防爆電纜收放機設計說明書

1、1緒論1.1 選題背景及研究意義我國是煤炭生產和消費大國，煤炭資源約占整個能源結構的60%占有非常重要的地位。為保障我國國民經濟發(fā)展的需求，至U 2050年煤炭占一次能源的比重將達到 50%£右。 因此，在相當長時間內，煤炭資源將仍是我國能源消費的主體部分。2009年，我國煤炭產量為29.1億噸，位居世界第一，但仍然呈現煤炭供應相對緊張的趨勢，制約了國民經濟 的發(fā)展。這主要是受生產環(huán)節(jié)制約。礦用機械是否現代化，直接影響煤炭產量、勞動生產 率以及煤礦經濟效益。隨著煤礦引進了各種新型機械設備。加快了生產速度，提高了生產效率。目前在礦山 的一些行走機械中，其動力設備大多采用電動機。在主機工

2、作時，接在電動機上的電纜的 收放要靠人工來完成，這不但影響整機的作業(yè)效率，并且電纜長期在復雜的地面（如井下 水倉，掘進工作面等）上拖曳使之磨損加快，時間稍長極易發(fā)生漏電和斷電，危及設備和 人身安全等事故。為實現電纜收放機械化、自動化，提高設備的作業(yè)效率，保障工人的安 全，減輕工人的勞動強度，開發(fā)理想的尾部電纜收放裝置非常必要 川。所以，開發(fā)礦用防爆電纜卷筒，不但能解決煤礦行走機械的拖纜問題，減低工人的勞 動強度，還能提高煤礦的生產率，為煤礦和生產企業(yè)帶來經濟效益。1.2 電纜卷筒的概述電纜卷筒是各種大中型移動式生產設備的配套裝置，它主要用來收、放主機的動力電 纜和控制電纜，使電纜隨主機同步變速

3、移動，無論主機往返移動或變速移動，電纜卷筒都 能保證電纜的收放張力恒定不變。這就是電纜卷筒的特殊工性能 201 .排纜機構2.雙向螺紋軸3.力矩電機4.傳動鏈5.電纜卷筒6.電纜7.卷筒軸 圖1-1全電動卷纜系統(tǒng)原理圖1.3 本課題在國內外的發(fā)展及研究現狀1.3.1 電纜卷筒的發(fā)展電纜卷筒按卷繞控制方式可分成4代產品:1）配重式電纜卷筒早期的電纜卷筒采用滑輪組，在電纜的一端用重錘式配重塊，始終給電纜卷盤提供拉 力3。當拉出電纜時，帶動電纜卷筒旋轉，從而帶動與電纜卷筒同軸相聯(lián)的鋼絲純卷筒轉 動，以提升重錘而儲存勢能。當卷筒卷取電纜時，重錘下降釋放勢能，在鋼絲純張力的作 用下，帶動與鋼絲純卷筒同軸

4、相聯(lián)的電纜卷筒轉動，同步卷取電纜。它的優(yōu)點是結構簡單，性能穩(wěn)定可靠，安裝維修方便，使用壽命長。它的缺點是體積龐大，受行程限制，如果需要大行程則必須給其留出足夠大的安裝空 問 4。!©HMM圖1-2重錘式電纜卷筒2）力矩電機式電纜卷筒采用力矩電機提供動力的第2代電纜卷筒，省去了配重塊的麻煩，簡化了機械結構力 它利用具有長期堵轉和自調速特性的力矩電機為動力，電機的輸出轉速隨外負載的增加而 自行降低，自動調整卷筒卷纜線速度與設備行走速度相同；放纜時，在電纜拉力作用下， 克服堵轉電機力矩同步放出電纜；停車斷電時利用力矩電機的盤式制動器鎖住電纜，保證 電纜不滑落。它的優(yōu)點是電機始終通電，電控簡

