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1 緒論
1.1課題研究的背景
煤炭產(chǎn)業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，伴隨著高新技術(shù)和現(xiàn)代化生產(chǎn)的飛速發(fā)展，煤炭的產(chǎn)量也在逐年上升，煤礦輔助運輸對于煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性業(yè)越發(fā)明顯，輔助運輸?shù)南冗M與否成為制約煤礦能否更進一個階梯發(fā)展的重要因素。隨著高新技術(shù)在煤礦產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，安全、高產(chǎn)、高效現(xiàn)代化礦井建設(shè)和輔助運輸?shù)默F(xiàn)代化程度成為衡量煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)能力和水平的重要指標，與此同時，輔助運輸?shù)男手苯佑绊懨旱V的生產(chǎn)效率，所以，進一步發(fā)展高效、快捷的輔助運輸方式是我國煤礦產(chǎn)業(yè)建設(shè)中不可忽視的一項重要任務(wù)。
在現(xiàn)代化輔助運輸設(shè)備出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的輔助運輸設(shè)備主要有架線機車、蓄電池機車、斜巷絞車和調(diào)度絞車等。煤層地質(zhì)條件、開采方式和采掘機械化程度等多種因素直接影響了輔助運輸系統(tǒng)的構(gòu)成以及輔助運輸設(shè)備的選用。在我國早期的礦井中，采掘機械化程度不高、礦井生產(chǎn)能力有限等的限制使得一礦多工作面的生產(chǎn)方式被許多礦井所采用，早期輔助運輸系統(tǒng)主要由以下設(shè)備類型組成：主要水平運輸大巷多采用架線電機車，采區(qū)巷道主要采用小型調(diào)度絞車、礦用絞車、小型蓄電池機車等，目前仍有許多煤礦在采用這種運輸方式。
系統(tǒng)復(fù)雜、占用設(shè)備多、運輸能力低、運輸環(huán)節(jié)多、需經(jīng)多次轉(zhuǎn)載和中轉(zhuǎn)編列、輔助人員多、安全隱患大等是傳統(tǒng)輔助運輸方式及設(shè)備的主要問題。據(jù)調(diào)查顯示，我國煤礦井下人員有1/3以上是輔助人員，有些礦井甚至超過1/2。我國煤礦掘進隊中從事輔助運輸?shù)娜藛T一般占到30%~50%，工作效率低、安全狀況差在所難免，其事故平均占井下工傷事故總數(shù)的30%，僅次于頂板事故且成上升趨勢。因此，傳統(tǒng)輔助運輸方式已不再適合我國煤礦開采技術(shù)發(fā)展的需要，傳統(tǒng)、落后、效率低下的輔助運輸方式成了煤礦高產(chǎn)、高效和煤礦現(xiàn)代化發(fā)展的瓶頸。
近年來，很多新型煤礦井下輔助運輸設(shè)備相繼出現(xiàn)在國內(nèi)外。目前，國內(nèi)外煤礦較為實用的、新型高效的輔助運輸設(shè)備有單軌吊、無軌運輸設(shè)備、軌道運輸設(shè)備等三大類。這些新型設(shè)備在技術(shù)特性、運輸效率和安全性能方面，比傳統(tǒng)的輔助運輸設(shè)備都具有許多明顯的優(yōu)點。
作為高產(chǎn)高效輔助運輸方式之一，單軌吊輔助運輸系統(tǒng)越來越顯示出它的優(yōu)勢，它幾乎不受頂板的影響，運輸巷道布置方便而且節(jié)省空間，運輸效率高。過去一個月才能完成的綜采搬家倒面工作利用單軌吊可以在一周內(nèi)迅速完成，輔助運輸?shù)男视辛孙@著的提高，從而提高了全員效率。
1.2課題研究的意義
由以上分析可知，單軌吊運輸系統(tǒng)必將逐步取代低效、復(fù)雜、安全隱患大的傳統(tǒng)輔助運輸方式，從而成為井下最重要的輔助運輸方式之一。因此，對單軌吊系統(tǒng)的研究與開發(fā)將成為國內(nèi)煤礦機電設(shè)備研究的重要任務(wù)，并將促進單軌吊系統(tǒng)的普及和應(yīng)用。同時，研究出高效、安全、可靠的單軌吊系統(tǒng)具有十分顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。鑒于國內(nèi)單軌吊的發(fā)展較落后，發(fā)展和普及單軌吊系統(tǒng)迫在眉睫。
1.3單軌吊概述
1.3.1國外發(fā)展概況
在上世紀的五六十年代，一些主要采煤國家就開始著手解決本國煤礦井下輔助運輸機械化的問題，單軌吊運輸系統(tǒng)成為其中主要的研究內(nèi)容之一。世界上第一臺鋼絲繩牽引單軌吊車由德國于1954年研制出。德國又于1963年研制出防爆柴油機單軌吊車。1976年，德國又開始著手研制蓄電池單軌吊車。截至目前，德國、英國、法國、捷克、斯洛伐克、俄羅斯和烏克蘭等國家的礦井已普及了單軌吊的使用，單軌吊輔助運輸系統(tǒng)已成為這些國家煤礦輔助運輸?shù)闹饕O(shè)備之一。在德國魯爾礦區(qū)的煤礦輔助運輸設(shè)備中，95%以上的都是單軌吊，而捷克則幾乎全部采用單軌吊車。
目前，國外生產(chǎn)單軌吊車比較出名的企業(yè)有德國的SCHARF公司、BRAEUTIGAM公司和捷克的FERRIT公司、STAVUS公司，這些公司主要生產(chǎn)柴油機單軌吊車，同時也生產(chǎn)蓄電池單軌吊車和氣動單軌吊車。
1.3.2國內(nèi)發(fā)展概況
相比國外，在單軌吊車研制方面，我國起步較晚，直至上世紀八十年代才開始引進和研制單軌吊車。煤礦的經(jīng)濟效益日益提高的同時，國家也將煤礦管理的重點逐步轉(zhuǎn)移到安全管理上，為了盡早解決輔助運輸用人多、環(huán)節(jié)多、事故多等的實際問題，我國在單軌吊車的研制和應(yīng)用方面加大了力度。截至1992年，我國已先后研制成15kW、30kW和66kW等數(shù)種型號的防爆柴油機單軌吊車。如今，已有來自德國、英國、捷克及我國產(chǎn)的多種單軌吊在我國煤礦井下運行著。國內(nèi)，山西省璐安礦務(wù)局集團漳村礦和常村礦使用最早使用單軌吊車，輔助運輸安全狀況差、效益低的被動局面有了很大的改善，在全國開了個好頭，并且在使用單軌吊車方面積累了比較豐富的經(jīng)驗。2003年，潞安礦務(wù)局漳村礦、常村礦、屯留礦、王莊礦、潞寧礦、麥捷礦，霍州煤電的辛置礦、李雅莊礦、山浪礦、木瓜礦及沈煤集團所屬礦等相繼投入并使用了單軌吊。國內(nèi)使用的單軌吊主要有國產(chǎn)蓄電池單軌吊和柴油機單軌吊，氣動單軌吊車也在國內(nèi)一些煤礦投入使用，如皖北武溝礦和淮北袁店礦投入使用了氣動單軌吊，并且取得了不錯的經(jīng)濟效益和安全效益。單軌吊的使用實踐證明，單軌吊車具有安全性高、運輸效率高、占用人員少的特點，是一種適合我國煤礦特點的本質(zhì)安全型輔助運輸設(shè)備。
