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河南理工大學(xué)2009屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
絞車滾筒是用來纏繞鋼絲繩，并且承受鋼絲繩的拉力所造成的各種載荷的主要部件和傳遞動(dòng)力的元件，是絞車的重要組成部分。滾筒一般由三部分組成，即筒殼、法蘭盤（支輪）和支環(huán)。筒殼是滾筒最基本和最薄弱的元件，是滾筒的主要承載部分。支環(huán)的作用是增加滾筒的穩(wěn)定性。筒殼和支輪的材料為鋼板。礦井提升機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐證明，木襯對筒殼能起到一定的保護(hù)作用，故設(shè)計(jì)時(shí)在筒殼外裝有木襯。但木襯對筒殼的保護(hù)只有在筒殼的形狀比較規(guī)則，沒有發(fā)生較大的變形，并且用合適的木材制作木襯（現(xiàn)常用柞木、水曲柳或榆木等制作），使木襯與筒殼能各處均勻嚴(yán)密接觸的情況下才是有效的，故在安裝提升機(jī)時(shí)，要求筒殼的外形是比較規(guī)則的圓柱體，木襯用上述木材制作，并按規(guī)定車制繩溝。裝設(shè)木襯時(shí)，應(yīng)使木襯襯條在長度方向上與筒殼均勻嚴(yán)密的接觸，木襯襯條之間的縫隙應(yīng)盡量予以消除。在使用過程中當(dāng)木襯已經(jīng)磨損時(shí)，應(yīng)及時(shí)予以更換。
該課題從實(shí)際出發(fā)，首先對絞車滾筒的用途、工作原理進(jìn)行概述，進(jìn)而對絞車滾筒的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，然后進(jìn)行具體零部件的分析設(shè)計(jì)；主要包括了電動(dòng)機(jī)的選型，鋼絲繩的選擇，滾筒筒殼、支輪、主軸等部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核以及制動(dòng)系統(tǒng)的選擇等若干環(huán)節(jié)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，利用CAD進(jìn)行裝配分析和設(shè)計(jì)，最后完成絞車滾筒的整體設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：鋼絲繩 支輪 主軸
Abstract
Winch wire rope winding drum is used, and to bear the tension of wire rope caused by the load of the main components and power transmission components, is an important component of the winch. Drum generally consists of three parts, namely, tube shell flange (round sticks) and the support ring. Drum drum shell is the most basic and the most vulnerable components is the drum part of the main bearing. The thickness of the role of support ring is to increase the stability of drum. Cylinder shell and support material for the steel wheel. The operation of the mine hoist Practice has proved that the wood lining on the cylinder shell can play a role in the protection, so the design of the shell in the outer tube equipped with a wood lining.However, wood lining to protect the shell of the cylinder only in the shape of the shell tube comparison rules, no larger deformation, and the production of wood of suitable timber liner (now commonly used oak, Manchurian ash or elm, such as production), so that wood lining with the cylinder shell can be uniform throughout the case of close contact to be effective, the hoist is installed, the requirements of the cylinder shell shape of the cylinder is more rules, wood contrast with the above-mentioned timber production, in accordance with the provisions of car rope groove . The installation of wood lining, the lining should be trees lining the length of the direction of the drum shell with uniform tight contact with wood liner lining the gap between articles to be eliminated should be. When using the process of lining has been worn wood should be replaced promptly.
The subject from a practical point, first of all, the use of the winch drum, the work outlined in principle, and the overall design of the winch drum program analysis, and then carry out specific parts of the analysis and design; mainly includes the motor selection, the choice of wire rope, drum cartridge case, support wheel, spindle and other parts of the design calculations and check the braking system, as well as a number of aspects of the selection. Upon completion of the structural design, the use of CAD analysis and design for assembly, and finally to complete the overall design of the winch drum.
Key words: Wire Rope Support wheel spindle
目錄
前 言 6
第一篇 淺談絞車滾筒 7
