JX03-034@JTK-1.2型提升绞车剖分滚筒设计
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机械毕业设计全套
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JX03-034@JTK-1.2型提升绞车剖分滚筒设计,机械毕业设计全套
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前 言 毕业设计是 工科 专业教学计划的一个重要组成部分，是各教学环节的继续深化和检验，其实践性和综合性是其他教学环节所不能替代的，通过毕业设计使学生获得综合训练， 有利于培养学生独立工作能力，巩固和提高所学知识 ；全面提高毕业生的素质，使之能较快地适应工程实践， 结合生产 对 培养学 生的实际工作能力具有十分重要的作用。 主要目的是培养 我们 综合运用所学的基础理论，基本知识和基本技能， 去分析和解决本专业范围内的一般工程技术问题，建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序和方法， 如调查研究、查阅文献和收集资料并进行分析的能力 ；制订设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图能力；总结提高撰写论文的能力 ； 检验 我们 综合素质与实践能力的重要依据 。 通过 毕业设计进行工程知识和工程技能的综合训练，使学生走上工作岗位 就具有较强的应用生产现场正在使用和近期可能推广使用的技术去解决工程实际的能力。 毕业设计的基本要求是： （ 1）既要完成任务，又要培养学生，应把对学生的培养放在第一位。在老师的指导下，根据所选定的设计课题通过实习，结合工程实际独立完成设计工作。受到一次机械工程师解决工程实际问题的初步训练，能较快适应生产一线的工艺技术和设备管理工作。 （ 2）通过毕业设计，使我们受到综合运用所学知识解决实际问题的能力，提高自己科研和工程实际中的技术水平，也提高自己的运算能力，识图和制图能力，查阅手册、使用国家级标准和信息资料的能力和文字表达能力等。 （ 3）培养自己独立完成工作的能力，进一步巩固专业知识，使自己具有较强的自学能力和工作适应能力，提高自己运用科研成果和新技术能力，以及对现有机械设备和生产过程进行技术改造的能力。 （ 4）培养学生严谨求实、理论联系实际的工作作风和严肃认真，一丝不苟 的 科学态度，使学生树立正确的生产观点和技术经济观点。 nts 摘 要 ： JTK一 1 2型提升绞车的滚筒原为整体结构，不便于在特殊环境下运输和安装。为满足上述要求，对滚筒进行了剖分设计。剖分后的滚筒在结构尺寸上、强度上及使用性能上达到了原来的要求，能够满足安全提升的需要。 关键词： 提升绞车；剖分；滚筒 Abstract： The drum apparatus of a reversing winch model JTK一 1 2 is an integral body previously not being suited to betransported and installed and the subdivision design to the drum is carried on to meet the requirements of the transportation an dinstallation in unusual environments The SUbdivided cylinder has previous performances in structure-dimensionan dstrength andit can meet the requirement of hoisting safely Key words： reversing winch； subdivision； cylinder nts 目 录 第一章 绪 论 . 1 第二章 总体设计方案 . 2 2.1 设计任务说明 . 2 2.2总体设计人任务及要求 . 2 第三章 电动机的选择 . 3 第四章 钢丝绳设计计算 . 