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1、精选优质文档-倾情为你奉上JK-21式矿井提升机主轴装置设计摘要：主轴装置是单绳缠绕式矿井提升机的主要工作机构，要求我们应认真设计，精心制造，这对于确保矿井提升机安全可靠运行，预防和杜绝故障及事故的发生，具有十分重要的意义。本文针对矿山机械的特殊要求，重点设计主轴部件。主轴是传递动力的装置，在设计时需要考虑键对主轴强度的削弱及其装配问题，轴的工艺要求等，同时计算其承受的弯扭力矩，确定危险断面进行校核；同时对轴承进行选型校核关键词：提升机；主轴；轴承；校核2JK-2 1type mine hoist spindle unit designAbstract: The spindle device
2、is a single rope winding hoist machine main body of work, we should carefully design, careful manufacture, to ensure the safe operation of mine hoist, prevention and eliminate failures and accidents, has very important significance. According to the special requirements of mining machinery, focused
3、on the design of spindle parts. The spindle is a power transmission device, in the design needs to consider the key to the main strength weakening and its assembly problem, axis technology requirements, at the same time to calculate the bending moment under, determine the dangerous section check; at
4、 the same time on the bearing selection checkKeywords: Lifting machine; spindle bearing; check; 目录专心-专注-专业2JK-21式矿井提升机主轴装置设计1 引言矿山生产的全过程离不开运输和提升工作。因此，运输和提升工作的好坏直接关系到矿山生产能否正常高效的进行。如果说运输线路是矿山生产的动脉，那提升设备则是其咽喉，可见其重要性和必要性。提升机是联系井下和地面的主要运输工具，矿井提升工作是整个采矿工程中的重要环节。从地下采出的煤炭、矿石必须提升至地面才有实际应用价值。废石的提升、工作人员、材料及设备的
5、升降等都要靠提升工作来完成。矿井提升机是矿井提升设备中的动力部分，其由电动机、减速器、主轴装置、制动装置、深度指示器、电控系统和操纵台等组成。矿井提升机的主轴装置是其主要的工作机构，它不仅要承受各种正常载荷（包括固定载荷和工作载荷），还要承受各种紧急事故情况下所造成的非正常载荷。本课题研究内容为2JK21矿井提升机主轴装置设计，为了使提升机高效、安全、可靠地为国内外矿山机械用户服务，实现广大用户和企业的经济双赢，实现矿山机械用户的高效、安全、低耗的良性经济发展态势。设计者要综合运用机械设计等知识，通过设计计算、绘图以及运用技术标准、规范、设计手册等有关资料，完成预期设计任务，并使机械设计的基本