5、單，可降低故障率，卷取電纜范圍大，行程長。它的缺點是放纜時，需要克服電機堵轉力矩阻力，小電纜需要謹慎使用 4。還有力矩 電機在速度變化時無法提供恒定的力矩， 且堵轉運行時發(fā)熱量大，在環(huán)境溫度高的條件下， 不適合長期運行3 o圖1-3力矩馬達式電纜卷筒3）磁滯式電纜卷筒第3代電纜卷筒是常開電氣有限公司開發(fā)的磁滯式電纜卷筒，它采用了磁性連軸器和 多臺電機同時運行的辦法，克服了力矩不恒定的缺點。通過磁性塊，使電機與卷盤之間的 連接轉矩近似恒定；同時通過磁性塊間隙的調整，可以使電機工作在額定功率范圍內，避 免電機由于堵轉或過載而損壞3。它的優(yōu)點是結構緊湊、安裝維修方便，可根據實際工況要求調節(jié)輸出力矩且

6、具有良好 的自制動功能，不需要安裝制動器，電纜卷筒運行可靠。它的控制系統(tǒng)簡單，可與設備的 正反車控制系統(tǒng)聯(lián)動，只要設備運行，卷筒電機即工作，相序不變。電纜卷筒工作中，磁 滯聯(lián)軸器能依據主機設備的運行速度自行調節(jié)轉速，使電纜卷筒收放電纜的線速度與主機 設備的運行速度保持同步狀態(tài)。它的缺點是在電纜容量大、主機安裝高度高的情況下，為了降低轉子溫升，提高轉子 使用壽命，需要采用多頭小轉矩的設計理念，相對價格較高 40圖1-4磁滯式電纜卷筒4）變頻式電纜卷筒隨著機械設備需要行走的距離更遠，以致卷盤的內層到外層的卷繞半徑相差3倍甚至更大，它的恒定力矩輸出對電纜提出了更高的抗拉力要求。因為在滿足外層電纜卷取

7、力要 求的條件下，由于磁性連軸器的卷繞力矩近似恒定，因此內層電纜要承受的張力會比外層 大3倍以上，對于內嵌光纖的高壓電纜或承載張力小的電纜，容易造成損壞。采用變頻控制方式的電纜卷筒能保持電纜張力的恒定，這就是最近問世的第4代產品一一變頻式電纜卷同 。變頻電機為B5安裝結構，與減速機輸入端直聯(lián)，減速機輸出軸一端與電纜卷盤通過 鍵聯(lián)接，另一端與集電箱中的電滑環(huán)聯(lián)接，減速機和集電環(huán)輸電箱固定在基座上方。變頻 器控制柜獨立于電纜卷筒，可按實際情況選擇適當的安裝位置。變頻器在閉環(huán)矢量（有速 度傳感器矢量控制）下，選擇開環(huán)轉矩控制模式，并通過厚度積分計算電纜卷盤的實際卷 徑，準確控制電機的輸出轉矩，從而保

8、證電纜在卷盤上卷繞時不會因卷徑變化而引起張力 變化，即電纜所受的張力恒定。該電纜卷筒有如下優(yōu)點：在收纜和放纜過程中，無論設備運行在軌道的任何位置，作用在上的拉力始終恒定， 且可通過變頻器參數輸入及控制箱面版旋鈕操作，任意調整電纜所受拉力，最大限度地保 護電纜，極大地延長電纜的使用壽命。卷筒能迅速響應設備運行速度的變化，可與設備同 步，其性能精確、靈敏。突破了磁滯式、力矩電機式等傳統(tǒng)電纜卷筒設計上的瓶頸，不受 電纜規(guī)格、卷繞長度、設備速度及安裝高度中超常規(guī)格的限制，任何復雜工況的電纜卷筒 均由1臺功率不同的變頻電動機驅動。適應性強，可高負載全日制連續(xù)工作。卷筒與設備 為運行聯(lián)動保護，有效防止電纜