第二篇 總體設(shè)計(jì)方案 8
2.1設(shè)計(jì)任務(wù)說明 8
2.2總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 8
第三篇 電動(dòng)機(jī)的選擇 9
第四篇 鋼絲繩設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇 10
4.1最大懸垂長度 12
4.2鋼絲繩每米重 13
4.3驗(yàn)算鋼絲繩的安全系數(shù) 13
第五篇 滾筒的設(shè)計(jì) 14
5.1滾筒的寬度寸計(jì)算 14
5.2 鋼絲繩最大靜張力以及最大靜張力差 14
5.3 滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
5.4 滾筒的強(qiáng)度計(jì)算 17
5.4.1筒殼的外載荷 17
5.4.2 鋼絲繩拉力降低系數(shù) 18
5.5筒殼的失效形式 18
5.6滾筒筒殼強(qiáng)度的有限元分析 20
5.6.1 空間的坐標(biāo)分量 20
5.6.2 單元的應(yīng)變矩陣——軸對稱空間問題 25
5.6.3 單元的應(yīng)力矩陣、剛度矩陣和總剛度矩陣 27
5.7滾筒滾殼強(qiáng)度的校核 30
5.7.1滾筒筒殼自由段壓縮應(yīng)力的校核 30
5.7.2支輪處筒殼應(yīng)力的校核 31
5.8筒殼的強(qiáng)度穩(wěn)定性校核 33
5.9 滾筒右支輪部件的結(jié)構(gòu) 33
第六篇 主軸的設(shè)計(jì) 35
6.1主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35
6.2聯(lián)軸器及軸承的選擇 36
6.2.1聯(lián)軸器的選擇 36
6.2.2滾動(dòng)軸承的選擇 38
6.3 主軸強(qiáng)度和剛度計(jì)算及校核 39
6.3.1 固定靜載荷分配于主軸各輪轂作用點(diǎn)上的力 40
6.3.2 鋼絲繩拉力分配于主軸各輪轂作用點(diǎn)上的力 42
6.3.3 作用于軸上水平方向及垂直方向的合力 43
6.3.4彎矩計(jì)算 44
6.3.5 扭矩計(jì)算 45
6.3.6危險(xiǎn)斷面的安全系數(shù)計(jì)算 46
6.3.7按彎扭組合校核強(qiáng)度 47
6.3.8 撓度計(jì)算 48
6.4主軸承強(qiáng)度校核 51
第七篇 制動(dòng)系統(tǒng) 52
7.1制動(dòng)系統(tǒng)的作用 52
7.2制動(dòng)系統(tǒng)的要求 52
結(jié)論 55
致謝 56
參考書目 57
前 言
畢業(yè)設(shè)計(jì)是工科專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的一個(gè)重要組成部分，是各教學(xué)環(huán)節(jié)的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，其實(shí)踐性和綜合性是其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生獲得綜合訓(xùn)練，有利于培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力，鞏固和提高所學(xué)知識；全面提高畢業(yè)生的素質(zhì)，使之能較快地適應(yīng)工程實(shí)踐，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力具有十分重要的作用。主要目的是培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論，基本知識和基本技能，去分析和解決本專業(yè)范圍內(nèi)的一般工程技術(shù)問題，建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序和方法，如調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)和收集資料并進(jìn)行分析的能力；制訂設(shè)計(jì)或試驗(yàn)方案的能力；設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖能力；總結(jié)提高撰寫論文的能力；檢驗(yàn)我們綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力的重要依據(jù)。
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行工程知識和工程技能的綜合訓(xùn)練，使學(xué)生走上工作崗位就具有較強(qiáng)的應(yīng)用生產(chǎn)現(xiàn)場正在使用和近期可能推廣使用的技術(shù)去解決工程實(shí)際的能力。
畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求是：
（1）既要完成任務(wù)，又要培養(yǎng)學(xué)生，應(yīng)把對學(xué)生的培養(yǎng)放在第一位。在老師的指導(dǎo)下，根據(jù)所選定的設(shè)計(jì)課題通過實(shí)習(xí)，結(jié)合工程實(shí)際獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作。受到一次機(jī)械工程師解決工程實(shí)際問題的初步訓(xùn)練，能較快適應(yīng)生產(chǎn)一線的工藝技術(shù)和設(shè)備管理工作。
（2）通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們受到綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力，提高自己科研和工程實(shí)際中的技術(shù)水平，也提高自己的運(yùn)算能力，識圖和制圖能力，查閱手冊、使用國家級標(biāo)準(zhǔn)和信息資料的能力和文字表達(dá)能力等。
（3）培養(yǎng)自己獨(dú)立完成工作的能力，進(jìn)一步鞏固專業(yè)知識，使自己具有較強(qiáng)的自學(xué)能力和工作適應(yīng)能力，提高自己運(yùn)用科研成果和新技術(shù)能力，以及對現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過程進(jìn)行技術(shù)改造的能力。
（4）培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)、理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)和嚴(yán)肅認(rèn)真，一絲不茍的科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生樹立正確的生產(chǎn)觀點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)。
本次設(shè)計(jì)的題目是JTK1.2提升絞車滾筒設(shè)計(jì)。針對以上要求,我認(rèn)真的進(jìn)行了JTK1.2提升絞車滾筒設(shè)計(jì)，由于本人知識有限,實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不足,所以在設(shè)計(jì)中難免出現(xiàn)錯(cuò)誤與不足,敬請各位老師和同學(xué)批評指正!衷心祝愿各位老師身體健康!工作順利!
