毕业设计论文：JT- 1.2 型提升绞车滚筒部分设计（剖分式）

欢迎下载本文档参考使用，如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系q1484406321河南理工大学2010届本科毕业设计论文前 言毕业设计是对大学四年所学的专业知识和基础知识的一个系统性的总结与运用，同时也是一次培养我们分析问题和解决问题的很好的机会，而且毕业设计也是大学教学的最后一个环节，所以我特别珍惜这一次最后的学习机会，认真扎实的完成我所分配的设计任务，使大学最后的几个月生活在学习和进取中充实的度过。另外，毕业设计还可以培养独立思考，开发思维和协调工作的能力，这对我参加工作后能否尽快地适应社会有很大的帮助。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。 本次设计的题目是JTK1.2型提升绞车滚筒剖分设计。提升绞车作为矿山的常用提升设备,一般用于矿区的地面提升,也可用于铁矿等无瓦斯的井底提升。JTK- 1.2 型提升绞车在铁矿等无瓦斯井底或特殊地面作业时,由于绞车是分体式结构,其滚筒尺寸相对某些特殊环境有点过大,这给提升绞车的运输和安装带来不便,甚至出现绞车无法运输到指定地点进行安装情况。针对此现象,对绞车的滚筒进行剖分设计,化大尺寸为小尺寸,以满足运输要求,而使用性能不变。由于本人知识有限,实际生产经验不足,所以在设计中难免出现错误与不足,敬请各位老师和同学批评指正!摘 要JTK系列提升绞车可供煤矿、金属矿、非金属矿在倾斜巷道作升降物料和人员之用，也可作为小型竖井的提升设备。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。JTK- 1.2 型提升绞车在铁矿等无瓦斯井底或特殊地面作业时,由于提升绞车是分体式结构,而绞车的滚筒原为整体结构，且尺寸相对某些特殊环境有点过大,这给提升绞车的运输和安装带来不便,甚至出现绞车无法运输到指定地点进行安装情况。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 支轮AbstractJTK Series hoist for coal, metal mining, non-metallic mineral movem-ents in the tilt of roadway materials and personnel for use in small sha-ft can also be used as the upgrading of equipment. According to the di-fferent manufacturing process which could take the drum hoist structure casting a hybrid welding (support wheel for the casting, roller for weld-ing) and the welding-type.When the winch model JTK-1.2 is working on the ground promoting of the mine without gas like iron ore or special ground promoting,as th-e reversing winch is split structure, but the cylinder of the winch is an integral body previously,and the size is a little excessive relative to so-me special condition ,this bring about inconvenient for transporting and mounting of the winch ,even appearing the situation that the winch can not be transported to the specified location. The subdivision design to t-he drum is carried on to meet the requirements of the transportation an dinstallation in unusual environmentsThe SUbdivided cylinder has pr-evious performances in structure-dimensionan dstrength andit can meet t-he requirement of hoisting safelyKey words：reversing winch；subdivision；cylinder；support wheel目录第一章 绪 论1第二章 总体设计方案22.1设计任务说明22.2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44.1最大悬垂长度64.2钢丝绳每米重74.3钢丝绳的安全系数校核：7第五章 滚筒设计85.1滚筒的结构分析85.2滚筒的强度计算105.3筒壳的外载荷105.4钢丝绳拉力降低系数115.5筒壳的失效形式125.6滚筒筒壳强度的有限元分析145.6.1 