机械毕业设计191JZ16T 型凿井绞车总体设计说明书.doc
机械毕业设计191JZ16T 型凿井绞车总体设计说明书
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机械毕业设计191JZ16T 型凿井绞车总体设计说明书,机械毕业设计论文
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- 1 - 第一章 概述 1.1 设计题目简要说明 本设计针对 JZ16T 型凿井绞车进行总体设计，对 JZ16T 型凿井绞车的结构和工作原理的阐述，详细分析了 JZ16T 型凿井绞车设计中的关键技术。主要设计钢丝绳、卷筒、开式齿轮及电动机与减速器的选择。根据 JZ16T 型凿井绞车的自身特点选用各种零部件。其中以开式齿轮的设计为重点，根据电动机功率及减速器传动比，得出开式齿轮传动比，再由多方面因素具体设计开式齿轮的齿数、分度圆直径及齿宽。制动机构的设计也是本设计中的重点，卷筒的一侧设计有两套安全制动器，即带式制 动器和棘轮制动器。最后进行的是凿井绞车传动装置的总体设计，主要包括拟定传动方案、选择电动机、确定总传动比和确定各级分传动比以及计算传动装置的运动和动力参数。这些都需要学生亲自动手动脑，锻炼自己的能力，运用自己所学过的各方面知识，来完成本设计。通过本设计可增强学生对机械设计步骤的认识，加强了这方面的知识，也是对学生总体能力的考核，从中认识到自己的不足。对以后同学们进入工厂或生产基地具有一定的帮助。 图（ 1-1） JZ16T 凿井绞车 绞车是工业生产过程中一种常见的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制造技 术。随着绞车制造技术的不断提高、加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断发展，绞车在动力、节能和安全性等方面取得了很大的进步。目前，绞车正被广泛地运用于矿山、港口、工厂、建筑和海洋等诸多领域。 在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设备被大量而广泛地运用着，例如凿井绞nts - 2 - 车、调度绞车、耙矿绞车和矿用提升绞车等。提升绞车可用于矿山竖井或斜井中物品与人员的调度，具有较大的牵引功率和很好的安全性，是矿山生产中不可缺少的设备之一。 绞车的另一个重要用途是港口机械，常见的有集装箱起重机、港口装卸门座起重机、塔式起重机以及 轻小型的电葫芦等起重机械，其主要执行机构都是各种形式和结构的绞车。对于这种用途的绞车，要求具备较好的调速性能和很高的安全性能。另外，绞车还被运用于各种线缆的存储、制造和运输，例如纺织机械中的用于存放丝线的线盘和电缆制造中用于存放各种直径缆绳的缆盘。这种情况下，绞车不光要具有一定的调速能力，而且还能够使不同直径的缆绳排列整齐，使用历史和多种多样的用途。 可以说，绞车广泛地运用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样的结构组成。为了更好地研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类展开探讨。 1.1.1 绞车的分类 绞车多种多样的用途，决定了绞车的种类和组成形式也是多种多样的。按照绞车卷筒的数量分，绞车可以分为三种：单卷筒绞车、双卷筒绞车和三卷筒绞车。 单卷筒绞车是三种类型绞车中最常见的。它只有一个卷筒用来存放缆绳或者铰链，一般用于对卷筒的容绳量要求不高的场合。 另外，按照绞车的驱动方式，通常又把绞车分为电动绞车，气动绞车和液压绞车三种。 1.1.2 绞车的特点和性能要求 通过对绞车应用场合的探讨和绞车结构的分析，可以得知，在工程应用中绞车会具有如下一些特点： 1.负载时变 绞车用于矿山调度、电 梯轿厢提升、海洋拖曳等场合时，由于外界环境因素的影响，例如货物重量、海浪、海流等的不断变化，它的负载也在不断变化。这就对绞车的稳定运行造成了很大干扰。如果不采取有效的控制手段，绞车的收放速度就不可能稳定，有时甚至无法正常工作。 2.驱动力矩范围大 这也是由绞车的工作环境决定的，其驱动力范围从几公斤到上百吨不等。 3.要求调速方便，高低速运行稳定 nts - 3 - 由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续地调整收放速度。在高速运行的时候，不能出现飞车的情况；在低速运行的时候，不能出现爬行现象，而且要保持一定的输出力矩 。 4.对安全可靠性要求较高 由于绞车一旦出现事故，就有可能对人的生命或财产造成很大的伤害，加上绞车的工作环境大多比较恶劣，所以就要求绞车具有很高的可靠性。因此在设计绞车时设计人员应考虑到绞车的最大负载能力、绞车的防爆性、元件的可靠性等因素。 5.要求具有较好的可操作性 随着对绞车使用要求的不断提高以及自动化技术的发展，绞车的自动化程度也在不断提高。一些先进的电子控制技术、通讯技术的运用，使得现在的绞车能够具有很好的人机接口和远程通信能力，极大地提高了绞车的操作性能。 