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摘 要
結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)，通過對JZ16T型鑿井絞車的結(jié)構(gòu)和工作原理的闡述，本文主要闡述了JZ16T型鑿井絞車設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方案、以及各零部件的計(jì)算。包括電氣系統(tǒng)對整體運(yùn)行的控制，液壓氣動(dòng)裝置對制動(dòng)所起的作用。本設(shè)計(jì)思路清晰，內(nèi)容簡明，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件計(jì)算到總體安裝，言簡意賅，準(zhǔn)確描述了整個(gè)設(shè)計(jì)過程中所涉及到的每個(gè)環(huán)節(jié)，詳細(xì)分析了JZ16T型鑿井絞車設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。
本設(shè)計(jì)說明書的主要內(nèi)容包括：JZ16T型鑿井絞車的性能及其發(fā)展?fàn)顩r，JZ16T型鑿井絞車的起升機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)的分析與計(jì)算，開式齒輪的計(jì)算，制動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇與計(jì)算，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與布局。
關(guān)鍵詞：鑿井絞車 制動(dòng)器 卷筒 齒輪 傳動(dòng)系統(tǒng)
Abstract
Including the electrical system to control the overall operation, hydraulic and pneumatic device plays the role of braking. This design is clear, concise content, concise and comprehensive from the structural design, calculating to overall installation, accurate description of each link, which involves the entire design process, a detailed analysis of the key technology in the design of JZ16T type shaft sinking winch.
The main content of the design specifications include: the performance of JZ16T type shaft sinking winch and its development status, JZ16T mine shaft sinking winch hoisting mechanism and electrical system analysis and calculation, calculation of open gear, selection and calculation of braking mechanism, design and layout of the transmission system.
Keywords: sinking winch brake drum gear transmission system
目 錄
摘要 Ⅰ
第一章 概述 1
1.1 設(shè)計(jì)題目簡要說明 1
1.1.1 絞車的分類 2
1.1.2 絞車的特點(diǎn)和性能要求 2
1.1.3 國內(nèi)外鑿井絞車發(fā)展?fàn)顩r 3
1.2 設(shè)計(jì)任務(wù) 7
第二章 JZ16鑿井絞車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
2.1 引言 9
2.2 技術(shù)規(guī)格與參數(shù) 9
2.3 鑿井絞車的整體設(shè)計(jì)方案 10
2.3.1 鑿井絞車的結(jié)構(gòu)簡圖 10
2.3.2 鑿井絞車的工作原理 10
第三章 傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)計(jì)算 13
3.1 鋼絲繩的選擇與計(jì)算 13
3.1.1 選擇鋼絲繩的參考因素 13
3.1.2 鋼絲繩選擇 14
3.2 計(jì)算卷筒尺寸 15
3.2.1卷筒結(jié)構(gòu)形式的確定 15
3.2.2 卷筒尺寸的計(jì)算 16
3.3 電動(dòng)機(jī)的選擇 17
3.3.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型結(jié)構(gòu)型式 17
3.3.2 確定電動(dòng)機(jī)容量 18
3.4 減速器選擇 19
3.4.1 減速器類型 19
3.4.2 選擇減速器型號(hào) 20
3.5 開式齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 20
3.5.1 齒輪的分類與特點(diǎn) 21
3.5.2 齒輪型式選擇與強(qiáng)度計(jì)算 21
3.5.3 齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù) 26
3.6 卷筒軸的設(shè)計(jì) 26
3.6.1 軸的種類和特點(diǎn) 26
3.6.2 軸的材料選擇 27
3.6.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
3.6.4 軸的強(qiáng)度計(jì)算 30
3.6.5 軸的缺陷及其壽命問題 32
3.7 軸承的選擇和校核 33
3.7.1 卷筒軸兩端軸承 33
第四章 制動(dòng)機(jī)構(gòu) 35
4.1 制動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成與工作原理 35
4.1.1 制動(dòng)機(jī)構(gòu)的組成 35
4.1.2 工作原理 35
4.2 制動(dòng)器的選擇與計(jì)算 36
4.2.1 塊式制動(dòng)器的選擇 36
4.2.2 棘輪停止器設(shè)計(jì) 36
4.2.3 帶式停止器設(shè)計(jì) 40
第五章 氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 43
5.1 氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 43
5.1.1 氣壓系統(tǒng)原理圖 43
5.1.2 汽缸的選擇與計(jì)算 43
5.2 選擇控制元件 45
5.2.1 換向閥選擇 45
5.2.2 減壓閥選擇 46
第六章 結(jié)論 47
參考文獻(xiàn) 48
致謝 49
第一章 概述
1.1 設(shè)計(jì)題目簡要說明
本設(shè)計(jì)針對JZ16T 型鑿井絞車進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，對JZ16T 型鑿井絞車的結(jié)構(gòu)和工作原理的闡述，詳細(xì)分析了JZ16T 型鑿井絞車設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)。主要設(shè)計(jì)鋼絲繩、卷筒、開式齒輪及電動(dòng)機(jī)與減速器的選擇。根據(jù) JZ16T 型鑿井絞車的自身特點(diǎn)選用各種零部件。其中以開式齒輪的設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率及減速器傳動(dòng)比，得出開式齒輪傳動(dòng)比，再由多方面因素具體設(shè)計(jì)開式齒輪的齒數(shù)、分度圓直徑及齒寬。制動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)，卷筒的一側(cè)設(shè)計(jì)有兩套安全制動(dòng)器，即帶式制動(dòng)器和棘輪制動(dòng)器。最后進(jìn)行的是鑿井絞車傳動(dòng)裝置的總體設(shè)計(jì)，主要包括擬定傳動(dòng)方案、選擇電動(dòng)機(jī)、確定總傳動(dòng)比和確定各級(jí)分傳動(dòng)比以及計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)。這些都需要學(xué)生親自動(dòng)手動(dòng)腦，鍛煉自己的能力，運(yùn)用自己所學(xué)過的各方面知識(shí)，來完成本設(shè)計(jì)。通過本設(shè)計(jì)可增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)械設(shè)計(jì)步驟的認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)了這方面的知識(shí)，也是對學(xué)生總體能力的考核，從中認(rèn)識(shí)到自己的不足。對以后同學(xué)們進(jìn)入工廠或生產(chǎn)基地具有一定的幫助。