9、被拉斷等意外事故發(fā)生。通過變頻器對卷筒電機進行精確 控制和保護，可使其使用周期延長。變頻控制電機式電纜卷筒可根據設定的張力和主機設 備（大車）的運行速度自行改變卷筒變頻電機的運行頻率，在0n中的任意轉速下正常工作（n為異步轉速），當主機設備斷電后，電纜卷筒的變頻電機制動器制動，保證電纜不 滑脫。缺點是價格是同類產品最貴的，但是物有所值，在必要場所推薦使用冏。圖1-5變頻電纜卷筒1.3.2 本課題的研究現狀雖然電纜卷筒有了很大的發(fā)展。但是基于防爆的煤礦用電纜卷筒在國內還很少。國外 礦用車輛的研制、生產，由于具有強大的基礎工業(yè)做后盾， 再加上與其配套的先進的標準、 嚴格的法規(guī)，因此在使用上是安全的

10、。但國內在礦用車輛方面的研究，多是仿制外國的產 品，由于基礎工業(yè)落后，仿制性能達不到國外同類產品的水平，安全性不能得到保證。作為車體上儲存電纜的部件隔爆電纜卷筒，其研究水平還有相當大的差距 5 。在國內，三一重裝公司從理論上對基于隔爆電纜卷筒的電刷材料進行了分析計算，并建立了物理模型，從而在理論上初步解決了滑環(huán)材料的選取問題，為實際應用指明了方向5 。 三一重裝有限公司還成功為其生產和履帶行走式液壓支架配套設計了隔爆型卷纜裝置。并且該裝置匹配梭車的車載型號產品已經通過國家煤安檢測中心的檢測并順利通過工業(yè)性試驗使用檢測 6 。此外，神東煤炭分公司近年來也為其連續(xù)采煤機研制成功了電纜拖拽裝置。并且

11、在使用中獲得成功 7 。1.4 本課題的研究途徑和可行性分析根據本課題的發(fā)展現狀和研究水平，該課的的研究可以參考現有電纜卷筒的機本結構，并對其進行改進性設計，以使之適合煤礦井下的工況。本課題的研究可以按以下途徑進行：1)行走部根據煤礦井下的工作環(huán)境和現有的煤礦機械，該卷纜機不能集成到現有的機器上，所以該卷纜機必須要有行走部，以適應其在煤礦井下靈活使用和與各種行走機械配的要求。其行走部可選用履帶式，以便在井下復雜的環(huán)境下運行平穩(wěn)。2) 卷纜部分考慮到井下機械作業(yè)時不可能是直線運行，該卷纜機的卷筒不能采用單排電纜卷盤，而應采用多排卷盤，從而滿足電纜可以有一定有擺角。使卷纜工作高效進行。但要注意的是

12、，卷筒上的電纜層數不宜過多，否則電纜會過熱而燒毀，并且速度也難以控制。3) 排纜與導纜部分由于機器采用多排電纜卷筒，為了避免卷纜過程中電纜發(fā)生堆疊，必須給機器設計可靠的排纜裝置?，F有多用雙向絲杠排纜裝置，但其成本高，加工困難。對其我們可以采用液壓缸來代替，不但降低了加工難度，還可以省去中間的傳動裝置。對機器導纜裝置的要求是轉動靈活，對電纜磨損小。此裝置可以選用現有的導纜裝置。4) 傳動部分為使結構緊湊，可以選用行星齒輪作為傳動裝置。動力源和減速器之間可選用液力聯(lián)軸器，以防止過載。5) 驅動部分整機采用液壓驅動，以適應行走部和排纜裝置的需求。6) 防爆要求為使卷筒與電動機間的電纜在卷筒轉動過程中