4 4.1 最大悬垂长度 . 6 4.2 钢丝绳每米重 . 7 4.3 钢丝绳的安全 系数校核： . 7 第五章 滚筒设计 . 8 5.1 滚筒的强度计算 . 9 5.2 筒壳的外载荷 . 10 5.3 钢丝绳拉力降低系数 . 10 5.4筒壳的失效形式 . 11 5.5滚筒筒壳强度的有限元分析 . 12 5.5.1 空间的坐标分量 . 12 5.5.2 单元的应变矩阵 B 轴对称空间问题 . 17 5.5.3 单元的应力矩阵 S、刚度矩阵 eK 和总刚度矩阵 K . 20 5.6 滚筒滚壳强度的校核 . 23 5.6.1滚筒筒壳自由段压缩应力的校核 . 23 5.6.2 支轮处筒壳应力的校核 . 23 5.7 筒壳的强度稳定性校核 . 25 5.8滚筒壳剖分设计 . 26 5.9 支轮强度计算分析 . 26 5.10 支轮结构剖分设计 . 29 5.11 滚筒剖分工艺分析 . 30 第六章 主轴的设计 . 32 6.1 主轴的结构设计 . 32 6.2 联轴器及轴承的选择 . 33 6.2.1 联轴器的选择 . 33 6.2.2 滚动轴承的选择 . 35 6.3 主轴强度和刚度计算及校核 . 37 6.3.1 固定静载荷分配于主轴各轮毂作用点上的力 . 37 6.3.2 钢丝绳拉力分配于主轴各轮毂作用点上的力 . 39 6.3.3 作用于轴上水平方向及垂直方向的合力 . 41 6.3.4 计算弯矩 . 41 6.3.5 扭矩计算 . 42 nts 6.3.6危险断面的安全系数计算 . 43 6.3.7按弯扭组合校核强度 . 45 6.4 主轴承强度校核 . 50 第七章 制动系统 . 51 7. 1 制动系统的作用 . 51 7.2 制动系统的要求 . 51 结 束 语 . 54 参考文献 . 55 nts 1 第一章 绪 论 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。 当支轮的变形与简壳的变形相比可以忽略时，称它为刚性支轮，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，刚性支轮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的弹性支轮滚筒结构。 弹性支轮滚筒这种结构共同的持点是取消了支环，用较厚的简壳来承担载荷，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。 弹性支轮滚筒结构的不同之处还在于刚性支轮的辐板与轴线垂直，而弹性支轮滚筒的支轮与轴线成某一角度 (约 3一 6。 )，初看起来，这种倾斜式辐板似乎可以减少筒壳与支轮连接点的刚度从而减小其弯应力，但由于增加了压缩应力，故对减小合成应力水平并不有效，加上它的制造工艺较为复杂，故不再倾向于使用它了。 nts 2 第二章 总体设计方案 2.1 设计任务说明 已知 某矿井为竖井，井深 213 米。矿用绞车一次载重为 2600 千克，罐笼重 1000 千克，绞车滚筒直径设计为 1.2 米， 该绞车主要承担每天的掘进出煤、矸石和全采区的材料、设备运输任务。 2.2总体设计人任务及要求 总体设计的步骤一般由总装草图分拆成部件零件草图，经审核无误后，再由零件工作图、部件图绘制总装图。本阶段的主要任务是对确定的最佳初步总体设计进一步完善。包括选择材料、热处理方法、进行结构形式设计和有关计算，完成机械产品的总体设计图。总体设计图是零件设计的依据。不仅要求严格按比例绘图，而且还要表示出重要部件的主要结构并标注有关的重要尺寸。除此之外，还要完成部件和零件的设计，完成全部生产图，并编制设计说明书等有关 技术文件。 总体设计时，要求部件满足功能要求、零件结构形状要便于制造加工，常用零件尽可能标准化、通用化、组合化、对于总体设计还应满足总功能、人机工程、造型美学、包装运输等方面的要求。此外，还要拟订工艺文件、拟订制造、装配和使用规范，编制技术文件。如实际说明书、标准件、外购件明细表、备件、专用工具明细表等。以下是本次设计的详细步骤： 电动机的选型设计 -钢丝绳设计计算 -滚筒部件的设计计算 -主轴的设计计算及校荷 -液压系统的设计 -其他零部件的选用与设计。 