1.1.3 国内外提升绞车发展状况 矿井提升机包括机械设备及拖动控制系统，是联系地下和地上的重要途径，是矿山生产的咽喉设备，其性能好坏直接关系到矿山的生产效率和安全性及可靠性，它的安全、可靠运行是整个矿井正常生产的必要条件，一旦发生故障，所造成的 经济损失是巨大的。“运输是矿井的动脉，提升是咽喉 ”形象地描述了矿井提升运输系统的工作过程与重要作用。目前，国内外对提升设备经过多年的研究，近几十年来发展的很快，尤其是提升设备的滚筒方式、制动方式和电力拖动、自动化控制等方面有很大的改进，在提升设备的理论和实践方面都取得了丰富的经验 。 国内外对于提升绞车 的优化设计研究属于较冷门的行业，相关的研究成果不太多。 1.1.3.1 国内提升绞车发展状况 我国提升设备的设计制造，是在解放以后才开始的。建国初期在党的领导下，新建和改建了许多矿山机械制造厂。 20 世纪五十年代 抚顺重型机器厂制造了我国第一台缠绕式双筒提升机 ， 洛阳矿山机器厂设计制成了我国第一台 2X4 多绳摩擦式提升机， 这种提升机与缠绕式提升机比较，具有重量轻、体积小、安全可靠、适合较深矿井的特点，是现代提升机的发展方向。并已在我国许多矿山中得到普及和应用。如安徽的凤凰山铜矿、梅山铁矿、张家洼小官庄铁矿、西石门 铁矿、丰山铜矿、铜坑锡矿等矿山是较早地应用多绳摩擦提升nts - 4 - 机的矿山。 八十年代末 投产的通钢板石沟铁矿 18#矿组的罐笼井采用的是上海冶金矿山机械厂生产的第二台 JKD1.85 X 4 多绳摩擦式提升机。该厂又新设计制造了 JK 型新系列单绳缠绕式提升机，新系列采用了一些新结构，与老型号比较，提升能力平均提高了 25%，而机器重量也相应的有所减少。其它如 JT 系列矿用绞车， JKM 及 JKD 系列多绳提升机在采用新结构提高产品性能方面都有较大改进和提高。 我国的矿用提升机其调速原理经历了电阻调速、液压调速、变频调速及行星差动调速等几次 大的改进，目前国产提升机所采用的调速装置主要有两种类型：一是液压传动调速装置（液压调速），其产品形式即为现有的液压提升绞车；二是电控调速装置（变频调控），其产品形式即为现有的传统 JT 系列绞车。 提升机是一种重要的矿用机械，我国的提升机从上世纪七十年代开始应用于煤矿生产，极大地提高了工作效率，但安全性能较差，极易发生爆裂；八十年代为解决井下提升机防爆难题，生产了一种液压提升机，之后又出现了运用变频调速原理生产的无级调速提升机。 煤矿提升绞车是煤矿安全生产的重要设备，是安全生产的关键，它能否正常运行，直接关系着 煤炭的产量、生产成本及矿井和职工的安全。随着市场经济的发展和矿井标准化建设的需要，提升绞车的运行质量越来越受到各级部门的重视。 根据 规定：投入运行后的提升设备，必须由矿务局机电部门每年进行一次检查，每 3 年进行一次测试，认定合格并签发运行许可证书后方可继续使用每次的测试结果表明大部分的绞车使用良好，但也存在一些带有普遍性的问题，在一定程度上制约了煤炭产量，增加了生产成本，同时也影响了煤矿的安全生产，下面就针对一些主要问题进行归纳。 1.提升设备完好率差，存在重大事故隐患。 提升装置必须装 设下列保险装置，即防过卷装置、限速装置、深度指示器失效保护装置等，并满足相应的技术要求，但有许多矿用绞车没有设置，违反了相应规定。 2.制动装置可靠性差。 制动装置是提升绞车的重要组成部分，根据设计安装要求，制动盘加工表面粗糙度应达到 1.6，偏差越小越好，最大不应超过 0.5mm但有的矿用绞车安装质量差，滚筒端面凹凸不平，使滚筒在运转时，制动轮间歇摩擦闸瓦，从而造成电机电流波动大，电耗增加，nts - 5 - 并加速了闸瓦的磨损。还有的绞车松闸不彻底，有时还会因为某些干扰因素引起突然紧闸现象。这种现象会影响机械系统的使用寿命， 并有可能造成断绳等事故。 3.绞车实际运行质量较差、效率偏低。 测试中发现大多数绞车均采用手动控制，加速、减速及低速爬行和停车休止时间相对偏长，使绞车提升能力下降，电机电耗增加。 近年来，我国各生产厂家对结构、调速装置等进行了许多改进，并推出了许多更新换代的产品。随着计算机技术的飞速发展，计算机和 PLC 的运算速度加快、存贮能力加大、功能加强、体积减小，使煤矿机械的功能更强、性能更优、效率更高。例如淮南张集矿23000kW 交变频双电机拖动提升机，其自动化控制由主控 PLC（ S7 400）、监控 PLC（ S7 400）、闸控 PLC（ S7 400）、装载 PLC（ S5 115U）、卸载 PLC（ S5 115E）和传动控制装置 SIMADYND 及操作台的 Wincc 人机界面装置多台计算机（ PLC）组成 16。 1.1.3.2 国外提升绞车发展状况 国外矿用提升机的研究比较先进，并能及时地将研究的成果运用到矿用提升机的实际生产中。自 1827 年德国制造出第一台蒸汽提升机以来，矿井提升机大体分为两种形式，一种为缠绕式提升机，另一种为多绳摩擦式提升机。目前广泛使用单绳缠绕式提升机和多绳摩擦提升机 15。 最初提升机仅为缠绕式提升 机一种，但随着矿井开采深度及年产量日益增加，在井深达 1000m 以上，一次提升量达 40 50t 的条件下采用缠绕式提升机其钢绳直径要达到90mm，滚筒直径要达到 9m，电动机功率要达到 4500kW。这样的提升机制作金属量消耗大、制造困难、成本昂贵，更重要的是直径 50mm 以上的钢绳只有几个发达国家可以制造，而且价格贵的惊人，且寿命远不如 40mm 以下的长。