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摘 要
結合設計任務，通過對JZ16T型鑿井絞車的結構和工作原理的闡述，本文主要闡述了JZ16T型鑿井絞車設計結構、傳動方案、以及各零部件的計算。包括電氣系統(tǒng)對整體運行的控制，液壓氣動裝置對制動所起的作用。本設計思路清晰，內容簡明，從結構設計、零件計算到總體安裝，言簡意賅，準確描述了整個設計過程中所涉及到的每個環(huán)節(jié)，詳細分析了JZ16T型鑿井絞車設計中的關鍵技術。
本設計說明書的主要內容包括：JZ16T型鑿井絞車的性能及其發(fā)展狀況，JZ16T型鑿井絞車的起升機構和電氣系統(tǒng)的分析與計算，開式齒輪的計算，制動機構的選擇與計算，傳動系統(tǒng)的設計與布局。
關鍵詞：鑿井絞車 制動器 卷筒 齒輪 傳動系統(tǒng)
Abstract
Including the electrical system to control the overall operation, hydraulic and pneumatic device plays the role of braking. This design is clear, concise content, concise and comprehensive from the structural design, calculating to overall installation, accurate description of each link, which involves the entire design process, a detailed analysis of the key technology in the design of JZ16T type shaft sinking winch.
The main content of the design specifications include: the performance of JZ16T type shaft sinking winch and its development status, JZ16T mine shaft sinking winch hoisting mechanism and electrical system analysis and calculation, calculation of open gear, selection and calculation of braking mechanism, design and layout of the transmission system.
Keywords: sinking winch brake drum gear transmission system
目 錄
摘要 Ⅰ
第一章 概述 1
1.1 設計題目簡要說明 1
1.1.1 絞車的分類 2
1.1.2 絞車的特點和性能要求 2
1.1.3 國內外鑿井絞車發(fā)展狀況 3
1.2 設計任務 7
第二章 JZ16鑿井絞車總體結構設計 9
2.1 引言 9
2.2 技術規(guī)格與參數(shù) 9
2.3 鑿井絞車的整體設計方案 10
2.3.1 鑿井絞車的結構簡圖 10
2.3.2 鑿井絞車的工作原理 10
第三章 傳動部件設計計算 13
3.1 鋼絲繩的選擇與計算 13
3.1.1 選擇鋼絲繩的參考因素 13
3.1.2 鋼絲繩選擇 14
3.2 計算卷筒尺寸 15
3.2.1卷筒結構形式的確定 15
3.2.2 卷筒尺寸的計算 16
3.3 電動機的選擇 17
3.3.1 選擇電動機類型結構型式 17
3.3.2 確定電動機容量 18
3.4 減速器選擇 19
3.4.1 減速器類型 19
3.4.2 選擇減速器型號 20
3.5 開式齒輪傳動的計算 20
3.5.1 齒輪的分類與特點 21
3.5.2 齒輪型式選擇與強度計算 21
3.5.3 齒輪結構參數(shù) 26
3.6 卷筒軸的設計 26
3.6.1 軸的種類和特點 26
3.6.2 軸的材料選擇 27
3.6.3 軸的結構設計 28
3.6.4 軸的強度計算 30
3.6.5 軸的缺陷及其壽命問題 32
3.7 軸承的選擇和校核 33
3.7.1 卷筒軸兩端軸承 33
第四章 制動機構 35
4.1 制動機構的組成與工作原理 35
4.1.1 制動機構的組成 35
4.1.2 工作原理 35
4.2 制動器的選擇與計算 36
4.2.1 塊式制動器的選擇 36
4.2.2 棘輪停止器設計 36
4.2.3 帶式停止器設計 40
第五章 氣動系統(tǒng)的設計 43
5.1 氣壓系統(tǒng)設計 43
5.1.1 氣壓系統(tǒng)原理圖 43
5.1.2 汽缸的選擇與計算 43
5.2 選擇控制元件 45
5.2.1 換向閥選擇 45
5.2.2 減壓閥選擇 46
第六章 結論 47
參考文獻 48
致謝 49
第一章 概述
1.1 設計題目簡要說明
本設計針對JZ16T 型鑿井絞車進行總體設計，對JZ16T 型鑿井絞車的結構和工作原理的闡述，詳細分析了JZ16T 型鑿井絞車設計中的關鍵技術。主要設計鋼絲繩、卷筒、開式齒輪及電動機與減速器的選擇。根據(jù) JZ16T 型鑿井絞車的自身特點選用各種零部件。其中以開式齒輪的設計為重點，根據(jù)電動機功率及減速器傳動比，得出開式齒輪傳動比，再由多方面因素具體設計開式齒輪的齒數(shù)、分度圓直徑及齒寬。制動機構的設計也是本設計中的重點，卷筒的一側設計有兩套安全制動器，即帶式制動器和棘輪制動器。最后進行的是鑿井絞車傳動裝置的總體設計，主要包括擬定傳動方案、選擇電動機、確定總傳動比和確定各級分傳動比以及計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)。這些都需要學生親自動手動腦，鍛煉自己的能力，運用自己所學過的各方面知識，來完成本設計。通過本設計可增強學生對機械設計步驟的認識，加強了這方面的知識，也是對學生總體能力的考核，從中認識到自己的不足。對以后同學們進入工廠或生產基地具有一定的幫助。
