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摘 要
JTP型提升絞車是一種新型的礦山輔助運輸設備。其主要適用于煤礦井下長運距，多起伏的運輸巷道，特別適用于大型綜采設備的運輸牽引和長運距礦車及材料的運輸。能大大提高運輸效率和運輸安全可靠性，防止放打滑現象。該絞車的設計對于完善提升絞車起著重要的基礎作用。
JTP型提升絞車主要由電動機、聯軸器、減速器、卷筒和制動閘等組成。本畢業(yè)設計的重點是減速器的設計，該傳動系統(tǒng)采用了五級傳動，第一級為直齒圓錐齒輪傳動，其余為圓柱直齒輪傳動，采用了兩個對齒輪，形成封閉的傳動路線。傳動原理簡單、可靠、高效。
JTP型絞車具有良好的防爆性能和制動性能，容繩量大、適用條件強、使用壽命長、傳動效率高等特點。該絞車結構緊湊，外形尺寸小，能夠整機下井；結構為近似對稱布置，外形美觀，成長條形，底座呈雪橇狀；絞車重心低，底座剛性好，可安裝地錨，運轉平穩(wěn)，安全可靠，維護方便。
關鍵詞：JTP提升絞車； 運輸； 傳動
ABSTRACT
JTP-hoist is a new type of mine-assisted transport equipment. The main application is long distance in the coal mine, more ups and downs of the roadway, especially for large transport fully mechanized coal mining equipment traction and long distance transport cars and materials. It can greatly improve transport efficiency and transport safety and reliability and prevent-skid phenomenon. The winch design plays an important basic role in improving the Promise of the rope winch.
JTP-hoist is mainly composed of the motor, coupling, reducer, brake drum gates, and other components. The graduation project focused on the design of the reducer, the drive system uses two transmission, the first class uses straight gear, the rest is straight cylindrical gear transmission, it uses two pairs of gears.It formed a closed transmission line. Transmission principle is simple, reliable and efficient.
JTP-hoist has a good explosion-proof performance and braking performance, large capacity to justice, conditions of application strong, long-life, high efficiency drive. The winch has compact structure, small shape size, can go down with overall unit; structure is similar to symmetrical layout, aesthetic appearance, growth strip, a sled-shaped base; the gravity centerof the winch is low, rigid base, and can be installed to anchor, a smooth operation, safe and reliable , easy maintenance.
Keyword : JTP-hoist ; transport; drive
目 錄
1 概述 1
1.1絞車簡介 1
1.2絞車的發(fā)展狀況 1
1.2.1國內絞車發(fā)展概況 1
1.2.2國外絞車發(fā)展概況 2
1.3絞車的發(fā)展趨勢 4
2 提升絞車的總體設計 5
2.1設計參數 5
2.2結構特征及工作原理 5
2.3傳動方式擬定 6
3 電動機的選擇 7
3.1計算電動機輸出功率 7
3.2選擇電動機型號 8
4 減速器的設計計算 9
4.1總傳動比及傳動比分配 9
4.1.1總傳動比 9
4.1.2傳動比分配 9
4.2傳動裝置運動參數計算 10
4.2.1各軸轉速計算 10
4.2.2各軸功率計算 10
4.2.3各軸扭矩計算 11
4.3齒輪傳動計算 12
4.3.1第一級齒輪傳動校合 12
4.3.2第二級齒輪傳動校合 15
4.3.3齒輪傳動主要參數總結 18
5卷筒及其部件設計計算 19
5.1鋼絲繩的選擇 19
5.1.1鋼絲繩的選擇方法 19
5.1.2安全系數法 19
5.1.3選擇系數法 20
5.1.4鋼絲繩選擇 21
5.1.5鋼絲繩強度校核 22
5.1.6鋼絲繩在卷筒上的固定方式 22
5.1.7鋼絲繩固定端承載能力驗算 22
5.1.8鋼絲繩的出繩方向及其偏角 23
5.2卷筒的設計計算 23
5.2.1卷筒結構 23
5.2.2卷筒節(jié)徑 23
5.2.3卷筒邊緣直徑 24
5.2.4卷筒容繩寬度 24
5.2.5卷筒筒殼厚度 25
5.2.6卷筒端側板厚度 25
6軸的設計計算 26
6.1軸的材料選擇 26
6.2軸的結構設計 27