空间的坐标分量145.6.2 单元的应变矩阵B轴对称空间问题185.6.3 单元的应力矩阵S、刚度矩阵和总刚度矩阵215.7滚筒滚壳强度的校核245.7.1滚筒筒壳自由段压缩应力的校核245.7.2支轮处筒壳应力的校核255.8筒壳的强度稳定性校核275.9滚筒壳剖分设计285.10支轮强度计算分析285.11 支轮结构剖分设计305.12 滚筒剖分工艺分析31第六章 主轴的设计336.1主轴的结构设计336.2联轴器及轴承的选择356.2.1联轴器的选择356.2.2滚动轴承的选择376.3 主轴强度和刚度计算及校核396.3.1 固定静载荷分配于主轴各轮毂作用点上的力396.3.2 钢丝绳拉力分配于主轴各轮毂作用点上的力416.3.3 作用于轴上水平方向及垂直方向的合力436.3.4 计算弯矩446.3.5 扭矩计算456.3.6危险断面的安全系数计算466.3.7按弯扭组合校核强度486.3.8 挠度计算496.4主轴承强度校核52第七章 制动系统537.1制动系统的作用537.2制动系统的要求53致谢56参考文献5758第一章 绪 论矿山提升机是矿山大型固定机械之一。矿山提升机从最初的蒸气机拖动的单绳缠绕式提升机发展到今天的交-交变频直接拖动的多绳摩擦式提升机和双绳缠绕式提升机，经历了170多年的发展历史。目前，国内外经常使用的提升机有单绳缠绕式和多绳摩擦式两种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。JT系列提升绞车可供煤矿、金属矿、非金属矿在倾斜巷道作升降物料和人员之用，也可作为小型竖井的提升设备。此外，还可以地下或地面作其它运输及辅助工作。JT-0.8型矿用提升绞车主要用于矿井运输、调车及斜坡提升物料之用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。滚筒外一般设有木衬，并在其上车出绳槽，目的是减少钢绳与简壳直接接触面造成的磨损，并使钢绳排列整齐。绳槽有螺旋形及环形两种，在单层缠绕时采用螺旋形绳槽就足以使排绳整齐。河南理工大学2010届本科毕业设计论文第二章 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。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式中： 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，=0.82； 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132KW380V215.2A985r/m93.8%0.871.6n/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1310kg1000r/m 22.0n/m50H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。它直接关系到矿井的正常生产、人员的生命安全和运转的经济性，所以钢丝绳是矿山提升设备的一个重要组成部分。 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，一般由六个绳股组成。钢丝直径为1.03.0mm，有光面和镀锌的两种，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制成的钢丝绳。钢丝的极限抗拉强度为14002000MPa，竖井提升一般用15501700MPa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损，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。圆形股钢丝绳易制造，价格低，故在矿山提升中常用。4.按钢丝绳的直径可分为：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。提升钢丝绳在工作中将受到各种载荷的作用：静应力、弯曲应力、编捻应力、接触应力、动应力等，上述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41示，为竖井单绳提升钢丝绳的计算示意图41 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：Qmax=Q+Qr+ Qmax钢丝绳最大计算静载荷（Kg）；Q 容器一次提升量,2600Kg； Qr 容器自重,1000Kg； 钢丝绳每米的重量（Kg /m）；Z 钢丝绳的最大悬垂长度（m），4.1最大悬垂长度对于罐笼提升：式中 矿井深度，213米； 井架高度，罐笼提升=1525米，在此暂取=20米。4.2钢丝绳每米重式中 Q是一次载重，Kg； Qr是容器自重, Kg； 是提升钢丝绳的单位长度重量，Kg/m； 是钢丝绳的最大悬垂长度，m； 是矿井深度，m； 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 Kg/m，查表选择纤维芯钢丝绳，其技术规格如下： 绳径20mm，每100m重142.9Kg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为： 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：式中 P是所选择标准提升钢丝绳的单位长度重量，Kg/m； Qd是所选择标准提升钢丝绳所有钢丝破断力之和，Kg。 