13、不出現相對運動，在卷筒內設計了電刷和滑環(huán)，這一裝置在一定情況下可能產生火花，當空氣中含有一定濃度的瓦斯時，就會燃燒或爆炸，所以卷筒必須有耐爆性和不傳爆性。耐爆性是由外殼的材質和機械結構強度來保證的。 根據材料力學及實驗結果， 對于鋼板外殼， 理論上最小厚度為34mm， 鑄鐵為6mm。不傳爆性可以通過外殼裝配接合面的寬度L、臨界間隙dkp和加工表面精度保證(如：表1-1 )。8表1-1隔爆接合面寬度與臨界間隙的關系接合面寬度L/mm25155臨界間隙dkp/mm1.151.171.050.82方案設計2.1總體設計以ZCY100RM卸式裝巖機配套使用的電纜收放為例設計。該電纜收放機的卷纜能力以卷

14、取50米型號為MYP-0.66/1.44煤礦用移動屏蔽橡膠軟電纜為例。該電纜規(guī)格為：3X25+1X16,外徑：40.0-44.3mm （按45mms計），單位長度的質量：2.55kg/m ,抗拉強度：0- =10Mpa2.1.1總體方案1）懸掛式電纜收放方案利用頂板和錨桿，把電纜懸掛起來，如采用單軌。把軌道用一定的方式固定在巷道頂 板上，用滑輪將電纜固定在軌道上。由工作機帶動完成電纜的拖拽工作。如圖 2-1所示圖2-1懸掛式電纜收放方案2）電纜收放機電纜卷筒是各種大中型移動式生產設備的配套裝置，它主要用來收、放主機的動力電 纜和控制電纜，使電纜隨主機同步變速移動，無論主機往返移動或變速移動，電

15、纜卷筒都 能保證電纜的收放張力恒定不變。這就是電纜卷筒的特殊工性能。如圖 2-2所示圖2-2電纜收放機2.1.2總體方案選擇懸掛式電纜收放方案簡單方便成本低，可行性高，且不存大防爆問題。但移動性差。 且要隨巷道施工面施工，不能滿足當前快速生產的需要。采用電纜收放機雖然成本高，技 術復雜。但其對所有礦用自移機械的匹配性好，可以為多種機械設計提供電纜收放。能滿 足當前礦井快速生產的需要。所以本設計采用電纜收放機。2.1.3卷纜機總體設計傳動系統(tǒng)框圖如：圖2-3所示。左液壓低速馬達 履帶 右液壓低速馬達 履帶電機液壓泵 卷纜低速圖2-3卷纜機傳動系統(tǒng)框圖該機采用全液壓驅動，為兩部分。第一部分為行走部

16、分，該部分通過行走液壓系統(tǒng)將 壓力油液送入行走低速馬達，驅動履帶來實現整機的前進、后退和轉向。第二部分為排纜 部分，該部分由排纜液壓系統(tǒng)將壓力油送入排纜液壓缸，通過行程開關來控制液壓缸的往 復運動，來實現排纜工能，具排纜和卷纜的同步由液壓系統(tǒng)控制。該機的液壓系統(tǒng)圖如圖 2-4所示。1雙聯(lián)齒輪泵2調速閥組 3電磁換向閥4卷纜馬達5手動換向閥6行走馬達7制動閥組 8行走控制閥圖2-4卷纜裝置液壓系統(tǒng)圖2.2部分設計2.2.1 部分方案設計1）電纜卷盤設計方案自由卷繞式這種類型的卷筒是最基本的，它適合于較短距離到適中距離的電纜卷繞，電纜自由的 排列在卷筒上，沒有任何導向裝置。圖2-5自由卷繞式卷盤單

17、排卷盤這種形式的卷盤，電纜被單排卷繞在卷盤上，該卷盤的卷繞長度可達380ml速度可達到到0m/min圖2-6單排卷盤單層卷盤這種卷盤可用來卷繞長距離的電纜（最大長度可達1000m）,通過排纜裝置，電纜能有序的在卷盤上面排纜2到3層。圖2-7單層卷盤2）排纜機構設計方案雙向絲杠式排纜機構雙向絲杠式排纜器的可調向螺母組件的兩端各設有可伸縮密封套，可伸縮密封套分別 與雙向絲杠兩端部的絲杠端支撐相連，雙向絲杠完全處于由絲杠端支撐、可伸縮密封套及可調向螺母組件形成的密閉空間內。其結構簡單，易于形成，裝配方便可靠，從而提高了 電纜導向裝置的使用壽命。圖2-8雙向絲杠式排纜器液壓式排纜機構采用液壓缸的伸縮，