圖（1-1）JZ16T鑿井絞車
絞車是工業(yè)生產過程中一種常見的機械，具有悠久的發(fā)展歷史和比較成熟的設計制造技術。隨著絞車制造技術的不斷提高、加工材料的不斷改進以及電子控制技術的不斷發(fā)展，絞車在動力、節(jié)能和安全性等方面取得了很大的進步。目前，絞車正被廣泛地運用于礦山、港口、工廠、建筑和海洋等諸多領域。
在礦山采掘和運輸場合，絞車作為重要輔助設備被大量而廣泛地運用著，例如鑿井絞車、調度絞車、耙礦絞車和礦用提升絞車等。提升絞車可用于礦山豎井或斜井中物品與人員的調度，具有較大的牽引功率和很好的安全性，是礦山生產中不可缺少的設備之一。
絞車的另一個重要用途是港口機械，常見的有集裝箱起重機、港口裝卸門座起重機、塔式起重機以及輕小型的電葫蘆等起重機械，其主要執(zhí)行機構都是各種形式和結構的絞車。對于這種用途的絞車，要求具備較好的調速性能和很高的安全性能。另外，絞車還被運用于各種線纜的存儲、制造和運輸，例如紡織機械中的用于存放絲線的線盤和電纜制造中用于存放各種直徑纜繩的纜盤。這種情況下，絞車不光要具有一定的調速能力，而且還能夠使不同直徑的纜繩排列整齊，使用歷史和多種多樣的用途。
可以說，絞車廣泛地運用于各種各樣的場合，發(fā)揮著不同的作用，也具有各種各樣的結構組成。為了更好地研究絞車的結構和性能，需要對絞車的組成和絞車的分類展開探討。
1.1.1 絞車的分類
絞車多種多樣的用途，決定了絞車的種類和組成形式也是多種多樣的。按照絞車卷筒的數(shù)量分，絞車可以分為三種：單卷筒絞車、雙卷筒絞車和三卷筒絞車。
單卷筒絞車是三種類型絞車中最常見的。它只有一個卷筒用來存放纜繩或者鉸鏈，一般用于對卷筒的容繩量要求不高的場合。
另外，按照絞車的驅動方式，通常又把絞車分為電動絞車，氣動絞車和液壓絞車三種。
1.1.2 絞車的特點和性能要求
通過對絞車應用場合的探討和絞車結構的分析，可以得知，在工程應用中絞車會具有如下一些特點：
1.負載時變
絞車用于礦山調度、電梯轎廂提升、海洋拖曳等場合時，由于外界環(huán)境因素的影響，例如貨物重量、海浪、海流等的不斷變化，它的負載也在不斷變化。這就對絞車的穩(wěn)定運行造成了很大干擾。如果不采取有效的控制手段，絞車的收放速度就不可能穩(wěn)定，有時甚至無法正常工作。
2.驅動力矩范圍大
這也是由絞車的工作環(huán)境決定的，其驅動力范圍從幾公斤到上百噸不等。
3.要求調速方便，高低速運行穩(wěn)定
由于收放工作的需要，現(xiàn)在許多絞車都需要能夠方便連續(xù)地調整收放速度。在高速運行的時候，不能出現(xiàn)飛車的情況；在低速運行的時候，不能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，而且要保持一定的輸出力矩。
4.對安全可靠性要求較高
由于絞車一旦出現(xiàn)事故，就有可能對人的生命或財產造成很大的傷害，加上絞車的工作環(huán)境大多比較惡劣，所以就要求絞車具有很高的可靠性。因此在設計絞車時設計人員應考慮到絞車的最大負載能力、絞車的防爆性、元件的可靠性等因素。
5.要求具有較好的可操作性
隨著對絞車使用要求的不斷提高以及自動化技術的發(fā)展，絞車的自動化程度也在不斷提高。一些先進的電子控制技術、通訊技術的運用，使得現(xiàn)在的絞車能夠具有很好的人機接口和遠程通信能力，極大地提高了絞車的操作性能。
1.1.3 國內外提升絞車發(fā)展狀況
礦井提升機包括機械設備及拖動控制系統(tǒng)，是聯(lián)系地下和地上的重要途徑，是礦山生產的咽喉設備，其性能好壞直接關系到礦山的生產效率和安全性及可靠性，它的安全、可靠運行是整個礦井正常生產的必要條件，一旦發(fā)生故障，所造成的經濟損失是巨大的。“運輸是礦井的動脈，提升是咽喉”形象地描述了礦井提升運輸系統(tǒng)的工作過程與重要作用。目前，國內外對提升設備經過多年的研究，近幾十年來發(fā)展的很快，尤其是提升設備的滾筒方式、制動方式和電力拖動、自動化控制等方面有很大的改進，在提升設備的理論和實踐方面都取得了豐富的經驗。
國內外對于提升絞車的優(yōu)化設計研究屬于較冷門的行業(yè)，相關的研究成果不太多。
1.1.3.1 國內提升絞車發(fā)展狀況
我國提升設備的設計制造，是在解放以后才開始的。建國初期在黨的領導下，新建和改建了許多礦山機械制造廠。20世紀五十年代撫順重型機器廠制造了我國第一臺纏繞式雙筒提升機，洛陽礦山機器廠設計制成了我國第一臺2X4多繩摩擦式提升機，這種提升機與纏繞式提升機比較，具有重量輕、體積小、安全可靠、適合較深礦井的特點，是現(xiàn)代提升機的發(fā)展方向。并已在我國許多礦山中得到普及和應用。如安徽的鳳凰山銅礦、梅山鐵礦、張家洼小官莊鐵礦、西石門鐵礦、豐山銅礦、銅坑錫礦等礦山是較早地應用多繩摩擦提升機的礦山。八十年代末投產的通鋼板石溝鐵礦18#礦組的罐籠井采用的是上海冶金礦山機械廠生產的第二臺JKD1.85 X 4多繩摩擦式提升機。該廠又新設計制造了JK型新系列單繩纏繞式提升機，新系列采用了一些新結構，與老型號比較，提升能力平均提高了25%，而機器重量也相應的有所減少。其它如JT系列礦用絞車，JKM及JKD系列多繩提升機在采用新結構提高產品性能方面都有較大改進和提高。
我國的礦用提升機其調速原理經歷了電阻調速、液壓調速、變頻調速及行星差動調速等幾次大的改進，目前國產提升機所采用的調速裝置主要有兩種類型：一是液壓傳動調速裝置（液壓調速），其產品形式即為現(xiàn)有的液壓提升絞車；二是電控調速裝置（變頻調控），其產品形式即為現(xiàn)有的傳統(tǒng)JT系列絞車。
提升機是一種重要的礦用機械，我國的提升機從上世紀七十年代開始應用于煤礦生產，極大地提高了工作效率，但安全性能較差，極易發(fā)生爆裂；八十年代為解決井下提升機防爆難題，生產了一種液壓提升機，之后又出現(xiàn)了運用變頻調速原理生產的無級調速提升機。
