PD-14回柱绞车的设计

摘要
在国内，平均每年需求各种不同规格的矿用回柱小绞车数万台，因此，降低成本和提高安全性对回柱绞车的开发具有重要意义。

包括对电动机的选择，减速器的选用，卷筒的设计和校核以及主轴的设计和校核，其它一些零件的选用和设计和对绞车的各部位的润滑。

在设计过程中查阅了相关的一些资料，发现现在所做的设计是一个传统的但又是非常有实际意义的设计。

文中主要阐述了绞车的发展和具体对绞车的设计和部件的选用过程。

主轴的设计主要针对其在绞车上受力，通过选择材料到初步确定尺寸，再进行受力分析，最后进行校核强度等一系列的步骤来设计出符合要求的轴。

由于本人时间和知识面的有限，所以设计的绞车不可能很全面。

文中错误难免，望老师给于指正。

关键词绞车；减速器；主轴
Abstract
In the domestic, every year we need every kind of different specification of the winch count about ten thousandth sets on average, therefore, declining the cost will be very important to the machine development . Including the motor of choice, the choice of reducer, reel in the design and verification as well as the main design and verification, some other parts of the selection and design of the winch and the various parts of lubrication. In the design process inspection of the relevant information and found that the design is now done by a traditional but a very meaningful design. In the main text of a winch on the development of the winch and specific parts of the design and selection process.
The design for the main spindle in the winch on the force, through the choice of materials to determine the initial size, to conduct Analysis, a final check of the intensity and a series of steps designed to meet the requirements of the shaft.
Because of my limited time and knowledge, so the design of the winch is notcomprehensive. In the wrong inevitably, to hope the teachers can corrected.
Keywords winch retarder spindle
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题背景 (1)
1.1.1 绞车的分类 (1)
1.1.2 绞车的特点和性能要求 (1)
1.1.3 绞车功能与结构 (2)
1.2 国内外绞车的发展状况 (3)
1.2.1国内绞车发展状况 (3)
1.2.2国外绞车发展状况 (4)
2 回柱绞车主要性能参数的确定 (6)
2.1 钢绳拉力 (6)
2.2 钢绳绳速 (6)
2.3 电动机额定功率 (6)
2.4 钢绳型式和直径的确定 (7)
2.5 卷筒直径的确定 (10)
3 电动机的选择 (11)
3.1选择电动机类型和结构型式 (11)
3.2 主要参数 (12)
3.3 电机的计算和选取 (12)
4 齿轮的计算和强度校核 (14)
4.1 圆柱齿轮的设计与计算 (14)
5 轴的设计和计算 (20)
5.1 齿轮轴的分析与强度校核： (20)
5.2 滚筒轴分析与强度计算 (22)
6 轴承的选用 (24)
6.1轴承分类 (26)
6.2轴承游隙选择 (26)
7 联轴器的选择和计算 (27)
8 卷筒的设计 (29)
8.1设计卷筒 (29)
8.1.1卷筒的材料 (29)
8.1.2卷筒筒壁的厚度计算和卷筒壁的强度计算 (29)
8.2 卷筒强度分析 (30)
8.2.1分析卷筒强度 (30)
8.2.2 稳定性计算原理 (32)
8.2.3卷筒深槽惯性矩的计算 (33)
9 键联接 (34)
9.1键及其连接 (34)
9.2键联接的功能、分类及应用 (34)
9.3键的选择 (35)
9.4平键的校核 (35)
结论 (37)
致谢 (38)
参考文献 (39)
附录 (40)
附录1 (40)
附录2 (50)
1 绪论
1.1 课题背景
在人类历史上，绞盘(windlass)是第一种用于拖曳提升重物的机器，它可使一个人搬运远重于自己许多倍的重物。