第一篇 淺談絞車滾筒
滾筒的作用主要是通過主軸把電動(dòng)機(jī)傳遞給它的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成繞在它上面的鋼絲繩的線速度，以提升和下放物體。
根據(jù)制造工藝的不同，可把提升機(jī)的滾筒結(jié)構(gòu)分為鑄造一焊接混合型(支輪為鑄造，滾筒為焊接)和焊接型。
當(dāng)支輪的變形與簡殼的變形相比可以忽略時(shí)，稱它為剛性支輪，均為剛性支輪。如支輪的變形與筒殼變形相比不可忽略時(shí)，稱它為彈性支輪。它的特點(diǎn)是筒殼與支輪的應(yīng)力分布較均勻。經(jīng)驗(yàn)表明，剛性支輪的結(jié)構(gòu)在制造工藝上較復(fù)雜，而且往往容易出現(xiàn)早期失效。因此，現(xiàn)代大中型提升機(jī)滾筒常采用的彈性支輪滾筒結(jié)構(gòu)。
彈性支輪滾筒這種結(jié)構(gòu)共同的持點(diǎn)是取消了支環(huán)，用較厚的簡殼來承擔(dān)載荷，并且支輪改為輻板式 (即在支輪上開有兩個(gè)人孔)或圓環(huán)式。這樣做工藝上較簡單，同時(shí)也可以避免由于焊接工藝不當(dāng)造成加強(qiáng)筋附近的局部應(yīng)力過高。經(jīng)驗(yàn)表明，這種改進(jìn)是成功的。
彈性支輪滾筒結(jié)構(gòu)的不同之處還在于剛性支輪的輻板與軸線垂直，而彈性支輪滾筒的支輪與軸線成某一角度(約3·一6。)，初看起來，這種傾斜式輻板似乎可以減少筒殼與支輪連接點(diǎn)的剛度．從而減小其彎應(yīng)力，但由于增加了壓縮應(yīng)力，故對減小合成應(yīng)力水平并不有效，加上它的制造工藝較為復(fù)雜，故不再傾向于使用它了。
此外，滾筒外一般設(shè)有木襯，并在其上車出繩槽，目的是減少鋼繩與簡殼直接接觸面造成的磨損，并使鋼繩排列整齊。 繩槽有螺旋形及環(huán)形兩種，在單層纏繞時(shí)采用螺旋形繩槽就足以使排繩整齊。
第二篇 總體設(shè)計(jì)方案
2.1設(shè)計(jì)任務(wù)說明
已知某礦井為豎井，井深213米。礦用絞車一次載重為2600千克，罐籠重1000千克，絞車滾筒直徑設(shè)計(jì)為1.2米，該絞車主要承擔(dān)每天的掘進(jìn)出煤、矸石和全采區(qū)的材料、設(shè)備運(yùn)輸任務(wù)。
其他條件在計(jì)算是逐一給出或在圖中標(biāo)出。（注：本處所給提升機(jī)的參數(shù)為設(shè)計(jì)參考參數(shù)）。
2.2總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求
總體設(shè)計(jì)的步驟一般由總裝草圖分拆成部件零件草圖，經(jīng)審核無誤后，再由零件工作圖、部件圖繪制總裝圖。本階段的主要任務(wù)是對確定的最佳初步總體設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善。包括選擇材料、熱處理方法、進(jìn)行結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和有關(guān)計(jì)算，完成機(jī)械產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)圖?？傮w設(shè)計(jì)圖是零件設(shè)計(jì)的依據(jù)。不僅要求嚴(yán)格按比例繪圖，而且還要表示出重要部件的主要結(jié)構(gòu)并標(biāo)注有關(guān)的重要尺寸。除此之外，還要完成部件和零件的設(shè)計(jì)，完成全部生產(chǎn)圖，并編制設(shè)計(jì)說明書等有關(guān)技術(shù)文件。
總體設(shè)計(jì)時(shí)，要求部件滿足功能要求、零件結(jié)構(gòu)形狀要便于制造加工，常用零件盡可能標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、組合化、對于總體設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足總功能、人機(jī)工程、造型美學(xué)、包裝運(yùn)輸?shù)确矫娴囊?。此外，還要擬訂工藝文件、擬訂制造、裝配和使用規(guī)范，編制技術(shù)文件。如實(shí)際說明書、標(biāo)準(zhǔn)件、外購件明細(xì)表、備件、專用工具明細(xì)表等。以下是本次設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟：
電動(dòng)機(jī)的選型設(shè)計(jì)----鋼絲繩設(shè)計(jì)計(jì)算----滾筒部件的設(shè)計(jì)計(jì)算----主軸的設(shè)計(jì)計(jì)算及校荷---制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)----其他零部件的選用與設(shè)計(jì)。
