆绞车的整体性能的提高提供保证。本文主要工作如 下： 1 、主轴装置的设计研究。根据材料力学的相关理论，对绞车主轴装置中的关键部 件进行分析，建立卷筒分析的力学模型并在此基础上说明卷筒强度校核的计算方法；提 出主轴设计的主要方法：提出主轴的主要加工工艺以保证设计要求； 2 、多头一级半行星减速器的设计研究。根据减速器的设计原理，结合j t y 液压防 爆绞车的设计要求，分析多头一级半行星减速器的设计原理，并通过试车报告验证设计 的可行陉； 3 、液压系统的设计研究。根据绞车液压系统原理及j t y 液压防爆绞车要求，通过 了解双液压马达回路，设计分析并改进高、中压液压系统；分析并设计制造二级制动阀， 降低系统的制造成本；对绞车的性能实际检测结果进行分析。 论文的研究结果对液压防爆绞车的设计制造具有参考价值，并为进一步的分析与研 究奠定基础。该结果已成功应用到生产实践中，截至2 0 0 5 年底，j t y 系列液压防爆绞 车己在大同、平顶山等各大矿务局得以推广，取得了显著的效果，具有很好的市场前景。 关键词：液压防爆绞车主轴装置行星减速器液压系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e 而n c h ，w h i c hi s 山ee s s e n t i a lm a c h i n e r yo f 廿l em i n i n gi n d u s t 吼i su s e d 谢d e l yi nt h c c o a l ，n o n f e n d u sm e t a l ，b l a c km e 协li n d u s 臼哆a n ds oo n t h ep m d u c t i o ne f n c i e n c yo f 血c m i n m gi n d u s t r ) r 柚d t h es a f 时o fw o k e r s i i f ca r ed i r c c t l ya f f b c t e db y ( h e 、v i n c h s p e r f o n a n c e b e c a u s eo fm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss a f e ，r e l i a b l e ，c o 矾n u o u ss p e e dv 撕8 t i o n ， s t a b l er e v e r s i n g ，h y d r a m i ce x p l o s i o n - p m o fw i n c hh a sb e e no n co ft h em a i nd e v e l o p i n g d i r e c t i o n st ot h em i l l i n ge x p l o s i o n p m o f w i n c h a tt h ep r e s e n t ，t h en a t i o n a l 此m d a r dh a sr e q u i r e dt h a tt h ee x p l o s i o n p o fe q u i p m e n t m l l s tb e u s e di n 1 eu n d e r g r o u n do p e r a t i o n w i t h 恤ed e v e l o p m e mo f 也eh y d r a u l i cc o m p o n e m ， h y d r a u l i ct r a n s 血s s i o na n dc o n t r o it e c h n o l o g y ，c x p l o s i o n - p r o o fw i n c h 印p 王i e dh y d r a u l i c t e c h i l o l o g y h a su 1 1 i q u ea d v a l l t a g ei nt 1 1 ee c o n o m i c a le m c i e n c y ，t e c h n o l o g y ，s a f e t ya n d r e l i a b i l i 何a i m e da tt l l ej t ys e r i e sh y d r a u l i ce x p l o s i o n p m o fw m c hd e v e l o p e db yl u o y a n g m i l l i n gm a c l 血e r ye n g i n e e r i n gd e s i g ni n s t i t u t e ，t h ew i n c h sc h i e fc o m p o n e n tw a sa 1 1 a l y s e d ， t h ec a l c u l a t i o na n dd e s i g nm e t h o df o rh