6.3軸的校核 31
6.4軸的彎矩圖和扭矩圖 32
7軸承及其它元件的校核 42
7.1滾動軸承的選擇及校核計算 42
7.1.1軸承的類型選擇 42
7.1.2滾動軸承常見的失效形式及計算準則 43
7.1.3滾動軸承的校核計算 43
7.2鍵聯接的校核計算 46
7.3聯接螺栓的校核計算 48
7.3.1工作剪力計算 48
7.3.2螺栓剪切強度校核 49
8減速器的潤滑和密封 49
8.1減速器的潤滑 49
8.2減速器的密封 49
9減速器箱體及附件的選型設計 50
9.1減速器箱體的設計 50
9.2減速器附件的選型設計 51
10連軸器與制動器的選型設計 53
10.1連軸器的選型設計 53
10.2制動器的選型設計 54
11絞車的安裝與調試
11.1絞車的運輸與安裝...................................... 55
12絞車的潤滑與維護................................... 57
小結 64
英文原文 65
中文譯文 70
參考文獻 80
致謝 81
1 概述
1.1絞車簡介
絞車是一種起重設備，由于具有結構簡單、搬運安裝靈活、維護保養(yǎng)簡單、操作方便、價格低廉和可靠性高等優(yōu)點，所以被廣泛應用與物料提升、水平和傾斜拽引重物、打樁、集材、冷拉鋼筋、設備安裝等工作中。
絞車除在建筑工地、設備安裝等方面被廣泛應用外，在冶金、礦山、水電、農業(yè)、軍事、化工及交通運輸等行業(yè)中亦廣泛應用，如高爐料鐘和物料的提升，礦井的物料提升，水平、傾斜牽引運輸，礦車調度、回柱，船舶上錨鏈的提升等。
1.2絞車的發(fā)展概況
1.2.1國內絞車發(fā)展概況
我國在很久以前的古代，就知道采用轆轤等來提升重物，以減輕體力勞動的強度和提高工作效率。但由于舊中國的工業(yè)落后，勞動力便宜，所以在物料的提升和搬運過程中大都是靠工人的肩挑背扛，而絞車只有在一些大型企業(yè)中才被使用，應用很少，而且所適用的絞車也均為國外生產，國內基本沒有生產絞車的廠家。
我國的絞車生產是解放后才開始的，已有近60年的歷史。50年代為滿足恢復經濟的需要和第一個五年計劃的需要，絞車的生產被提到了日程上。原沈陽國泰機器廠（阜新礦山機械廠前身）等成批仿制了兩種絞車，一種為日本的JIS8001型動力絞車，它是一種原動機為電動機，傳動形式是開式圓柱齒輪傳動，雙錐體摩擦離合器，操作為手扳腳踩的快速絞車；另一種是按蘇聯圖紙制造的1011型和1012型普通蝸桿傳動、電控慢速絞車。
隨著生產的發(fā)展，到了60年代，絞車的生產和使用越來越多。為了協(xié)調生產，主要絞車生產廠家（阜新礦山機械廠、天津卷揚機廠、山西機器廠、寶雞起重運輸機廠等）組成了卷揚機行業(yè)組織，隸屬于第一機械工業(yè)部礦山機械行業(yè)下。為了發(fā)展絞車的生產，行業(yè)組織了相關廠家的人員對全國絞車的生產和應用情況進行了調查。在調查的基礎上，開始自行設計和制造新的卷揚機，先后試制了0.5t、1t、3t電動卷揚機，但由于對當時各廠家的生產能力估計不足，無法推廣。
從70年代起，我國絞車的生產進入了技術提高、品種增多、定性生產的新階段。在各廠自行設計和生產的基礎上，1973年，由卷揚機行業(yè)組織了有關廠家和院校聯合進行了絞車基型設計，并充分考慮到了當時中小廠家的生產能力?？焖俳g車的基型采用半開半閉式齒輪傳動，離合器采用單錐面石棉橡膠摩擦帶結構，操縱用手扳剎車帶制動。慢速絞車的基型為閉式傳動（圓柱齒輪傳動或蝸桿傳動減速器）、電磁鐵制動結構。這兩種基型一直到今天還在生產。為了適應生產發(fā)展的需要，當時第一機械工業(yè)部發(fā)布了JB926-74《建筑卷揚機形式與基本參數》和JB1803-76《建筑卷揚機技術條件》兩個部標準，并把卷揚機行業(yè)劃歸常德建筑機械研究所（長沙建筑機械研究院前身）領導。隨著部標準的頒布，使絞車有了大發(fā)展的基礎。為了滿足經濟發(fā)展的需要，各廠家相繼生產了20t和32t絞車。
從70年代末開始，我國實行了改革開放政策，國民經濟大發(fā)展，作為國民經濟的動力，煤炭產業(yè)現代化和機械化的要求日益強烈，許多產品逗進行了防爆改造，從而進入到煤礦井下，其中絞車是最成功的一種產品，JD系列的調度絞車和JH系列的回柱絞車至今還在大量的生產，是礦山井下，運輸調度不可替代的機械設備。但這種設備的自動化的程度不高，無法實現無人值守的自動操作，往往由于絞車操作工的操作失誤或精神不集中造成安全生產事故。
礦山絞車的發(fā)展是伴隨著煤炭產業(yè)發(fā)展，九十年代中后期，是我國煤炭生產的一個低潮，礦用絞車的發(fā)展十分緩慢，沒有什么新的結構，產品出現。但是，2000年以后，國際油價居高不下，煤炭再一次被人們所重視，煤炭價格一路上漲，絞車等一系列的礦山機電產品需求量劇增，促進了絞車的發(fā)展，這一時期絞車品種增加，自動化水平增加，新結構、新功能不斷出現，但是仍然具有一定的技術瓶頸，即自動控制設備的防爆問題?，F在，變頻調速技術和PLC控制技術十分的成熟，但是，也只是在礦井的主井和副井的提升系統(tǒng)中得到了最廣泛的最成熟的應用。然而，自動化和數字化是礦井發(fā)展的必然趨勢，為了實現這一目的，礦山設備的自動化和數字化是實現這一目的的基礎。
本設計也力求用最成熟的PLC控制技術，實現礦井水倉的無人值守，達到牽引絞車能夠根據水位自動提升和下降泵房的目的，探索一條能夠實現絞車自動化控制的路徑。
1.2.2國外絞車發(fā)展概況
在國外，絞車的品種繁多，應用也很廣泛。在西方技術先進的國家中，鉆機制造商德國Wirth公司、Bentec公司以及美國Varco公司擁有先進的絞車控制技術、電動機四象限傳動技術以及電子(自動) 司鉆控制技術。這些絞車控制系統(tǒng)能根據鉆壓、機械鉆速、轉盤轉速和扭矩等參數控制鉆井鋼絲繩的連續(xù)遞送以保持穩(wěn)定的鉆井狀態(tài)， 進而大大提高鉆井效率。下面簡單介紹一下幾個國家上產絞車的狀況。
（1）日本