第三篇 電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)是專業(yè)工廠批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)部件。電動(dòng)機(jī)分交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。由于直流電動(dòng)機(jī)需要電源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，因此，無特殊要求時(shí)不宜采用。電動(dòng)機(jī)工作環(huán)境較差，防塵、防爆等性能要求較高，絞車工作在經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)的場合，要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，過載能力大，故生產(chǎn)中采用三相防爆交流電動(dòng)機(jī)。
主油泵電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算
w——絞車所需工作效率；
V——滾筒的轉(zhuǎn)速，取V=3m/s；
η——絞車的機(jī)械效率。
根據(jù)書《煤炭工業(yè)設(shè)備手冊》（上冊） 中國統(tǒng)配煤礦總公司物資編 中國礦業(yè)大學(xué)出版社 可選YB315L2-6型132KW、380V防爆電動(dòng)機(jī)。其具體的參數(shù)如下所示：
表3-1
額定
功率
額定
電壓
額定
電流
額定
轉(zhuǎn)速
效率
功率因數(shù)cosφ
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩
132KW
380V
215.2A
985r/m
93.8%
0.87
1.6n/m
電機(jī)
質(zhì)量
同步
轉(zhuǎn)速
極對數(shù)
最大轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩
頻率
電機(jī)外型尺寸
1310kg
1000r/m
2
2.0n/m
50Hz
1410×660×1020
以上數(shù)據(jù)來自《煤炭工業(yè)設(shè)備手冊》（上冊） 中國統(tǒng)配煤礦總公司物資編 中國礦業(yè)大學(xué)出版社 1992.9
第四篇 鋼絲繩設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇
提升鋼絲繩的用用途是懸吊提升容器并傳遞動(dòng)力。當(dāng)提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)通過鋼絲繩帶動(dòng)容器沿井作上下直線運(yùn)動(dòng)。所以鋼絲繩是礦山設(shè)備的一個(gè)重要組成部分。它對礦井提升的安全和經(jīng)濟(jì)直運(yùn)轉(zhuǎn)起著重要作用。
提升鋼絲繩是由數(shù)個(gè)相同數(shù)目鋼絲捻成的繩股繞一繩心捻制而成的一般由六個(gè)繩股組成。鋼絲直徑為1.0～3.0毫米，有光面和鍍鋅兩種，鍍鋅鋼絲可以防止生銹和腐蝕。鋼絲由于韌性不同而分為特號，號及號三種，提升人員的設(shè)備應(yīng)用特號鋼絲繩。鋼絲的極限抗拉強(qiáng)度為1400～2000MPa，豎井提升一般用1550～1700MPa的鋼絲繩。公稱抗拉強(qiáng)度更高的鋼絲繩，不易彎曲且較脆
鋼絲繩的繩芯是用具有較大抗拉強(qiáng)度的有機(jī)纖維---麻捻制而成，稱為有機(jī)質(zhì)繩芯其作用是儲(chǔ)存繩油，防銹和減少內(nèi)部鋼絲的摩擦，而且可以起襯墊作用，增加鋼絲繩的柔軟性，在一定程度上能吸收鋼絲繩工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。
常用鋼絲繩的分類和使用范圍如下：
1.按捻制方向分
（1）左捻的 繩股捻制成鋼絲繩時(shí)是自右向左捻轉(zhuǎn)；
（2）右捻的 繩股是自左向右捻轉(zhuǎn)。
當(dāng)鋼絲繩纏繞在滾筒上呈左螺旋時(shí)，則選用左捻鋼絲繩，反之選用右捻鋼絲繩，
這主要是為了避免鋼絲繩松捻。
2.按捻制方法分
（1）交互捻 繩中股與股中絲的捻向相反，有交互右捻和交互左捻兩種。
（2）同向捻 繩中股與股中絲的捻向相同，也有同時(shí)右捻和同時(shí)左捻兩種。
同向捻的鋼絲繩較柔軟、表面光滑、使用壽命長，但懸掛困難，容易松散
和卷成環(huán)狀。同向捻鋼絲繩在我國豎井提升中使用較普遍，在架空索道牽引索和鋼絲繩牽引膠帶輸送機(jī)中也都采用。交互捻的鋼絲繩多用于斜井提升。
3.按鋼絲繩的斷面形狀可分為：圓形股、異形股。
此外，還有橢圓股鋼絲繩等。異形股鋼絲繩較圓形股鋼絲繩可以增加支撐面積，從而減輕鋼絲繩的磨損，增加使用壽命，當(dāng)然制造上也相應(yīng)復(fù)雜一些。三角股鋼絲繩在我國多繩摩擦提升中得到廣泛使用，也可以用于繩罐道和架空索道的承載索。圓形股鋼絲繩易超造，價(jià)格低，故在礦山提升中常用。
4.按鋼絲繩的直徑分 分為等直徑股和不等直徑股
