远程控制通轴双速多用绞车的设计设计

1、.中 国 矿 业 大 学本科生毕业设计姓 名： xxx 学 号： xxxxxxxx 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械工程及自动化 设计题目： 远程控制通轴双速多用绞车的设计 专 题： 指导教师： xxx 职 称： xxx 2015年6月 徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院 机电工程学院 专业年级 机械工程及自动化2011级 学生姓名 xxx 任务下达日期： 2015 年 3 月 9 日毕业设计日期： 2015 年 3 月 9 日至 2015 年 6 月15 日毕业设计题目：远程控制通轴双速多用绞车的设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1.课题设计要求：（1）设计一款能满足一定调

2、度能力的通轴双速矿用调度绞车，工作内容主要包括电动机选型、传动结构设计、绞车结构设计等。要求绞车调度能力满足下表：外层钢丝绳最大静张力（高速）外层绳速（高速）外层钢丝绳最大静张力（低速）外层绳速（低速）容绳量巷道倾斜角度30KN1.25m/s80KN0.2m/s400m30°（2）设计矿用运输绞车的远程控制液压系统，要求能够通过手动操作阀远程控制绞车的起、停及动作控制等。主要设计内容包括液压控制系统图的设计、液压原件的选型、液压站的结构设计等。2根据中国矿业大学本科生毕业设计（论文）工作规范要求： 撰写毕业（设计）论文正文不少于15000字，其机械及电路设计0号图纸不少于3张半，查阅

3、参考文献不少于20篇，其中查阅的外文文献不少于5篇。 翻译中文字数不少于3000字的外文资料一篇，内容与毕业设计（论文）的内容有关，且为近3年发表的、没有翻译过的论文或专著。院长签字： 指导教师签字：摘 要对于传统的矿井绞车，司机须站在滚筒前用双手操作刹车手柄。这种操作方式的劳动强度大且断绳经常打伤司机。绞车过载时，钢丝绳可能连带绞车及其底座一同拉起，对人员、设备造成不可估量的损失。对于普通单速绞车，运行时只有一种速度，实际应用面较窄。本课题设计的远程控制通轴双速多用绞车为解决这些问题提供了方法。本文设计的绞车采用行星齿轮变速器实现绞车双速的切换。高速时，提升速度快；低速时，提升力矩大。本绞车

4、通过三组盘式制动器控制其运动状态，多种抱闸方式可实现多种运行状态。盘式制动器采用液压方式进行控制，可以方便的实现远程控制。本文给出了远程控制通轴双速多用绞车的变速传动方案和盘式制动器的结构以及液压控制系统方案。行星传动结构通过Pro/E三维软件进行运动学仿真，进一步了提高设计可靠性。绞车设计是通过改造现有绞车完成，一方面制造成本较低，另一方面，产品的可靠性也较高。关键词：绞车；远程操作；行星变速器；盘式制动器ABSTRACTTraditional mine winch, drivers are required to stand before the drum using both hands

5、 to operate the brake handle. This mode of operation the rope breaking labor intensive and often injured drivers. When the wire rope overload, winch and the base is pulled up together, causing incalculable damage to personnel and equipment. For ordinary single-speed winches, runs only one speed, a n

6、arrower application. This study winch designed to provide a method of solving these problems. This design winch using planetary gear transmission to achieve double-speed switch. At high speed, increase speed, low speed, increase torque. The winch control the movement through three sets of disc brake

7、s, multiple brake can be run in multiple States. Disc brake with hydraulic control, can facilitate the realization of the remote control. This paper presents a variable speed drive and brake structure and hydraulic system solutions. Kinematics simulation of the planetary gear transmission structure

8、through the Pro/E software to further improve design reliability. Winch design is completed by transformation of the existing winches, on the one hand the manufacturing cost is low, on the other hand, higher reliability of the product.Keywords：winch; remote operation; planetary transmission; disc br

9、ake目 录1 绪论11.1选题背景11.2选题意义11.3国内外相关技术现状21.3.1国内绞车发展状况21.3.2国外绞车发展状况22 绞车基本参数计算32.1钢丝绳选型32.1.1钢丝绳选取32.1.2钢丝绳直径计算32.2绞车卷筒计算32.2.1卷筒基本参数32.2.2滚筒缠绳层数计算32.2.3滚筒厚度及侧板直径42.3快速档滚筒输出参数42.3.1输出转速42.3.2滚筒输出扭矩42.3.3各层钢丝绳最大张力42.3.4各层钢丝绳最大绳速42.4慢速档滚筒输出参数52.4.1输出转速52.4.2滚筒输出扭矩52.4.3各层钢丝绳最大张力52.4.4各层钢丝绳最大绳速52.5电动机选