nts 3 第三章 电动机的选择 电动机是专业工厂批量生产的标准部件。电动机分交流电动机和直流电动机两种。由于直流电动机需要电源，结构复杂，价格较高，因此，无特殊要求时不宜采用。电动机工作环境较差，防尘、防爆等性能要求较高，绞车工作在经常启动、制动的场合，要求电动机转动惯量小，过载能力大，故生产中采用三相防爆交流电动机。 主油泵电动机的选择计算 w F V (1 0 0 0 2 6 0 0 ) 9 . 8 3 P = 1 0 5 . 81 0 0 0 1 0 0 0 KW wP w 绞车所需工作效率； V 滚筒的转速，取 V=3m/s； 绞车的机械效率。 1 0 5 . 8 1290 . 8 2wd PP K W 根据书煤炭工业设备手册（上册） 中国统配煤矿总公司物资编 中国矿业大学出版社 可选 YB315L2-6型 132KW、 380V防爆电动机。其具体的参数如下所示： 表 3-1 额定 功率 额定 电压 额定 电流 额定 转速 效率 功率因数 cos 堵 转 转 矩额定转矩 132KW 380V 215.2A 985r/m 93.8% 0.87 1.6n/m 电机 质量 同步 转速 极对数 最大转矩 额定转矩 频率 电机外型尺寸 1310kg 1000r/m 2 2.0n/m 50Hz 14106601020 以上数据来自煤炭工业设备手册（上册） 中国统配煤矿总公司物资编 中国矿业大学出版社 1992.9 nts 4 第四章 钢丝绳设计计算 提升钢丝绳的用用途是悬吊提升容器并传递动力。当提升机运转时通过钢丝绳带动容器沿井作上下直线运动。所以钢丝绳是矿山设备的一个重要组成部分。它对矿井提升的安全和经济直运转起着重要作用。 提升钢丝绳是由数个相同数 目钢丝捻成的绳股绕一绳心捻制而成的一般由六个绳股组成。钢丝直径为 1.0 3.0 毫米，有光面和镀锌两种，镀锌钢丝可以防止生锈和腐蚀。钢丝由于韧性不同而分为特号，号及号三种，提升人员的设备应用特号钢丝绳。钢丝的极限抗拉强度为 1400 2000MPa，竖井提升一般用 1550 1700MPa 的钢丝绳。公称抗拉强度更高的钢丝绳，不易弯曲且较脆 。 钢丝绳的绳芯是用具有较大抗拉强度的有机纤维 -麻捻制而成，称为有机质绳芯其作用是储存绳油，防锈和减少内部钢丝的摩擦，而且可以起衬垫作用，增加钢丝绳的柔软性，在一定程度上能吸 收钢丝绳工作时产生的振动和冲击。 常用钢丝绳的分类和使用范围如下： 1.按捻制方向分 （ 1）左捻的 绳股捻制成钢丝绳时是自右向左捻转； （ 2）右捻的 绳股是自左向右捻转。 当钢丝绳缠绕在滚筒上呈左螺旋时，则选用左捻钢丝绳，反之选用右捻钢丝绳， 这主要是为了避免钢丝绳松捻。 2.按捻制方法分 （ 1）交互捻 绳中股与股中丝的捻向相反，有交互右捻和交互左捻两种。 （ 2）同向捻 绳中股与股中丝的捻向相同，也有同时右捻和同时左捻两种。 同向捻的钢丝绳较柔软、表面光滑、使用寿命长，但悬挂困难，容易松散 和卷成环 状。同向捻钢丝绳在我国竖井提升中使用较普遍，在架空索道牵引索和钢 丝绳牵引胶带输送机中也都采用。交互捻的钢丝绳多用于斜井提升。 3.按钢丝绳的断面形状可分为：圆形股、异形股 。 此外，还有椭圆股钢丝绳等。异形股钢丝绳较圆形股钢丝绳可以增加支撑面积，从而nts 5 减轻钢丝绳的磨损，增加使用寿命，当然制造上也相应复杂一些。三角股钢丝绳在我国多绳摩擦提升中得到广泛使用，也可以用于绳罐道和架空索道的承载索。 圆形股钢丝绳易超造，价格低，故在矿山提升中常用。 4.按钢丝绳的直径分 分为等直径股和不等直径股 5.其他 还 有多层股钢丝绳、密封钢丝绳、扁钢丝绳等。 按钢丝绳的断面形状可分为：圆形股、异形股 圆形股钢丝绳易超造，价格低，故在矿山提升中常用。 钢丝绳在工作时受多种应力的作用，如静应力、动应力、弯曲应力、扭曲应力、扭转应力等，这些应力的反复作用将导致钢丝绳的疲劳断裂，这是钢丝绳破坏的主要原因；另外钢丝绳的磨损及锈蚀也将导致钢丝绳的破坏。因此，综合反映上述应力的疲劳计算是一个比较复杂的问题，虽然国内外在这方面作了大量的研究工作，取得了一些成绩，但是由于钢丝绳的结构复杂，影响因素较多，钢丝绳强度计算理论尚未 完善地应用于工程计算。