圖（1-1）JZ16T鑿井絞車
絞車是工業(yè)生產(chǎn)過程中一種常見的機(jī)械，具有悠久的發(fā)展歷史和比較成熟的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。隨著絞車制造技術(shù)的不斷提高、加工材料的不斷改進(jìn)以及電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展，絞車在動(dòng)力、節(jié)能和安全性等方面取得了很大的進(jìn)步。目前，絞車正被廣泛地運(yùn)用于礦山、港口、工廠、建筑和海洋等諸多領(lǐng)域。
在礦山采掘和運(yùn)輸場合，絞車作為重要輔助設(shè)備被大量而廣泛地運(yùn)用著，例如鑿井絞車、調(diào)度絞車、耙礦絞車和礦用提升絞車等。提升絞車可用于礦山豎井或斜井中物品與人員的調(diào)度，具有較大的牽引功率和很好的安全性，是礦山生產(chǎn)中不可缺少的設(shè)備之一。
絞車的另一個(gè)重要用途是港口機(jī)械，常見的有集裝箱起重機(jī)、港口裝卸門座起重機(jī)、塔式起重機(jī)以及輕小型的電葫蘆等起重機(jī)械，其主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)都是各種形式和結(jié)構(gòu)的絞車。對于這種用途的絞車，要求具備較好的調(diào)速性能和很高的安全性能。另外，絞車還被運(yùn)用于各種線纜的存儲(chǔ)、制造和運(yùn)輸，例如紡織機(jī)械中的用于存放絲線的線盤和電纜制造中用于存放各種直徑纜繩的纜盤。這種情況下，絞車不光要具有一定的調(diào)速能力，而且還能夠使不同直徑的纜繩排列整齊，使用歷史和多種多樣的用途。
可以說，絞車廣泛地運(yùn)用于各種各樣的場合，發(fā)揮著不同的作用，也具有各種各樣的結(jié)構(gòu)組成。為了更好地研究絞車的結(jié)構(gòu)和性能，需要對絞車的組成和絞車的分類展開探討。
1.1.1 絞車的分類
絞車多種多樣的用途，決定了絞車的種類和組成形式也是多種多樣的。按照絞車卷筒的數(shù)量分，絞車可以分為三種：單卷筒絞車、雙卷筒絞車和三卷筒絞車。
單卷筒絞車是三種類型絞車中最常見的。它只有一個(gè)卷筒用來存放纜繩或者鉸鏈，一般用于對卷筒的容繩量要求不高的場合。
另外，按照絞車的驅(qū)動(dòng)方式，通常又把絞車分為電動(dòng)絞車，氣動(dòng)絞車和液壓絞車三種。
1.1.2 絞車的特點(diǎn)和性能要求
通過對絞車應(yīng)用場合的探討和絞車結(jié)構(gòu)的分析，可以得知，在工程應(yīng)用中絞車會(huì)具有如下一些特點(diǎn)：
1.負(fù)載時(shí)變
絞車用于礦山調(diào)度、電梯轎廂提升、海洋拖曳等場合時(shí)，由于外界環(huán)境因素的影響，例如貨物重量、海浪、海流等的不斷變化，它的負(fù)載也在不斷變化。這就對絞車的穩(wěn)定運(yùn)行造成了很大干擾。如果不采取有效的控制手段，絞車的收放速度就不可能穩(wěn)定，有時(shí)甚至無法正常工作。
2.驅(qū)動(dòng)力矩范圍大
這也是由絞車的工作環(huán)境決定的，其驅(qū)動(dòng)力范圍從幾公斤到上百噸不等。
3.要求調(diào)速方便，高低速運(yùn)行穩(wěn)定
由于收放工作的需要，現(xiàn)在許多絞車都需要能夠方便連續(xù)地調(diào)整收放速度。在高速運(yùn)行的時(shí)候，不能出現(xiàn)飛車的情況；在低速運(yùn)行的時(shí)候，不能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，而且要保持一定的輸出力矩。
4.對安全可靠性要求較高
由于絞車一旦出現(xiàn)事故，就有可能對人的生命或財(cái)產(chǎn)造成很大的傷害，加上絞車的工作環(huán)境大多比較惡劣，所以就要求絞車具有很高的可靠性。因此在設(shè)計(jì)絞車時(shí)設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮到絞車的最大負(fù)載能力、絞車的防爆性、元件的可靠性等因素。
5.要求具有較好的可操作性
隨著對絞車使用要求的不斷提高以及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，絞車的自動(dòng)化程度也在不斷提高。一些先進(jìn)的電子控制技術(shù)、通訊技術(shù)的運(yùn)用，使得現(xiàn)在的絞車能夠具有很好的人機(jī)接口和遠(yuǎn)程通信能力，極大地提高了絞車的操作性能。
1.1.3 國內(nèi)外提升絞車發(fā)展?fàn)顩r
礦井提升機(jī)包括機(jī)械設(shè)備及拖動(dòng)控制系統(tǒng)，是聯(lián)系地下和地上的重要途徑，是礦山生產(chǎn)的咽喉設(shè)備，其性能好壞直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)效率和安全性及可靠性，它的安全、可靠運(yùn)行是整個(gè)礦井正常生產(chǎn)的必要條件，一旦發(fā)生故障，所造成的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的?！斑\(yùn)輸是礦井的動(dòng)脈，提升是咽喉”形象地描述了礦井提升運(yùn)輸系統(tǒng)的工作過程與重要作用。目前，國內(nèi)外對提升設(shè)備經(jīng)過多年的研究，近幾十年來發(fā)展的很快，尤其是提升設(shè)備的滾筒方式、制動(dòng)方式和電力拖動(dòng)、自動(dòng)化控制等方面有很大的改進(jìn)，在提升設(shè)備的理論和實(shí)踐方面都取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
國內(nèi)外對于提升絞車的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究屬于較冷門的行業(yè)，相關(guān)的研究成果不太多。
1.1.3.1 國內(nèi)提升絞車發(fā)展?fàn)顩r
我國提升設(shè)備的設(shè)計(jì)制造，是在解放以后才開始的。建國初期在黨的領(lǐng)導(dǎo)下，新建和改建了許多礦山機(jī)械制造廠。20世紀(jì)五十年代撫順重型機(jī)器廠制造了我國第一臺(tái)纏繞式雙筒提升機(jī)，洛陽礦山機(jī)器廠設(shè)計(jì)制成了我國第一臺(tái)2X4多繩摩擦式提升機(jī)，這種提升機(jī)與纏繞式提升機(jī)比較，具有重量輕、體積小、安全可靠、適合較深礦井的特點(diǎn)，是現(xiàn)代提升機(jī)的發(fā)展方向。并已在我國許多礦山中得到普及和應(yīng)用。如安徽的鳳凰山銅礦、梅山鐵礦、張家洼小官莊鐵礦、西石門鐵礦、豐山銅礦、銅坑錫礦等礦山是較早地應(yīng)用多繩摩擦提升機(jī)的礦山。八十年代末投產(chǎn)的通鋼板石溝鐵礦18#礦組的罐籠井采用的是上海冶金礦山機(jī)械廠生產(chǎn)的第二臺(tái)JKD1.85 X 4多繩摩擦式提升機(jī)。該廠又新設(shè)計(jì)制造了JK型新系列單繩纏繞式提升機(jī)，新系列采用了一些新結(jié)構(gòu)，與老型號(hào)比較，提升能力平均提高了25%，而機(jī)器重量也相應(yīng)的有所減少。其它如JT系列礦用絞車，JKM及JKD系列多繩提升機(jī)在采用新結(jié)構(gòu)提高產(chǎn)品性能方面都有較大改進(jìn)和提高。
我國的礦用提升機(jī)其調(diào)速原理經(jīng)歷了電阻調(diào)速、液壓調(diào)速、變頻調(diào)速及行星差動(dòng)調(diào)速等幾次大的改進(jìn)，目前國產(chǎn)提升機(jī)所采用的調(diào)速裝置主要有兩種類型：一是液壓傳動(dòng)調(diào)速裝置（液壓調(diào)速），其產(chǎn)品形式即為現(xiàn)有的液壓提升絞車；二是電控調(diào)速裝置（變頻調(diào)控），其產(chǎn)品形式即為現(xiàn)有的傳統(tǒng)JT系列絞車。
提升機(jī)是一種重要的礦用機(jī)械，我國的提升機(jī)從上世紀(jì)七十年代開始應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)，極大地提高了工作效率，但安全性能較差，極易發(fā)生爆裂；八十年代為解決井下提升機(jī)防爆難題，生產(chǎn)了一種液壓提升機(jī)，之后又出現(xiàn)了運(yùn)用變頻調(diào)速原理生產(chǎn)的無級(jí)調(diào)速提升機(jī)。