6、技能得到训练。本设计在已有设计基础上针对新的市场、资源等要求，进行深入分析研究，对原有产品的结构进行一定的改善，设计新一代的改进型产品以适应市场需要，即在基本型产品的基础上，开发出能耗低、重量轻、经济实用的改进型产品。 2 提升机简介2.1 矿井提升机的发展概况矿井提升设备是联系井下和地面的主要运输工具，废石的提升、工作人员、材料及设备的升降等都要靠提升工作来完成。矿井提升机是矿井提升设备中的动力部分，由电动机、减速器、主轴装置、制动装置、深度指示器、电控系统和操纵台等组成。根据提升机工作原理和结构的不同，矿井提升机有以下一些类型：图2-1 矿井提升机分类我国目前广泛使用的有单绳缠绕式提升机和
7、多绳摩擦式提升机两种。2.2 矿井提升机生产过程简介矿井提升机是提运矿石、废石、升降人员、下放材料和工具的设备。提升容器有罐笼和箕斗。根据井筒倾角的不同,提升容器分为立井用和斜井用两种。不同类型矿井提升机的工作方式和工作环境各有所相同，但其根本的工作原理是相似的，单绳缠绕式提升机提升原理示意图如图2-2所示：通过滚筒或齿轮的旋转带动皮带或链条升降，从而实现箕斗或罐笼的升降，在井下和地面之间往复运动，进行对煤和人员、货物的运输。图2-2 提升原理示意图2.3 单绳缠绕式提升机的工作原理单绳缠绕式提升机的主要部件有主轴、卷筒、调绳离合器、主轴承、减速器、深度指示器和制动器。示意图如下：图2-3 单
8、绳缠绕式提升机单绳缠绕式提升机是较早出现的一种类型，工作原理比较简单，就是将钢丝绳的一端固定在卷筒上，另一端绕过井架上的天轮与提升容器相连接，利用两个卷筒上钢丝绳的缠绕方向的不同，当提升机转动时，使两个容器一个上升一个下降，以完成任务，这种提升机在我国矿中广泛使用。 3 提升机结构分析3.1 提升机的选择本设计按照中华人民共和国机械工业部标准及JB264679单绳缠绕式矿井提升机型式基本参数与尺寸，其型号表示方法符合中华人民共和国机械工业部JB160475矿山机械产品型号编制方法的规定。型号示例：2 J K2 1 矿井提升机双筒*_ | | | | |_卷筒宽度1m 卷扬机类_ | | | 矿
9、井提升机 _| |_卷筒直径2m注：*单筒无此代号 2JK21提升机主轴装置设计的主要参数为：1）卷筒直径2000mm ；2）最大提升速度不大于 ；3）提升量为150m;4）电动机的功率为110kW;5）钢丝绳的最大静张力为61kN;6）钢丝绳的最大静张力差为40kN;7）卷筒宽度为1000mm。3.2 提升机的主要结构3.2.1主轴主轴承受各种正常载荷（包括固定载荷和工作载荷）及各种紧急事故情况下所造成的非常载荷。它同时承受扭矩和弯矩，因此应具有足够的强度和刚度。主轴有两种不同的结构：一种是光轴，另一种是带有两个法兰的轴。本设计采用光轴结构。3.2.2卷筒卷筒用来缠绕提升钢丝绳，应满足所需容
10、绳量的要求，它承受尚未缠到卷筒上的钢丝绳弦拉力使卷筒产生的扭转和弯曲及已缠到卷筒上的钢丝绳对筒壳产生的径向压缩，因此应具有足够的强度。3.2.3主轴承主轴承受的载荷通过轴承传递给基础，主轴承采用双列向心球面滚子轴承。它主要用于承受径向载荷，也能承受少量的双向轴向载荷。具有调心性能，适用于多支点轴、弯曲刚度小的轴以及难于精确对中的支承。该轴承结构简单，传动效率高，承载力大，使用中只需定期加注润滑脂即可，减少了用户的维修工作量。3.2.4盘形制动器装置在早期的提升机系列产品中，制动装置一般采用的都是角移式制动器、平移式制动器和综合式制动器。但是角移式制动器具有围抱角较大，所产生的制动力矩也较小的缺
