矿井提升机主轴装置设计

河南理工大学万方科技学院本科毕业论文 摘 要矿山提升设备是矿山运输中的咽喉设备，占有特殊地位，是井下与地面联系的主要工具。提升机是用来将矿物运出矿井的设备。本文详细介绍了JK型单绳缠绕式矿井提升机核心部件“主轴装置”的重要作用和工作原理及主轴装置的设计思想、方法、步骤、安装的全过程；对原设计理念的连接方式、铸铁法兰盘、支承方式及轴承的选用等进行了改进。针对提升机容易发生的过卷事故进行分类,分析了事故原因,提出了防护与改进措施。通过对矿井提升机技术改造的案例介绍,总结了在对老式提升机进行安全技术改造的过程中应遵循的原则和注意的问题。 关键词：提升机 滚筒 钢丝绳 主轴 AbstractThe mine lift technique is in the mine haulage pharynx and larynx equipment, holds the special status, and is the mine shaft and the ground relation main tool. Elevator used to bring iron to the top of the mine. Have introduced the single rope of JK-type to tie up the round type mineral well to promote the machine in detail. The important function and the work principles of the core parts main shaft device”. And the design thought, method, step that main shaft device, the whole process that installation. To design the conjunction method of principle, casting iron ring flange, support way and exertion of bearing improvement, innovation that go on of design idea and so on. The often-happened breakdowns of mining hoists are classified, their causes are analyzed, and the prevention measures are put forward. Introducing the case about the safety technical innovation to mine hoist, the paper concludes the principle that should be follow and matters need to pay attention in the course of safety technical innovation to old Russian mine hoist.Key words: Lifting hoist drum steel wire main axle 目录摘 要1目录3前 言51、绪论71.1 矿井提升机的任务及其地位71.2 矿井提升机的发展历程81.2.1 缠绕式提升机的发展状况81.2.2 矿井提升机生产过程简介81.3 矿井提升机的类型和工作原理101.3.1矿井提升机的工作原理102 提升机械性能参数123 矿井提升机主轴装置结构143.1主轴结构图示153.2圆柱滚筒的构造164 JK2X1.5提升机主轴设计174.1主轴的结构184.2主轴的力学模型和受力分析194.3主轴的校核214.3.1综合所有JK2X1.5型矿井提升机已知条件214.3.2固定载荷分配于主轴各轮毂作用点上的力224.3.3钢绳张力分配于主轴各轮毂作用点上的力234.3.4作用于轴上水平方向及垂直方向的合力244.3.5计算支点反力254.3.6计算弯矩264.3.7计算扭矩及扭转强度274.3.8计算危险断面的安全系数274.4键的选型特点和应用284.5联接294.5.1支轮与轴的联接294.5.2过盈配合校核304.5.3 联轴器的选择335 JK2X1.5提升机筒壳设计345.1提升机的外载荷的确定345.1.1正常工作时作用于筒壳上的外载荷345.1.2筒壳许用应力的确定395.1.3筒壳强度计算理论405.1.4刚性支轮处筒壳的强度计算435.1.5绞支支轮处筒壳的强度计算445.2.1已知条件465.2.2计算及校核465.2.3计算筒壳强度486矿井提升机的制动装置506.1 概述506.2 盘式制动器526.2.1 盘式制动器的结构及布置526.2.2 盘式制动器工作原理556.2.3 安全制动576.4盘式制动器的设计计算586.4.1 盘式制动器工作时所需制动力586.5盘式制动器的调整和维护616.5.1 闸瓦间隙的调整616.5.2 蝶形弹簧的检查62总 结63致 谢64参考文献65 前 言我国是个能源大国，也是矿山机电设备制造和使用大国。