采矿工程毕业设计-JZ16T型凿井绞车的设计

摘要
结合设计任务，通过对JZ16T型凿井绞车的结构和工作原理的阐述，本文主要阐述了JZ16T型凿井绞车设计结构、传动方案、以及各零部件的计算。

包括电气系统对整体运行的控制，液压气动装置对制动所起的作用。

本设计思路清晰，内容简明，从结构设计、零件计算到总体安装，言简意赅，准确描述了整个设计过程中所涉及到的每个环节，详细分析了JZ16T型凿井绞车设计中的关键技术。

本设计说明书的主要内容包括：JZ16T型凿井绞车的性能及其发展状况，JZ16T型凿井绞车的起升机构和电气系统的分析与计算，开式齿轮的计算，制动机构的选择与计算，传动系统的设计与布局。

关键词：
凿井绞车制动器卷筒齿轮传动系统
Ⅰ目录
摘要 (Ⅰ)
第一章概述 (1)
1.1 设计题目简要说明 (1)
1.1.1 绞车的分类 (2)
1.1.2 绞车的特点和性能要求 (2)
1.1.3 国内外凿井绞车发展状况 (3)
1.2 设计任务 (7)
第二章 JZ16凿井绞车总体结构设计 (9)
2.1 引言 (9)
2.2 技术规格与参数 (9)
2.3 凿井绞车的整体设计方案 (10)
2.3.1 凿井绞车的结构简图 (10)
2.3.2 凿井绞车的工作原理 (10)
第三章传动部件设计计算 (13)
3.1 钢丝绳的选择与计算 (13)
3.1.1 选择钢丝绳的参考因素 (13)
3.1.2 钢丝绳选择 (14)
3.2 计算卷筒尺寸 (15)
3.2.1卷筒结构形式的确定 (15)
3.2.2 卷筒尺寸的计算 (16)
3.3 电动机的选择 (17)
3.3.1 选择电动机类型结构型式 (17)
3.3.2 确定电动机容量 (18)
3.4 减速器选择 (19)
3.4.1 减速器类型 (19)
3.4.2 选择减速器型号 (20)
3.5 开式齿轮传动的计算 (20)
3.5.1 齿轮的分类与特点 (21)
3.5.2 齿轮型式选择与强度计算 (21)
3.5.3 齿轮结构参数 (26)
3.6 卷筒轴的设计 (26)
3.6.1 轴的种类和特点 (26)
3.6.2 轴的材料选择 (27)
3.6.3 轴的结构设计 (28)
3.6.4 轴的强度计算 (30)
3.6.5 轴的缺陷及其寿命问题 (32)
3.7 轴承的选择和校核 (33)
3.7.1 卷筒轴两端轴承 (33)
第四章制动机构 (35)
4.1 制动机构的组成与工作原理 (35)
4.1.1 制动机构的组成 (35)
4.1.2 工作原理 (35)
4.2 制动器的选择与计算 (36)
4.2.1 块式制动器的选择 (36)
4.2.2 棘轮停止器设计 (36)
4.2.3 带式停止器设计 (40)
第五章气动系统的设计 (43)
5.1 气压系统设计 (43)
5.1.1 气压系统原理图 (43)
5.1.2 汽缸的选择与计算 (43)
5.2 选择控制元件 (45)
5.2.1 换向阀选择 (45)
5.2.2 减压阀选择 (46)
第六章结论 (47)
参考文献 (48)
致谢 (49)
第一章概述
1.1 设计题目简要说明
本设计针对JZ16T 型凿井绞车进行总体设计，对JZ16T型凿井绞车的结构和工作原理的阐述，详细分析了JZ16T 型凿井绞车设计中的关键技术。