目前，我國生產(chǎn)單軌吊車的廠家有山西省太重煤機煤礦裝備成套有限公司、濟寧運河礦機有限公司、山東立業(yè)機械裝備有限公司、山東兗煤精益機電設(shè)備有限公司、太原礦機電氣發(fā)展有限公司等，國內(nèi)主要生產(chǎn)蓄電池單軌吊和柴油機單軌吊車，目前國內(nèi)生產(chǎn)的單軌吊車主要有DDD8J隔爆型蓄電池單軌吊車、DX系列蓄電池單軌吊等。
同時，國內(nèi)一些礦山機電設(shè)備企業(yè)加強與國外知名單軌吊生產(chǎn)廠家合作，將國外先進技術(shù)應(yīng)用于國內(nèi)單軌吊的生產(chǎn)和制造，如泰安FERRIT公司、安徽中捷公司（與捷克STAVUS合作），主要生產(chǎn)柴油機單軌吊。
1.3.3單軌吊運輸系統(tǒng)的優(yōu)點
與傳統(tǒng)的輔助運輸設(shè)備相比，單軌吊在技術(shù)特性、運輸效率和安全性能方面都具有許多明顯的優(yōu)點，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：
① 對巷道條件要求低，適應(yīng)能力強；
② 運輸效果完全不受巷道頂板、地面變形等情況的影響；
③ 適應(yīng)坡度大，一般可以達到30°，能在起伏坡度較大和彎道較多情況下運行；
④ 設(shè)備簡單，操作方便，維護方便；
⑤ 可實現(xiàn)遠距離連續(xù)運輸，整個運輸過程無需轉(zhuǎn)載；
⑥ 可以安全可靠的運送人員，一次最多可以運送60人左右；
⑦ 可以解決綜采設(shè)備列車整體懸掛運輸?shù)膯栴}；
⑧ 軌道可以回收，以便重復(fù)實用；
⑨ 可以出色的完成皮帶巷道運輸任務(wù)，可以對皮帶機進行日常維護；
⑩ 運行安全可靠，不跑車，不掉道，設(shè)有工作停車、安全和超速及隨車緊急制動等三套安全制動系統(tǒng)，并有防掉道裝置，適于在井下大巷和采區(qū)運行；
? 牽引力大，能實現(xiàn)重型物料如重型液壓支架的整體搬運，對散料、長材能進行集裝運輸，載重量大；
? 運行速度高，因具有防掉道安全設(shè)施及安全監(jiān)控與通信等裝置，可以較高的速度在采區(qū)運行，最大運行速度可達2m/s；
? 有比較完整的配套設(shè)備和運輸車輛，能夠滿足人員和多種材料設(shè)備的運輸需要，可實現(xiàn)裝卸作業(yè)機械化；
? 可以最大限度的實現(xiàn)井下職工減員，整個單軌吊系統(tǒng)操作人員最少只要2人即可。
鑒于以上如此之多的優(yōu)點，單軌吊運輸設(shè)備系統(tǒng)得到了很快的發(fā)展和應(yīng)用。
1.3.4單軌吊車的分類
按驅(qū)動方式的不同可分為鋼絲繩牽引和自驅(qū)動兩大類，自驅(qū)動單軌吊車比較靈活，發(fā)展較快。按牽引動力類別和使用特征，可分為鋼絲繩牽引單軌吊車、防爆柴油機單軌吊車、防爆特殊蓄電池單軌吊車和氣動單軌吊車等四個類型，如圖1-1、圖1-2、圖1-3和圖1-4所示。使用最多的是柴油機單軌吊車系統(tǒng)。
圖 1-1 繩牽引單軌吊車
1—泵站；2—絞車；3—鋼絲繩；4—緊繩器；5—控制臺；6—阻車器；7—導(dǎo)繩輪；
8—牽引儲繩車；9—運輸車；10—人車；11—制動車；12—阻車器；13—尾繩輪
圖 1-2 防爆柴油機單軌吊車運載液壓支架示意圖
1—主司機室；3—主機；2、4—驅(qū)動器；
5、8—制動器；6—12t起吊梁；7—液壓支架；9—副司機室
圖 1-3 防爆蓄電池單軌吊車
1—軌道；2、9—司機室；3—連接拉桿；
4、8—驅(qū)動部；5—制動閘；6—電源專用吊梁；7—電源箱
圖 1-4 氣動單軌吊車
鋼絲繩牽引單軌吊車的工作原理與自驅(qū)動單軌吊車的不同，前者為摩擦傳動，后者為黏著驅(qū)動。
鋼絲繩牽引就是用無極繩絞車牽引，通過鋼絲繩與驅(qū)動輪之間的摩擦力來帶動鋼絲繩運動，從而牽引單軌吊車沿軌道往復(fù)運行。
自驅(qū)動單軌吊車的牽引力及黏著力，是由一定數(shù)量的配有耐磨膠圈的成對驅(qū)動輪通過 液壓或機械方式壓緊在單軌的腹板上而產(chǎn)生的，它與單軌吊車本身自重?zé)o關(guān)。
1）鋼絲繩牽引單軌吊車
這是在懸吊的一種特殊工字鋼軌道上，用絞車通過鋼絲繩牽引的單軌吊車運輸設(shè)備，能適應(yīng)坡度不大于45°的巷道運輸。運輸線路固定，運距一般不超過2000m。它是單軌運輸?shù)淖钤缧问?，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且對坡度的適應(yīng)性強。因此應(yīng)用較廣泛，特別在運輸任務(wù)量大、服務(wù)年限較長的大坡道巷道中使用有其獨特優(yōu)勢。
繩牽引單軌吊車由絞車、緊繩器、導(dǎo)繩輪系、牽引車及儲繩車、承載車、制動車和尾輪站等組成（圖1-1）。司機在絞車房靠信號操縱運行。制動車在列車超速時自動制動保護。牽引車、儲繩器、起吊運輸車和制動車都懸掛在軌道下部翼板上，其他部分分別安裝在巷道中。
絞車可采用電動無極繩絞車，但較多采用電動液壓絞車。液壓絞車能無級調(diào)速，在啟動或爬坡時以低速大牽引力運行，平道時可加快速度，實現(xiàn)速度與牽引力的自動調(diào)節(jié)。絞車與尾繩站分別固定在運輸區(qū)間的兩端。緊繩器靠近絞車固定安裝，用重錘式機構(gòu)使鋼絲繩保持一定的張力。尾繩站固定安裝于運輸系統(tǒng)末端，由回繩輪和張緊器組成。鋼絲繩徑回繩輪折回絞車向前延伸，牽引車與儲繩車受鋼絲繩牽引沿軌道帶動運輸車運行。
儲繩車是把滿足運輸后多余部分鋼絲繩儲存在卷筒上，以備系統(tǒng)延伸時使用。通常儲繩車與牽引鉸接在一起或合并成牽引儲繩車。
導(dǎo)繩系是鋼絲繩按照設(shè)定路線往返運行的導(dǎo)向組件。在直線路段，輪系承載鋼絲繩質(zhì)量并限制其抖動，在彎道處（水平或垂直）輪系控制鋼絲繩的運行軌跡。斷繩時不使繩頭紊亂，保證人員安全。
承載車懸掛在單軌下部的翼板上，可由各種承載車組成運輸列車，車與車之間用拉桿及銷子連接。
2）防爆柴油機單軌吊車
這是以防爆低污染柴油機為動力的單軌吊車，是當今單軌吊車運輸方式中的主要機型，其特點是體積小，機動靈活，適應(yīng)性強，不怕水，不怕煤，不受底板狀況的影響，過道岔方便。運輸距離長，用于掘進巷道時能迅速接長軌道，既安全又可靠，經(jīng)濟性也好?？梢詫崿F(xiàn)從井底車場甚至從地面（斜井或平峒開拓時）至采區(qū)工作面的直達運輸。
防爆柴油機單軌吊車主要由主機、驅(qū)動部、司機室和液壓傳動系統(tǒng)組成。主機由防爆柴油機及其附屬裝置（啟動裝置、冷卻系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)和排氣凈化系統(tǒng)）、液壓系統(tǒng)和電器監(jiān)控系統(tǒng)組成（圖1-2）。
