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PD-14回柱绞车的设计（含CAD图纸）,PD,14,绞车,设计,CAD,图纸
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PD-14回柱绞车的设计（含CAD图纸）摘要在国内，平均每年需求各种不同规格的矿用回柱小绞车数万台，因此，降低成本和提高安全性对回柱绞车的开发具有重要意义。包括对电动机的选择，减速器的选用，卷筒的设计和校核以及主轴的设计和校核，其它一些零件的选用和设计和对绞车的各部位的润滑。在设计过程中查阅了相关的一些资料，发现现在所做的设计是一个传统的但又是非常有实际意义的设计。文中主要阐述了绞车的发展和具体对绞车的设计和部件的选用过程。主轴的设计主要针对其在绞车上受力，通过选择材料到初步确定尺寸，再进行受力分析，最后进行校核强度等一系列的步骤来设计出符合要求的轴。由于本人时间和知识面的有限，所以设计的绞车不可能很全面。文中错误难免，望老师给于指正。关键词 绞车；减速器；主轴AbstractIn the domestic, every year we need every kind of different specification of the winch count about ten thousandth sets on average, therefore, declining the cost will be very important to the machine development . Including the motor of choice, the choice of reducer, reel in the design and verification as well as the main design and verification, some other parts of the selection and design of the winch and the various parts of lubrication. In the design process inspection of the relevant information and found that the design is now done by a traditional but a very meaningful design. In the main text of a winch on the development of the winch and specific parts of the design and selection process. The design for the main spindle in the winch on the force, through the choice of materials to determine the initial size, to conduct Analysis, a final check of the intensity and a series of steps designed to meet the requirements of the shaft. Because of my limited time and knowledge, so the design of the winch is notcomprehensive. In the wrong inevitably, to hope the teachers can corrected.Keywords winch retarder spindleIIPD-14回柱绞车的设计（含CAD图纸）目 录1 绪论11.1 课题背景11.1.1 绞车的分类11.1.2 绞车的特点和性能要求11.1.3 绞车功能与结构21.2 国内外绞车的发展状况31.2.1国内绞车发展状况31.2.2国外绞车发展状况42 回柱绞车主要性能参数的确定62.1 钢绳拉力62.2 钢绳绳速62.3 电动机额定功率62.4 钢绳型式和直径的确定72.5 卷筒直径的确定103 电动机的选择113.1选择电动机类型和结构型式113.2 主要参数113.3 电机的计算和选取114 齿轮的计算和强度校核144.1 圆柱齿轮的设计与计算145 轴的设计和计算205.1 齿轮轴的分析与强度校核：205.2 滚筒轴分析与强度计算226 轴承的选用256.1轴承分类256.2轴承游隙选择267 联轴器的选择和计算278 卷筒的设计298.1设计卷筒298.1.1卷筒的材料298.1.2卷筒筒壁的厚度计算和卷筒壁的强度计算298.2卷筒强度分析308.2.1分析卷筒强度308.2.2稳定性计算原理328.2.3卷筒深槽惯性矩的计算339 键联接349.1键及其连接349.2键联接的功能、分类及应用349.3键的选择359.4平键的校核35结论37致谢38参考文献39附录40附录140附录250591 绪论1.1 课题背景在人类历史上，绞盘(windlass)是第一种用于拖曳提升重物的机器，它可使一个人搬运远重于自己许多倍的重物。绞盘采用一种轴和轮的形式，由用垂直框架支撑的滚筒组成，人通过用手摇动曲柄，使绞盘滚筒绕水平轴转动。中国人在公元前二千年就设计出用曲拐手柄转动的砂轮。今天被广泛应用的绞车(或称卷扬机)是绞盘的另一种形式，它泛指具有一个或几个上面卷绕有绳索或钢丝绳的圆筒，用来提升或拖曳重载荷的动力机械。绞车用电动机驱动，靠齿轮，蜗轮传动的速比变化，配有制动卷筒的制动机构绞车是工业生产过程中一种常用的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的发展设计制造技术，随着绞车技术的不断提高，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应用于矿山，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应用着，例如矿用提升绞车，调度绞车，耙矿绞车和凿井绞车等。提升绞车可用于矿山竖井和斜井中物品和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，其主要执行机构是各种形式和结构的绞车，对于这种用途的绞车，要求具有较好的调速性能和很高的安全性能。另外，绞车还被应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，从而保证生产的顺利进行，在船用机械甲板机械和海洋开发领域，绞车也具有悠久的使用历史和各种各样的用途。可以说，绞车广泛的应用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样的机构组成。为了更好的研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类,性能特点，功能和结构展开探讨。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：单筒绞车，双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。它是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，通常把绞车分为电动绞车，气动绞车和液动绞车三种。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，在工程应用中绞车绞车会有如下的一些特点：1. 负载时变绞车用于海洋拖曳，电梯箱的提升，矿山调度等场合时，由于外界环境因素的影响，例如海浪，海流，货物重量等的不断变化，他的负载也在不断变化。这就对绞车的稳定性造成了很大的干扰。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，高低速运行平稳由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续的调整收放速度。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，不能出现爬车的现象，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者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较高的可靠性。因此在设计绞车时设计人员因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的提高。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，极大的提高了绞车的操作性能。1.1.3 绞车功能与结构绞车设计采用滚筒盘绞或夹钳拉拔缆绳方式来水平或垂直拖曳、提升、下放负载，绞车一般包括驱动部分、工作装置、辅助装置等几部分。1.驱动部分:用于驱动绞车工作装置盘绞、释放缆绳，包含动力及传动装置与控制装置。绞车可以采用多种驱动方式，包括电动机、蒸汽机、柴油发动机、汽油发动机、液压马达、气动马达等等。无论采用何种驱动方式，在绞车的驱动部分设计中都应包含以下设计准则:无级均匀变速，调速范围宽广;在有负载情况下，良好的启动特性和低速特性，总效率高;双向旋转，并且容易改变旋转方向（需要单向运转时可以设定自锁装置）维护保养相对容易，对周围工作环境不敏感;制动系统工作可靠;设计紧凑，结构简单，安装布置容易，重量轻;在有负载情况下，能长时间安全带载静止而不至于损坏驱动系统。对于小型绞车，为了保证结构紧凑，绞车驱动部分一般与绞车工作装置联接在一起，直接驱动工作装置;对于大型绞车或应用现场空间相对狭小的绞车，绞车驱动部分与绞车工作装置可以设计成独立放置，两者间通过液压管线、气动管线或电缆管线相联系，绞车的布置和操纵均很方便。 2.工作装置:在驱动部分作用下，通过滚筒回转或夹钳直线拉拔等方式拖曳或释放缆绳以完成对负载的收放控制，并含有对缆绳的容绳和排缆装置。3.辅助装置:辅助工作装置完成拖曳作业，包含滑轮组、导向装置以及速度测量、长度距离测量、张力测量等装置部分;绞车可以使用钢丝绳、尼龙缆绳等多种材质缆绳1.2 国内外绞车的发展状况1.2.1国内绞车发展状况 我国提升设备的设计制造，是在解放以后才开始的4。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。1953年抚顺重型机器厂制造了我国第一台缠绕式双筒提升机。1958年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，并于1961年开始运转，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机的矿山。1989年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。1971年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;二是电抓调速装置(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于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;八于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5: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，制动招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，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。6 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7。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2X3000kW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 (57-400),闸控 PLC (57-400)、装载PLC，(S5-115W、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8。1.2.2国外绞车发展状况 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9。 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口益增加，在井深达1000m以上，一次提升量达4050t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SOmm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10。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，目前节能效果相当明显，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。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、澳大利业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。2 回柱绞车主要性能参数的确定2.1 钢绳拉力在顶板压力作用下，究竟需要多大拉力才能回柱放顶，目前还没有完整的计算力理论。