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湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）
第一章 前言
1.1 提升機(jī)的發(fā)展概況
提升機(jī)是礦山大型固定設(shè)備之一，是聯(lián)系井下與地面的主要運(yùn)輸工具，在礦山生產(chǎn)建設(shè)中起著重要的作用。礦井提升機(jī)主要用于煤礦、金屬礦和非金屬礦中提升煤炭、礦石和矸石、升降人員、下放材料、工具和設(shè)備。
礦井提升機(jī)與壓氣、通風(fēng)和排水設(shè)備組成礦井四大固定設(shè)備，是一套復(fù)雜的機(jī)械——電氣排組。所以合理的選用礦井提升機(jī)具有很大的意義。
礦井提升機(jī)的工作特點(diǎn)是在一定的距離內(nèi)，以較高的速度往復(fù)運(yùn)行。為保證提升工作高效率和安全可靠，礦井提升機(jī)應(yīng)具有良好的控制設(shè)備和完善的保護(hù)裝置。礦井提升機(jī)在工作中一旦發(fā)生機(jī)械和電器故障，就會嚴(yán)重地影響到礦井的生產(chǎn)，甚至造成人身傷亡。
熟悉礦井提升機(jī)的性能、結(jié)構(gòu)和動作原理，提高安裝質(zhì)量，合理使用設(shè)備，加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，對于確保提升工作高效率和安全可靠，防止和杜絕故障及事故的發(fā)生，具有重大意義。
礦井提升機(jī)已有很長的發(fā)展歷史。早在八百多年以前，我國古代勞動人民就發(fā)明了轱轆，用手搖骨碌從地下提升煤炭和礦石，以后發(fā)展成畜力絞車。十九世紀(jì)，由于電力的發(fā)展，電力拖動的提升機(jī)逐漸代替蒸汽提升機(jī)。近幾十年來，礦井提升機(jī)有了更大的發(fā)展，出現(xiàn)了多繩摩擦式提升機(jī)以及先進(jìn)的拖動和控制系統(tǒng)。目前，國外的礦井提升機(jī)正向體積小、重量輕和自動化的方向發(fā)展，以適應(yīng)深井和大量的需要。
解放以前，我國根本不能制造大型礦井提升機(jī)。解放以后，我國建立了礦井提升機(jī)的制造工廠，并已由仿制和改進(jìn)國外產(chǎn)品發(fā)展到能自行設(shè)計和制造。目前，我國已能成批生產(chǎn)近代化的大型礦井提升機(jī)。
1958年，我國設(shè)計并試制成功第一臺多繩摩擦式提升機(jī)，為我國礦井提升機(jī)的制造和使用開辟了一個新的領(lǐng)域。目前，我國已能成批生產(chǎn)JKM型多繩摩擦式提升機(jī)，并正在逐漸形成多繩摩擦式提升機(jī)的新系列。
礦井提升是煤炭生產(chǎn)過程中必不可少的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。從井下采煤工作面采出的
煤炭，只有通過礦井提升設(shè)備運(yùn)到地面，才能加以利用。可以說，礦井提升是礦井生產(chǎn)的“咽喉”，其設(shè)備在工作中一旦發(fā)生故障，將直接影響生產(chǎn)，甚至造成人身傷亡。此外，礦井提升系統(tǒng)的耗電量很大，一般占礦井生產(chǎn)總耗電量的50％-70％。因此，合理選擇維護(hù)使用這些設(shè)備，使之安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效地運(yùn)轉(zhuǎn)，對保證礦井安全高效的生產(chǎn)，對提高煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益．都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于礦井提升設(shè)備是在并下巷道內(nèi)和井簡內(nèi)工作，空間受到限制，故要求它們結(jié)構(gòu)緊湊，外部尺寸盡量??；又因工作地經(jīng)常變化，因而要求其中的許多設(shè)備應(yīng)便于移置；因?yàn)榫掠型咚埂⒚簤m、淋水、潮濕等特殊工作條件，還要求設(shè)備應(yīng)防爆、耐腐蝕等。此外，礦井提升設(shè)備是一大型的綜合機(jī)械—電氣設(shè)備，其成本和耗電量比較高，所以，在新礦井的設(shè)計和老礦井的改建設(shè)計中，確定合理的提升系統(tǒng)時，必須經(jīng)過多方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合礦井的具體條件，在保證提升設(shè)備在選型和運(yùn)轉(zhuǎn)兩個方面都合理的前提下，要求提升設(shè)備具有良好的經(jīng)濟(jì)性。
1.2 提升機(jī)的結(jié)構(gòu)和用途
每臺提升機(jī)都由若干部分組成：主軸、纏繞機(jī)構(gòu)、軸承和主制動器。這些便是基本部分。纏繞機(jī)構(gòu)有好幾種，最常用的結(jié)構(gòu)是單圓柱形滾筒及雙圓柱形滾筒。對于單圓柱形滾筒，兩根鋼絲繩功用一個滾筒纏繞面；第一根鋼絲繩自滾筒松開而相應(yīng)地漏出的滾筒面由另一根鋼絲繩纏上。對于雙圓柱形滾筒，沒根鋼絲繩都纏繞在特有的滾筒上，即在任何時刻鋼絲繩都只是纏在兩支滾筒總纏繞面的一半上。在這種情形下，一個滾筒結(jié)
