JZ16T-型凿井绞车总体设计说明书

1、 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

2、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。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

3、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

4、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。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

5、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- 2 -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

6、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。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

7、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 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- 3 -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 J

8、KD1.85 X 4 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 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

9、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。根据煤矿安全规程行一次检查，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

10、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- 4 -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

11、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 PLC（S7400控 PLC（S7400 （S7400 （S5 （S5）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

12、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 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 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

13、，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 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。- 5 -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

14、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

15、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。

16、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

17、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- 6 -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

18、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

19、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 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. 电气系统压保护、行程保护等。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

20、，精度等级, 材料及齿数。- 7 -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：.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。- 8 -第二章 JZ16T凿井绞车总体结构设计2.1 引言JZ16T

21、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。JZ16T型凿井绞车主要由电动机、制动器、联轴器、减速器、开式齿

22、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） 表 Min6（33（21-40-1550-I电机功率（kw）制动器型号YWZ-400/452.3 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。 ） 2.3.2

23、 提升绞车的工作原理2.3.2.1 动力传动系统联轴器主制动器减速器开式齿轮传动- 10 -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。 ） 当起升机构进行升降作业

24、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- 11 -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

25、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。 ） - 12 -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

26、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

27、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

28、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- 13 -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

29、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

30、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。- 14 -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

31、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： S S /n（3-1）6b式中： S 整条钢丝绳的破断拉力，NbS 钢丝绳所受最大静拉力，Nmaxn 钢丝绳最小安全系数，取 5.5n 破断拉力换算系数，取 0.82钢丝绳所受最大静拉力： S 16010 N3S整条钢丝绳的破断拉力为S 107317N 。bn所以选择钢丝绳 （33） （21 1550N/mm ，直径 d=40mm,钢2

32、丝绳的破断拉力总和为 S 1185000N 。b3.1.2.3 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） （21）-40-1550-I-光-右交。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。- 15 - ）3.2.2 卷筒尺寸的计算3.2.2.1 卷筒直径 D（3-2）6h所以 D hdm

33、m640 , 取 700mm。D因为卷筒用 Q235-A钢板卷制，所以卷筒壁 40。故取卷筒壁厚 40mm。n 多层卷绕圈数。根据 JZ16T 型凿井绞车的结构尺寸，取卷筒长度为mm1400 ,所以，通过公式LL1.1lp/n（Dnd n,计算得 14。n故卷筒最大卷绕直径为D D2nd 1820mm。03.2.2.4 卷筒壁压应力 的计算：ymax卷筒壁压应力 ymax按公式 S / t（3-4）6y计算。式中： t 多层绕钢丝绳卷绕节距，对多层卷绕的卷筒 t d所以，卷筒壁压应力100N/mm2ymax许用压应力 按公式 = /n 计算，yys式中 卷筒材料的屈服极限， 215N /mm2

34、ssn 安全系数，取 1.5n / /n N 。所以，2ysymax ，强度满足要求。y3.3 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 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

35、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 YZ 型或 YZR 型三- 17 -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

36、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 P 等于或略大于所需电动机功率 P ，即 P P ，电动机在工作时就不会过热，而m0m0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 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

37、9。3.3.2.1 计算静功率：机构运转时所需静功率按公式N QV /（3-5）15j计算。式中：N 额定起重量时的静载荷功率，kw；j起升机构的最大速度， / ， 0.16 / ；m s V m sVQ 起升机构的额定起重量，Q=160103；传动机构的效率， 0.9。所以 N QV / 28.4Kw。j3.3.2.2 选择电动机功率- 18 -选择电动机功率按公式NN 计算。ej所以，选取电动机功率 N 。确定电动机型号为 YZR225M-6，n=1000rpm。其d技术参数及安装尺寸如表（3-13-2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

38、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。卷筒转速：n vD 1.68rpm；j0总传动比：i n /n 1000/1.68 595。dj ZSY315-90-器的传动比i 90。低速级齿轮中心距 315mm。a0ZSY315-90-型减速器安装尺寸如表（3-23-360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=10 r/min,传递的功率 P

39、=10 kW,模数 m=0.004100mm,直径 d=1mm55152.3m。3.5.1 齿轮的分类和特点3.5.1.1 分类（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（3） v40m/s中速和低速（v25m/s）的传动；功率可从小于 1w 到 10。（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