11、点，而且由于闸瓦表面的压力分布不够均匀，闸瓦上下磨损也不均匀；平移式制动器则因为结构比较复杂，对于用户的维护和检修都十分不便；综合式制动器所能产生的制动力矩也比较小，不能适用于大功率、高速运转系统的紧急制动，容易给用户带来潜在的安全隐患。结合实际生产和工作的经验，本设计采用盘形制动器装置。盘形制动器装置是以实现提升机的工作制动和安全制动，其工作原理是液压松闸，弹簧力制动。 它的制动力矩是靠闸瓦沿轴向从两侧压向制动盘产生的，为了使制动盘不产生附加变形，主轴不承受附加轴向力，盘闸都是成对使用。根据所要求制动力矩的大小，每台提升机可布置多副制动器。3.2.5深度指示系统深度指示系统是提升机的重要组成
12、部分，其功能有如下几点：1）指示提升容器在井筒中的实际位置。2）发送减速、过卷等讯号。3）进行限速保护。深度指示器系统一般有三种类型，多水平深度指示系统(监控器)，牌坊式深度指示器系统，圆盘式深度指示器系统。为满足提升机在各种工况下的使用要求，本设计配备有监控器和牌坊式深度指示器以及光电测速传感器系统。一般对于多水平提升的矿井，应优先采用监控器系统，对于单水平提升的矿井，用户可任选一种或多种组合使用，本设计推荐使用光电测速传感器系统。3.2.6减速器齿轮减速器是矿井提升机机械系统中一个很重要的组成部分，它的作用主要是用来传递回转运动和动力。包括用电动机输出的转速经减速器降至提升卷筒所需的工作转
13、速；把电动机输出的力和扭矩经减速器增至提升卷筒所需的力和工作扭矩。在矿井提升机上，减速器的常见结构形式有：渐开线行星齿轮减速器、平行轴圆弧齿轮减速器、平行轴渐开线圆柱齿轮减速器、双输入轴渐开线（圆弧）齿轮减速器、同轴式弹簧基础减速器。由于行星齿轮减速器具有体积小、重量轻、承载能力大、传动效率高和工作平稳等一系列优点，因此本设计采用行星齿轮减速器。3.2.7 联轴器提升机采用的联轴器有两种结构：减速器低速轴与主轴装置的联接采用齿轮联轴器。此种联轴器传递扭矩大，并能补偿安装时两轴的微量偏斜和不同心。减速器高速轴与主电机的联接采用弹性棒销联轴器，此种联轴器由于采用弹性元件和整体外套结构，因此不仅能减
14、少机器启动和停车前的惯性冲击，并能确保两轴联接的安全可靠。3.2.8调绳离合器对于齿轮调绳离合器，分为两类包括轴向移动式和径向移动式齿轮调绳离合器，由于轴向移动式离合器对齿困难，一般调绳需十多分钟，所以本设计选用径向移动式齿轮调绳离合器，较前者有对齿方便，调绳时间短，结构简单，能传递较大转矩的优点，但所能调节绳长的数值受离合器齿数的限制，所以应考虑满足最小调绳距离的要求。图3-1 径向齿块式调绳离合器结构及工作原理图1-内齿圈 2-齿块 3-拔叉 4-移动毂 5-调绳液压缸 6-联锁阀内齿圈1固定在游动卷筒的轮辐上，齿块2通过移动毂4的带动与内齿圈1啮合或断开，移动毂由液压缸5的活塞杆推动。4
15、 主轴的设计与校核4.1主轴装置的设计4.1.1钢丝绳 根据查阅相关资料，钢丝绳直径为24mm，最小破拉力为500kN。4.1.2卷筒宽度B 根据卷筒直径和计算所得的卷筒宽度选择标准提升机，此处选B=1m。4.1.3钢丝绳最大静张力Fjmax Gr容器自重；本设计选用为2000kg。Q 载重量；本设计选用为3000kg。P 钢丝绳每米重量，Kg/m。本设计选用为2.84kg/m。钢丝绳安全系数n的验算：n=500/61=8.2本设计满足升降物料的要求。4.1.4钢丝绳最大静张力差FF= =40kN4.1.5电动机功率 选用的电动机型号为：JR1268电动机。性能参数如下：转速 735r/min