因此，钢丝绳的强度计算仍按煤矿安全规程的规定：钢丝绳应按最大静载荷并考虑一定的安全系数的方法进行计算。 钢丝绳的安全系数，根据安全规程的规定为钢丝破断力之和与最大静负荷之比。并规定提升钢丝绳的安全系数为： 1）专为升降人员用的不得低于 9； 2）升降人员和物料用的不得低于 7.5； 3）专为升降物料用的不得低于 6.5； 4）摩擦轮提升用的不得低于 8。 如图 3 1 示，为竖井单绳提升钢丝绳的计算示意图，可知钢丝绳的最大静载荷 Qmax是在 A点，其值为 ： nts 6 3 1 竖井单绳提升钢丝绳的计算示意图 Qmax=Q+Qr+ CpHQmax 钢丝绳最大计算静载荷（千克）； Q 容器一次提升量（千克）； Qr 容器自重（千克）； p 钢丝绳每米的重量（千克 /米）； CH 钢丝 绳的最大悬垂长度（米）， 4.1 最大悬垂长度 对于罐提升 2 0 2 1 3 2 3 3 ( )jH c H H s m 式中 jH 井架高度，暂取 20米； Hs 矿井深度， 213米。 jH 井架高度，此数值在计算钢丝绳时尚不能精确确定，可采用下列数值： nts 7 罐笼提升 =1525米 4.2 钢丝绳每米重 2 6 0 0 1 0 0 0 1 . 3 6 ( / )170001 . 1 2 3 31 . 16 . 5rbQQp k g mHcm 式中 Q 是一次载重，千克； Qr 是容器自重； p 是提升钢丝绳的单位长度重量，千克 /米； Hc 是钢丝绳的最大悬垂长度，米； Hs 是矿井深度，米； b 是钢丝绳的极限抗拉强度一般取 1700 MPa; m 是钢丝绳的安全系数 由 P=1.36千克 /米，查表选择纤维芯钢丝绳，其技术规格如下： 绳径 20毫米，每 100 米重 142.9千克即 P=1.429kg，钢丝直径 1.3mm，钢丝总断面积 S0=151.24 mm，即最小钢丝绳破断拉力总和 Qd=25700kg。 4.3 钢丝绳的安全系数 校核 ： 根据选择钢丝绳的标准值验算安全系数： rC25700 6 . 5 3 6 . 5Q + Q + p H 2 6 0 0 1 0 0 0 2 3 3 1 . 4 2 9dQm 式中 P 是所选择标准提 升钢丝绳的单位长度重量，千克 /米； Qd 是所选择标准提升钢丝绳所有钢丝破断力之和，千克。 故此钢丝绳符合使用要求 nts 8 第五章 滚筒设计 滚筒的作用主要是通过主轴把电动机传递给它的转速和转矩转化成绕在它上面的钢丝绳的线速度，以提升和下放物体。 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。 针对滚筒部分的结构特点，提出了如下剖分结构设计方案：滚筒整体采用焊接方式，主轴部分尺寸原封不动，轮毂从制动支轮和右支轮上分离出来，单独进行铸造，制动 支轮、右支轮和滚筒壳剖成两半，重点放在制动支轮和右支轮的剖分设计上。 滚 筒是用来缠绕钢丝绳，并且承受钢丝绳的拉力所造成的各种载荷的主要部件和传递动力的元件。滚筒一般由三部分组成，即筒壳、法兰盘（支轮）和支环。筒壳是滚筒最基本和最薄弱的元件，是滚筒的主要承载部分。其厚度一般为 mmmm 2010 ，本次设计中取为 =20mm，其结构简图如 5-1所示。支环的作用是增加滚筒的稳定性。筒壳和支轮的材料为 Mn16 钢板。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，故设计时在筒壳外装有木衬。但木衬对筒壳的保护只有在筒壳的形状比较规则，没有发生较大的变形，并且合适的木材制作木衬（现常用柞木、水曲柳或榆木等制作），使木衬与筒壳能各处均匀严密接触的情况下才是有效的，故在安装提升机时，要求筒壳的外形是比较规则的圆柱体，木衬用上述木材制作，并按规定车制绳沟。装设木衬时，应使木衬衬条在长度方向上与筒壳均匀严密的接触，木衬衬条之间的缝隙应尽量予以消除。在使用过程中当木衬已经磨损时，应及时予以更换。 木衬每 块的长度与滚筒宽度相等，即为 1500mm，每块的宽度为适宜于制造起见，不超过 mm200150 ，每块的厚度应不少于钢丝绳直径的两倍，取为 50mm。固定滚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，并须用木楔将木衬缝填满。 