从20世纪50年代仿造第一台矿井提升机以来，至今已设计制造、使用了近600多台。随着社会需求和现代技术的高速发展，矿山工业企业亟待生产设备及设施的机械化、电气化、现代化。而矿山工业的提升机是咽喉设备，产品不断更新换代，老产品运行年深日久，原本落后的结构问题暴露突出，故障增多，严重影响矿山的安全运转，抑制了矿山工业的高速发展，给国民经济带来了不良的影响。随着国内矿井生产量的日新月异的提高，对提高提升机的安全性、可靠性、生产效率以及整机自动化运行水平， 降低操作者及维护人员的劳动强度、处理设备事故的速度与对策等，成了迫切要求。 目前在世界范围内，矿井主要使用由缠绕式提升机和摩擦式提升机带动钢丝绳牵引容器的提升设备。其它类型提升方式只在特定条件下用，例如水力提升只用于水采矿井的煤炭提升，气力提升散装物料(或管道容器)仅在国外的个别矿井改造中有应用。本次设计是关于单绳缠绕式矿井提升机的设计，在本次设计中将大学四年所学习的材料力学，理论力学，机械制造，机械设计，机械制图等知识进行了一次综合的运用。本次设计不仅是对大学所学知识的总结和巩固而且为以后进入社会参见工作积累了一定的经验，本次设计是个难得的学习机会。提升运输是矿井生产的主要环节，提升设备的任何故障性失效，都会引起全矿生产的下降以及安全问题，造成巨大损失。在提升系统及设备设计中引入可靠性分析，在结构设计、强度分析和寿命估算中应用可靠性理论，使提升设备在规定条件下、在规定的服务期限内完成规定的提升任务二不发生故障及失效的能力。我国是个能源大国，也是矿山机电设备制造和使用大国。从20世纪50年代仿造第一台矿井提升机以来，至今已设计制造、使用了近600多台。随着社会需求和现代技术的高速发展，矿山工业企业亟待生产设备及设施的机械化、电气化、现代化。而矿山工业的提升机是咽喉设备，产品不断更新换代，老产品运行年深日久，原本落后的结构问题暴露突出，故障增多，严重影响矿山的安全运转，抑制了矿山工业的高速发展，给国民经济带来了不良的影响。提升设备的安全运行，不仅直接影响整个矿井生产，而且涉及人身安全。随着工业进步以及对人的价值的更加重视，矿井提升设备的高度安全可靠性已成为提升设备设计思想的重要内容。突出安全性的另一重要原因是提升运输事故率在煤矿机电事故中占了不可忽视的比例，其中恶性事故也时有发生，因此提高设备的安全性，增加监测控设备以及后备保护等措施，是具有实际意义的。对矿井提升设备的高安全性要求还体现在提升设备及系统的设计，除应符合一般设计规程及规范外，还要满足煤矿安全规程的具体要求。提高设备的安全性，不应单纯理解为加大安全系数，应从实际情况出发进行系统分析，例如受力(包括动态)分析、可靠性分析、失效分析等，从中找出问题，并采取相应措施。单绳缠绕式提升机适用于浅井及中等深度矿井，提升机是矿井的主要设备，用于升降人员和物料。双卷筒提升机在我国矿山应用最多，卷筒之一与主轴固接，称为固定卷筒；另一卷筒则滑装在主轴上，通过调绳离合器与主轴连接，称为游动卷筒。在毕业设计过程中，通过上网查资料，图书馆借书，我逐步认识了矿井提升机的工作原理和基本构造，为我能够圆满完成设计任务奠定了良好的基础。另外我要特别感谢这次毕业设计的指导老师，张晓辉老师不仅给我提供了矿井提升机的相关资料而且给了我不少有用的建议，给我带来莫大的帮本次设计就难免有错误和考虑不足之处，敬请各位老师以及阅读者提出宝贵的意见和建议。 1、绪论1.1 矿井提升机的任务及其地位煤炭是我国的主要能源，又是重要的化工原料。煤炭被誉为黑色金子，工业的食粮，它是十八世纪以来人类世界使用的的主要能源之一。虽然它的重要位置已被石油所代替，但在今后相当长的一段时间内，由于石油的日渐枯竭，必然走向衰败，而煤炭因为储量巨大，加之科学技术的飞速发展，煤炭气化等新技术日趋成熟，并得到广泛应用，煤炭必将成为人类生活中的无法代替的能源之一。我国既是煤炭生产大国又是消费大国，而根据我国的国情，在我国一次性能源结构中，煤炭所占的比重一直是70以上，在今后相当长的时期内，煤炭仍然是我国的主要能源，故煤炭对我国的重要性不言而喻。