16、功率 110kW4.2 主轴结构的选择设计主轴是提升机承载的主要部件，提升机的主要工作构件如滚筒、轴承、离合器以及联轴器等均安装在主轴上。电动机通过主轴驱动滚筒主轴也是传动的主要部件。提升机主轴应能承受工作过程中的外负荷而不发生残余变形和过量的弹性变形，同时要保证一定的使用寿命。主轴往往是提升机中重量最大的一个零件，其尺寸和传递的力矩也较大。因此，在结构上除应满足强度和刚度要求外，还应重视工艺和安装方面的问题。主轴的结构设计应考虑如下几点；(1)要便于起吊、拆装和加工。零件在轴上要求定位准确，工作中不发生移动。例如，为了便于安装、找正，提升机主轴目前一般做成两支点。为了便于加工，主轴轴向尺寸不
17、宜过长以免需要大型工装及需要大型炉进行热处理等。如图4l所示的双滚筒主轴，为厂里安装上的方便，在死滚筒左支轮侧留有一定间隙，在活滚筒有轮教两端固定有挡环作为调整环，以便在装配时修正。图4-1 主轴结构(2)滚筒在轴上的固定方法可用切向键也可用静配合，但不论用何种方法都应使连接可靠，不允许在运转中出现松动现象。对键连接应有防迟装置。双滚筒提升机每个滚筒仅在一个支轮轮毂处固定就可以了。对于活该筒，为了避免因多次调绳操作后轴上磨出构槽，所以在其右轮毅与主轴问加设衬套。（3）轴的结构应尽量使轴受力合理，避免或减轻应力集中，以保证轴的疲劳强度。轴径变化处过渡圆角半径不应过小。根据需要和可能对主轴进行表面
18、强化处理（如喷丸、滚压等）以提高其疲劳强度。（4）主轴是主要承载部件，且受交变应力，故对其工艺要求较高。主轴锻造后必须进行探伤实验及机械性能试验，当有裂纹及其他缺陷存在时，此轴的寿命会受到影响。主轴加工后要进行热处理，热处理方法有用正火也有用调质的。（5）主轴材料一般采用优质中碳钢，最常用的是45碳素结构钢。这种材料价廉、对应力集中敏感性小、加工性能好，通过调质处理，可获得强度、耐磨性和冲击韧性都比较好的综合机械性能。一般不采用合金钢，因为碳钢与合金钢的弹性模量相差很小，用合金钢虽可提高主轴强度，但对提高主轴刚度意义不大。其主要机械性能如下表：表4-2 45钢的主要性能参数热处理正火 回火毛坯
19、直径 mm100300300500500750硬度 HB162217162217156217抗拉强度b 580560540屈服强度s 290280270弯曲疲劳极限-1 235225215扭转疲劳极限-1 135130125许用静应力+ 238224216许用疲劳应力-11561801501731431654.3 主轴的校核4.3.1 固定载荷分配于主轴各轮毂作用点上的力已知条件为：卷筒直径：D=2000mm；卷筒宽度：B=1000mm；钢丝绳最大静张力：Fjmax=61KN ；钢丝绳最大静张力差：Fj =40KN；主轴全重：Gz=5000kg；固定卷筒左右轮毂重：Ghz=400kg，Ghy=
20、400kg；固定卷筒筒壳重：Gh=2218kg；一个卷筒上的木衬重：Gm=300kg；钢丝绳直径d=24mm；一次提升总量（包括钢绳的重量）：F=61KN；提升加减速度a=0.5m/s2 ；略去联轴器重及周边不平衡力；活动卷筒左右轮毂重：Gsz=400kg， Gsy=400kg；活动卷筒筒壳重：Gs=2218kg；1）主轴自重作用于轮毂山的力主轴单位长度重q为：主轴自重作为集中力分配于轮毂作用点上，计算如下:附加于 点1 点2 点3 点4 2）卷筒、轮毂等自重作用于轮毂上的力，计算如下：附加于 点1 点2 点3 点4 3）合成的固定静载荷 四种工况下的值为：4.3.2钢丝绳张力分配于主轴各轮毂
21、作用点上的力1）钢丝绳张力及其位置的计算分四种工况计算死卷筒提升开始 经计算得： 得出活卷筒上的纲绳张力：距左挡板距离: mm得出死卷筒上的钢绳张力：距右挡板的距离 : mm死卷筒提升终了 经计算得：得出活卷筒上的纲绳张力: 距左挡板距离 : mm得出死卷筒上的钢绳张力: 距右挡板的距离: mm 活卷筒提升开始 经计算得：得出活卷筒上的纲绳张力: 距左挡板距离: mm 得出死卷筒上的钢绳张力: 距右挡板的距离: mm活卷筒提升终了 经计算得：得出活卷筒上的纲绳张力: 距左挡板距离：mm 得出死卷筒上的钢绳张力： 距右挡板的距离：mm2）钢绳张力在各轮毂上的分配根据钢绳在卷筒上的位置及卷筒的结构