nts 9 图 5 1 筒壳结构 使用中的木衬，当因磨损使螺钉头的沉入深度尚存 10mm时，即应重新更换。滚筒木衬必须刻制绳槽，沟槽深度 A=0.35d0 0.35 1.3 0.455mm d0钢丝直径 两相邻沟槽的中心距 t=d+(2 3)mm=20+(2 3)=22mm 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，故筒壳的结构设计应保证滚筒的各个部分有足够的强度和刚度，并应尽量使各部的强度和刚度均匀，以便使筒壳能足以适应外力和内力的变化，而不致产生变形。 木衬的结构如 图 所示： 5.1 滚筒的强度计算 作用在滚筒筒壳上的外载荷主要有下列几种： （ 1）已经缠绕到滚筒的钢丝绳绳圈对筒壳 所施加的径向压力 （ 2）尚未缠绕到滚筒上的钢丝绳的静拉力对筒壳所施加的弯矩和扭矩 分析指出，由弯矩和扭矩所引起的筒壳的弯曲应力和扭矩应力与压缩应力相比，数值很小，可以忽略不计。由已经缠绕到滚筒上的钢丝绳绳圈的径向力所引起的筒壳自由段的压缩应力具有很高的值， 压缩 能达到 12001500kg/cm2，而在法兰盘（支轮）处，筒壳的弯nts 10 曲应力具有更高的值。 弯曲 能达到 25003000kg/cm2， 这样高的应力甚至超过了筒壳材料的屈服极限。 所以，缠绕式提升机滚筒筒壳的强度计算不仅是指筒壳自由段的压缩 应力和法兰盘处筒壳的弯曲应力计算，并应使筒壳在这些地方的最大应力不超过筒壳材料的许用应力。 5.2 筒壳的外载荷 筒壳上的单位面积压力 q 2/ / ( / )q p t S r t k g c m 23932.6359 2.230 /kg cm 式中， S 钢丝绳最大静拉力 S=3932.93kg r 筒壳厚度平均半径 1 2 0 0 2 2 0 2 0 5922r c m t 缠绕绳圈的节距 t 2.2cm 5.3 钢丝绳拉力降低系数 由 E h tFEaaC KK5.0115.011 式中 a 变形修正系数，对于筒壳中部，可取 a=1，筒壳端部取小下 a=0。 B 筒壳宽度 661 . 0 1 0 1 . 5 1 2 4 0 . 1 7 22 1 0 2 . 0 2 . 2KKEFE h t 式中 Ek 钢丝绳的弹性模数， Ek=（ 0.751.5） 106kg/cm2，取 Ek=1.0 106kg/cm2； E 筒壳钢板的弹性模数， E=2 106kg/cm2； FK 钢丝绳中所有钢丝的横截面积，取 FK=1.5124cm2； nts 11 h 滚壳厚度 h=2.0cm； t 绳圈缠绕节矩 t=2.2cm； 则 1 1 0 . 9 2 11 0 . 5 1 0 . 1 7 2C （筒壳中部） 12C （筒壳端部） 两种计算结果相差不远，故以后计算取 C=1。 5.4 筒 壳的失效形式 滚壳的失效形式主要有： (1) 裂纹 出现于筒 壳、支轮及支环上。筒壳上的裂纹多出现于圆周方向和螺钉孔处。如图 5 3所示。支轮的裂纹多出现于螺孔周边，呈放射状。支环的裂纹多出现于焊缝处或支环断裂。 图 5-3 筒壳的裂纹形式示意图 (a)沿筒壳圆周方向局部开裂； (b)沿焊缝和支轮处局部开裂 1 筒壳； 2 支环 (2)局部变形过大 多数是筒壳中部塌陷。 (3)连接螺拴被剪断或弯曲变形过大，造成这些失效的原因是复杂的，一般来说可能有： 理论计算有误 例如某矿使 用的 2 4 1.7仿苏型提升机，根据正确计算应有 3 4nts 12 个支环，而实际只有两个，故造成卷筒强度不足； 结构设计不良 造成卷筒各部分刚度相差过大。例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； 加工安装不当 例如卷筒不圆，或支环与筒壳贴合不好等； 使用维修不当 例如过载，以及加速度过大等； 原材料有缺陷 例如内部裂纹等； 焊接工艺不当 例如焊条或焊接参数选用不当，焊接处清洗不净，以及焊后不净；热处理或热处理不 当造成焊接残余应力过高等； 原设计许用应力选取过大 例如苏制或仿苏的 2 4 1.7 和 2 4 1.8 提升机，标准中可以采用 8 吨卸式箕斗，钢绳直径可达 47.5mm，钢绳最大静拉力可分别达到 17.5 吨和 18吨，而筒壳厚度仅有 16mm，其应力可达 180 200MPa，因此就很容易出现裂纹。 