煤礦提升絞車是煤礦安全生產的重要設備，是安全生產的關鍵，它能否正常運行，直接關系著煤炭的產量、生產成本及礦井和職工的安全。隨著市場經濟的發(fā)展和礦井標準化建設的需要，提升絞車的運行質量越來越受到各級部門的重視。
根據(jù)<<煤礦安全規(guī)程>>規(guī)定：投入運行后的提升設備，必須由礦務局機電部門每年進行一次檢查，每3年進行一次測試，認定合格并簽發(fā)運行許可證書后方可繼續(xù)使用．每次的測試結果表明大部分的絞車使用良好，但也存在一些帶有普遍性的問題，在一定程度上制約了煤炭產量，增加了生產成本，同時也影響了煤礦的安全生產，下面就針對一些主要問題進行歸納。
1.提升設備完好率差，存在重大事故隱患。
提升裝置必須裝設下列保險裝置，即防過卷裝置、限速裝置、深度指示器失效保護裝置等，并滿足相應的技術要求，但有許多礦用絞車沒有設置，違反了相應規(guī)定。
2.制動裝置可靠性差。
制動裝置是提升絞車的重要組成部分，根據(jù)設計安裝要求，制動盤加工表面粗糙度應達到1.6，偏差越小越好，最大不應超過0.5mm．但有的礦用絞車安裝質量差，滾筒端面凹凸不平，使?jié)L筒在運轉時，制動輪間歇摩擦閘瓦，從而造成電機電流波動大，電耗增加，并加速了閘瓦的磨損。還有的絞車松閘不徹底，有時還會因為某些干擾因素引起突然緊閘現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會影響機械系統(tǒng)的使用壽命，并有可能造成斷繩等事故。
3.絞車實際運行質量較差、效率偏低。
測試中發(fā)現(xiàn)大多數(shù)絞車均采用手動控制，加速、減速及低速爬行和停車休止時間相對偏長，使絞車提升能力下降，電機電耗增加。
近年來，我國各生產廠家對結構、調速裝置等進行了許多改進，并推出了許多更新?lián)Q代的產品。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，計算機和PLC的運算速度加快、存貯能力加大、功能加強、體積減小，使煤礦機械的功能更強、性能更優(yōu)、效率更高。例如淮南張集礦2×3000kW交變頻雙電機拖動提升機，其自動化控制由主控PLC（S7－400）、監(jiān)控PLC（S7－400）、閘控PLC（S7－400）、裝載PLC（S5－115U）、卸載PLC（S5－115E）和傳動控制裝置SIMADYND及操作臺的Wincc人機界面裝置多臺計算機（PLC）組成[16]。
1.1.3.2 國外提升絞車發(fā)展狀況
國外礦用提升機的研究比較先進，并能及時地將研究的成果運用到礦用提升機的實際生產中。自1827年德國制造出第一臺蒸汽提升機以來，礦井提升機大體分為兩種形式，一種為纏繞式提升機，另一種為多繩摩擦式提升機。目前廣泛使用單繩纏繞式提升機和多繩摩擦提升機[15]。
最初提升機僅為纏繞式提升機一種，但隨著礦井開采深度及年產量日益增加，在井深達1000m以上，一次提升量達40～50t的條件下采用纏繞式提升機其鋼繩直徑要達到90mm，滾筒直徑要達到9m，電動機功率要達到4500kW。這樣的提升機制作金屬量消耗大、制造困難、成本昂貴，更重要的是直徑50mm以上的鋼繩只有幾個發(fā)達國家可以制造，而且價格貴的驚人，且壽命遠不如40mm以下的長。于是在18世紀末，出現(xiàn)了用幾根細鋼繩代替一根粗鋼繩的做法，就產生了多繩摩擦提升機。由于多繩摩擦提升機繩徑小，摩擦輪直徑小，電動機功率小，到20世紀70年代，世界上應用多繩摩擦提升機已有600多臺。
在過去的20年中，我國從德國共進口20多套大型礦用提升機，其電控配套裝置均為西門子公司的產品，其中10套是為直流電動機配套的直流電控制系統(tǒng)，其余10多套均為交頻交流電氣傳動電控配套裝置[16]。第一套是1994年為山西省常林礦主井提升機配套的，其調速性能非常理想，且節(jié)能效果相當明顯，它代表了世界礦用提升機的先進水平，也為我們指明了走節(jié)能和無級調速的路子。
特別是隨著計算機技術的飛速發(fā)展，機電一體化技術和產品在世界范圍內得到了迅速發(fā)展和應用。先進采煤國從采煤工作面、掘進工作面，到井下主煤流運輸及輔助運輸，到礦井提升及井下供電、排水等裝置，均具有建立在微處理器基礎上的監(jiān)控和保護系統(tǒng)，其機電一體化的設備、性能、可靠性和功能等有大幅度提高。如美國、澳大利亞等國由于在井下采用了先進的機電一體化設備，已實現(xiàn)無人工作面、遙控采礦甚至無人礦井；加拿大INSO公司利用現(xiàn)代通訊、井下定位與導航、在線信息處理、監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對地下鎳礦的機電一體化采礦裝備乃至整個礦山開采系統(tǒng)的遙控操作。
1.1.3.3 本文研究的背景
礦用提升機作為煤礦機械的一種，主要用于煤礦提升、下放物料，因此其市場需求量與國家對煤炭的需求量息息相關。煤炭是我國常規(guī)能源的主體，在我們這樣一個大國，能源始終占極其重要的地位。為了保證國民經濟的持續(xù)發(fā)展，煤炭產量亦要在相應時期內保持高速增長。