这是因为在回采过程中影响顶板压力的因素颇为复杂。一般情况下是靠实践经验来掌握回柱放顶周期，并制定包括放顶的步矩和时间在内的合理作业的正规循环。一般来说，顶板悬露的时间短，则其压力小容易控制顶板。反之，则打乱了正规循环作业，顶板悬露时间长，则压力大，支柱受力也大。国内回柱绞车参数系类标准中规定，钢绳拉力有三档即，5吨，8吨，14吨。但是，对钢绳拉力的涵义，国内生产厂家各持一说，产品设计方法很不统一。回柱绞车属于多层缠绕式工作机械。通过钢绳把拉力传递到支柱上。作为钢绳名义来历，他必须是包括最外层和最内层在内的各层钢绳必须具有的最小拉力值。显然，一旦电动机功率以及机械的结构确定后，以最外层拉力最小。因此把最外层拉力定为回柱绞车的名义拉力是合理的。如果以中间层或者最内层拉力定位名义拉力进行绞车设计，将导致外层拉力小于绞车名义拉力。显然这是不合理的。因此这部JHMB-14绞车的钢绳最外层拉力为120000N2.2 钢绳绳速因为钢绳在绞车卷筒上为多层缠绕，钢丝绳的并不是恒定不变的，而是随着缠绕层数的增加而增大。为了与钢丝绳拉力相适应，应以最外层速度作为绞车钢绳的名义速度0.14米/秒。钢绳速度是影响回柱放顶作业生产率的主要因素之一，回柱放顶作业时间长，则影响正规循环，延缓回柱放顶时间，顶板压力大，给回柱绞车增加困难。但是，回柱生产率不仅仅决定于钢绳速度。因为，在回柱放顶作业过程中，大量是辅助作业时间。因此，回柱放顶作业的组织工作与操作熟练程度等同样起着重要的作用。另外，当拉力达到最大值的瞬间，如果绳速过大，必然产生较大的动力载荷。其结果是支柱破损率增大，并且由此引起包括绳速在内的机件的摔坏。2.3 电动机额定功率合理地确定电动机的功率，即可以充分发挥电动机的能力，又可以节约电能。为此需要研究回柱放顶作业过程的负载特性，明确电动机的工作制度。钢绳拴在支柱上，电动机启动后带动钢绳，此时钢丝为松弛状态，经一段空载运行后拉力值将直线上升（此时钢丝绳已被拉紧），已致达到将在顶板压力作用下的支柱撤下来的最大值，此时电动机可能出现瞬时过载，随后拖动支柱一段距离，电动机停车，一个回柱循环至此结束，有回柱工做些必要的辅助工作后，开始下一个循环，如此反复。可以看出电动机属于带启动的断续周期性的工作方式。每一个工作周期，包括一段启动时间，一段极短的超负载运转时间以及一段停车断电时间。观其运行特性，可以认为是断续周期性负载。但根据井下工作特点，为扩大其使用范围，此处并不按断续周期性工作方式选择电动机，而是按连续工作制选取。电动机功率按最大的瞬时负载计算，在按此计算值求得电动机的额定容量。电动机瞬时过载容量表示电动机处于发热状态中，并能在极短的时间内保证瞬时过载功率而不致破坏其运转的正常条件。这一功率决定于电动机的特性及其机械强度。根据鼠笼型电动机的机械特性曲线达到这一瞬间过载时，电动机转矩达到临界值，而这一过载不降低当超过临界转差率时，则电动机转矩急剧下降，以致造成电动机闷车。鼠笼式电动机的过载系数为K=1.8-2。为了不使电动机经常出现闷车，在功率计算中，取K=1.36，鼠笼电动机机械特性见图2-1。图2-1鼠笼电动机机械特性计算功率见式（2.1）。 (瓦) 式（2.1）式中： 卷筒最外层钢绳速度（米/秒）；卷筒最外层钢绳拉力（牛）；机械传动总效率。额定功率见式（2.2）。 式（2.2）将2.1式代入2.2式中得： （瓦） 式（2.3）按此计算值P，在电动机样本中查取标准电动机功率值，查取值不得低于P值。2.4 钢绳型式和直径的确定钢绳在使用过程中，其机械强度降低的因素主要有磨损，锈蚀，疲劳，断丝及咬伤。但是对于不同的绞车，由于其工作特点及使用条件不同。促使其机械强度降低的因素也不尽相同。一般情况，由于钢绳在滚筒上缠绕，钢绳中产生弯曲和扭转应力，在其反复作用下，钢丝绳会出现疲劳。反复弯曲的次数越多，疲劳破坏越迅速。回柱绞车与其他钢绳缠绕式机械有所不同，在回柱过程中钢绳不需要连续不断地缠绕，钢绳放出后就相当于一个均质的弹性杆，由它传递拉力。因此可以认为上述疲劳断丝不是回柱钢丝绳破坏的主要因素。使用在工作面的回柱绞车，因湿度大，易锈蚀，在回柱过程中钢绳经常与底板，煤摩擦，因此锈蚀与磨损相伴发生，而且磨损在锈蚀作用下发展加剧。锈蚀和磨损是回柱钢绳报废的主要原因。当然，对于多层缠绕咬绳是不可避免的。因此咬绳对钢绳寿命的影响也不容忽视。明确了回柱钢绳破坏的主要因素，就可以选择钢绳的型式。在井筒淋水大,淋水酸碱度高,以及在回风巷中,由于腐蚀严重应选用镀锌钢丝绳;在磨损严重的条件下使用的钢丝绳,如斜井提升时,应选用外层钢丝较粗的三角股钢丝绳;当弯曲疲劳为主要损坏原因时,应选用线接触式顺捻绳和三角股绳;同向捻钢丝绳因较柔软、表面光滑、耐疲劳性能好、寿命长,主要用于立井及斜井箕斗提升中;斜巷串车提升,减少松绳打结,一般应选用不易松散的交互捻钢丝绳;当钢丝绳在绞车滚筒上做右螺旋缠绕时,则应选用右捻绳;反之,则用左捻绳;多绳摩擦提升机采用左右捻各半;用于温度高或有明火的地方,如矸石山等,应选用金属绳芯钢丝绳。回柱绞车选择 619型，该型钢绳属于点接触式，它的特点是质地柔软，耐磨，适合于干工作面工作。由于是点接触，绳股中钢绳的接触应力较大，所以耐疲劳性能差。但是，回柱钢绳疲劳不是降低机械强度的主要因素。由此看出，这种型式的钢绳是合适的。为了确定钢绳的直径，首先要研究回柱钢绳的许用安全系数。合理的选择钢绳的安全系数是设计工作中的一项主要工作。提高钢绳的安全系数能延长钢绳的使用寿命。但是钢绳安全系数过大，则钢绳直径就相应变粗，导致机械体积大而且笨重。这既不符合经济原则，又给绞车整体井下搬运带来不便。因此，在确保安全可靠性的前提下，尽可能减小安全系数.许用安全系数见式（2.4）。 式（2.4）式中：绳断造成后果系数；钢绳缺陷及拉力计算不精确系数.多年国内煤矿使用试验表明，很少由于回柱断绳造成人身伤亡和设备事故。煤矿保安规程第56规定:“放顶人员必须站在支架完整，没有可能发生崩绳，崩柱，甩钩，断绳抽人等情况的安全地点工作”。可见，只要遵守保安规程，就可以避免断绳造成的死亡事故。因此取： =0.1.钢绳制造工艺是成熟的，其材质可靠，因此，新钢绳一般很少存在质量上的缺陷（矿山使用旧钢绳除外）。另外，安全系数是以电动机过载时的情况下经计算求得的，已偏于安全。因此，取： =0.2则许用安全系数见式（2.5）。 n=1+0.1+0.2=1.3 式（2.5）所确定的许用安全系数与提升设备主钢绳安全系数相比，似乎偏低，这可能引起人们的担心。但应但看到，目前国内外钢绳钢绳计算理论尚不完善。对于提升钢绳，实际上计算时仅仅注意到钢绳的静载荷（绳重与终端载荷），而钢绳中产生的动载荷是用增大安全系数来抵偿。因此，安全系数选择比较大。其实也是一个约略的数值，不能钢绳中发生的实际过程。而回柱绞车钢绳拉力一般属于静拉力，因此，钢绳工作时仍然是安全的。回柱绞车设计计算安全系数的求解见式（2.6）。N=（整条钢绳破断拉力）/（钢绳在卷筒最内层拉力）=n 式（2.6）式中取钢绳整条破断拉力，这是因为钢绳的钢丝破断拉力总和与钢绳破断拉力并不相等，后者小于前者。下面以换算系数表示两者之间的关系见式（2.7）。=(钢绳破断拉力总和-整条钢丝绳破断拉力)/钢绳破断拉力总和100% 式（2.7）对于各种结构的钢绳，换算系数是不同的。它与绳股内钢丝间接触形式（点，线，面），捻距大小及钢绳结构等因素有关。钢绳的结构越复杂，绳中钢丝数越多，则有捻制所造成的破断拉力损失越大。回柱绞车选用钢绳为619型，其换算系数为： =15% 则整条钢绳破断拉力的求解见式（2.8）。整条钢绳破断拉力=（1-）(钢丝破断拉力总和) 式（2.8）在（2.6）式中，取钢丝绳在卷筒最内层静拉力，因为，在回柱过程中，可能出现最大静拉力是在最内层（此拉力远大于标准中规定的额定拉力）。此拉力的求得见式（2.9）。（牛） 式（2.9）式中： P电动机额定功率，千瓦（查样本值）；传动总效率；卷筒最内层钢丝绳速度 米/秒；K电动机过载系数。因为 所以 式中： 最外层绳速， 米/秒；D卷筒直径， 米；d在卷筒缠绕一层是所增加的缠绕直径。一般取d=0.83;钢绳直径；n在卷筒上缠绕层数。则卷筒最内层转速见式（2.10）。 式（2.10）=0.070米/秒 钢绳在最内层的拉力见式（2.11）。 式（2.11）=20.960.6871.36/0.07=2791000牛 整条钢绳破断拉力见式（2.12）。 整条钢绳破断拉力 =（1-）(钢丝破断拉力总和) 式（2.12）=0.85450=382.51000牛 回柱绞车设计计算安全系数的求得见式（2.13）：N=（整条钢绳破断拉力）/（钢绳在卷筒最内层拉力） 式（2.13）=382.5/279=1.371.3 所以是合格的。按上式计算的整条钢绳破断拉力与钢绳在卷筒最内层缠绕时的静压力，代入（2.6）式便得计算安全系数，若其值大于许用安全系数1.3，则所选用的钢丝绳就是安全的。2.5 卷筒直径的确定所有矿用绞车不论是缠绕式或者是摩擦式的，其卷筒直径都是根据预先规定的卷筒直径与钢绳绳直径的比值（D/dk）确定的。因为，绳中产生的弯曲应力直接与卷筒直径，钢丝绳直径以及钢绳结构有关。弯曲应力的求解见式（2.14）。 （牛/） 式（2.14）式中：E钢丝绳弹性模数 （牛/）；D卷筒直径 （毫米）；钢丝直径 （毫米）；K与钢绳结构有关的系数。显然，为降低弯曲应力，在钢丝绳直径以及其材料确定后，增大卷筒直径对于提高钢丝绳寿命是很有益的。回柱绞车虽属于钢绳缠绕式机械，但钢绳的主要作用，不是牵引载荷不断地运动，而是作为一个弹性杆，将卷筒的圆周拉力作用在支柱上，而且回柱时只有几秒钟。因此，钢绳不需要连续不断地往卷筒上缠绕，钢绳的主要破断形式不是疲劳断丝，国外对D/值也没有明确规定。为确保安全，有不因为这个比值选的过大而增加机体，建议选用D/ 16所以选择卷筒直径为400毫米，满足要求。3 电动机的选择3.1选择电动机类型和结构型式电动机有交流电动机和直流电动机两种。由于直流电动机需要直流电源，结构较复杂，价格较高，维护比较不便，因此无特殊要求时不宜采用。工业上采用交流电动机交流电动机有异步电动机和同步电动机两类，异步电动机又分笼型和绕线型两种，其中以普通笼型异步电动机应用最广泛如无特殊需要，一般优先选用型笼型三相异步电动机，因其具有高效，节能，噪音小，振动小，安全可靠的特点，且安装尺寸和功率等级符合国际标准，适用于无特殊要求的各种机械设备3.2主要参数 平均拉力：160000N 牵引速度：小于0.25ms左右 卷筒最小直径400mm。绞车的工作环境：常温下长期连续工作，环境有灰尘。电源为三相交流，电压380V。3.3 电机的计算和选取 根据资料可知卷筒的线转速为0.12米/秒由此可以推算卷筒的角速度见式（3.1）。n=v/()=0.12/(400)=5.73r/min 式（3.1）式中：n卷筒的转速；d卷筒的直径；v卷筒的线速度。则卷筒的拉力功率见式（3.2）。 P=FV=14010000.14=19.6kw 式（3.2）式中：P卷筒的拉力功率； F钢丝绳的拉力；V钢丝绳的线速度。整个机械的传动效率见式（3.3）。y=0.990.980.800.980.970.980.970.98=0.687 式（3.3）电动机的工作功率为见式（3.4）。 式（3.4）式中：P电动机的功率； V钢丝绳的最大线速度；K电动机过载功率； 整个机械的传动效率。由于目前我国煤炭产量已达7亿多吨，居世界第三位。开采方法以矿井为主.由于矿井中瓦斯含量较高，有些矿井甚至是超级瓦斯，过去国内没有较好的防爆系统，所以井下只好使用非防爆型绞车，采用加强通风措施等方法，以防止瓦斯爆炸事故的发生。这样既不经济，又不安全。煤炭部规定，井下使用绞车必须是防爆型的，所以现在使用的绞车都是必须限期达到防爆要求。由于该绞车应用于矿山所以使用防爆型电动机在根据电动机的工作功率选用YBK-255M-8型电动机，其性能参数见表3-1。表3-1电动机的技术参数型号功率（KW）转速（n/min）YBK-225M-822730总的传动比见式（3.4）。 式（3.4） 取128。4 齿轮的计算和强度校核4.1 圆柱齿轮的设计与计算 材料的选取：小齿轮选取40Cr采用调质处理后硬度为280HB；大齿轮选取40Cr硬度为280HB大小齿轮都选取具有较高的热处理要求。齿面接触疲劳强度计算和校验：初步计算转矩的计算见式（4.29）。 式（4.29）=955016.27/36.5=4256490式中：n齿轮高速级转速。=4256490齿宽系数 由表12.13（应为其为悬臂装置）（由于其硬度小于350HB属于软齿面）=0.4接触疲劳极限由图12.17c =850Mpa=850Mpa许用接触疲劳极限计算见式（4.30）。=0.9 式（4.30）=0.9850=765Mpa=765Mpa =0.9 式（4.30）=0.9850=765Mpa=765Mpa值的选取 由表12.16得 =82初步计算小齿轮直径见式（4.31）。 式（4.31）=246.83mm 初选齿宽b见式（4.32）。 b= 式（4.32）=0.4250=100mmb=100mm齿轮强度校核计算圆周速度v计算见式（4.33）。 式（4.33）=25036.5/60/1000=0.48m/s v=0.48m/s精度等级的选取 由表12.6 由于小于2m/s 取9级等级齿数Z和模数 m 初选小齿数 取=25模数m= =250/25=10 取m=10=i=225=50 取=25=50使用系数 由表12.9 =1.25动载荷系数 由图12.9（由于精度等级为9级，圆周速度为0.48m/s）=1.1齿间载荷分配系数 由表12.10求得：=24256490/250=34051.92N=34051.92N=1.2534051.92/100=425.65N/m100N/m=1.88-3.2(1/+1/)=1.88-3.2(1/25+1/50)=1.688=1.688=0.88=1.2齿向载荷分布系数 由表12.11计算见式（4.34）。 式（4.34）=1.174=1.17载荷系数K计算见式（4.35）。 