轮轨式提升机传动系统设计及有限元法辅助零件设计

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）目录1绪论........................................................11.1提升机的组成................................................11.2提升机的发展概况...........................................12确定传动方案..................................................33工作装置的设计计算............................................53.1钢丝绳......................................................53.2滑轮.......................................................143.3卷筒.......................................................173.4制动器.....................................................244动力装置的设计计算...........................................274.1电动机的工作制.............................................274.2电动机的选择与校验.........................................295传动装置的设计计算..........................................315．1确定总的传动比...........................................315．2多级复合轮系减速器的设计计算.............................326车轮、卡轨器部件的设计.......................................576.1车轮设计...................................................576.2卡轨器设计.................................................617.ANSYS的启动与退出.........................................657.1菜单建模分析过程...........................................66参考文献.....................................................81谢辞.......................................................82附录科技英文翻译..............................................83新工具使新机器设计最优.........................................91南华大学机械工程学院毕业设计（论文）南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第1页共91页1绪论1.1提升机的组成工作机构——主轴装置减速器传动系统联轴器机制动器——主制动器和辅助制动器械制动系统提部制动器控制装置——液压站和气压站分测速发电机装置升保护系统护板、护栅、护罩机主电机电气电气控制装置部分电气保护系统1.2提升机的发展概况早在公元前，我国劳动人民就用轱辘作为提水设备，据记载，800多年前我国的采矿工业就采用轱辘来提升矿石和人员等，以后发展成畜力提升机。19世纪，随着蒸汽机的出现，资本主义国家采用了蒸汽机驱动的矿井提升机，是提升机的能力大大提高。后来又出现了电动机。由于电动机无论是在效益还是在使用条件上都优于蒸汽机，因此电动机迅速取代了蒸汽提升机。随着电动机和电子技术的发展，现在的电动机与原始的电力拖动机已有了很大的不同。尤其是近20年来，微电子和计算机技术的迅速发展，是矿井提升机可以实现全自动化运行，可以记录及其运行的各种参数和各种生产指标已经进行数据综合处理，并具有了为保护设备安全可靠运行的各种保护系统，是提升及运行于整个矿井系统连接，南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第2页共91页连成一个自动运行系统。从提升机的结构和品种方面的发展来看，首先出现的是单绳缠绕是圆柱形单筒提升机。1876年德国人戈培利用摩擦原理，制造出单绳摩擦式提升机。这种提升机利用一根提升钢丝绳，绳的两端分别各联一个提升容器，而提升钢丝绳则挂在摩擦轮上，摩擦轮转动时，轮上的提升钢丝绳因摩擦力而随着轮一起转动，使绳上的两个提升容器一个上升，一个下降。由于摩擦轮提升钢丝绳不缠绕在轮上，提升高度与摩擦轮尺寸无直接关系。所以摩擦提升机特别适合用于较深的矿井中。以后，随着矿井生产的发展核技术的进步，缠绕式卷筒提升机和摩擦轮式提升机又各有其不同的发展。缠绕式提升机由单筒发展到双筒，为适应提升距离增加和节省电能的需要，又发展了圆锥形、圆柱圆锥形、双圆柱圆锥形及单筒可分离式卷筒提升机等不同结构形式。1938年有出现了多绳摩擦式矿井提升机，这不仅扩大了摩擦提升机的应用范围，而且使提升机的结构尺寸和提升能力大幅度提高，从而为采用提升量容器创造了条件，并提高了安全性可靠性。但这种提升机真正在世界各国推广使用还是在60年代以后。目前多绳摩擦轮式提升机的绳数已达到14根，最大的一次提升量达到65吨，最大直径一般达到9米，绳速达35m/s.随着世界采矿业的发展，开采深度不断提高。在南非的金矿开采中，一次提升高度已达2600m，这对于一般单绳缠绕式提升机来说是不能胜任的。即使采用多绳摩擦式提升机，也出现过不少尾绳事故。后来又出现了合适超深井的双绳缠绕式布雷尔式提升机。20世纪70年代以后，矿井提升机的类型和结构形式等都在日新月异地向前发展。