實(shí)地固定在主軸上，另一個則活套在主軸上，借助于離合器與主軸相連，以便在必須時可使二滾筒作相對轉(zhuǎn)動。滾筒相對轉(zhuǎn)動的可能行使得提升設(shè)備的操作變得容易，因?yàn)榭梢匀菀椎卣{(diào)節(jié)由于鋼絲繩彈性變形而逐漸伸長的長度。此外，還可以補(bǔ)償由于對鋼絲繩做周期性的試驗(yàn)而截下的長度。依次，在每個滾筒的表面除了等于提升高度的鋼絲繩長度外尚需附加30米長的鋼絲繩，這樣才有可能當(dāng)滾筒作相對轉(zhuǎn)動以使一根鋼絲繩的鉛垂長度增加時并不使另一根鋼絲繩縮短。當(dāng)有雙滾筒提升機(jī)時還可能更換操作水平。當(dāng)上容器停在井口車場時而下容器移至新的位置。這在一個提升水平但有個承受臺時也是需要的，例如翻轉(zhuǎn)式罐籠當(dāng)提升重物及提人時容器的終端位置是不同的。當(dāng)用單滾筒或滾筒的離合器不作用時，除原定水平外，如要服務(wù)于另一水平或承受臺則僅能用一個提升容器；第二個容器不過起著平衡錘的作用，此時，提升生產(chǎn)率驟然減少一半。
提升機(jī)的第二個重要部分為把電動機(jī)的轉(zhuǎn)動傳到安置有纏繞機(jī)構(gòu)的主軸上的減速器。減速器結(jié)構(gòu)因其類型、用途不同而異。但無論何種類型的減速器，其基本結(jié)構(gòu)都是由軸系部件、箱體及附件三大部分組成。軸系部件包括傳動件、軸和軸承組合，軸承組合包括軸承、軸承蓋、密封裝置以及調(diào)整墊片等。減速器箱體上用以支持和固定軸系零件，保證傳動件的嚙合精度、良好潤滑及密封的重要零件。箱體質(zhì)量約占減速器總質(zhì)量的50/%。因此，在箱體結(jié)構(gòu)對減速器的工作性能、加工工藝、材料消耗、質(zhì)量及成本等有很大影響，設(shè)計時必須全面考慮。為了使減速器具備較完善的性能，如注油、排油、通氣、吊運(yùn)、檢查油面高度、檢查傳動件嚙合情況、保證加工精度和裝拆方便等，在減速器箱體上常需設(shè)置某些裝置或零件，將這些裝置和零件及箱體上相應(yīng)的局部結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為減速器附屬裝置或簡稱為附件。它們包括：視孔與視孔蓋、通氣器、游標(biāo)、放游螺塞、定位銷、啟蓋螺釘、吊運(yùn)裝置、油杯等。
制動器為提升機(jī)設(shè)備第三個重要部分。制動器直接作用于制動輪或制動盤上產(chǎn)生制動力矩的部分按結(jié)構(gòu)分為盤式和塊式閘等；第四部分是傳動機(jī)構(gòu)，是控制并調(diào)節(jié)制動力矩的部分。按傳動能源分為油壓、壓氣或彈簧等；第五部分為深度指示器及與其相連的控制保護(hù)裝置，其用途為給司機(jī)指出提升容器在井筒中的位置；第六部分為操作臺，電動機(jī)及制動器的操縱手把均勻集中在這里，有時也有離合器操縱手把；提升機(jī)最后一部分為油壓及壓氣設(shè)備前者為每一機(jī)器所必備的；并且在油壓制動傳動時，它需作為機(jī)器潤滑，同時也作為制動裝置。當(dāng)用壓氣制動時，油壓設(shè)備所起的作用僅限于機(jī)器的潤滑，而此時需要附加壓氣設(shè)備，而在油壓制動時卻不需要附加壓氣設(shè)備。
煤炭、電力工業(yè)是國家的支柱產(chǎn)業(yè)，國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電能利用量大大增加，煤炭、電力市場頻頻告急，致使江南、四川許多地區(qū)的企業(yè)大面積拉閘限電、減少勞動日、躲避用電高峰。而礦井提升機(jī)是煤炭產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。為此，提高大型提升機(jī)的生產(chǎn)能力，滿足國內(nèi)能源、電力市場的需求勢在必行，也是緩解當(dāng)前煤炭、電力緊缺的關(guān)鍵所在。據(jù)有關(guān)市場調(diào)查，年前國內(nèi)火力發(fā)電總
裝機(jī)容量為億千瓦，每年消耗的煤炭總量為億多噸，按年產(chǎn)量萬噸煤炭生
產(chǎn)能力的大型提升機(jī)來計算，國內(nèi)煤炭市場每年需遞增大型提升機(jī)臺。因此，研制開發(fā)大型礦井提升機(jī)不僅可以滿足目前國內(nèi)能源、材料、電力市場的需求，也將使礦井提升設(shè)備的技術(shù)水平、安全環(huán)保、生產(chǎn)能力、資源利用、減少項(xiàng)目初期投資等方面有較大的改善和提高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大型集中化、開發(fā)有序化、控制微機(jī)化、綠色環(huán)?；陌踩⒏咝?、經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的要求。
礦井提升機(jī)的主軸裝置是其主要的工作機(jī)構(gòu)，它不僅要承受各種正常載荷（包括固定載荷和工作載荷），還要承受各種緊急事故情況下所造成的非正常載荷。本課題研究內(nèi)容為礦井提升機(jī)主軸裝置設(shè)計，為了使提升機(jī)高效、安全、可靠地為國內(nèi)外礦山機(jī)械用戶服務(wù)，實(shí)現(xiàn)廣大用戶和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)雙贏，實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)械用戶的高效、安全、低耗的良性經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢。設(shè)計者要綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計等知識，通過設(shè)計計算、繪圖以及運(yùn)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、設(shè)計手冊等有關(guān)資料，完成預(yù)期設(shè)計任務(wù)，并使機(jī)械設(shè)計的基本技能得到訓(xùn)練。