y d m u l i ce x p l o s i o n p r o o f 谢n c h 忙r ei m r o d u c e d t h e s ew o r k sa r et h ef o u n d a t i o nt 0t h ef 缸h e rd e s i g na n dm a n u f a c t u r 0 fw i n c h s o m ek e y p a n s ，s u c h a s s p i n d l e ，g e a rb o x ，2 n dl e v e lh l l ( i n gv a l v e ，w h i c hh e l p t oi m p m v em e p e d b m a n c eo f m e 、v i n c hw e r ea l s os t u d i e d t h em a i n c o n t e n t so f m ep a p e r sa r e ： 1 t h e ”s e a r c hf o rm a i ns k 血e q u i p m e n tw a sd c s i g n e d b a s e do nt l l ec o e l a t i o n 廿l e o r y o ft h em e c h a i l i c so fm a t e r i a l s ，t l l ew i n c h sm a i ns h a f te q u i p m e n tw a sa 1 1 a l y s e d ，t h e m e c h a i l i c a lm o d e lf o rd m m a n a l y s i sw a se s t a b l i s h e da t l dm e nt h ee a l c u 工a ：t i o no fs n g m o f d r u n l ，锄d 血em a i nm e t h o do fb 船i cs h a f td e s i g nw e r et o l d t h em a c h i i l i i l gp r o c e s so fm a i n s l l a f 【w a sr a i s e d 2 m l l l “一c a p u ts i n g l e - h a l fs t a g ep l a i l e t a r yr e d u c e rw a sr e s e a r c h e da l 】dd e s i g n e d b a s eo n t h ed e s i g np 血c i p l eo ft 1 1 er e d u c e ra 1 1 dt h ed e s i 弘d e m a n do ft l l ej t ys e r i e sh y d r a m i c c x p l o s i o n - p r o w i n c h ，也ep r i n c i p l eo fm u 城一c a p u ts m g l e h a 拄s t a g ep l a n e t a r yd e d u c tw a s a i l a l y s e d ，a n dm ed e s 啦m e 也o dw a se s t a b l i s h c d t h e t r i a ln i i l r 印o r tt oc o n f i mt l l e f e a s i b i l i 哆o f m ed e s i g n 、栅sv e r i f i e d 3 h y d r a u l i cs y s t e m 、v a sr e s e a r c h e da 芏1 dd e s i g n e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fw i n c h s h y d r a u l i cs y s t e ma n dt l l c d e m a n do fj t ys e r i e sh y d m u l i ce x p l o s i o n 巾r o o fw i n c ha i l d i i 华中科技大学硕士学位论文 u 1 1 d e r s t a i l d i n go f d o u b l eh y d r a u l i cm o t o rc i r c u i t ，t l l eh i 曲- p r e s s u r es y s t e m ，m e d i 啪一p r e s s u r e s y s t e mw e r ed e s i g n e da n di m p r o v c d ，t h es e c o n ds t a g eb r a k e v a l v ew a sa i l a l y s e da n d m a n u 丘l c t l l r c d ，m ec o s to fm a n u f h c t u r ew a sr e d u c e d t h et e s tr e s u l to ft h ew i n c h w a s 删y s e d t h er e s u l t so fm ep a p e ra r ev a l u e df o rt h ed e s i g no rm 如u f h c t u f co f 也eh y d r a u l i c e x p l o s i o n - p r o o f 嘶n c h ，a 1 1 da r em ef o u n d a t i o nt ot l l ef h n h e ra n a l y s i sa n dr e s e a r c h 1 1 1 i s p r o j e c th a sb e c na d o p t e di nm i n e si nd a t o n g ，p i n g d i n g s h a nm i n ee t c j t ys e r i e sh y d r a u l i c e x p l o s i o n - p r o o f 谢n c hh a v eb e e np r o v e dw i t l las u c c e s s f i l lp m c t i c ea n dp r o m i s i n gm a r k e t f i l n 】r e k e y w o r d s ：h y d r a u l i ce x p l o s i o n - p r o o fw i n c h ，m a i l ls h a f te q u i p m e n t ，p i a l l e tr e d u c e r h y d r a u l i cs y s t e m i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名。生叁座车、 日期：上，o 年r 月i ；曰 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密囱 ( 请在以上方框内打“”) 学位皱储签挺蝉、艚教师躲多旅f 蚴 日期：工o 。年f 月 日 日期：力4 6 年r 月尸日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 绞车( 又称提升机或卷扬机) 广泛应用于煤炭、有色金属、黑色金属等矿山开采行 业。作为矿山采矿运输系统中的关键机械设备，绞车承担着矿物的提升、人员的上下、 材料和设备的运送任务，被人们称为矿山的“咽喉设备”，它的性能、技术水平的高低 直接影响到矿山的生产效率和职工的生命安危，因此受到使用单位的极大关注。 液压绞车是利用液压马达直接或间接通过减速器来拖动滚筒的一种新型绞车，目前 广泛应用于船舶、港口、建筑、冶金、矿山等许多行业。液压防爆绞车是在一般液压绞 车的基础上，配合全套防爆电气设备，并在结构上能满足煤矿井下使用要求的一种防爆 绞车，它主要用于沼气、煤尘爆炸冠险的煤矿井下，作为提升和下放人员、煤、矿石以 及运输材料、机械设备之用。 1 1 液压防爆绞车技术的发展及研究 液压绞车出现在上世纪5 0 年代中期，随着新型轴向柱塞式和径向柱塞式液压马达系 列产品的问世，应用全液压控制原理的液压绞车研制生产，并在船舶和建筑机械上获得 应用。6 0 年代中期，可在煤矿井下使用的液压防爆绞车研制成功。近2 0 年来，液压防爆 绞车技术获得很大发展，在工业发达国家的煤矿井下现在己广泛使用液压防爆绞车【1 】【2 。 1 1 1 国外液压防爆绞车的发展与研究 英国是研制液压防爆绞车较早的国家之一，6 0 年代初矿用液压防爆绞车问世。尼德 汉姆兄弟和布朗有限公司研制的“c ”系列本机或无线电遥控的液压防爆绞车，功率从 7 5 2 5 0 k w ，共有2 0 种规格。该公司制造的2 5 0 k w 低速大扭矩液压马达直接驱动的 液压防爆绞车，当滚筒有转矩时即自动松闸。日本三井三池制作所在1 9 6 5 年制造出第 台液压防爆绞车，经过不断的发展和完善，现在生产4 0 、7 5 、1 6 0 、2 5 0 l 萼 p 图2 4 筒壳支轮的连接结构 l l o 9 伊时， 可认为是固接结构，其力学模型入图2 5 ( b ) 所示。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 q ( a ) y 图2 5 铰固接力学模型 ( b ) x 2 ) 弹性支轮。如回板支轮或圆环支轮，它们的力学模型如图2 6 ( a ) 所示。此时应视 圈板与筒壁为组合结构如图2 - 6 ( a ) 所示。 ，r ( a ) 0 图2 6 弹性支轮力学模型 2 1 | 3 筒壁变形的微分方程式及其通解 ( 1 ) 在所选坐标系下一般梁的挠曲线微分方程( 均布载荷) 、。 