柴油機是單軌吊車的動力源，其機構(gòu)和進、排氣系統(tǒng)均應(yīng)符合防爆要求，防爆柴油機的啟動有液壓啟動、彈簧啟動和壓縮空氣啟動三種形式，前兩種應(yīng)用較多。柴油機驅(qū)動液壓系統(tǒng)的主油泵和輔助油泵，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，壓力油通過控制閥分配給各個驅(qū)動部的液壓馬達和執(zhí)行機構(gòu)。
電氣監(jiān)控系統(tǒng)由發(fā)電機、電源箱、照明燈、報警和安全監(jiān)控裝置（包括若干傳感器）等組成。
驅(qū)動部上方對稱于軌道腹板的兩側(cè)布置驅(qū)動輪，油缸將其緊壓在腹板上，產(chǎn)生足夠的黏著力以牽引單軌吊車。每個驅(qū)動輪由一臺液壓馬達帶動。安全制動閘也設(shè)在驅(qū)動部中。為提高制動可靠性，單軌吊車一般都裝有幾副安全閘，使總制動力不低于單軌吊車牽引力的1.5倍。
3）防爆蓄電池單軌吊車
防爆蓄電池單軌吊車是以防爆特殊型蓄電池為動力，由直流牽引電動機驅(qū)動的單軌吊車。能適應(yīng)坡度小于10°起伏多變的巷道和不小于6m半徑的彎道及多支路運輸。它機動靈活、噪聲低、無污染、發(fā)熱量小，屬于儲能式動力源，工作一段時間后，電源箱需要充電，一般沒工作3～4個小時就需要更換蓄電池充電，造價更高。因此不宜于長距離、大坡度、大載荷或繁重的工況。受蓄電池能重比的限制，功率偏小，自重較大，沒行千瓦功率重量相當于柴油機的2.5倍，不利于重載爬坡。幾年來，國外研制出高能量的CSM電池，但近期內(nèi)仍難以達到柴油機的能重比指標。所以蓄電池電機車多用于巷道平緩，載荷較小的短途運輸。對于巷道坡度大、運輸距離長、作業(yè)頻繁、在和較大的運輸，最好采用柴油機單軌吊車。由于蓄電池的能力較小、效率較低，充放電管理復(fù)雜，維修費用較高，所以蓄電池單軌吊車的推廣應(yīng)用受到限制。
一般防爆蓄電池單軌吊車的主要技術(shù)參數(shù)：功率4.5～25kW；牽引力7～36kN；速度范圍0.5～2.1m/s；有效載重2～12t；適應(yīng)坡度0～16°。
防爆蓄電池單軌吊車由驅(qū)動部、電源箱、司機室等組成。每個驅(qū)動部由機架、直流牽引電機、分動箱、搖臂架和驅(qū)動輪組成，一個驅(qū)動部一般由一個電機通過分動箱把動力傳送給兩搖臂和驅(qū)動輪，在兩個搖臂之間由擠壓油缸拉緊，使驅(qū)動輪緊壓在軌道腹板上以產(chǎn)生黏著牽引力。驅(qū)動部上還設(shè)有工作制動器和安全制動閘。電源箱是防爆特殊型電源裝置，由專用吊梁掛在機車中部，并設(shè)有升降機構(gòu)，以便于更換，一臺蓄電池單軌吊車一般配備兩套以上電源箱，輪換使用和充電。
4）氣動單軌吊車
氣動單軌吊運輸系統(tǒng)是單軌吊機車的一種，適用于在短距離的區(qū)間內(nèi)吊運操作。其動力來源于壓縮空氣。
與其他（動力形式的）單軌吊一樣，氣動單軌吊在懸掛于巷道頂部的軌道上運行。氣動單軌吊同樣配有防止意外的制動裝置。制動裝置的彈簧夾緊制動閘，須在一定得氣壓下打開，機車才能行走。在過速及系統(tǒng)壓力失效的情況下，制動裝置啟動實現(xiàn)制動。所以氣動單軌吊也可以應(yīng)用在一定坡度的巷道區(qū)間內(nèi)。
壓縮空氣不產(chǎn)生廢氣排放，氣動單軌吊車更適用于通風(fēng)較差的工況環(huán)境，如掘進中的巷道所需物料進出的運輸。配置不同的提升梁，氣動單軌吊車可實現(xiàn)轉(zhuǎn)載、吊移以及設(shè)備硐室的設(shè)備搬運。為適應(yīng)狹窄的空間內(nèi)使用，操控人員采用手持控制器的方式跟隨作業(yè)。
氣動單軌吊系統(tǒng)是由操控器和氣動起吊裝置組成，行駛在軌道上的一種輔助運輸設(shè)備，如圖1-4所示。該設(shè)備通過壓縮空氣進行驅(qū)動，適用于瓦斯礦井掘進工作中物料的運輸。根據(jù)不同的使用條件，氣動單軌吊可以配置不同的氣動起吊裝置，以滿足不同起吊重量的要求。
1.4課題主要研究內(nèi)容
本文從工程實際應(yīng)用的角度出發(fā)，研究一種適用于大傾角、高效、靈活的氣動單軌吊運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)井下物料的短距離快速運輸，主要研究內(nèi)容如下：
（1）搜集氣動單軌吊的相關(guān)資料，了解氣動單軌吊整體運行機理，對氣動單軌吊的主要系統(tǒng)進行歸納總結(jié)分類，為后續(xù)設(shè)計工作做好充分準備
（2）整體傳動方案的研究設(shè)計；
（3）三級減速器的研究設(shè)計；
（4）制動系統(tǒng)的研究設(shè)計；
（5）氣動控制系統(tǒng)的研究設(shè)計；
（6）氣動單軌吊運行軌道安裝設(shè)計。
2 整體方案設(shè)計
氣動單軌吊車主要包括各部分：行走系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、起吊系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)。
行走系統(tǒng)是整個單軌吊車中最復(fù)雜的一部分，行走系統(tǒng)主要為機械裝置，由氣動馬達提供動力，靠齒輪傳遞動力以驅(qū)動摩擦輪，兩個摩擦輪輪同步反向旋轉(zhuǎn)，則所設(shè)計的減速器必須能滿足兩個軸的反向平行輸出。
制動系統(tǒng)采用鉗式失效制動形式，制動裝置主要包括制動氣缸、制動彈簧、制動架三部分，制動架端頭帶有制閘片，通過彈簧伸展動使制動架運動，制動閘片抱緊軌道腹板，實現(xiàn)對單軌吊的制動。制動氣缸收縮同樣帶動制動架運動，制動閘片打開，使其脫離軌道面。
起吊系統(tǒng)主要是起吊裝置的選型設(shè)計和起吊控制系統(tǒng)的設(shè)計。
氣動控制系統(tǒng)主要控制氣動馬達的正反轉(zhuǎn)和氣缸的伸縮以及起吊裝置的提升和下降物料。在設(shè)計氣動原件和系統(tǒng)時，在保證功能和可靠性的前提下，必須提高其綜合性指標，相比較傳統(tǒng)機械設(shè)計要求較高?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計內(nèi)容較多，包括氣動閥的選型設(shè)計、管路的布置、控制手柄的設(shè)計、氣動馬達的控制、氣動缸的控制等。
2.1設(shè)計參數(shù)
最大運行速度：m/s
最大運輸距離：m
巷道最大傾角：
最大載貨量： t
2.2牽引力計算
單軌吊車在牽引狀態(tài)時，機車的牽引力F(單位：N)與機車的阻力和慣性力是平衡力，即：
式中 —機車牽引力，N；
—基本阻力，N；
—坡道阻力，N；
—慣性力，N。
其中，
式中 —單軌吊車總質(zhì)量，估取kg；
—載貨量，kg；
—重力加速度，9.8；
—機車運行阻力系數(shù)，取（水平直道，水平彎道）。
上坡時取“+”號，下坡時取“ ”號；