煤礦提升絞車是煤礦安全生產(chǎn)的重要設(shè)備，是安全生產(chǎn)的關(guān)鍵，它能否正常運(yùn)行，直接關(guān)系著煤炭的產(chǎn)量、生產(chǎn)成本及礦井和職工的安全。隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和礦井標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的需要，提升絞車的運(yùn)行質(zhì)量越來越受到各級(jí)部門的重視。
根據(jù)<<煤礦安全規(guī)程>>規(guī)定：投入運(yùn)行后的提升設(shè)備，必須由礦務(wù)局機(jī)電部門每年進(jìn)行一次檢查，每3年進(jìn)行一次測試，認(rèn)定合格并簽發(fā)運(yùn)行許可證書后方可繼續(xù)使用．每次的測試結(jié)果表明大部分的絞車使用良好，但也存在一些帶有普遍性的問題，在一定程度上制約了煤炭產(chǎn)量，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)也影響了煤礦的安全生產(chǎn)，下面就針對一些主要問題進(jìn)行歸納。
1.提升設(shè)備完好率差，存在重大事故隱患。
提升裝置必須裝設(shè)下列保險(xiǎn)裝置，即防過卷裝置、限速裝置、深度指示器失效保護(hù)裝置等，并滿足相應(yīng)的技術(shù)要求，但有許多礦用絞車沒有設(shè)置，違反了相應(yīng)規(guī)定。
2.制動(dòng)裝置可靠性差。
制動(dòng)裝置是提升絞車的重要組成部分，根據(jù)設(shè)計(jì)安裝要求，制動(dòng)盤加工表面粗糙度應(yīng)達(dá)到1.6，偏差越小越好，最大不應(yīng)超過0.5mm．但有的礦用絞車安裝質(zhì)量差，滾筒端面凹凸不平，使?jié)L筒在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，制動(dòng)輪間歇摩擦閘瓦，從而造成電機(jī)電流波動(dòng)大，電耗增加，并加速了閘瓦的磨損。還有的絞車松閘不徹底，有時(shí)還會(huì)因?yàn)槟承└蓴_因素引起突然緊閘現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)影響機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命，并有可能造成斷繩等事故。
3.絞車實(shí)際運(yùn)行質(zhì)量較差、效率偏低。
測試中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)絞車均采用手動(dòng)控制，加速、減速及低速爬行和停車休止時(shí)間相對偏長，使絞車提升能力下降，電機(jī)電耗增加。
近年來，我國各生產(chǎn)廠家對結(jié)構(gòu)、調(diào)速裝置等進(jìn)行了許多改進(jìn)，并推出了許多更新?lián)Q代的產(chǎn)品。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)和PLC的運(yùn)算速度加快、存貯能力加大、功能加強(qiáng)、體積減小，使煤礦機(jī)械的功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)、效率更高。例如淮南張集礦2×3000kW交變頻雙電機(jī)拖動(dòng)提升機(jī)，其自動(dòng)化控制由主控PLC（S7－400）、監(jiān)控PLC（S7－400）、閘控PLC（S7－400）、裝載PLC（S5－115U）、卸載PLC（S5－115E）和傳動(dòng)控制裝置SIMADYND及操作臺(tái)的Wincc人機(jī)界面裝置多臺(tái)計(jì)算機(jī)（PLC）組成[16]。
1.1.3.2 國外提升絞車發(fā)展?fàn)顩r
國外礦用提升機(jī)的研究比較先進(jìn)，并能及時(shí)地將研究的成果運(yùn)用到礦用提升機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)中。自1827年德國制造出第一臺(tái)蒸汽提升機(jī)以來，礦井提升機(jī)大體分為兩種形式，一種為纏繞式提升機(jī)，另一種為多繩摩擦式提升機(jī)。目前廣泛使用單繩纏繞式提升機(jī)和多繩摩擦提升機(jī)[15]。
最初提升機(jī)僅為纏繞式提升機(jī)一種，但隨著礦井開采深度及年產(chǎn)量日益增加，在井深達(dá)1000m以上，一次提升量達(dá)40～50t的條件下采用纏繞式提升機(jī)其鋼繩直徑要達(dá)到90mm，滾筒直徑要達(dá)到9m，電動(dòng)機(jī)功率要達(dá)到4500kW。這樣的提升機(jī)制作金屬量消耗大、制造困難、成本昂貴，更重要的是直徑50mm以上的鋼繩只有幾個(gè)發(fā)達(dá)國家可以制造，而且價(jià)格貴的驚人，且壽命遠(yuǎn)不如40mm以下的長。于是在18世紀(jì)末，出現(xiàn)了用幾根細(xì)鋼繩代替一根粗鋼繩的做法，就產(chǎn)生了多繩摩擦提升機(jī)。由于多繩摩擦提升機(jī)繩徑小，摩擦輪直徑小，電動(dòng)機(jī)功率小，到20世紀(jì)70年代，世界上應(yīng)用多繩摩擦提升機(jī)已有600多臺(tái)。
在過去的20年中，我國從德國共進(jìn)口20多套大型礦用提升機(jī)，其電控配套裝置均為西門子公司的產(chǎn)品，其中10套是為直流電動(dòng)機(jī)配套的直流電控制系統(tǒng)，其余10多套均為交頻交流電氣傳動(dòng)電控配套裝置[16]。第一套是1994年為山西省常林礦主井提升機(jī)配套的，其調(diào)速性能非常理想，且節(jié)能效果相當(dāng)明顯，它代表了世界礦用提升機(jī)的先進(jìn)水平，也為我們指明了走節(jié)能和無級(jí)調(diào)速的路子。
特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品在世界范圍內(nèi)得到了迅速發(fā)展和應(yīng)用。先進(jìn)采煤國從采煤工作面、掘進(jìn)工作面，到井下主煤流運(yùn)輸及輔助運(yùn)輸，到礦井提升及井下供電、排水等裝置，均具有建立在微處理器基礎(chǔ)上的監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)，其機(jī)電一體化的設(shè)備、性能、可靠性和功能等有大幅度提高。如美國、澳大利亞等國由于在井下采用了先進(jìn)的機(jī)電一體化設(shè)備，已實(shí)現(xiàn)無人工作面、遙控采礦甚至無人礦井；加拿大INSO公司利用現(xiàn)代通訊、井下定位與導(dǎo)航、在線信息處理、監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對地下鎳礦的機(jī)電一體化采礦裝備乃至整個(gè)礦山開采系統(tǒng)的遙控操作。
1.1.3.3 本文研究的背景
礦用提升機(jī)作為煤礦機(jī)械的一種，主要用于煤礦提升、下放物料，因此其市場需求量與國家對煤炭的需求量息息相關(guān)。煤炭是我國常規(guī)能源的主體，在我們這樣一個(gè)大國，能源始終占極其重要的地位。為了保證國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，煤炭產(chǎn)量亦要在相應(yīng)時(shí)期內(nèi)保持高速增長。
2000年，國家“西電東送”工程開始實(shí)施，作為西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重要組成部分，“西電東送”將西部豐富的資源和東部巨大的市場結(jié)合起來，通過北、中、南三條通道向華東地區(qū)送電。三條通道中，除中部通道是以三峽水利樞紐工程為主體送電外，南、北兩條通道均主要以煤炭作為燃料的火電基地為基礎(chǔ)送電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在2002年煤炭產(chǎn)量接近14億噸，比上年增產(chǎn)2.21億噸，增長20%。雖然這樣，在同年還是要從國外進(jìn)口1081萬噸，進(jìn)口量比2001年增加了3倍多。即使如此，全國部分地區(qū)缺煤還是很嚴(yán)重，甚至于在湖北、河南一些地方還要常常停電，一個(gè)重要原因在于煤炭緊缺，嚴(yán)重影響了國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民的生活秩序。增加煤炭產(chǎn)量，加大煤炭供給量已是刻不容緩。目前，全國各地除了有很多大型煤炭公司以外，也有不少中小型煤礦，同時(shí)也不斷增加一些新建的煤礦。煤炭需求的增加必將刺激采煤機(jī)械需求的增長。此外，大量中小煤礦的存在也是促成煤機(jī)需求增長的一個(gè)重要因素。中小型煤礦主要進(jìn)行地面淺表層煤炭資源的開發(fā)，由于成本、開采方式等因素的限制，這類煤炭資源不適合國有大型煤礦企業(yè)的開采，客觀上決定了在較長時(shí)間內(nèi)中小煤礦仍將存在，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在云南、貴州兩省，僅官方批準(zhǔn)采礦的企業(yè)就達(dá)一萬多個(gè)，且平均每年以30%的速度增加，加之湖南、江西、四川、重慶、山西、、內(nèi)蒙古自治區(qū)、東三省等地均在大力發(fā)展煤炭工業(yè)，加之國際提升機(jī)市場，尤其在歐美等發(fā)達(dá)國家，側(cè)重于使用數(shù)字化、智能化的高附加值產(chǎn)品，如德產(chǎn)的“機(jī)電一體化”內(nèi)裝式絞車，這類產(chǎn)品整機(jī)性能較好，操作簡潔，但價(jià)格昂貴，使用的廠家很少。我國八十年代為解決井下提升機(jī)防爆難題，生產(chǎn)了一種液壓提升機(jī)，之后又出現(xiàn)了運(yùn)用變頻調(diào)速原理生產(chǎn)的無級(jí)調(diào)速提升機(jī)。這幾類提升機(jī)都存在著功能不夠完善的問題，或防爆不能調(diào)速，或調(diào)速難以防爆，安全性能差，操作困難。在這種情況下，生產(chǎn)一種新型的功能較為全面的礦用提升機(jī)取代原有機(jī)型就成為各煤礦生產(chǎn)企業(yè)的共同需求。