22、尺寸，按杠杆比例关系（即简支梁求反力的关系），把钢绳张力分配于1、2、3、4各点，计算结构如下：工况I：经计算得：活卷筒，死卷筒， 工况II：经计算得：活卷筒， 死卷筒 ， 工况：经计算得：活卷筒， 死卷筒，工况：经计算得：活卷筒， 死卷筒， 由于出绳角为水平方向（最危险方向），所以上述的、 都是水平方向的力。4.3.3作用于轴上水平方向及垂直方向的合力将钢绳张力的垂直分力（实际上各分力均为零）与合成固定静载荷相加，则得作用于轴上垂直方向的合力；而作用于轴上的水平方向的合力就等于钢绳张力的水平分力。其计算如下：角标代表作用点1处的垂直力，头标（1）表示工况I图4-2 受力简图工况I ， ，；
23、， ， ，；工况II ，； ， ，；工况III ，； ，；工况 ， ，； ， ， ， ；4.3.4计算支点反力 下标表示左支轮的垂直反力， 表示右支轮垂直反力，表示右支轮水平反力，表示左支轮水平反力，上标表示工况I图4-3 受力简图工况I 垂直合力对主轴所造成的支点反力对于左轴承对于右轴承 水平合力对主轴所造成的支点反力 同理亦可计算出其它各种工况时的支点反力，计算如下：工况II =20579N，=24241N =20320N，=23002N工况III =20579N，=24241N =20907N，=17282N工况 =20579N，=24241N =8356N，=29144N4.3.5 计
24、算弯矩工况I （1）垂直力对主轴所造成的垂直弯矩在1、2、3、4各点分别为：（2）水平力对主轴所造成的弯矩（3）合成弯矩受力分析图如下： 图4-4 弯矩图同理亦可计算出其它各种工况时的弯矩，比较得：工况I合成弯矩最大 4.3.6 计算扭矩及扭转强度在计算扭矩时，由于支撑活卷筒右轮毂到左轴承中心线处的轴都不受扭矩。1）扭矩死卷筒提升开始扭转切应力45号钢许用扭转切应力=2545 故满足强度要求死卷筒提升终了时 同理可求出活卷筒提升开始和终了时的扭转切应力为： 按扭转强度校核，主轴满足强度要求。4.3.7 计算危险断面的安全系数轴的材料为45号钢调质， 断面3：，有切向键抗弯断面系数为 ：最大弯应
25、力： 最大扭应力： 最小弯应力和扭应力分别为： 应力辐： 平均应力： 抗弯安全系数： 合成安全系数：故按扭转、弯扭合成等校核主轴强度都符合要求。 5 轴承的设计与校核5.1 轴承选取根据轴的直径选择轴承型号，查手册可得：调心滚子轴承23060查手册可得其相关参数如下：基本尺寸/mm d: 300基本尺寸/mm D: 460基本尺寸/mm B: 118安装尺寸/mm d a (min): 318安装尺寸/mm D a (max): 442安装尺寸/mm r a (max): 3其他尺寸/mm d2: 344其他尺寸/mm D2: 414.4其他尺寸/mm B0: 16.7其他尺寸/mm r(mi
26、n): 4计算系数|e: 0.23计算系数|Y1: 3.0计算系数|Y2: 4.4计算系数|Y0: 2.9基本额定载荷/k N Cr: 1860基本额定载荷/k N C0r: 3690极限转速/(r/min)|脂: 670极限转速/(r/min)|油: 850重量/k g W: 71.4轴承代号圆柱孔: 23060 CC/W33轴承代号圆锥孔: 23060 CCK/W335.2 轴承校核查机械设计(第八版)P318表13-3可得：预期计算寿命=又查P319页公式13-5得： =其中为指数。对于球轴承=3，对于滚子轴承= 因为只承受径向载荷，所以P=51987N根据所选轴承及其有关参数代如公式得