故此钢丝绳符合使用要求第五章 滚筒设计5.1滚筒的结构分析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。滚筒结构示意图如图5-1所示：图5-1 滚筒结构示意图1制动支轮2. 滚筒木3. 滚筒壳4. 加强支环5. 右支轮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，本次设计中取为=20mm，其结构简图如5-2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 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，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。图52 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=0.35d00.351.30.455mmd0钢丝直径两相邻沟槽的中心距 t=d+(23)mm=20+2=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5-3所示：图5-3 木衬结构5.2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。5.3筒壳的外载荷筒壳上的单位面积压力式中， 钢丝绳最大静拉力 r筒壳厚度平均半径 t缠绕绳圈的节距 t2.2cm5.4钢丝绳拉力降低系数 由 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筒壳宽度式中Ek钢丝绳的弹性模数，Ek=（）106kg/cm2，取Ek=1.0106kg/cm2；E筒壳钢板的弹性模数，E=2106kg/cm2；FK钢丝绳中所有钢丝的横截面积，取 FK=1.5124cm2；h滚壳厚度 h=2.0cm；t绳圈缠绕节矩 t=2.2cm；则 （筒壳中部） （筒壳端部）两种计算结果相差不远，故以后计算取C=1。5.5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54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5-4 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241.7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241.7和241.8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180200MPa，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0.5mm)；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。5.6滚筒筒壳强度的有限元分析5.6.1 空间的坐标分量 如图55所示。取微元体，采用柱坐标时其应力分量为： 根据剪应力互等定理，共有六应力分量 图 5-5轴对称应力分布 （3-57）轴对称问题，0，且u与与无关，故由式(3-57）可知因为 所以 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： （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： （3-59）由式（3-59）前3个式子可求得 所以 类似可得 又由式(359)的最下面的式子有 归结以上可写成 （3-60）令弹性矩阵D为 （3-60a）显然，弹性矩阵只与材料性质E、有关。故式(360)可写成 采用柱坐标时，微元体的平衡方程式为(由弹性力学) 轴对称问题，因为，且各量与无关，故变成(不考虑体积力) （3-61） 四个应力分量共十个未知数。式(358)、式(360)、式(361)共十个独立方程式。从理论上是可解的，但除式(360)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(358)、式(360)、式(361)十个方程可知，只要设法知道了u(r，z)和(r，z)，利用式(358)中的4个式子可求出应变分量，再由式(360)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 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(362)，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。 （3-63）求得各节点或单元体重心的应力分量。 由弹性力学可知，单元刚度矩阵为 （3-64）式中 V为单元体的体积 综合式(363)、式(364)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。