式（4.35）=1.17=1.93K=1.93弹性系数 由表12.12得 =189.8节点区域系数 由图12.16得 =2.5接触最小安全系数 由表12.14得 =1.05总工作时间的计算：应力循环次数见式见式（4.36）。 式（4.36）=60136.56000式中：同一侧齿面的啮合次数； 工作时间。 式（4.36）=60136.5/26000 接触寿命系数由图12.18得 =1.3（取A）=1.25(取B)许用接触应力计算见式（4.37）。 式（4.37）=8501.3/1.05=1052.38Mpa =1052.38Mpa 式（4.37）=8501.25/1.05=1052.38Mpa =1052.38Mpa验算见式（4.38）。 式（4.38）=829.17Mpa=829.17 Mpa因为或者() 合格确定传动主要尺寸：=1025=250mm=250mm=1050=500=500mm=(250+500)/2=375mma=375mm=0.4250=100mm 因为小齿轮的齿宽大于大齿轮10毫米左右所以 取b1=110mm齿根弯曲疲劳强度验算：重合度系数计算见式（4.39）。 式（4.39）=0.25+0.75/1.688=0.69=0.69齿间载荷分布系数： =1.2齿向载荷分布系数 b/h=100/(2.2510)=4.44 由图12.14可知 =1.18载荷系数计算见式（4.40）。 式（4.40）=1.18=1.942K=1.942齿形系数 由图12.21 =1.2=2.34应力修正系数 由图12.22 =1.58=1.72弯曲疲劳极限 由图12.23c =680Mpa=680Mpa弯曲最小安全系数 自取 =1.25应力循环次数计算见式（4.36）。 式（4.36）=60136.56000 式（4.36）=60136.5/26000 弯曲寿命系数 由图12.14得 =1=1.1尺寸系数 由图12.25得 =0.97许用弯曲应力计算见式（4.41）。 式（4.41）=68011.97/1.25=527.68Mpa =527.68Mpa 式（4.41）=6801.11.97/1.25=527.68Mpa =580.45Mpa弯曲应力验算见式（4.42） 式（4.42）=21.94242564902.631.580.69/100/250/10=189.6Mpa因为F1 合格 式（4.42）=21.94242564902.341.720.69/100/250/10=183.65Mpa因为D因此 合格5.2 滚筒轴分析与强度计算（a） 轴结构图（b） 轴受力图(C)对齿轮受力分析=28092440/250=64739.52N=64739.52N=134/250 a=32.4=64739.52tan32.4=41084.9N41084.9N=64739.52cos32.4+41084.9sin32.4=76675.77N=76675.77N=41084.9sin32.4-64739.52cos32.4=0N=0N（c） 水平面受力图=120000N=56765.91N=-(120000-76675.77+56765.91.64)=-100090.14N(e)水平面弯矩图（f）垂直面受力图(g)合成弯矩图轴径的校核由于所谓的不变的转矩只是只是理论上可以这样这样认为，实际上机器运转不可能完全均匀，而且有扭矩振动的存在，故为安全考虑，常按脉动转矩计算，轴选用合金刚，所以对称循环应力-1b为90Mpa。=102.07mm因为D因此 合格 6 轴承的选用6.1轴承分类角接触轴承：球与套圈公称接触角大于0，而小于90的滚动轴承。外球面轴承：有外球面和带锁紧件的宽内圈的向心滚动轴承。主要供简单的外壳使用。直线运动轴承：两滚道在滚动方向上有相对直线运动的滚动轴承。球轴承：滚动体是球的滚动轴承。深沟球轴承：每个套圈均具有横截面大约为球的周长三分之一的连续沟型滚道的向心球轴承。推力球轴承：滚动体是球的推力滚动轴承。滚子轴承：滚动体是滚子的滚动轴承。圆柱滚子轴承：滚动体是圆柱滚子的向心滚动轴承。圆锥滚子轴承：滚动体是圆锥滚子的向心滚动轴承。滚针轴承：滚动体是滚针的向心滚动轴承。球面滚子轴承：滚动体是凸球面或凹面滚子的调心向心滚动轴承。有凸球面滚子的轴承，外圈有一球面形滚道；有凹面滚子的轴承，其内圈有一球面形滚道。推力滚子轴承：滚动体是滚子的推力滚动轴承。推力圆柱滚子轴承：滚动体是圆柱滚子的推力滚动轴承。推力圆锥滚子轴承：滚动体是圆锥滚子的推力滚动轴承。推力滚针轴承：滚动体是滚针的推力滚动轴承。推力球面滚子轴承：滚动体是凸球面或凹面滚子的调心推力滚动轴承。有凸球面滚子的轴承座圈的滚道为球面形，有凹球面滚子的轴承轴圈的滚道为球面形。带座轴承：向心轴承与座组合在一起的一种组件，在与轴承轴心线平行的支撑表面上有个安装螺钉的底板。关节轴承：滑动接触表面为球面，主要适用于摆动运动、倾斜运动和旋转运动的球面滑动轴承。组合轴承：一套轴承内同时由上述两种以上轴承结构形式组合而成的滚动轴承。如滚针和推力圆柱滚子组合轴承、滚针和推力球组合轴承、滚针和角接触球组合轴承等。其他轴承：除上述以外的其他结构的滚动轴承。滑动轴承：滑动轴承不分内外圈也没有滚动体，一般是由耐磨材料制成。常用于低速，重载及加注润滑油及维护困难的机械转动部位。6.2轴承游隙选择滚动轴承的径向游隙系指一个套圈固定不动，而另一个套圈在垂直于轴承轴线方向，由一个极端位置移动到另一个极端位置的移动量。轴承游隙的选择正确与否，对机械运转精度、轴承寿命、摩擦阻力、温升、振动与噪声等都有很大的影响。如对向心轴承游隙的选择过小时，则会使承受负荷的滚动体个数增多，接触应力减小，运转较平稳，但是，摩擦阻力会增大，温升也会提高。反之，则接触应力增大，振动大，而摩擦阻力减小，温升低。因此，根据轴承使用条件，选择最合适的游隙值，具有于分重要的意义。 选事实上轴承游隙时，必须充分考虑下列几种主要因素：（1）轴承与轴和外壳孔配合的松紧会导致轴承游隙值的变化。一般轴承安装后会使游隙值缩小；（2）轴承在机构运转过程中，由于轴与外壳的散热条件的不同，使内圈和外圈之间产生温度差，从而会导致游隙值的缩小；（3）由于轴与外壳材料因膨胀系数不同，会导致游隙值的缩小或增大。通常向心轴承选择最适宜的工作游隙值就是轴承游隙标准中所规定的基本组游隙值。基本组游隙值适用于一般工作条件，应该优先选用。对于在特殊条件下工作的向心轴承不能采用基本组游隙时，可选用辅助组游隙值。如深沟球轴承的第3、4、5组游隙值，适用于轴承与轴和外壳孔采用比正常配合更紧的过盈配合或轴承内圈与外圈工作温差较大的机械部件中。在轴中心与外壳孔中心线倾斜度较大，和为了增加其承受轴向负荷能力，提高轴承极限转速，以及降低轴承摩擦阻力等工况条件下，亦可采用第3、4、5组游隙值。对于要求旋转精密或限制轴向游动的轴，一般采用第2组游隙值（小游隙值）的轴承，必要时还给予一定的预加负荷“预紧”，以提高轴的刚性7 联轴器的选择和计算联轴器是联接两轴使之同一回转并传递转矩的一种部件，在机器停车后用拆卸的方法可以把两轴分离。联轴器大的方向可以分类为：刚性联轴器；擾性联轴器。刚性联轴器适用于两轴能够对中并在工作中不发生相对的位移；擾性联轴器适用于两轴有偏斜（可分为同轴线，平行轴线，相交轴线）或者在工作中有相对的位移（可以分为轴向位移，径向位移，综合位移）的地方，由于此处两轴不发生相对位移，而且不会有相对的偏斜，刚性联轴器比弹性联轴器更加简单，容易加工所以选用刚性联轴器.根据机器的总体结构设计的联轴器图形见图3-3。图7-3 连轴的结构示意图对联轴器的强度进行校核：联轴器由四个直径为16的螺栓连接，每个螺栓所受的剪切力见式（7.47）。 式（7.47）=21.9271.46/4/85=3.03牛 式中： K为载荷系数此处的取值依据为由电动机为动力机特征，工作机特征为转矩变化和冲击载荷都为中等；T为联轴器的最大转矩；Z为螺栓的总数目；Do为螺栓中心圆直径。对螺栓的强度进行校核：螺栓的性能等级选择9.8。则材料的拉伸强度极限=900MPa，材料的屈服极限为720MPa。由于受剪螺栓所受的载荷接近静载荷所以剪切安全系数Ss为2.5螺栓的许用剪切应力计算见式（7.48）。 = /Ss 式（7.48）=720/2.5=288MPa. 每个螺栓所受的剪切应力为F/S=3.03/(88)=15.078MPa；此处螺栓所受的剪切应力小于螺栓的许用剪切应力所以螺栓的强度合格8 卷筒的设计8.1设计卷筒8.1.1卷筒的材料 由于考虑到卷筒材料具有良好的铸造性和焊接工艺性，且货源广泛，在本设计中选取材料ZG230-450极限应力、8.1.2卷筒筒壁的厚度计算和卷筒壁的强度计算a)多层缠绕系数的确定多层缠绕系数的理论计算 式（8.4）式中 钢丝绳的缠绕层数式中钢丝绳的缠绕节距卷筒壁厚卷筒直径钢丝绳直径钢丝绳纵向弹性模量钢丝绳横向弹性模量卷筒材料的弹性模量钢丝绳的断面积则b)卷筒的厚度设计卷筒厚度为式中钢丝绳的额定拉力建筑卷扬机设计查得则C) 卷筒壁的强度计算经强度计算较合适无需调整。8.2卷筒强度分析8.2.1分析卷筒强度卷筒在工作中受到钢丝绳的作用,一是钢丝绳拉力使卷筒受弯和受扭,二是钢丝绳拉力对卷筒产生的径向压力。卷筒上的扭转应力比较小,可忽略不计。在较短的卷筒中,弯曲应力也可以不予考虑1。因此,卷筒壁厚主要与钢丝绳在卷筒上卷绕时对卷筒的紧箍作用有关,紧箍作用引起的应力使卷筒受到压缩和弯曲。如图1所示,卷筒在具有一定拉力的单圈绳索的作用下将产生局部弯曲变形,而卷筒在实际工作中,并不是仅仅受到一个卷绕绳圈作用的载荷,而是受到了紧密排列的许多绳圈作用的载荷。如果在卷筒上所有的绳圈都保持着钢丝绳原来卷绕卷筒时的拉力,则当卷筒上布满了卷绕上的绳圈时,由弯曲应力引起的变形消失。图8-1单绳圈与多绳圈作用引起卷筒的变形对于外压作用下要求强度的结构,由于加劲肋有效地参加整体结构的受力,所以在计算时也应将加劲肋考虑在内2。计算环向加筋圆筒壳就象计算具有相应当量厚度的假想光壳一样进行。假定把环筋均匀“铺平”在壳的表面,即可求出当量厚度ha为 式（8.5）式中 h-卷筒壁厚 F-环筋的横截面积 t-卷筒槽距 -当量系数为了研究方便,把卷筒作为一个圆筒,只是在计算外压时将绳槽的高度简化成等效厚度加到卷筒壁厚上。则可推导出卷筒的应力状态3: 式（8.6） 式（8.7） 式（8.8）此时,应力分量r和都是压应力,处于三向受压应力状态。3个主应力分别为1=r,2=z,3=。最大压应力发生在卷筒内表面。式中 -卷筒径向应力； p-卷筒的外压； b-卷筒外表面半径； r-卷筒半径； a-卷筒内表面直径； -卷筒周向应力； -卷筒轴向应力； -泊松比。在塑性理论中,两种常见的屈服条件是米泽斯(Mises)屈服条件和特雷斯卡(Tresca)屈服条件,本文采取后一种屈服条件,其表达式为 式（8.9） 式（8.10）由式(6)可以看出,在内侧r=a首先开始屈服,此时(r-)r=a=s,可以求得弹性极限压力pe为 式（8.11）8.2.2稳定性计算原理由于减薄的卷筒属于焊接薄壁结构,可应用薄壳理论方面的知识。能量法是研究弹性体稳定性问题的常用方法之一,尤其对于比较复杂的问题,用能量法求解往往比较简便4。本文采用能量法中的一种常用方法李兹法来推导卷筒的稳定性计算公式。首先要选择能确定该物体偏离其初始平衡位置的位移,并能满足边界上运动条件的基函数。还要建立壳中面应变以及壳任意点应变和其位移分量的几何关系式,再推导壳的应变能V和外力功U与壳应变的关系式。通过这些关系式可以求得偏离后壳的总位能=V-U的表达式,再利用最小位能原理推导壳的稳定性方程。在研究薄壳的变形时,采用曲线坐标系最为适宜,取原点在左端中心轴上。壳中面任一点的位置,可以用两个坐标和来表示。其中为所研究的点与过原点垂直于圆柱中心轴的平面之间的距离;为经过所研究点作直径面,与给定直径面之间的夹角。令符号u,分别代表所研究点沿母线方向,圆周切线方向以及中面法线方向上的位移。当圆筒壳丧失总体稳定性时,壳的两端可以认为是简支,因此位移和在两端应该等于零。壳失稳后的变形是连续的,位移的3个分量都应该是坐标的周期函数。则屈曲挠度函数可设为 式（8.12）式中 ；L卷筒长度;m卷筒壳失稳时沿壳的长度方向形成的半波数;n卷筒壳失稳时沿壳的圆周方向形成的半波数;A,B,C未知常数。在径向外压力作用下,可求得环筋圆筒壳总体稳定性的理论临界压力 式（8.13） 式中 E-弹性模量； R-卷筒名义半径； L0-卷筒切有绳槽部分的长度； I-卷筒绳槽惯性矩。m, n由相应上式最小值的条件确定。计算表明,当m=1,由上式所确定的理论临界压力为最小。令m=1,可将上式简化为: 式（8.14）从式(10)可以看出,惯性矩越大,屈曲压力就越高。对于一般的圆筒壳,R=RL约为1,而n3,所以2R2与n2相比可以忽略不计,这样式(10)简化为 式（8.15）将对n求导,并令其为零,得式中 ； 式（8.16） 从而求得。将求得n(圆整)代入式(9),即可求得圆筒壳在径向外压作用下的总体稳定性的最小理论临界压力。8.2.3卷筒深槽惯性矩的计算绳槽半径R10575d,绳槽节距t13d,绳槽深度c06d。10 d +0.195+h/2 式（8.17）9 键联接9.1键及其连接键主要用于轴和轴上零件（如齿轮，带轮）间的周向连接，以传递扭矩。在被连接的轴上和轮毂孔中制出键槽，先将键镶嵌入轴上的键槽内，再对准轮毂孔中的键槽（该键槽是穿通的），将它们装配在一起，便可达到连接目的。9.2键联接的功能、分类及应用通过键将轴与轴上零件（齿轮，带轮，凸轮等）结合在一起，实现周向固定，并传递转矩的连接称为键联接。键联接属于可拆联接，具有结构简单，工作可靠，装拆方便及已经标准化等特点，故得到广泛的应用。键是一种标准零件，通常用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，有的还能实现轴上零件的轴向固定或轴向滑动的导向。键联接的类型有：平键联接，半圆键联接，楔键联接，切向键联接和花键联接等。平键联接键的两侧面是工作面,工作时,靠键同键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面和轮毂的键槽底面间则留有间隙。