随着我国经济的不断改革开放，煤炭工业必将高速持续地向前发展。矿井提升是煤炭生产过程中必不可少的重要生产环节。从井下采煤工作面采出的煤炭，只有通过矿井提升设备运到地面，才能加以利用。可以说，矿井提升是矿井生产的“咽喉”，其设备在工作中一旦发生故障，将直接影响生产，甚至造成人身伤亡。此外，矿井提升系统的耗电量很大，一般占矿井生产总耗电量的50-70。因此，合理选择维护使用这些设备，使之安全可靠、经济高效地运转，对保证矿井安全高效的生产，对提高煤炭企业的经济效益都具有重要的现实意义。由于矿井提升设备是在并下巷道内和井简内工作，空间受到限制，故要求它们结构紧凑，外部尺寸尽量小；又因工作地经常变化，因而要求其中的许多设备应便于移置；因为井下有瓦斯、煤尘、淋水、潮湿等特殊工作条件，还要求设备应防爆、耐腐蚀等。此外，矿井提升设备是一大型的综合机械电气设备，其成本和耗电量比较高，所以，在新矿井的设计和老矿井的改建设计中，确定合理的提升系统时，必须经过多方面的技术经济比较，结合矿井的具体条件，在保证提升设备在选型和运转两个方面都合理的前提下，要求提升设备具有良好的经济性。1.2 矿井提升机的发展历程 1.2.1 缠绕式提升机的发展状况缠绕式提升机的发展是为适应我国矿山建设的需要，国产提升机大致可分为仿苏、改进及自行设计等三个阶段。19531958年期间生产仿苏产品BM系列提升机；KJ系列提升机是19581966年期间生产的仿苏改进产品；JKA系列是在KJ型基础上的改进产品；XKT系列提升机是1971年7月开始生产的自行设计产品，后又改为XKT-B系列，是已成批生产的新型矿井提升机。时至今日，中信公司生产的产品最齐全，JK/E，JKM，JTP，2JTP，JT等等。1.2.2 矿井提升机生产过程简介矿井提升机是沿井筒提运矿石和废石、升降人员、下放材料和工具的设备。提升容器有罐笼和箕斗。根据井筒倾角的不同,提升容器分为立井用和斜井用两种.立井用提升容器主要是箕斗和罐笼,箕斗分为底卸式、侧卸式和翻转式,罐笼分为普通罐笼和翻转罐笼。斜井箕斗分为翻转式和后壁卸载式两种。罐笼可用来提升矿石、人员、材料与设备等，但是箕斗不能用来提升人员。不同类型矿井提升机的工作方式和工作环境各有所相同，但其根本的工作原理是相似的，矿井提升机提升原理示意图如图1-1所示：通过滚筒或齿轮的旋转带动皮带或链条升降，从而实现箕斗或罐笼的升降，在井下和地面之间往复运动，进行对煤和人员、货物的运输。 图1-1矿井提升机提升原理示意图1.3 矿井提升机的类型和工作原理 1.3.1矿井提升机的工作原理按工作原理的不同，矿井提升机可分为两类，如图1-2所示。图1-2 矿井提升机按工作原理的分类单绳缠绕式提升机的工作原理如图1-3所示，简单地说，就是用一根较粗的钢丝绳在卷筒上缠上和绕下来实现容器的提升和下放运动。提升机安装在地面提升机房里，钢丝绳一端固定在卷筒上，另一端绕过天轮后悬挂提升容器。单绳缠绕式双卷筒提升机具有两个卷筒，每个卷筒上固定一根钢丝绳，并应使钢丝绳在两卷筒上的缠绕方向相反，其工作原理和特点与单卷筒提升机完全相同。多绳摩擦式提升机的工作原理与单绳缠绕式提升机不同，钢丝绳不是固定和缠绕在主导轮上，而是搭放在主导轮的摩擦衬垫上，如图1-4所示，提升容器悬挂在钢丝绳的两端，在容器的底部还悬挂有平衡尾绳。提升机工作时，拉紧的钢丝绳必须以一定的正压力紧压在摩擦衬垫上。当主导轮由电动机通过减速器带动向某一个方向转动时，在钢丝绳和摩擦衬垫之间会产生根大的摩擦力，使钢丝绳在这种摩擦力的作用下跟随主导轮一起运动，从而实现容器的提升和下放。不难看出，多绳摩擦式提升机的一个根本特点和优点是钢丝绳不在主导轮上缠绕，而是搭放在主导轮的摩擦衬垫上，靠摩擦力进行工作。同样，多绳摩擦式提升机的规格性能、应用范围和机械结构等，都是由这一特点来确定的。多绳摩擦式提升机特别适用于深井和大产量的提升工作。多绳摩擦式提升机与单绳缠绕式提升机比较，在规格性能、应用范围、机械结构和经济效果等方面都优越得多，就深井和大产量来说，是竖井提升的发展方向。但是，根据我国目前浅井多、斜并多的特点，单绳缠绕式提升机仍然是目前制造和使用的重点。对于部分深井和大产量的矿井，则应该合理的选用多绳摩擦式提升机，而不宜选用大型的单绳缠绕式提升机。 图1-3 单绳缠绕式提升机工作 图1-4 多 绳摩擦式提升机 原理示意图 工作原理图1卷筒；2钢丝绳；3天轮； 1主导轮；2导向轮；3钢丝绳； 4容器；5平衡尾绳 4容器；5平衡尾绳 2 提升机械性能参数设计提升机械系列参数的出发点是用较少规格的提升机去满足最广泛的使用需要，当然，也可以不设参数系列，而完全根据用户的需要设计。