厂一 r ( b ) 一 ，x 图2 - 7 梁上微单元段图2 - 8 纯弯矩下单元梁变形 如图2 7 所示，在梁上取一微元段，根据材料力学弯矩与剪力的关系可得 k器l 一 醚卜 删 十蝴 。目 华中科技大学硕士学位论文 掣：q 础 在弯矩m 作用下，弯矩与变形的关系如图2 - 8 所示。考虑中性轴以下某纤维，此纤 维在不受弯矩m 时，长度应与中性轴上相对应的出段相等，即 d ) c = d - d o c 弯曲后应变为 根据应力与应变的关系 殳：垃幽学 d d 8 口。= e e 。：e 兰 d y p ( 2 3 ) 在o r 梁横截面处断开，则此面上j 与m 要平衡，对z 轴取矩，故有 q 印y = 一m ( 2 - 4 ) 式中，f 为横截面面积。 将式( 2 3 ) 代入式( 2 4 ) ，得 根据微分学中蓝率的公式 代入式( 2 - 5 ) ，得 e 生：一m p 1 y d 出2 口z 譬= 一m 此式为所选坐标系下一般梁的挠曲微分方程。 式( 2 6 ) 左右两边同时对x 求两次导数，整理可得 口：鲁= q 式( 2 7 ) 为一般梁的变形方程。 ( 2 ) 单元梁作为弹性基础梁的变形方程式及其通解 ( 2 - 5 ) ( 2 7 ) 华中科技大学硕士学位论文 假设单元梁上的某截面在钢丝绳的作用下，由实线移到虚线，如图2 9 所示。 壁厚d 与半径，相比很小，可认为截面上任意处r 都等于卷筒半径r ，截面上任一 条以q 为圆心的弧线的应变都相等，且 岛：型号堕塑：一上 z 石rr _ 百 中性线 、口 图2 9 单元粱上的微元段 故由径向挠度- y 所引起的周向压缩应力为 口9 = e 8 ：一e 旦 珊在】，轴上的分量构成对梁的支撑力，且与挠度y 成正比，称为弹性支撑或弹性基 础。即 6 口8 d 8 ：堕船 单元梁单位长度上的支撑力为 昂= ：慨s 血警= 等y = 砂 式审 七：坚 ，。 另外，由于此梁是双向应力状态，在平面应力条件下有( 可近似视为) q ：土( 矗+ 毛) 0 52 五i 。5 一坪z ) 华中科技大学硕士学位论文 如果个考虑靴对鲤的影响，则硐 e 0 1 2 i i 5 x 式中，一横向变形系数 故此时梁的挠曲微分方程式变成 击。z 冬一 弹性基础梁的变形方程为： 告也窘中砂 令 k = 南五 式( 2 - 8 ) 变为 屯窘中砂 令七锄= 4 ，代入上式整理可得单元梁的变形方程 窘川4 y = 吾 式中。 =压= 厣茜 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 由= 0 t 3 ，七= 护1 2 可得 卢= 等 单元梁的变形方程的通解是该齐次方程的通解与一个特解的和，齐次方程的通解 是： y = p 雎( 4 c o s 卢x + 4s i n 卢x ) + g 一肛( 鸽c o s x + 4s i n 卢x ) 特解方程是 华中科技大学硕士学位论文 y = 詈 变形方程的通解为： y = 8 触( 4c o s x + 4s i n x ) + e 一皿( 4c o s x + 4s i n x ) + 孚 ( 2 1 0 ) 通解中的a l ，a 2 ，a 3 ，a 4 为积分常数，由筒壳边界条件即支轮和支环的具体条件 确定。确定了积分常数，也就确定了该滚筒在支轮和支环附近处的y ) ，从而可以确定 附近区域内任一处的弯矩、剪力和周向压缩应力，即 m ( x ) = 一屯警q ( x ) = 一k 窘= 一e 詈 然后根据第三强度理论，解出最大合成应力点，对筒壳强度进行校核。 离支轮与支环较远的区域，支轮与支环对其不产生影响。卷筒( 筒壳) 上的这些区域 称为自由段，可认为只受周向压缩应力。 为了系统起见，首先找出各种边界条件下单元梁变形方程的解，从而得到在各种边 界条件下的蛳) 和q ，并且导出圆环、圆板的有关计算公式；然后考虑钢丝绳拉力的 降低系数和多层继绕时的钢丝绳缠绕系数：最后再对筒壁进行强度校核。 2 1 4 钢丝绳拉力降低系数 钢丝绳拉力降低系数是指己缠到卷筒上的绳圈受后来缠到卷筒上的绳圈的作用，使 该处卷简直径缩小，从而使得原绳圈的弹性变形减小，导致先绷到卷筒上的绳的拉力由 尹减降到p c ，c 为钢丝绳拉力降低系数。 f 1 ) 单层缠绕时钢丝绳的拉力降低系数 如图2 1 0 所示。第一圈绳在l 处所产生的挠度为 一形一m 一形一卯 胪彘烈如卜彘。等 缠上第2 n 圈后，只要在1 3 3 ，占以内的所有圈数均会对第1 圈所位于的筒壳挠度 产生影响。 华中科技大学硕士学位论文 123n b a 轶坟b b h h x 吐y拶夕、乏沙k谢 j 、 、，、l 、t y | (兰兰乏彭 矿 y 1 (、= 二二 1 3 3 压百 图2 1 0 缠绕时筒壳的挠度 设从第2 圈到第”圈在1 处所产生的总的附加挠度为衄i ，此时绳圈中的应变为 ! ! 尘二苎二垒丛2 二! ! 尘二苎! ：一且：一垒堕 2 丌p m )r m r 由虎克定律可知，钢丝绳中拉力降低 坠e s a s ， 。 式中，五卜钢丝绳纵向弹性模量； 4 r 钢丝绳断面钢丝面积总和。 