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。法兰盘或轮毂与主轴连接处的切向 松动，游动卷筒的法兰盘或轮毂与主轴之间的间隙过大，或在轮毂与主轴过盈配合的情况过盈量过小等，造成法兰盘或轮毂在主轴上晃动或轴向窜动，从而给简壳带来附加扭曲。焊接结构的卷简中，主要是焊缝的强度不够或焊接内应力过大。 筒壳外形不规则，椭圆度过大等等。 上述缺陷均会使卷筒筒壳失去稳定的工作状态，使用一段时间后，出现连接螺钉折断、卷筒发响等不正常现象。以致在正常负荷下筒壳变形和开裂，为此，应提高加工、装配和安装质量，使用时应经常检查各连接处的情况，发现异常现象时，应及时检修并处理。卷筒筒壳不要使用有缺陷的钢板制作 ，而必须用检查质量合格的钢板制作。目前，强度低的合金 16Mn 钢板得到普遍的应用，此种钢板的强度较 45 钢提高 30。 5.5 滚筒筒壳强度的有限元分析 5.5.1 空间的坐标分量 如图 5 4所示。取微元体，采用柱坐标时其应力分量为：),(),(),(, rrrzzrzzzrz nts 13 根据剪应力互等定理，共有六应力分量 图 5-4 轴对称应力分布 zrzrzr rrrrvrvrrrruwzvzrwzurzurzwzvrur,（ 3-57） 轴对称问题， 0，且 u与 与 无关，故由式 (3-57）可知 0因为 zzrr rGG 所以 0 zr故轴对称问题，其应力分量剩下 4个，其 4个应变分量分别为： nts 14 rzzr zurwzwrururrzzr（ 3-58） 由广 义虎克定律 (材料力学或弹性力学 )可知 又可以写成： rzzzrzzrzrrErEEE)1(20000)(10)(10)(1)1(2 rzrzzrzzrzrrEEEE（ 3-59） 由式（ 3-59）前 3 个式子可求得 2322232111111 rzzrzrrEEEE)21)(1(11)1()21()1()1)(1()21()1()1()1()1(222zrzrzrEEE所以 zrrE111)21)(1()1(nts 15 类似可得 zrzzrEE111)21)(1()1(111)21)(1()1(又由式 (3 59)的最下面的式子有 rzrzEE )1(2)21()21)(1()1()1(2 归结以上可写成 )1(221000011101110111)21)(1()1(E（ 3-60） 令弹性矩阵 D为 )1(221000011101110111)21)(1()1(ED（ 3-60a） 显然，弹性矩阵只与材料性质 E、有关。故式 (3 60)可写成 D 采用柱坐标时，微元体的平衡方程式为 (由弹性力学 ) nts 16 01021021ZrrTrzrrRrrrzzzzrrzrzrrzzrrr轴对称问题，因为 0zr ，且各量 与无关，故变成 (不考虑体积力 ) 00rr z rrzr z r z r zrr （ 3-61） 四个应力分量 ，二位、，四个应变量、 urzzrrzzr共十个未知数。式 (3 58)、式 (3 60)、式 (3 61)共十个独立方程式。从理论上是可解的，但除式(3 60)中 4个式子为代数方程式外，其余均为微分方程式，所以一般很难解出。 一般采用数值解法，有限元法是数值解法中应用最广 的方法。 由式 (3 58)、式 (3 60)、式 (3 61)十个方程可知，只要设法知道了 u(r， z)和 (r，z)，利用式 (3 58)中的 4 个式子可求出应变分量，再由式 (3 60)求出 4 个应力分量，即可求解。 由弹性力学可知，节点位移的有限元法基本方程是 RK 式中 K 弹性体的总刚度矩阵，是单元体刚度矩阵 的集合； R 节点的荷载列阵； R、 K根据问题可得的，然后解大型方程组 (3 62)，就可求得各： 后根据所求得各节点的位移，最后根据所求得各结点的位移，代回到各单元体中的公式。 v Te dVBDBK （ 3-63） 求得各节点或单元体重心的应力分量。 