于是在 18 世纪末，出现了用几根细钢绳代替一根粗钢绳的做法，就产生了多绳摩擦提升机。由于多绳摩擦提升机绳径小，摩擦轮直径小，电动机功率小，到 20 世纪 70 年代，世界上应 用多绳摩擦提升机已有 600 多台。 在过去的 20 年中，我国从德国共进口 20 多套大型矿用提升机，其电控配套装置均为西门子公司的产品，其中 10 套是为直流电动机配套的直流电控制系统，其余 10 多套均为交频交流电气传动电控配套装置 16。第一套是 1994年为山西省常林矿主井提升机配套的，其调速性能非常理想，且节能效果相当明显，它代表了世界矿用提升机的先进水平，也为我们指明了走节能和无级调速的路子。 nts - 6 - 特别是随着计算机技术的飞速发展，机电一体化技术和产品在世界范围内得到了迅速发展和应用。先进采煤国从采煤工作面、掘进工作面 ，到井下主煤流运输及辅助运输，到矿井提升及井下供电、排水等装置，均具有建立在微处理器基础上的监控和保护系统，其机电一体化的设备、性能、可靠性和功能等有大幅度提高。如美国、澳大利亚等国由于在井下采用了先进的机电一体化设备，已实现无人工作面、遥控采矿甚至无人矿井；加拿大INSO 公司利用现代通讯、井下定位与导航、在线信息处理、监控系统，实现了对地下镍矿的机电一体化采矿装备乃至整个矿山开采系统的遥控操作。 1.1.3.3 本文研究的背景 矿用提升机作为煤矿机械的一种，主要用于煤矿提升、下放物料，因此其市场需求量与 国家对煤炭的需求量息息相关。煤炭是我国常规能源的主体，在我们这样一个大国，能源始终占极其重要的地位。为了保证国民经济的持续发展，煤炭产量亦要在相应时期内保持高速增长。 2000 年，国家 “西电东送 ”工程开始实施，作为西部大开发战略的重要组成部分， “西电东送 ”将西部丰富的资源和东部巨大的市场结合起来，通过北、中、南三条通道向华东地区送电。三条通道中，除中部通道是以三峡水利枢纽工程为主体送电外，南、北两条通道均主要以煤炭作为燃料的火电基地为基础送电。据统计，我国在 2002 年煤炭产量接近 14亿吨，比上年增产 2.21 亿吨，增长 20%。虽然这样，在同年还是要从国外进口 1081 万吨，进口量比 2001 年增加了 3 倍多。即使如此，全国部分地区缺煤还是很严重，甚至于在湖北、河南一些地方还要常常停电，一个重要原因在于煤炭紧缺，严重影响了国民经济的发展以及人民的生活秩序。增加煤炭产量，加大煤炭供给量已是刻不容缓。目前，全国各地除了有很多大型煤炭公司以外，也有不少中小型煤矿，同时也不断增加一些新建的煤矿。煤炭需求的增加必将刺激采煤机械需求的增长。此外，大量中小煤矿的存在也是促成煤机需求增长的一个重要因素。中小型煤矿主要进行地面浅表层煤炭 资源的开发，由于成本、开采方式等因素的限制，这类煤炭资源不适合国有大型煤矿企业的开采，客观上决定了在较长时间内中小煤矿仍将存在，据统计，在云南、贵州两省，仅官方批准采矿的企业就达一万多个，且平均每年以 30%的速度增加，加之湖南、江西、四川、重庆、山西、新疆、内蒙古自治区、东三省等地均在大力发展煤炭工业，加之国际提升机市场，尤其在欧美等发达国家，侧重于使用数字化、智能化的高附加值产品，如德产的 “机电一体化 ”内装式绞车，这类产品整机性能较好，操作简洁，但价格昂贵，使用的厂家很少。我国八十年代为nts - 7 - 解决井下提升机防爆 难题，生产了一种液压提升机，之后又出现了运用变频调速原理生产的无级调速提升机。这几类提升机都存在着功能不够完善的问题，或防爆不能调速，或调速难以防爆，安全性能差，操作困难。在这种情况下，生产一种新型的功能较为全面的矿用提升机取代原有机型就成为各煤矿生产企业的共同需求。 由湖南远扬煤机制造有限公司与湖南大学共同开发研制的新型矿用提升机项目。该项目产品使用 NGW 行星差动技术，实现零到最大转速之间的无级调速，这是一种纯机械的无级调速，不会产生火花，从而同时实现调速和防爆两种功能。与传统的液压调速提升机和变频调速提 升机相比，取消了庞大的液压和电控调速系统，减少机器占地空间，无须另行修建绞车房，更易于在狭窄的矿井条件中正常工作，大幅降低成本，该项目产品应会具有广阔的应用前景。 1.2 设计内容 本设计分为五大主要设计内容，即起升机构的设计、制动机构的设计、电气系统的设计、开式齿轮的设计、总体布局的确定设计。 1. 起升机构 JZ16T 型凿井绞车起升机构主要由电动机，制动器，联轴器，减速器，开式齿轮 , 卷筒的组成。 电动机通过联轴器与减速器的高速轴相联。联轴器的一半是带制动轮的，制动器安装在电动机 轴即高速轴上。制动器采用长臂式的瓦块式制动器，采用电动液压推动器作为松闸装置，并与电动机电气联锁。减速器采用三级传动硬齿面圆柱齿轮减速器，为了满足传动比要求，在减速器与卷筒轴之间设计了一对开式齿轮传动。 2. 制动机构 JZ16 型凿井绞车除了在起升机构设计有常闭式的瓦块制动器外，为了保证安全，还在卷筒的一侧设计有两套安全制动器，即带式制动器和棘轮制动器。带式制动器构造简单紧凑，包角大（可超过 2），制动力矩大。制动轮轴受较大的弯曲作用力，制动带的比压和磨损不均匀，简单和差动带式制动器的制动力矩 均与旋转方向有关，限制了应用范围，散热差，适用大型要求紧凑的制动。 