绞盘采用一种轴和轮的形式，由用垂直框架支撑的滚筒组成，人通过用手摇动曲柄，使绞盘滚筒绕水平轴转动。

中国人在公元前二千年就设计出用曲拐手柄转动的砂轮。

今天被广泛应用的绞车(或称卷扬机)是绞盘的另一种形式，它泛指具有一个或几个上面卷绕有绳索或钢丝绳的圆筒，用来提升或拖曳重载荷的动力机械。

绞车用电动机驱动，靠齿轮，蜗轮传动的速比变化，配有制动卷筒的制动机构
绞车是工业生产过程中一种常用的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的发展设计制造技术，随着绞车技术的不断提高，加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断发展，绞车在动力，节能和安全性等方面取得了很大的进步。

目前绞车正被广泛地应用于矿山，港口，工厂，建筑和海洋等诸多领域。

在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设备被大量而广泛地应用着，例如矿用提升绞车，调度绞车，耙矿绞车和凿井绞车等。

提升绞车可用于矿山竖井和斜井中物品和人员的调度具有较大的牵引功率和很好的安全性，是矿山生产中不可缺少的设备之一。

绞车的另一个重要用途是港口机械，常见的有集装箱起重机，港口装卸门座起重机，塔式起重机以及轻小型的电葫芦等起重机械，其主要执行机构是各种形式和结构的绞车，对于这种用途的绞车，要求具有较好的调速性能和很高的安全性能。

另外，绞车还被应用于各种线缆的存储，制造和运输，例如纺织机械中的用于存放丝线的线盘和电缆制造中用于存放各种直径缆绳的缆盘。

这种情况下，绞车不光具有一定的调速能力，而且还能够使不同直径的缆绳排列整齐，从而保证生产的顺利进行，在船用机械甲板机械和海洋开发领域，绞车也具有悠久的使用历史和各种各样的用途。

可以说，绞车广泛的应用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样的机构组成。

为了更好的研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类,性能特点，功能和结构展开探讨。

1.1.1 绞车的分类
绞车多种多样的用途，决定了绞车的种类和组成形式也是多种多样的。

按照绞车卷筒的数量分，绞车可以分为三种：单筒绞车，双筒绞车和三卷筒绞车。

单卷筒绞车是三种类型绞车中最常见的。

它是有一个卷筒用来存放缆绳或者铰链，一般用于对卷筒的容绳量要求不高的场合。

另外，按照绞车的驱动方式，通常把绞车分为电动绞车，气动绞车和液动绞车三种。

1.1.2 绞车的特点和性能要求
通过对绞车应用场合的探讨和绞车结构的分析，可以得知，在工程应用中绞车绞车会
有如下的一些特点：
1.负载时变
绞车用于海洋拖曳，电梯箱的提升，矿山调度等场合时，由于外界环境因素的影响，例如海浪，海流，货物重量等的不断变化，他的负载也在不断变化。

这就对绞车的稳定性造成了很大的干扰。

如果不采取有效的控制手段，绞车的收放速度就不可能稳定，有时甚至无法正常工作。

2.驱动力矩范围大
这也是绞车的工作环境决定的，其驱动力范围从几公斤到上百吨不等。

3. 要求调速方便，高低速运行平稳
由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续的调整收放速度。