2000年，國家“西電東送”工程開始實施，作為西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重要組成部分，“西電東送”將西部豐富的資源和東部巨大的市場結合起來，通過北、中、南三條通道向華東地區(qū)送電。三條通道中，除中部通道是以三峽水利樞紐工程為主體送電外，南、北兩條通道均主要以煤炭作為燃料的火電基地為基礎送電。據(jù)統(tǒng)計，我國在2002年煤炭產量接近14億噸，比上年增產2.21億噸，增長20%。雖然這樣，在同年還是要從國外進口1081萬噸，進口量比2001年增加了3倍多。即使如此，全國部分地區(qū)缺煤還是很嚴重，甚至于在湖北、河南一些地方還要常常停電，一個重要原因在于煤炭緊缺，嚴重影響了國民經濟的發(fā)展以及人民的生活秩序。增加煤炭產量，加大煤炭供給量已是刻不容緩。目前，全國各地除了有很多大型煤炭公司以外，也有不少中小型煤礦，同時也不斷增加一些新建的煤礦。煤炭需求的增加必將刺激采煤機械需求的增長。此外，大量中小煤礦的存在也是促成煤機需求增長的一個重要因素。中小型煤礦主要進行地面淺表層煤炭資源的開發(fā)，由于成本、開采方式等因素的限制，這類煤炭資源不適合國有大型煤礦企業(yè)的開采，客觀上決定了在較長時間內中小煤礦仍將存在，據(jù)統(tǒng)計，在云南、貴州兩省，僅官方批準采礦的企業(yè)就達一萬多個，且平均每年以30%的速度增加，加之湖南、江西、四川、重慶、山西、、內蒙古自治區(qū)、東三省等地均在大力發(fā)展煤炭工業(yè)，加之國際提升機市場，尤其在歐美等發(fā)達國家，側重于使用數(shù)字化、智能化的高附加值產品，如德產的“機電一體化”內裝式絞車，這類產品整機性能較好，操作簡潔，但價格昂貴，使用的廠家很少。我國八十年代為解決井下提升機防爆難題，生產了一種液壓提升機，之后又出現(xiàn)了運用變頻調速原理生產的無級調速提升機。這幾類提升機都存在著功能不夠完善的問題，或防爆不能調速，或調速難以防爆，安全性能差，操作困難。在這種情況下，生產一種新型的功能較為全面的礦用提升機取代原有機型就成為各煤礦生產企業(yè)的共同需求。
由湖南遠揚煤機制造有限公司與湖南大學共同開發(fā)研制的新型礦用提升機項目。該項目產品使用NGW行星差動技術，實現(xiàn)零到最大轉速之間的無級調速，這是一種純機械的無級調速，不會產生火花，從而同時實現(xiàn)調速和防爆兩種功能。與傳統(tǒng)的液壓調速提升機和變頻調速提升機相比，取消了龐大的液壓和電控調速系統(tǒng)，減少機器占地空間，無須另行修建絞車房，更易于在狹窄的礦井條件中正常工作，大幅降低成本，該項目產品應會具有廣闊的應用前景。
1.2 設計內容
本設計分為五大主要設計內容，即起升機構的設計、制動機構的設計、電氣系統(tǒng)的設計、開式齒輪的設計、總體布局的確定設計。
1. 起升機構 JZ16T 型鑿井絞車起升機構主要由電動機，制動器，聯(lián)軸器，減速器，開式齒輪, 卷筒的組成。電動機通過聯(lián)軸器與減速器的高速軸相聯(lián)。聯(lián)軸器的一半是帶制動輪的，制動器安裝在電動機軸即高速軸上。制動器采用長臂式的瓦塊式制動器，采用電動液壓推動器作為松閘裝置，并與電動機電氣聯(lián)鎖。減速器采用三級傳動硬齒面圓柱齒輪減速器，為了滿足傳動比要求，在減速器與卷筒軸之間設計了一對開式齒輪傳動。
2. 制動機構 JZ16 型鑿井絞車除了在起升機構設計有常閉式的瓦塊制動器外，為了保證安全，還在卷筒的一側設計有兩套安全制動器，即帶式制動器和棘輪制動器。帶式制動器構造簡單緊湊，包角大（可超過2π），制動力矩大。制動輪軸受較大的彎曲作用力，制動帶的比壓和磨損不均勻，簡單和差動帶式制動器的制動力矩均與旋轉方向有關，限制了應用范圍，散熱差，適用大型要求緊湊的制動。
3. 電氣系統(tǒng) 主要是用來驅動電動機工作的電路，對電氣系統(tǒng)進行過電流保護、零壓保護、行程保護等。
4. 開式齒輪 先根據(jù) JZ16T 型鑿井絞車的工作環(huán)境來選取開式齒輪的材料，再計算出開式齒輪的齒輪類型，精度等級, 材料及齒數(shù)。
5. 總體布局 根據(jù)以上設計所得各部件的外形尺寸，確定各部件在底座的安裝位置進行合理安排，應適合運輸操作等要求。
6. 正是基于上述背景，我在導師的指導下，根據(jù)JZ16鑿井絞車已知參數(shù)，完成了結構設計，具體工作內容包括以下幾個方面：
1).根據(jù)已知參數(shù)條件，提出了提升絞車的整體設計方案，完成JZ16鑿井絞車的結構設計：包括機械傳動部分、提升機構部分、制動裝置部分。
2).完成整個鑿井絞車三維零部件的建模與裝配：利用UG軟件，對機械傳動部件和提升結構部件進行了三維建模，既有零件圖也有裝配圖。
第二章 JZ16T鑿井絞車總體結構設計
2.1 引言
JZ16T型鑿井絞車容繩量大、提升力強、平穩(wěn)可靠，主要用于豎井掘進工程中懸吊吊盤、水泵、風筒、壓縮空氣筒、注漿管等掘進設備和漲緊穩(wěn)繩，也可作其它井下和地面起吊重物用。近年來，新建礦井近半數(shù)是采用立井開拓方式。隨著新井建設和煤炭開采向深部發(fā)展，立井開拓所占比重將會增大。隨著開采深度的增大和高產高效礦井的建設，深井鑿井絞車的發(fā)展尤為重要。為了適應深井建設對鑿井絞車的要求，開發(fā)研制了JZ16T型鑿井絞車。根據(jù)提供的技術規(guī)格和設計參數(shù)，提出了提升絞車的總體設計方案。并通過設計計算，確定了齒輪減速機構的各部分結構尺寸，對其主要部件的強度進行了校核。
2.2 技術規(guī)格與參數(shù)
JZ16T型鑿井絞車主要由電動機、制動器、聯(lián)軸器、減速器、開式齒輪、卷筒等組成，其結構如圖（2-1）所示。電動機通過聯(lián)軸器與減速器的高速軸相聯(lián)。聯(lián)軸器的一半是帶制動輪的，制動器安裝在電動機軸即高速軸上。制動器采用常閉式的瓦塊式制動器，采用電動液壓推動器作為松閘裝置，并與電動機電氣聯(lián)鎖。減速器采用三級傳動硬齒面圓柱齒輪減速器，為了滿足傳動比要求，在減速器與卷筒軸之間設計了一對開式齒輪傳動，技術參數(shù)如表（2-1）。
1-電動機 2-制動器 3-減速器 4-小齒輪
5-大齒輪 6-卷筒組件
圖（2-1） JZ16T型鑿井絞車起升機構
表2-1 JZ16T型鑿井絞車的主要性能參數(shù)
額定拉力（KN）
160
額定速度 (m/s)
Max 0.16
Min 0.1
鋼絲繩型號
6○（33）+6△（21）-40-1550-I
-光-右交GB829-79
鋼絲繩直徑 (mm)
40
卷筒直徑 (mm)
700
容繩量（m）
1000
電機型號
YZR225M-6
電機功率（kw）
34
制動器型號
YWZ-400/45
2.3 提升絞車的整體設計方案
2.3.1 鑿井絞結構簡圖
JZ16T型鑿井絞車主要由起升機構、制動機構、機架和電氣系統(tǒng)等組成。如圖（2-2）所示。