日本東明治30年代開始制造和使用卷揚機。據日本荷藝機械研究所核計，1970~1975年間卷揚機的產量增加62.5%。據日本通產省機械核計月報載，僅1977年單純土建卷揚機的產量就達12萬臺，產值約100億日元。
日本卷揚機行業(yè)由機械技術部會、核藝機械技術委員會領導。主要生產廠家有北川鐵工所、遠藤鋼機、南星、越野總業(yè)、藝浦、松崗產業(yè)等80多個廠家。
北川鐵工所是一家大型生產廠。其生產的卷揚機品種系列比較齊全，主要有：
a.動力卷揚機 粉BF、MF、DF三種形式。功率為3.7~44KW,鋼絲繩拉力從5800~44100N，有18格規(guī)格。BF型式V型帶傳動，MF型單筒開式齒輪傳動，DF型是雙筒開始齒輪傳動。其結構特點是全部為標準型，采用改進了的螺旋頂絲式離合器操縱，因而操作簡便，易調整。鼓形離合器采用單椎體式，摩擦材料采用帶型樹脂。
b.電動卷揚機 該廠生產的電動機為KW型，功率3.7~11KW,拉力6000~142100，四種規(guī)格。其結構特點是：全封閉式內齒輪傳動;電動機在一端，減速器、制動器和操作部分在另一端，中間是卷筒，一字型布置；按鈕操作，可遠距離遙控；最大特點是卷筒可纏繞8~9層，容繩量大，適于高層建筑使用。
c.大型電動卷揚機 主要用于提升大型重物或設備，可兩檔機械變速，設有電磁鐵制動器、手制動器和棘輪制動器，以確保安全。
遠藤鋼機公司有60多年歷史，它是日本唯一生產特殊電動卷揚機的公司。ENDO型卷揚機采用起重電動機，卷揚機可兩檔變速，排繩器裝在上部，是單螺旋軸雙導向桿式結構，機座全部是焊接結構，所有機械與電器部分裝在機座里。
(2)美國
美國生產絞車的廠家有近百家，主要有貝波（BEEBE）國家有限公司、哲恩（THERN）有限公司。
貝波國際有限公司成立于1919年，有七十多家的設計和生產實踐經驗。主要產品有：氣動鏈式卷揚機，防爆拖式氣動卷揚機，駁船卷揚機（手動、氣動、電動、液壓），電動鏈式卷揚機，電動葫蘆，電動卷揚機，手動卷揚機，液壓卷揚機，水平卷揚機，手動鏈式卷揚機，棘輪牽引器，空中吊運車。
哲恩有限公司是美國較大的生產起重設備的公司，主要產品有各種手動卷揚機、電動卷揚機、提升機械及起重機。手動卷揚機的主要品種有：蝸桿傳動系列、直齒齒輪傳動系列、齒輪蝸桿傳動組合系列、直接驅動系列、鏈傳動系列。其中直接驅動式電動卷揚機的傳動式全封閉式行星齒輪傳動，傳動系統(tǒng)全部裝在卷筒里面，機架和卷筒用高強度鋼焊接而成。
美國除上述兩家公司外，比較重要的生產廠家還有布勞斯公司、賽林公司、斯塔斯派克公司、阿姆降公司、英格索藝德公司等。
(3)法國
法國生產卷揚機的廠家很多，其中包騰公司就是生成卷揚機的主要廠家之一。包騰公司主要生產KUSW系列卷揚機、LMD系列卷揚機、PC系列卷揚機和RCS系列卷揚機。
LUSW型卷揚機輕巧緊湊，效率高，安全可靠，可遙控操作。這種卷揚機能夠比較理想地與各種建筑機械配套。
LMD型卷揚機可兩檔變速，采用液壓控制。液壓系統(tǒng)可同時控制兩個機械制動器。LMD型卷揚機綜合了電氣技術和液壓技術的優(yōu)點，性能比較好。
PC卷揚機可五檔變速器，三個低速檔和兩個高速檔。由兩個獨立的裝有電磁剎車系統(tǒng)提升電動機驅動卷揚機。電動機帶動直齒減速器，用錐齒輪電動卷筒。
其他國家，如俄羅斯、英國、挪威、瑞典、加拿大、德國等也都生產著不同用途的各種型號的卷揚機。
1.3絞車的發(fā)展趨勢
1.大型化 由于基礎工業(yè)大發(fā)展，大型設備和建筑構件要求整體安裝，促進了大型絞車的發(fā)展。
2.采用先進電子技術 為了實現絞車的自動控制和遙控，廣泛采用先進的電子技術，傳感器技術，可編程控制技術。
3.發(fā)展手提式絞車 為了提高機械化程度，減輕工人的勞動強度，大力發(fā)展小型手提式絞車，如以汽車蓄電池為動力的直流電動小型絞車。
4.大力發(fā)展不帶動力源裝置的絞車 此種絞車借助汽車和拖拉機動力，結構簡單，有一個卷筒和一個減速器即可。
2提升絞車的總體設計
2.1設計參數
最大拉力：15KN；
提升速度：1.35m/s
2.2結構特征及工作原理
本絞車主要由電動機、彈性聯軸器、減速器、開式大齒輪、盤式制動器、卷筒等部分
組成。
絞車的傳動系統(tǒng)示意圖如下：
I、II、III、IV--軸
1、2、3、4—齒輪
圖 設計傳動方案
其傳動路線是：
電動機→聯軸器→減速器→大齒輪→卷筒。
2.3傳動方式擬定
減速器是應用于電動機和卷筒之間的獨立的傳動裝置。其主要功能是降低轉速，增大轉矩，以滿足對機械的各種要求。實踐表明，傳動裝置設計得合理與否，對整部裝置的性能，成本以及整體尺寸都有很大影響。因此，合理地設計傳動裝置是整部機器設計工作中的重要環(huán)節(jié)，即合理地擬定傳動方案又是保證傳動裝置設計質量的基礎。
根據設計要求，可得到如下的傳動方案：
（1）不需要立式結構,故采用臥式減速器；
（2）行星傳動結構緊湊，但成本高，維護困難；錐齒輪及蝸桿傳動方式的輸入軸與輸出軸垂直，與卷筒配合布置較復雜，加工也較困難，效率低，故擬采用圓柱齒輪傳動，圓柱齒輪傳動具有成本低，設計制造維護都很方便的優(yōu)點；
（3）根據工作機構——卷筒的直徑及鋼絲繩繩速計算卷筒轉速
（4）為了便于加工拆卸及維護，采用水平剖分式；
（5）功率小，轉速也較低，所以軸承全部采用深溝球軸承；
（6）電動機和輸入軸之間采用彈性套柱銷聯軸器（GB4323-84），卷筒與減速器之間采用開始齒輪傳動連接。
3電動機的選擇
3.1計算電動機輸出功率
已知：
最大拉力 F =15KN
提升速度 V = 1.35m/s
則：
根據以上的傳動方案圖可得：
總傳動效率
=
=0.86
其中：
彈性聯軸器的效率=0.97；
滾動軸承的效率=0.99；
閉式圓柱齒輪傳動效率=097；
齒輪聯軸器效率=0.96；
滾筒效率=0.97
3.2選擇電動機型號
=
電動機所需的額定功率P與電動機輸出功率P`之間有以下關系：
P≥K·
式中K為功率儲備系數，對運輸絞車取K=1,故
P =23.55KW
查《機械設計手冊》選?。?