反映提升机械性能的参数很多，如卷筒直径、宽度、最大提升速度、容绳量和电动机功率等等。根据这些参数间的相互关系，可把它们分为：1.条件参数 它是作为限制条件而预先给出的参数，是提升机参数所应满足的先决条件。包括其他标准已作了规定的数据，如优先数系，电动机的同步转数和额定转数等；2.主参数 在提升机的性能参数中，有一个(或最多两个)参数是主要的。它代表提升机械的主要性能特征，称为主参数。它是提升机械设计的主要依据，其他参数均从属于主参数；3.次要参数 它是由主参数决定的，与主参数有某种依赖关系。有的可表示为某种确定的因数关系，如卷简直径与最大静张力之间的关系。有的则有一定的相关关系。当然，主参数并不能完全代替其他参数，但只要选择得当，就可以最大限度地代表该提升机械的性能。主参数的基本特征是：（1）能反映产品的基本特性；（2）最稳定的参数。此外，主参数要便于使用。确定主参数的步骤是：（1）选择主参数；（2）确定主参数的上下限；（3）确定主参数系列。提升机械的主参数选择，可采用主成分分析法，即分析所有性能参数间的关系，只要它们不相互独立，总有可能从中找出一个或两个作为主要性能的特征参数。现以缠绕式提升机械为例，说明主参数与次要参数的关系。提升机械的容绳量与卷筒直径、宽度及缠绕层数有关。根据安全规程，缠绕层数因不同的提升条件而有具体规定。因而，容绳量这一参数就有着固定的、可以计算的关系。卷筒直径与钢绳最大静张力之间也有着大致固定的关系。因为根据安全规程规定，卷筒直径与钢绳直径之比为6080，只要钢丝绳的型式、规格和使用条件一旦确定，卷筒直径和钢丝绳最大静张力这两个参数间的关系就可以确定。提升最大速度这一参数与提升工作的经济性及安全性有关。当卷筒直径确定后，最大提升速度就确定了卷筒的转数，或者说，当卷筒转数在某一范围时，最大提升速度为卷筒直径的函数。至于卷筒的宽度，看来似乎与卷筒直径没有什么关系。但是，考虑到实际情况，例如卷筒过宽时容易造成钢丝绳偏角超限，也容易造成主轴挠度超限等问题，而这些问题又都与卷筒直径及钢丝绳直径有关，因而卷筒宽度与卷筒直径两参数间也就有了一定的关系，而并不相互独立。从以上分析可以看出，卷筒（主导轮）直径或钢丝绳最大静张力是提升机械的主要参数，其他参数都可以根据这参数去制定。主参数的范围则是根据实际调查统计来确定，提升机械钢丝绳的最大静张力（或卷筒直径）可根据以下情况确定：（1）现有矿井的深度范围；（2）一次提升量的大小；（3）现有提升容器的质量；（4）现有钢丝绳的型式及规格。根据对上述情况的调查统计，并参照国外先进标准筒直径的范围，就可以初步确定提升机的技术参数。 参数型号滚 筒载 荷提升高度或运输长度钢丝绳电机减速器自 重个数直径m宽度m最大静张力KN最大静张力差KN二层缠绕m层数绳速m/s 绳径m功率kw传动比单位tJK-21.5121.558.839.23842524.53482023.1 表2-1 JK21.5单绳缠绕式矿井提升机技术参数表： 3 矿井提升机主轴装置结构本系列主轴装置有以下A、B两种不同的结构形式，分别为卷筒上带衬木、筒壳上直接加工出绳槽两种结构。A种形式固定卷筒两支轮与主轴的是过盈配合，卷筒轴板与支轮为高强度螺栓连接；B种形式为主轴上直接锻制出两个法兰盘，用高强度螺栓与卷筒辐板连接。卷筒和制动盘为两半装配式结构，安装时现场不再焊接和加工制动盘。主轴承采用调心滚子轴承。调绳离合器均采用径向齿块离合器结构，该装置由齿块、齿圈等工作机构，液压缸、移动毂等驱动机构，操作闭锁等控制机构三部分组成。该结构可满足调绳过程中安全、精确、快速、可靠的使用要求。主轴装置是提升机的工作机构，也是提升机的主要承载部件，它承担了提升机的全部转矩，同时也承受着摩擦轮上两侧钢丝绳的拉力。主轴装置主要由主轴、摩擦轮、滚动轴承、轴承座、轴承盖、轴承梁、摩擦衬垫、固定块、压块、夹板、高强度螺栓组件等零部件组成。 3.1主轴结构图示 单筒主轴装置由卷筒、主轴、主轴承、左右轮毂等组成（见图3-1）。主轴承为滑动轴承。左轮毂与主铀为滑动配合，右轮毂是压配在主轴上，并用强力切向键与主轴固定。卷筒与右轮毂的联接全部采用精制配合螺栓，卷筒与左轮毂的联接采用数量各为一半的精制配合螺栓和普通螺栓。游筒右支轮为两半结构，通过两半铜瓦滑装在主轴上，左辐板上用精制配合螺栓固定调绳离合器内齿圈，内齿圈右端装有尼龙瓦，支承在游筒左支轮上，游筒左支轮压配在主轴上，并通过强力切向键与主轴联接。 图3-1 JK型单筒提升机主轴装置1-主轴承 2-润滑油杯 3-左轮毂 4-主轴 5-辐板 6-挡绳板 7-木衬 8-筒壳 9-制动盘 10-精制螺栓 11-右轮毂 12-切向 键3.2圆柱滚筒的构造矿井提升机构的圆柱形滚筒获得了广泛的应用，这种滚筒是万能的缠绕机构，对实际上遇见的深度,它许可任何提升容器进行提升工作。