18、兩端加行程開關，實現電纜的往復排纜。此機構構簡單，加工容 易，可靠度也比較高。也容易控制。采用托滾壓緊式在卷盤上加一個托滾來限定電纜的高度，使電纜按一定規(guī)律排在卷盤上。該裝置不用圖2-9托滾壓緊式排纜裝置3）行走部設計方案無行走類似于礦用絞車，不設行走部，移動時靠其它輔助機械（如絞車）牽引拖動。適合于 經常不移動的情況。米用輪式行走部輪胎行走裝置主要用于承載能力較高的越野路面。對路面的比壓相當于履帶式要大, 且輪胎與地面的摩擦力相對較小，容易出現打滑現象。圖2-10輪式行走部卷纜車履帶行式行走部履帶式行走機構是大型機械整機的支承件，用來支承整機的重量，承受機構在作業(yè)過 程中產生作用力，并完成整

19、機行進、后退、轉移和作業(yè)移動。對于大型機械的底盤一般設 計成履帶驅動結構，履帶沿整機縱向中心對稱布置。圖2-11履帶式行走部4）驅動部設計方案電驅動由于電能獲得方便，使用電動機的設備體積比其他動力裝置小，并且沒有汽、油等對環(huán)境的污染，控制方便，運行性能好，傳動效率高，可節(jié)省能源等。所以，80%Z上的機械設備，小如用步進電機拖動指針跳動的電子手表、大到上萬千瓦的大型軋鋼機械等都應用 電力拖動。80年代，中國生產的電能中約有三分之一用于電力拖動。單個電力拖動裝置的 功率可以從幾毫瓦到幾百兆瓦，轉速可從每小時幾轉到每分鐘數萬轉。液壓驅動與機械傳動、電氣傳動相比，液壓傳動的各種元件，可以根據需要方便、

20、靈活地來布置。重量輕、體積小、運動慣性小、反應速度快。操縱控制方便，可實現大范圍的無級調 速（調速范圍達2000: 1）。可自動實現過載保護。一般采用礦物油作為工作介質，相對運 動面可自行潤滑，使用壽命長。很容易實現直線運動。很容易實現機器的自動化，當采用 電液聯(lián)合控制后，不僅可實現更高程度的自動控制過程，而且可以實現遙控。2.2.2 部分方案選擇基于煤礦下的工況，炮掘巷道寬度為 3米，所以要求機械應比較窄。在工作面上存在 上山和下山，且工作面碎石較多，所以機械與地面的摩擦力要相對較大。為了防止機械設 備側翻，機械設備的重心一般較低。基于這些情況來確定各部分的設計方案1）卷盤方案確定由于卷繞電

21、纜較長，加之礦用電纜較硬，不適合使用自由卷盤。如果使用單排卷盤， 假定卷盤空心1外徑為d為100mm則完全卷繞50米電纜后的最大直徑 D為（電纜直徑 di 按 45mnm+算）：D .4 (L di) d2則D的計算值為1696mm直徑過大。采用單層卷盤，內徑為 1米，則單層卷曲50米 纜卷盤的長度為0.8米，外徑1.2米。比較適中。所以選用單層卷盤。2）排纜機構方案確定雙向絲杠加工困難，需要專門的機床才能加工，且還需要另加傳動裝置，且長期裸露 容易造成絲杠運行不正常而也現故障。液壓缸排纜機構，此機構控制簡單，不需要另加傳 動裝置，安裝也簡單，但由于液壓缸的伸縮，其橫向尺寸增加了一倍，使機械太