主要设计钢丝绳、卷筒、开式齿轮及电动机与减速器的选择。

根据JZ16T 型凿井绞车的自身特点选用各种零部件。

其中以开式齿轮的设计为重点，根据电动机功率及减速器传动比，得出开式齿轮传动比，再由多方面因素具体设计开式齿轮的齿数、分度圆直径及齿宽。

制动机构的设计也是本设计中的重点，卷筒的一侧设计有两套安全制动器，即带式制动器和棘轮制动器。

最后进行的是凿井绞车传动装置的总体设计，主要包括拟定传动方案、选择电动机、确定总传动比和确定各级分传动比以及计算传动装置的运动和动力参数。

这些都需要学生亲自动手动脑，锻炼自己的能力，运用自己所学过的各方面知识，来完成本设计。

通过本设计可增强学生对机械设计步骤的认识，加强了这方面的知识，也是对学生总体能力的考核，从中认识到自己的不足。

对以后同学们进入工厂或生产基地具有一定的帮助。

图（1-1）JZ16T凿井绞车
绞车是工业生产过程中一种常见的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制造技术。

随着绞车制造技术的不断提高、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，绞车正被广泛地运用于矿山、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运用着，例如凿井绞
车、调度绞车、耙矿绞车和矿用提升绞车等。

提升绞车可用于矿山竖井或斜井中物品与人员的调度，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，其主要执行机构都是各种形式和结构的绞车。

对于这种用途的绞车，要求具备较好的调速性能和很高的安全性能。

另外，绞车还被运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，绞车不光要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，使用历史和多种多样的用途。

可以说，绞车广泛地运用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样的结构组成。

为了更好地研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类展开探讨。

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：单卷筒绞车、双卷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。

它只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，通常又把绞车分为电动绞车，气动绞车和液压绞车三种。

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，在工程应用中绞车会具有如下一些特点：
1.负载时变
绞车用于矿山调度、电梯轿厢提升、海洋拖曳等场合时，由于外界环境因素的影响，例如货物重量、海浪、海流等的不断变化，它的负载也在不断变化。

这就对绞车的稳定运行造成了很大干扰。

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
这也是由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，高低速运行稳定
由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续地调整收放速度。

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，不能出现爬行现象，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很高的可靠性。

因此在设计绞车时设计人员应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，极大地提高了绞车的操作性能。

1.1.3 国内外提升绞车发展状况
矿井提升机包括机械设备及拖动控制系统，是联系地下和地上的重要途径，是矿山生产的咽喉设备，其性能好坏直接关系到矿山的生产效率和安全性及可靠性，它的安全、可靠运行是整个矿井正常生产的必要条件，一旦发生故障，所造成的经济损失是巨大的。

“运输是矿井的动脉，提升是咽喉”形象地描述了矿井提升运输系统的工作过程与重要作用。

目前，国内外对提升设备经过多年的研究，近几十年来发展的很快，尤其是提升设备的滚筒方式、制动方式和电力拖动、自动化控制等方面有很大的改进，在提升设备的理论和实践方面都取得了丰富的经验。

国内外对于提升绞车的优化设计研究属于较冷门的行业，相关的研究成果不太多。

1.1.3.1 国内提升绞车发展状况
我国提升设备的设计制造，是在解放以后才开始的。

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。

20世纪五十年代抚顺重型机器厂制造了我国第一台缠绕式双筒提升机，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，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。

八十年代末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。

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；二是电控调速装置（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七十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；八十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：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，制动盘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。

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。

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2×3000kW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（S7－400）、闸控PLC（S7－400）、装载PLC（S5－115U）、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[16]。

1.1.3.2 国外提升绞车发展状况
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[15]。

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日益增加，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50mm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[16]。

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，且节能效果相当明显，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、澳大利亚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。

1.1.3.3 本文研究的背景
矿用提升机作为煤矿机械的一种，主要用于煤矿提升、下放物料，因此其市场需求量与国家对煤炭的需求量息息相关。

煤炭是我国常规能源的主体，在我们这样一个大国，能源始终占极其重要的地位。

为了保证国民经济的持续发展，煤炭产量亦要在相应时期内保持高速增长。

2000年，国家“西电东送”工程开始实施，作为西部大开发战略的重要组成部分，“西电东送”将西部丰富的资源和东部巨大的市场结合起来，通过北、中、南三条通道向华东地区送电。