由于卷筒是利用薄壁承载，故所受应力较复杂，如设计或使用不当，卷筒会变形、开裂甚至不能使用。为了提高强度也有用16Mn的，因为这些材料的货源较广，工艺性能也较好。一般而言，筒壳、支轮和加强筋都是用焊接的。除盘式支轮外，轮辐还有焊成工字形、十字形或丁字形的。对于小型提升机，支轮也有用铸造的。由于工艺或安装、搬运方面的原因，支轮有整体的，也有两半或三瓣的。较大的提升机则很少用铸造支轮，因为大直径的铸造支轮过于笨重。对于双卷筒提升机的活卷筒，由于它与主轴有相对运动，因此往往在轮毂与主轴之间加有衬套。衬套通常用减磨金属，如果压力许可，也可用尼龙衬套。卷筒外面一般均敷有木衬。木衬的作用是防止钢绳与筒壳直接接触造成磨损，此外还能使钢绳沿着木衬上的绳槽缠绕排列整齐，避免叠压现象。矿井提升机圆柱形滚筒为薄板外毂1，其外面附有木衬2（见图3-2）。木衬的作用是作为钢丝绳的软垫，在其上钢丝绳不会发生过度变形。木衬应由柞木、水曲柳或榆木等制作。松木不适于作木衬，因为它在横过纤维的压力作用下经常开裂，使用寿命仅为几个星期。每块木衬的厚度应不少于钢丝绳直径的两倍，一般为100毫米左右（对于直径大于50毫米的钢丝绳，以采用150毫米为宜），每块的宽度在150200毫米之间，断面成扇形。固定卷筒木衬的螺钉头，应沉入木衬厚度三分之一以上，当全部木衬固定完以后，应用木衬沾胶水将螺钉孔定位，并使用木楔将木衬夹缝填满。在木条上面切有钢丝绳用的螺旋槽。外毂是借助于铸造轮毂3固定在提升机轴上的，它或许直接固定在轮毂上。 图 3-2 圆柱形滚筒 4 JK2X1.5提升机主轴设计4.1主轴的结构主轴是提升机承载的主要部件，提升机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。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。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。例如，为了便于安装、找正，提升机主轴目前一般做成两支点；为了便于加工，主轴轴向尺寸不宜过长，以免需要大型工装及需要大型炉进行热处理等。现代提升机上已普遍采用滚动轴承代替原来的滑动轴承，这样可减小主轴轴向尺寸，为便于安装，主轴结构应作相应考虑。（2）滚筒在轴上的固定方法可用切向键也可用静配合，但不论用何种方法都应使连接可靠，不允许在运转中出现松动现象，对键连接应有防迟装置。双滚筒提升机每个滚筒仅在一个支轮轮毂处固定就可以了，对于活滚筒，为了避免因多次调绳操作后轴上磨出构槽，所以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。轴径变化处过渡园角半径不应过小。根据需要和可能对主轴进行表面强化处理(如喷九、滚压等)以提高其疲劳强度。（4）主轴是主要承载部件且受交变应力，故对其工艺要求较高。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。主轴加工后要进行热处理，热处理方法有用正火也有用调质的。（5）主轴材料一般采用优质碳钢，最常用的是45碳素结构钢。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、耐磨性和冲击韧性都比较好的综合机械性能。一般不采用合金钢，因为合金钢的弹性模量相差很小，用合金钢虽可提高主轴强度，但对提高主轴刚度意义不大。提升机主轴的强度计算步骤如下：（1）根据结构及工艺要求，绘制出主轴结构草图，并初定主轴的尺寸。主轴的直径可以根据它们传递的扭矩进行初算，也可以根据经验估计。（2）计算主轴的正常载荷。根据最大正常载荷，计算主轴危险断面的安全系数，对于对称循环应力，一般取疲劳安全系数n15；对于非对称循环应力，取疲劳安全系数n2。（3）按正常载荷校核主轴的刚度、主轴的最大挠度应满足相应的要求。（4）计算主轴的非常载荷（按卡罐、断绳情况）。根据非常载荷计算主轴危险断面的应力，此应力应小于材料的屈服极限，以保证主轴在非常载荷下不产生残余变形。提升机主轴强度计算，可按机械零件中轴的计算方法进行，只是主轴的外载荷应根据提升机具体工作特点确定。4.2主轴的力学模型和受力分析把主轴简化成受几个集中载荷的无重轴，以单筒提升机为例来说明，左支轮、右支轮处和轴承处传递扭矩。作用在主轴上的集中力：（1）安装在主轴上的各零、部件及主轴的自重，主要有滚筒、和支轮。它们的重量可认为集中加于各自轮毂的中心；主轴可认为是均布载荷，用加在各轮毂中心及支座亡的集中力来代替。