5.其他 還有多層股鋼絲繩、密封鋼絲繩、扁鋼絲繩等。
鋼絲繩在工作時(shí)受多種應(yīng)力的作用，如靜應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力等，這些應(yīng)力的反復(fù)作用將導(dǎo)致鋼絲繩的疲勞斷裂，這是鋼絲繩破壞的主要原因；另外鋼絲繩的磨損及銹蝕也將導(dǎo)致鋼絲繩的破壞。因此，綜合反映上述應(yīng)力的疲勞計(jì)算是一個(gè)比較復(fù)雜的問題，雖然國內(nèi)外在這方面作了大量的研究工作，取得了一些成績，但是由于鋼絲繩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，影響因素較多，鋼絲繩強(qiáng)度計(jì)算理論尚未完善地應(yīng)用于工程計(jì)算。因此，鋼絲繩的強(qiáng)度計(jì)算仍按《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定：鋼絲繩應(yīng)按最大靜載荷并考慮一定的安全系數(shù)的方法進(jìn)行計(jì)算?！ ?
鋼絲繩的安全系數(shù)，根據(jù)安全規(guī)程的規(guī)定為鋼絲破斷力之和與最大靜負(fù)荷之比。并規(guī)定提升鋼絲繩的安全系數(shù)為：
1）專為升降人員用的不得低于9；
2）升降人員和物料用的不得低于7.5；
3）專為升降物料用的不得低于6.5；
4）摩擦輪提升用的不得低于8。
如圖4－1示，為豎井單繩提升鋼絲繩的計(jì)算示意圖，可知鋼絲繩的最大靜載荷Qmax是在A點(diǎn)，其值為：
4－1 豎井單繩提升鋼絲繩的計(jì)算示意圖
Qmax=Q+Qr+
Qmax—鋼絲繩最大計(jì)算靜載荷（千克）；
Q—容器一次提升量（千克）；
Qr —容器自重（千克）；
—鋼絲繩每米的重量（千克/米）；
—鋼絲繩的最大懸垂長度（米），
4.1最大懸垂長度
對于罐提升
式中 —井架高度，暫取20米；
—礦井深度，213米。
—井架高度，此數(shù)值在計(jì)算鋼絲繩時(shí)尚不能精確確定，罐籠提升可采用=15~25米。
4.2鋼絲繩每米重
式中 Q—是一次載重，千克；
Qr—是容器自重；
—是提升鋼絲繩的單位長度重量，千克/米；
—是鋼絲繩的最大懸垂長度，米；
—是礦井深度，米；
—是鋼絲繩的極限抗拉強(qiáng)度一般取1700 MPa;;
m—是鋼絲繩的安全系數(shù)
由P=1.36千克/米，查表選擇纖維芯鋼絲繩，其技術(shù)規(guī)格如下：
繩徑20毫米，每100米重142.9千克即 P=1.429kg，鋼絲直徑1.3mm，鋼絲總斷面積S0=151.24mm2，即最小鋼絲繩破斷拉力總和Qd=25700kg。
4.3驗(yàn)算鋼絲繩的安全系數(shù)
根據(jù)選擇鋼絲繩的標(biāo)準(zhǔn)值驗(yàn)算安全系數(shù)：
式中 P—是所選擇標(biāo)準(zhǔn)提升鋼絲繩的單位長度重量，千克/米；
Qd—是所選擇標(biāo)準(zhǔn)提升鋼絲繩所有鋼絲破斷力之和，千克。
故此鋼絲繩符合使用要求
第五篇 滾筒的設(shè)計(jì)
5.1滾筒的寬度寸計(jì)算
卷筒寬度B根據(jù)所需容納的鋼絲繩總長度來確定。
鋼絲繩總長度包括：
1） 提升高度；
2） 供試驗(yàn)用的鋼絲繩長度，規(guī)定每半年剁繩頭一次，一次剁掉5米，如果
鋼絲繩的壽命以兩年計(jì)算，則試驗(yàn)長度為20米；
3） 為減少繩頭在卷筒上固定處的張力而設(shè)的三圈摩擦圈。
＜1500mm
式中
B—滾筒寬度，mm；
H—提升高度，m；
d—鋼絲繩直徑，mm;
—鋼絲繩試驗(yàn)長度，一般取20~30米；
—摩擦圈，一般取3圈；
—鋼絲繩繩圈圈之間的間隙，一般取2~3毫米，取=2毫米；
故滾筒的寬度取1.5m
5.2 鋼絲繩最大靜張力以及最大靜張力差
纏繞式提升機(jī)滾筒要受繩的拉力，纏繞到滾筒上的繩是在具有一定的繩張力的條件下纏繞到滾筒上的。所以提升繩對滾筒的作用力主要有兩個(gè)：一方面是沒有纏到簡上的繩對滾筒的作用力，對這個(gè)力來講滾筒像一般的空心軸一樣要受到達(dá)個(gè)力的彎曲和扭轉(zhuǎn)；另一個(gè)是纏繞到滾筒上的繩的張力對滾筒的作用，這個(gè)作用可看作是在筒殼外有一個(gè)均勻的壓力壓到筒殼上，好像一個(gè)密閉的圓筒在海底其四周受到均布水壓一樣，只是筒殼的兩端在提升機(jī)處并不受側(cè)面的壓力。故鋼絲繩最大靜張力為：
式中 —是最大靜張力差
—是一次載重，千克；
—是容器自重千克。
5.3 滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