三条通道中，除中部通道是以三峡水利枢纽工程为主体送电外，南、北两条通道均主要以煤炭作为燃料的火电基地为基础送电。

据统计，我国在2002年煤炭产量接近14亿吨，比上年增产2.21亿吨，增长20%。

虽然这样，在同年还是要从国外进口1081万吨，进口量比2001年增加了3倍多。

即使如此，全国部分地区缺煤还是很严重，甚至于在湖北、河南一些地方还要常常停电，一个重要原因在于煤炭紧缺，严重影响了国民经济的发展以及人民的生活秩序。

增加煤炭产量，加大煤炭供给量已是刻不容缓。

目前，全国各地除了有很多大型煤炭公司以外，也有不少中小型煤矿，同时也不断增加一些新建的煤矿。

煤炭需求的增加必将刺激采煤机械需求的增长。

此外，大量中小煤矿的存在也是促成煤机需求增长的一个重要因素。

中小型煤矿主要进行地面浅表层煤炭资源的开发，由于成本、开采方式等因素的限制，这类煤炭资源不适合国有大型煤矿企业的开采，客观上决定了在较长时间内中小煤矿仍将存在，据统计，在云南、贵州两省，仅官方批准采矿的企业就达一万多个，且平均每年以30%的速度增加，加之湖南、江西、四川、重庆、山西、新疆、内蒙古自治区、东三省等地均在大力发展煤炭工业，加之国际提升机市场，尤其在欧美等发达国家，侧重于使用数字化、智能化的高附加值产品，如德产的“机电一体化”内装式绞车，这类产品整机性能较好，操作简洁，但价格昂贵，使用的厂家很少。

我国八十年代为
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。

这几类提升机都存在着功能不够完善的问题，或防爆不能调速，或调速难以防爆，安全性能差，操作困难。

在这种情况下，生产一种新型的功能较为全面的矿用提升机取代原有机型就成为各煤矿生产企业的共同需求。

由湖南远扬煤机制造有限公司与湖南大学共同开发研制的新型矿用提升机项目。

该项目产品使用NGW行星差动技术，实现零到最大转速之间的无级调速，这是一种纯机械的无级调速，不会产生火花，从而同时实现调速和防爆两种功能。

与传统的液压调速提升机和变频调速提升机相比，取消了庞大的液压和电控调速系统，减少机器占地空间，无须另行修建绞车房，更易于在狭窄的矿井条件中正常工作，大幅降低成本，该项目产品应会具有广阔的应用前景。

1.2 设计内容
本设计分为五大主要设计内容，即起升机构的设计、制动机构的设计、电气系统的设计、开式齿轮的设计、总体布局的确定设计。

1. 起升机构JZ16T 型凿井绞车起升机构主要由电动机，制动器，联轴器，减速器，开式齿轮, 卷筒的组成。

电动机通过联轴器与减速器的高速轴相联。

联轴器的一半是带制动轮的，制动器安装在电动机轴即高速轴上。

制动器采用长臂式的瓦块式制动器，采用电动液压推动器作为松闸装置，并与电动机电气联锁。

减速器采用三级传动硬齿面圆柱齿轮减速器，为了满足传动比要求，在减速器与卷筒轴之间设计了一对开式齿轮传动。

2.制动机构JZ16 型凿井绞车除了在起升机构设计有常闭式的瓦块制动器外，为了保证安全，还在卷筒的一侧设计有两套安全制动器，即带式制动器和棘轮制动器。

带式制动器构造简单紧凑，包角大（可超过2π），制动力矩大。

制动轮轴受较大的弯曲作用力，制动带的比压和磨损不均匀，简单和差动带式制动器的制动力矩均与旋转方向有关，限制了应用范围，散热差，适用大型要求紧凑的制动。

3.电气系统主要是用来驱动电动机工作的电路，对电气系统进行过电流保护、零压保护、行程保护等。

4. 开式齿轮先根据JZ16T 型凿井绞车的工作环境来选取开式齿轮的材料，再计算出开式齿轮的齿轮类型，精度等级, 材料及齿数。

5. 总体布局根据以上设计所得各部件的外形尺寸，确定各部件在底座的安装位置进行合理安排，应适合运输操作等要求。

6. 正是基于上述背景，我在导师的指导下，根据JZ16凿井绞车已知参数，完成了结构设计，具体工作内容包括以下几个方面：
1).根据已知参数条件，提出了提升绞车的整体设计方案，完成JZ16凿井绞车的结构设计：包括机械传动部分、提升机构部分、制动装置部分。