40、 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1 根据图（3-4）传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。 2）凿井绞车速度不高，故选用 7 级精度（GB10095-883）材料选择 由（表 10-110选择小齿轮材料为40Cr(调质，硬度为 ，大齿轮材料为 45 钢（调质）硬度为 240HBS，二者材料硬度差为 40HBS。u12123.5.2.2 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()2（3-6）101E1tdt；11（3）由（表 10-7）10选取齿宽系数 0.6；d（4）由（表 10-6）10查得材料的弹性影响系数- 22 -Z 189.8Mpa1

41、/2；E（5图 10-21d10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N 60njL 71hN 6.3107/6.61=11072（7图 10-1910查得接触疲劳寿命系数K =0.96，K =0.98；HN1HN2（8）计算解除疲劳许用应力取失效概率为 ，安全系数 S=1，由式K =0.9600=540Mpa(3-7)10(3-8)10HN! H lim1H 1SK = HN2 H lim 2 =0.95550=522.5MpaH 2S（二） 计算（1）试算小齿轮分度圆直径 d , 中较小的值

42、1tH2 u1 Z d 2.323 1E 1tu dH（2）计算圆周速度 vd n40611.1vt 1= 0.236m/s601000601000（3）计算齿宽 bb d 0.6406 243.6mmdt（4）计算齿宽与齿高之比 b/h模数齿高m d /Z 406/18 22.6mmtt1h 2.25m 2.2522.6 50.9mmtb/h 243.6mm/50.9mm 4.8（5）计算载荷系数根据v 0.236m/s,7 级精度，由（图 10-8）10查得动载荷系数K 1.1;v- 23 -直 齿 轮 ， 假 设 K F /b 100N /mm 。 由 （ 表 10-3 ） 10 查 得

43、AtK K 1;FH由（表 10-2）10查得7 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时 K 1 3b22Hdd将数据代入后得K 1.262H由 / , K 1.262 查（图 10-13）10得K 1.19,b hFH故载荷系数K K K K K 11.111.262 1.3882HAvH（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1.2882d d K K 406 415mm3t1.31t（7）计算模数m d /z /18 113.5.2.3 按齿根弯曲强度计算弯曲强度的设计计算公式为2 Y Y m1（3-9）10Fa 3 z2dF（一）确定公式内的各计算数值（1）

44、由（图10-20c10查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限500；大齿轮FE1的弯曲疲劳强度极限380；FE2（2）由（图 10-18）10查得弯曲疲劳寿命系数K（3）计算弯曲疲劳许用应力 0.92，K 0.97。FN12取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，由式(10-12)10得 K 0.92500FN! FE1=328.6MpaS1.4F 1- 24 - K 0.97380FN2 FE2= 263.3MpaS1.4F 2（4）计算载荷系数 KK K K K K 11.111.19 1.309FAvF（5）查取齿形系数由（表 10-5）10查得 Y =2.91 Y =2.1952Fa1Fa2（6）查取应

45、力校正系数由（表 10-5）10查得 Y =1.53 Y =1.8052Sa1Sa2Y Y（7）计算大小齿轮的并加以比较FaFY Y2.911.53=0.0135Fa1Sa1328.6F 1Y Y2.19521.8052=0.01505Fa2Sa2F 2大齿轮的数值较大。（二）计算21.3092.46107m 0.01517.06mm30.6182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

46、 并就近圆整为标准值 20，按接触强度算得的分度圆直径md 415，算出小齿轮齿数1d 415Z = =20.75 取 Z =21111m 20大齿轮齿数Z = =6.6121=139213.5.2.4 几何尺寸计算1) 计算分度圆直径d Z 21 42011- 25 -d Z m 2780222) 计算中心距a d d /2 1600123) 计算齿轮宽度b d 0.6420 252mmd1取B 252, B 260。213.5.2.5 验算T 22.467F=117143N1td1K F 1117143= 464.9N /mm100N /mm,合适Atb2523.5.3 齿轮结构参数小齿轮

47、139afa2525f齿宽 B/mm中心距 a/mm传动比 i26025216006.613.6 卷筒轴的设计3.6.1 轴的种类和特点轴是组成机械的一个重要零件。它支承着其他转动件回转并传递转矩，同时它又通过- 26 -轴承和机架连接。所有轴上零件都围绕轴心线作回转运动，形成了一个以轴为基准的组合体轴系部件。所以，在轴的设计中，不能只考虑轴本身，还必须和轴系零、部件的整个结构密切联系起来。轴按受载情况分：a. 转轴 既支承传动机件又传递动力，即承受弯矩和扭矩两种作用。b. 心轴 为固定心轴（工作时轴不转动）和转动心轴（工作时轴转动）两种。c. 传动轴 主要传递动力，即主要承受扭矩作用。按结构