電動機型號：YRT200M-6
功 率：30 KW
轉 速：960r/min
4減速器的設計計算
4.1總傳動比及傳動比分配
4.1.1總傳動比
按額定轉速初定傳動比，總傳動比按下式計算
(4.1)
式中 ——電動機額定轉速，；
——卷筒轉速，
根據已知設計參數，卷筒直徑D=800 mm
則可得：
=32.25
結果
4.1.2傳動比分配
總傳動比等于各級傳動比的連乘積，即
(4.2)
合理分配傳動比是設計的一個重要步驟。如果把傳動比分配得合理時，傳動系統(tǒng)結構緊湊，重量輕，成本低，潤滑條件也好；但傳動比分配不合理，則結果正好相反，所以傳動比分配應盡量遵循以下原則：
1. 各級傳動比最好在推薦的范圍內選取，以符合各種傳動形式的特點；
2. 應充分發(fā)揮各級傳動的承載能力?？砂礉M足某一質量指標分配傳動比，如按外嚙合接觸強度相等原則分配傳動比；
3. 傳動零件之間不應造成相互干涉碰撞，如絞車的開式齒輪傳動，若傳動比太小，大齒輪直徑小于卷筒直徑，則會使小齒輪與卷筒產生干涉；
4. 各級傳動尺寸要協(xié)調、合理，使得各傳動部分從動齒輪的浸油深度相近，各級齒輪得到方便、充分的潤滑，減小攪油損失；
5. 應使傳動裝置的總體尺寸緊湊，質量最小。
設計時，絞車的實際傳動比的準確值必須在各級傳動零件具體參數確定后才能計算出來，故應驗算卷筒軸實際轉速是否在允許誤差范圍呢，如不滿足要求，應重新調整傳動比，一般情況下，設計時允許卷筒有±（3%～5%）的轉速誤差。
圖4.1 兩級圓柱齒輪減速器傳動比分配圖
減速器為二級展開式圓柱齒輪減速器，其傳動比按圖4.1選取分配。
由圖4.1得，傳動比分配見表4.1。將閉式齒輪傳動部分的傳動比全部取整，只在開式齒輪傳動部分才將傳動比取小數，這樣分配便于了加工和計算，減小了傳動速度誤差。
表4.1 圓柱齒輪減速器傳動比的分配
總傳動比
第一級傳動比
第二級傳動比
30
4.5
6.75
4.2傳動裝置運動參數計算
4.2.1各軸轉速計算
第Ⅰ軸轉速（輸入軸）
第Ⅱ軸轉速（中間軸）
第Ⅲ軸轉速 （輸出軸）
4.2.2各軸功率計算
第Ⅰ軸功率（輸入軸）
第Ⅱ軸功率（輸出軸）
第Ⅲ軸功率（卷筒軸）
式中 ——彈性聯軸器效率，；
——深溝球滾動軸承效率，；
——閉式圓柱齒輪效率（按8級精度），；
——開式加工圓柱齒輪效率（按8級精度），；
4.2.3各軸扭矩計算
第Ⅰ軸扭矩（輸入軸）
第Ⅱ軸扭矩（輸出軸）
第Ⅲ軸扭矩（卷筒軸）
表5.3各軸轉速、輸出功率、輸出扭矩表
軸號
轉速
輸出功率
輸出扭矩
傳動比
Ⅰ（輸入軸）
960
22.62
222.7
1
Ⅱ（中間軸）
213.33
22.72
1018
4.5
Ⅲ（輸出軸）
31.6
20.86
6034.21
6.75
4.3齒輪傳動計算
4.3.1第一級齒輪傳動校核：
1)、選擇齒輪材料，確定許用應力
由表6.2選： 小齒輪40Cr 調質
大齒輪45 正火
應力循環(huán)次數N由式：
=
接觸強度壽命系數：
查圖得：
接觸強度最小安全系數：SHmin=1
許用接觸應力:
接觸疲勞極限 :
查《機械設計》圖6-4:
由式
則：
許用彎曲應力由式：
彎曲疲勞極限查《機械設計》圖6-7：
彎曲強度壽命系數：
查《機械設計》圖6-8:
彎曲強度尺寸系數:
查《機械設計》圖6-9(設模數小于5):
彎曲強度最小安全系數
則：
=378×1×1/1.4=270 N/mm
=294×1×1/1.4=210 N/mm
2)、按齒面接觸疲勞強度設計計算。
確定齒輪傳動精度等級，按
Vt= (0.0130.022) ××
=
參考表 6.7表 6.8選取II公差組8級，小輪分度圓直徑d，由《機械設計》式6-5：
齒寬系數按齒輪相對軸承為非對稱布置，取
小輪齒數:在推薦值20-40中選=20
大輪齒數:
圓整取
齒數比u :
傳動比誤差Δu/u:合格
小輪轉距:
載荷系數K：
使用系數： 查《機械設計》表6.3，=1
動載荷系數：由推薦值選=1.2
齒間載荷分配系數由：β=0得=1.1
齒向載荷分布系數：由推薦值選=1.1
則載荷系數:
=1×1.2×1.1×1.1=1.45
材料彈性系數：查表得=
節(jié)點區(qū)域系數：查機械設計手冊（），=2.5
重合度系數：由推薦值：0.85～0.92選=0.87
則：
齒輪模數：
(圓整后的值)
小齒輪分度圓直徑：
大齒輪分度圓直徑：
mm
標準中心距:
mm
圓周速度：
與故取v=4.3m/s相近
齒寬:
圓整取b=64mm
大輪齒寬：
小輪齒寬：
3)、齒根彎曲疲勞強度計算：
由式：
齒形系數:查機械設計手冊
小齒輪：=2.74
大齒輪：=2.25
應力修正系數：查機械設計手冊
小齒輪：
大齒輪：
重合度：
=1.66
重合度系數：
故：
＜
所以齒根彎曲強度滿足
SHmin=1
=1
=20
=90
U=4.5
=1
=1.2
=1.1
=1.1
K=1.45
=2.5
=0.87
Error! No bookmark name given.