本設(shè)計在已有設(shè)計基礎(chǔ)上針對新的市場、資源等要求，進(jìn)行深入分析研究，對原有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改善，設(shè)計新一代的改進(jìn)型產(chǎn)品以適應(yīng)市場需要，即在基本型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開發(fā)出能耗低、重量輕、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改進(jìn)型產(chǎn)品。
1.3提升機(jī)的分類及工作原理
提升機(jī)是礦井提升設(shè)備的主要組成部分，目前我國生產(chǎn)及使用的礦井提升機(jī)，按
其滾筒的構(gòu)造特點(diǎn)可分為三大類，即單繩纏繞式、多繩摩擦式及內(nèi)裝式提升機(jī)。
單繩纏繞式提升機(jī)在我國礦井提升中占有很大的比重，目前在豎井、斜井、淺井、
中小型礦井大量使用。其工作原理是把鋼絲繩的一線固定纏繞在提升機(jī)的滾筒上，另一端繞過井架上的天輪懸掛提升容器，利用滾筒轉(zhuǎn)動方向的不同，將鋼絲繩纏上或放松，完成提升或下放重物的任務(wù)。多繩摩擦式提升機(jī)其特點(diǎn)是靠鋼絲繩與摩擦輪之間的摩擦力傳動，這種提升機(jī)由于具有安全可靠、體積小、質(zhì)量小，適用于深井提升等優(yōu)點(diǎn)，在我國礦井提升中也已得到較廣泛的應(yīng)用。
內(nèi)裝式提升機(jī)是世界上近年來研制成功的一種全新的新型提升機(jī)，從提升機(jī)的工
作原理來看，它亦屬于摩擦提升范疇，但它實(shí)現(xiàn)了“內(nèi)裝”。所謂內(nèi)裝，就是格拖動電機(jī)直接裝在摩擦輪內(nèi)部，使電機(jī)轉(zhuǎn)子與摩擦輪成為一體。內(nèi)裝式提升機(jī)摩擦輪的外觀與一般的摩擦式提升機(jī)毫無區(qū)別，但它卻把由電動機(jī)、減速器和摩擦輪組成的常規(guī)式，發(fā)展成為省去減速器，而使摩擦輪相當(dāng)于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，主軸相當(dāng)于電動機(jī)定子的高度，結(jié)構(gòu)新穎的提升機(jī)。同時為了使內(nèi)部電動機(jī)冷卻，主軸可以做成空心軸作為冷卻風(fēng)道，這樣減少了設(shè)備結(jié)構(gòu)重量又減少了提升系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。世界上第1臺內(nèi)裝式提升機(jī)于1988年在德國豪斯阿登礦投入運(yùn)行，我國的開灤礦業(yè)集團(tuán)東歡坨煤礦也于1992年從德國引進(jìn)了1臺內(nèi)裝式提升機(jī)，迄今設(shè)備運(yùn)行良好。
內(nèi)裝式提升機(jī)是提升機(jī)的機(jī)械與電氣高度一體的完美結(jié)合，由于它體積?。亓枯p、基礎(chǔ)設(shè)施簡單、設(shè)備造價低、運(yùn)行費(fèi)用低，與傳統(tǒng)的提升機(jī)相比，其各項(xiàng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都顯示出了很高的優(yōu)越性，引起了國際提升界極大的關(guān)注。內(nèi)裝式提升機(jī)的問世，是提升機(jī)領(lǐng)域里的一個新的里程碑，它不但對提升機(jī)制造業(yè)產(chǎn)生巨大影響，還對礦井提升機(jī)的使用、維修也將引起變革，迫使人們用全新的概念去評價提升機(jī)性能的優(yōu)劣。內(nèi)裝式提升機(jī)的研制，在我國尚屬空白，應(yīng)給予足夠重視，以促進(jìn)國內(nèi)提升機(jī)的發(fā)展，趕超世界先進(jìn)水平。
單繩纏繞式提升機(jī)的工作原地簡單地說，就是用一根較粗的鋼絲線在卷筒上纏上和纏下來實(shí)現(xiàn)容器的提升和下放運(yùn)動。提升機(jī)安裝在地面提升機(jī)房里，鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一端繞過天輪后懸掛提升容器。單繩纏繞式單卷筒提升機(jī)，卷筒上固定兩根鋼絲繩，并應(yīng)使每根鋼絲繩在卷簡上的纏繞方向相反。這樣，當(dāng)電動機(jī)經(jīng)過減速器帶動卷簡旋轉(zhuǎn)時，兩根鋼絲繩便經(jīng)過天輪在卷筒上纏上和纏下，從而使提升容器在井筒里上下運(yùn)動。不難看出，單繩纏繞式提升機(jī)的一個根本特點(diǎn)和缺點(diǎn)是鋼絲繩在卷筒上不斷的纏上和纏下，這就要求卷簡必須具備一定的纏繞表面積，以便能容納下根據(jù)井深或提升高度所確定的鋼絲繩懸垂長度。單純纏繞式提升機(jī)的規(guī)格性能、應(yīng)用范圍及機(jī)械結(jié)構(gòu)等，都是由這一特點(diǎn)來確定的。