3. 电气系统 主要是用来驱动电动机工作的电路，对电气系统进行过电流保护、零压保护、行程保护等。 4. 开式齿轮 先根据 JZ16T 型凿井绞车的工作环境来选取开式齿轮的材料， 再 计算出开式齿轮的齿轮类型，精度等级 , 材料及齿数。 nts - 8 - 5. 总体布局 根据以上设计所得各部件的外形尺寸，确定各部件在底座的安装位置进行合理安排，应适合运输操作等要求。 6. 正是基于上述背景，我在导师的指导下， 根据 JZ16 凿井 绞车 已 知参数，完成了结构设计，具体工作内容包括以下几个方面： 1).根据已知参数条件，提出了提升绞车的整体设计方案，完成 JZ16 凿井 绞车 的结构设计：包括机械传动部分、提升机构部分、制动装置部分。 2).完成整个 凿井 绞车三维零部件的建模与装配：利用 UG 软件，对机械传动部件和提升结构部件进行了三维建模，既有零件图也有装配图。 nts - 9 - 第二章 JZ16T 凿井绞车总体 结构 设计 2.1 引言 JZ16T 型凿井绞车容绳量大、提升力强、平稳可靠，主要用于竖井掘进工程中悬吊吊盘、水泵、风筒、压缩空气筒、注 浆管等掘进设备和涨紧稳绳，也可作其它井下和地面起吊重物用。近年来，新建矿井近半数是采用立井开拓方式。随着新井建设和煤炭开采向深部发展，立井开拓所占比重将会增大。随着开采深度的增大和高产高效矿井的建设，深井凿井绞车的发展尤为重要。为了适应深井建设对凿井绞车的要求，开发研制了 JZ16T 型凿井绞车。根据提供的技术规格和设计参数，提出了提升绞车的总体设计方案。并通过设计计算，确定了齿轮减速机构的各部分结构尺寸，对其主要部件的强度进行了校核。 2.2 技术规格与参数 JZ16T 型凿井绞车 主要由电动机、制动器、联轴器、 减速器、开式齿轮、卷筒等组成 ，其结构如图 （ 2-1） 所示。电动机通过联轴器与减速器的高速轴相联。联轴器的一半是带制动轮的，制动器安装在电动机轴即高速轴上。制动器采用常闭式的瓦块式制动器，采用电动液压推动器作为松闸装置，并与电动机电气联锁。减速器采用三级传动硬齿面圆柱齿轮减速器，为了满足传动比要求，在减速器与卷筒轴之间设计了一对开式齿轮传动 ， 技术参数如 表 （ 2-1） 。 1-电动机 2-制动器 3-减速器 4-小齿轮 5-大齿轮 6-卷筒组件 图 （ 2-1） JZ16T 型凿井绞车 起升机构 nts - 10 - 表 2-1 JZ16T 型凿井绞车的主要性能参数 额定拉力（ KN） 160 额定速度 (m/s) Max 0.16 Min 0.1 钢丝绳型号 6（ 33） +6（ 21） -40-1550-I -光 -右交 GB829-79 钢丝绳直径 (mm) 40 卷筒直径 (mm) 700 容绳量（ m） 1000 电机型号 YZR225M-6 电机功率（ kw） 34 制动器型号 YWZ-400/45 2.3 提升绞车的整体设计方案 2.3.1 凿井 绞 结构简图 JZ16T 型凿井绞车主要由起升机构、制动机构、机架和电气系统等组成。如图 （ 2-2）所示。 1-制动机构 2-起升机构 3-电气系统 4-机架 图 （ 2-2） JZ16T 型凿井绞车 2.3.2 提升绞车的工作原理 2.3.2.1 动力传动系统 动力传动系统的传递路线为：电机 联轴器 主制动器 减速器 开式齿轮传动 nts - 11 - 卷筒组 ， 传动简图如 图 （ 2-1） 所示 。 电动机正转或反转时，制动器松开制动，通过带制动轮的联轴器带动减速器高速轴，经过减速后通过开式齿轮传动驱动卷筒旋转，使钢丝绳绕进 卷筒或由卷筒放出，从而使物品起生或下降。卷筒的正反向转动是通过改变电动机的转向来达到的；电动机停止运转时，依靠制动器将高速轴的制动轮刹住，使物品保持在悬吊状态。 2.3.2.2 卷扬系统 卷扬系统装置含有卷筒 组 、主轴与轴承座。卷筒 组 由大齿轮、制动轮和钢板卷筒组成，并通过平键联接在主轴上。 2.3.2.3 制动机构 JZ16T 型凿井绞车除了在 起升机构设计有常闭式的瓦块制动器外，为了保证安全，还在卷筒的一侧设计有两套安全制动器，即块式制动器和棘轮制动器。其结构如图 （ 2-3） 所示。 1-带式制动器 2-棘轮制动器 图 （ 2-3） JZ16T 型凿井绞车 起升制动机构 当起升机构进行升降作业时，棘轮制动器和带式制动器均应处于松开制动状态，并与起升机构电气联锁。即只有棘轮制动器和块式制动器松开制动后起升机构才能进行升降运动。当起升机构进行停止升降作业时，棘轮制动器和带式制动器均应处于制动状态，将卷筒制动住，以防卷筒 “溜车 ”，起到安全保护作用。棘轮制动器和带式制动器的动作控制均采用气动控制，气动系统原理图如图 2-4 所示。 2.3.2.4 电气系统 1） 电气系统的组成 nts - 12 - JZ16T 型凿井绞车电气系统主要由主电 路和控制电路组成。主电路是用来驱动电动机工作的电路。控制电路是对电气系统进行过电流保护、零压保护、零位保护、行程保护等。 2) 电气系统的工作原理 JZ16T 型凿井绞车 气动系统原理 如 图 (2-4)所示。 主电路的外接电路有定子电路和转子电路两部分。定子电路是由三相交流电源、三级刀开关、过电流继电器的线圈、正反向接触器的主触点及电动机定子绕组的组成。