27、：L h= =h其中:C=1860KN n=670 = 与预期计算寿命L h=相比较满足预期得寿命要求。总结本文首先对矿井提升机做了简单的阐述，并介绍了矿井提升机的工作原理。对矿井提升机有了初步的认识。然后根据实际发展需要以及使用要求，结合前人设计的基础，按照自己所要设计的要求，对矿井提升机主轴进行设计。主轴是提升机承载的主要部件，提升机主轴应能承受工作过程中的外负荷而不发生残余变形和过量的弹性变形，同时要保证一定的使用寿命。总结这次2JK-21式矿井提升机主轴装置设计，大体可以归纳为以下几点：通过市场调查，首先了解了矿井提升机种类，并熟悉了各类提升机的功能特点、使用要求等。在对提升机有了一定
28、的了解后，将各类矿井提升机的主轴结构作了对比，最终确定了本次设计的2JK-21式矿井提升机主轴设计方案。在确定了设计方案之后，就对2JK-21式矿井提升机主轴的结构进行了设计。在设计过程中通过参考其它形式的提升机主轴的特点，再结合了自己的设计思想，最终把此次2JK-21式矿井提升机主轴设计成满足生产要求的部件。提升机是联系井下和地面的主要运输工具，矿井提升工作是整个采矿工程中的重要环节。从地下采出的煤炭、矿石必须提升至地面才有实际应用价值。因此，在工作的情况下它必须要承受一定的载荷。所以，在设计2JK-21式矿井提升机主轴后，还对它的强度、刚度进行验算，以保证提升机有足够的承载能力来安全有效地
29、工作。除了对2JK-21式矿井提升机主轴的结构进行设计、验算外，还进行了轴承部分的验算、校核。致 谢经过两个多月的努力，我的毕业设计顺利完成了。在这里，我向所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人，对他们表示深深的谢意。感谢我的指导老师。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。本设计从题目的选择到最终完成，老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。没有他们的悉心指导，就没有这次毕业设计的顺利完成。感谢我的大学期间的全体老师。没有他们的谆谆教导，我就不可能具备扎实的机械专业知识。感谢兄弟姐妹们，在生活与学习中，对我的关怀与帮助。怀念我们一起经历
30、的点点滴滴。感谢我的父母亲，一直以业对我无私的关怀，他们永远是支撑我前行的最大动力。参考文献1濮良贵 纪名刚主编，机械设计（第八版），高等教育出版社，2006.52机械设计手册软件版V3.03矿井提升机故障处理和技术改造编委会编著，矿井提升机故障处理和技术改造，机械工业出版社2005.14范厚军主编，紧固件手册，江西科学技术出版社，2004.15中国矿业学院主编，矿井提升设备，煤炭工业出版社，1980.96刘鸿文主编，材料力学I、II第4版，高等教育出版社，2005.47文九巴主编，机械工程材料，机械工业出版社，2005.18侯守明主编，工程图学，中国矿业大学出版社，2007.19汪凯主编，机械设计标准应用手册，机械工业出版社，1997.810张松林主编，轴承手册，江西科学技术出版社，2005.211冯辛安主编，机械制造装备设计（第二版），机械工业出版社2006.312冯之敬主编，机械制造工程原理，清华大学出版社，2005.4 13孙桓 陈作模主编，机械原理（第七版），高等教育出版社，2006.514 潘英主编，矿山提升机械设计，中国矿业大学出版社2001.115任济生 唐道武 马克新主编，机械设计课程设计，中国矿业大学出版社，2008.816李炳文 王启广主编，矿山机械，中国矿业大学出版社2007