在高速运行的时候，不能出现飞车的情况；在低速运行的时候，不能出现爬车的现象，而且要保持一定的输出力矩。

4.对安全可靠性要求较高
由于绞车一旦出现事故，就有可能对人的生命或者财产造成很大的伤害，加上绞车的工作环境大多比较恶劣，所以就要求绞车具有较高的可靠性。

因此在设计绞车时设计人员因考虑到绞车的最大负载能力，绞车的防爆性，元件的可靠性等因素。

5.要求具有较好的可操作性
随着对绞车使用要求的不断提高以及自动化技术的发展，绞车的自动化程度也在不断的提高。

一些先进的电子控制技术，通讯技术的运用，使得现在的绞车能够具有很好的人机接口和远程通信能力，极大的提高了绞车的操作性能。

1.1.3 绞车功能与结构
绞车设计采用滚筒盘绞或夹钳拉拔缆绳方式来水平或垂直拖曳、提升、下放负载，绞车一般包括驱动部分、工作装置、辅助装置等几部分。

1.驱动部分:用于驱动绞车工作装置盘绞、释放缆绳，包含动力及传动装置与控制装置。

绞车可以采用多种驱动方式，包括电动机、蒸汽机、柴油发动机、汽油发动机、液压马达、气动马达等等。

无论采用何种驱动方式，在绞车的驱动部分设计中都应包含以下设计准则:
①无级均匀变速，调速范围宽广;
②在有负载情况下，良好的启动特性和低速特性，总效率高;
③双向旋转，并且容易改变旋转方向（需要单向运转时可以设定自锁装置）
④维护保养相对容易，对周围工作环境不敏感;
⑤制动系统工作可靠;
⑥设计紧凑，结构简单，安装布置容易，重量轻;
⑦在有负载情况下，能长时间安全带载静止而不至于损坏驱动系统。

对于小型绞车，为了保证结构紧凑，绞车驱动部分一般与绞车工作装置联接在一起，直接驱动工作装置;对于大型绞车或应用现场空间相对狭小的绞车，绞车驱动部分与绞车工作装置可以设计成独立放置，两者间通过液压管线、气动管线或电缆管线相联系，绞车的布置和操纵均很方便。

2.工作装置:在驱动部分作用下，通过滚筒回转或夹钳直线拉拔等方式拖曳或释放缆绳以完成对负载的收放控制，并含有对缆绳的容绳和排缆装置。

3.辅助装置:辅助工作装置完成拖曳作业，包含滑轮组、导向装置以及速度测量、长度距离测量、张力测量等装置部分;绞车可以使用钢丝绳、尼龙缆绳等多种材质缆绳
1.2 国内外绞车的发展状况
1.2.1国内绞车发展状况
我国提升设备的设计制造，是在解放以后才开始的[4]。

建国初期在党的领导下，新建和改建了许多矿山机械制造厂。

1953年抚顺重型机器厂制造了我国第一台缠绕式双筒提升机。

1958年洛阳矿山机器厂设计制成了我国第一台2X4多绳摩擦式提升机，并于1961年开始运转，这种提升机与缠绕式提升机比较，具有重量轻、体积小、安全可靠、适合较深矿井的特点，是现代提升机的发展方向。

并已在我国许多矿山中得到普及和应用。

如安徽的凤凰山铜矿、梅山铁矿、张家洼小官庄铁矿、西石门铁矿、丰山铜矿、铜坑锡矿等矿山是较早地应用多绳摩擦提升机的矿山。

1989年投产的通钢板石沟铁矿18#矿组的罐笼井采用的是上海冶金矿山机械厂生产的第二台JKD1. 85 X 4多绳摩擦式提升机。

1971年该厂又新设计制造了JK型新系列单绳缠绕式提升机，新系列采用了一些新结构，与老型号比较，提升能力平均提高了25% 。

而机器重量也相应的有所减少。

其它如JT系列矿用绞车，JKM及JKD系列多绳提升机在采用新结构提高产品性能方面都有较大改进和提高。

我国的矿用提升机其调速原理经历了电阻调速、液压调速、变频调速及行星差动调速等几次大的改进，目前国产提升机所采用的调速装置主要有两种类型:一是液压传动调速装置(液压调速)，其产品形式即为现有的液压提升绞车;二是电抓‘调速装置(变频调控)，其产品形式即为现有的传统JT系列绞车。

提升机是一种重要的矿用机械，我国的提升机从上世纪七于年代开始应用于煤矿生产，极大地提高了工作效率，但安全性能较差，极易发生爆裂;八于年代为解决井下提升机防爆难题，生产了一种液压提升机，之后又出现了运用变频调速原理生产的无级调速提升机。

煤矿提升绞车是煤矿安全生产的重要设备，是安全生产的关键，它能否正常运行，直接关系着煤炭的产量、生产成本及矿井和职工的安全。

随着市场经济的发展和矿井标准化建设的需要，提升绞车的运行质量越来越受到各级部门的重视。

根据<<煤矿安全规程>>规定[5]:投入运行后的提升设备，必须由矿务局机电部门每年进行一次检查，每3年进行一次测试，认定合格并签发运行许可证书后方可继续使用.
每次的测试结果表明大部分的绞车使用良好，但也存在一些带有普遍性的问题，在一定程度上制约了煤炭产量，增加了生产成本，同时也影响了煤矿的安全生产，下面就针对一些主要问题进行归纳。