滾筒是用來纏繞鋼絲繩，并且承受鋼絲繩的拉力所造成的各種載荷的主要部件和傳遞動(dòng)力的元件。滾筒一般由三部分組成，即筒殼、法蘭盤（支輪）和支環(huán)。筒殼是滾筒最基本和最薄弱的元件，是滾筒的主要承載部分。其厚度一般為，本次設(shè)計(jì)中取為δ=20mm，其結(jié)構(gòu)簡圖如5-1所示。支環(huán)的作用是增加滾筒的穩(wěn)定性。筒殼和支輪的材料為鋼板。礦井提升機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐證明，木襯對筒殼能起到一定的保護(hù)作用，故設(shè)計(jì)時(shí)在筒殼外裝有木襯。但木襯對筒殼的保護(hù)只有在筒殼的形狀比較規(guī)則，沒有發(fā)生較大的變形，并且合適的木材制作木襯（現(xiàn)常用柞木、水曲柳或榆木等制作），使木襯與筒殼能各處均勻嚴(yán)密接觸的情況下才是有效的，故在安裝提升機(jī)時(shí)，要求筒殼的外形是比較規(guī)則的圓柱體，木襯用上述木材制作，并按規(guī)定車制繩溝。裝設(shè)木襯時(shí)，應(yīng)使木襯襯條在長度方向上與筒殼均勻嚴(yán)密的接觸，木襯襯條之間的縫隙應(yīng)盡量予以消除。在使用過程中當(dāng)木襯已經(jīng)磨損時(shí)，應(yīng)及時(shí)予以更換。
木襯每塊的長度與滾筒寬度相等，即為1500mm，每塊的寬度為適宜于制造起見，不超過 ，每塊的厚度應(yīng)不少于鋼絲繩直徑的兩倍，取為50mm。固定滾筒木襯的螺釘頭應(yīng)沉入木襯厚度三分之一以上，當(dāng)全部木襯固定完以后，應(yīng)用木塞沾膠水將螺釘孔塞死，并須用木楔將木襯縫填滿。
圖5―1 筒殼結(jié)構(gòu)
鑄焊型滾筒的結(jié)構(gòu)如圖5－2示：
圖5－2 鑄焊型滾筒的結(jié)構(gòu)
1——支輪 2——筒殼 3——支環(huán) 4——木襯
使用中的木襯，當(dāng)因磨損使螺釘頭的沉入深度尚存10mm時(shí)，即應(yīng)重新更換。滾筒木襯必須刻制繩槽，溝槽深度
A=0.35d0＝0.35 1.3＝0.455mm
d0――－鋼絲直徑
兩相鄰溝槽的中心距
t=d+(2～3)mm=20+(2～3)=22mm
木襯的結(jié)構(gòu)如圖所示：
由于筒殼是一個(gè)處于負(fù)荷不斷變化和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的殼體，故筒殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證滾筒的各個(gè)部分有足夠的強(qiáng)度和剛度，并應(yīng)盡量使各部的強(qiáng)度和剛度均勻，以便使筒殼能足以適應(yīng)外力和內(nèi)力的變化，而不致產(chǎn)生變形。
5.4 滾筒的強(qiáng)度計(jì)算
作用在滾筒筒殼上的外載荷主要有下列幾種：
（1）已經(jīng)纏繞到滾筒的鋼絲繩繩圈對筒殼所施加的徑向壓力
（2）尚未纏繞到滾筒上的鋼絲繩的靜拉力對筒殼所施加的彎矩和扭矩
分析指出，由彎矩和扭矩所引起的筒殼的彎曲應(yīng)力和扭矩應(yīng)力與壓縮應(yīng)力相比，數(shù)值很小，可以忽略不計(jì)。由已經(jīng)纏繞到滾筒上的鋼絲繩繩圈的徑向力所引起的筒殼自由段的壓縮應(yīng)力具有很高的值，δ壓縮能達(dá)到1200~1500kg/cm2，而在法蘭盤（支輪）處，筒殼的彎曲應(yīng)力具有更高的值。δ彎曲能達(dá)到2500~3000kg/cm2，這樣高的應(yīng)力甚至超過了筒殼材料的屈服極限。
所以，纏繞式提升機(jī)滾筒筒殼的強(qiáng)度計(jì)算不僅是指筒殼自由段的壓縮應(yīng)力和法蘭盤處筒殼的彎曲應(yīng)力計(jì)算，并應(yīng)使筒殼在這些地方的最大應(yīng)力不超過筒殼材料的許用應(yīng)力。
5.4.1筒殼的外載荷
筒殼上的單位面積壓力
式中， S——鋼絲繩最大靜拉力
S=3932.93kg
r——筒殼厚度平均半徑
t———纏繞繩圈的節(jié)距
t＝2.2cm
5.4.2 鋼絲繩拉力降低系數(shù)
由
式中
a ——變形修正系數(shù)，對于筒殼中部，可取 a=1，筒殼端部取小下a=0。
B——筒殼寬度
式中
Ek——鋼絲繩的彈性模數(shù)，Ek=（0.75~1.5）×106kg/cm2，取Ek=1.0×106kg/cm2；
E——筒殼鋼板的彈性模數(shù)，E=2×106kg/cm2；
FK——鋼絲繩中所有鋼絲的橫截面積，取 FK=1.5124cm2；
h—— 滾殼厚度 h=2.0cm；
t——繩圈纏繞節(jié)矩 t=2.2cm；
則
（筒殼中部）
（筒殼端部）
兩種計(jì)算結(jié)果相差不遠(yuǎn)，故以后計(jì)算取C=1。
5.5筒殼的失效形式
滾殼的失效形式主要有：
(1) 裂紋
出現(xiàn)于筒殼、支輪及支環(huán)上。筒殼上的裂紋多出現(xiàn)于圓周方向和螺釘孔處。如圖5—3所示。支輪的裂紋多出現(xiàn)于螺孔周邊，呈放射狀。支環(huán)的裂紋多出現(xiàn)于焊縫處或支環(huán)斷裂。
圖5-3 筒殼的裂紋形式示意圖
(a)沿筒殼圓周方向局部開裂；(b)沿焊縫和支輪處局部開裂
1—筒殼；2—支環(huán)
(2)局部變形過大
多數(shù)是筒殼中部塌陷。
(3)連接螺拴被剪斷或彎曲變形過大，造成這些失效的原因是復(fù)雜的，一般來說可能有：
①理論計(jì)算有誤 例如某礦使用的2×4×1.7仿蘇型提升機(jī)，根據(jù)正確計(jì)算應(yīng)有3～4個(gè)支環(huán)，而實(shí)際只有兩個(gè)，故造成卷筒強(qiáng)度不足；