單繩纏繞式雙卷筒提升機(jī)具有兩個卷簡，每個卷筒上固定一根鋼絲繩，并應(yīng)使鋼
絲繩在兩卷筒上的纏繞方向相反，其工作原理和特點(diǎn)與單卷筒提升機(jī)完全相同。多繩摩擦式提升機(jī)的工作原理與單純纏繞式提升機(jī)不同，鋼絲繩不是固定和纏繞在主導(dǎo)輪上，而是搭放在主導(dǎo)輪的摩擦襯墊上，提升容器懸掛在鋼絲繩的兩端，在容器的底部還懸掛有平衡尾繩。提升機(jī)工作時，拉緊的鋼絲繩必須以一定的正壓力緊壓在摩擦襯墊上。當(dāng)主導(dǎo)輪由電動機(jī)通過減速器帶動向某一個方向轉(zhuǎn)動時，在鋼絲繩和摩擦襯墊之間使發(fā)生根大的摩擦力，使鋼絲繩在這種摩擦力的作用下，跟隨主導(dǎo)輪一起運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)容器的提升和下放。不難看出，多繩摩擦式提升機(jī)的一個根本特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是鋼絲繩不在主導(dǎo)輪上纏繞，而是搭放在主導(dǎo)輪的摩擦襯墊上，靠摩擦力進(jìn)行工作。同樣，多繩摩擦式提升機(jī)的規(guī)格性能、應(yīng)用范圍和機(jī)械結(jié)構(gòu)等，都是由這—特點(diǎn)來確定的。多繩摩擦式提升機(jī)特別適應(yīng)于深井和大產(chǎn)量的提升工作。多繩摩擦式提升機(jī)與單繩纏繞式提升機(jī)比較，在規(guī)格性能、應(yīng)用范圍、機(jī)械結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)效果等方面都優(yōu)越得多，就深井和大產(chǎn)量來說，是豎井提升的發(fā)展方向。但是，根據(jù)我國目前淺井多、斜并多的特點(diǎn)，單繩纏繞式提升機(jī)仍然是目前制造和使用的重點(diǎn)。對于部分深井和大產(chǎn)量的礦井，則應(yīng)該合理的選用多繩摩擦式提升機(jī)，而不宜選用大型的單繩纏繞式提升機(jī)。
1957年南非工程師Robert Blair發(fā)明了多繩纏繞式提升機(jī)（我國稱為布雷爾式
提升機(jī)）。他是基于深井提升的實(shí)踐，總結(jié)了單繩纏繞式和多繩摩擦式提升機(jī)存在的問題而產(chǎn)生的。眾所周知，單繩纏繞式提升機(jī)在井深超過1500m時，其主、尾繩和摩擦襯墊的壽命都幾乎下降，而且還會出現(xiàn)主繩震動和尾繩難以管理等問題。為了保證鋼絲繩的使用壽命，規(guī)定鋼絲繩的任意斷面處的應(yīng)力不應(yīng)過大（一般不應(yīng)大于),而摩擦提升機(jī)采用尾繩，在容器與鋼絲連接處的鋼絲繩斷面上，靜力隨容器位置的不同而改變的幅度很大，約為。如果以應(yīng)力波動值不大于計算，則提升高度的極限約為1700m。布雷爾提升機(jī)不用尾繩，克服了這些弱點(diǎn)。又無防滑問題。出現(xiàn)的問題是體積大功耗大。
布雷爾提升機(jī)實(shí)際上是在較寬的卷筒上安裝一個中間擋板，把一個卷筒分隔成兩
段，每段纏繞一根鋼絲繩，每個卷筒上的兩根鋼絲繩，繞過天輪以后共同連接到一個提升容器上，可見提升原理與單繩纏繞式無異，只是用兩根鋼絲繩代替一根鋼絲繩，因此繩徑和卷筒直徑相對減小了。
布雷爾提升機(jī)在結(jié)構(gòu)上有如下特點(diǎn)：
1） 卷筒上的兩個纏繞間隔，必須設(shè)計成纏繞相同圈數(shù)和相同層數(shù)的鋼絲繩，以
保證兩根繩中拉力平衡。
2） 應(yīng)進(jìn)肯呢個纏繞多層以減少卷筒的寬度，實(shí)際證明，纏四層甚至是五層是無
困難的，為了減少多層纏繞帶來的繩弦震動和鋼絲繩排列不齊的擠壓喝磨損，一般多采用平行繩槽（Le Bus繩槽），并很好地設(shè)計間層過渡楔。
3） 以為兩根鋼絲繩連在一個提升容器上，就存在如多繩摩擦提升的鋼絲繩拉力
平衡問題，布雷爾提升機(jī)使用兩種平衡方法。一種是平衡輪法，兩根鋼絲繩以相反方向在平衡輪上纏繞數(shù)圈并固定在平衡輪上，拉力不平衡時，平衡輪可以轉(zhuǎn)動。另一種方法是利用天倫來平衡鋼絲繩拉力，天輪裝在聯(lián)通的液壓缸上，借天倫的升降來平衡鋼絲繩拉力。
4） 保證整齊的多層纏繞對布雷爾提升機(jī)是十分重要的，為了見識纏繩情況，設(shè)
有纏繩檢測裝置。在卷筒的每個纏繩間隔的整個寬度上，設(shè)有弧形板，它距所纏繞的一層鋼絲繩有繩徑的間隙，弧形板由線圈來控制?？呻S層數(shù)的不同而移動，另有閉鎖線圈，纏繩過程中，它使插銷總是定位于軸上的凹槽中（凹槽與纏繞層數(shù)相對應(yīng)）。一層纏滿時，線圈通電拔起閉鎖插銷，同時線圈通電使軸移動，帶動弧形板后移或者前移，弧形板移到新的位置后，線圈斷電閉鎖。如果在一層沒有一根繩提前纏到下層上，稀釋由于軸被閉鎖，弧形板不能移動，便在繩的壓力下繞軸轉(zhuǎn)動，使之與安全回路中的接點(diǎn)打開，提升機(jī)以正常減速度停車。此外也可以用液壓控制檢測纏繩。
第二章 總體方案設(shè)計
2.1設(shè)計數(shù)據(jù)
提升高度
卷筒直徑
由《煤礦安全規(guī)程》可知，合理的運(yùn)行速度為
2.2罐籠的選擇
根據(jù)礦車類型按表選擇單層罐籠，其技術(shù)規(guī)格為：裝載礦車一輛，最大載重2.2t，自重2t，乘人數(shù)10人，斷面尺寸.