由湖南遠(yuǎn)揚(yáng)煤機(jī)制造有限公司與湖南大學(xué)共同開發(fā)研制的新型礦用提升機(jī)項(xiàng)目。該項(xiàng)目產(chǎn)品使用NGW行星差動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)零到最大轉(zhuǎn)速之間的無級(jí)調(diào)速，這是一種純機(jī)械的無級(jí)調(diào)速，不會(huì)產(chǎn)生火花，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)速和防爆兩種功能。與傳統(tǒng)的液壓調(diào)速提升機(jī)和變頻調(diào)速提升機(jī)相比，取消了龐大的液壓和電控調(diào)速系統(tǒng)，減少機(jī)器占地空間，無須另行修建絞車房，更易于在狹窄的礦井條件中正常工作，大幅降低成本，該項(xiàng)目產(chǎn)品應(yīng)會(huì)具有廣闊的應(yīng)用前景。
1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容
本設(shè)計(jì)分為五大主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，即起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開式齒輪的設(shè)計(jì)、總體布局的確定設(shè)計(jì)。
1. 起升機(jī)構(gòu) JZ16T 型鑿井絞車起升機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)，制動(dòng)器，聯(lián)軸器，減速器，開式齒輪, 卷筒的組成。電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與減速器的高速軸相聯(lián)。聯(lián)軸器的一半是帶制動(dòng)輪的，制動(dòng)器安裝在電動(dòng)機(jī)軸即高速軸上。制動(dòng)器采用長臂式的瓦塊式制動(dòng)器，采用電動(dòng)液壓推動(dòng)器作為松閘裝置，并與電動(dòng)機(jī)電氣聯(lián)鎖。減速器采用三級(jí)傳動(dòng)硬齒面圓柱齒輪減速器，為了滿足傳動(dòng)比要求，在減速器與卷筒軸之間設(shè)計(jì)了一對開式齒輪傳動(dòng)。
2. 制動(dòng)機(jī)構(gòu) JZ16 型鑿井絞車除了在起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有常閉式的瓦塊制動(dòng)器外，為了保證安全，還在卷筒的一側(cè)設(shè)計(jì)有兩套安全制動(dòng)器，即帶式制動(dòng)器和棘輪制動(dòng)器。帶式制動(dòng)器構(gòu)造簡單緊湊，包角大（可超過2π），制動(dòng)力矩大。制動(dòng)輪軸受較大的彎曲作用力，制動(dòng)帶的比壓和磨損不均勻，簡單和差動(dòng)帶式制動(dòng)器的制動(dòng)力矩均與旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，限制了應(yīng)用范圍，散熱差，適用大型要求緊湊的制動(dòng)。
3. 電氣系統(tǒng) 主要是用來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作的電路，對電氣系統(tǒng)進(jìn)行過電流保護(hù)、零壓保護(hù)、行程保護(hù)等。
4. 開式齒輪 先根據(jù) JZ16T 型鑿井絞車的工作環(huán)境來選取開式齒輪的材料，再計(jì)算出開式齒輪的齒輪類型，精度等級(jí), 材料及齒數(shù)。
5. 總體布局 根據(jù)以上設(shè)計(jì)所得各部件的外形尺寸，確定各部件在底座的安裝位置進(jìn)行合理安排，應(yīng)適合運(yùn)輸操作等要求。
6. 正是基于上述背景，我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，根據(jù)JZ16鑿井絞車已知參數(shù)，完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體工作內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
1).根據(jù)已知參數(shù)條件，提出了提升絞車的整體設(shè)計(jì)方案，完成JZ16鑿井絞車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：包括機(jī)械傳動(dòng)部分、提升機(jī)構(gòu)部分、制動(dòng)裝置部分。
2).完成整個(gè)鑿井絞車三維零部件的建模與裝配：利用UG軟件，對機(jī)械傳動(dòng)部件和提升結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了三維建模，既有零件圖也有裝配圖。
第二章 JZ16T鑿井絞車總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 引言
JZ16T型鑿井絞車容繩量大、提升力強(qiáng)、平穩(wěn)可靠，主要用于豎井掘進(jìn)工程中懸吊吊盤、水泵、風(fēng)筒、壓縮空氣筒、注漿管等掘進(jìn)設(shè)備和漲緊穩(wěn)繩，也可作其它井下和地面起吊重物用。近年來，新建礦井近半數(shù)是采用立井開拓方式。隨著新井建設(shè)和煤炭開采向深部發(fā)展，立井開拓所占比重將會(huì)增大。隨著開采深度的增大和高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)，深井鑿井絞車的發(fā)展尤為重要。為了適應(yīng)深井建設(shè)對鑿井絞車的要求，開發(fā)研制了JZ16T型鑿井絞車。根據(jù)提供的技術(shù)規(guī)格和設(shè)計(jì)參數(shù)，提出了提升絞車的總體設(shè)計(jì)方案。并通過設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了齒輪減速機(jī)構(gòu)的各部分結(jié)構(gòu)尺寸，對其主要部件的強(qiáng)度進(jìn)行了校核。
2.2 技術(shù)規(guī)格與參數(shù)
JZ16T型鑿井絞車主要由電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、聯(lián)軸器、減速器、開式齒輪、卷筒等組成，其結(jié)構(gòu)如圖（2-1）所示。電動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器與減速器的高速軸相聯(lián)。聯(lián)軸器的一半是帶制動(dòng)輪的，制動(dòng)器安裝在電動(dòng)機(jī)軸即高速軸上。制動(dòng)器采用常閉式的瓦塊式制動(dòng)器，采用電動(dòng)液壓推動(dòng)器作為松閘裝置，并與電動(dòng)機(jī)電氣聯(lián)鎖。減速器采用三級(jí)傳動(dòng)硬齒面圓柱齒輪減速器，為了滿足傳動(dòng)比要求，在減速器與卷筒軸之間設(shè)計(jì)了一對開式齒輪傳動(dòng)，技術(shù)參數(shù)如表（2-1）。
1-電動(dòng)機(jī) 2-制動(dòng)器 3-減速器 4-小齒輪
5-大齒輪 6-卷筒組件
圖（2-1） JZ16T型鑿井絞車起升機(jī)構(gòu)
表2-1 JZ16T型鑿井絞車的主要性能參數(shù)
額定拉力（KN）
160
額定速度 (m/s)
Max 0.16
Min 0.1
鋼絲繩型號(hào)
6○（33）+6△（21）-40-1550-I
-光-右交GB829-79
鋼絲繩直徑 (mm)
40
卷筒直徑 (mm)
700
容繩量（m）
1000
電機(jī)型號(hào)
YZR225M-6
電機(jī)功率（kw）
34
制動(dòng)器型號(hào)