1-制動機構 2-起升機構 3-電氣系統(tǒng) 4-機架
圖（2-2） JZ16T型鑿井絞車
2.3.2 提升絞車的工作原理
2.3.2.1 動力傳動系統(tǒng)
動力傳動系統(tǒng)的傳遞路線為：電機聯(lián)軸器主制動器減速器開式齒輪傳動卷筒組，傳動簡圖如圖（2-1）所示。
電動機正轉或反轉時，制動器松開制動，通過帶制動輪的聯(lián)軸器帶動減速器高速軸，經過減速后通過開式齒輪傳動驅動卷筒旋轉，使鋼絲繩繞進卷筒或由卷筒放出，從而使物品起生或下降。卷筒的正反向轉動是通過改變電動機的轉向來達到的；電動機停止運轉時，依靠制動器將高速軸的制動輪剎住，使物品保持在懸吊狀態(tài)。
2.3.2.2 卷揚系統(tǒng)
卷揚系統(tǒng)裝置含有卷筒組、主軸與軸承座。卷筒組由大齒輪、制動輪和鋼板卷筒組成，并通過平鍵聯(lián)接在主軸上。
2.3.2.3 制動機構
JZ16T型鑿井絞車除了在起升機構設計有常閉式的瓦塊制動器外，為了保證安全，還在卷筒的一側設計有兩套安全制動器，即塊式制動器和棘輪制動器。其結構如圖（2-3）所示。
1-帶式制動器 2-棘輪制動器
圖（2-3） JZ16T型鑿井絞車起升制動機構
當起升機構進行升降作業(yè)時，棘輪制動器和帶式制動器均應處于松開制動狀態(tài)，并與起升機構電氣聯(lián)鎖。即只有棘輪制動器和塊式制動器松開制動后起升機構才能進行升降運動。當起升機構進行停止升降作業(yè)時，棘輪制動器和帶式制動器均應處于制動狀態(tài)，將卷筒制動住，以防卷筒“溜車”，起到安全保護作用。棘輪制動器和帶式制動器的動作控制均采用氣動控制，氣動系統(tǒng)原理圖如圖2-4所示。
2.3.2.4 電氣系統(tǒng)
1） 電氣系統(tǒng)的組成
JZ16T 型鑿井絞車電氣系統(tǒng)主要由主電路和控制電路組成。主電路是用來驅動電動機工作的電路?？刂齐娐肥菍﹄姎庀到y(tǒng)進行過電流保護、零壓保護、零位保護、行程保護等。
2) 電氣系統(tǒng)的工作原理
JZ16T型鑿井絞車氣動系統(tǒng)原理如圖(2-4)所示。主電路的外接電路有定子電路和轉子電路兩部分。定子電路是由三相交流電源、三級刀開關、過電流繼電器的線圈、正反向接觸器的主觸點及電動機定子繞組的組成。轉子電路是由轉子繞組、外接電阻器及主令控制器的觸點等組成。轉子電路通過主令控制器觸點的分合來改變轉子電路外接電阻的大小實現(xiàn)限制起動電流和調速的目的。
1-減壓閥 2-電磁換向閥 3-汽缸 4-行程開關 5-汽缸 6-電磁換向閥
圖（2-4） JZ16T型鑿井絞車氣動系統(tǒng)原理圖
第三章 傳動部件的選擇與計算
3.1鋼絲繩的選擇與計算
3.1.1 選擇鋼絲繩的參考因素
鋼絲繩是礦井提升設備中的主要組成部分，也是礦山鋼材消耗量較大的項目之一。正確的選擇鋼絲繩不僅關系到礦井的正常生產，而且也影響著礦井工人的生命安全，又能為社會主義建設節(jié)約大量優(yōu)質鋼材。因此，煤炭工業(yè)部在《煤礦安全生產試行規(guī)程》中。對礦井提升用鋼絲繩有專門規(guī)定。有關人員對鋼絲繩的選擇、維護及檢查應子重視。
礦井提升鋼絲繩的品種很多，幾十年來的生產實踐經驗證明，只有根據(jù)不同礦井條件選用不同類型的鋼絲繩才能取得好的效果。合理的選擇和使用鋼絲繩不僅可以延長鋼絲繩的使用壽命，有利于保證提升安全，減少大量的維護工作員，同時也為國家節(jié)約大量優(yōu)質鋼材。
對于同樣的工作條件，由于選擇了不同結構的鋼絲繩，其使用壽命有可能差別很大。實驗室試驗和現(xiàn)場實踐經驗證明，在不同的使用條件下應選用不同結構的鋼絲繩，才能取得好的效果。為了正確選用鋼絲繩，下面介紹幾項與其有關的因素。
鋼絲繩的結構參數(shù)和特性是影響鋼絲繩使用壽命的主要因素。應以其做為選擇鋼絲繩的基礎?，F(xiàn)就幾項主要因素簡述如下。
3.1.1.1 鋼絲繩的結構與其破斷拉力的關系
鋼絲的抗拉強度乘以鋼絲的斷面積等于鋼絲的破斷拉力。各鋼絲破斷拉力總和與鋼絲繩的整體破斷拉力并不一致。這種由捻制所造成的破斷拉力下降的百分數(shù)稱為換算系數(shù)。
鋼絲繩換算系數(shù)的大小，與繩股內鋼絲間的相互接觸形式、捻距大小、鋼絲繩的結構等因素有關。在鋼絲繩中，鋼絲由于編捻所造成的曲率半徑越小、繩股中鋼絲的同心層數(shù)鋼絲繩的結構越復雜、鋼絲數(shù)越多，其由捻制所造成的破斷拉力損失越大。而不同結構的鋼絲繩其破斷技力的損失也不同。線接觸鋼絲繩的破斷拉力損失比點接觸結構的?。诲冧\鋼絲繩比光面鋼絲鋼絲繩的破斷拉力損失?。焕w維繩芯比金屆繩芯的鋼絲繩造成的破斷拉力損失小。
3.1.1.2 鋼絲繩的金屬斷面系數(shù)
鋼絲繩的金屬斷而系數(shù)，即鋼絲繩的金屆斷面積與鋼絲繩外接圓面積(繩徑的面積)之比。直徑相同的鋼絲繩金屬斷而系數(shù)越大，在抗拉強度相同的條件下，其破斷技力越大。對原有提升設備來講，選用金屬斷面系數(shù)大的鋼絲繩可以提高鋼絲繩的安全系數(shù)，延長其使用壽命；對新選提升設備來講，選用金屬斷面系數(shù)大的鋼絲繩，可以減小鋼絲繩的直徑，縮小提升設備體積。
3.1.1.3 繩徑、絲數(shù)、絲徑與使用略命的關系
鋼絲繩的柔軟性能，與鋼絲繩的絲數(shù)、絲徑和鋼絲間的接觸形式有關。在相同繩徑的鋼絲繩中，鋼絲數(shù)越多其柔軟性越好。
提升鋼絲繩在使用過程中的強度下降的主要因素是磨損、銹飽和疲勞斷絲。在一般提升情況下，這三種因素是同時出現(xiàn)和起作用的。由于礦井條件的不同，起主要作用的因素也不同。因此，各礦應根據(jù)礦井的具體條件、使用經驗，并
結合各種鋼絲繩的特點，合理地選擇鋼絲繩是十分必要的。下面是關于礦井提升用鋼絲繩的幾點參考意見：
1．在礦并淋水大、淋水酸堿度高和作為出風井的井筒中，由于銹蝕嚴重而影響了鋼絲繩的使用壽命。在這類礦并中甚至顯示不出好鋼絲繩結構的優(yōu)越性。因此，在這類礦井中應選用鍍鋅鋼絲繩。