转子电路是由转子绕组、外接电阻器及主令控制器的触点等组成。转子电路通过主令控制器触点的分合来改变转子电路外接电阻的大小实现限制起动电流和调速的目的。 1-减压 阀 2-电磁换向阀 3-汽缸 4-行程开关 5-汽缸 6-电磁换向阀 图 （ 2-4） JZ16T 型凿井绞车 气动系统原理图 nts - 13 - 第三章 传动部件的选择与计算 3.1 钢丝绳 的 选择 与 计算 3.1.1 选择钢丝绳的参考因素 钢丝绳是矿井提升设备中的主要组成部分，也是矿山钢材消耗量较大的项目之一。正确的选择钢丝绳不仅关系到矿井的正常生产，而且也影响着矿井工人的生命安全，又能为社会主义建设节约大量优质钢材。因此，煤炭工业部在煤矿安全生产试行规程中。对矿井提升用钢丝绳有专 门规定。有关人员对钢丝绳的选择、维护及检查应子重视。 矿井提升钢丝绳的品种很多，几十年来的生产实践经验证明，只有根据不同矿井条件选用不同类型的钢丝绳才能取得好的效果。合理的选择和使用钢丝绳不仅可以延长钢丝绳的使用寿命，有利于保证提升安全，减少大量的维护工作员，同时也为国家节约大量优质钢材。 对于同样的工作条件，由于选择了不同结构的钢丝绳，其使用寿命有可能差别很大。实验室试验和现场实践经验证明，在不同的使用条件下应选用不同结构的钢丝绳，才能取得好的效果。为了正确选用钢丝绳，下面介绍几项与其有关的因素。 钢丝绳的结构参数和特性是影响钢丝绳使用寿命的主要因素。应以其做为选择钢丝绳的基础。现就几项主要因素简述如下。 3.1.1.1 钢丝绳的结构与其破断拉力的关系 钢丝的抗拉强度乘 以 钢丝的断面积等于钢丝的破断拉力。各钢丝破断拉力总和与钢丝绳的整体破断拉力并不一致。这种由捻制所造成的破断拉力下降的百分数称为换算系数。 钢丝绳换算系数的大小，与绳股内钢丝间的相互接触形式、捻距大小、钢丝绳的结构等因素有关。在钢丝绳中，钢丝由于编捻所造成的曲率半径越小、绳股中钢丝的同心层数钢丝绳的结构越复杂、钢丝数越多，其由捻制所造 成的破断拉力损失越大。而不同结构的钢丝绳其破断技力的损失也不同。线接触钢丝绳的破断拉力损失比点接触结构的小；镀锌钢丝绳比光面钢丝钢丝绳的破断拉力损失小；纤维绳芯比金届绳芯的钢丝绳造成的破断拉力损失小。 3.1.1.2 钢丝绳的金属断面系数 钢丝绳的金属断而系数，即钢丝绳的金届断面积与钢丝绳外接圆面积 (绳径的面积 )之nts - 14 - 比。直径相同的钢丝绳金属断而系数越大，在抗拉强度相同的条件下，其破断技力越大。对原有提升设备来讲，选用金属断面系数大的钢丝绳可以提高钢丝绳的安全系数，延长其使用寿命；对新选提升设备来讲，选用金属 断面系数大的钢丝绳，可以减小钢丝绳的直径，缩小提升设备体积。 3.1.1.3 绳径、丝数、丝径与使用略命的关系 钢丝绳的柔软性能，与钢丝绳的丝数、丝径和钢丝间的接触形式有关。在相同绳径的钢丝绳中，钢丝数越多其柔软性越好。 提升钢丝绳在使用过程中的强度下降的主要因素是磨损、锈饱和疲劳断丝。在一般提升情况下，这三种因素是同时出现和起作用的。由于矿井条件的不同，起主要作用的因素也不同。因此，各矿应根据矿井的具体条件、使用经验，并 结合各种钢丝绳的特点，合理地选择钢丝绳是十分必要的。下面是关于矿井提升用钢丝绳的 几点参考意见： 1在矿并淋水大、淋水酸碱度高和作为出风井的井筒中，由于锈蚀严重而影响了钢丝绳的使用寿命。在这类矿并中甚至显示不出好钢丝绳结构的优越性。因此，在这类矿井中应选用镀锌钢丝绳。 2在磨损严重的竖并巾，选用异型股或线接触钢丝绳以及面接触钢丝绳为好。 3以疲劳断丝为钢丝绳强度损失的主要因素时，应优先选用异型股钢丝绳或线接触钢丝绳 (其中以填充式尤好 )。 4从钢丝绳的结构特点、受力状态和使用实践的分析结果认为，煤矿提升用绳以顺捻钢丝绳为好。 5用于温度高或有明火的研石山等处的提升用绳，可选用金属 绳芯的钢丝绳。 6凿井提升用绳，应选用多层服不旋转钢丝绳。加挤压严重可选用金属绳芯钢丝绳或面接触钢丝绳。 3.1.2 钢丝绳选择 3.1.2.1 选择钢丝绳类型 JZ16T 型凿井绞车的特点是悬吊吊盘或模板等物品，一般都采用多台凿井绞车于不同方向对吊盘等物品进行单绳悬吊。运动速度比较低，而且不经常运动。因此，选用多层异形股不扭转钢丝绳结构型式比较合适。 nts - 15 - 3.1.2.2 钢丝绳直径的确定 钢丝绳的钢丝在工作过程中受力情况是很 复杂的，它在工作时承受拉伸、弯曲、挤压和扭转的作用，由此产生应力的大小除与钢丝绳 张力大小有关外，还与钢丝绳和股的数目、绕捻方法、螺旋角大小、钢丝间的接触情况以及绳芯材料等有关。因此，在计算钢丝绳直径时，只根据静载荷按实用计算法选择钢丝绳。在根据要求确定了钢丝绳型式后，按钢丝绳所受的最大静力拉力和钢丝绳的抗拉破环强度确定钢丝绳直径。 即： nb /SS max （ 3-1） 6 式中： Sb -整条钢丝绳的破断拉力， N Smax-钢丝绳所受最大静拉力， N n -钢丝绳最小安全系数，取 5.5n -破断拉力换算系数，取 82.0 钢丝绳所受最大静拉力： N3m a x 10160S 整条钢丝绳的破断拉力为 nSbmaxSN107317 。 所以选择钢丝绳 6（ 33） +6 （ 21），公称抗拉强度 1550N/mm2， 直径 d=40mm,钢丝绳的破断拉力总和为 NSb 1185000。 