YWZ-400/45
2.3 提升絞車的整體設(shè)計(jì)方案
2.3.1 鑿井絞結(jié)構(gòu)簡圖
JZ16T型鑿井絞車主要由起升機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架和電氣系統(tǒng)等組成。如圖（2-2）所示。
1-制動(dòng)機(jī)構(gòu) 2-起升機(jī)構(gòu) 3-電氣系統(tǒng) 4-機(jī)架
圖（2-2） JZ16T型鑿井絞車
2.3.2 提升絞車的工作原理
2.3.2.1 動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)
動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的傳遞路線為：電機(jī)聯(lián)軸器主制動(dòng)器減速器開式齒輪傳動(dòng)卷筒組，傳動(dòng)簡圖如圖（2-1）所示。
電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時(shí)，制動(dòng)器松開制動(dòng)，通過帶制動(dòng)輪的聯(lián)軸器帶動(dòng)減速器高速軸，經(jīng)過減速后通過開式齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，使鋼絲繩繞進(jìn)卷筒或由卷筒放出，從而使物品起生或下降。卷筒的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)是通過改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向來達(dá)到的；電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，依靠制動(dòng)器將高速軸的制動(dòng)輪剎住，使物品保持在懸吊狀態(tài)。
2.3.2.2 卷揚(yáng)系統(tǒng)
卷揚(yáng)系統(tǒng)裝置含有卷筒組、主軸與軸承座。卷筒組由大齒輪、制動(dòng)輪和鋼板卷筒組成，并通過平鍵聯(lián)接在主軸上。
2.3.2.3 制動(dòng)機(jī)構(gòu)
JZ16T型鑿井絞車除了在起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)有常閉式的瓦塊制動(dòng)器外，為了保證安全，還在卷筒的一側(cè)設(shè)計(jì)有兩套安全制動(dòng)器，即塊式制動(dòng)器和棘輪制動(dòng)器。其結(jié)構(gòu)如圖（2-3）所示。
1-帶式制動(dòng)器 2-棘輪制動(dòng)器
圖（2-3） JZ16T型鑿井絞車起升制動(dòng)機(jī)構(gòu)
當(dāng)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行升降作業(yè)時(shí)，棘輪制動(dòng)器和帶式制動(dòng)器均應(yīng)處于松開制動(dòng)狀態(tài)，并與起升機(jī)構(gòu)電氣聯(lián)鎖。即只有棘輪制動(dòng)器和塊式制動(dòng)器松開制動(dòng)后起升機(jī)構(gòu)才能進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行停止升降作業(yè)時(shí)，棘輪制動(dòng)器和帶式制動(dòng)器均應(yīng)處于制動(dòng)狀態(tài)，將卷筒制動(dòng)住，以防卷筒“溜車”，起到安全保護(hù)作用。棘輪制動(dòng)器和帶式制動(dòng)器的動(dòng)作控制均采用氣動(dòng)控制，氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2-4所示。
2.3.2.4 電氣系統(tǒng)
1） 電氣系統(tǒng)的組成
JZ16T 型鑿井絞車電氣系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成。主電路是用來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作的電路。控制電路是對電氣系統(tǒng)進(jìn)行過電流保護(hù)、零壓保護(hù)、零位保護(hù)、行程保護(hù)等。
2) 電氣系統(tǒng)的工作原理
JZ16T型鑿井絞車氣動(dòng)系統(tǒng)原理如圖(2-4)所示。主電路的外接電路有定子電路和轉(zhuǎn)子電路兩部分。定子電路是由三相交流電源、三級(jí)刀開關(guān)、過電流繼電器的線圈、正反向接觸器的主觸點(diǎn)及電動(dòng)機(jī)定子繞組的組成。轉(zhuǎn)子電路是由轉(zhuǎn)子繞組、外接電阻器及主令控制器的觸點(diǎn)等組成。轉(zhuǎn)子電路通過主令控制器觸點(diǎn)的分合來改變轉(zhuǎn)子電路外接電阻的大小實(shí)現(xiàn)限制起動(dòng)電流和調(diào)速的目的。
1-減壓閥 2-電磁換向閥 3-汽缸 4-行程開關(guān) 5-汽缸 6-電磁換向閥
圖（2-4） JZ16T型鑿井絞車氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖
第三章 傳動(dòng)部件的選擇與計(jì)算
3.1鋼絲繩的選擇與計(jì)算
3.1.1 選擇鋼絲繩的參考因素
鋼絲繩是礦井提升設(shè)備中的主要組成部分，也是礦山鋼材消耗量較大的項(xiàng)目之一。正確的選擇鋼絲繩不僅關(guān)系到礦井的正常生產(chǎn)，而且也影響著礦井工人的生命安全，又能為社會(huì)主義建設(shè)節(jié)約大量優(yōu)質(zhì)鋼材。因此，煤炭工業(yè)部在《煤礦安全生產(chǎn)試行規(guī)程》中。對礦井提升用鋼絲繩有專門規(guī)定。有關(guān)人員對鋼絲繩的選擇、維護(hù)及檢查應(yīng)子重視。
礦井提升鋼絲繩的品種很多，幾十年來的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，只有根據(jù)不同礦井條件選用不同類型的鋼絲繩才能取得好的效果。合理的選擇和使用鋼絲繩不僅可以延長鋼絲繩的使用壽命，有利于保證提升安全，減少大量的維護(hù)工作員，同時(shí)也為國家節(jié)約大量優(yōu)質(zhì)鋼材。
對于同樣的工作條件，由于選擇了不同結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，其使用壽命有可能差別很大。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，在不同的使用條件下應(yīng)選用不同結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，才能取得好的效果。為了正確選用鋼絲繩，下面介紹幾項(xiàng)與其有關(guān)的因素。
鋼絲繩的結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性是影響鋼絲繩使用壽命的主要因素。應(yīng)以其做為選擇鋼絲繩的基礎(chǔ)?，F(xiàn)就幾項(xiàng)主要因素簡述如下。
3.1.1.1 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)與其破斷拉力的關(guān)系
鋼絲的抗拉強(qiáng)度乘以鋼絲的斷面積等于鋼絲的破斷拉力。各鋼絲破斷拉力總和與鋼絲繩的整體破斷拉力并不一致。這種由捻制所造成的破斷拉力下降的百分?jǐn)?shù)稱為換算系數(shù)。
鋼絲繩換算系數(shù)的大小，與繩股內(nèi)鋼絲間的相互接觸形式、捻距大小、鋼絲繩的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。在鋼絲繩中，鋼絲由于編捻所造成的曲率半徑越小、繩股中鋼絲的同心層數(shù)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、鋼絲數(shù)越多，其由捻制所造成的破斷拉力損失越大。而不同結(jié)構(gòu)的鋼絲繩其破斷技力的損失也不同。線接觸鋼絲繩的破斷拉力損失比點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)的??；鍍鋅鋼絲繩比光面鋼絲鋼絲繩的破斷拉力損失小；纖維繩芯比金屆繩芯的鋼絲繩造成的破斷拉力損失小。
3.1.1.2 鋼絲繩的金屬斷面系數(shù)
鋼絲繩的金屬斷而系數(shù)，即鋼絲繩的金屆斷面積與鋼絲繩外接圓面積(繩徑的面積)之比。直徑相同的鋼絲繩金屬斷而系數(shù)越大，在抗拉強(qiáng)度相同的條件下，其破斷技力越大。對原有提升設(shè)備來講，選用金屬斷面系數(shù)大的鋼絲繩可以提高鋼絲繩的安全系數(shù)，延長其使用壽命；對新選提升設(shè)備來講，選用金屬斷面系數(shù)大的鋼絲繩，可以減小鋼絲繩的直徑，縮小提升設(shè)備體積。
3.1.1.3 繩徑、絲數(shù)、絲徑與使用略命的關(guān)系