2．在磨損嚴重的豎并巾，選用異型股或線接觸鋼絲繩以及面接觸鋼絲繩為好。
3．以疲勞斷絲為鋼絲繩強度損失的主要因素時，應優(yōu)先選用異型股鋼絲繩或線接觸鋼絲繩(其中以填充式尤好)。
4．從鋼絲繩的結構特點、受力狀態(tài)和使用實踐的分析結果認為，煤礦提升用繩以順捻鋼絲繩為好。
5．用于溫度高或有明火的研石山等處的提升用繩，可選用金屬繩芯的鋼絲繩。
6．鑿井提升用繩，應選用多層服不旋轉鋼絲繩。加擠壓嚴重可選用金屬繩芯鋼絲繩或面接觸鋼絲繩。
3.1.2 鋼絲繩選擇
3.1.2.1 選擇鋼絲繩類型
JZ16T型鑿井絞車的特點是懸吊吊盤或模板等物品，一般都采用多臺鑿井絞車于不同方向對吊盤等物品進行單繩懸吊。運動速度比較低，而且不經常運動。因此，選用多層異形股不扭轉鋼絲繩結構型式比較合適。
3.1.2.2 鋼絲繩直徑的確定
鋼絲繩的鋼絲在工作過程中受力情況是很復雜的，它在工作時承受拉伸、彎曲、擠壓和扭轉的作用，由此產生應力的大小除與鋼絲繩張力大小有關外，還與鋼絲繩和股的數(shù)目、繞捻方法、螺旋角大小、鋼絲間的接觸情況以及繩芯材料等有關。因此，在計算鋼絲繩直徑時，只根據(jù)靜載荷按實用計算法選擇鋼絲繩。在根據(jù)要求確定了鋼絲繩型式后，按鋼絲繩所受的最大靜力拉力和鋼絲繩的抗拉破環(huán)強度確定鋼絲繩直徑。
即： （3-1）[6]
式中： Sb --整條鋼絲繩的破斷拉力，
Smax--鋼絲繩所受最大靜拉力，
n --鋼絲繩最小安全系數(shù)，取
φ --破斷拉力換算系數(shù)，取
鋼絲繩所受最大靜拉力：
整條鋼絲繩的破斷拉力為 。
所以選擇鋼絲繩6○（33）+6△（21），公稱抗拉強度1550N/mm2，直徑d=40mm,鋼絲繩的破斷拉力總和為。
3.1.2.3 確定鋼絲繩的型號
由機械設計手冊[6]查得選擇鋼絲繩型號6○（33）+6△（21）-40-1550-I-光-右交GB829-79。
3.2 計算卷筒尺寸
3.2.1 卷筒結構形式的確定
JZ16T型鑿井絞車主要是為了適應超千米深井的建造而設計的，因此，要求卷筒的容繩量大。所以卷筒采用周邊大齒輪式卷筒組型式，并且為多層卷繞。卷筒結構如圖（3-1）所示。這種結構型式傳動速比大，適應于轉速低的場合，大齒輪為開式傳動，卷筒軸只承受彎矩。卷筒應用Q235-A鋼板卷制。
1-大齒輪 2-卷筒 3-棘輪
圖（3-1）
3.2.2 卷筒尺寸的計算
3.2.2.1卷筒直徑D
卷筒直徑按式 （3-2）[6]
計算。式中：D —卷筒直徑， mm
h —與機構工作級別和鋼絲繩結構有關的系數(shù)，取
所以, 取。
3.2.2.2卷筒壁厚δ
因為卷筒用Q235-A鋼板卷制，所以卷筒壁。故取卷筒壁厚。
3.2.2.3卷筒卷繞鋼絲繩圈數(shù)n：
因為卷筒為多層卷繞筒，卷筒長度按公式 （3-3）[6] 計算。式中： l——多層繞鋼絲繩總長度，取
——多層卷繞圈數(shù)。
根據(jù)JZ16T型鑿井絞車的結構尺寸，取卷筒長度為,所以，通過公式可計算出多層卷繞圈數(shù)n,計算得。
故卷筒最大卷繞直徑為。
3.2.2.4卷筒壁壓應力σymax的計算：
卷筒壁壓應力σymax按公式 （3-4）[6]
計算。式中： t —多層繞鋼絲繩卷繞節(jié)距，對多層卷繞的卷筒
所以，卷筒壁壓應力
許用壓應力[σy] 按公式[σy]=σs/n 計算，
式中σs —卷筒材料的屈服極限，
n —安全系數(shù)，取
所以，。
σymax ≤[σy]，強度滿足要求。
3.3 電動機的選擇
原動機是機器中運動和動力的來源，其種類很多，有電動機、內燃機、蒸汽機、水輪機、汽輪機、液動機等。電動機構造簡單、工作可靠、控制簡便、維護容易，一般生產機械上大多采用電動機驅動。
電動機已經系統(tǒng)化，設計中只需要工作機所需的功率和工作條件，選擇電動機的類型和結構形式、容量、轉速，并確定電動機的具體型號。
3.3.1 選擇電動機類型和結構形式
電動機類型和結構形式可以根據(jù)電源種類（直流、交流）、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸）和載荷特點（性質、大小、啟動性能和過載情況）來選擇。
工業(yè)上廣泛應用Y系列三相異步交流電動機。它是我國20世紀80年代的更新?lián)Q代產品，具有高效、節(jié)能、振動小、噪聲小和運行安全可靠的特點，安裝尺寸和功率等級符合國際標準，適合于無特殊要求的各種機械設備。對于頻繁啟動、制動和換向的機械（如起重機械），宜選用轉動慣量小、過載能力強、允許有較大振動和沖擊的YZ型或YZR型三相異步電動機。為適應不同的安裝需要，同一類型的電動機結構又制成若干種安裝形式，供設計時選用。
3.3.2 確定電動機的容量
電動機容量（功率）選的合適與否，對電動機的工作和經濟性都有影響。當容量小于工作要求時，電動機不能保證工作機的正常工作，或使電動機因長期過載發(fā)熱量大而過早損壞；容量過大則電動機價格高，能量不能充分利用，經常處于不滿載運行，其效率和功率因數(shù)都較低，增加電能消耗，造成很大浪費。
電動機容量主要根據(jù)電動機運行時的發(fā)熱條件來決定。電動機的發(fā)熱與其運行狀態(tài)有關。對于長期連續(xù)運轉、載荷不變或變化很小、常溫下工作的機械，只要所選電動機的額定功率Pm等于或略大于所需電動機功率P0，即Pm ≥P0，電動機在工作時就不會過熱，而不比校驗發(fā)熱和起動力矩。
冶金及起重用三相異步電動機是用于驅動各種型式的起重機械和冶金設備中的輔助機械的專用系列產品。它具有較大的過載能力和較高的機械強度，特別適用于短時或斷續(xù)周期運行、頻繁起動和制動、有時過負荷及有顯著的振動與沖擊的設備。
YZR系列為繞線轉子電動機，YZ系列為籠型轉子電動機。冶金及起重用電動機大多采用繞線轉子，但對于30KW以下電動機以及在起動不是很頻繁而電網(wǎng)容量又許可滿壓起動的場所，也可采用籠型轉子[9]。
3.3.2.1計算靜功率：
機構運轉時所需靜功率按公式 （3-5）[15]
計算。
式中：Nj —額定起重量時的靜載荷功率，kw；
—起升機構的最大速度，，；