式中 —列車運行坡度，，為巷道最大傾角。
式中 —加速度，取。
由以上各式，得單軌吊車的牽引力為
按照單軌吊車在上坡重載加速的情況計算最大牽引力，即
將各數(shù)據(jù)帶入上式，得最大牽引力
2.3單軌吊車功率
最大功率
將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入上式，得
2.4氣動馬達選型
采用2個氣動馬達同時驅(qū)動形式，則
式中 —驅(qū)動裝置總效率，取
將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入上式，得
要滿足上述功率要求，則所選氣動馬達的功率，根據(jù)功率要求選SPX/GLOBE的齒輪式氣動馬達GM920，此型號的氣動馬達產(chǎn)自德國，結(jié)實耐用，價格合理，外殼為鑄鐵制造，內(nèi)部齒輪為優(yōu)質(zhì)鋼材經(jīng)過高技術(shù)含量的加工、淬火、研磨，經(jīng)過嚴格的組裝和檢驗，此型號氣動馬達的正常使用和壽命得到了很好的保證，GM920氣動馬達性能參數(shù)如下：
正常工作時所需壓力：
額定功率：
額定轉(zhuǎn)速：
2.5減速方案設(shè)計
2.5.1總傳動比計算
選取摩擦驅(qū)動輪的直徑，則總傳動比為
將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入上式，得
2.5.2減速方案設(shè)計
圖 2-1 一級減速方案
采用三級減速方案，即一個單級減速器和一個二級減速器。其中，單級減速器采用雙輸入單輸出的形式，如圖2-1所示；根據(jù)氣動單軌吊的運行方式，氣動單軌吊的兩個驅(qū)動輪必須同步反向輸出，因此二級減速器必須設(shè)計成反向平行軸雙輸出減速的形式，為了保證兩驅(qū)動輪同步并且反向，則需增加一惰輪作為中間傳遞環(huán)節(jié)，因惰輪是兩個互不接觸的傳動齒輪中間起傳遞作用的輪子，同時跟兩個齒輪嚙合，用來改變被動齒輪的轉(zhuǎn)向，使之與主動齒輪轉(zhuǎn)向相同。它的作用只是改變轉(zhuǎn)向而不能改變傳動比，它的齒數(shù)多少對傳動比數(shù)值大小沒有影響，是不做功的輪子，有一定的儲能作用，對系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的幫助，如圖2-2所示；總體減速方案如圖2-3所示。
圖 2-2 二級減速器傳動方案
圖 2-3 總體減速方案
傳動形式：斜齒圓柱齒輪傳動，其優(yōu)點：嚙合性好，傳動平穩(wěn)、噪聲??；重合度大，降低了每對齒輪的載荷，提高了齒輪的承載能力；不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)少。
因采用斜齒圓柱齒輪傳動，齒輪及軸會承受一定的軸向力，為了減少各軸所受的軸向力，同軸有兩個齒輪的應(yīng)使兩齒輪所受的軸向力方向相反，考慮軸的旋轉(zhuǎn)方向，再利用左右手螺旋定則（針對主動輪，左旋用左手，右旋用右手，四指所示方向為齒輪的旋轉(zhuǎn)方向，拇指所示方向即為主動輪所受的軸向力的方向。）確定各齒輪的旋向如圖2-2所示。
2.5.3傳動比的分配
取一級減速器傳動比，則二級減速器傳動比為
3 單級減速器的設(shè)計計算
工作條件：雙向轉(zhuǎn)動，工作平穩(wěn)，每天工作8小時，每年工作300，預(yù)期壽命10年。
3.1計算傳功裝置的運動參數(shù)
3.1.1計算各軸的轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸
Ⅱ軸
3.1.2計算各軸的功率
Ⅰ軸
Ⅱ軸
式中，為嚙合齒輪的傳動效率，取。
3.1.3計算各軸的扭矩
Ⅰ軸
Ⅱ軸
3.2選定齒輪材料,確定許用應(yīng)力
因采用雙驅(qū)動單級減速形式，該形式下的從動輪嚙合次數(shù)及應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是傳統(tǒng)單驅(qū)動單級減速中的兩倍，故從動輪的材料性能應(yīng)有所提高，齒輪材料選取如下：
由表6.2選（注：齒輪設(shè)計中查表與圖及公式均來自程志紅主編《機械設(shè)計》）
小齒輪：，調(diào)質(zhì)
大齒輪：，調(diào)質(zhì)
許用接觸應(yīng)力公式
接觸疲勞極限，查圖6-4
接觸強度壽命系數(shù)，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由公式
查圖，得，
接觸強度最小安全系數(shù)，
則
許用彎曲應(yīng)力
彎曲疲勞極限，查圖6-7，得
彎曲強度壽命系數(shù)，查圖6-8，得
彎曲強度尺寸系數(shù)，查圖 6-9，得
彎曲強度最小安全系數(shù)，
則
3.3齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算
確定齒輪傳動進度等級，按估取圓周速度為，參考表6.7、表6.8選取Ⅱ公差組7級。
小輪大端分度圓直徑，公式為
齒寬系數(shù)，查表6.9，按齒輪相對軸承為非對稱布置，
小輪齒數(shù)，取
大輪齒數(shù)
圓整，
小輪轉(zhuǎn)矩，
齒數(shù)比，
傳動比誤差，，合適。
初定螺旋角
載荷系數(shù)公式
式中，使用系數(shù)，查表6.3，
動載系數(shù)，
齒間載荷分布系數(shù)，由推薦值1.0~1.2，
齒向載荷分布系數(shù)，由推薦值1.0~1.2，
所以，載荷系數(shù)
材料彈性系數(shù)，查表6.4，
點區(qū)域系數(shù)，查表6-3，（，），
重合度系數(shù)，由推薦值0.75～0.88，
螺旋角系數(shù)
所以
法面模數(shù)
取標準值
中心距
圓整取
分度圓螺旋角
小輪分度圓直徑
齒寬
取
小輪齒寬
3.4齒根彎曲疲勞強度校核計算
由式
當量齒數(shù)
齒形系數(shù)，查表6.5，得 小輪，大輪
應(yīng)力修正系數(shù)，查表6.5 小輪，大輪
不變位時，端面嚙合角
端面模數(shù)
重合度
重合度
重合度系數(shù)
螺旋角系數(shù)由推薦值0.85~0.92，取
故
齒根彎曲強度滿足。
3.5齒輪其他主要尺寸計算
大輪分度圓直徑
根圓直徑
頂圓直徑
3.6軸Ⅱ的設(shè)計
3.6.1計算作用在齒輪上的力
轉(zhuǎn)矩
大齒輪所受的圓周力
徑向力
軸向力
各力方向如圖3-1，
圖 3-1 單級減速器軸Ⅱ受力簡圖
3.6.2初步估算軸的直徑
選取45號鋼作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。
由式計算軸的最小直徑并加大3%以考慮鍵槽的影響
查表8.6，取，則
3.6.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1）確定軸的結(jié)構(gòu)方案