48、形状分：光轴，阶梯轴，实心轴，空心轴等。按几何轴线形状分：直轴，曲轴，钢丝软轴。对于高速轴还应考虑振动稳定性问题。轴的设计特点是：在轴系零、部件的具体结构未确定之前，轴上力的作用点和支点见的跨距无法精确确定，故弯矩大小和分布情况不能求出，因此，在轴的设计中，必须把轴的强度计算和轴系零、部件结构设计交错进行，边画图、边计算、边修改。3.6.2轴的材料选择轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用，力求经济合理。轴的常用材料是 354550 优质碳素钢，最常用的是 45 钢。对于受载较小或不太重要的轴，也可采用

49、 A 、A 等普通碳素钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以35及有某些特殊要求的轴，可采用合金钢。球墨铸铁和一些高强度铸铁，由于铸造性能好，容易铸成复杂形状，且减震性能好，应力集中敏感性能低，支点位移的影响小，故常用于制造外形复杂的轴。特别是我国研制成功的稀土镁球墨铸铁，冲击韧性好，同时具有减磨、吸振和对应力集中敏感性小等优点，已用于制造汽车、拖拉机、机床上的重要轴类零件。根据工作条件要求，轴可在加工前或加工后经过整体或表面处理，以及表面强化处和耐磨、耐腐蚀等性能。在一般工作温度下，合金钢的弹性模量与碳素钢相近，所以只为了提高轴的刚度而选- 27 -用合金钢是不合适的。轴一般由轧制圆钢

50、或锻件经切削加工制造。轴的直径较小，可先用圆钢棒制造；对于重要的，大直径或阶梯直径变化较大的轴，采用锻坯。为节约金属和提高工艺性，直径大的轴还可以制成空心的，并且带有焊接的或者锻造的凸缘。对于形状复杂的轴（如凸轮轴、曲轴）可采用铸造。根据工作要求，卷筒轴心轴起支承卷筒、齿轮和棘轮的作用。所以选择 45 钢（调质处理）作为心轴的材料。45 钢（调质处理）的性能参数表（3-4许用弯曲应力/MPa120Bs45 钢2406503603.6.3 轴的结构设计主轴是提升机承载的主要部件，提升机的主要工作构件如卷筒、轴承、以及安全制动器等均安装在主轴上。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

51、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钢度要求外，还应重视工艺和安装方而的问题。主轴的结构设计应考虑如下几点：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，提升机主轴目前一段做成两支点的。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井炉进行热处理等。现代提升机上已普通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。为便于安结，主轴结构应作相应考虑。卷简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

52、许在运转中出现松动现象。对键连接应有防退装置。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。径变化处过渡圆角半径不应过小。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。- 28 -主轴是主要承载部件且受交变应力，故对共工艺要求较高。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。主轴材料一般采用优质中碳钢，最常用的是45 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，因为碳钢与合金钢

53、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。轴的结构决定于受载情况，轴上零件的布置和固定方式，轴承的类型和尺寸、轴的毛坯、制造和装配工艺及安装、运输等条件。轴的结构应是尽量减小应力集中，受力合理，有良好工艺性，并使轴上零件定位可靠，装拆方便。对于要求刚度大的轴，还应在结构上考虑减小轴的变形。由于影响轴的结构因素较多，故轴不可能有标准的结构形式，必须根据情况具体分析比较，确定方案。3.6.3.1 拟定轴上零件的装配方案轴的各段从左至右依次记为 1，2，3，4，5 段。装配方案如图（3-5）所示，轴 1、5段安装轴承，轴 2 安装大齿轮，轴 3 安装卷筒，轴 4 安装棘

54、轮。3.6.3.2 轴上零件的定位两端轴承采用轴承端盖固定，大齿轮、卷筒与棘轮采用双头螺栓固定在一起，依靠轴中段两个轴肩防止零件轴向移动。 - 29 -安装轴承的轴段，直径d d 240mm，配合2248 型圆柱滚子轴承，轴承安装15尺寸如表（3-5）所示，所以两轴段长度l l 72mm。15轴承外径440mm2248 型240mm72mm2） 安装大齿轮轴段直径d 280 ，长度 l 502 。安装棘轮轴段直径22d 280，长度l 532。4433根据传动方案，卷筒轴上零件安装如图（3-5）所示， 轴的两端轴承中心受到支反力F 、F ，大齿轮中心受到齿轮啮合径向力 F，卷筒的两端受钢丝绳拉