=2.74
=2.25
4.3.2第二級齒輪傳動校核：
設計項目及說明
結果
1)、選擇齒輪材料，確定許用應力
由表6.2選： 小齒輪40Cr 調質
大齒輪45 正火
應力循環(huán)次數N由式：
=
接觸強度壽命系數：
查圖得：
接觸強度最小安全系數：SHmin=1
許用接觸應力:
接觸疲勞極限 :
查《機械設計》圖6-4:
由式
則：
許用彎曲應力由式：
彎曲疲勞極限查《機械設計》圖6-7：
彎曲強度壽命系數：
查《機械設計》圖6-8:
彎曲強度尺寸系數:
查《機械設計》圖6-9(設模數小于5):
彎曲強度最小安全系數
則：
=378×1×1/1.4=270 N/mm
=294×1×1/1.4=210 N/mm
2)、按齒面接觸疲勞強度設計計算。
確定齒輪傳動精度等級，按
Vt= (0.0130.022) ××
參考表 6.7表 6.8選取II公差組8級，小輪分度圓直徑，由《機械設計》式6-5：
齒寬系數按齒輪相對軸承為非對稱布置，取
小輪齒數:在推薦值20-40中選=23
大輪齒數:
齒數比u :
小輪轉距:
載荷系數K：
使用系數： 查《機械設計》表6.3，=1
動載荷系數：由推薦值選=1.2
齒間載荷分配系數由：β=0得=1.1
齒向載荷分布系數：由推薦值選=1.1
則載荷系數:
=1×1.2×1.1×1.1=1.45
材料彈性系數：查表得=
節(jié)點區(qū)域系數：查機械設計手冊（），=2.5
重合度系數：由推薦值：0.85～0.92選=0.87
則：
齒輪模數：
(圓整后的值)
小齒輪分度圓直徑：
大齒輪分度圓直徑：
標準中心距:
圓周速度：
與故取相近
齒寬:
大輪齒寬：
小輪齒寬：
3)、齒根彎曲疲勞強度計算：
由式：
齒形系數:查機械設計手冊
小齒輪：=2.69
大齒輪：=2.181
應力修正系數：查機械設計手冊
小齒輪：
大齒輪：
重合度：
=1.68
重合度系數：
故：
＜
所以齒根彎曲強度滿足
SHmin=1
=1
=23
=156
=1
=1.2
=1.1
=1.1
K=1.45
=2.5
=0.87
Error! No bookmark name given.
=2.69
=2.181
4.3.4齒輪傳動主要參數總結
根據計算整理得到齒輪具體參數如下表：
表5.5 齒輪參數表
名稱
代號
1
2
3
4
齒數
20
90
23
156
模數（）
4
6
分度圓直徑（）
82
369
138
828
齒寬系數
0.8
0.8
0.8
0.8
齒頂高（）
6
10
齒根高（）
8
12
全齒高（）
14
22
傳動比
4.5
6.75
齒數比
4.5
6.75
中心距（）
220
483
應力角（）
20°
5卷筒及其部件設計計算
5.1鋼絲繩的選擇
5.1.1鋼絲繩的選擇方法
絞車通過鋼絲繩升降、拽引重物。工作時鋼絲繩多層纏繞所受應力十分復雜，加之對外界影響因素比較敏感，一旦失效，后果十分嚴重。因此應特別重視鋼絲繩的合理選擇和實用。
鋼絲繩鋼絲繩直徑（以下簡稱繩徑）的選取，是絞車設計的第一步。直徑的選擇直接影響卷筒的直徑及相關尺寸的確定，還關系到絞車能否正常的運行。在以往起重類，絞車書目及絞車設計規(guī)范中，繩徑的選擇有兩種方法，這兩種方法是：
安全系數法 （3.1）
選擇系數法 （3.2）
式中 ——整條鋼絲繩的破斷拉力（）；
——絞車工作級別規(guī)定的最小安全系數；
——選定鋼絲繩的安全系數；
——鋼絲繩的額定拉力（）；
——鋼絲繩最小直徑（）；
——鋼絲繩選擇系數，它由機構的工作級別、鋼絲繩是否旋轉以及吊運物品的性質等因素有關；
——鋼絲繩最大工作拉力（）。由起升載荷（額定起重量，鋼絲繩懸掛部分的重量，滑輪組及其他吊具的重量）并考慮滑輪組效率和倍率還確定。
5.1.2安全系數法
該方法是一種靜力計算方法，間接選擇繩徑。設計時，鋼絲繩的額定拉力為已知，將額定拉力乘以規(guī)定的最小安全系數，然后從產品目錄中選擇一種破斷拉力不小于·的繩徑。
該方法是沿用多年的傳統(tǒng)方法，它具有簡化計算、資料系統(tǒng)、齊全、完整的特點，基本上能滿足現有國產繩徑的選擇，是一種比較成熟的選擇方法。它的不足之處就是選擇過程比較繁瑣，必須經過多次的試算才能選出，而且是間接選擇的。
5.1.3選擇系數法
目前在工業(yè)化國家，對繩徑的選擇普遍采用這種方法。國際標準ISO4308（鋼絲繩的選擇）也推薦采用此方法。
這種方法能直接計算出繩徑，比間接選擇要方便的多，簡單明了而且直觀，一旦查到了選擇系數就能很容易的把繩徑計算出來。但目前兩個規(guī)范（GB/T3811-1983和GB13752-1992）上提供的選擇系數都有很大的局限性，遠遠不能滿足選擇鋼絲繩的需要。因為它們沒有把現有的國產鋼絲繩的各種規(guī)格型號，不同繩芯，不同的鋼絲抗拉強度的選擇系數統(tǒng)統(tǒng)列出來。