鋼絲繩的柔軟性能，與鋼絲繩的絲數(shù)、絲徑和鋼絲間的接觸形式有關(guān)。在相同繩徑的鋼絲繩中，鋼絲數(shù)越多其柔軟性越好。
提升鋼絲繩在使用過程中的強(qiáng)度下降的主要因素是磨損、銹飽和疲勞斷絲。在一般提升情況下，這三種因素是同時(shí)出現(xiàn)和起作用的。由于礦井條件的不同，起主要作用的因素也不同。因此，各礦應(yīng)根據(jù)礦井的具體條件、使用經(jīng)驗(yàn)，并
結(jié)合各種鋼絲繩的特點(diǎn)，合理地選擇鋼絲繩是十分必要的。下面是關(guān)于礦井提升用鋼絲繩的幾點(diǎn)參考意見：
1．在礦并淋水大、淋水酸堿度高和作為出風(fēng)井的井筒中，由于銹蝕嚴(yán)重而影響了鋼絲繩的使用壽命。在這類礦并中甚至顯示不出好鋼絲繩結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。因此，在這類礦井中應(yīng)選用鍍鋅鋼絲繩。
2．在磨損嚴(yán)重的豎并巾，選用異型股或線接觸鋼絲繩以及面接觸鋼絲繩為好。
3．以疲勞斷絲為鋼絲繩強(qiáng)度損失的主要因素時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用異型股鋼絲繩或線接觸鋼絲繩(其中以填充式尤好)。
4．從鋼絲繩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力狀態(tài)和使用實(shí)踐的分析結(jié)果認(rèn)為，煤礦提升用繩以順捻鋼絲繩為好。
5．用于溫度高或有明火的研石山等處的提升用繩，可選用金屬繩芯的鋼絲繩。
6．鑿井提升用繩，應(yīng)選用多層服不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。加擠壓嚴(yán)重可選用金屬繩芯鋼絲繩或面接觸鋼絲繩。
3.1.2 鋼絲繩選擇
3.1.2.1 選擇鋼絲繩類型
JZ16T型鑿井絞車的特點(diǎn)是懸吊吊盤或模板等物品，一般都采用多臺(tái)鑿井絞車于不同方向?qū)Φ醣P等物品進(jìn)行單繩懸吊。運(yùn)動(dòng)速度比較低，而且不經(jīng)常運(yùn)動(dòng)。因此，選用多層異形股不扭轉(zhuǎn)鋼絲繩結(jié)構(gòu)型式比較合適。
3.1.2.2 鋼絲繩直徑的確定
鋼絲繩的鋼絲在工作過程中受力情況是很復(fù)雜的，它在工作時(shí)承受拉伸、彎曲、擠壓和扭轉(zhuǎn)的作用，由此產(chǎn)生應(yīng)力的大小除與鋼絲繩張力大小有關(guān)外，還與鋼絲繩和股的數(shù)目、繞捻方法、螺旋角大小、鋼絲間的接觸情況以及繩芯材料等有關(guān)。因此，在計(jì)算鋼絲繩直徑時(shí)，只根據(jù)靜載荷按實(shí)用計(jì)算法選擇鋼絲繩。在根據(jù)要求確定了鋼絲繩型式后，按鋼絲繩所受的最大靜力拉力和鋼絲繩的抗拉破環(huán)強(qiáng)度確定鋼絲繩直徑。
即： （3-1）[6]
式中： Sb --整條鋼絲繩的破斷拉力，
Smax--鋼絲繩所受最大靜拉力，
n --鋼絲繩最小安全系數(shù)，取
φ --破斷拉力換算系數(shù)，取
鋼絲繩所受最大靜拉力：
整條鋼絲繩的破斷拉力為 。
所以選擇鋼絲繩6○（33）+6△（21），公稱抗拉強(qiáng)度1550N/mm2，直徑d=40mm,鋼絲繩的破斷拉力總和為。
3.1.2.3 確定鋼絲繩的型號(hào)
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[6]查得選擇鋼絲繩型號(hào)6○（33）+6△（21）-40-1550-I-光-右交GB829-79。
3.2 計(jì)算卷筒尺寸
3.2.1 卷筒結(jié)構(gòu)形式的確定
JZ16T型鑿井絞車主要是為了適應(yīng)超千米深井的建造而設(shè)計(jì)的，因此，要求卷筒的容繩量大。所以卷筒采用周邊大齒輪式卷筒組型式，并且為多層卷繞。卷筒結(jié)構(gòu)如圖（3-1）所示。這種結(jié)構(gòu)型式傳動(dòng)速比大，適應(yīng)于轉(zhuǎn)速低的場合，大齒輪為開式傳動(dòng)，卷筒軸只承受彎矩。卷筒應(yīng)用Q235-A鋼板卷制。
1-大齒輪 2-卷筒 3-棘輪
圖（3-1）
3.2.2 卷筒尺寸的計(jì)算
3.2.2.1卷筒直徑D
卷筒直徑按式 （3-2）[6]
計(jì)算。式中：D —卷筒直徑， mm
h —與機(jī)構(gòu)工作級(jí)別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，取
所以, 取。
3.2.2.2卷筒壁厚δ
因?yàn)榫硗灿肣235-A鋼板卷制，所以卷筒壁。故取卷筒壁厚。
3.2.2.3卷筒卷繞鋼絲繩圈數(shù)n：
因?yàn)榫硗矠槎鄬泳砝@筒，卷筒長度按公式 （3-3）[6] 計(jì)算。式中： l——多層繞鋼絲繩總長度，取
——多層卷繞圈數(shù)。
根據(jù)JZ16T型鑿井絞車的結(jié)構(gòu)尺寸，取卷筒長度為,所以，通過公式可計(jì)算出多層卷繞圈數(shù)n,計(jì)算得。
故卷筒最大卷繞直徑為。
3.2.2.4卷筒壁壓應(yīng)力σymax的計(jì)算：
卷筒壁壓應(yīng)力σymax按公式 （3-4）[6]
計(jì)算。式中： t —多層繞鋼絲繩卷繞節(jié)距，對多層卷繞的卷筒
所以，卷筒壁壓應(yīng)力
許用壓應(yīng)力[σy] 按公式[σy]=σs/n 計(jì)算，
式中σs —卷筒材料的屈服極限，
n —安全系數(shù)，取
所以，。
σymax ≤[σy]，強(qiáng)度滿足要求。
3.3 電動(dòng)機(jī)的選擇
原動(dòng)機(jī)是機(jī)器中運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的來源，其種類很多，有電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、蒸汽機(jī)、水輪機(jī)、汽輪機(jī)、液動(dòng)機(jī)等。電動(dòng)機(jī)構(gòu)造簡單、工作可靠、控制簡便、維護(hù)容易，一般生產(chǎn)機(jī)械上大多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
電動(dòng)機(jī)已經(jīng)系統(tǒng)化，設(shè)計(jì)中只需要工作機(jī)所需的功率和工作條件，選擇電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式、容量、轉(zhuǎn)速，并確定電動(dòng)機(jī)的具體型號(hào)。
3.3.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式
電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)形式可以根據(jù)電源種類（直流、交流）、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸）和載荷特點(diǎn)（性質(zhì)、大小、啟動(dòng)性能和過載情況）來選擇。
工業(yè)上廣泛應(yīng)用Y系列三相異步交流電動(dòng)機(jī)。它是我國20世紀(jì)80年代的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有高效、節(jié)能、振動(dòng)小、噪聲小和運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)，安裝尺寸和功率等級(jí)符合國際標(biāo)準(zhǔn)，適合于無特殊要求的各種機(jī)械設(shè)備。對于頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和換向的機(jī)械（如起重機(jī)械），宜選用轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、過載能力強(qiáng)、允許有較大振動(dòng)和沖擊的YZ型或YZR型三相異步電動(dòng)機(jī)。為適應(yīng)不同的安裝需要，同一類型的電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)又制成若干種安裝形式，供設(shè)計(jì)時(shí)選用。
3.3.2 確定電動(dòng)機(jī)的容量
電動(dòng)機(jī)容量（功率）選的合適與否，對電動(dòng)機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。當(dāng)容量小于工作要求時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能保證工作機(jī)的正常工作，或使電動(dòng)機(jī)因長期過載發(fā)熱量大而過早損壞；容量過大則電動(dòng)機(jī)價(jià)格高，能量不能充分利用，經(jīng)常處于不滿載運(yùn)行，其效率和功率因數(shù)都較低，增加電能消耗，造成很大浪費(fèi)。