此项载荷在提升过程中，对于各点来说大小不变且方向垂直向下，对轴产生垂直方向的弯矩。（2）缠绕在滚筒上的钢丝绳重量s由于缠在滚筒上的钢绳因数随提升过程而发生变化，所以此项载荷在提升过程中大小是变化的，方向向下，对主轴产生垂直方向的弯矩。（3）钢绳的拉力在主轴上产生的集中力。钢绳的拉力是作用在滚筒半径上的，它对主轴的作用可视为一个集中力和一个力偶矩合成。一般集中力的方向与水平面成一个角度，故在计算过程中，应把它分解成水平力和垂直力!在提升过程中，该集中力的作用点和大小是随提升过程而变化的，使轴产生水平和垂直两个方向的弯矩。电机功率348KW滚筒周长c=2.0转速最大扭矩根据材料力学公式：计算得d2 06.94mm由于固定滚筒处采用切向键连接，且主轴上断面变化不应太剧烈，根据机械零件，对于直径d100mm的轴，有一个键槽时轴径应增大3%，即取两支轮处轴径均为d=280mm；两个轴承座处轴径均为根据支轮外径比轴径宽40%60%，支轮外径计算一些必要的数据主轴全长：L=3140mm；左右轴承中心线之间的距离：=2600mm；则轴重根据提升机设计的经验确定出挡绳板厚度为25mm ,制动盘厚度为30mm，支撑板厚为25mm，一个滚筒上的木衬重量为350kg；由支轮外径是内径的1.5倍，可以计算出轮毂的重量:左支轮重：右支轮重：4.3主轴的校核4.3.1综合所有JK2X1.5型矿井提升机已知条件卷筒直径： D=2000mm；卷筒宽度： B=1500mm；钢丝绳最大静张力： ；钢丝绳最大静张力差： ；主轴全重： =1500kg；卷筒左轮毂重： =370kg；卷筒右轮毂重： =370kg；卷筒重： =3300kg；一个卷筒上的木衬重： =350kg；钢丝绳直径： d=24.5mm；一次提升总量（包括钢绳的重量）： F=83KN；提升加减速度： a=0.7；略去联轴器重及周边不平衡力。4.3.2固定载荷分配于主轴各轮毂作用点上的力1）主轴自重作用于轮毂上的力主轴单位长度重q为： 主轴自重作为集中力分配于轮毂作用点上，计算如下:附加于 点1 点2 2）卷筒、轮毂等自重作用于轮毂上的力，计算如下：附加于 点1 点2 3）合成的固定静载荷两种工况下的值为：4.3.3钢绳张力分配于主轴各轮毂作用点上的力1）钢绳张力及其位置的计算分两种工况计算（1）卷筒提升开始卷筒上的钢绳张力 距右挡板的距离 （2）卷筒提升终了卷筒上的纲绳张力 距左挡板的距离 2）钢绳张力在各轮毂上的分配根据钢绳在卷筒上的位置及卷筒的结构尺寸，按杠杆比例关系（即简支梁求反力的关系），把钢绳张力分配于1、2点，计算结果如下：工况 计算结果 ， 工况 计算结果 ， 两种工况下的计算简图如下：注：图中所示箭头方向为轮毂反力方向，与钢绳张力作用于轴上的力方向相反。由于出绳角为水平方向（最危险方向），所以上述的、都是水平方向的力。4.3.4作用于轴上水平方向及垂直方向的合力将钢绳张力的垂直分力（实际上各分力均为零）与合成固定静载荷相加，则得作用于轴上垂直方向的合力；而作用于轴上的水平方向的合力就等于钢绳张力的水平分力。其计算如下：角标代表作用点1处的垂直力，头标（1）表示工况工况 ， ；， ； 工况 ， ； ， 4.3.5计算支点反力下标表示左支轮的垂直反力，表示右支轮垂直反力，表示右支轮水平反力，表示左支轮水平反力，上标表示工况工况 垂直合力对主轴所造成的支点反力：对于左轴承对于右轴承水平合力对主轴所造成的支点反力：同理亦可计算出其它各种工况时的支点反力，计算如下：工况 =25852.1N =25852.1N=21418N =16082N4.3.6计算弯矩工况1）垂直力对主轴所造成的垂直弯矩在1、2各点分别为：2）水平力对主轴所造成的弯矩3）合成弯矩同理亦可计算出其它各种工况时的弯矩，计算如下：工况 4.3.7计算扭矩及扭转强度在计算扭矩时，由于支撑活卷筒右轮毂到左轴承中心线处的轴都不受扭矩，即（1-2这段轴不受扭矩）卷筒提升开始扭转切应力 45号钢许用扭转切应力 =2545故可满足强度要求卷筒提升终了时按扭转强度校核，主轴满足强度要求。4.3.8计算危险断面的安全系数轴的材料为45号钢调质 ，抗弯断面系数：最大弯应力：最大扭应力：最小弯应力和扭应力分别为：应力辐： 平均应力： 抗弯安全系数：合成安全系数：4.4键的选型特点和应用由机械设计知键的长度L（1.52）d，由此得L=330mm.查机械设计手册表5-3-27可知：强力切向键标准：GB/T19742003键厚度：t=22mm 计算宽度：b=66mm键槽尺寸：深度 轮毂 t1=22mm 轴 t2=22.4mm计算宽度 轮毂 b1=66mm 轴 b2=66.5mm特点：由两个斜度为1100的楔键组成。