55、力 。计算简图如RAr大齿轮受到的啮合力P55Tn=110.142KNdd2780tF F tg20 110.142tg20 40KNr轴上载荷 FF 80KN由静力平衡方程求出支座 、B的支反力80518801300)401300488312)F KNRAM =0M =0ABM = F (31210 )=30.2 KNm-31RAM = F (48810 )- F(488-262)10 =43.4 KNm-3-32RArM = F (51810 )=37.14 KNm-33RBM 43.4KN mmax所以截面 2-2 可能是危险截面。此外在截面 4-4 虽然弯较小，但这个截面的直径也小，也

56、可能是危险截面，所以要算出这个截面的弯矩。- 31 - M F 3610 3 4.15KN m4对上述两个截面同时进行强度校核截面 2-2MW43.4 N m3=20 22 ）Z332截面 4-4MW4.15 N m3=3 44 ）Z334可见心轴满足强度要求，且有较大的安全储备。3.6.5 主轴的缺陷及其寿命问题提升机的主轴是大型锻件，不可避免地会有各种缺陷(夹杂、疏松、气泡、裂纹等)。为了保证使用安全，目前设计上采用的措施是：从轴头取样，作常规材料性能试验，要求材料满足技术条件；在主轴粗车后作超声探伤，所发现的缺陷不得超过规定的标准；主轴的计算采用常规的疲劳强度计算。尽管这些方法可以在一定

57、程度上保证主轴的安全使用 (主轴的断裂事故较少这一事实便是证明缺点，也许在某些情况下潜伏着不安全因素。因为计算时不考虑缺陷，而缺陷检验标准又没有理论上的依据，而缺陷的大小、位置和形状又确实对轴的强度有影响，这种互相矛盾着的局面，当然会使设计者陷入窘境。指低应力断裂而言裂纹开始的，当裂纹扩大到某一定值后，裂纹迅速扩展(失稳造成零件断裂。这样，就提出了一个问题。既然所有主轴都存在原始缺陷(或称原始损伤)，那么，对于既定的载荷、材料和轴的尺寸条件下，所容许的损伤有多大？超过此限，零件就不能保证规定的寿命。按照损伤所容许的程度(尺寸)来进行主轴的设计是完全有别于传统的强度校核。它不仅仅是计算一下主轴的

58、应力(当然，应力计算也还是需要的)，而是着重计算主轴在既定的载荷、材料和尺寸下所允许的内部缺陷尺寸，并把它与探伤技术联系起来。它的特点是不- 32 -或称寿命估计。所谓缺陷多数情况下足裂纹或类裂纹，因此下面先来讨论一下材科中裂纹的一些性质。基于目前检测技术的水平，对于较小的裂纹，不能测出它的具体形状，只能测得它的当量尺寸，所调当量尺寸是指在超声波探伤仪上所显示的波峰与具有同一波峰高度的圆孔相同，即认为该缺陷的尺寸与该圆孔相当。根据裂纹的形状可分为：圆的、半圆的、椭圆的、半椭圆的等。根据裂纹距离零件表而远近可分为；表面的、浅埋的、深埋的等。根据裂纹所处的位置可分为：纵向的、横向的、斜向的等。根据

59、裂纹在零件上穿透与否可分为：穿透的、不穿透的等。根据裂纹开裂的形式可分为：张开型、沿开型、撕开型、混合型等。从上面的分类立即可以联想到，压应力不会使裂纹张开。也既是说在压应力下不会因裂纹扩展造成零件的做坏。因此，对一些零件人为地使之产生压应力(如喷九，滚压等)，是提高零件寿命的有力措施。3.7 轴承的选择和校核3.7.1 卷筒轴两端轴承滚动轴承的选用，包括类型、尺寸、精度、游隙、配合以及支承型式的选择与寿命计算。通常可按以下步骤进行。a) 根据工作条件确定轴承部件的结构型式；b) 根据支承型式及轴承的工作特性确定轴承的类型、精度；c) 通过轴承部件的结构设计、强度与寿命的计算，具体确定轴承的型

60、号；d) 验算轴承的负荷能力与极限转速。n10r/min或缓慢摆动的滚动轴承，一般不会产生疲劳点蚀，但为了防止滚动体和内、外圈产生过大的塑性变形，应进行静强度校核。对向心轴承，由式（16-3） 知径向基本额定动载荷- 33 -f P 60n1/L NC (3-10)2p106f rht由机械设计手册4查得，2248 型圆柱滚子轴承的径向基本额定动载荷 C = 856，KNr由表（16-9）2查得 f = 1，由表（16-8）2查得 f= 1，对滚子轴承取 = 。将以上pt3有关数据代入上式，得1P1.6885610 =（2830020）3/10316解得433KNP由式（16-5）2向心轴承只