②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良 造成卷筒各部分剛度相差過大。例如所加支輪和支環(huán)的結(jié)構(gòu)不合理形成局部剛性過高從而導(dǎo)致局部應(yīng)力過高，不符合彈性均勻化設(shè)計(jì)原則；
③加工安裝不當(dāng) 例如卷筒不圓，或支環(huán)與筒殼貼合不好等；
④使用維修不當(dāng) 例如過載，以及加速度過大等；
⑤原材料有缺陷 例如內(nèi)部裂紋等；
⑥焊接工藝不當(dāng) 例如焊條或焊接參數(shù)選用不當(dāng)，焊接處清洗不凈，以及焊后不凈；熱處理或熱處理不當(dāng)造成焊接殘余應(yīng)力過高等；
⑦原設(shè)計(jì)許用應(yīng)力選取過大 例如蘇制或仿蘇的2×4×1.7和2×4×1.8提升機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)中可以采用8噸卸式箕斗，鋼繩直徑可達(dá)47.5mm，鋼繩最大靜拉力可分別達(dá)到17.5噸和18噸，而筒殼厚度僅有16mm，其應(yīng)力可達(dá)180～200MPa，因此就很容易出現(xiàn)裂紋。
加工、裝配和安裝質(zhì)量對筒殼能否良好的工作也有很大的影響。例如筒殼與法蘭盤的結(jié)合處沿圓周方向接觸不嚴(yán)密，局部地方間隙過大(超過0. 5毫米)；兩半卷筒的對口處間隙過大，連接不牢。法蘭盤或輪轂與主軸連接處的切向松動(dòng)，游動(dòng)卷筒的法蘭盤或輪轂與主軸之間的間隙過大，或在輪轂與主軸過盈配合的情況過盈量過小等，造成法蘭盤或輪轂在主軸上晃動(dòng)或軸向竄動(dòng)，從而給簡殼帶來附加扭曲。焊接結(jié)構(gòu)的卷簡中，主要是焊縫的強(qiáng)度不夠．或焊接內(nèi)應(yīng)力過大。 筒殼外形不規(guī)則，橢圓度過大等等。
上述缺陷均會(huì)使卷筒筒殼失去穩(wěn)定的工作狀態(tài)，使用一段時(shí)間后，出現(xiàn)連接螺釘折斷、卷筒發(fā)響等不正?，F(xiàn)象。以致在正常負(fù)荷下筒殼變形和開裂，為此，應(yīng)提高加工、裝配和安裝質(zhì)量，使用時(shí)應(yīng)經(jīng)常檢查各連接處的情況，發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢修并處理。卷筒筒殼不要使用有缺陷的鋼板制作，而必須用檢查質(zhì)量合格的鋼板制作。目前，強(qiáng)度低的合金15Mn鋼板得到普遍的應(yīng)用，此種鋼板的強(qiáng)度較45鋼提高30％。
5.6滾筒筒殼強(qiáng)度的有限元分析
5.6.1 空間的坐標(biāo)分量
如圖5－4所示。取微元體，采用柱坐標(biāo)時(shí)其應(yīng)力分量為：
根據(jù)剪應(yīng)力互等定理，共有六應(yīng)力分量
圖 5-4 軸對稱應(yīng)力分布
（3-57）
軸對稱問題，＝0，且u與與無關(guān)，故由式(3-57）可知
因?yàn)?
所以
故軸對稱問題，其應(yīng)力分量剩下4個(gè)，其4個(gè)應(yīng)變分量分別為：
（3-58）
由廣義虎克定律(材料力學(xué)或彈性力學(xué))可知
又可以寫成：
（3-59）
由式（3-59）前3個(gè)式子可求得
所以
類似可得
又由式(3—59)的最下面的式子有
歸結(jié)以上可寫成
（3-60）
令彈性矩陣[D]為
（3-60a）
顯然，彈性矩陣只與材料性質(zhì)E、μ有關(guān)。故式(3—60)可寫成
{}
采用柱坐標(biāo)時(shí)，微元體的平衡方程式為(由彈性力學(xué))
軸對稱問題，因?yàn)?，且各量與θ無關(guān)，故變成(不考慮體積力)
（3-61）
四個(gè)應(yīng)力分量共十個(gè)未知數(shù)。式(3—58)、式(3—60)、式(3—61)共十個(gè)獨(dú)立方程式。從理論上是可解的，但除式(3—60)中4個(gè)式子為代數(shù)方程式外，其余均為微分方程式，所以一般很難解出。
一般采用數(shù)值解法，有限元法是數(shù)值解法中應(yīng)用最廣的方法。
由式(3—58)、式(3—60)、式(3—61)十個(gè)方程可知，只要設(shè)法知道了u(r，z)和(r，z)，利用式(3—58)中的4個(gè)式子可求出應(yīng)變分量，再由式(3—60)求出4個(gè)應(yīng)力分量，即可求解。
由彈性力學(xué)可知，節(jié)點(diǎn)位移的有限元法基本方程是
式中
[K]——彈性體的總剛度矩陣，是單元體剛度矩陣的集合；
[R]——節(jié)點(diǎn)的荷載列陣；
[R]、[K]根據(jù)問題可得的，然后解大型方程組(3—62)，就可求得各：
后根據(jù)所求得各節(jié)點(diǎn)的位移，最后根據(jù)所求得各結(jié)點(diǎn)的位移，代回到各單元體中的公式。
（3-63）
求得各節(jié)點(diǎn)或單元體重心的應(yīng)力分量。
由彈性力學(xué)可知，單元?jiǎng)偠染仃嚍?