5.1.4鋼絲繩選擇
經過綜合比較并查閱資料，本設計采用第一種方法即安全系數法。煤礦安全規(guī)程的規(guī)定專為升降物料用的提升鋼絲繩的安全系數不得低于6.5 。
由設計要求可求得鋼絲繩的額定拉力=15KN，鋼絲繩的破斷拉力=
選型結果：18.5ZAA 6×7+FC 1770 ZZ 521 GB/T16269-1996
主要參數如下：
鋼絲繩直徑：d=16mm
鋼絲直徑：1.2mm
鋼絲總斷面積：128.87
參考重力：1218
纏繞層數 5
容繩量 480m
鋼絲繩平均速度1.35m/s
鋼絲繩公稱抗拉強度：1550 N/
該型號的鋼絲繩具有如下的特點：
是一種鍍鉻鋼絲繩，提高了鋼絲繩的耐腐蝕性，適用于室外，潮濕的環(huán)境中；
是一種面接觸鋼絲繩，這種鋼絲繩的接觸應力小，進一步改善了鋼絲繩的性能；
繩芯采用天然纖維芯，具有較高的撓性和彈性，纏繞時彎曲應力較小；
采用右同向捻，鋼絲繩的撓性好，磨損小，使用壽命長，因泵房采用剛性導軌，克服了松散性和扭轉性。
5.1.5鋼絲繩強度校核
折減系數
鋼絲繩破斷拉力總和
5.1.6鋼絲繩在卷筒上的固定方式
鋼絲繩在卷筒上固定應保證工作時安全可靠，便于檢查、裝拆及調整，且固定處不應使鋼絲繩過分彎折。鋼絲繩常用的固定方式有：楔塊固定和壓板固定兩類。
1.楔塊固定
鋼絲繩通過楔塊固定在卷筒上。楔塊的斜度通常取1：4～1：5，以滿足自鎖條件。這種繩端的固定方式比較簡單，但鋼絲繩允許的直徑不能太大。
2.壓板和螺釘繩端固定裝置
鋼絲繩端從端側板預留斜孔中引出至板外，通過壓板和螺釘把繩端固定。為安全起見，壓板數目至少為兩個。這種繩端的固定方式，卷筒結構簡單，對鑄造卷筒及鋼板焊接卷筒都適用。本設計中就采用此種固定方式。斜孔角度為45°，斜孔的邊緣倒圓角，這樣可保證鋼絲繩平緩的纏繞在卷筒上，避免了鋼絲繩的損傷。
5.1.7鋼絲繩固定端承載能力驗算
國家標準規(guī)定，鋼絲繩在卷筒上的安全圈數不得小于3圈。在保留兩圈的情況下，應能承受1.25倍的鋼絲繩額定拉力。
當鋼絲繩安全圈數不少于3圈時，固定端處的拉力可按歐拉公式計算
（3.4）
式中 ——鋼絲繩端處拉力（）；
——最大靜強度計算拉力， 為動載系數，可按表2.1進行選取，取。為鋼絲繩額定拉力（），；
——自然對數底數，；
——鋼絲繩與滾筒表面的摩擦系數，計算時??；
——鋼絲繩安全圈在卷筒上的包角，安全圈數不少于3圈。若取3圈，則。
結果
由計算可知，鋼絲繩固定端處的連接強度不容忽視。根據計算結果可計算繩端緊固件。
5.1.8鋼絲繩的出繩方向及其偏角
鋼絲繩的出繩方向一般為水平方向，并從卷筒下方出繩，這樣可以得到比較小的側翻力矩。但也可以從其他方向出繩，此時，鋼絲繩傾斜，必然要產生向上的分力，使地腳螺栓的受力狀態(tài)發(fā)生變化。
為了確保鋼絲繩在卷筒上纏繞均勻、對稱、排列整齊，避免堆積、松散和亂繩。鋼絲繩水平方向卷放偏角值必須符合表2.2的規(guī)定。
表3.2 卷放偏角的規(guī)定值
表3.2 卷放偏角
排繩方式
允許偏角
自然排繩
排繩器排繩
鋼絲繩的偏斜角可由導繩定滑輪旋轉中心線到卷筒軸線或排繩器導繩輪軸線的距離來保證。即
（3.4）
如果偏角過大，會造成各圈鋼絲繩之間留有較大的縫隙，當新的一層鋼絲繩向下面一層纏繞時就會嵌壓進入鋼絲繩之間的縫隙，造成嚴重“錘擊”，很容易引起亂繩并增加鋼絲繩的磨損。如果偏角過小，則鋼絲繩纏繞到卷筒邊緣時，可能會產生從下向上的繩圈堆積現象，特別是當導向定滑輪對卷筒不對中時，情況更為嚴重。當鋼絲繩堆積上有兩三層后又突然墜落，將產生很大的沖擊力。這種現象對鋼絲繩壽命和卷筒強度都有很大影響。嚴重的堆積還會造成鋼絲繩越出卷筒段側板，引起事故。所以有必要規(guī)定一個最小的纏繞偏斜角，推薦采用
5.2卷筒的設計計算
絞車卷筒系鋼絲繩多層纏繞，所受應力非常復雜。它作為絞車的重要零件，對絞車安全可靠的工作至關重要，應該合理地進行設計。
圖3.1 卷筒容繩尺寸參數及結構示意圖
5.2.1卷筒結構
卷筒結構形式多樣，可按下述方法分類：
按照制造方式不同可分為鑄造卷筒和焊接卷筒。鑄造卷筒應用廣泛。絞車卷筒大多為鑄造卷筒，成本低，工藝性好，但質量大，適用于中小型絞車。大噸位絞車一般采用鑄鋼卷筒。鑄鋼卷筒雖然承載能力較大，但成本較高，若工藝允許，可采用鋼板焊接結構。
按照卷筒纏繞層數的不同可分為單層纏繞卷筒和多層纏繞卷筒。絞車主要使用多層纏繞卷筒。