由钢丝绳拉力降低系数的定义有 c ：1 一尝b 乓 p r 。6 由于 ! 二卫 锄2 表莩邢矗) 代入上式得 竺卫 c 小竺兰盘至：型 尸r 即 2 0 华中科技大学硕士学位论文 又知 在此为 。：上：丝土：旦 ：p 酗zp 勘z ：毕竽乞：一羔 3 ej ， 4 r 代入式( 2 1 4 ) 得 吒一警卜小掣，詈吲，刊+ 南叩刚刊+ 在某一个截面上，辱0 时，其非自由段可认为 q 一吒= 气。( 1 一) + ( 2 1 9 ) 所以对筒壳的强度校核即要求 m a x 【+ ( 1 一) 】【仃】 其中 。：堡：竺兰：坐 吒2 彳2 节2 了 = e 兰 所以，筒壳的强度校核就归为求y ，坛然后寻找m a ) ( b + 仃w ( 1 一) 】。 在萨0 处的强度校核s h 即可。 2 2 2自由筒壳段的周向压缩应力 = e 詈= 挈= c 詈戏鲁戏参娥予哦磊 r r kor 托 b o oo t 对单层缠绕可用以下公式计算，多层缠绕则把下面的c 再乘上e 即可。 = c 鲁= c 詈= c 击= c 华中科技大学硕士学位论文 c = 丢2 詈2 鲁= s 寿 2 3 绞车主轴的设计 主轴是提升机承载的主要部件，提升机的主要工作构件如卷筒、轴承、离合器以及 联轴器等均安装在主轴上。电动机通过变量液压泵一定量( 变量) 液压马达一减速器一 主轴驱动卷筒，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。 2 - 3 ，1 主轴的结构 主轴往往是提升机中重量最大的一个零件之一，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。为了 便于安装、找正，提升机主轴一般做成两支点，普遍采用滚动轴承承，减小主轴轴向尺 寸。 ( 2 ) 卷筒在轴上的固定可用切向键或静配合，连接应可靠，在运转中不能出现松动现 象。双卷筒提升机每个卷筒仅在一个支轮轮毂处固定，为避免活卷筒因多次调绳操作后， 轴上磨出沟槽，在其右轮毂与主轴间加设衬套。 ( 3 ) 轴的结构应尽量使轴受力合理，避免或减轻应力集中，以保证轴的疲劳强度。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( 如喷丸、 滚压等1 以提高其疲劳强度。 ( 4 ) 主轴是主要承载部件且受交变应力，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 进行热处理。 ( 5 ) 主轴材料一般采用优质中碳钢，液压绞车中最常用的是4 2 c r m o 或4 5 # 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 华中科技大学硕士学位论文 和冲击韧性都比较好的综合机械性能。 2 3 2 主轴的载荷 绞车主轴所承受的载荷可分为正常载荷和事故载荷。 ( 1 ) 主轴的正常载荷 作用于主轴上的正常载荷有： l 】安装在主轴上各零、部件及主轴的自重。安装在主轴上的零，部件有卷筒、离合 器、齿轮联轴器等，它们的重量可以认为集中加于各自轮毂的中心。主轴是均布载荷， 可用作用于各轮毂中心及支座上的集中力来代替。此项载荷在提升过程中大小不变，方 向垂直向下，对轴产生垂直方向的弯矩。 2 ) 缠绕在卷筒上的钢丝绳的重量。由于缠在卷筒上的钢绳圈数随提升过程而发生变 化，所以此项载荷的大小在提升过程中是变化的，方向向下，对主轴产生垂直方向的弯 矩。 3 ) 钢绳拉力。在提升过程中，由于钢绳长度在不断变化，同时加、减速度也在变化， 所以钢绳拉力大小是变化的。由于实际工作中钢绳在卷筒上总存在着一定的出绳角，所 以钢绳拉力对主轴产生垂直方向及水平方向弯矩，同时还对主轴产生扭矩。 由于提升过程中外载荷是变化的，难以确定按哪种工况进行主轴强度计算最为可 靠。目前设计上都是对具体提升机选定几种典型工况，对这几种典型工况下的外载荷进 行计算，然后可找出所受外载荷( 合成力矩) 最大的工况，按此工况进行强度校核。 ( 2 ) 主轴的非常载荷 非常载荷包括事故载荷以及由于安全制动、从托台上提起罐笼时等所造成的短时过 载，其中以事故载荷最为严重。绞车发生事故时会引起主轴过载，其中以向上提升重载 容器发生卡罐断绳的情况最为严重。因此根据这种情况计算主轴的非常载荷。当上升容 器因某种原因被卡住时，由于钢丝绳的弹性变形，整个系统除上升容器以外的其他运动 部分由于惯性继续运动，并不立刻停止，从而引起钢丝绳的变形量很大，直到拉断。 精确计算上述上升容器突然被卡住时作用在钢丝绳上的力是很复杂的。当采用近似 的方法计算时进行如下的假设进行计算：( 1 ) 所有运动部分的减速度都相同；( 2 ) 容器运 华中科技大学硕士学位论文 行在刷2 处被卡住；( 3 ) 断绳时电动机电源已断开；( 4 ) 钢丝绳在与容器连接处断裂。 2 3 3 主轴的计算 ( 1 ) 根据结构及工艺要求，绘制主轴结构草图；主轴直径吃可按下式估算 吐= o 1 d 式中，d 一卷筒名义缠绕直径，m m 。 ( 2 ) 计算主轴正常载荷； ( 3 ) 根据正常载荷，计算主轴弯矩和扭矩，并求出相应截面弯睦应力和扭转应力； ( 4 ) 校验主轴危险截面的安全系数； n = ：竺! 竺： 口2 + n 。2 式中，”。一抗弯安全系数 ”t 一抗扭安全系数 ( 5 ) 校验主轴刚度，可用图解法，亦可用分析法；主轴最大挠度矗。应满足下式： 厶。志 三一主轴两轴承中心线之间距离，m m 。 ( 6 ) 计算主轴非常载荷； ( 7 ) 根据非常载荷校核主轴危险截面安全系数撵o ； ，k ：f ：呈羔：一 l铲丽蓊霭丽州 式中，毋一主轴材料屈服限，k g f c m 2 ； 拓，岛一弯曲及扭转有效应力集中系数。对于切向键槽，可取经验数据，毛= 3 ，岛 = 2 ： 以，硒一主轴截面对应于非常载荷时的弯曲应力和扭转应力，蚝仃c i n 2 ； f 一切向力当量系数，可由下式计算 f ：旦 7 2 t 华中科技大学硕士学位论文 b 一主轴材料扭转屈服限，k g f c m 2 。 采用上述方法设计主轴零件示意结果如下。 图2 15j t y - 2 5 液压防爆绞车主轴图 附主轴加工工艺说明 表2 1主轴制造主要加工工艺 序 工序关键工序内容说明主要加工设备 号 1锻锻造 水压机初探合格 2划检查毛坯余量。划两端十字中心线及中心孔线 3打中心孔 铣平两端面，见平即可，按图打两端中心孔 t 6 1 5 k 4 粗车按工艺简图粗车各部，径向留量、端面留量、变径 1 6 5 8 圆角，粗糙度r a 6 3 5 探伤按q ，l k 9 0 5 9 2 锻件超声波探伤质量标准检查u s i p i i 超探仪 检查合格后进行以下工序 6热处理正火 5 1 0 m 热处理炉 7 锯锯掉多余试棒( 机械性能试验合格后进行以下工 序) 8 修打中心孔车两端架位，按图修打两端中心孔 1 6 5 8 9奎 按图车各部粗糙度r a = 6 3 1 6 5 8 1 0探伤 探伤检查合格后进行以下工序u s i p i i 超探仪 1 1垄 按图精车各部要求： c 6 1 1 2 5 a 粗糙度r a = 3 2 和r a ：1 6 的各外圆用砂带抛光或辊 压成，抛光或辊压前粗糙度r a = 6 3 ，辊压外圆时， 辊压次数不得超过两次 华中科技大学硕士学位论文 续表2 1 1 2 划划端面上各孔线和，沉孔线 1 3镗钻各端面孑l 、钻、攻吊环螺栓孔镗床t 6 1 5 k 1 4滚齿r f w 一1 0 1 5钳攻丝、去毛刺、倒棱 1 6至 c 6 1 1 2 5 a 2 | 3 4j t y 液压防爆绞车主轴的结构特点 j t y 系列液压防爆绞车在主轴装置中采用了一些新结构，其特点如下： ( 1 ) 固定支轮 轮毂与主轴采用过盈配合，加热装配，无键联接，取消了切向键，靠摩擦来传递载 荷。具有主轴结构简单，强度不被削弱，轮毂定心性好，承载能力强，在震动下能可靠 地工作的特点。 ( 2 ) 装配式制动盘 制动盘由焊接在卷筒上改为装配式结构，不仅减少和避免了在井下运输、安装过程 中制动盘体积过大造成的困难和变形，而且减少了用户在安装时加工制动盘的工作量， 延长了制动盘的使用寿命。 ( 3 ) 对开装配式卷筒 对开装配式卷筒结构，不必在现场安装时焊接，便于安装的再次拆卸。 ( 4 ) 滚动式主轴轴承 主轴轴承采用特宽型向心球面滚子轴承，除减少了现场安装和维修时的工作量，减 轻劳动强度外，还提高了转动效率。 ( 5 ) 新型轴向齿轮式调绳离合器 j t y 系列液压防爆绞车的调绳离合器，采用新型轴向齿轮式调绳离合器。采用二油 缸完成离合，二销轴完成传扭功能，相互成9 0 。布置，由衬套定位的功能分离的新结构， 代替原来的轴向齿轮式调线离合器，离合功能、传扭功能、定位功能均由1 2 0 。布置的 三个油缸完成的结构，解决了漏油问题。避免了因油缸、管路等漏油而污染制动盘，保 证了制动系统的安全工作。新型轴向齿轮式调线离合器与常采用的径向齿块式离合器相 比较，离合性能相似，但传扭功率大，且使组轴尺寸缩短8 0 0 m m 左右，重量减少1 0 0 0 k g ， 华中科技大学硕士学位论文 结构紧凑、美观。 x k j 型、j k 型轴向齿轮离合器，存在的主要问题是，泄漏油液污染制动盘，影响 制动力，易于卡阻，可接合区间小，这就增加了离合器闭合的时间。但是，与径向齿块 离合器相比，结构紧凑、简单，不因其尺寸而增加主机轴向尺寸。根据上述分析，设计 了新型轴向齿轮式调绳离合器，采用二油缸完成离合，二销轴完成传扭功能，相互成9 0 。布置；由衬套定位的功能分离的新结构代替原来的轴向齿轮式调线离合器，离合功能、 传扭功能均由1 2 0 。布置的三油缸完成的结构，解决了漏油问题，避免了因油缸、油管 等漏油而污染制动盘，保证了制动系统的安全工作。新型轴向齿轮式调绳离合器与最新 的径向离合器相比较，离合性能相似，但使主轴尺寸缩短8 0 0 m m 左右，重量减少1 0 0 0 奴， 结构紧凑、美观。 ( 6 ) 主轴与行星减速器的联接方式采用花键联接，省掉了传统的联轴器，减少了主机 轴向尺寸。 ( 7 ) 闸盘与卷筒的联接螺钉，布置在卷筒内侧，减少了主轴装置的径向尺寸。 2 4 本章小结 本章对主轴装置中的关键部件进行研究，介绍了基本分析方法。根据材料力学的相 关理论，建立卷筒筒壁的力学模型，推导简壁变形的微分方程及其通解，并在此基础上 说明了绞车筒壳强度校核的计算方法；根据提升机的工作条件，分析主轴的结构和载荷 特点，并结合实例建立了j t y 液压防爆绞车主轴的计算方法。 华中科技大学硕士学位论文 3 j t y 液压防爆绞车减速器研究 减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转距以 满足各种工作机械的需要。矿井绞车的主轴转速，根据提升速度的要求，一般在2 0 6 0 “m i n 之间，而用作拖动绞车的电动机转速，通常在2 9 0 9 8 0 r m i n 的范围内。因此， 除采用低速直流电动杌拖动外，不能把电动机与主轴直接联接，必须经过减速器。 采用低速马达的液压绞车可以省去减速器。但在调整及工作过程中存在着很多不 足。j t y 液压防爆绞车选用多台高速马达，可以更好地满足大扭矩的需要，在安装调试 及使用中有更多优点。本章结合实际，研究分析在j t y 液压防爆绞车中开发设计的多头 一级半行星减速器减速器【1 8 珈 。 3 1 减速器的主要类型及特点 减速器的种类很多，按照传动型式不同可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、 蜗杆蜗轮减速器、圆锥圆柱齿轮减速器以及蜗杼圆柱齿轮减速器等；按照传动的布置 形式又可分为展开式，分流式和同轴式减速器。按齿轮传动降速的次数，可分为单级、 两级、三级和多级减速器。在矿用提升机中常用的减速器类型主要有平行轴减速器( 圆 柱齿轮减速器) 和行星齿轮减速器两种类型。 图3 1 为常用减速器的类型。 草尊啕审 华中科技大学硕士学位论文 窜酗 3 3 1 圆柱齿轮减速器 图3 1 常用减速器的类型 图3 2 ，a 所示为单级圆柱齿轮减速器，通常其传动比为f 7 8 。为使外廓尺寸尽 可能小，标准减速器6 3 ；当f 8 时，大小齿轮直径相差太大，减速器外廓尺寸过大， 小齿轮强度较差( 图3 2a ) ，这时应用两级或三级减速器( 图3 - 2b ) 。 j 矿孓 7 图3 2 齿轮减速器外廓尺寸的比较 两级圆柱齿轮减速器应用最广的是展开式，如图3 3 ，a 所示。展开式传动布置最简 单，但齿轮两边的轴承不是对称布置。轴承受力不均，轴的挠曲变形会导致齿轮上载荷 沿齿宽分布不均匀。为改善受载大的低速匀轮的承载条件，可采用分流式的传动布置， 见图3 3 ，b 。 采用同轴式的传动布置形式，能实现输入轴和输出轴同轴线安装，见图3 3c ，这种 型式的减速器箱体长度较短而轴向宽度较大，中间轴较长，剐度相对差一些，容易使载 荷沿齿宽分布不均。由于高速级的中心距与低速级相同，高速级齿轮的承载能力不能充 分发挥。 华中科技大学硕士学位论文 睁霹尊 圆柱齿轮减速器的轴线布置可分为卧式和立式两种，见图3 4 。采用何种形式由减 速器机器中的配置方式决定。 3 1 2 行星减速器 雨孓 ，0 人i 形、 工1 户 工作时，当操作阀3 2 的操作手柄接近零位时，液 动阀2 1 弹簧复位，盘形制动器油缸内的油经液压螺旋开关4 1 、二位三通防爆电磁阀4 4 、 液动阀2 l 、调速阀2 2 回油箱。盘形制动器靠其内部的碟形弹簧合闸。实现工作制动。 二级紧急安全制动：在需要紧急停车时，按下紧急停车按钮，断开电源( 或停电时) 或安全保护时，即可实施二级紧急安全制动。首先辅助电机停电，辅助泵停止工作，高 压泵2 回到中位，无压力流量输出。同时，二位三通防爆电磁阀4 4 的电磁铁d t 叭断 电复位，液动阀2 1 由于操作压力降至零靠弹簧复位。由于辅助泵压力逐渐降低，延时 阀2 6 内部的活塞向左移动，使延时阀2 6 的a 口和b 口相通，制动压力降至第一级制 动溢流阎2 8 调定的压力。在蓄能器2 4 的作用下，能使制动压力保压一定时间。延时阀 s 7 华中科技大学硕士学位论文 2 6 内部的活塞继续向左移动，使延时阀2 6 的a 口、b 口、d 口相通。保压结束后，使 盘形制动器油缸压力降至零，盘形制动器合闸，实现二级紧急安全制动。 r 。，j j 二1 i 磐2j 53j 34 + 、 ：l l j j ”州i 啊、， 卜l h ：；( 1 oj _ _ _ 一 lo 1 。+ l 鼎 一- - 一一一 l 一o 一t 二士b jj m m ；i t _ | 4d t d m 7m e i 7 口一t t 一 7 r 一一 一j i r 。“等i “”r i 拦= 兰 持r ：- h ， h k i j i r ，i 马迭& i j j 与一卺毯i j “| ；。 主4 4 平尚 瓯 5b h l 朝r 与； l 谓绳蒯台 7 、o u 4 d t 。