平键联接具有结构简单，装拆方便，对中性较好等优点，因而得到广泛应用。这种键连接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定作用。根据用途的不同，平健分为普通平键、薄型平键、导向平键和滑键四种。其中普通平键和薄型平键用于静联接，导向平键和滑键用于动联接。普通平键按构造分：有圆头（A型），平头（B型）及单圆头（C型）三种。圆头平键宜放在轴上用键槽铣刀铣出的键槽中，键在键槽中轴向固定良好。缺点是键的头部侧面与轮毂上的键槽并不接触，因而键的圆头部分不能充分利用，而且轴上键槽端部的应力集中较大。平头平键是放在用盘铣刀铣出的键槽中，因而避免了上述缺点，但对于尺寸大的键，宜用紧定螺钉固定在轴上的键槽中，以防松动。单圆头平键则常用于轴端与毂类零件的联接。当被联接的毂类零件在工作过程中必须在轴上作轴向移动时（如变速箱的滑移齿轮），则须采用导向平键或滑键。导向平键是一种较长的平键，用螺钉固定在轴上的键槽中，为了便于拆卸，键上制有起键螺孔，以便拧入螺钉，使键退出键槽。轴上的传动零件则可沿键作轴向滑移，当零件需滑移的距离较大时，因所需导向平键的长度过大，制造困难，故宜采用滑键。滑键固定在轮毂上，轮毂带动滑键在轴上的键槽中作轴向滑移。这样，只需在轴上铣出较长的键槽，而键可做得较短。 9.3键的选择键的选择包括类型选择和尺寸选择两个方面。键的类型应根据键联接的结构特点，使用要求和工作条件来选择；键的尺寸则按符合标准规格和强度要求来取定。键的主要尺寸为其截面尺寸（一般以键宽键高h表示）与长度L。键的截面尺寸按轴的直径d由标准中选定。键的长度L一般可按轮毂的长度而定，即键长等于或短于轮毂的长度；而导向平键则按轮毂的长度及其滑动距离而定。一般轮毂的长度可取为L（1.52）d,这里d为轴的直径.所选定的键长亦应符合标准规的长度系列。普通平键的主要尺寸见表:表9-1 普通平键的主要尺寸轴的直径d轴的直径d轴的直径d键的长度系列L6，8，10，12，14，16，18 ，20，22，25，28，32，36，40，45，50，56，63，70，80，90，100，110，125，140，180，200，220，9.4平键的校核 选A型平键，由d1 =90mm,查表b1=25mm,h1=14mm,L1=110mm 由 d2 =110mm,查表b2=28mm,h2=16mm,L2=90mm校核挤压强度： （9.1）式中：（1） 90mm ,T=1250 ,由查表得 ，K=7mm， （2）110mm ,T=1250 ,由查表得 ，K=8mm， 挤压强度满足要求。结论 该机械的设计包括了很多我们以前学习过的专业课程包括：机械设计，工程材料，机械原理等好多书籍，对专业知识是一个很好的巩固。在我感觉中，这次设计只要按照指导老师的进度去完成任务，设计的时间应该是绰绰有余的，但我却有点来不及。从这方面也可以看出设计经验是非常的重要。此次在绞车的设计过程中，我在一些地方进行了改进，使其性能更优良、更可靠，提高了其工作效率。为了达到以上要求，我经常和指导老师进行设计方案研讨，研究绞车部件的选择，对轴承选择分析和验算，同时分析其强度是否符合工作要求，最大限度的延长其使用寿命。使设计出来绞车结构合理、操作方便、更符合现代的要求。 这次设计中我的最大的收获是可以用所学的知识系统地独立的完成一项设计任务，这次设计是对我大学四年来所学知识的综合检验。在设计中使我不断发现新的问题，也是对各专业课的复习，使我可以巩固所学的知识，为以后的学习和工作打下坚实的基础。致谢设计工作是在陆兴华老师的指导下完成的。在设计工作中，我始终得到了路兴华师的悉心指导和培养。他为我的学习提供了众多扩大知识面的机会，并在学习方法设计步骤，以及设计思路方面给出了许多有益的帮助和启迪。他严谨的治学精神和求实创新的工作作风深深的影响了我。在此我表示深深的感谢和敬意。陆老师学识渊博，治学严谨，有执着的敬业精神。在毕业设计过程中，他给了我许多重要的参考意见，并经常和我一起讨论设计过程中所遇到的难题，耐心细致地帮助我将设计完成地更加完善.在本次设计的过程中,陆兴华老师不惜牺牲自己宝贵的时间进行悉心辅导和参考,提供了自己的书籍,帮助并且指导查阅很多资料.在此深表感谢.陆老师严谨的治学作风以及平和的为人态度给我留下了深刻的印象。同时也感谢在大学四年中机电系所有的老师和同学他们给我的知识使我能够较顺利地完成此次毕业设计。参考文献1邱宣怀主编.机械设计.高等教育出版社.第11版，2006.2孙恒，陈作模.主编.机械原理.高等教育出版社.第6版，2000.3蔡春源主编.机电液设计手册（上）. 机械工业出版社.东北大学出版社.第一版，19974龚桂义主编.机械设计课程设计图册.高等教育出版社.第3版，2006.5范思冲主编.画法几何及机械制图.机械工业出版社.第5版，2003.6单丽云，强颖怀，张亚非主编.工程材料.中国矿业大学出版社.第2版，2003.7刘鸿文主编.材料力学.8机械设计手册软件版V3.0.9中国机械工程学会.中国机械设计大典.江西科学技术出版社.第一版，2002.10叶邦彦，陈统坚主编.机械工程英语.机械工业出版社.第二版，2006. 11 万建民，赵连春.JH -14型回柱绞车的改进设计.M.北京：煤矿机械工业出版社，2002 12 彭兆行.矿山提升机械设计M.北京：机械工业出版社，1989 13 潘英.矿山提升机设计M.徐州：中国矿业大学出版社，2001 14 陈华豪.大型矿井提升机主轴结构受力分析及其优化设计：太原理工大学硕士论文，2003:p15. 15 白冰.大型提升设备的发展趋势，矿业快报，2002, 12: 1附录附录1Failure Analysis，Dimensional Determination And Analysis，Applications Of CamsINTRODUCTIONIt is absolutely essential that a design engineer know how and why parts fail so that reliable machines that require minimum maintenance can be designedSometimes a failure can be serious，such as when a tire blows out on an automobile traveling at high speedOn the other hand，a failure may be no more than a nuisanceAn example is the loosening of the radiator hose in an automobile cooling systemThe consequence of this latter failure is usually the loss of some radiator coolant，a condition that is readily detected and correctedThe type of load a part absorbs is just as significant as the magnitudeGenerally speaking，dynamic loads with direction reversals cause greater difficulty than static loads，and therefore，fatigue strength must be consideredAnother concern is whether the material is ductile or brittleFor example，brittle materials are considered to be unacceptable where fatigue is involvedMany people mistakingly interpret the word failure to mean the actual breakage of a partHowever，a design engineer must consider a broader understanding of what appreciable deformation occursA ductile material，however will deform a large amount prior to ruptureExcessive deformation，without fracture，may cause a machine to fail because the deformed part interferes with a moving second partTherefore，a part fails(even if it has not physically broken)whenever it no longer fulfills its required functionSometimes failure may be due to abnormal friction or vibration between two mating partsFailure also may be due to a phenomenon called creep，which is the plastic flow of a material under load at elevated temperaturesIn addition，the actual shape of a part may be responsible for failureFor example，stress concentrations due to sudden changes in contour must be taken into accountEvaluation of stress considerations is especially important when there are dynamic loads with direction reversals and the material is not very ductileIn general，the design engineer must consider all possible modes of failure，which include the followingStressDeformationWearCorrosionVibrationEnvironmental damageLoosening of fastening devicesThe part sizes and shapes selected also must take into account many dimensional factors that produce external load effects，such as geometric discontinuities，residual stresses due to forming of desired contours，and the application of interference fit jointsCams are among the most versatile mechanisms availableA cam is a simple two-member deviceThe input member is the cam itself，while the output member is called the followerThrough the use of cams，a simple input motion can be modified into almost any conceivable output motion that is desiredSome of the common applications of cams areCamshaft and distributor shaft of automotive engine Production machine toolsAutomatic record playersPrinting machinesAutomatic washing machinesAutomatic dishwashersThe contour of high-speed cams (cam speed in excess of 1000 rpm) must be determined mathematicallyHowever，the vast majority of cams operate at low speeds(less than 500 rpm) or medium-speed cams can be determined graphically using a large-scale layoutIn general，the greater the cam speed and output load，the greater must be the precision with which the cam contour is machinedDESIGN PROPERTIES OF MATERIALSThe following design properties of materials are defined as they relate to the tensile testFigure 2.7Static Strength The strength of a part is the maximum stress that the part can sustain without losing its ability to perform