1.提升设备完好率差，存在重大事故隐患。

提升装置必须装设下列保险装置，即防过卷装置、限速装置、深度指示器失效保护装置等，并满足相应的技术要求，但有许多矿用绞车没有设置，违反了相应规定。

2.制动装置可靠性差。

制动装置是提升绞车的重要组成部分，根据设计安装要求，制动招‘加工表面粗糙度应达到1.6,偏差越小越好，最大不应超过0.5mm.但有的矿用绞车安装质量差，滚筒端面凹凸不平，使滚筒在运转时，制动轮间歇摩擦闸瓦，从而造成电机电流波动大，电耗增加，并加速了闸瓦的磨损。

还有的绞车松闸不彻底，有时还会因为某些干扰因素引起突然紧闸现象。

这种现象会影响机械系统的使用寿命，并有可能造成断绳等事故。

3.绞车实际运行质量较差、效率偏低。

测试中发现大多数绞车均采用手动控制，加速、减速及低速爬行和停车休止时间相对偏长，使绞车提升能力下降，电机电耗增加。

[6]
近年来，我国各生产厂家对结构、调速装置等进行了许多改进，并推出了许多更新换代的产品[7]。

随着计算机技术的飞速发展，计算机和PLC的运算速度加快、存贮能力加大、功能加强、体积减小，使煤矿机械的功能更强、性能更优、效率更高。

例如淮南张集矿2X3000kW交变频双电机拖动提升机，其自动化控制由主控 PLC (S7-400)、监控 PLC (57-400),闸控 PLC (57-400)、装载PLC，(S5-115W、卸载PLC (S5-115E)和传动控制装置SIMADYND及操作台的Wincc人机界面装置多台计算机(PLC)组成[8]。

1.2.2国外绞车发展状况
国外矿用提升机的研究比较先进，并能及时地将研究的成果运用到矿用提升机的实际生产中。

自1827年德国制造出第一台蒸汽提升机以来，矿井提升机大体分为两种形式，一种为缠绕式提升机，另一种为多绳摩擦式提升机。

目前广泛使用单绳缠绕式提升机和多绳摩擦提升机[9]。

最初提升机仅为缠绕式提升机一种，但随着矿井开采深度及年产量口益增加，在井深达1000m以上，一次提升量达40~50t的条件下采用缠绕式提升机其钢绳直径要达到90mm，滚筒直径要达到9m，电动机功率要达到4500kW。

这样的提升机制作金属量消耗大、制造困难、成本昂贵，更重要的是直径SOmm以上的钢绳只有几个发达国家可以制造，而且价格贵的惊人，且寿命远不如40mm以下的长。

于是在18世纪末，出现了用几根细钢绳代替一根粗钢绳的做法，就产生了多绳摩擦提升机。

由于多绳摩擦提升机绳径小，摩擦轮直径小，电动机功率小，到20世纪70年代，世界上应用多绳摩擦提升机已有600多台。

在过去的20年中，我国从德国共进口20多套大型矿用提升机，其电控配套装置
均为西门子公司的产品，其中10套是为直流电动机配套的直流电控制系统，其余10多套均为交频交流电气传动电控配套装置[10]。

第一套是1994年为山西省常林矿主井提升机配套的，其调速性能非常理想，目前节能效果相当明显，它代表了世界矿用提升机的先进水平，也为我们指明了走节能和无级调速的路子。

特别是随着计算机技术的飞速发展，机电一体化技术和产品在世界范围内得到了迅速发展和应用。

先进采煤国从采煤工作面、掘进工作面，到井下主煤流运输及辅助运输，到矿井提升及井下供电、排水等装置，均具有建立在微处理器基础上的监控和保护系统，其机电一体化的设备、性能、可靠性和功能等有大幅度提高。

如美国、澳大利业等国由于在井下采用了先进的机电一体化设备，已实现无人工作面、遥控采矿甚至无人矿井;加拿大INSO公司利用现代通讯、井下定位与导航、在线信息处理、监控系统，实现了对地下镍矿的机电一体化采矿装备乃至整个矿山开采系统的遥控操作。