22、寬，在井 下占用空間太大。采用托滾壓緊式排纜機構，同樣有安裝方便，不需要傳動裝置，且不會 使機器的寬度增加。但在使用過程中要注意不要讓碎石卡住托滾，以免托滾不能靈活轉動 而增加電纜的磨損。3）行走機構方案確定井下工作環(huán)境復雜，地面碎石較多，且濕滑，如果采用輪式行走部則可能出現打滑現 象，使機器不能高效工作。宜采用履帶式行走機構。鑒于井下環(huán)境對機器寬度的要求，行 走機構應采用窄履帶設計。這樣即能滿足機器與地面摩擦力的要求，又能滿足機器寬度的 要求。4）驅動方案確定工作面粉塵大，能見度低，所以卷纜機有必須要實現遙控，從而能夠更好的操縱機器 工作。從實現遠程遙控方面，液壓驅動容易。采用液壓驅動，能更

23、好的配合行走機構和卷 纜機構。采用液壓為動力源有助于使機器小型化，適合工作面空間小的特點。2.3設計參數卷筒容纜量：最大行走速度: 最大卷纜速度: 爬坡能力：卷繞電纜型號: 電纜參數：50m2km/h1m/s16MYP-0.66/1.44外徑：單位長度的質量:抗拉強度：（按 45mmi計）40.0-44.3mm2.55kg/mer =10Mpa3設計計算3.1 電纜卷筒設計計算3.1.1 卷筒設計計算卷筒的類型較多，按制造方式不同可分為鑄造卷筒和焊接卷筒。鑄造卷筒應用廣泛。 電纜卷筒大多為鑄鐵卷筒，成本低，工藝性好。拉力大的一般采用鑄鋼卷筒，鑄鋼卷筒雖 然承載能力較大，但成本高?？紤]經濟效益，

24、本設計采用鑄鐵結構。并選取材料為HT200.1）卷筒容純尺寸參數卷筒容純尺寸參數意義及表示方法應符合國家標準規(guī)定，參見圖3-1:圖3-1卷筒尺寸卷筒節(jié)徑DD KedKe 與機構工作級別和電纜結構有關的系數選取，見表3-1;d 電纜直徑。表3-1卷筒系數表工作級別A1A2A3A4A6A7 A8卷筒系數Ke值1214161920卷筒名義直徑對筒壁和端側板的設計具有重要意義。 D值小，結構自然緊湊，但單位 長度上的力較大，電纜壽命低。規(guī)定的 D/d值可認為是對應一定工作級別的最小值。如果 結構需要完全可以增大該值。取工作級別為Ai,即Ke12 。D 12 45 540mm因為設計需要在這里取D 50

25、0mm2）卷筒的直徑DoDo D d 500 45 455mm3）卷筒容純寬度Bi卷筒容純寬度Bi, 一般可按下述關系確定:B 3D即：Bl 3 500 1500mm在筒壁厚的設計計算中，通常卷筒長度都設計成小于其直徑的3倍，甚至小于其直徑的2倍。因此此時的電纜拉力產生的扭剪應力和彎曲應力的合成應力較小，故計算卷筒強 度時可忽略不計，簡化了設計計算。取B 675mm4）卷筒邊緣直徑Dk卷筒邊緣直徑即卷筒端側板直徑，對于多層纏繞，位防止電纜脫落，端側板直徑應大 于電纜最外層繩圈直徑。端側板直徑用下式計算：Dk Ds 4dDs D (2n 1)dDs 最外層電纜纜芯直徑;n 電纜纏繞層數。設電纜纏

26、繞層數為2層，即n 2則：Ds 500 （2 2 1） 45 635mmDk 635 4 45815mm卷筒纏繞層數計算公式:DkD 2mk 2dmk 為保證電纜不越出端側板外緣的安全高度（mm）該值在單層纏繞中應不小于1.5倍的電纜直徑，在多層纏繞中應不小于 2倍的電纜直 徑。?。簃k 2d 2 45 90mmDk n 2d D 2mk求得：Dk 2 2 45 500 90 2 770mm綜上考慮，取Dk 800mm5)卷筒容纜量L卷筒的容纜量是指電纜在卷筒上順序緊密排列時，達到規(guī)定的纏繞層數所能容納的電 纜工作長度的最大值。卷筒的容纜量可按下述方法計算：第i層電纜纜芯直徑為：Di D (2