its required functionThus the static strength may be considered to be approximately equal to the proportional limit，since no plastic deformation takes place and no damage theoretically is done to the materialStiffness Stiffness is the deformation-resisting property of a materialThe slope of the modulus line and，hence，the modulus of elasticity are measures of the stiffness of a materialResilience Resilience is the property of a material that permits it to absorb energy without permanent deformationThe amount of energy absorbed is represented by the area underneath the stress-strain diagram within the elastic regionToughness Resilience and toughness are similar propertiesHowever，toughness is the ability to absorb energy without ruptureThus toughness is represented by the total area underneath the stress-strain diagram， as depicted in Figure 28bObviously，the toughness and resilience of brittle materials are very low and are approximately equalBrittleness A brittle material is one that ruptures before any appreciable plastic deformation takes placeBrittle materials are generally considered undesirable for machine components because they are unable to yield locally at locations of high stress because of geometric stress raisers such as shoulders，holes，notches，or keywaysDuctility A ductility material exhibits a large amount of plastic deformation prior to ruptureDuctility is measured by the percent of area and percent elongation of a part loaded to ruptureA 5%elongation at rupture is considered to be the dividing line between ductile and brittle materialsMalleability Malleability is essentially a measure of the compressive ductility of a material and，as such，is an important characteristic of metals that are to be rolled into sheetsFigure 2.8Hardness The hardness of a material is its ability to resist indentation or scratchingGenerally speaking，the harder a material，the more brittle it is and，hence，the less resilientAlso，the ultimate strength of a material is roughly proportional to its hardnessMachinability Machinability is a measure of the relative ease with which a material can be machinedIn general，the harder the material，the more difficult it is to machine COMPRESSION AND SHEAR STATIC STRENGTHIn addition to the tensile tests，there are other types of static load testing that provide valuable informationCompression Testing Most ductile materials have approximately the same properties in compression as in tensionThe ultimate strength，however，can not be evaluated for compressionAs a ductile specimen flows plastically in compression，the material bulges out，but there is no physical rupture as is the case in tensionTherefore，a ductile material fails in compression as a result of deformation，not stressShear Testing Shafts，bolts，rivets，and welds are located in such a way that shear stresses are producedA plot of the tensile testThe ultimate shearing strength is defined as the stress at which failure occursThe ultimate strength in shear，however，does not equal the ultimate strength in tensionFor example，in the case of steel，the ultimate shear strength is approximately 75% of the ultimate strength in tensionThis difference must be taken into account when shear stresses are encountered in machine componentsDYNAMIC LOADSAn applied force that does not vary in any manner is called a static or steady loadIt is also common practice to consider applied forces that seldom vary to be static loadsThe force that is gradually applied during a tensile test is therefore a static loadOn the other hand，forces that vary frequently in magnitude and direction are called dynamic loadsDynamic loads can be subdivided to the following three categoriesVarying Load With varying loads，the magnitude changes，but the direction does notFor example，the load may produce high and low tensile stresses but no compressive stressesReversing Load In this case，both the magnitude and direction changeThese load reversals produce alternately varying tensile and compressive stresses that are commonly referred to as stress reversalsShock Load This type of load is due to impactOne example is an elevator dropping on a nest of springs at the bottom of a chuteThe resulting maximum spring force can be many times greater than the weight of the elevator，The same type of shock load occurs in automobile springs when a tire hits a bump or hole in the roadFATIGUE FAILURE-THE ENDURANCE LIMIT DIAGRAMThe test specimen in Figure 2.10a，after a given number of stress reversals will experience a crack at the outer surface where the stress is greatestThe initial crack starts where the stress exceeds the strength of the grain on which it actsThis is usually where there is a small surface defect，such as a material flaw or a tiny scratchAs the number of cycles increases，the initial crack begins to propagate into a continuous series of cracks all around the periphery of the shaftThe conception of the initial crack is itself a stress concentration that accelerates the crack propagation phenomenonOnce the entire periphery becomes cracked，the cracks start to move toward the center of the shaftFinally，when the remaining solid inner area becomes small enough，the stress exceeds the ultimate strength and the shaft suddenly breaksInspection of the break reveals a very interesting pattern，as shown in Figure 2.13The outer annular area is relatively smooth because mating cracked surfaces had rubbed against each otherHowever，the center portion is rough，indicating a sudden rupture similar to that experienced with the fracture of brittle materials This brings out an interesting factWhen actual machine parts fail as a result of static loads，they normally deform appreciably because of the ductility of the materialFigure 2.13Thus many static failures can be avoided by making frequent visual observations and replacing all deformed partsHowever，fatigue failures give to warningFatigue fail mated that over 90% of broken automobile parts have failed through