3.1.2.3 确定钢丝绳的型号 由机械设计手册 6查得选择钢丝绳型号 6（ 33） +6 （ 21） -40-1550-I-光 -右 交GB829-79。 3.2 计算 卷筒尺寸 3.2.1 卷筒结构形式的确定 JZ16T 型凿井绞车主要是为了适应超千米深井的建造而设计的，因此，要求卷筒的容绳量大。所以卷筒采用周边大齿轮式卷筒组型式，并且为多层卷绕。卷筒结构如图（ 3-1）所示。这种结构型式传动速比大，适应于转速低的 场合，大齿轮为开式传动，卷筒轴只承受弯矩。卷筒应用 Q235-A 钢板卷制。 nts - 16 - 1-大齿轮 2-卷筒 3-棘轮 图（ 3-1） 3.2.2 卷筒尺寸的计算 3.2.2.1 卷筒直径 D 卷筒直径按式 hdD （ 3-2） 6 计算。式中： D 卷筒直径， mm h 与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，取 6.1h 所以 mmhdD 640 , 取 mmD 700 。 3.2.2.2 卷筒壁厚 因为卷筒 用 Q235-A 钢板卷制 ， 所以卷筒壁 mmd 40 。故取卷筒壁厚 mm40 。 3.2.2.3 卷筒卷绕钢丝绳圈数 n： 因为卷筒为多层卷绕筒，卷筒长度按公式 ） （ ndnlpL D/1.1 （ 3-3） 6 计算。式中： l l多层绕钢丝绳总长度，取 1000l dp )2.11.1( n 多层卷绕圈数。 nts - 17 - 根据 JZ16T 型凿井绞车的结构尺寸，取卷筒长度为 mmL 1400 ,所以，通过公式） （ ndnlpL D/1.1 可计算出多层卷绕圈数 n,计算得 14n 。 故卷筒最大卷绕直径为 mmndDD 1 8 2 020 。 3.2.2.4 卷筒壁压应力 ymax 的计算： 卷筒壁压应力 ymax 按公式 tSy /max（ 3-4） 6 计算。式中： t 多层绕钢丝绳卷绕节距，对多层卷绕的卷筒 dt 所以，卷筒壁压应力 2ma x /100 mmNy 许用压应力 y 按公式 y=s/n 计算， 式中 s 卷筒材料的屈服极限， 2/215 mmNs n 安全系数，取 5.1n 所以， 2/3.143/ mmNnsy 。 ymax y，强度满足要求。 3.3 电动机的选择 原动机是机器中运动和动力的来源，其种类很多，有电动机、内燃机、蒸汽机、水轮机、汽轮机、液动机等。电动机构造简单、工作可靠、控制简便、维护容易，一般生产机械上大多采用电动机驱动。 电动机已经系统化，设计中只需要工作机所需的功率和工作条件，选择电动机的类型和结构形式、容量、转速，并确定电动机的具体型号。 3.3.1 选择电动机类型和结构形式 电动机类型和结构形式可以根据电源种类（直流、交流）、工作条件（温度、环境、空间尺寸）和载荷特点（性质、大小、启动性能和过载情况）来选择。 工业上广泛应用 Y 系列三相异步交流电动机。它是我国 20 世纪 80 年代的更新换代产品，具有高效、节能、振动小、噪声小和运行安全可靠的特点，安装尺寸和功率等级符合国际标准，适合于无特殊要求的各种机械设备。对于频繁启动、制 动和换向的机械（如起重机械），宜选用转动惯量小、过载能力强、允许有较大振动和冲击的 YZ 型或 YZR 型三nts - 18 - 相异步电动机。为适应不同的安装需要，同一类型的电动机结构又制成若干种安装形式，供设计时选用。 3.3.2 确定电动机的容量 电动机容量（功率）选的合适与否，对电动机的工作和经济性都有影响。当容量小于工作要求时，电动机不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期过载发热量大而过早损坏；容量过大则电动机价格高，能量不能充分利用，经常处于不满载运行，其效率和功率因数都较低，增加电能消耗，造成很大浪费。 电动机容量主要 根据电动机运行时的发热条件来决定。电动机的发热与其运行状态有关。对于长期连续运转、载荷不变或变化很小、常温下工作的机械，只要所选电动机的额定功率 Pm 等于或略大于所需电动机功率 P0，即 Pm P0，电动机在工作时就不会过热，而不比校验发热和起动力矩。 冶金及起重用三相异步电动机是用于驱动各种型式的起重机械和冶金设备中的辅助机械的专用系列产品。它具有较大的过载能力和较高的机械强度，特别适用于短时或断续周期运行、频繁起动和制动、有时过负荷及有显著的振动与冲击的设备。 YZR 系列为绕线转子电动机， YZ 系列为笼型 转子电动机。冶金及起重用电动机大多采用绕线转子，但对于 30KW 以下电动机以及在起动不是很频繁而电网容量又许可满压起动的场所，也可采用笼型转子 9。 3.3.2.1 计算静功率： 机构运转时所需静功率按公式 /QVNj （ 3-5） 15 计算。 式中： Nj 额定起重量时的静载荷功率， kw； V 起升机构的最大速度， sm/ ， smV /16.0 ； Q 起升机构的额定起重量， Q=160103N； 传动机构的效率， 9.0 。 所以 KwQVNj 4.28/ 。 3.3.2.2 选择 电动机 功率 nts - 19 - 选择电动机功率按公式je NN 计算。 所以，选取电动机功率 Nd=34Kw。确定 电动机 型号为 YZR225M-6， n=1000rpm。 