—起升機構的額定起重量，Q=160×103N；
—傳動機構的效率，。
所以 。
3.3.2.2選擇電動機功率
選擇電動機功率按公式 計算。
所以，選取電動機功率Nd=34Kw。確定電動機型號為YZR225M-6，n=1000rpm。其技術參數(shù)及安裝尺寸如表（3-1），外形如圖（3-2）。
表（3-1）YZR 225M-6型電動機技術參數(shù)及安裝尺寸
額定功率Kw
34
轉速r/min
1000
機座號
225M
D
65
E
140
G
23.9
GD
10
F
16
圖（3-2）電動機外形
3.4減速器選擇
3.4.1 減速器的類型
減速器的類型很多。按傳動件類型的不同可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器、蝸桿減速器、齒輪蝸桿減速器和行星齒輪減速器；按傳動級數(shù)的不同可分為一級減速器、二級減速器、多級減速器；按傳動布置方式不同可分為展開式減速器、同軸式減速器和分流式減速器；按傳動功率的大小不同可分為小型減速器、圓錐齒輪減速器、中型減速器和大型減速器。
3.4.2 選擇減速器型號
卷筒轉速：；
總傳動比：。
根據(jù)電動機的功率選取減速器的傳動比和型號。選取減速器型號ZSY315-90-Ⅱ。減速器的傳動比。低速級齒輪中心距。
ZSY315-90-Ⅱ型減速器安裝尺寸如表（3-2），實物如圖（3-3）。
表（3-2）ZSY315-90-Ⅱ型減速器安裝尺寸
ZSY315-90-Ⅱ型圓柱齒輪減速器
輸入軸
輸出軸
直徑mm
長度mm
直徑mm
長度mm
42
60
65
280
圖（3-3）減速器
3.5 開式齒輪傳動的計算
齒輪是重要的基礎件，其應用廣泛，歷史悠久。目前齒輪技術可達到的指標：圓周速度v=300m/s,轉速n=105r/min,傳遞的功率P=105kW,模數(shù)m=0.004～100mm,直徑d=1mm～152.3m。
3.5.1齒輪的分類和特點
3.5.1.1 分類
3.5.1.2 特點
（1） 瞬時傳動比恒定。非圓齒輪傳動的瞬時傳動比又能按需要的變化規(guī)律來設計。
（2） 傳動比范圍大，可用于減速或增速。
（3） 速度（指節(jié)圓圓周速度）和傳遞功率的范圍大，可用于高速（v＞40m/s）、中速和低速（v＜25m/s）的傳動；功率可從小于1w到105Kw。
（4） 傳動效率高，一對高精度的漸開線圓柱齒輪，效率可達99%以上。
（5） 結構緊湊，適用于近距離傳動。
（6） 制造成本較高，某些具有特殊齒形或精度很高的齒輪，因需要專用或高精度的機床、刀具和量儀等，故制造工藝復雜，成本高。
（7） 精度不高的齒輪。傳動時噪聲、振動和沖擊大，污染環(huán)境。
（8） 無過載保護作用。
3.5.2 齒輪型式選擇與強度計算
3.5.2.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)
1）根據(jù)圖（3-4）傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。
1—電動機 2—制動器 3—減速器 4—小齒輪
5—大齒輪 6—卷筒 7—棘輪
圖（3-4）鑿井絞車傳動方案圖
2）鑿井絞車速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）。
3）材料選擇 由（表10-1）[10]選擇小齒輪材料為40Cr(調質)，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調質）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。
4）開式齒輪傳動比：。
選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)。取。
3.5.2.2 按齒面接觸強度設計
由齒面接觸強度計算公式進行試算，即
d 1t≥2.32× （3-6）[10]
（一）確定公式內的各計算數(shù)值
（1）試選載荷系數(shù)；
（2）計算小齒輪傳遞的轉矩
；
（3）由（表10-7）[10]選取齒寬系數(shù)；
（4）由（表10-6）[10]查得材料的彈性影響系數(shù)
；
（5）由（圖10-21d）[10]按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim1=600Mpa;大齒輪的接觸疲勞強度極限σHlim2=550Mpa；
（6）計算應力循環(huán)次數(shù)
60×11.1×1×(2×8×300×20)=6.3×107
6.3×107/6.61=1×107
（7）由（圖10-19）[10]查得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.96， KHN2=0.98；
（8）計算解除疲勞許用應力
取失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，由式
[σH]1==0.9×600=540Mpa (3-7)[10]
[σH]2==0.95×550=522.5Mpa (3-8)[10]
（二） 計算
（1）試算小齒輪分度圓直徑d1t,代入[σH]中較小的值
d 1t≥2.32×
（2）計算圓周速度v
=
（3）計算齒寬b
（4）計算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù)
齒高
（5）計算載荷系數(shù)
根據(jù),7級精度，由（圖10-8）[10]查得動載荷系數(shù);
直齒輪，假設。由（表10-3）[10]查得;
由（表10-2）[10]查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時
將數(shù)據(jù)代入后得
由, 查（圖10-13）[10]得,
故載荷系數(shù)