fatigueThe fatigue strength of a material is its ability to resist the propagation of cracks under stress reversalsEndurance limit is a parameter used to measure the fatigue strength of a materialBy definition，the endurance limit is the stress value below which an infinite number of cycles will not cause failureLet us return our attention to the fatigue testing machine in Figure 2.9The test is run as follows：A small weight is inserted and the motor is turned onAt failure of the test specimen，the counter registers the number of cycles N，and the corresponding maximum bending stress is calculated from Equation 2.5The broken specimen is then replaced by an identical one，and an additional weight is inserted to increase the loadA new value of stress is calculated，and the procedure is repeated until failure requires only one complete cycleA plot is then made of stress versus number of cycles to failureFigure 2.14a shows the plot，which is called the endurance limit or S-N curveSince it would take forever to achieve an infinite number of cycles，1 million cycles is used as a referenceHence the endurance limit can be found from Figure 2.14a by noting that it is the stress level below which the material can sustain 1 million cycles without failureThe relationship depicted in Figure 2.14 is typical for steel，because the curve becomes horizontal as N approaches a very large numberThus the endurance limit equals the stress level where the curve approaches a horizontal tangentOwing to the large number of cycles involved，N is usually plotted on a logarithmic scale，as shown in Figure 2.14bWhen this is done，the endurance limit value can be readily detected by the horizontal straight lineFor steel，the endurance limit equals approximately 50% of the ultimate strengthHowever，if the surface finish is not of polished equality，the value of the endurance limit will be lowerFor example，for steel parts with a machined surface finish of 63 microinches ( in)，the percentage drops to about 40%For rough surfaces (300inor greater)，the percentage may be as low as 25% The most common type of fatigue is that due to bendingThe next most frequent is torsion failure，whereas fatigue due to axial loads occurs very seldomSpring materials are usually tested by applying variable shear stresses that alternate from zero to a maximum value，simulating the actual stress patternsIn the case of some nonferrous metals，the fatigue curve does not level off as the number of cycles becomes very largeThis continuing toward zero stress means that a large number of stress reversals will cause failure regardless of how small the value of stress isSuch a material is said to have no endurance limitFor most nonferrous metals having an endurance limit，the value is about 25% of the ultimate strengthEFFECTS OF TEMPERATURE ON YIELD STRENGTH AND MODULUS OF ELASTICITYGenerally speaking，when stating that a material possesses specified values of properties such as modulus of elasticity and yield strength，it is implied that these values exist at room temperatureAt low or elevated temperatures，the properties of materials may be drastically differentFor example，many metals are more brittle at low temperaturesIn addition，the modulus of elasticity and yield strength deteriorate as the temperature increasesFigure 2.23 shows that the yield strength for mild steel is reduced by about 70% in going from room temperature to 1000oFFigure 2.24 shows the reduction in the modulus of elasticity E for mild steel as the temperature increasesAs can be seen from the graph，a 30% reduction in modulus of elasticity occurs in going from room temperature to 1000oFIn this figure，we also can see that a part loaded below the proportional limit at room temperature can be permanently deformed under the same load at elevated temperaturesFigure 2.24CREEP: A PLASTIC PHENOMENONTemperature effects bring us to a phenomenon called creep，which is the increasing plastic deformation of a part under constant load as a function of timeCreep also occurs at room temperature，but the process is so slow that it rarely becomes significant during the expected life of the temperature is raised to 300oC or more，the increasing plastic deformation can become significant within a relatively short period of timeThe creep strength of a material is its ability to resist creep，and creep strength data can be obtained by conducting long-time creep tests simulating actual part operating conditionsDuring the test，the plastic strain is monitored for given material at specified temperaturesSince creep is a plastic deformation phenomenon，the dimensions of a part experiencing creep are permanently alteredThus，if a part operates with tight clearances，the design engineer must accurately predict the amount of creep that will occur during the life of the machineOtherwise，problems such binding or interference can occur Creep also can be a problem in the case where bolts are used to clamp tow parts together at elevated temperaturesThe bolts，under tension，will creep as a function of timeSince the deformation is plastic，loss of clamping force will result in an undesirable loosening of the bolted jointThe extent of this particular phenomenon，called relaxation，can be determined by running appropriate creep strength testsFigure 2.25 shows typical creep curves for three samples of a mild steel part under a constant tensile loadNotice that for the high-temperature case the creep tends to accelerate until the part failsThe time line in the graph (the x-axis) may represent a period of 10 years，the anticipated life of the productFigure 2.25SUMMARYThe machine designer must understand the purpose of the static tensile strength testThis test determines a number of mechanical properties of metals that are used in design equationsSuch terms as modulus of elasticity，proportional limit，yield strength，ultimate strength，resilience，and ductility define properties that can be determined from the tensile testDynamic loads are those