nts 17 由弹性力学可知，单元刚度矩阵 eK 为 dVBDBK TV （ 3-64） 式中 V为单元体的体积 综合式 (3 63)、式 (3 64)可知，为求 K和 必须要先求出 单元的应变短阵 B。只要求出 B即可求出单元应力矩阵 S=BD下。下面先求单元的应变短阵 B。 5.5.2 单元的应变矩阵 B 轴对称空间问题 在 zor 平面中 (即子午平面中 )把构件划分成许多三角形，对于轴对称问题，单元为以此三角形为截面的圆环体。 因为轴对称问题中 v=0，所以只有 u、两个位移分量。在三角形截面，可认为 u、和坐标 r、 z呈线性关系，即有 1 2 34 5 6u r zrz （ 3-65） 设此三角形三个顶点 (即单元的节点 )的标号为 mji 、 ，其单元的标号为 e，则其单元的节点位移 e 为 Tmmjjiie uuu 、 首先求出在单元中 u(r， z)和 (r， z)的一般表达式，利用式 (3 58)就可求得 与 间的关系，从而可求出 B。把 中各量分别代入式 (3 65)中就可得到 1 2 31 2 31 2 3i i ij j jm m mu r zu r zu r z （ 3-66a） 4 5 64 5 64 5 5i i ij j jm m mrzrzrz （ 3-66b） nts 18 mmjjiimmmjjjiiizrzrzrzruzruzrua111122)()()(mmjjiimijjijmiimijmmjuauauauzrzruzrzruzrzr2)()()(2 mjijimimjuzzuzzuzza 2 mmjjiiububub 2)()()(3 mjijimimjurrurrurra 2 mmjjiiucucuc 把所得321 aaa 、代回到式（ 3-65）中得 )()()(2 1 mmmmjjjjiiii uzcrbauzcrbauzcrbau （ 3-67a） 同样由式（ 3-66b）式可得 )()()(2 1 mmmmjjjjiiii zcrbazcrbazcrba （ 3-67b） 因为三角形面积 )(2111121ijjimmjjiicbcbzrzrzr (3-68) nts 19 把式 (3 67a)、 (3 67b)代入到式 (3 58)中可得 令 zrcbrafzrcbrafzrcbrafmmmmjjjjiiii（ 3-70） 汇总式 (3 69)、式 (3 70)并写成短阵形式可得 mmjjimjimjimjizrzrbcbcbiccccfffbbb00000000021 （ 3-71） 令 mmjjiimjimjimjibcbcbccccfffbbbB00000000021 （ 3-72） 则式 (3 71)可简写成 eB （ 3-73） B称为单元的应变矩阵。 从式 (3 72)可知， B 中除了第 2 行的量外，mji bbb ,和mji ccc ,均只与本单元的节nts 20 点坐标有关，即对一个单元来讲为常数。 由于 B中第 2行的量mji fff ,是随着 r， z的坐标不同而不同，因此，对于轴对称的空间问题来讲，单元的应变矩阵对一个单元来讲，不再是不变的，当 r， z代人某个节点的数值时，即是这个节点的应变矩阵。 5.5.3 单元的应力矩阵 S、刚度矩阵 eK 和总刚度矩阵 K （ 1）单元的应力矩阵 mmjjiimjimjimjibcbcbccccfffbbbAAAAAAAEBDS000000000000010101)21)(1(2)1(2111111 mmjjiimmmjjjiiimmmjjjiiimmmjjjiiibAcAbAcAbAcAcfbAcfbAcfbAcAfbAcAfbAcAfbAcAfAbcAfAbcAfAbE222222111111111111111)()()()21)(1(2)1( （ 3-74） 式中 )1(2 21,1 21 AA（ 2）刚度短阵 eK mmjjiimmmijjiiimmmjjjiiimmmjjjiiimmmmmjjjjjiiiiioebAcAbAcAbAcAcfbAcfbAcfbAcAfbAcAfbAcAfbAcAfAbcAfAbcAfAbbccfbbccfbbccfbErK222222111111111111111)()()(000000000)21)(1()1(nts 