（3-64）
式中 V為單元體的體積
綜合式(3—63)、式(3—64)可知，為求[K]和{σ}必須要先求出
單元的應(yīng)變短陣[B]。只要求出[B]即可求出單元應(yīng)力矩陣[S]=[B][D]下。下面先求單元的應(yīng)變短陣[B]。
5.6.2 單元的應(yīng)變矩陣——軸對稱空間問題
在平面中(即子午平面中)把構(gòu)件劃分成許多三角形，對于軸對稱問題，單元為以此三角形為截面的圓環(huán)體。
因?yàn)檩S對稱問題中v=0，所以只有u、ω兩個(gè)位移分量。在三角形截面，可認(rèn)為u、ω和坐標(biāo)r、z呈線性關(guān)系，即有
（3-65）
設(shè)此三角形三個(gè)頂點(diǎn)(即單元的節(jié)點(diǎn))的標(biāo)號為，其單元的標(biāo)號為e，則其單元的節(jié)點(diǎn)位移為
首先求出在單元中u(r，z)和ω(r，z)的一般表達(dá)式，利用式(3—58)就可求得{ε}與{δ}’間的關(guān)系，從而可求出[B]。把{δ}‘中各量分別代入式(3—65)中就可得到
（3-66a）
（3-36b）
把所得代回到式（3-65）中得
（3-67a）
同樣由式（3-66b）式可得
（3-67b）
因?yàn)槿切蚊娣e
(3-68)
把式(3—67a)、(3—67b)代入到式(3—58)中可得
令
（3-70）
匯總式(3—69)、式(3—70)并寫成短陣形式可得
（3-71）
令
（3-72）
則式(3—71)可簡寫成
（3-73）
[B]稱為單元的應(yīng)變矩陣。
從式(3—72)可知，中除了第2行的量外，和均只與本單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)，即對一個(gè)單元來講為常數(shù)。
由于[B]中第2行的量是隨著r，z的坐標(biāo)不同而不同，因此，對于軸對稱的空間問題來講，單元的應(yīng)變矩陣對一個(gè)單元來講，不再是不變的，當(dāng)r，z代人某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)值時(shí)，即是這個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變矩陣。
5.6.3 單元的應(yīng)力矩陣、剛度矩陣和總剛度矩陣
（1）單元的應(yīng)力矩陣
（3-74）
式中
（2）剛度短陣
（3-75）
式中
式（3-75）中：
（3-76）
因?yàn)閇D]是對稱矩陣，所以[B]T[D][B]也是對稱矩陣。故剛度矩陣[K]e是對稱矩陣，而且是6×6方陣。
（3）總剛度矩陣[K]
(3-77)
式中 n——節(jié)點(diǎn)總數(shù)。
所以2n × 2n矩陣，也是對稱矩陣。
（4）節(jié)點(diǎn)載荷列陣{R}
首先要求得每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)載荷列陣{R}e，如圖5－5所示。對勻質(zhì)、等厚度的三角形單元來講，若考慮自重，只須把單元重量的1/3移到每個(gè)節(jié)點(diǎn)上去。
圖 5-5 節(jié)點(diǎn)載荷
面力的移置：等效力按靜力等效原則，有
所以同樣可得
（3-78）
如果再加節(jié)點(diǎn)上的集中載荷
總的節(jié)點(diǎn)載荷列陣為
（23）
求出后，用式(3—62)求，然后代回到各單元體，求，求解完畢。
5.7滾筒滾殼強(qiáng)度的校核
5.7.1滾筒筒殼自由段壓縮應(yīng)力的校核
1）滾筒滾殼自由段壓縮應(yīng)力的計(jì)算
滾筒滾殼自由段的長度應(yīng)滿足
＝
故取 L=45cm
式中， R———滾筒半徑；
h———筒殼厚度。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》（航空工業(yè)出版社）表11—4 鋼板的許用壓縮應(yīng)力 [σ]=1800Kg/cm2 。
一層纏繞時(shí)，在繩圈均布載荷作用下筒殼自由段的壓縮應(yīng)力為
式中
S——鋼絲繩的最大靜拉力（N）；
——滾筒筒殼的厚度（cm）， ；
t——鋼絲繩在滾筒上的纏繞節(jié)距（cm），t=2.2cm；
———鋼絲繩拉力降低系數(shù)，C=1。
由于鋼絲繩應(yīng)力滿足要求，故滿足筒殼壓縮應(yīng)力需求。
5.7.2支輪處筒殼應(yīng)力的校核
（1）首先決定筒殼與支輪的結(jié)構(gòu)類型
如圖所示，當(dāng)認(rèn)為筒殼與支輪的連接為固接結(jié)構(gòu)，而與之相反，應(yīng)將其視為鉸接結(jié)構(gòu)。另外，如果筒殼與支輪連接處沿圓周方向分布較多時(shí)，亦可視為固接結(jié)構(gòu)。
圖5-6 筒殼支輪的連接結(jié)構(gòu)
因?yàn)?
式中， r--筒殼厚度平均半徑，r=59.0cm；
h--滾筒筒殼的厚度（cm），h=2.0cm；
=4.5cm
因此，筒殼與支輪的連接應(yīng)該視為鉸接結(jié)構(gòu)。
（2） 滾筒支輪輪緣直徑
D1——滾筒支輪輪緣直徑；
d ——鋼絲繩的直徑，d=20mm
（3）在最大彎曲力矩處筒殼的壓縮應(yīng)力
式中，Cz——支輪處鋼絲繩拉力降低系數(shù)，當(dāng)支輪的剛度足夠大時(shí)，可以認(rèn)為支輪處的筒殼不變形，故Cz=1。在支輪與筒殼自由段之間的區(qū)段，近似取平均值
q--筒殼上的單位面積壓力
r——筒殼厚度平均半徑，r=59cm；
h——滾筒筒殼的厚度，h=2.0 cm；
在最大彎曲力矩處筒殼的壓縮應(yīng)力為
根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，合成應(yīng)力
——波桑比，
故支輪處筒殼強(qiáng)度足夠。
（4）支環(huán)處筒殼應(yīng)力的校核
在焊接支環(huán)處，筒殼的壓縮應(yīng)力為：
式中
KZh——支環(huán)的剛度系數(shù)，一般取，此處 取KZh=0.5；
CZh——鋼絲繩拉力降低系數(shù)
式中
C——筒殼自由段鋼絲繩拉力降低系數(shù)
在焊接支環(huán)處的彎曲應(yīng)力為：
根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，合成應(yīng)力為
故支環(huán)處的筒殼強(qiáng)度足夠。
5.8筒殼的強(qiáng)度穩(wěn)定性校核
二支環(huán)間筒殼的穩(wěn)定性條件為：
式中 qk———筒殼表面的臨界單位壓力（kg/cm2）；
no ———筒殼穩(wěn)定性安全系數(shù)，no=2~2.5，
此處取no=2.2
其中，
式中 Lk ——筒殼的臨界長度， 則
因?yàn)橥矚挾? B=150cm
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