礦石一次提升重量：
廢石一次提升重量：
一次提升礦車總重：
2.3鋼絲繩的選擇設(shè)計
我國單繩纏繞式提升機(jī)多為右螺旋纏繞，故應(yīng)選右捻繩，目的是防止鋼絲繩松捻。根據(jù)貨源情況，選用右捻鍍鋅鋼絲繩
(m為安全系數(shù)，罐籠類取7.5)
其技術(shù)規(guī)格如下：
繩徑，每米繩重
鋼絲破斷力總和
鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度
鋼絲繩的最大靜張力差
2.4預(yù)選電動機(jī)
2.4.1電動機(jī)的近似容量
（K為礦井阻力系數(shù)，取1.2。為加減速度及重力因素影響系數(shù)，取1.4）
2.4.2卷筒轉(zhuǎn)速
由轉(zhuǎn)速和功率選擇JRQ-147-8型電動機(jī)，其技術(shù)規(guī)格為：，額定轉(zhuǎn)速為，額定電壓為6000V.
第三章 減速器齒輪的設(shè)計
3.1擬定傳動方案
礦井提升機(jī)是低速重載機(jī)械，工作條件較差，載荷有一定的沖擊，且有粉塵等。與其他傳動方式相比，齒輪傳動有效率高，尺寸小，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以采用齒輪轉(zhuǎn)動。斜齒輪傳動比較平穩(wěn)，沖擊、震動、噪聲小，適用于高速重載傳動。根據(jù)齒輪傳動的特點(diǎn)， 擬定采用兩級轉(zhuǎn)動，均采用閉式斜齒輪傳動，如下圖所示：
圖3.1 減速器傳動方案圖
3.2電機(jī)的選擇
上章已提到，選擇JRQ-147-8型電動機(jī)，，.
3.3分配傳動比
總傳動比
按推薦的兩級減速器傳動比分配情況確定兩級的傳動比：
高速級齒輪傳動比為
低速級齒輪傳動比為
3.4計算減速器各軸的轉(zhuǎn)速和力矩
各軸標(biāo)號如圖3.1所示，
電機(jī)功率為200kw，各軸輸入功率為：
電動機(jī)的效率為，聯(lián)軸器傳動效率為
軸承傳動效率為， 齒輪傳動效率為
各軸輸入轉(zhuǎn)矩如下：
3.5齒輪設(shè)計
3.5.1高速級齒輪設(shè)計
高速級傳動位于減速器內(nèi)，屬閉式傳動，所以按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算，然
后校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
(1).選擇材料及熱處理方式
小斜齒輪選擇40Cr，調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度極限為700Mpa,屈服極限為50Mpa,齒面硬度為280HBS。大齒輪材料選用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為：240HBS .二者硬度差為：40HBS，精度等級為7。
(2).按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算
取小齒輪，則，取，并初步選定
確定公式中的各計算數(shù)值
a.因?yàn)辇X輪分布非對稱，載荷比較平穩(wěn)，試選
b.選取區(qū)域系數(shù)
c.查得, ,則
d.小齒輪的轉(zhuǎn)矩:，確定許用接觸應(yīng)力
e.查得材料的彈性影響系數(shù)
f.因軟齒面閉式傳動常因點(diǎn)蝕而失效,故先按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計公式確定傳動的尺寸,然后驗(yàn)算輪齒的彎曲強(qiáng)度,查表得小齒輪許用接觸應(yīng)力 大齒輪的為
h.計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(按工作壽命15年，每年工作300天，兩班制)
i.取接觸疲勞壽命系數(shù)
(3).計算
1).計算圓周速度:
2).計算齒寬B及模數(shù)
3).計算縱向重合度
4).計算載荷系數(shù)
分別查得:
故載荷系數(shù):
5).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，
得
6).計算模數(shù)
(4).按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計
1）、計算載荷系數(shù):
2)、根據(jù)縱向重合度,查得螺旋角影響系數(shù)
3)、計算當(dāng)量齒數(shù)
，
4）、查得
查得
查得
取彎曲疲勞極限
計算彎曲疲勞應(yīng)力:取安全系數(shù),得:
5).計算大小齒輪的，并比較
且，故應(yīng)將代入計算。
6).計算法向模數(shù)
對比計算結(jié)果,為同時滿足接觸疲勞強(qiáng)度,則需按分度圓直徑來
計算應(yīng)有的齒數(shù), 取
7).則，故取
則，取
8).計算中心距
取
9).確定螺旋角
10).計算大小齒輪分度圓直徑:
11).確定齒寬
取
(5).齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計。配合后面軸的設(shè)計而定。
3.5.2低速級齒輪設(shè)計
(1).選擇材料及熱處理方式
小斜齒輪都選擇40Cr，調(diào)質(zhì)處理，強(qiáng)度極限為700Mpa,屈服極限為50Mpa,齒面硬度為280HBS。大齒輪材料選用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為：240 HBS 。二者硬度差為：40 HBS，精度等級為7。
(2).初選齒數(shù)
取小齒輪，則 取，初步選定
(3).按齒面接觸強(qiáng)度計算:
確定公式中的各計算數(shù)值
a.因?yàn)辇X輪分布非對稱，載荷比較平穩(wěn)，試選
b.選取區(qū)域系數(shù)
c.查得
則
d.計算小齒輪的轉(zhuǎn)矩:
e.查得材料的彈性影響系數(shù)
f.因軟齒面閉式傳動常因點(diǎn)蝕而失效,故先按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計公式確定傳動的尺寸，
然后驗(yàn)算輪齒的彎曲強(qiáng)度,查得小齒輪接觸應(yīng)力，大齒輪的為
h.計算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)
i.由圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù)