which vary in magnitude and direction and may require an investigation of the machine parts resistance to failureStress reversals may require that the allowable design stress be based on the endurance limit of the material rather than on the yield strength or ultimate strengthStress concentration occurs at locations where a machine part changes size，such as a hole in a flat plate or a sudden change in width of a flat plate or a groove or fillet on a circular shaftNote that for the case of a hole in a flat or bar，the value of the maximum stress becomes much larger in relation to the average stress as the size of the hole decreasesMethods of reducing the effect of stress concentration usually involve making the shape change more gradualMachine parts are designed to operate at some allowable stress below the yield strength or ultimate strengthThis approach is used to take care of such unknown factors as material property variations and residual stresses produced during manufacture and the fact that the equations used may be approximate rather that exactThe factor of safety is applied to the yield strength or the ultimate strength to determine the allowable stressTemperature can affect the mechanical properties of metalsIncreases in temperature may cause a metal to expand and creep and may reduce its yield strength and its modulus of elasticityIf most metals are not allowed to expand or contract with a change in temperature，then stresses are set up that may be added to the stresses from the loadThis phenomenon is useful in assembling parts by means of interference fitsA hub or ring has an inside diameter slightly smaller than the mating shaft or postThe hub is then heated so that it expands enough to slip over the shaftWhen it cools，it exerts a pressure on the shaft resulting in a strong frictional force that prevents loosening TYPES OF CAM CONFIGURATIONSPlate CamsThis type of cam is the most popular type because it is easy to design and manufactureFigure 61 shows a plate camNotice that the follower moves perpendicular to the axis of rotation of the camshaftAll cams operate on the principle that no two objects can occupy the same space at the same timeThus，as the cam rotates ( in this case，counterclockwise )，the follower must either move upward or bind inside the guideWe will focus our attention on the prevention of binding and attainment of the desired output follower motionThe spring is required to maintain contact between the roller of the follower and the cam contour when the follower is moving downwardThe roller is used to reduce friction and hence wear at the contact surfaceFor each revolution of the cam，the follower moves through two strokes-bottom dead center to top dead center (BDC to TDC) and TDC to BDCFigure 6.2 illustrates a plate cam with a pointed followerComplex motions can be produced with this type of follower because the point can follow precisely any sudden changes in cam contourHowever，this design is limited to applications in which the loads are very light；otherwise the contact point of both members will wear prematurely，with subsequent failureTwo additional variations of the plate cam are the pivoted follower and the offset sliding follower，which are illustrated in Figure 6.3A pivoted follower is used when rotary output motion is desiredReferring to the offset follower，note that the amount of offset used depends on such parameters as pressure angle and cam profile flatness，which will be covered laterA follower that has no offset is called an in-line followerFigure 6.3Translation CamsFigure 6.4 depicts a translation camThe follower slides up and down as the cam translates motion in the horizontal directionNote that a pivoted follower can be used as well as a sliding-type followerThis type of action is used in certain production machines in which the pattern of the product is used as the camA variation on this design would be a three-dimensional cam that rotates as well as translatesFor example，a hand-constructed rifle stock is placed in a special latheThis stock is the pattern，and it performs the function of a camAs it rotates and translates，the follower controls a tool bit that machines the production stock from a block of woodFigure 6.4Positive-Motion CamsIn the foregoing cam designs，the contact between the cam and the follower is ensured by the action of the spring forces during the return strokeHowever，in high-speed cams，the spring force required to maintain contact may become excessive when added to the dynamic forces generated as a result of accelerationsThis situation can result in unacceptably large stress at the contact surface，which in turn can result in premature wearPositive-motion cams require no spring because the follower is forced to contact the cam in two directionsThere are four basic types of positive-motion cams: the cylindrical cam，the grooved-plate cam ( also called a face cam ) ，the matched-plate cam，and the scotch yoke cam Cylindrical CamThe cylindrical cam shown in Figure 6.5 produces reciprocating follower motion，whereas the one shown in Figure 6.6 illustrates the application of a pivoted followerThe cam groove can be designed such that several camshaft revolutions are required to produce one complete follower cycleGrooved-plate CamIn Figure 6.8 we see a matched-plate cam with a pivoted follower，although the design also can be used with a translation followerCams E and F rotate together about the camshaft BCam E is always in contact with roller C，while cam F maintains contact with roller DRollers C and D are mounted on a bell-crank lever，which is the follower oscillating about point ACam E is designed to provide the desired motion of roller C，while cam F provides the desired motion of roller DScotch Yoke CamThis type of cam，which is depicted in Figure 6.9，consists of a circular cam mounted eccentrically on its camshaftThe stroke of the follower equals two times the eccentricity e of the camThis cam produces simple harmonic