按照卷筒內部是否帶有筋板，可分為帶筋板卷筒和不帶筋板卷筒。無論是卷筒內的環(huán)向筋還是縱向筋，均增加了知道難度，同時在筋板和筒壁的連接處還會引起應力集中。本次設計中不采用帶筋板卷筒。
按照結構的整體性，卷筒可分為整體式卷筒和分體式卷筒。絞車噸位比較小時，卷筒常采用整體結構。對較大噸位的卷筒，常做成分體裝配形式，這樣可以簡化工藝，減輕重量。本次設計的絞車，噸位較小，故采用整體式卷筒，簡化結構和安裝工藝。
按照轉矩的傳遞方式來分，常采用端側板周邊大齒輪外嚙合式和筒端或筒內齒輪內嚙合式。這種卷筒的特點是卷筒軸只承受彎矩，不承受轉矩。
5.2.2卷筒節(jié)徑
卷筒節(jié)徑對筒壁和端側板的設計具有重要意義。值小，結構自然緊湊，但單位長度上的力較大，鋼絲繩壽命低。
卷筒節(jié)徑應滿足下式
(4.1)
式中 ——筒繩直徑比，是絞車工作級別有關的系數，范圍；
——鋼絲繩直徑（），。
結果 取整
卷筒的直徑=1200mm
5.2.3卷筒邊緣直徑
卷筒邊緣直徑即卷筒端側板。對于多層纏繞，為了防止鋼絲繩脫落，端側板直徑應大于鋼絲繩最外層繩圈直徑。端側板直徑常用下式計算
式中 n —— 纏繞層數，n=5
——卷筒直徑（），，
——鋼絲繩直徑（），。
結果
5.2.4卷筒容繩寬度
卷筒容繩寬度，一般可按下述關系式確定
(4.2)
(4.3)
式中 H——提升高度（），H=30000；
——鋼絲繩直徑（），；
——卷筒節(jié)徑（），；
——卷筒直徑（），。
卷筒寬度 B=600mm。
絞車卷筒壁厚的設計計算中，通常卷筒長度都設計成小于其直徑的3倍，甚至小于其直徑的2倍。因為此時的鋼絲繩拉力產生的扭剪應力和彎曲應力的合成應力較小，故計算卷筒強度時可忽略不計，簡化設計計算。
5.2.5卷筒筒殼厚度
材料選用灰口鑄鐵HI200
卷筒壁的強度按下式計算
(4.4)
則筒壁厚度為
(4.5)
式中 ——鋼絲繩的額定拉力（）,；
——卷筒壁環(huán)向壓縮應力（）；
——多層纏繞系數，；
——鋼絲繩軸向卷繞節(jié)距（）,；
——卷筒材料的許用應力（），根據小絞車工作級別，選取。
結果 ，取整
5.2.6卷筒端側板厚度
考慮到結構尺寸、壓力、載荷等影響因素，端側板厚度計算公式為
(4.6)
式中 ——綜合影響系數，；
——端側板材料的許用應力，。
結果
取整。
卷筒直徑大小對端側板強度影響較大，且卷筒筒壁和端側板過度處的圓角半徑對端側板強度有重要影響，所以不能取得太小。過渡圓角半徑取在范圍內比較合適，取。
6軸的設計計算
軸是絞車中重要零件之一。其主要功能是支撐回轉運動的零件，并傳遞運動和動力。
軸通過軸承與卷筒或減速器箱體相聯，裝在軸上的零件都圍繞軸心線作回轉運動，形成了一個以軸為基礎的軸系部件。因此，在軸的設計中，不能只考慮軸本身，還必須計及軸系零（部）件對軸的影響。
設計軸時，應解決的主要問題有結構設計和工作能力計算兩個方面的內容。
軸的結構設計是根據軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結構形式和尺寸。
軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。而對剛度較高的軸（如車床主軸）和受力大的細長軸，還應進行剛度計算，以防止工作時產生過大的彈性變形。對高度運轉的軸，還應進行振動穩(wěn)定性計算，以防發(fā)生共振而破壞。
6.1軸的材料選擇
絞車中軸的材料應具有足夠的靜強度和疲勞強度，并具有一定的韌性、耐磨性和抗腐蝕性。選擇軸的材料時除首先滿足使用要求外，還要考慮軸材料的工藝性及經濟性等。
軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。毛坯多數用軋制圓鋼和鍛件。
碳鋼價廉，對應力集中的敏感性較低，可以用熱處理或化學熱處理的方法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故而應用廣泛，其中最常見的是45號鋼。
合金鋼比碳鋼具有更高的機械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸和重量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。
在一般工作溫度先（低于200℃），碳鋼和合金鋼的彈性模量相差不多，因此不能單為提高軸的剛度而采用合金鋼。
合金鑄鐵和球墨鑄鐵容易做成復雜的形狀，且具有價廉、良好的吸振性和耐磨性，以及對應力集中的敏感性較低等優(yōu)點，可用于制造外形復雜的軸。