2 一卜 一豳 冗8月d 7 吐哿一吨 中射匹 一争产”氪8 1 唐 l p 11 l - 盘形d 动# 图4 7 中压系统改进原理图 一级紧急安全制动：在过卷等情况下，电磁铁d t 0 2 失电或操作手动换向阀3 0 ，使 盘形制动器油缸里的压力油立即流回油箱，实现紧急一级安全制动。 操作控制回路由减压阀1 9 、操作阀3 2 、单向节流阀1 2 、梭阀9 2 、操作压力表4 6 2 、 单向节流截止阀2 0 、液动阀2 l 等液压元件构成。减压阀1 9 为操作阀3 2 提供稳定的油 源。当推动操作阀3 2 操作手柄时，其位移与操作阀3 2 输出压力成比例关系。其中一路 通过梭阀9 2 、单向节流截止阀2 0 到液动阀2 1 ，控制压力油进入盘形制动器，使其松闸。 第二路通过梭阀9 2 到变量液压马达的比例伺服阀的控制腔，使变量液压马达变量。第 三路则经过单向节流阀1 2 到高压泵的h d 控制阀和变量活塞，使高压泵输出流量与操 作压力成正比例关系。第四路到液动阀2 7 ，对于单筒液压防爆提升机和提升绞车，在提 升或下放工况时，因为二级紧急安全制动力不同，所以二级紧急安全制动压力也不相同。 二级紧急安全制动压力由溢流阀2 8 1 和2 8 | 2 分别调定。 5 8 华中科技大学硕士学位论文 安全保护回路 过负荷保护：由高压溢流阀来限定液压防爆提升机和提升绞车最大负载，同时也起 到液压系统自身保护( 限压) 的作用。 过速保护：若液压防爆提升机和提升绞车运行速度超过设定的速度时，速度显示二 次仪表发出超速信号，使系统实施二级紧急安全制动动作。 压力切断保护：由于液压防爆提升极和提升绞车是通过手动操作阀控制的，而操作 者不了解负载的大小，此时手柄的位置，也可能速度过大。当工作压力达到设定的压力 值之后，压力切断保护把油泵的排量调整到零。使得在电机功率一定的条件下，每一种 负载只能达到一个数值的速度，起到了综合保护的作用。 限速保护、减速保护和过卷的保护：当提升容器到达设计减速位置时，深度指示器 上的碰块机构使行程开关发信，操作压力由溢流阀3 3 调定，此时高压泵控制油压力降 低，能示警并开始减速，实现减速保护功能。使液压防爆提升机和提升绞车进行减速( 共 进行四次减速) ，以保证提升容器到达终端位置时的运行速度不超过2 耐s ，实现限速保 护功能。手动控制使液压防爆提升机和提升绞车停车。若增加行程开关，可以使液压防 爆绞车的速度接近零直到停车；若液压防爆绞车再继续运行，刚撞块机构使过卷行程开 关发出信号，使主电机和辅助电机停电，二位二通防爆电磁阀2 9 得电，制动压力突降 为零，制动系统进行一级紧急安全制动。 4 4 4 二级制动阀原理 在井中事故状态下，可以使盘形制动器的油压迅速降低至预先调定的某一值，经延时 后盘形制动器的全部油压值迅速回到零，使提升系统处于全制动状态一即二级制动过程。 在矿井绞车提升中，矿用提升机和矿用提升绞车安全要求：全制动闸所产生到安全 制动力矩值，应满足不同负载( 满载或空载) 在各种运行( 上提或下放重物) 方式下产 生紧急制动减速时，张力比值不超过钢丝绳至h 滑动极限，且同时应满足重载下放减速度 不小于1 5 州s 2 及重载提升减速度不大于5 i i l s 2 。为此提升设备中必须有二级制动功能。 在绞车运行过程中，如出现紧急情况，需要及时停车，如果盘形制动器将卷筒完全闸死， 由于惯性的作用，运动中的提升容器速度依然很高，轻则出现提升容器掉道、侧翻等事 华中科技大学硕士学位论文 故，重则造成提升钢丝绳断裂，引起墩罐、人员伤亡等重大事故，给矿山安全带来重大 隐患。因此提升设备中二级制动性能的好坏，直接影响到提升设备的安全运行性能，它 是提升设备的最后一道防线。 图4 8 二级制动阀原理图 图4 8 为二级制动阀的原理图，其中p 口为阀的迸油口，a 口接盘形制动器。紧急 制动时，主电机及辅助电机关闭，p 口的压力会降低，阀芯在制动器内压力以及蓄能器 内压力的作用下向左移动，当a 口、b 口相通时，一级制动。当a 、b 、d 相通时，二 级制动。阀芯移动的快慢即制动时间由左端节流阀调节。原系统中采用的制动阀为非标 件，性能不稳定，而且增加设备调试时的难度。为了矿山安全及提升绞车的正常使用， 以及保证提升设备的安全性，我们研制了调试方便、安全性能高的二级制动阀。图4 8 所示的二级制动阀现为厂通用件，性能较好，也提高了绞车的通用化程度。 图4 - 9 、图4 - 1 0 分别为提升机智能测试仪( 型号：t s l b ) 实际检测j t y 一2 5 液 压防爆绞车重车上提、重车下放时到二级制动曲线。 c h ，f m 】 c h 4 t c t r j l 图4 9 重车上提紧急制动曲线 哪 掌 鞯 = 重 = 船 l l 蕞 i i 鸯 打i 曩 三 蛙 f | 一 曲， = 一 度 = _ 蟪 = 一 号 、 一 触 一 耕， 一一1 0 、j 薏一= 一qli”，”l”i”，l 华中科技大学硕士学位论文 图4 1 0 重车下放紧急制动曲线 4 4 5 液压绞车的效率分析 液压绞车的效率是指液压绞车的输出功率与输入功率之比。在液压传动系统中，由 于各个液压原件