2 回柱绞车主要性能参数的确定
2.1 钢绳拉力
在顶板压力作用下，究竟需要多大拉力才能回柱放顶，目前还没有完整的计算力理论。

这是因为在回采过程中影响顶板压力的因素颇为复杂。

一般情况下是靠实践经验来掌握回柱放顶周期，并制定包括放顶的步矩和时间在内的合理作业的正规循环。

一般来说，顶板悬露的时间短，则其压力小容易控制顶板。

反之，则打乱了正规循环作业，顶板悬露时间长，则压力大，支柱受力也大。

国内回柱绞车参数系类标准中规定，钢绳拉力有三档即，5吨，8吨，14吨。

但是，对钢绳拉力的涵义，国内生产厂家各持一说，产品设计方法很不统一。

回柱绞车属于多层缠绕式工作机械。

通过钢绳把拉力传递到支柱上。

作为钢绳名义来历，他必须是包括最外层和最内层在内的各层钢绳必须具有的最小拉力值。

显然，一旦电动机功率以及机械的结构确定后，以最外层拉力最小。

因此把最外层拉力定为回柱绞车的名义拉力是合理的。

如果以中间层或者最内层拉力定位名义拉力进行绞车设计，将导致外层拉力小于绞车名义拉力。

显然这是不合理的。

因此这部JHMB-14绞车的钢绳最外层拉力为120000N
2.2 钢绳绳速
因为钢绳在绞车卷筒上为多层缠绕，钢丝绳的并不是恒定不变的，而是随着缠绕层数的增加而增大。

为了与钢丝绳拉力相适应，应以最外层速度作为绞车钢绳的名义速度0.14米/秒。

钢绳速度是影响回柱放顶作业生产率的主要因素之一，回柱放顶作业时间长，则影响正规循环，延缓回柱放顶时间，顶板压力大，给回柱绞车增加困难。

但是，回柱生产率不仅仅决定于钢绳速度。

因为，在回柱放顶作业过程中，大量是辅助作业时间。

因此，回柱放顶作业的组织工作与操作熟练程度等同样起着重要的作用。

另外，当拉力达到最大值的瞬间，如果绳速过大，必然产生较大的动力载荷。

其结果是支柱破损率增大，并且由此引起包括绳速在内的机件的摔坏。

2.3 电动机额定功率
合理地确定电动机的功率，即可以充分发挥电动机的能力，又可以节约电能。

为此需要研究回柱放顶作业过程的负载特性，明确电动机的工作制度。

钢绳拴在支柱上，电动机启动后带动钢绳，此时钢丝为松弛状态，经一段空载运行后拉力值将直线上升（此时钢丝绳已被拉紧），已致达到将在顶板压力作用下的支柱撤下来的最大值，此时电动机可能出现瞬时过载，随后拖动支柱一段距离，电动机停车，一个回
柱循环至此结束，有回柱工做些必要的辅助工作后，开始下一个循环，如此反复。

可以看出电动机属于带启动的断续周期性的工作方式。

每一个工作周期，包括一段启动时间，一段极短的超负载运转时间以及一段停车断电时间。

观其运行特性，可以认为是断续周期性负载。

但根据井下工作特点，为扩大其使用范围，此处并不按断续周期性工作方式选择电动机，而是按连续工作制选取。

电动机功率按最大的瞬时负载计算，在按此计算值求得电动机的额定容量。

电动机瞬时过载容量表示电动机处于发热状态中，并能在极短的时间内保证瞬时过载功率而不致破坏其运转的正常条件。

这一功率决定于电动机的特性及其机械强度。

根据鼠笼型电动机的机械特性曲线达到这一瞬间过载时，电动机转矩达到临界值，而这一过载不降低当超过临界转差率时，则电动机转矩急剧下降，以致造成电动机闷车。

鼠笼式电动机的过载系数为K=1.8-2。

为了不使电动机经常出现闷车，在功率计算中，取K=1.36，鼠笼电动机机械特性见图2-1。

图2-1鼠笼电动机机械特性
计算功率见式（2.1）。

η÷⨯=F V P k
m a x m a x (瓦) 式（2.1） 式中： max V ——卷筒最外层钢绳速度（米/秒）；
k F ——卷筒最外层钢绳拉力（牛）； η——机械传动总效率。