（6）按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式(10-10a)[10]得
（7）計算模數(shù)
3.5.2.3 按齒根彎曲強度計算
彎曲強度的設計計算公式為
（3-9）[10]
（一）確定公式內的各計算數(shù)值
（1）由（圖10-20c）[10]查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限；大齒輪的彎曲疲勞強度極限；
（2）由（圖10-18）[10]查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。
（3）計算彎曲疲勞許用應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式(10-12)[10]得
=
=
（4）計算載荷系數(shù)K
（5）查取齒形系數(shù)
由（表10-5）[10]查得YFa1=2.91 YFa2=2.1952
（6）查取應力校正系數(shù)
由（表10-5）[10]查得YSa1=1.53 YSa2=1.8052
（7）計算大小齒輪的并加以比較
==0.0135
==0.01505
大齒輪的數(shù)值較大。
（二）計算
對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，由于齒輪的模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關，可取彎曲強度算得的模數(shù)17.06并就近圓整為標準值，按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù)
Z1===20.75 取Z1=21
大齒輪齒數(shù) Z2==6.61×21=139
3.5.2.4幾何尺寸計算
1) 計算分度圓直徑
2) 計算中心距
3) 計算齒輪寬度
取, 。
3.5.2.5驗算
Ft==
=,合適
3.5.3齒輪結構參數(shù)
表（3-3）齒輪結構參數(shù)
名稱
小齒輪
大齒輪
模數(shù)m/mm
20
20
齒數(shù)Z
21
139
分度圓直徑d/mm
420
2780
齒頂圓直徑da/mm
460
2820
齒根圓直徑df/mm
370
2730
壓力角α
20°
20°
齒頂高ha/mm
20
20
齒根高hf/mm
25
25
齒寬B/mm
260
252
中心距a/mm
1600
傳動比i
6.61
3.6卷筒軸的設計
3.6.1 軸的種類和特點
軸是組成機械的一個重要零件。它支承著其他轉動件回轉并傳遞轉矩，同時它又通過軸承和機架連接。所有軸上零件都圍繞軸心線作回轉運動，形成了一個以軸為基準的組合體——軸系部件。所以，在軸的設計中，不能只考慮軸本身，還必須和軸系零、部件的整個結構密切聯(lián)系起來。
軸按受載情況分：
a. 轉軸 既支承傳動機件又傳遞動力，即承受彎矩和扭矩兩種作用。
b. 心軸 只起支承旋轉機件作用而不傳遞動力，即只承受彎矩作用。心軸又可分為固定心軸（工作時軸不轉動）和轉動心軸（工作時軸轉動）兩種。
c. 傳動軸 主要傳遞動力，即主要承受扭矩作用。
按結構形狀分：光軸，階梯軸，實心軸，空心軸等。
按幾何軸線形狀分：直軸，曲軸，鋼絲軟軸。
設計軸時應考慮多方面因素和要求，其中主要問題是軸的選材、結構、強度、和剛度。對于高速軸還應考慮振動穩(wěn)定性問題。
軸的設計特點是：在軸系零、部件的具體結構未確定之前，軸上力的作用點和支點見的跨距無法精確確定，故彎矩大小和分布情況不能求出，因此，在軸的設計中，必須把軸的強度計算和軸系零、部件結構設計交錯進行，邊畫圖、邊計算、邊修改。
3.6.2 軸的材料選擇
軸的材料種類很多，設計時主要根據(jù)對軸的強度、剛度、耐磨性等要求，以及為實現(xiàn)這些要求而采用的熱處理方式，同時考慮制造工藝問題加以選用，力求經濟合理。
軸的常用材料是35、45、50優(yōu)質碳素鋼，最常用的是45鋼。對于受載較小或不太重要的軸，也可采用A3、A5等普通碳素鋼。對于受力較大，軸的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的軸，可采用合金鋼。
球墨鑄鐵和一些高強度鑄鐵，由于鑄造性能好，容易鑄成復雜形狀，且減震性能好，應力集中敏感性能低，支點位移的影響小，故常用于制造外形復雜的軸。
特別是我國研制成功的稀土-鎂球墨鑄鐵，沖擊韌性好，同時具有減磨、吸振和對應力集中敏感性小等優(yōu)點，已用于制造汽車、拖拉機、機床上的重要軸類零件。
根據(jù)工作條件要求，軸可在加工前或加工后經過整體或表面處理，以及表面強化處理（如噴丸等）和化學處理（如滲碳、滲氮、氮化等），以提高其強度（尤其疲勞強度）和耐磨、耐腐蝕等性能。
在一般工作溫度下，合金鋼的彈性模量與碳素鋼相近，所以只為了提高軸的剛度而選用合金鋼是不合適的。
軸一般由軋制圓鋼或鍛件經切削加工制造。軸的直徑較小，可先用圓鋼棒制造；對于重要的，大直徑或階梯直徑變化較大的軸，采用鍛坯。為節(jié)約金屬和提高工藝性，直徑大的軸還可以制成空心的，并且?guī)в泻附拥幕蛘咤懺斓耐咕墶?
對于形狀復雜的軸（如凸輪軸、曲軸）可采用鑄造。
根據(jù)工作要求，卷筒軸心軸起支承卷筒、齒輪和棘輪的作用。所以選擇45鋼（調質處理）作為心軸的材料。45鋼（調質處理）的性能參數(shù)表（3-4）。
表（3-4）45鋼（調質處理）的性能參數(shù)
材料
硬度HBS
強度極限
σB/MPa
屈服極限
σs/MPa
許用彎曲應力[σ]/MPa
45鋼
240
650
360
120
3.6.3軸的結構設計
主軸是提升機承載的主要部件，提升機的主要工作構件如卷筒、軸承、以及安全制動器等均安裝在主軸上。提升機主軸應能承受工作過程中的外負荷而不發(fā)生殘余變形和過量的彈性變形，同時要保證一定的使用壽命。
主軸往往是提升機中重量最大的一個零件，其尺寸和傳遞的力矩也較大。因此，在結構上除應滿足強度和鋼度要求外，還應重視工藝和安裝方而的問題。主軸的結構設計應