其上下两面（窄面）为工作面，其中一面在通过轴心线的平面内。键从两边打入，工作面上的压力沿轴的切线方向作用，能传递很大的转矩，一个切向键只传递一个方向的转矩，传递双向转矩时须用两个，互成120135。应用：用于载荷很大，对中要求不严的场合，常用于直径大于100mm的轴上。4.5联接4.5.1支轮与轴的联接过盈联接的特点：过盈联接是利用零件间的配合过盈来实现联接的，这种联接结构简单，定心精度好，可承受转矩、轴向力或两者复合的载荷，而且承载能力高，在冲击、振动载荷下也能较可靠的工作。缺点是结合面加工精度要求较高，装配不便，虽然联接零件无键槽削弱，但配合面边缘处应力集中较大。过盈联接主要用在重型机械、起重机械、船舶、机车及通用机械，且多用于中等和大尺寸的情况。圆柱面过盈联接特点和应用：圆柱面过盈联接的过盈量是由所选择的配合来确定的。过盈量及配合尺寸较小时，一般采用在常温下直接压入法装配；当过盈量及配合尺寸较大时，常用温差法装配。圆柱面过盈连接结构简单，加工方便，不宜多次拆装，应用广泛，用于轴毂联接，轮圈与轮心的联接，滚动轴承与轴的联接、曲轴的联接。过盈联接的选择：（1）确定基本偏差代号：根据机械设计手册第四版第二卷图5-4-7中查出相应的基本偏差代号“u”（2）确定公差等级：采用的公差 孔为IT7,轴为IT6（3）选定配合：H7/u6 4.5.2过盈配合校核1）传递载荷所需要的最小过盈量（1）传递载荷所需要的最小结合压强：T-传递的转矩， -结合直径，mm-结合长度，mm -被连接件摩擦因数查表5-4-4可得： =0.14 由装配图和已知载荷可得：=280mm =（0.91.6）=350mm由上述条件可得： （2）直径比包容件： -包容件外径，mm被包容件： -被包围件的内径（3）传递载荷所需最小直径变化量包容件： 其中 E-被连接件弹性模量 v-被连接件材料的泊松比a-表示包容件 i-表示被包容件被包容件： 其中 由机械设计手册（软件版）得：=200000MPa =0.3=200000MPa =0.3由前面的条件可得： =2.9 =0.0111mm =0.7 =0.0027mm（4）传递载荷所需的最小有效过盈=+=0.0138mm2）不产生塑性变形所允许的最大过盈量（1）不产生塑性变形所允许的最大过盈量结合面压强包容件： 塑性材料 =其中 a=被包容件： =其中 c=-被包容件的屈服点； -包容件的屈服点查得： =355MPa =310MPa由前面的条件可得：a=0.3 =93MPac=0.5 =177.5MPa取 =93Mpa（2）不产生塑性变形所允许的最大直径变化值包容件： 被包容件： 由前面条件可得： =0.37758mm =0.09114mm所以被连接件不产生塑性变形所允许的最大有效过盈量：=+=0.46872mm基本过盈量 需满足 ,由此可取=0.315mm根据右支轮所选的配合查机械设计手册（软件版）得：基本尺寸为280mm，基孔制过盈配合查询结果为孔 上偏差： +0.052mm 下偏差： 0轴 上偏差： +0.347mm 下偏差： +0.315mm与上面的校核数据比较，满足要求。4.5.3 联轴器的选择 由于主轴的最大扭矩69600 N.m,主轴的转速为47.6 r/min,主轴直径为220mm,知减速器低速轴与主轴相连应选用鼓形齿联轴器，型号为：G1CL16，其轴孔长度为470mm. 5 JK2X1.5提升机筒壳设计5.1提升机的外载荷的确定提升机械的容绳量与卷筒直径、宽度及缠绕层数有关。根据安全规程，缠绕层数因不同的提升条件而有具体规定。因而，容绳量这一参数就有着固定的、可以计算的关系。卷筒直径与钢绳最大静张力之间也有着大致固定的关系。因为根据安全规程规定，卷筒直径与钢绳直径之比为6080，只要钢丝绳的型式、规格和使用条件一但确定，卷筒直径和钢丝绳最大静张力这两个参数间的关系就可以确定。提升最大速度这一参数与提升工作的经济性及安全性有关。当卷筒直径确定后，最大提升速度就确定了卷筒的转数，或者说，当卷筒转数在某一范围时，最大提升速度为卷筒直径的函数。至于卷筒的宽度，看来似乎与卷筒直径没有什么关系。但是，考虑到实际情况，例如卷筒过宽时容易造成钢丝绳偏角超限，也容易造成主轴挠度超限等问题，而这些问题又都与卷筒直径及钢丝绳直径有关，因而卷筒宽度与卷筒直径两参数间也就有了一定的关系，而并不相互独立。从以上分析可以看出，卷筒（主导轮）直径或钢丝绳最大静张力是提升机械的主要参数，其他参数都可以根据这参数去制定。根据对上述情况的调查统计，并参照国外先进标准筒直径的范围。就可以初步确定所需参数。