5.6.2 单元的应变矩阵B轴对称空间问题 在平面中(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 （3-65） 设此三角形三个顶点(即单元的节点)的标号为，其单元的标号为e，则其单元的节点位移为 首先求出在单元中u(r，z)和(r，z)的一般表达式，利用式(358)就可求得与间的关系，从而可求出B。把中各量分别代入式(365)中就可得到 （3-66a） （3-66b） 把所得代回到式（3-65）中得 （3-67a）同样由式（3-66b）式可得 （3-67b）因为三角形面积 (3-68)把式(367a)、(367b)代入到式(358)中可得令 （3-70）汇总式(369)、式(370)并写成短阵形式可得 （3-71） 令 （3-72）则式(371)可简写成 （3-73） B称为单元的应变矩阵。 从式(372)可知，中除了第2行的量外，和均只与本单元的节点坐标有关，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。 5.6.3 单元的应力矩阵S、刚度矩阵和总刚度矩阵 （1）单元的应力矩阵 （3-74）式中 （2）刚度短阵 （3-75）式中 式（3-75）中： （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66方阵。 （3）总刚度矩阵K (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56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。 图 5-6 节点载荷面力的移置：等效力按静力等效原则，有 所以同样可得 （3-78）如果再加节点上的集中载荷 总的节点载荷列阵为 （23） 求出后，用式(362)求，然后代回到各单元体，求，求解完毕。5.7滚筒滚壳强度的校核5.7.1滚筒筒壳自由段压缩应力的校核1）滚筒滚壳自由段压缩应力的计算 滚筒滚壳自由段的长度应满足 cm故取 L=45cm式中， R滚筒半径； h筒壳厚度。查机械设计课程设计指导书（航空工业出版社）表114 16Mn钢板的许用压缩应力 =1800Kg/cm2 。 一层缠绕时，在绳圈均布载荷作用下筒壳自由段的压缩应力为式中 T钢丝绳的最大静拉力（N）； 滚筒筒壳的厚度（cm），； t 钢丝绳在滚筒上的缠绕节距（cm），t=2.2cm； 钢丝绳拉力降低系数，C=1。由于钢丝绳应力满足要求，故满足筒壳压缩应力需求。5.7.2支轮处筒壳应力的校核（1）首先决定筒壳与支轮的结构类型 如图5-7所示，当认为筒壳与支轮的连接为固接结构，而与之相反，应将其视为铰接结构。另外，如果筒壳与支轮连接处沿圆周方向分布较多时，亦可视为固接结构。图5-7 筒壳支轮的连接结构 因为 式中， r-筒壳厚度平均半径，r=59.0cm；h-滚筒筒壳的厚度（cm），h=2.0cm；=4.5cm因此，筒壳与支轮的连接应该视为铰接结构。（2） 滚筒支轮轮缘直径 D1滚筒支轮轮缘直径； d 钢丝绳的直径，d=20mm（3）在最大弯曲力矩处筒壳的压缩应力 式中，Cz支轮处钢丝绳拉力降低系数，当支轮的刚度足够大时，可以认为支轮处的筒壳不变形，故Cz=1。在支轮与筒壳自由段之间的区段，近似取平均值 q筒壳上的单位面积压力 r筒壳厚度平均半径，r=59cm； h滚筒筒壳的厚度， h=2.0cm； 在最大弯曲力矩处筒壳的压缩应力为 根据最大剪应力理论，合成应力 波桑比， 故支轮处筒壳强度足够。 （4）支环处筒壳应力的校核在焊接支环处，筒壳的压缩应力为： 式中 KZh支环的刚度系数，一般取，此处 取KZh=0.5； CZh钢丝绳拉力降低系数式中 C筒壳自由段钢丝绳拉力降低系数 在焊接支环处的弯曲应力为： 根据最大剪应力理论，合成应力为故支环处的筒壳强度足够。5.8筒壳的强度稳定性校核 二支环间筒壳的稳定性条件为：式中 qk筒壳表面的临界单位压力（kg/cm2）； no 筒壳稳定性安全系数，no=； 此处取no=2.2其中， 式中 Lk 筒壳的临界长度， 则 因为筒壳宽度 B=150cmLk=266.57cm,故满足了稳定性条件。5.9滚筒壳剖分设计滚筒壳原来的材料为20mm的钢板，剖分设计中由于制动支轮和右支轮结构形式发生了变化，考虑到滚筒壳割成两半后，在强度上比不剖时要低，因此加大钢板厚度，以达到强度要求。剖分后选择滚筒壳材料厚度为22mm，中间剖分后在内部剖分处加筋板焊接，焊接筋板厚度选择为20mm，宽度80mm，长度500mm，筋板中间打通孔。用螺栓紧固后焊接筋板，螺栓位于筋板中部查机械设计手册得，选用公称直径为21螺栓满足连接要求。5.10支轮强度计算分析JTK一12型提升绞车的支轮结构受力如图5-8所示图5-8 支轮受力图1. 轮毂 2. 轮辐 3. 肋板 4. 轮缘现对制动支轮、右支轮进行受力分析和强度计算，支轮在工作时承受以下载荷： 结构自重产生的力，因支轮尺寸较大，此项力在支轮中引起的应力可忽略； 支轮传递的扭矩，对支轮轮辐来讲是一个作用在支轮平面内的弯矩M ；滚筒壳在支轮处的弯矩 。支轮的反作用力在垂直于支轮的平面内的弯矩M，； 滚筒壳在支轮处对支轮的径向压力Q均布在支轮的轮缘上。滚筒壳在支轮处的弯矩式中 缠绕系数(与钢丝绳缠绕层数有关)； 刚性系数； 滚筒壳半径； 滚筒壳单位面积上的径向压力； 滚筒壳厚度。