10、型62.5.1绞车输出功率62.5.2双速绞车传动效率62.5.3电动机型号63 双速绞车传动方案73.1传动方式比较与选择73.1.1绞车传动类型73.1.2改进设计方案73.2传动比计算83.2.1传动比条件83.2.2传动比分配93.3高速档运动参数93.3.1第一级传动参数103.3.2第二级传动参数113.4低速档运动参数113.4.1第一级传动参数113.4.2第二级传动参数133.4.3第三级传动参数134 齿轮传动设计154.1第一级行星齿轮传动设计154.1.1齿轮主要参数154.1.2装配条件154.1.3齿轮强度校核164.2第二级行星齿轮传动设计184.2.1齿轮变位1

11、84.2.2齿轮主要参数184.2.3装配条件194.2.4齿轮强度校核204.3第三级行星齿轮传动设计214.3.1齿轮主要参数214.3.2装配条件224.3.3齿轮强度校核235 轴设计与校核255.1轴I设计与校核255.1.1轴结构设计255.1.2轴强度校核255.2轴II设计与校核255.2.1轴结构设计255.2.2轴强度校核265.3轴III设计与校核265.3.1III1轴结构设计265.3.2III2轴结构设计275.3.3轴强度校核285.4销轴设计校核285.4.1第一级行星传动销轴285.4.2第二级行星传动销轴295.4.3第三级行星传动销轴296 轴承选型与校核

12、316.1滚筒内支撑轴承316.1.1左边轴承316.1.2右边轴承316.1.3中间轴承326.2滚筒右边支撑轴承326.3行星轮支撑轴承336.3.1第一级行星轮轴承346.3.2第二级行星轮轴承356.3.3第三级行星轮轴承357 盘式制动器设计377.1制动器主要参数377.1.1制动器基本参数377.1.2制动力计算377.1.3主要零部件设计387.2碟簧选型计算387.2.1闸1碟簧设计387.2.2闸2碟簧设计397.2.3闸3碟簧设计407.3预紧螺栓选型与校核417.4滑销设计校核418 液压系统设计448.1制动器油缸448.1.1液压系统压力448.1.2液压缸工作面积

13、448.1.3液压缸径和活塞杆径458.1.4液压缸工作压力468.1.5液压缸壁厚计算468.2液压元件的选择468.2.1液压泵的选择468.2.2驱动电机的选择478.2.3联轴器的选择478.3液压原理图488.3.1系统工作原理488.3.2系统优点49参考文献50翻译部分51英文原文51中文译文58致 谢64.;中国矿业大学2015届本科生毕业设计（论文） 第 8页1 绪论1.1选题背景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

14、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”形象描述了矿井提升运输系统的工作过程与重要作用1-2。本课题是关于远程控制通轴双速多用绞车的设计，矿用绞车是煤矿不可缺少的重要设备，是我国煤矿的主要矿山辅助运输设备。矿用绞车是用来进行煤矿井下的物料运输、矿车调度、回柱放顶、综采设备的安装、拆卸及搬迁、各类机电设备运输等工作，也可进行煤矿井下各种临时性的牵引工作3-6。在我国煤矿，由于各种工况条件是不同的，矿用绞车的技术原理、结构特点、性能指标等均存在很大的差异。因而造成了矿用绞车的规格、品种繁多。产品的技术水平和技术性能差异很大，甚至有一些绞车产品仍然是五十年代的仿苏产品，存在着技

15、术水平落后，工作效率低下、使用寿命短、使用不方便等问题。随着煤矿采煤机械化的发展，这些落后的设备已不能满足现场的要求，甚至影响煤矿的安全生产和正常生产7-9。本论文研究的双速绞车属于煤矿井下矿山辅助运输设备。所谓“双速”，是指该产品具有快、慢两种速度，快速用于放绳，慢速牵引力大 。快速牵引力小，在煤矿现场可根据牵引力的大小选择快速或慢速。该传动系统可实现快速和慢速很大的速度比,可容易地实现各种工况条件下所要求的双速要求。1.2选题意义矿用绞车作为轨道运输的牵引设备，是煤矿不可缺少的矿山辅助运输类设备。在矿山采掘以及运输工况下，人员的配备、物料的搬运、矿车的调度、综采设备的搬迁以及其他重物的牵引