左端的軸承從軸的左端裝入，靠軸用擋圈和齒輪輪轂定位。右端的軸承從軸的右端裝入，靠止動擋圈和齒輪輪轂定位，齒輪靠左右軸承內(nèi)圈定位，左半聯(lián)軸器靠軸肩定位。軸的結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。
2）確定各軸段直徑和長度
①段 根據(jù)圓整（按GB5014-85），并由和選擇鼓形齒式聯(lián)軸器GⅡCL2，比轂孔長度88mm短1~4mm作為①段的長度，取。
圖 3-2 單級減速器軸Ⅱ的結(jié)構(gòu)
②段 為使半聯(lián)軸器定位，軸肩高度取，則②段軸徑，取②段長度。
3）確定軸承及齒輪作用力的位置
先確定軸承支點位置，查軸承型號，確定軸的支承點到齒輪載荷作用點的距離
3.6.4繪制軸的彎矩圖和扭矩圖
由軸的受力簡圖（圖3-2）分析可知，該軸只承受軸向力和扭矩，因此無需繪制彎矩圖，如圖3-3。
圖 3-3 單級減速器軸Ⅱ的扭矩圖
3.6.5按彎扭合成強度校核軸的強度
當量彎矩，取折合系數(shù)，則齒寬中點處當量彎矩
軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表8.2查得，由表8.9查得材料許用應(yīng)力
由式8-4得軸的計算應(yīng)力為
該軸滿足強度要求。
3.7 軸上零部件的校核
3.7.1鍵的校核
1）齒輪處鍵校核
根據(jù)齒輪處的軸的直徑d，查鍵的標準，選擇鍵的截面尺寸；根據(jù)輪轂寬度，查鍵的標準，在鍵長度系列中選擇鍵長；選擇A型鍵，代號為。
平鍵連接可能失效形式有：①靜連接時，鍵、軸槽和輪轂槽中較弱零件的工作面可能被壓潰；②動連接時，工作面出現(xiàn)過度磨損；③鍵被剪斷。
實際上，平鍵連接最易發(fā)生的失效形式通常是壓潰和磨損，一般不會發(fā)生鍵被剪斷的現(xiàn)象（除非有嚴重過載）。因此平鍵連接的強度計算只需進行擠壓強度計算或耐磨性計算。
假設(shè)載荷為均勻分布，靜連接。平鍵的擠壓強度計算公式為：
式中，—轉(zhuǎn)矩，；
—為軸直徑，；
—鍵的高度，；
—工作長度， ；
—許用擠壓應(yīng)力，查表3.2取；
將上述各值帶入強度公式
滿足強度要求。
2）聯(lián)軸器處鍵校核
聯(lián)軸器處鍵選擇鍵，，，
滿足強度要求。
3.7.2軸承的校核
由軸的受力簡圖（圖3-1）分析可知，軸承的對軸的支反力只有軸向力，而且該軸所承受的軸向力很小（2×330N），故軸承壽命能得到很好的保證。
3.8箱體的設(shè)計
箱體是減速器中所有零件基基座，必須保證足夠的強度和剛度，及良好的加工能，便于裝拆和維修，箱體由箱座和箱蓋兩部分組成，均采用HT200鑄造而成，具體形狀及尺寸見裝配圖。
3.8.1減速器附件的設(shè)計
通氣器：減速器工作時，箱體內(nèi)溫度升高，氣體膨脹，壓力增大，為使箱內(nèi)熱脹空氣能自由排出，以保持箱內(nèi)壓力平衡，不致使?jié)櫥脱胤窒涿婊蜉S伸密封件等其他縫隙滲漏，在箱體側(cè)部裝設(shè)通氣器。
油標：為方便檢查減速器內(nèi)油池油面的高度，以經(jīng)常保待油池內(nèi)有適量的油，在箱蓋上裝設(shè)油尺組合件。
放油螺塞：為方便換油時排放污油和清洗劑，在箱座底部、油池的最低位置開設(shè)放油孔，平時用螺塞將放油孔堵住，放油螺塞和箱體接合面間應(yīng)加防漏用的墊圈。
3.8.2潤滑和密封
齒輪傳動用浸油方式潤滑，角接觸球軸承用潤滑油潤滑；輸出軸處采用有骨架式油封，箱蓋和箱處接處部分用密封膠或水玻璃密封。
4 二級減速器的設(shè)計計算
工作條件:雙向轉(zhuǎn)動，工作平穩(wěn)，每天工作8小時，每年工作300，預(yù)期壽命10年。
4.1傳動比分配
采用二級減速，二級減速器的總傳動比，取第一級傳動比為，則第二級傳動比為
4.2計算傳功裝置的運動參數(shù)
4.2.1計算各軸的轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
4.2.2計算各軸的功率
Ⅰ軸
Ⅱ軸
式中，為第一級傳動嚙合齒輪的傳動效率，取。
Ⅲ軸
式中，為第二級傳動嚙合齒輪的傳動效率，取。
4.2.3計算各軸的扭矩
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
4.3第一級傳動設(shè)計
4.3.1選定齒輪材料,確定許用應(yīng)力
由表6.2選（注：齒輪設(shè)計中所查圖標及公式均來自程志紅主編《機械設(shè)計》）
小齒輪：，表面淬火
大齒輪：，表面淬火
許用接觸應(yīng)力公式
查圖6-4，接觸疲勞極限，
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，由公式
由接觸強度壽命系數(shù)查圖6-5，得，。
接觸強度最小安全系數(shù)，
則
許用彎曲應(yīng)力
彎曲疲勞極限，查圖6-7，
彎曲強度壽命系數(shù)，查圖6-8，
彎曲強度尺寸系數(shù)，查圖 6-9，（設(shè)模數(shù)m小于5mm）
彎曲強度最小安全系數(shù)，
則
4.3.2齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算
確定齒輪傳動進度等級，按估取圓周速度為，參考表6.7、表6.8選?、蚬罱M7級。
小輪分度圓直徑，公式為
齒寬系數(shù)，查表6.9，按齒輪相對軸承為非對稱布置，
小輪齒數(shù)在推薦值20~40中選取，
大輪齒數(shù)
圓整，
小輪轉(zhuǎn)矩，
齒數(shù)比，
傳動比誤差，，合適。
初定螺旋角
載荷系數(shù)公式
式中，使用系數(shù)，查表6.3，
動載系數(shù)，
齒間載荷分布系數(shù)，由推薦值1.0~1.2，
齒向載荷分布系數(shù) 推薦值1.0~1.2，
所以，載荷系數(shù)
材料彈性系數(shù)，查表6.4，
點區(qū)域系數(shù)，查表6-3，（，），
重合度系數(shù)，由推薦值0.75～0.88，
螺旋角系數(shù)
所以
法面模數(shù)
取標準值
中心距
圓整取
分度圓螺旋角
小輪分度圓直徑
齒寬
取
小輪齒寬
4.3.3齒根彎曲疲勞強度校核計算
由式
當量齒數(shù)
齒形系數(shù)，查表6.5，小輪，大輪
應(yīng)力修正系數(shù)，查表6.5，小輪，大輪
不變位時，端面嚙合角
端面模數(shù)
重合度
重合度
重合度系數(shù)
螺旋角系數(shù)由推薦值0.85~0.92，取
故
齒根彎曲強度滿足。
4.3.4齒輪其他主要尺寸計算
大輪分度圓直徑
根圓直徑
頂圓直徑
4.4第二級傳動設(shè)計
4.4.1選定齒輪材料,確定許用應(yīng)力
由表6.2選（注：齒輪設(shè)計中查表與圖及公式均來自程志紅主編《機械設(shè)計》）
小齒輪：，表面滲碳淬火
大齒輪：，表面滲碳淬火
許用接觸應(yīng)力公式
查圖6-4，接觸疲勞極限