其技术参数及安装尺寸如表（ 3-1），外形如图（ 3-2）。 表 （ 3-1） YZR 225M-6 型电动机技术参数及安装尺寸 额定功率 Kw 34 转速 r/min 1000 机座号 225M D 65 E 140 G 23.9 GD 10 F 16 图（ 3-2） 电动机外形 3.4 减速器选择 3.4.1 减速器的类型 减速器的类型很多。按传动件类型的不同可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、蜗杆减速器、齿轮蜗杆减速器和行星齿轮减速器；按传动级数的不 同可分为一级减速器、二级减速器、多级减速器；按传动布置方式不同可分为展开式减速器、同轴式减速器和分流式减速器；按传动功率的大 小不同可分为小型减速器、圆锥齿轮减速器、中型减速器和大型减速器 。 nts - 20 - 3.4.2 选择减速器型号 卷筒转速 ： rpmDvj 68.1/n 0 ； 总传动比： 59568.1/1000/ jd nni。 根据电动机的功率选取减速器的传动比和型号。选取减速器型号 ZSY315-90- 。减速器的传动比 900 i。低速级齿轮中心距 mma 315 。 ZSY315-90- 型减速器 安装尺寸 如 表 （ 3-2），实物如图 （ 3-3） 。 表 （ 3-2） ZSY315-90- 型减速器安装尺寸 ZSY315-90- 型圆柱齿轮减速器 输入轴 输出轴 直径 mm 长度 mm 直径 mm 长度 mm 42 60 65 280 图（ 3-3） 减速器 3.5 开式齿轮传动的计算 齿轮是重要的基础件，其应用广泛，历史悠久。目前齿轮技术可达到的指标：圆周速度 v=300m/s,转速 n=105r/min,传递的功率 P=105kW,模数 m=0.004 100mm,直径 d=1mm152.3m。 nts - 21 - 3.5.1 齿轮的分类和特点 3.5.1.1 分类 3.5.1.2 特点 （ 1） 瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比又能按需要的变化规律来设计。 （ 2） 传动比范围大，可用于减速或增速。 （ 3） 速度（指节圆圆周速度）和传递功率的范围大，可用于高速（ v 40m/s）、中速和低速（ v 25m/s）的传动；功率可从小于 1w 到 105Kw。 （ 4） 传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达 99%以上。 （ 5） 结构紧凑，适用于近距离传动。 （ 6） 制造成本较高，某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用或高精度的机床、刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高。 （ 7） 精度不高的齿轮。传动时噪声、振动和冲击大，污染环境。 （ 8） 无过载保护作用。 3.5.2 齿轮型式选择与强度计算 3.5.2.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 nts - 22 - 1） 根据 图 （ 3-4） 传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。1电动机 2制动器 3减速器 4小齿轮 5大齿轮 6卷筒 7棘轮 图（ 3-4） 凿井绞车传动方案图 2）凿 井绞车速度不高，故选用 7 级精度（ GB10095-88） 。 3）材料选择 由 （表 10-1） 10选择小齿轮材料为 40Cr(调质 )，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢（调质）硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。 4） 开式齿轮传动比： 61.690/595 u 。 选小齿轮齿数 181 Z ，大齿轮齿数 98.1181861.612 uZZ 。 取 1192 Z 。 3.5.2.2 按齿面接触强度设计 由 齿面 接触强度 计算公式进行试算，即 d 1t2.32 2)(13 1HEdZuuKt T （ 3-6） 10 （一） 确定公式内的各计算数值 （ 1）试选载荷系数 3.1tK； （ 2） 计算小齿轮传递的转矩 mmNnPT 75151 1046.21.11/64.28105.95/105.95 ； （ 3） 由（表 10-7） 10选取齿宽系数 6.0d； （ 4） 由（ 表 10-6） 10查得材料的弹性影响系数 nts - 23 - 2/18.189 MpaZ E ； （ 5） 由（图 10-21d） 10按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim1=600Mpa;大齿轮的接触疲劳强度极限 Hlim2=550Mpa； （ 6） 计算应力循环次数 hnjLN 601 6011.11(2830020)=6.3107 2N 6.3107/6.61=1107 （ 7） 由（图 10-19） 10查得接触疲劳寿命系数 KHN1=0.96， KHN2=0.98； （ 