16、均需要矿用绞车来实现，以其量大面广，广泛应用于各种工作场合10。其工作性能的好坏也直接关系到煤矿的生产效率和生产安全，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不可估量的。然而我国大部分煤矿的辅助运输系统仍然相对落后，相对煤矿生产中的综采综掘机械化设备发展严重滞后，效率低下，且安全性能难以保证，已成为制约我国煤炭生产发展的薄弱环节。矿用绞车是在煤矿上无处不在、无时不用、不可或缺的设备10。因此，如何加速实现我国煤矿辅助运输现代化，已成为当前专家学者亟待解决的问题。传统的零距离操作方式存在巨大的安全隐患：1）由于司机须站在滚筒前双手操作刹车手柄，钢丝绳在滚筒

17、处拉力最大，此处断绳经常打伤司机，这是操作方式决定的，是不可避免的。2）绞车过载时，钢丝绳可能连带绞车及其底座一同拉起，站在底座上的司机也会一并被拉倒，而且拉起的绞车不能制动，发生跑车，对行人、设备造成不可估量的损失。3）司机劳动强度大。司机必须站立、双手费力操作两个机械式刹车手柄，尤其对大功率绞车操作更费力，劳动强度大，解放劳动力是社会发展趋势。本课题设计的远程控制通轴双速多用绞车将为解决上述问题提出一些解决方案。1.3国内外相关技术现状1.3.1国内绞车发展状况我国煤矿现有使用的矿用绞车有很多种，主要包括调度绞车、运输绞车、搬运绞车、慢速绞车、回柱绞车等种类。解放初期中国煤矿使用矿用绞车主

18、要是来自日本和苏联，自行生产的矿用绞车是靠测绘和仿制日本及苏联的产品1114。自1958年以后，仿制的矿用绞车相继被淘汰，对苏联绞车进行改进，中国的矿用绞车于1964年进入到自行设计研发阶段15-17。1981年国内试制成功第一台1.2 m液压防爆绞车，采用低速大扭矩马达直接驱动滚筒的全液压传动方式，但由于无法实现自锁，极易引发跑车事故18。1983年先后试制了1.6 m、2.0 m的液压防爆绞车。洛阳矿山机械研究所设计出了JTY系列的液压防爆绞车，采用高速液压马达经减速器减速增扭后直接驱动滚筒传动方案，实现液压马达的无极调速，满足实际工况要求19。1989年，洛阳矿山机器厂研发出2JTY1.

19、6型液压防爆绞车第一台样机，通过了工业试验，经国家矿山机械质量监督中心测定，工作效率为0.79，司机房内噪声为87 dB，通过专家鉴定20。经过数十年的发展改进，JTY系列液压防爆绞车技术结构、制造工艺趋于成熟，达到国际领先水平。2005年国内直径最大的防爆绞车试车成功，直径达到3 m，最大静张力120kN，具备良好的防爆性能，稳定的无级调速性能和低速运转特性，节能效果显著21。1.3.2国外绞车发展状况国外矿用绞车使用主要集中在俄罗斯、日本、美国、瑞典等国家，产品种类规格较多22-23。例如运输绞车牵引力从100 kgf到3600 kgf不等，比如运输绞车的牵引力从10 kN到320 kN不

20、等，按动力源又分为电力驱动、液力驱动和风动驱动等方式。按工作机构个数有单筒和双筒的。按传动形式有链传动、皮带传动、蜗轮传动、齿轮传动、液压传动等，种类繁多，其中行星齿轮传动应用相对较为广泛。20世纪80年代初期，欧洲一些国家开始推广使用液压传动绞车，采用低速大扭矩马达直接驱动绞车滚筒，结构简单，但存在加工制造困难，效率偏低等弊端。美国张伯伦莫达斯特里斯公司采用径向柱塞式液压马达C系列和B系列，研制了提升速度为2.8 m/s，电机功率为250 kW的8 t全液压传动绞车24。日本三井三池制作所引进西德盖特拉马齐克公司和法国西克马菲尔公司的高速液压马达，研制了卷筒直径为2 m的MHW22.5S20

21、001型液压防爆绞车，高速液压马达经行星减速器传动卷筒，用操作手柄改变变量泵斜盘的角度来实现无级调速25。2 绞车基本参数计算2.1钢丝绳选型2.1.1钢丝绳选取由于煤矿井下环境恶劣，钢丝绳的使用环境的腐蚀比较严重，故多选用镀锌钢丝绳26。本课题设计的绞车用于斜井运输，会导致钢丝绳磨损比较严重，因此需选择外层钢丝较粗的三角股钢丝绳较为合适。按国家标准GB8918-2006规定，本课题选择钢丝绳6V×18+IWR右捻镀锌钢丝绳，钢丝的抗拉强度为1770MPa。2.1.2钢丝绳直径计算本课题设计的远程控制通轴双速多用绞车，在低速档时滚筒外层钢丝绳最大静张力需80KN。煤矿安全规程要求27