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) ，由公式
由接觸強度壽命系數(shù)查圖6-5，得，。
接觸強度最小安全系數(shù)，
則
許用彎曲應(yīng)力
彎曲疲勞極限，查圖6-7，
彎曲強度壽命系數(shù)，查圖6-8，
彎曲強度尺寸系數(shù)，查圖6-9，（設(shè)模數(shù)m小于5mm）
彎曲強度最小安全系數(shù)，
則
4.4.2齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算
確定齒輪傳動進度等級，按估取圓周速度，參考表6.7、表6.8選?、蚬罱M7級。
小輪分度圓直徑，公式為
齒寬系數(shù)，查表6.9，按齒輪相對軸承為非對稱布置，
小輪齒數(shù)在推薦值20~40中選取，
大輪齒數(shù)
圓整，
小輪轉(zhuǎn)矩，
齒數(shù)比，
傳動比誤差，，合適。
初定螺旋角
載荷系數(shù)公式
式中，使用系數(shù)，查表6.3，
動載系數(shù)，
齒間載荷分布系數(shù)，由推薦值1.0~1.2，
齒向載荷分布系數(shù) 推薦值1.0~1.2，
所以，載荷系數(shù)
材料彈性系數(shù)，查表6.4，
點區(qū)域系數(shù)，查表6-3，（，），
重合度系數(shù)，由推薦值0.75～0.88，
螺旋角系數(shù)
所以
法面模數(shù)
取標準值
中心距
圓整取
分度圓螺旋角
小輪分度圓直徑
齒寬
取
小輪齒寬
4.4.3齒根彎曲疲勞強度校核計算
由式6-16
當量齒數(shù)
齒形系數(shù)，查表6.5，小輪，大輪
應(yīng)力修正系數(shù)，查表6.5，小輪，大輪
不變位時，端面嚙合角
端面模數(shù)
重合度
重合度
重合度系數(shù)
螺旋角系數(shù)由推薦值0.85~0.92，取
故
齒根彎曲強度滿足。
4.4.4齒輪其他主要尺寸計算
大輪分度圓直徑
根圓直徑
頂圓直徑
4.5軸的設(shè)計
4.5.1軸Ⅰ的設(shè)計
1）計算作用在齒輪上的力
轉(zhuǎn)矩
小齒輪所受的圓周力
徑向力
軸向力
2）初步估算軸的直徑
選取45號鋼作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。
由式計算軸的最小直徑并加大3%以考慮鍵槽的影響
查表8.6，取，則
取標準值。
因小齒輪分度圓直徑與所取最小軸徑相差很小，為了保證齒輪傳動的強度，故將該軸設(shè)計成齒輪軸的形式，具體結(jié)構(gòu)見現(xiàn)有設(shè)計圖紙。
4.5.2軸Ⅱ的設(shè)計
1）計算作用在齒輪上的力
轉(zhuǎn)矩
軸Ⅱ大齒輪所受的力：
圓周力
徑向力
軸向力
軸Ⅱ小齒輪所受的力（只針對其中一個齒輪副）：
圓周力
徑向力
軸向力
對上述所求的各力進行受力分析及合成，可得大小齒輪在受力簡圖所示坐標系下的受力情況：
大齒輪所受的力：
徑向力
，
軸向力
附加彎矩
大齒輪所受的力：
徑向力
，
軸向力
附加彎矩
，
圖 4-1 二級減速器軸Ⅱ的受力簡圖
上述各力的方向如圖4-1所示，
2）初步估算軸的直徑
選取45號鋼作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。
由式8-2計算軸的最小直徑并加大3%以考慮鍵槽的影響
查表8.6，取則
取標準值。
3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）確定軸的結(jié)構(gòu)方案
圖 4-2 二級減速器軸Ⅱ的結(jié)構(gòu)
左軸承從軸的左端裝入，靠定位套筒定位。大齒輪從軸的左端裝入，大齒輪右側(cè)端面靠軸肩定位，大齒輪和左軸承之間用定位套筒定位。右軸承從軸的右端裝入，靠定位套筒
定位。小齒輪從右端裝入，小齒輪左側(cè)端面靠軸肩定位，小齒輪和右軸承之間用定位套筒定位。左右軸承均采用軸承端蓋。軸的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。
（2）確定各軸段直徑和長度
①段 根據(jù)圓整（按GB5014-85），取。查GB/T297-1994，暫選圓錐滾子軸承型號為33112，其寬度。軸承潤滑方式為油潤滑。大齒輪與箱體內(nèi)壁間隙取，為了使左套筒可靠的壓緊大齒輪，應(yīng)比大齒輪輪轂孔長短1~4mm，則取。
②段 取，為了使左套筒可靠的壓緊大齒輪，應(yīng)比大齒輪輪轂孔長（）短1~4mm，取。
③段 取左右軸肩高度，則軸環(huán)直徑為，查設(shè)計手冊中的標準，軸肩高度應(yīng)滿足軸上零件的拆卸要求，軸段長度取。
④段 ，為了使右套筒可靠的壓緊小齒輪，應(yīng)比小齒輪輪轂孔長（）短1~4mm，取。
⑤段 根據(jù)圓整（按GB5014-85），取。查GB/T297-1994，暫選圓錐滾子軸承型號為33112，其寬度。軸承潤滑方式為油潤滑。左右兩軸承為“面對面”安裝形式。取。
（3）確定軸承及齒輪作用力的位置
如圖4-1和圖4-2所示，先確定軸承支點位置，查33112軸承，其支點尺寸，因此軸的支承點到齒輪載荷作用點的距離確定如圖4-2所示。
4）繪制軸的彎矩圖和扭矩圖
（1）求軸承支反力
H水平面
，
V垂直面
，
彎矩圖、扭矩圖見圖4-3—圖4-7。
圖 4-3 二級減速器軸Ⅱ水平面的彎矩圖
圖 4-4 二級減速器軸Ⅱ垂直面的彎矩圖
圖 4-5 二級減速器軸Ⅱ合成彎矩圖
圖 4-6 二級減速器軸Ⅱ的折合扭矩圖
圖 4-7 二級減速器軸Ⅱ的當量彎矩圖
5）按彎扭合成強度校核軸的強度
當量彎矩，取折合系數(shù)，當量彎矩圖見圖4-7。
由當量彎矩圖可以看出小齒輪齒寬中點處當量彎矩最大，此處為危險截面，則齒寬中點處當量彎矩
軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理。由表8.2查得，由表8.9查得材料許用應(yīng)力
由式8-4得軸的計算應(yīng)力為
該軸滿足強度要求。
4.5.3軸上零部件的校核
1）鍵的校核
（1）大齒輪處鍵校核
根據(jù)齒輪處的軸的直徑d，查鍵的標準，選擇鍵的截面尺寸；根據(jù)輪轂寬度，查鍵的標準，在鍵長度系列中選擇鍵長；選擇A型鍵，代號為。
假設(shè)載荷為均勻分布，靜連接。平鍵的擠壓強度計算公式為：
式中，—轉(zhuǎn)矩，；
—為軸直徑，；
—鍵的高度，；
—工作長度，；
—許用擠壓應(yīng)力，查表3.2??；
將上述各值帶入強度公式
不滿足強度要求，則采用雙鍵，并按180°布置。考慮到載荷分布不均勻性，在強度計算中可按1.5個鍵計算。其強度為
滿足強度要求。
（2）小齒輪處鍵校核
聯(lián)軸器處鍵選擇鍵，，，
滿足強度要求。
2）軸承的校核
查設(shè)計手冊，33112圓錐滾子軸承的主要性能參數(shù)（GB/T297-1994）為：，，，
（1）計算軸承支反力，
H水平面支反力
，
V垂直面支反力
，