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第3页共91页2确定传动方案本课题的原始设计要求如下:提升重量（G）2000kg提升高度（H）240m提升速度（V）15m/min轨距（L）600mm其中提升机主体部分，即减速器部分设计方案如图2.1所示：图2.1减速器原理示意图该减速器部分采取如此设计的优势就是减速部分位于卷筒内部，可以使整体布局紧凑，且采用少齿差行星齿轮传动中的K-H-V形式，用较少的零部件就可以实现较大的减速比。缺点是对于减速器的制造和安装的精度要求较高，无形中增加了生产成本。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第4页共91页本课题所设计的移动式提升机的工作原理同于一般的单绳缠绕式提升机，单绳缠绕式提升机的工作原理如图2.2。滑轮采用如此形式，可以使钢丝绳承受的力减小一倍，同时可以降低钢丝绳的直径，在一定条件下也可以降低钢丝绳对于卷筒直径的要求。但省力滑轮必定不省功，该种布局导致钢丝绳绳长增加和提升速度增加一倍。图2.2单绳缠绕式提升机的示意图因本课题中提升重量为2000KG，较小，采用此方案即能满足给定条件要求，更能降低钢丝绳对于卷筒直径的要求。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第5页共91页3工作装置的设计计算3.1钢丝绳钢丝绳是起重机械中使用最为广泛的传动挠性件。其优点是：卷绕性好、承载能力大、自重轻、运行时平稳无噪音，适于高速传动；弹性好、强度高、过载能力强，工作时一般不会发生突然断裂，比较可靠。因而，获得广泛应用。3.1.1钢丝绳的材料及制造钢丝绳是由许多直径为0.5～2mm高强钢丝绕编而成。钢丝的材料通常采用优质碳素钢，其含碳量约为0.15%～0.18%，含硫磷量不大于0.03%，拉伸强度极限通常为1400～2000N/,特殊情况下可达2400N/。起重机中使1600～1800N/的较适宜。钢丝的品质根据内弯次数的多少分为特级、Ⅰ级及Ⅱ级。起重机采用Ⅰ级，特级用于载客电梯，Ⅱ级用于系物等次要用途。根据不同的使用目的，其结构和绕编方式各不相同，起重机采用双重绕钢丝绳。3.1.2钢丝绳的种类钢丝绳根据不同的结构和编绕方式而有不同种类。1.钢丝绳的捻绕次数（1）单绕绳图3.1所示，单绕绳是由若干层钢丝绳依次围绕一根钢芯绕制而成。这种钢丝绳的构造最简单，其特点是刚性大，挠曲性差，不宜用作起重绳，可用作起重机的桅索、拉索和架空索道的承载索等。（2）双绕绳图3.2所示，双绕绳是先由钢丝拧成股，然后再将股拧成绳。这种钢丝绳挠性较好，是起重机常用绳。（3）三绕绳图3.3所示，三绕绳是把双绕绳作为股，再由几股拧成绳。这种钢丝绳挠性特别好，但由于制造复杂，并且钢丝较细，容易磨损折断，起重机中一般不用。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第6页共91页图3.1点接触股图3.2双绕绳图3.3三绕绳2.钢丝绳的捻制方法（1）顺绕绳图3.4a所示，钢丝绳绕成股与股绕成绳的方向相同。这种钢丝绳挠性好，表面光滑，使用寿命长，但容易自行松散和扭转。因此它只能用于经常保持张紧状态的地方，如小车运行机构的牵引绳。（2）交绕绳图3.4b所示，钢丝绳绕成股与股绕成绳的方向相反。其挠性与使用寿命都较顺绕绳差。但由于股与绳的扭转趋势相反，克服了扭转和易松散的缺陷，故在起重机中使用较广。（3）混绕绳图3.4c所示，即一半顺绕，一半交绕。因工艺复杂，极少应用。图3.4钢丝绳的绕向a．顺绕绳；b.交绕绳；c.混绕绳3.股的形状（1）圆股绳图3.3所示，钢丝绳中的股为圆形。制造方便，一般常用。（2）异形股绳图3.5所示，钢丝绳中的股呈三角形、椭圆形及扁圆形等。这种钢丝绳与滑轮槽和卷筒槽接触良好，使用寿命长，但制造复杂。图3.5异型股钢丝绳a．三角股钢丝绳；b.椭圆股钢丝绳；c.扁股钢丝绳南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第7页共91页（3）多股不扭转绳图3.6所示，钢丝绳中各相邻层股的捻向相反。这种钢丝绳在卷筒上接触表面较大，抗挤压强度高，寿命长，而且受力时其自由端不会发生旋转。特别适宜于用作起升高度特大的自升式塔式起重机的起升钢丝绳。图3.6不扭转钢丝绳的构造与抗扭机理a.4种多层不扭转钢丝绳构造示意图b.不扭转钢丝绳内外层绳股的捻向及其抗扭特性形成的机理示意图4.钢丝绳中钢丝与钢丝的接触状态（1）点接触钢丝绳图3.7a所示，绳股中各层钢丝直径均相同，而内外各层钢丝的节距不同，因而相互交叉形成点接触。缺点是接触应力高，表面粗糙，易破断，使用寿命低。但因其制造工艺简单，价格低廉，曾广泛用于起重机中，先逐渐被线接触钢丝绳索代替。图3.7二种接触的钢丝绳a.点接触；b.线接触（2）线接触钢丝绳图3.7b所示，绳股由不同直径的钢丝绕制而成。通过断面几个尺寸的适当配置，使每一层钢丝的节距均相等，并使外层钢丝位于内层钢丝绳之间的沟槽内，内外层钢丝互相接触在一条螺旋线上，形成线接触。这种钢丝绳消除了点接触钢丝绳所具有的二次弯曲应力，可降低工作时总的弯曲应力，承载能力高，而且挠性好，耐腐蚀，使用寿命长，在起重机得到了日益广泛的应用。线接触钢丝绳根据绳股断面的结构又可分为三种形式：1)西尔型图3.8(a)所示，又称外粗式，代号为X。这种钢丝绳股中，外南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第8页共91页层钢丝粗，内层钢丝细，同一层钢丝的直径相同。其特点是耐磨性好，但挠性较差。2)瓦林吞型图3.8(b)所示，又称粗细式，代号为W。这种钢丝绳股的外层由不同直径的钢丝组成，配置的细钢丝同时保持与三根相邻钢丝接触，其断面填充系数高，挠性好，承载能力大，是起重机常用的形式。3)填充型图3.8(c)所示，代号为T。在股中内外层钢丝形成的沟槽中填充细钢丝，断面填充系数高，增加了承载能力。（3）点、线接触钢丝绳图3.9(d)所示，这是一种混合结构的钢丝绳。如图所示其外面为西尔型，里面是是点接触。（a）（b）（c）（d）图3.8线接触股图3.9点、线接触绳a．西尔型；