8） 计算解除疲劳许用应力 取 失效概率为 1%，安全系数 S=1，由式 H1=S 1limHHN!K =0.9600=540Mpa (3-7)10 H2=S 2limHHN2K =0.95550=522.5Mpa (3-8)10 （二） 计算 （ 1） 试算小齿轮分度圆直径 d1t,代入 H中较小的值 d 1t2.32 mmZuuKt T Ed 406132H1 （ 2）计算圆周速度 v 100060 11 ndv t= sm /236.0100060 1.11406 （ 3）计算齿宽 b mmdb td 6.2434066.01 （ 4）计算齿宽与齿高之比 b/h 模数 mmZdmtt 6.2218/406/ 11 齿高 mmmht 9.506.2225.225.2 8.49.50/6.243/ mmmmhb （ 5） 计算载荷系数 根据 smv /236.0 ,7 级精度，由（图 10-8） 10查得动载荷系数 1.1vK; nts - 24 - 直 齿 轮 ， 假 设 mmNbFKtA /100/ 。 由 （ 表 10-3 ） 10 查得1 FH KK ; 由（表 10-2） 10查得 7 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时 bKddH 322 1023.06.0118.012.1 将数据代入后得 262.1HK由 8.4/ hb , 262.1HK查（图 10-13） 10得 19.1FK, 故载荷系数 3882.1262.111.11 HHvA KKKKK（ 6） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式 (10-10a)10得 mmdd t 4153.12882.1406KK3 t11 （ 7） 计算模数 mmzdm 2318/415/ 11 3.5.2.3 按齿根弯曲强度计算 弯曲强度的设计计算公式为 m 3 F1122 SaFad YYzKT（ 3-9） 10 （一） 确定公式内的各计算数值 （ 1）由（图 10-20c） 10查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 MpaFE 5001 ；大齿轮的弯曲疲劳强度极限 MpaFE 3802 ； （ 2）由（图 10-18） 10查得弯曲疲劳寿命系数 92.01 FNK， 97.02 FNK。 （ 3）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式 (10-12)10得 S FEF 1! FN1 K = Mp a6.3284.1 50092.0 nts - 25 - S FEF 22 FN2 K = M pa3.2634.1 38097.0 （ 4） 计算载荷系数 K 309.119.111.11K FFvA KKKK （ 5） 查取齿形系数 由（表 10-5） 10查得 YFa1=2.91 YFa2=2.1952 （ 6） 查取应力校正系数 由（表 10-5） 10查得 YSa1=1.53 YSa2=1.8052 （ 7） 计算大小齿轮的 F SaFa YY并加以比较 1 11 F SaFa YY=6.328 53.191.2 =0.0135 2 22 F SaFa YY =3.263 8052.11952.2 =0.01505 大齿轮的数值较大。 （二） 计算 m mm06.17186.01046.2309.12015.0327 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮的模数 m 的大小主要取决于弯曲强度所决定 的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（ 模数与齿数的乘积）有关，可取弯曲强度算得的模数 17.06 并就近圆整为标准值 20m ， 按接触强度算得的分度圆直径mmd 4151 ， 算出小齿轮齿数 Z1=md1=20415=20.75 取 Z1=21 大齿轮齿数 Z2= 1uZ =6.612 1=139 3.5.2.4 几何尺寸计算 1) 计算分度圆直径 mmZd 420202111 nts - 26 - mmmZd 27802013922 2) 计算中心距 mmdda 1 6 0 02/21 3) 计算齿轮宽度 mmdbd 2 5 24 2 06.01 取 mmB 2522 , mmB 2601 。 3.5.2.5 验算 Ft=112dT = N117143420 1046.22 7 bFKtA= mmNmmN /100/9.4642521 1 7 1 4 31 ,合适 3.5.3 齿轮结构参数 表（ 3-3） 齿轮结构参数 名称 小齿轮 大齿轮 模数 m/mm 20 20 齿数 Z 21 139 分度圆直径 d/mm 420 2780 齿顶圆直径 da/mm 460 2820 齿根圆直径 df/mm 370 2730 压力角 20 20 齿顶高 ha/mm 20 20 齿根高 hf/m
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