電動(dòng)機(jī)容量主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱條件來決定。電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與其運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。對于長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、載荷不變或變化很小、常溫下工作的機(jī)械，只要所選電動(dòng)機(jī)的額定功率Pm等于或略大于所需電動(dòng)機(jī)功率P0，即Pm ≥P0，電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)就不會(huì)過熱，而不比校驗(yàn)發(fā)熱和起動(dòng)力矩。
冶金及起重用三相異步電動(dòng)機(jī)是用于驅(qū)動(dòng)各種型式的起重機(jī)械和冶金設(shè)備中的輔助機(jī)械的專用系列產(chǎn)品。它具有較大的過載能力和較高的機(jī)械強(qiáng)度，特別適用于短時(shí)或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁起動(dòng)和制動(dòng)、有時(shí)過負(fù)荷及有顯著的振動(dòng)與沖擊的設(shè)備。
YZR系列為繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，YZ系列為籠型轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)。冶金及起重用電動(dòng)機(jī)大多采用繞線轉(zhuǎn)子，但對于30KW以下電動(dòng)機(jī)以及在起動(dòng)不是很頻繁而電網(wǎng)容量又許可滿壓起動(dòng)的場所，也可采用籠型轉(zhuǎn)子[9]。
3.3.2.1計(jì)算靜功率：
機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需靜功率按公式 （3-5）[15]
計(jì)算。
式中：Nj —額定起重量時(shí)的靜載荷功率，kw；
—起升機(jī)構(gòu)的最大速度，，；
—起升機(jī)構(gòu)的額定起重量，Q=160×103N；
—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，。
所以 。
3.3.2.2選擇電動(dòng)機(jī)功率
選擇電動(dòng)機(jī)功率按公式 計(jì)算。
所以，選取電動(dòng)機(jī)功率Nd=34Kw。確定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為YZR225M-6，n=1000rpm。其技術(shù)參數(shù)及安裝尺寸如表（3-1），外形如圖（3-2）。
表（3-1）YZR 225M-6型電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)及安裝尺寸
額定功率Kw
34
轉(zhuǎn)速r/min
1000
機(jī)座號(hào)
225M
D
65
E
140
G
23.9
GD
10
F
16
圖（3-2）電動(dòng)機(jī)外形
3.4減速器選擇
3.4.1 減速器的類型
減速器的類型很多。按傳動(dòng)件類型的不同可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器、蝸桿減速器、齒輪蝸桿減速器和行星齒輪減速器；按傳動(dòng)級(jí)數(shù)的不同可分為一級(jí)減速器、二級(jí)減速器、多級(jí)減速器；按傳動(dòng)布置方式不同可分為展開式減速器、同軸式減速器和分流式減速器；按傳動(dòng)功率的大小不同可分為小型減速器、圓錐齒輪減速器、中型減速器和大型減速器。
3.4.2 選擇減速器型號(hào)
卷筒轉(zhuǎn)速：；
總傳動(dòng)比：。
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率選取減速器的傳動(dòng)比和型號(hào)。選取減速器型號(hào)ZSY315-90-Ⅱ。減速器的傳動(dòng)比。低速級(jí)齒輪中心距。
ZSY315-90-Ⅱ型減速器安裝尺寸如表（3-2），實(shí)物如圖（3-3）。
表（3-2）ZSY315-90-Ⅱ型減速器安裝尺寸
ZSY315-90-Ⅱ型圓柱齒輪減速器
輸入軸
輸出軸
直徑mm
長度mm
直徑mm
長度mm
42
60
65
280
圖（3-3）減速器
3.5 開式齒輪傳動(dòng)的計(jì)算
齒輪是重要的基礎(chǔ)件，其應(yīng)用廣泛，歷史悠久。目前齒輪技術(shù)可達(dá)到的指標(biāo)：圓周速度v=300m/s,轉(zhuǎn)速n=105r/min,傳遞的功率P=105kW,模數(shù)m=0.004～100mm,直徑d=1mm～152.3m。
3.5.1齒輪的分類和特點(diǎn)
3.5.1.1 分類
3.5.1.2 特點(diǎn)
（1） 瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定。非圓齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比又能按需要的變化規(guī)律來設(shè)計(jì)。
（2） 傳動(dòng)比范圍大，可用于減速或增速。
（3） 速度（指節(jié)圓圓周速度）和傳遞功率的范圍大，可用于高速（v＞40m/s）、中速和低速（v＜25m/s）的傳動(dòng)；功率可從小于1w到105Kw。
（4） 傳動(dòng)效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達(dá)99%以上。
（5） 結(jié)構(gòu)緊湊，適用于近距離傳動(dòng)。
（6） 制造成本較高，某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用或高精度的機(jī)床、刀具和量儀等，故制造工藝復(fù)雜，成本高。
（7） 精度不高的齒輪。傳動(dòng)時(shí)噪聲、振動(dòng)和沖擊大，污染環(huán)境。
（8） 無過載保護(hù)作用。
3.5.2 齒輪型式選擇與強(qiáng)度計(jì)算
3.5.2.1 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1）根據(jù)圖（3-4）傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
1—電動(dòng)機(jī) 2—制動(dòng)器 3—減速器 4—小齒輪
5—大齒輪 6—卷筒 7—棘輪
圖（3-4）鑿井絞車傳動(dòng)方案圖
2）鑿井絞車速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095-88）。
3）材料選擇 由（表10-1）[10]選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì))，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
4）開式齒輪傳動(dòng)比：。
選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。取。
3.5.2.2 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行試算，即
d 1t≥2.32× （3-6）[10]
（一）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)；
（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
；
（3）由（表10-7）[10]選取齒寬系數(shù)；
（4）由（表10-6）[10]查得材料的彈性影響系數(shù)
；
（5）由（圖10-21d）[10]按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=600Mpa;大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2=550Mpa；
（6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
60×11.1×1×(2×8×300×20)=6.3×107
6.3×107/6.61=1×107
（7）由（圖10-19）[10]查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.96， KHN2=0.98；
（8）計(jì)算解除疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式
[σH]1==0.9×600=540Mpa (3-7)[10]
[σH]2==0.95×550=522.5Mpa (3-8)[10]
（二） 計(jì)算
（1）試算小齒輪分度圓直徑d1t,代入[σH]中較小的值
d 1t≥2.32×