合成支反力
（2）計算軸承派生軸向力
計算軸承的派生軸向力
（3）計算軸承所受的軸向載荷
軸向力
因，則兩軸承所承受的軸向載荷為
（4）計算軸承所受當量動載荷
軸承工作時有中等沖擊，由表10.6，查得載荷系數(shù)。
因，查表10.5，得
，
故
因，查表10.5，得
，
故
（5）計算軸承壽命
因故應(yīng)按計算，由表10.3取溫度系數(shù)，
故
軸承壽命滿足設(shè)計需要。
4.5.4軸的細部結(jié)構(gòu)設(shè)計
圓角半徑：各軸肩處圓角半徑見圖4-2。
鍵槽：大小齒輪與軸周向固定采用A型平鍵連接，按GB1095-2003和GB1096-2003大齒輪處的鍵為：雙鍵20×12×56，小齒輪處的鍵為20×12×70。
配合：參考現(xiàn)有設(shè)計圖紙，①、⑤段：p6；②、④段：H7/k6。
精加工方法：參考現(xiàn)有設(shè)計圖紙，①、⑤段：磨削；②、④段：精車；③段：粗車。
4.5.5軸Ⅲ的結(jié)構(gòu)設(shè)計
氣動單軌吊車的兩個驅(qū)動輪需緊緊的壓靠在I140E單軌吊專用鋼軌的腹板上，因此對兩驅(qū)動輪軸需外加一定的壓向鋼軌腹板的壓緊力，以保證驅(qū)動輪的正常運行，如圖4-8所示。另一方面，隨著氣動單軌吊車工作時間的增加，兩驅(qū)動輪會有一定的磨損。由以上兩個因素，我們可以知道，驅(qū)動輪軸允許有一定量的向著鋼軌腹板的徑向移動和轉(zhuǎn)動，因此，軸Ⅲ的結(jié)構(gòu)較一般軸有所不同。為了滿足上述條件和氣動單軌吊車的運轉(zhuǎn)要求，我們在軸Ⅲ上設(shè)計一個鉸接點，以滿足驅(qū)動輪軸的微幅轉(zhuǎn)動，經(jīng)設(shè)計計算，驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)動角度不超過3°，如圖4-9。
圖 4-8 驅(qū)動輪機械壓緊示意圖
圖 4-9 二級減速器軸Ⅲ的結(jié)構(gòu)
該軸的設(shè)計計算同軸Ⅰ、軸Ⅱ，經(jīng)計算檢驗，該軸的強度以及軸上零部件的前度壽命均滿足設(shè)計要求，此處不再贅述。
4.5.6惰輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1）計算作用在惰輪上的力
因惰輪是兩個互不接觸的傳動齒輪中間起傳遞作用的輪子，同時跟兩個齒輪嚙合，用來改變被動齒輪的轉(zhuǎn)向，使之與主動齒輪轉(zhuǎn)向相同。它的作用只是改變轉(zhuǎn)向而不能改變傳動比，它的齒數(shù)多少對傳動比數(shù)值大小沒有影響，是不做功的齒輪，有一定的儲能作用，對系統(tǒng)穩(wěn)定有很大的幫助。所以惰輪軸不承受扭矩作用。
惰輪輪所受的力（只針對其中一個齒輪副）：
圓周力
徑向力
軸向力
對上述所求的各力（兩個齒輪副）進行受力分析及合成，可得大小齒輪在受力簡圖所示坐標系下的受力情況：
徑向力
，
軸向力
齒寬中點軸向力所產(chǎn)生的附加彎矩
，
上述各力的方向如圖4-10所示，
圖 4-10 惰輪軸的受力簡圖
2）初步估算軸的直徑
選取45號鋼作為軸的材料，調(diào)質(zhì)處理。
惰輪軸不承受扭矩，因此，惰輪軸的最小直徑可叫常規(guī)計算值小一些，取標準值。
3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）確定軸的結(jié)構(gòu)方案
惰輪從軸的左端裝入，惰輪的右側(cè)端面靠軸肩定位，左側(cè)端面用軸段擋圈固定。左軸承從軸的右端裝入，靠軸肩定位，右側(cè)靠定位套筒定位。右軸承左側(cè)靠定位套筒定位，右側(cè)用軸承端蓋固定，右端軸攻絲加一圓螺母用以調(diào)整軸承的軸向間隙。軸的結(jié)構(gòu)如圖4-11所示。
圖 4-11 惰輪軸的結(jié)構(gòu)
該軸的設(shè)計計算同軸Ⅰ、軸Ⅱ，經(jīng)計算檢驗，該軸的強度以及軸上零部件的前度壽命均滿足設(shè)計要求，此處不再贅述。
4.6箱體的設(shè)計
箱體是減速器中所有零件的基座，必須保證足夠的強度和剛度，及良好的加工性能，便于裝拆和維修，箱體由箱座和箱蓋兩部分組成，均采用HT200鑄造而成，具體形狀及尺寸見裝配圖。
4.6.1減速器附件的設(shè)計
通氣器：減速器工作時，箱體內(nèi)溫度升高，氣體膨脹，壓力增大，為使箱內(nèi)熱脹空氣能自由排出，以保持箱內(nèi)壓力平衡，不致使?jié)櫥脱胤窒涿婊蜉S伸密封件等其他縫隙滲漏，在箱體側(cè)部裝設(shè)通氣器。
軸承蓋：為固定軸系部件的軸向位置并承受軸向載荷，軸承座孔兩端用軸承蓋封閉。采用凸緣式軸承蓋，利用六角螺栓固定在箱體上，外伸軸處的軸承蓋是通孔，其中有密封裝置。
定位銷：為保證每次拆裝箱蓋時，仍保持軸承座孔制造和加工時的精度，在箱蓋與箱座的縱向聯(lián)接凸緣上配裝定位銷，彩用四個圓錐銷。
油標：為方便檢查減速器內(nèi)油池油面的高度，以經(jīng)常保待油池內(nèi)有適量的油，在箱蓋上裝設(shè)油尺組合件。
放油螺塞：為方便換油時排放污油和清洗劑，在箱座底部、油池的最低位置開設(shè)放油孔，平時用螺塞將放油孔堵住，放油螺塞和箱體接合面間應(yīng)加防漏用的墊圈。
啟蓋螺釘：為方便拆卸時開蓋，在箱蓋聯(lián)接凸緣上加工2個螺孔，旋入啟箱用的圓柱端的啟箱螺釘。
4.6.2潤滑和密封
齒輪傳動用浸油方式潤滑，軸承用潤滑油潤滑；軸承端蓋處采用墊片密封，輸入輸出軸處采用橡膠圈密封，箱蓋和箱處接處部分用密封膠或水玻璃密封。
5制動系統(tǒng)設(shè)計計算
5.1制動原理
單軌吊車在制動時，制動閘瓦的摩擦片與軌道的腹板相互接觸，制動力一般都是用彈簧蓄能，利用液壓或空氣來操作，當流體被釋放以后，彈簧所產(chǎn)生的正壓力使制動閘瓦摩擦片與軌道腹板摩擦產(chǎn)生制動力，如圖5-1所示。
式中 —制動力，kN；
圖 5-1 制動原理示意圖
—正壓力，kN；
—制動閘瓦摩擦片與軌道腹板的摩擦系數(shù)；
—制動閘瓦的數(shù)量。
從制動力的公式我們可以看出，若想加大制動力，一方面，可以選擇高摩擦系數(shù)的材料做閘瓦摩擦片；另一方面，可以增大正壓力，但每個閘瓦所受的允許比壓有所限制而不能加過大的正壓力，這個可以用增加制動閘瓦的數(shù)量來解決。
5.2制動系統(tǒng)的設(shè)計要求
中華人民共和國煤炭行業(yè)標準MT/T591-1996對單軌吊車的制動系統(tǒng)有了明確的性能要求：
1）所使用的制動閘塊不得用塑性或樹脂壓制的材料制作，必須用在制動時不會引爆，也不會燃燒的材料制成；
2）制動裝置的離心釋放器，應(yīng)有同等結(jié)構(gòu)性能的兩套，必須保證在運行中至少有一個始終處于和軌面嚙合的狀態(tài)；
3）每臺運輸設(shè)備的制動裝置的制動力綜合不得小于額定牽引力的1.5～2倍。當制動閘塊磨損達到生產(chǎn)廠商規(guī)定的限度時，仍必須有額定的制動力；