(4).計算
1).圓周速度:
2).計算齒寬b及模數(shù)
3).計算縱向重合度
分別查得:
故 載荷系數(shù)
4).按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得分度圓直徑得 =
5).計算模數(shù)
(5).按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計
a.上式中
b.根據(jù)縱向重合度,查得螺旋角影響系數(shù)
c.計算當(dāng)量齒數(shù)
，
查得
查得
取彎曲疲勞極限,
d.計算彎曲疲勞應(yīng)力:取安全系數(shù),得:
e.比較
且，故應(yīng)將代入計算。
f.法向模數(shù)
對比計算結(jié)果,為同時滿足接觸疲勞強(qiáng)度,則需按分度圓直徑來計算應(yīng)有的齒數(shù),于是有:
取 . 則
g.中心距
取
h.確定螺旋角
i.計算大小齒輪分度圓直徑:
j. 確定齒寬
取
(6).齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計，配合后面軸的設(shè)計而定。
第四章 減速器傳動軸的設(shè)計
4.1高速軸1的設(shè)計
4.1.1選擇材料
由于傳遞中小功率，軸的轉(zhuǎn)速較高，為保持尺寸穩(wěn)定性和減少熱處理變形可選用40，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，查得材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)為：
4.1.2初步估算軸徑
由于軸的材料為40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理，查參考文獻(xiàn)[機(jī)械設(shè)計] 選取，則得：
此軸上有一個鍵槽，則軸徑增大7%
輸入軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的軸頸。為了使所選的,軸頸與聯(lián)軸器的孔頸相適應(yīng)，故需同時選取聯(lián)軸器型號。
聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，查表取, 則：
按照計算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查機(jī)械設(shè)計手冊，選用LH7型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為。半聯(lián)軸器的孔徑為,故取，故取輸入軸的最小直徑為,半聯(lián)軸器長度，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度。
4.1.3齒輪的力分析計算
圓周力：
徑向力：
軸向力：
4.1.4軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
高速軸1的形狀如下圖，為了方便清楚的進(jìn)行尺寸設(shè)計計算，圖上軸的各段標(biāo)注了相應(yīng)的數(shù)字。
圖5.1 高速軸1的結(jié)構(gòu)
1）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，1-2軸段左端需制出一軸肩，故取2-3段的直徑；右端用軸端擋圈定位。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故1-2段的長度應(yīng)比略短一些，現(xiàn)取。
2）初步選擇滾動軸承。因軸承同時受徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承參照工作要求并根據(jù)；，由軸承產(chǎn)品目錄中初步選取0基本游隙組、標(biāo)準(zhǔn)精度等級角接觸球軸承33016，其尺寸為，故；而。左端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位。由手冊查得30316型軸承的定位軸肩高度，因此取。
3)已知齒輪輪轂的寬度為200mm，故取。4-5段比3-4段高出一個軸肩的高度，軸肩高度，故取,則。根據(jù)實(shí)際情況取。
4）軸承端蓋的總寬度為20mm（由減速器及軸承端蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計而定）。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于添加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器左端面之間的距離，故取。
5）取齒輪距箱體內(nèi)壁之距離，考慮到箱體的鑄造誤差，在確定滾動軸承位置時，應(yīng)距離箱體內(nèi)壁一短距離，取，已知滾動軸承寬度，則。至此，已初步確定了軸的各段直徑和長度。
6)軸上零件的周向定位
半聯(lián)軸器與軸的周向定位.采用平鍵連接。半聯(lián)軸器與軸的連接，選用平鍵為，長度取，半聯(lián)軸器與軸的配合為。滾動軸承與軸的周向定位是由過渡配合來保證的，此處選軸的直徑公差為。
7）確定軸上圓角和倒角尺寸
取軸端倒角為，各軸肩處的圓角半徑見圖紙所示。
4.1.5 支座反力分析
1）水平面上支反力
2) 垂直反力
4.1.6 彎矩計算
1）水平彎矩
2) 垂直面彎矩
3) 合成彎矩
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，以及單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取得
4.1.7校核強(qiáng)度
按扭彎合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度，由軸的結(jié)構(gòu)筒圖及當(dāng)量彎矩圖可知截面C處當(dāng)量彎矩最大，是軸的危險截面，進(jìn)行校核時，只校核軸上承受最大當(dāng)量彎矩的截面的強(qiáng)度，則由軸的強(qiáng)度校核式：
其中軸為直徑d=70mm的實(shí)心軸，則
故軸的強(qiáng)度足夠，軸安全可靠。
4.2中間軸2的設(shè)計
4.2.1選擇材料
軸2的材料與軸1的材料相同
4.2.2初步估算軸徑