主参数的分档可以根据不同的原则，但应尽量做到满足用户不同的要求，又有利于降低生产成本。人们不难理解，分档宽则产品品种简化，单位产品成本低，标准化效果好，但用户选择余地少，用户有时还要多付出一定的费用；分档密则不利于制造。5.1.1正常工作时作用于筒壳上的外载荷缠绕式提升机滚筒要受绳的拉力，缠绕到滚筒上的绳是在具有一定的绳张力的条件下缠绕到滚筒上的。所以提升绳对滚筒的作用力主要有两个：一方面是没有缠到筒上的绳对滚筒的作用力，对这个力来讲滚筒像一般的空心轴要受到这个力的弯曲和扭转；另一个是缠绕到滚筒上的绳的张力对滚筒的作用，这个作用可看作是在筒壳外有一个均匀的压力压到筒壳上，好像一个密闭的圆筒在海底，四周受到均布水压一样，只是筒壳的两端在提升机处并不受侧面的压力。钢绳的最大静拉力： Q额定负载，N； 容器自重，N；-绳每米重，Nm； 绳的悬重高度，m;另外，钢绳上还承受动拉力，如加减速时、紧急制动时、层间过渡时，但是就缠绕到滚筒上的绳来讲，其绝大多数的动拉力都近似等于其缠绕到滚筒上时的静拉力。显然，对于没有等重尾绳的提升系统来讲，这个静拉力会随钢绳长度（没有缠绕到滚筒上的绳）的变化而变化；对于具有等重尾绳的缠绕提升系统，该静拉力才可以被认为是不变的。由于提升机滚筒的直径很大，尽管筒壳很薄，但其截面的惯性矩和极惯矩都很大，因此，没有缠绕到滚筒上的钢绳拉力在筒壳上所引起的剪应力和弯曲应力都很小。一般来讲，此拉力在筒壳上所引起的弯曲应力和剪应力在2帕左右或更小一些；例如，一个直径D=2m，筒壳厚度60mm；当静拉力12t时。其在筒壳上所引起的弯曲应力最大值为50MP左右，故此项在应力分析中忽略不计。同样是上面所讲的条件，假设钢绳的直径为d，绳间隙为23mm，此时在滚筒上自由区段的周向压缩应力为由此可见，对于筒壳的受力，我们只考虑已缠到滚筒上的绳对筒壳的作用即可。一般按等重尾绳的缠绕提升系统来考虑静力值。钢绳张力和自重，使筒壳像空心轴一样被弯曲，钢绳张力作用于缠绕半径上，使筒壳像空心轴一样被扭转。由于卷筒的直径很大，因而惯性矩很大，而有上面所述的两种载荷所产生的应力都不大，计算时省去。钢绳缠绕在卷筒上，当绳有张力时，会产生一个沿圆周分布的力，压缩筒壳使其有缩小的趋势，这是筒壳产生的主要载荷。为了简化可以将螺旋缠绕看成是环形缠绕，由于螺距很小，可以将其看成是若干环状载荷的叠加，也就是说只要分析出一个绳的作用就可以了。一个绳圈对筒壳的作用，如下图所示： 图5-1自筒壳上分出一个单位(1厘米)弧长，夹角为，如果认为钢绳的张力F为定值，则钢绳的张力的合力(当夹角足够小时)为：由于=1，故上式可成：，其中r为筒壳平均半径。此力是作用在单位弧长筒壳上的外载荷，方向为径向，指向圆心。如令此载荷为P，则，当筒壳受此力时，显然有沿径向缩小的趋势，即沿径向产生变形。如径向变形为y，它在筒壳中必然会引起压缩应力： ，E为材料的弹性系数。如果认为此应力在径向沿筒壳径向厚度，在轴向沿绳圈间距均匀分布，则由此产生的侧向压缩力为：式中 t代表钢绳缠绕节距， 为筒壳厚度。仿照上面的推导法，可以求出单位弧度筒壳的单位长度上二侧向压缩力的合力为： 上述公式可看成为线性的，由于这种在结构和载荷上极为对称的筒壳，可不按照一般的方程来计算，而可以把它当成一个从筒壳上面分割出来的，沿弧长为单位长度的反力与挠度成线性的“梁”来计算,这种办法简单，概念容易建立。“梁的变形和内力分析”分析梁的变形和内力的方法很多，我们采用弹性线方程的方法。齐次方程的解为： 图5-2此时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。y=特解方程是 y= + 通解中的A1、A2、A3、A4为积分常数，这四个积分常数由筒壳具体的边界条件来确定，也就是说由支轮和支环的具体条件来定。确定了这四个积分常数，也就确定了该滚筒在支轮和支环附近处的y(x)，求组合y(x)，从而可以确定附近区域内任一处的弯短、剪力和周向压缩应力，即然后，按第三强度理论，找出最大合成应力点，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。滚筒(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M(f)和Q(x)，并且导出圆环、圆板的有关计算公式；然后考虑钢绳拉力的降低系数和多层缠绕时的钢绳缠绕系数；最后再对简壳进行强度校核。5.1.2筒壳许用应力的确定筒壳和支环的材料通常是A3和16Mn，铸造支轮多用ZG350。A3的厚度在2040mm时，230MPa，400MPa；16Mn的厚度在2040mm时，290330MPa，500M