4）制動裝置必須設(shè)有既可手動又能自動的控制裝置，并應(yīng)具備以下的性能：
①運行速度超過最大速度的15%時能自動下閘制動，當最大速度不高于2m/s時，允許在運行速度超過最大速度的30%時自動下閘制動；
②制動裝置作用的空動時間不得超過0.75s；
③在最大載荷、最大坡度上以最大設(shè)計速度向下運行時，制動距離不超過相當于此速度下的6s行程；
④在最小載荷、最大坡度上向上運行時制動減速度不大于0.5；
⑤制動裝置的液壓或氣動系統(tǒng)，以額定工作壓力的1.25倍試驗，保證5min不得滲漏；在這工作壓力下保持36h仍能保證正常開啟制動閘所需的最低壓力；
5）制動裝置的具有防爆性能，制動裝置所采用的閘瓦摩擦片在最大負載和規(guī)定的最大設(shè)計坡度上制動時不應(yīng)引起煤礦井下危險氣體爆炸。
5.3制動系統(tǒng)總體設(shè)計
5.3.1確定制動結(jié)構(gòu)
制動系統(tǒng)設(shè)計中的最關(guān)鍵問題是確定制動裝置的制動方式，這對制動裝置的制動性能、可靠性及制動材料的選擇等多方面起著決定性的作用。
目前，國內(nèi)外的單軌吊廠商所設(shè)計生產(chǎn)的單軌吊均采用了鉗式摩擦制動的形式。對此，我們分析了以下幾種目前在實際中使用的制動產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
1）兩桿式鉗式液動結(jié)構(gòu)
圖 5-2 兩桿式鉗式液動結(jié)構(gòu)
此種結(jié)構(gòu)為捷克的大多單軌吊公司所采用，如圖5-2所示。這種結(jié)構(gòu)包含制動連桿和連接桿，由于少了一個支撐的連桿，這樣，工作阻力會有所降低，與此同時，零件也會相應(yīng)的減少，故障率也相應(yīng)降低。這種結(jié)構(gòu)在工作時，制動臂的頂部軌跡是以機架連接點為圓心的圓。如果制動臂直接與機架相連，則制動桿將會同時產(chǎn)生水平和垂直方向位移。在設(shè)計中，制動臂頂端與制動桿連接的孔隙被設(shè)置成在垂直方向有一定的間隙，以解除制動桿與制動臂之間的銷子在垂直方向的約束。
2）三桿式鉗式液動結(jié)構(gòu)
這種制動方式，如圖5-3所示，彈簧直接套在液壓缸體上，占用空間小。此外，因為液壓比氣壓，提供的力較大，所以下端連桿可以設(shè)計的相對較短，整體結(jié)構(gòu)尺寸較小。
圖 5-3 三桿式鉗式液動結(jié)構(gòu)
制動桿在水平方向是沿襯套水平運動，支撐桿繞機架支點運動。制動臂將液壓缸與制動桿連接起來，并與支撐桿一起繞機架旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)制動桿的水平運動。
這種機構(gòu)應(yīng)用較多，很多國內(nèi)外的廠家都是用了這種制動機構(gòu)。
3）鉗式氣動結(jié)構(gòu)
圖 5-4 鉗式氣動結(jié)構(gòu)
圖5-4所示為德國沙爾夫氣動單軌吊車制動系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)需單獨布置制動彈簧和氣缸。彈簧可以調(diào)節(jié)制動力大小，氣缸用來對彈簧壓縮以打開制動閘瓦。這種節(jié)后的下部空間較大，氣缸行程也比較長，不過，相比液壓缸，氣缸具有動作速度快的優(yōu)點，在一定程度上也能彌補活塞桿行程長而導(dǎo)致制動時間增加的缺點。
綜合以上考慮，在制動系統(tǒng)的設(shè)計中，本文借鑒了沙爾夫公司的氣動鉗式制動結(jié)構(gòu)。
5.3.2選擇制動材料
本文主要從兩個方面選擇制動器材料，一是選擇制動器機構(gòu)的材料，二是選擇制動器摩擦片的材料。因為所要設(shè)計的制動系統(tǒng)在具有防爆要求的礦井下中使用，所以選擇合適的制動摩擦片的材料顯得尤為重要。根據(jù)現(xiàn)有規(guī)定，所使用的制動閘塊不得用塑性或樹脂壓制的材料制作，制動閘塊在制動時不能引爆礦井下危險氣體，也不能燃燒的摩擦片。
制動裝置的摩擦副為1140E工字鋼和制動閘塊摩擦片，所需考慮的只有制動摩擦片的材料，制動閘塊的摩擦片材料分為金屬、非金屬摩擦材料，如圖5-5所示。
銅基粉末冶金材料以銅為基體，另外添加其他組員，經(jīng)燒結(jié)而成。純銅本身硬度較小，Sn、Zn、Ni等組員對-固溶體的強化，使基體材料的強度和硬度顯著增加，不同合金組元的強化效果與其固溶度有關(guān)，其中，Sn的強化效果最好。Sn的加入不但能大幅度提高銅基粉末冶金材料的強度和硬度，而且有利于保持基體材料的韌性。
金屬銅不易產(chǎn)生火花，很多易燃易爆工作場所均使用銅作為制動材料。銅基材料具有良好的導(dǎo)熱性，一般導(dǎo)熱系數(shù)大于，而棉-樹脂材料大約為，二者相差100倍之多。良好的導(dǎo)熱性非常有利于散熱，所以摩擦副的工作溫度比較低，而且對摩擦系數(shù)的影響相對較小，所產(chǎn)生制動力穩(wěn)定。此外，銅基材料導(dǎo)熱系數(shù)大，有利于熱量快速傳導(dǎo)的空氣中，十分適合在防爆環(huán)境要求的條件下使用。
圖 5-6 制動裝置外觀尺寸
圖 5-5 摩擦副的材料
5.3.3確定制動機構(gòu)的主要尺寸
設(shè)計制動裝置時，需要確定以下幾個主要尺寸：
1）摩擦片到鋼軌的距離。該距離應(yīng)該在一個合理的范圍內(nèi)。若尺寸過小，就會影響制動裝置的安裝，安裝難度增加；若尺寸過大，制動彈簧和氣缸行程就會增加，制動結(jié)構(gòu)整體尺寸相應(yīng)增大。
2）制動裝置到鋼軌最底端的距離。由于鋼軌相互之間的連接，連接機構(gòu)和吊鉤需焊接在鋼軌底端，為防止機構(gòu)之間發(fā)生干涉，該距離不宜過小。
3）制動連接桿相關(guān)尺寸。為了減小彈簧及氣缸所受的壓力，利用杠桿原理見笑相關(guān)尺寸。
其他尺寸，如彈簧長度、氣缸行程等，需單獨設(shè)計。相關(guān)尺寸如圖5-6所示。
5.4計算制動力
根據(jù)單軌吊行業(yè)規(guī)范MTT886-2000規(guī)定：緊急制動的制動力為最大牽引力的1.5～2倍。
本文所設(shè)計的氣動單軌吊的牽引力為24.96kN，驅(qū)動單元配備一個制動器，則所要求的制動力不小于37.44kN，不大于49.92kN。
5.5主要部件的選型設(shè)計
氣動單軌吊制動系統(tǒng)的設(shè)計主要包括彈簧的選型設(shè)計和氣缸的選型設(shè)計等，其中，彈簧和氣缸是影響制動性能的關(guān)鍵部件。彈簧工作在重載條件下，由于受到制動器體積的限制，必須合理的選型設(shè)計。由于特殊的工作條件，進出氣腔均在活塞桿腔中。
5.5.1彈簧的選型設(shè)計
1）確定彈簧
由上文得到，氣動單軌吊制動單元所需的追小制動力為37.44kN，最大制動力為49.92kN，取動摩擦因數(shù)。
正壓力
圖 5-7 非制動狀態(tài)
圖