额定功率见式（2.2）。

m a x P P k
= 式（2.2） 将2.1式代入2.2式中得：
η÷⨯=F V P k
m a x m a x （瓦） 式（2.3） 按此计算值P ，在电动机样本中查取标准电动机功率值，查取值不得低于P 值。

2.4 钢绳型式和直径的确定
钢绳在使用过程中，其机械强度降低的因素主要有磨损，锈蚀，疲劳，断丝及咬伤。

但是对于不同的绞车，由于其工作特点及使用条件不同。

促使其机械强度降低的因素也不
尽相同。

一般情况，由于钢绳在滚筒上缠绕，钢绳中产生弯曲和扭转应力，在其反复作用下，钢丝绳会出现疲劳。

反复弯曲的次数越多，疲劳破坏越迅速。

回柱绞车与其他钢绳缠绕式机械有所不同，在回柱过程中钢绳不需要连续不断地缠绕，钢绳放出后就相当于一个均质的弹性杆，由它传递拉力。

因此可以认为上述疲劳断丝不是回柱钢丝绳破坏的主要因素。

使用在工作面的回柱绞车，因湿度大，易锈蚀，在回柱过程中钢绳经常与底板，煤摩擦，因此锈蚀与磨损相伴发生，而且磨损在锈蚀作用下发展加剧。

锈蚀和磨损是回柱钢绳报废的主要原因。

当然，对于多层缠绕咬绳是不可避免的。

因此咬绳对钢绳寿命的影响也不容忽视。

明确了回柱钢绳破坏的主要因素，就可以选择钢绳的型式。

①在井筒淋水大,淋水酸碱度高,以及在回风巷中,由于腐蚀严重应选用镀锌钢丝绳;
②在磨损严重的条件下使用的钢丝绳,如斜井提升时,应选用外层钢丝较粗的三角股钢丝绳;
③当弯曲疲劳为主要损坏原因时,应选用线接触式顺捻绳和三角股绳;
④同向捻钢丝绳因较柔软、表面光滑、耐疲劳性能好、寿命长,主要用于立井及斜井箕斗提升中;斜巷串车提升,减少松绳打结,一般应选用不易松散的交互捻钢丝绳;
⑤当钢丝绳在绞车滚筒上做右螺旋缠绕时,则应选用右捻绳;反之,则用左捻绳;
⑥多绳摩擦提升机采用左右捻各半;
⑦用于温度高或有明火的地方,如矸石山等,应选用金属绳芯钢丝绳。

回柱绞车选择6×19型，该型钢绳属于点接触式，它的特点是质地柔软，耐磨，适合于干工作面工作。

由于是点接触，绳股中钢绳的接触应力较大，所以耐疲劳性能差。

但是，回柱钢绳疲劳不是降低机械强度的主要因素。

由此看出，这种型式的钢绳是合适的。

为了确定钢绳的直径，首先要研究回柱钢绳的许用安全系数。

合理的选择钢绳的安全系数是设计工作中的一项主要工作。

提高钢绳的安全系数能延长钢绳的使用寿命。

但是钢绳安全系数过大，则钢绳直径就相应变粗，导致机械体积大而且笨重。

这既不符合经济原则，又给绞车整体井下搬运带来不便。

因此，在确保安全可靠性的前提下，尽可能减小安全系数.
许用安全系数见式（2.4）。

[]12
1
=++式（2.4）
n k k
式中：1k——绳断造成后果系数；
k——钢绳缺陷及拉力计算不精确系数.
2
多年国内煤矿使用试验表明，很少由于回柱断绳造成人身伤亡和设备事故。

《煤矿保安规程》第56规定:“放顶人员必须站在支架完整，没有可能发生崩绳，崩柱，甩钩，断绳抽人等情况的安全地点工作”。

可见，只要遵守《保安规程》，就可以避免断绳造成的死。