motion with no dwell timesRefer to Section 6.8 for further discussionCAM TERMINOLOGYBefore we become involved with the design of cams，it is desirable to know the various terms used to identify important cam design parametersThe following terms refer to Figure 6.11The descriptions will be more understandable if you visualize the cam as stationary and the follower as moving around the camTrace PointThe end point of a knife-edge follower or the center of the roller of a roller-type followerCam ContourThe actual shape of the camBase CircleThe smallest circle that can be drawn tangent to the cam contourIts center is also the center of the camshaftThe smallest radial size of the cam stars at the base circlePitch CurveThe path of the trace point，assuming the cam is stationary and the follower rotates about the camPrime CircleThe smallest circle that can be drawn tangent to the pitch curveIts center is also the center of the camshaftPressure AngleThe angle between the direction of motion of the follower and the normal to the pitch curve at the point where the center of the roller liesCam ProfileSame as cam contourBDCBottom Dead Center，the position of the follower at its closest point to the cam hubStrokeThe displacement of the follower in its travel between BDC and TDCRiseThe displacement of the follower as it travels from BDC to TDCReturnThe displacement of the follower as it travels from TDC or BDCEwellThe action of the follower when it remains at a constant distance from the cam hub while the cam turnsA clearer understanding of the significance of the pressure angle can be gained by referring to Figure 6.12Here FT is the total force acting on the rollerIt must be normal to the surfaces at the contact pointIts direction is obviously not parallel to the direction of motion of the followerInstead，it is indicated by the angle ，the pressure angle，measured from the line representing the direction of motion of the followerTherefore，the force FT has a horizontal component FH and a vertical component FVThe vertical component is the one that drives the follower upward and，therefore，neglecting guide friction，equals the follower FloadThe horizontal component has no useful purpose but it is unavoidableIn fact，it attempts to bend the follower about its guideThis can damage the follower or cause it to bind inside its guideObviously，we want the pressure angle to be as possible to minimize the side thrust FHA practical rule of thumb is to design the cam contour so that the pressure angle does not exceed 30oThe pressure angle，in general，depends on the following four parameters:Size of base circleAmount of offset of followerSize of rollerFlatness of cam contour ( which depends on follower stroke and type of follower motion used )Some of the preceding parameters cannot be changed without altering the cam requirements，such as space limitationsAfter we have learned how to design a cam，we will discuss the various methods available to reduce the pressure angle 附录2故障的分析、尺寸的决定以及凸轮的分析和应用前言介绍：作为一名设计工程师有必要知道零件如何发生和为什么会发生故障，以便通过进行最低限度的维修以保证机器的可靠性。有时一次零件的故障或者失效可能是很严重的一件事情，比如，当一辆汽车正在高速行驶的时候，突然汽车的轮胎发生爆炸等。另一方面，一个零件发生故障也可能只是一件微不足道的小事，只是给你造成了一点小麻烦。一个例子是在一个汽车冷却系统里的暖气装置软管的松动。后者发生的这次故障造成的结果通常只不过是一些暖气装置里冷却剂的损失，是一种很容易被发现并且被改正的情况。能够被零件进行吸收的载荷是相当重要的。一般说来，与静载重相比较，有两个相反方向的动载荷将会引起更大的问题，因此，疲劳强度必须被考虑。另一个关键是材料是可延展性的还是脆性的。例如，脆的材料被认为在存在疲劳的地方是不能够被使用的。很多人错误的把一个零件发生故障或者失效理解成这样就意味着一个零件遭到了实际的物理破损。无论如何，一名设计工程师必须从一个更广泛的范围来考虑和理解变形是究竟如何发生的。一种具有延展性的材料，在破裂之前必将发生很大程度的变形。发生了过度的变形，但并没有产生裂缝，也可能会引起一台机器出毛病，因为发生畸变的零件会干扰下一个零件的移动。因此，每当它不能够再履行它要求达到的性能的时候，一个零件就都算是被毁坏了（即使它的表面没有被损毁）。有时故障可能是由于两个两个相互搭配的零件之间的不正常的磨擦或者异常的振动引起的。故障也可能是由一种叫蠕变的现象引起的，这种现象是指金属在高温下时一种材料的塑性流动。此外，一个零件的实际形状可能会引起故障的发生。例如，应力的集中可能就是由于轮廓的突然变化引起的，这一点也需要被考虑到。当有用两个相反方向的动载荷，材料不具有很好的可延展性时，对应力考虑的评估就特别重要。 一般说来，设计工程师必须考虑故障可能发生的全部方式，包括如下一些方面：压力变形磨损腐蚀振动环境破坏固定设备松动在选择零件的大小与形状的时候，也必须考虑到一些可能会产生外部负载影响的空间因素，例如几何学间断性，为了达到要求的外形轮廓及使用相关的连接件，也会产生相应的残余应力。凸轮是被应用的最广泛的机械结构之一。凸轮是一种仅仅有两个组件构成的设备。主动件本身就是凸轮，而输出件被称为从动件。通过使用凸轮，一个简单的输入动作可以被修改成几乎可以想像得到的任何输出运动。常见的一些关于凸轮应用的例子有：凸轮轴和汽车发动机工程的装配专用机床自动电唱机印刷机自动的洗衣机自动的洗碗机高速凸轮(凸轮超过1000 rpm的速度)的轮廓必须从数学意义上来定义。无论如何，大多数凸轮以低速(少于500 rpm)运行而中速的凸轮可以通过一个大比例的图形表示出来。一般说来，凸轮的速度和输出负载越大，凸轮的轮廓在被床上被加工时就一定要更加精密。材料的设计属性当他们与抗拉的试验有关时，材料的下列设计特性被定义如下。静强度：一个零件的强度是指零件在不会失去它被要求的能力的前提下能够承受的最大应力。因此静强度可以被认为是大约等于比例极限，从理论上来说，我们可以认为在这种情况下，材料没有发生塑性变形和物理破坏。刚度：刚度是指材料抵抗变形的一种属性。这条斜的模数线以及弹性模数是一种衡量材料的刚度的一种方法。弹性：弹性是指零件能够吸收能量但并没有发生永久变形的一种材料的属性。吸收的能量的多少可以通过下面弹性区域内的应力图表来描述出来。韧性：韧性和弹性是两种相似的特性。无论如何，韧性是一种可以吸收能量并且不会发生破裂的能力。因此可以通过应力图里面的总面积来描述韧性，就像用图2.8 b 描绘的那样。显而易见，脆性材料的韧性和弹性非常低，并且大约相等。脆性：一种脆性的材料就是指在任何可以被看出来的塑性变形之前就发生破裂的材料。脆性的材料一般被认为不适合用来做机床的零部件，因为当遇到由轴肩，孔，槽，或者键槽等几何应力集中源引起的高的应力时，脆性材料是无法来产生局部屈服的现象以适应高的应力环境的。延展性：一种延展性材料会在破裂之前表现出很大程度上的塑性变形现象。延展性是通过可延展的零件在发生破裂前后的面积和长度的百分比来测量的。一个在发生破裂的零件，其伸长量如果为5%，则认为该伸长量就是可延展性和脆性材料分界线。可锻性：可锻性从根本上来说是指材料的一种在承受挤压或压缩是可以发生塑性变形的能力，同时，它也是一种在金属被滚压成钢板时所需金属的重要性能。硬度：一种材料的硬度是指它抵抗挤压或者拉伸它的能力。一般说来，材料越硬，它的脆性也越大，因此，弹性越小。同样，一种材料的极限强度粗略与它的硬度成正比。机械加工性能（或切削性）：机械加工性能是指材料的一种容易被加工的性能。通常，材料越硬，越难以加工。压应力和剪应力除抗拉的试验之外，还有其它一些可以提供有用信息的静载荷的实验类型。压缩测试：大多数可延展材料大约有相同特性，当它们处于受压状态的紧张状态时。极限强度，无论如何，不能够被用于评价压力状态。当一件具有可延展性的样品受压发生塑性变形时，材料的其它部分会凸出来，但是在这种紧张的状态下，材料通常不会发生物理上的破裂。因此，一种可延展的材料通常是由于变形受压而损坏的，并不是压力的原因。 剪应力测试：轴，螺钉，铆钉和焊接件被用这样一种方式定位以致于生产了剪应力。一张抗拉试验的试验图纸就可以说明问题。当压力大到可以使材料发生永久变形或发生破坏时，这时的压力就被定义为极限剪切强度。极限剪切强度，无论如何，不等于处于紧张状态的极限强度。例如，以钢的材料为例，最后的剪切强度是处于紧张状态大约极限强度的75%。当在机器零部件里遇到剪应力时，这个差别就一定要考虑到了。动力载荷不会在各种不同的形式的力之间不停发生变化的作用力被叫作静载荷或者稳定载荷。此外，我们通常也把很少发生变化的作用力叫作静载荷。在拉伸实验中，被分次、逐渐的加载的作用力也被叫作静载荷。另一方面，在大小和方向上经常发生变化的力则被称为动载荷。动载荷可以被再细分为以下的3种类型。变载荷：所谓变载荷，就是说载荷的大小在变，但是方向不变的载荷。比如说，变载荷会产生忽大忽小的张应力，但不会产生压应力。周期性载荷：像这样的话，如果大小和方向同时改变，则就是说这种载荷会反复周期性的产生变化的拉应力和压应力，这种现象往往就伴随着应力在方向和大小上的周期性变化。冲击载荷：这类载荷是由于冲击作用产生的。一个例子就是一台升降机坠落到位于通道底部的一套弹簧装置上，这套装置产生的力会比升降机本身的重量大上好几倍。当汽车的一个轮胎碰撞到道路上的一个突起或者路上的一个洞时，相同的冲击荷载的类型也会在汽车的减震器弹簧上发生。疲劳失效疲劳极限线图正如图2.10a所示，如果材料的某处经常会产生大量的周期性作用力，那么在材料的表面就很可能会出现裂缝。裂缝最初是在应力超过它极限压力的地方开始出现的，而通常这往往是有微小的表面缺陷的地方，例如有一处材料出现瑕疵或者一道极小的划痕。当循环的次数增加时，最初的裂缝开始在轴的周围的逐渐产生许多类似的裂缝。所以说，第一道裂缝的意义就是指应力集中的地方，它会加速其它裂缝的
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