在其上取一微小段，如图2所示，作用于轮辐对称线方向上的弯矩分量对其从0到积分，故作用在轮辐对称线方向上的总弯矩在轮辐中产生的弯曲应力 式中 轮辐中辐条的宽度； 轮辐中辐条的厚度。拉力在每个辐条中产生的弯矩 式中 轮缘半径； 轮毂半径。由此在轮辐辐条中产生的弯曲应力 均布压力在轮辐中产生的应力其中。故轮辐中总应力式中 轮辐的截面积； 可由卡氏定理得出，弹性体受到几个作用力时，总变形能对于某一外力的偏微分，等于该力作用点在该力方向上的位移。由以上强度分析可知，支轮轮辐承受的力是很大的，对其强度要求很高，在剖分设计中，不充分考虑此处，剖分后的滚筒就很难达到安全提升的需要。5.11 支轮结构剖分设计支轮的剖分设计主要针对制动支轮，右支轮的剖分和制动支轮的剖分原理一样。考虑到制动支轮的受力比较大、强度要求高，设计上必须满足能剖分且使用性能不变，能够达到安全提升的效果。原来的制动支轮为一整体，采用的是灰铸铁材料，进行剖分设计时整个制动支轮材料全部采用钢板，结构上采用焊接形式，这样设计在强度上能满足要求，加工上也相对方便。制动支轮的剖分设计分成四部分，如图5-9所示。图5-9制动支轮剖分设计图1. 制动圆环 2. 肋板 3. 轮毂 4. 轮辐轮辐部分材料采用Q235钢板，由于轮辐承受的力比较大，钢板的厚度加大，比原来的铸铁件轮辐厚。按照原来的尺寸要求切割出一圆形钢板，钢板中心割出一圆形孔，留出轮毂的装配位置，按照图纸要求加工轮辐端面和预留的轮壳装配孔，满足精度要求。制动圆环按照原尺寸要求切割一钢板在卷板机上滚圆。轮辐和制动圆环要承受制动力矩，肋板的作用是增加制动圆环和轮辐的强度。轮毂从制动支轮和右支轮上分离出来，采用铸钢件，轮毂和轮辐通过轮毂上的突环用螺栓联接，使其成为一整体。对于右支轮，其结构相对简单，结构尺寸和制动支轮的轮辐部分一样。5.12 滚筒剖分工艺分析(1)滚筒的整体焊接滚筒各剖分部件加工好后，进行焊接组装，右支轮置于一平台上，滚筒壳的一侧焊接其上，另一侧焊接制动支轮轮辐，焊缝采用双面环形焊，边焊边敲击，以减小焊接产生的内应力。制动支轮、右支轮在滚筒壳上焊接好后，把制动圆环焊接在制动支轮上，制动圆环、轮辐和滚筒壳各部分对接处用钢板做成的肋板焊接加固，增大强度。在滚筒壳、制动支轮、右支轮上分别标出剖分割缝的位置。(2)滚筒割缝处联接板的焊接滚筒在切割前，割缝两边开适当尺寸的槽，预留联接钢板焊接位置。在滚筒壳内侧的割缝两边、制动支轮和右支轮割缝处的外侧各加焊几组足够强度的联接钢板，成对钢板接触处为割缝位置。焊接前，成对钢板首先点焊在一起，在其上配钻出一定数量的螺栓孔和配钻定位销，然后用螺栓联接，打上定位销。定位销的作用是：降低滚筒剖分组装后端面跳动量。将联接钢板分别焊于滚筒割缝的两侧和制动支轮、右支轮的外侧。制动支轮、右支轮和滚筒壳的内部用肋板焊接，增加整体强度。各焊接位置注意焊接的方式，焊接要求牢固可靠，尽量控制变形量。联接钢板的联接螺栓不小于M20，联接钢板与滚筒的焊缝高度不小于8mm，焊条的选择应依据滚筒各部分的材质而定。(3)制动支轮的制动圆环表面加工滚筒各组装部件焊接好后，由于制动支轮制动圆环的材料是钢板，表面粗糙，满足不了精度要求，在大立车上进行机械加工，使尺寸和表面精度达到制动需要。(4)滚筒的切割滚筒整体完全加工好后，进行滚筒整体的剖分切割，将砂轮切割机的底盘去掉，安装在2O 槽钢加工的轨道上，槽钢轨道精确地固定在砂轮切割机制动盘的割缝处。开动砂轮切割机，沿割缝位置由支轮的外缘向轴心处进行支轮的切割。砂轮切割机的进刀通过旋转支架尾部的丝杠完成。在切割过程中，为减少刀具的磨损和割缝的受热变形，降低切割引起的内应力，边切割边浇注自来水进行冷却。如果用等离子切割机，效果会更好。滚筒壳的剖分也按上述方法进行切割。滚筒在焊接、钻孔、切割后，螺栓孔、焊缝和割缝的截面处均有应力集中，如不进行回火处理会有残余应力存在。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，易造成平均应力增加。这样就大大降低材料的许用疲劳强度，使寿命降低。为消除各部分引起的内应力，对滚筒进行回火处理。(5)剖分滚筒、轮毂和主轴的装配焊接好的剖分滚筒和轮毂、主轴进行装配时，先拆掉剖分滚筒各部分联接板上的螺栓和定位销，滚筒分成两半。制动支轮和右支轮的轮毂分别装配到主轴上，打上平键，固定好两轮毂，然后把分成两半的滚筒装配上去，拧上各联接钢板上的螺栓，打上定位销。制动支轮和右支轮的轮毂与滚筒的制动支轮、右支轮的轮辐配钻均布的螺栓孔，用M20以上的螺栓进行联接。在滚筒壳上加上一层弹性模数很小的橡胶垫，由于橡胶垫有弹性，能减小振动力和摩擦力，增强滚筒壳的使用寿命 ，然后装上滚筒木。剖分后的滚筒在现场组装时，应拧紧各部分的联接螺栓，同时打入定位销，以防止滚筒各剖分部件的跑位。第六章 主轴的设计主轴是绞车承载的主要部件，提升绞车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。提升绞车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。6.1主轴的结构设计 主轴装置是一个完整的结构，包括轴承、端盖、离合器、联轴器、支轮等多个部件，而根据主轴的应用场合不同，具体轴上需用的部件和结构也不尽相同，例如本绞车上用到的部件有滚筒、支轮、轴承、端盖、制动轮毂等部件，主轴的结构简图如6-1图所示：图 6-1 主轴结构简图结构上