由于軸的材料為40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理，查參考文獻(xiàn)[機(jī)械設(shè)計] 選取，則得：
4.2.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
高速軸1的形狀如下圖，為了方便清楚的進(jìn)行尺寸設(shè)計計算，圖上軸的各段標(biāo)注了相應(yīng)的數(shù)字。
圖5.2 中間軸2的結(jié)構(gòu)
1) 初步選擇滾動軸承。軸的兩端采用深溝球軸承，顯然此軸的最小直徑在兩端的安裝軸承處，根據(jù)尺寸，由軸承產(chǎn)品目錄初步選0基本游隙組，標(biāo)準(zhǔn)精度級的單列圓錐滾子軸承33016，其尺寸為，故，且（6-7段左端有一個擋圈），取(1-2段右端有一個套筒)。
2）取安裝齒輪處的軸段2-3的直徑；齒輪的左端與左軸承之間采用軸套定位。已知齒輪輪轂的寬度為205mm,為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸端應(yīng)略短于輪轂寬度，故取。齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度，故取，則。軸環(huán)寬度，取。
3）由低速級小齒輪的齒寬為，得。取軸段5-6比6-7段高出一個軸肩，取，。
4）齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接，按，由表查得平鍵，取長度為。
5）軸的強(qiáng)度校核和軸1相同，經(jīng)校驗(yàn)強(qiáng)度足夠，安全。
4.3低速軸3的設(shè)計
4.3.1選擇材料
軸3的材料與軸2的材料相同
4.3.2初步估算軸徑
由于軸的材料為40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理，查參考文獻(xiàn)[機(jī)械設(shè)計]選取 ，則得：
此軸上有一個鍵槽，則軸徑增大7%
輸入軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的軸頸。為了使所選的軸頸與聯(lián)軸器的孔頸相適應(yīng)，故需同時選取聯(lián)軸器型號。
聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，查表取,則：
按照計算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查機(jī)械設(shè)計手冊，選用LH12型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為。半聯(lián)軸器的孔徑為,故取，故取輸入軸的最小直徑為,半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度為。
4.3.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖5.3 低速軸3的結(jié)構(gòu)
1）為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，1-2軸段左端需制出一軸肩，故取2-3段
的直徑；右端用軸端擋圈定位。半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度，為了保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，故1-2段的長度應(yīng)比略短一些，現(xiàn)取。
2）初步選擇軸承。因軸承同時受徑向力和軸向力選作用，故采用單列角接觸球軸承，因軸徑較大，采用專門制造的大軸承。取，，則，軸的6-7段左端由套筒定位，套筒長，取。
3)取安裝齒輪處的軸段；齒輪的右端與右軸承之間采用軸套定位。已知齒輪輪轂的寬度為,為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸端應(yīng)略短于輪轂寬度，故取。齒輪的左端采用軸肩定位，軸肩高度，故取，則軸環(huán)處的直徑。軸環(huán)寬度，取。
4），取。
5）齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接，由，選，取長度為。
6）軸的強(qiáng)度校核同軸1的方法相同，經(jīng)校核強(qiáng)度足夠，安全。
附 減速器的其他設(shè)計尺寸：
軸承端蓋凸緣厚度11mm，減速器殼體壁厚12mm，軸承距箱體內(nèi)壁8mm，齒輪距箱體內(nèi)壁16mm.
第五章 主軸的設(shè)計
5.1主軸的選擇
主軸材料一般采用優(yōu)質(zhì)中碳鋼，最常用的是＃碳素結(jié)構(gòu)鋼，這種材料價格便宜，對應(yīng)力集中的敏感性小，加工性能好，一般不采用合金鋼。本系列產(chǎn)品的主軸有兩種不同的結(jié)構(gòu)，單、雙筒米提升機(jī)采用光軸，固定卷筒的左右支輪熱裝在主軸上，而米雙筒提升機(jī)的主軸上有兩個鍛造出的法蘭盤，固定卷筒的兩個幅板用高強(qiáng)度螺栓分別與兩法蘭連接。
5.2結(jié)構(gòu)的設(shè)計
根據(jù)結(jié)構(gòu)及工藝要求，繪制出結(jié)構(gòu)草圖，并初定主軸的尺寸，主軸直徑可根據(jù)傳遞扭矩進(jìn)行初算，也可根據(jù)結(jié)構(gòu)估計，通常取，式中為卷筒直徑，然后進(jìn)行驗(yàn)算。
圖5.1 主軸設(shè)計草圖
該主軸采用兩點(diǎn)支撐，電動機(jī)在軸的右端通過連軸器和減速器與軸連接。軸上設(shè)計一個鍵槽，為以后安裝機(jī)械式深度指示器裝置預(yù)留接口。支輪與軸的連接采用熱裝方式；減速器與軸的連接則采用兩個切向鍵來連接。
5.3主軸強(qiáng)度的校核
安裝在主軸上的零部件的重量：可認(rèn)為集中加于各輪轂中心。主軸自重可認(rèn)為是均布載荷，也可認(rèn)為集中加在各輪轂處，作用于各輪轂的中心，此項(xiàng)載荷在提升過程中大小不變。
纏繞在卷筒上的鋼絲繩的重量：此項(xiàng)載荷在提升過程中是變化的。鋼絲繩拉力，在提升過程中大小是變化的。
計算說明：
1. 提升機(jī)出繩按水平方向計算。
2. 由于提升過程中外載荷是變化的，設(shè)計時都是對具體提升機(jī)選定幾種典型的工況，對這幾種工況的外載荷進(jìn)行計算，然后找出各危險斷面的最大外載荷進(jìn)行強(qiáng)度計算。本設(shè)計選取了提升機(jī)提升開始和結(jié)束時的兩種典型工況。在這兩種工況下，提升機(jī)主軸裝置的受力達(dá)到極限狀態(tài)，并且計算時對其主軸裝置的受力分析也采用了典型分析，這樣所計算出的數(shù)據(jù)更有意義，也更有說服力。