22、，单绳缠绕时提升装置专门提升物料的安全系数不小于6.5：maFqFj式中：Fq表示最小钢丝破断拉力总和/kN；ma表示提升时的安全系数；Fj表示钢丝绳最大静张力/KN；参照国标GB8918-2006附表A.1可知，最小钢丝破断拉力总和为：Fq=Fa*Kh式中：Fa为钢丝绳破断最小拉力/kN；Kh表示换算系数。查该国标表A.1知钢丝绳6V×18+IWR的换算系数K为1.191，将数据代入上式，可得Fq=520 KN，Fa=436.6KN，查GB8918-2006重要用途钢丝绳的表17取Fa=476KN，即钢丝绳直径为26mm。型号为：6V×18+IWR-26-177。此时安全

23、系数ma=7.1。2.2绞车卷筒计算2.2.1卷筒基本参数综合考虑实际矿井绞车运行工况要求，绞车的滚筒公称直径D0应结合钢丝绳直径d和容绳量L合理选取，既要尽量减少钢丝绳缠绕层数，提高其寿命，又要减少加工制作成本。滚筒容绳宽度避免过大，而导致入绳倾角过大、增加主轴弯矩等问题28。取绳径比D0/d=20所以，取D0=520mm；B=600mm2.2.2滚筒缠绳层数计算假定不考虑钢丝绳在缠绕过程中的弹件变形，则滚筒各层容绳量有28Ln=D0+2n-1dB/d将第1层至第n层的容绳量累加，得出滚筒的近似理论容绳量L的计算公式如下：L=nB(D0/d+n)已知运输绞车的滚筒相关参数为：容绳量L=400

24、m，滚筒直径D0=520mm，钢丝绳直径d=26mm，经计算缠绕层数为7.67层，经圆整后实际缠绕层数为8层，其中最上层钢丝未缠满。因此钢丝绳在滚筒上的最大缠绕直径为Dmax=D0+2n-1d=520+15×26=910mm2.2.3滚筒厚度及侧板直径根据绞车的驱动载荷，以及钢丝绳的缠绕层数等因素，决定滚筒受到钢丝绳的径向挤压力和轴向推力，根据经验公式，对于矿用运输绞车，滚筒厚度取=25mm即可基本满足设计要求29。因钢丝绳要在滚筒上缠绕多层，为保证其不会从滚筒侧面掉出，在滚筒的侧面上需要加设保护侧板，煤矿安全规程要求D侧Dmax+2×2.5d=1040mm2.3快速档滚筒

25、输出参数2.3.1输出转速要求快速模式下，外层钢丝绳绳速不小于1.25米每秒。外层钢丝绳缠绕直径为910毫米，所以要求滚筒转速nt160vt1Dmax=60×1.25×0.91=26.23r/min式中：nt1为快速模式时滚筒的转速，r/min vt1为快速模式时外层钢丝绳绳速，m/s2.3.2滚筒输出扭矩Mt1=P11=Fj1×vt12nt1/60式中：Mt1为快速模式时滚筒输出扭矩，kNm P1为快速模式时滚筒输出功率，kW Fj1为快速模式时滚筒外层钢丝绳张力，kN代入数值：Fj1=30kN，vt1=1.25m/s，nt1=26.23r/min可得输出扭矩：

26、Mt1=13.65kNm2.3.3各层钢丝绳最大张力Fn1=2Mt1D0+2n-1d2.3.4各层钢丝绳最大绳速vn1=D0+2n-1dnt1/60由上述几式，求得滚筒各层的基本参数列如下表：表2.1 高速档滚筒运动基本参数层数n各层张力Fn1（kN）各层最高绳速vn1（m/s）累计容绳量L（m）150.00 0.75 39.58 245.65 0.82 82.94 342.00 0.89 130.06 438.89 0.96 180.96 536.21 1.04 235.62 633.87 1.11 294.05 731.82 1.18 356.26 830.00 1.25 422.23 2.4慢速档滚筒输出参数2.4.1输出转速要求慢速模式下，外层钢丝绳绳速不小于0.2米每秒。外层钢丝绳缠绕直径为910毫米，所以要求滚筒转速nt260vt2Dmax=60×0.2×0.91=4.20r/min其中：nt2为慢速模式时滚筒的转速 vt2为慢速模式时外层钢丝绳绳速2.4.2滚筒输出扭矩Mt2=P22=Fj2×vt22nt2/60式中：Mt2为慢速档时滚筒输出扭矩，kNm P2为慢速档滚筒输出功率，kW Fj2为慢速档滚筒外层钢丝绳张力，k