2).完成整个凿井绞车三维零部件的建模与装配：利用UG软件，对机械传动部件和提升结构部件进行了三维建模，既有零件图也有装配图。

第二章JZ16T凿井绞车总体结构设计
2.1 引言
JZ16T型凿井绞车容绳量大、提升力强、平稳可靠，主要用于竖井掘进工程中悬吊吊盘、水泵、风筒、压缩空气筒、注浆管等掘进设备和涨紧稳绳，也可作其它井下和地面起吊重物用。

近年来，新建矿井近半数是采用立井开拓方式。

随着新井建设和煤炭开采向深部发展，立井开拓所占比重将会增大。

随着开采深度的增大和高产高效矿井的建设，深井凿井绞车的发展尤为重要。

为了适应深井建设对凿井绞车的要求，开发研制了JZ16T型凿井绞车。

根据提供的技术规格和设计参数，提出了提升绞车的总体设计方案。

并通过设计计算，确定了齿轮减速机构的各部分结构尺寸，对其主要部件的强度进行了校核。

2.2 技术规格与参数
JZ16T型凿井绞车主要由电动机、制动器、联轴器、减速器、开式齿轮、卷筒等组成，其结构如图（2-1）所示。

电动机通过联轴器与减速器的高速轴相联。

联轴器的一半是带制动轮的，制动器安装在电动机轴即高速轴上。

制动器采用常闭式的瓦块式制动器，采用电动液压推动器作为松闸装置，并与电动机电气联锁。

减速器采用三级传动硬齿面圆柱齿轮减速器，为了满足传动比要求，在减速器与卷筒轴之间设计了一对开式齿轮传动，技术参数如表（2-1）。

1-电动机2-制动器3-减速器4-小齿轮
5-大齿轮6-卷筒组件
图（2-1）JZ16T型凿井绞车起升机构
2.3 提升绞车的整体设计方案
2.3.1凿井绞结构简图
JZ16T型凿井绞车主要由起升机构、制动机构、机架和电气系统等组成。

如图（2-2）所示。

1-制动机构2-起升机构3-电气系统4-机架
图（2-2）JZ16T型凿井绞车
2.3.2 提升绞车的工作原理
2.3.2.1 动力传动系统
动力传动系统的传递路线为：电机→联轴器→主制动器→减速器→开式齿轮传动→
卷筒组，传动简图如图（2-1）所示。

电动机正转或反转时，制动器松开制动，通过带制动轮的联轴器带动减速器高速轴，经过减速后通过开式齿轮传动驱动卷筒旋转，使钢丝绳绕进卷筒或由卷筒放出，从而使物品起生或下降。

卷筒的正反向转动是通过改变电动机的转向来达到的；电动机停止运转时，依靠制动器将高速轴的制动轮刹住，使物品保持在悬吊状态。

2.3.2.2 卷扬系统
卷扬系统装置含有卷筒组、主轴与轴承座。

卷筒组由大齿轮、制动轮和钢板卷筒组成，并通过平键联接在主轴上。

2.3.2.3 制动机构
JZ16T型凿井绞车除了在起升机构设计有常闭式的瓦块制动器外，为了保证安全，还在卷筒的一侧设计有两套安全制动器，即块式制动器和棘轮制动器。

其结构如图（2-3）所示。

1-带式制动器2-棘轮制动器
图（2-3）JZ16T型凿井绞车起升制动机构
当起升机构进行升降作业时，棘轮制动器和带式制动器均应处于松开制动状态，并与起升机构电气联锁。

即只有棘轮制动器和块式制动器松开制动后起升机构才能进行升降运动。

当起升机构进行停止升降作业时，棘轮制动器和带式制动器均应处于制动状态，将卷筒制动住，以防卷筒“溜车”，起到安全保护作用。

棘轮制动器和带式制动器的动作控制均采用气动控制，气动系统原理图如图2-4所示。

2.3.2.4 电气系统
1）电气系统的组成。