3. 本計算根據(jù)第三強(qiáng)度理論即最大切應(yīng)力理論。這一理論認(rèn)為引起材料屈服破壞的因素是最大切應(yīng)力。最大切應(yīng)力理論能很好地說明低碳鋼試件拉伸出現(xiàn)的滑移線，并與有關(guān)塑性材料的多種試驗(yàn)結(jié)果相接近。它的計算也較簡便，所以應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
a.工況一 提升開始:
(1)主軸上作用力大小
轉(zhuǎn)矩 :
圓周力:
徑向力
(2)軸承支反力
水平面上的支反力：
2200
1. 受力簡圖
E
1800
1800
D
C
B
A
2.合成彎矩圖
E
B
D
A
C
3.計算彎矩圖
A
C
E
B
D
圖5.2 工況一
垂直面上的支反力
(3)求彎矩
C處 水平面
垂直面
D處 水平面
垂直面
(4)合成彎矩
C處
D處
(5)計算彎矩
軸為雙向回轉(zhuǎn),視轉(zhuǎn)矩為對稱循環(huán),,則截面C、D兩處的當(dāng)量彎矩分別為：
(6)按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
截面C當(dāng)量彎矩最大,故截面C為可能危險截面。
截面E處雖僅受轉(zhuǎn)矩,但其直徑最小,則該截面亦為可能危險截面。
所以主軸強(qiáng)度足夠。
圖5.3 危險截面
由圖5.2及圖5.3可知，計算彎矩在C截面處最大；Ⅰ截面處計算彎矩較大，且有圓角和配合邊緣的應(yīng)力集中；Ⅱ截面處計算彎矩也較大且有鍵槽的應(yīng)力集中；Ⅲ截面處計算彎矩雖然不大，但其直徑最小且有圓角、鍵槽和配合邊緣多種應(yīng)力集中。所以以上4個都是可能的危險截面?？扇≡S用安全系數(shù)，其校核計算如下：
(7)C截面處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)計算
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
合成彎矩
扭矩
因?yàn)閼?yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力:
彎曲應(yīng)力幅
彎曲平均應(yīng)力
扭剪應(yīng)力幅
扭剪平均應(yīng)力
彎曲、剪切疲勞極限
彎曲、扭轉(zhuǎn)的等效系數(shù)
絕對尺寸系數(shù)
表面質(zhì)量系數(shù)
彎曲時配合邊緣處有效應(yīng)力集中系數(shù)為：
扭轉(zhuǎn)時配合邊緣處有效應(yīng)力集中系數(shù)為：
受彎矩作用時的安全系數(shù)
受扭矩作用時的安全系數(shù)
安全系數(shù)
Ⅰ截面處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核(經(jīng)計算可證明安全，略)。
Ⅱ截面處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核(經(jīng)計算可證明安全，略)。
Ⅲ截面處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核(經(jīng)計算可證明安全，略)。
b.工況二 提升終了:
(1)主軸上作用力大小
轉(zhuǎn)矩:
圓周力:
徑向力:
E
B
D
C
A
1.受力簡圖
1800
2200
1800
2.合成彎矩圖
E
B
D
C
A
3.計算彎矩圖
E
B
D
C
A
圖5.4 工況二
(2)軸承上的支反力：
垂直面上的支反力：
(3)求彎矩
C處 水平面
垂直面
D處 水平面
垂直面
(4)合成彎矩
C處
D處
(5)計算彎矩
軸為雙向回轉(zhuǎn),視轉(zhuǎn)矩為對稱循環(huán),,則截面D處的當(dāng)量彎矩為
(6)按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
截面D當(dāng)量彎矩最大,故截面D為可能危險截面。
截面E處雖僅受轉(zhuǎn)矩,但其直徑最小,則該截面亦為可能危險截面。
所以主軸強(qiáng)度足夠。
圖5.5 危險截面
由圖5.4及圖5.5可知，計算彎矩在D截面處最大；Ⅰ截面處計算彎矩較大，且有圓角和配合邊緣的應(yīng)力集中；Ⅱ截面處計算彎矩也較大且有鍵槽的應(yīng)力集中；Ⅲ截面處計算彎矩雖然不大，但其直徑最小且有圓角、鍵槽和配合邊緣多種應(yīng)力集中。所以以上4個都是可能的危險截面。取許用安全系數(shù)，其校核計算如下：
(7)Ⅱ截面處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)計算
抗彎截面系數(shù)
抗扭截面系數(shù)
合成彎矩
扭矩
因?yàn)閼?yīng)力為對稱循環(huán)應(yīng)力:
彎曲應(yīng)力幅
彎曲平均應(yīng)力
扭剪應(yīng)力幅
扭剪平均應(yīng)力
彎曲、剪切疲勞極限
彎曲、扭轉(zhuǎn)的等效系數(shù)
絕對尺寸系數(shù)
表面質(zhì)量系數(shù)
彎曲時配合邊緣處與鍵連接處的有效應(yīng)力集中系數(shù)分別為：
扭轉(zhuǎn)時配合邊緣處與鍵連接處的有效應(yīng)力集中系數(shù)分別為：
計算取較大值，即
受彎矩作用時的安全系數(shù)
受扭矩作用時的安全系數(shù)
安全系數(shù)
D截面處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核(經(jīng)計算可證明安全，略)。
Ⅰ截面處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核(經(jīng)計算可證明安全，略)。
Ⅲ截面處疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核(經(jīng)計算可證明安全，略)。
5.4 主軸軸承壽命計算
軸承壽命計算公式：
式中：－已選定的軸承的額定動負(fù)荷，；
－軸承的工作轉(zhuǎn)速 ，
－修正后的當(dāng)量動負(fù)荷，
-軸承所受的動負(fù)荷，；
－負(fù)荷系數(shù)，見軸承樣本表，一般可?。?
5.4.1左軸承
軸承代號：
性能參數(shù)：
額定負(fù)荷
極限