（2）計(jì)算圓周速度v
=
（3）計(jì)算齒寬b
（4）計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù),7級(jí)精度，由（圖10-8）[10]查得動(dòng)載荷系數(shù);
直齒輪，假設(shè)。由（表10-3）[10]查得;
由（表10-2）[10]查得7級(jí)精度、小齒輪相對支承非對稱布置時(shí)
將數(shù)據(jù)代入后得
由, 查（圖10-13）[10]得,
故載荷系數(shù)
（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式(10-10a)[10]得
（7）計(jì)算模數(shù)
3.5.2.3 按齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算
彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)計(jì)算公式為
（3-9）[10]
（一）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）由（圖10-20c）[10]查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；
（2）由（圖10-18）[10]查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式(10-12)[10]得
=
=
（4）計(jì)算載荷系數(shù)K
（5）查取齒形系數(shù)
由（表10-5）[10]查得YFa1=2.91 YFa2=2.1952
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由（表10-5）[10]查得YSa1=1.53 YSa2=1.8052
（7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較
==0.0135
==0.01505
大齒輪的數(shù)值較大。
（二）計(jì)算
對比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪的模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)17.06并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)
Z1===20.75 取Z1=21
大齒輪齒數(shù) Z2==6.61×21=139
3.5.2.4幾何尺寸計(jì)算
1) 計(jì)算分度圓直徑
2) 計(jì)算中心距
3) 計(jì)算齒輪寬度
取, 。
3.5.2.5驗(yàn)算
Ft==
=,合適
3.5.3齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)
表（3-3）齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)
名稱
小齒輪
大齒輪
模數(shù)m/mm
20
20
齒數(shù)Z
21
139
分度圓直徑d/mm
420
2780
齒頂圓直徑da/mm
460
2820
齒根圓直徑df/mm
370
2730
壓力角α
20°
20°
齒頂高h(yuǎn)a/mm
20
20
齒根高h(yuǎn)f/mm
25
25
齒寬B/mm
260
252
中心距a/mm
1600
傳動(dòng)比i
6.61
3.6卷筒軸的設(shè)計(jì)
3.6.1 軸的種類和特點(diǎn)
軸是組成機(jī)械的一個(gè)重要零件。它支承著其他轉(zhuǎn)動(dòng)件回轉(zhuǎn)并傳遞轉(zhuǎn)矩，同時(shí)它又通過軸承和機(jī)架連接。所有軸上零件都圍繞軸心線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成了一個(gè)以軸為基準(zhǔn)的組合體——軸系部件。所以，在軸的設(shè)計(jì)中，不能只考慮軸本身，還必須和軸系零、部件的整個(gè)結(jié)構(gòu)密切聯(lián)系起來。
軸按受載情況分：
a. 轉(zhuǎn)軸 既支承傳動(dòng)機(jī)件又傳遞動(dòng)力，即承受彎矩和扭矩兩種作用。
b. 心軸 只起支承旋轉(zhuǎn)機(jī)件作用而不傳遞動(dòng)力，即只承受彎矩作用。心軸又可分為固定心軸（工作時(shí)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)）和轉(zhuǎn)動(dòng)心軸（工作時(shí)軸轉(zhuǎn)動(dòng)）兩種。
c. 傳動(dòng)軸 主要傳遞動(dòng)力，即主要承受扭矩作用。
按結(jié)構(gòu)形狀分：光軸，階梯軸，實(shí)心軸，空心軸等。
按幾何軸線形狀分：直軸，曲軸，鋼絲軟軸。
設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)考慮多方面因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、和剛度。對于高速軸還應(yīng)考慮振動(dòng)穩(wěn)定性問題。
軸的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是：在軸系零、部件的具體結(jié)構(gòu)未確定之前，軸上力的作用點(diǎn)和支點(diǎn)見的跨距無法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能求出，因此，在軸的設(shè)計(jì)中，必須把軸的強(qiáng)度計(jì)算和軸系零、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)交錯(cuò)進(jìn)行，邊畫圖、邊計(jì)算、邊修改。
3.6.2 軸的材料選擇
軸的材料種類很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要根據(jù)對軸的強(qiáng)度、剛度、耐磨性等要求，以及為實(shí)現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時(shí)考慮制造工藝問題加以選用，力求經(jīng)濟(jì)合理。
軸的常用材料是35、45、50優(yōu)質(zhì)碳素鋼，最常用的是45鋼。對于受載較小或不太重要的軸，也可采用A3、A5等普通碳素鋼。對于受力較大，軸的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。
球墨鑄鐵和一些高強(qiáng)度鑄鐵，由于鑄造性能好，容易鑄成復(fù)雜形狀，且減震性能好，應(yīng)力集中敏感性能低，支點(diǎn)位移的影響小，故常用于制造外形復(fù)雜的軸。
特別是我國研制成功的稀土-鎂球墨鑄鐵，沖擊韌性好，同時(shí)具有減磨、吸振和對應(yīng)力集中敏感性小等優(yōu)點(diǎn)，已用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床上的重要軸類零件。
根據(jù)工作條件要求，軸可在加工前或加工后經(jīng)過整體或表面處理，以及表面強(qiáng)化處理（如噴丸等）和化學(xué)處理（如滲碳、滲氮、氮化等），以提高其強(qiáng)度（尤其疲勞強(qiáng)度）和耐磨、耐腐蝕等性能。
在一般工作溫度下，合金鋼的彈性模量與碳素鋼相近，所以只為了提高軸的剛度而選用合金鋼是不合適的。
軸一般由軋制圓鋼或鍛件經(jīng)切削加工制造。軸的直徑較小，可先用圓鋼棒制造；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蛘咤懺斓耐咕墶?
對于形狀復(fù)雜的軸（如凸輪軸、曲軸）可采用鑄造。
根據(jù)工作要求，卷筒軸心軸起支承卷筒、齒輪和棘輪的作用。所以選擇45鋼（調(diào)質(zhì)處理）作為心軸的材料。45鋼（調(diào)質(zhì)處理）的性能參數(shù)表（3-4）。
表（3-4）45鋼（調(diào)質(zhì)處理）的性能參數(shù)
材料
硬度HBS
強(qiáng)度極限
σB/MPa
屈服極限
σs/MPa
許用彎曲應(yīng)力[σ]/MPa
45鋼
240
650
360
120
3.6.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
主軸是提升機(jī)承載的主要部件，提升機(jī)的主要工作構(gòu)件如卷筒、軸承、以及安全制動(dòng)器等均安裝在主軸上。提升機(jī)主軸應(yīng)能承受工作過程中的外負(fù)荷而不發(fā)生殘余變形和過量的彈性變形，同時(shí)要保證一定的使用壽命。
主軸往往是提升機(jī)中重量最大的一個(gè)零件，其尺寸和傳遞的力矩也較大。因此，在結(jié)構(gòu)上除應(yīng)滿足強(qiáng)度和鋼度要求外，還應(yīng)重視工藝和安裝方而的問題。主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)