21 )21)(1()1(0 ErKKKKKKKKKemmemjemiejmejjejieimeijeii （ 3-75） 式中 )(310 mji rrrr 式（ 3-75）中： 1 1 2 1 1 21 2 21 2 1 21 2 2( ) ( )()( ) ( )()e r s s r s s r s r s r s r srsr s s r s r s r sr s r s r s r s r s r r r s r sr s s r s r s r sb b A f f A b f c A c b A c f A c c A bKc A b f b A c c c b A bb b f f A b f f b A c c b A b f c A c bA c b f A b c c c A b b （ 3-76） 因为 D是对称矩阵，所以 BTDB也是对称矩阵。故刚度矩阵 Ke是对称矩阵，而且是6 6方阵。 （ 3）总刚度矩阵 K eKK )211)(1()1(212222111211 oenneneneneeenerKKKKKKKKK(3-77) 式中 n 节点总数。 所以 2n 2n矩阵，也是对称矩阵。 （ 4） 节点载荷列阵 R 首先要求得每个单元的节点载荷列阵 Re，如图 5 5所示。对匀质、等厚度的三角形单元来讲，若考虑自重，只须把单元重量的 1/3移到每个节点上去。 nts 22 图 5-5 节点载荷 面力的移置：等效力 ejR按静力等效原则，有 )322(623)(22310iijiijiijejqqqllqllqqdqlqqlR 所以同样可得 )2(6)2(6jieiijejqqlRqqlR （ 3-78） 如果再加节点上的集中载荷 Tmmijjie YXYXYXR 总的节点载荷列阵为 nneYXYXYXRR2211（ 23） nt河南理工大学本科毕业设计（论文）中期检查表 指导教师： 张昌娟 邓小玲 职 称： 讲 师 所在院（系）： 机械与动力工程学院 教研室（系、研究所）： 机制教研室 题 目 JTK-1.2 型提升绞车剖分滚筒设计 学生姓名 赵志敬 专业班级 机制 05-1 班 学 号 0503010113 一、进度情况说明 1.选题为 JTK1.2 提升绞车 剖分 滚筒设计， 设计与所学的专业课程紧密联系，符合专业培养目标。这次设计工作中需要对所学的知识进行综合的加以应用，能 熟悉的应用有关的参考资料，并且能培养查找专业的资料。 可以对我们大学四年所学知识进行一次全面的练习 。 2这次设计所选的题目难易程度适中，并且第一次接触滚筒 剖分 设计，能培养同学的自主创新的能力。 3题目的工作量：要求完成 3.5 张以上的 A0 图纸， 2.5 3 万的说明书一份。 4这次设计的选题不但能紧密的结合生产和实践，属于所学习的范围之类，对学生以后不管是科研还是从事实际的工作对有很大的帮助。 二、阶段性成果： 1.完成开题报告 2.设计说明书已经基本完成，剩余 部分 调整的工作 3.初步绘制草图 4.英语著作翻译已经完成 5.毕业实习报告已经完成 nts三、存在主要问题及解决方法 对 JTK 提升绞车滚筒不够了解，初次剖分未考虑滚筒 支轮的铸造结构，后改正选用为 焊接 结构支轮 。 四、指导教师对学生在毕业设计（论文）中的纪律及毕业设计（论文）任务的完成进展等方面的评语 指导教师： （签名） 年 月 日 nts河南理工大学本科毕业设计（论文）开题报告 题目名称 JTK-1.2 型提升绞车剖分 滚筒 设计 学生姓名 赵志敬 专业班级 机制 05-1 班 学号 0503010113 一、选题的目的和意义 ： 毕业设计是我们大学生活最后的一项重要学习任务， 是对四年所学知识的总结和灵活运用 ，而且是在一段相对集中的时间段内对自己的一个知识检测，完善自己在本科学习阶段的知识汇总与继续学习弥补，是我们结束本科学习，走上工作岗位或进一步深造的必由之路，对于我意义重大。 通过本次毕业设计，能使我们把先修的基础和专业基础课程中所 获得的理论知识在实际的设计工
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