綜合考慮使用工況，載荷分布及整體的經濟性，軸全部采用45號鋼制成，并進行調制處理。
卷筒軸的結構設計應該綜合考慮如下幾點：
1） 便于起吊和安裝；
2） 卷筒軸的斷面變化不應太劇烈，并要防止其他類型的、過大的應力集中；
3） 卷筒軸的加工和熱處理需要嚴格遵守規(guī)程，并于機械加工前在軸頭切樣檢驗，此外還應進行探傷檢驗；
4） 卷筒軸的材料選擇最常用的45號結構鋼，并進行調制和表面淬火處理。
6.2軸的結構設計
圖6.1 輸入軸的結構示意圖
1.輸入軸的結構設計
計算及說明
結果
1）初步估算軸的直徑
由機械設計手冊查得，并加大3%以考慮階梯的影響，則
2）確定軸的結構方案
左軸承從軸的左側裝入，靠軸肩和軸承透蓋定位。齒輪和右軸承從軸的右側裝入，齒輪左側靠軸肩定位，齒輪的右端面使用套筒進行定位。右軸承靠軸肩、套筒和軸承悶蓋進行定位。
3）確定軸各段軸的直徑及長度
段該段用于裝聯軸器，根據參數選取聯軸器型號為LX2彈性柱銷聯軸器，
段 軸間高度，孔倒角取3，，則，
段 該段將安裝圓柱滾子軸承，取，
段 該段為自由段，該段的直徑應小于段而大于段，這樣可避免了結構上的斷面變化劇烈和引起應力集中；其長度根據箱體寬度和其他段的尺寸計算得到,
段 該段將安裝小齒輪，
見圖6.1
2.中間軸2結構設計
計算及說明
結果
1）初步估算軸的直徑
由機械設計手冊查得，并加大3%以考慮階梯的影響，則
2）確定軸的結構方案
左軸承從軸的左側裝入，靠軸肩和軸承透蓋定位。齒輪和右軸承從軸的右側裝入，齒輪左側靠軸肩定位，齒輪的右端面使用套筒進行定位。右軸承靠軸肩、套筒和軸承悶蓋進行定位。
3）確定軸各段軸的直徑及長度
段 該段將安裝圓柱滾子軸承，取，
段該段用于安裝大齒輪2，
段：該段為自由段，該段的直徑應小于段而大于段，這樣可避免了結構上的斷面變化劇烈和引起應力集中；其長度根據箱體寬度和其他段的尺寸計算得到,
段該段將安裝小齒輪3，
段 該段同，選用圓柱滾子軸承，
3.輸出軸3結構設計
計算及說明
結果
1）初步估算軸的直徑
由機械設計手冊查得，并加大3%以考慮階梯的影響，則
2）確定軸的結構方案
左軸承從軸的左側裝入，靠軸肩和軸承透蓋定位。齒輪和右軸承從軸的右側裝入，齒輪左側靠軸肩定位，齒輪的右端面使用套筒進行定位。右軸承靠軸肩、套筒和軸承悶蓋進行定位。
3）確定軸各段軸的直徑及長度
段 該段將安裝開式小齒輪,采用冷壓或熱壓裝配，傳遞的扭矩較大，故該段的直徑應較大，該段的長度應略小于開式小齒輪的齒寬，以便于開式小齒輪的拆裝。
段 軸間高度，孔倒角取3，，則，
段 該段將安裝圓柱滾子軸承，取，
段該段將安裝大齒輪6，
段 該段為大齒輪的軸向定位軸肩，取
⑥ 段 該段為自由段，該段的直徑應小于段而大于段，這樣可避免了結構上的斷面變化劇烈和引起應力集中；其長度根據箱體寬度和其他段的尺寸計算得到,
⑦段 該段將安裝圓柱滾子軸承,取
見圖6.3
圖6.4 卷筒軸的結構示意圖
4．卷筒軸4結構設計
計算及說明
結果
1）確定軸的結構方案
滾筒軸在提升絞車中是很重要的。它的結構設計直接關系到整個提升絞車性能。本設計采用與開式齒輪傳動聯結的卷筒組,在減速器與卷筒之間還有開式齒輪傳動。卷筒端面與齒輪輪輻之間用精致螺栓連接，并傳遞扭矩。卷筒軸兩端支撐在滾動軸承上，是不受扭矩，只受彎矩的轉動心軸。這種結構適用于起重量較大，提升速度較低的提升機構中。
2）確定各軸段的直徑和長度
段 該段將安裝圓柱滾子軸承，取，
段 該段用于安裝開式大齒輪6，取
段 該段為齒輪的軸向定位軸肩，取
段 根據滾筒軸結構上的需要。取，
段 該段用于安裝齒輪輪轂，取，
⑥ 段 該段為軸承的軸向定位軸肩，取
⑦ 段 該段用于安裝圓柱滾子軸承，取
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6.3軸的校核
1. 計算各軸齒輪作用力
計算及說明
結果
1）輸入軸
轉矩:
軸上小齒輪分度圓直徑:
圓周力:
徑向力
2）輸出軸
轉矩:
軸上小齒輪分度圓直徑:
圓周力:
徑向力
6.4軸的彎矩圖和扭矩圖
計算及說明
結果
1.輸入軸
（1）求軸承支反力
H水平面：
V垂直面：
（2）齒寬中點處彎矩
H水平面：
V垂直面：
(3)合成彎矩：
（4）按彎扭合成強度校核軸的強度
當量彎矩，取折合系數，C處為危險截面，其處當量彎矩為：
軸的材料為45號鋼，調質處理，查參考文獻《機械設計》表8.2得，由表8.7查得材料許用應力，由式
所以該軸強度滿足要求
具體參數見下圖：
滿足要求
2.中間軸2
（1）求軸承支反力
H水平面：
=
=－0.06KN
=
=2.8KN
V垂直面：
=
=－0.01KN