27、ni 1)d第i層卷筒的電纜長度為：Bl3Li 1)D (2叫 1)d 10 3d卷筒容纜量為：I Li L2LinBl3(L 1)D (2ni 1)d 10 3i i d實際容纜量：6753II (1)500 (2 1 1) 45 10 3 23.96m456753L2( 1)500 (2 2 1) 45 1027.91m45L L1 L2 23.96 27.91 51.87m3.1.2 卷筒的受力分析卷筒是電纜收放機的直接承載零件，受力比較復雜，分析清楚卷筒上所受的力，對電 纜收放機整機設計具有十分重要的意義。1)電纜拉力與卷筒支承處反力工作中，電纜拉力使卷筒像空心軸一樣被彎曲，支反力為R

28、aR b 2LFF其彎矩隨電纜纏繞位置不同而變化，具有瞬變效應，另外卷筒自重也會使卷筒產生彎 曲。當L 3D時，由于彎矩較小，在強度計算時通常忽略不計。卷筒受力如圖3-2L圖3-2卷筒受力圖2）電纜拉力產生在筒壁上的轉矩在電纜拉力的作用下，卷筒就好像空心軸一樣被扭轉，其轉矩可用下式計算：T F峰該轉矩產生的筒壁應力較小，一般情況可忽略不計。3）卷筒筒壁的徑向壓力q由電纜纏繞產生的對筒壁外緣表面圓周方向的徑向壓力，除對筒壁產生圓周方向的擠 壓外，還將引起筒壁局部彎曲應力，該力是影響筒壁強度的重要因素。4）電纜對端側板產生的軸向推力 Ns該力是由于電纜纏繞至端側板根部并向新的一層過渡過程中電纜與側

29、板之間的楔入 作用產生的，此力是計算端側板強度的主要外力。3.1.3 卷筒強度計算卷筒強度計算主要包括兩個方面：一是筒壁的強度計算；二是端側板的強度計算。1）卷筒筒壁的厚度計算卷筒筒壁的強度按下式計算：cAlAe c表3-2電纜卷繞系數卷筒層數n12345系數A11.752.02.252.5A 與卷繞層數有關的系數，見表 3-2;A 應力減小系數，一般取 A 0.75. ?Fe 電纜最大靜拉力（N）；t 電纜卷繞截距（mm）, 一般取t 1.05d；卷筒壁厚（mm）;e 許用壓應力（Mpa） 查機械設計手冊取e 144Mpa根據卷筒壁內表面最大壓應力確定卷筒厚度為：AiAFetTi12566.

30、372.42mm0.75 1.75根據卷筒材料直徑確定卷筒壁厚度為：0.02D （610） 0.02 500 （6 10）綜上所述2）卷筒壁內表面最大壓應力通常，卷筒內表面合成應力比外表面大，強度驗算時可以只計算內表面應力。當L 時，忽略電纜拉力產生的彎曲和抿轉，公考慮電纜纏繞時的環(huán)向壓縮應力和局部彎曲應力 對卷筒筒壁強度的影響。按下式計算：Fe12566.37c AA 0.75 1.75 11.64Mpat30 1.05 451.05 45 14416 20mm30mm3DFe12566.37w 0.96-e 0.96: 3.28MpaD 3.500 303卷筒壁強度條件應滿足下述經驗公式：

31、 c w 材料的許用應力（Mpa）。材料許用應力按下式計算：KcKnb 材料的強度極限；Kc一按工作級別選定的系數；Kn 安全系數。查機械設計手冊： b 200MpaKc 1cKn 2.82002.871.42Mpa14.9271.42故設計滿足要求。3）卷筒端側板厚度計算端側板的強度：BsFeh2所以,Fe Bs /式中Bs 綜合影響系數;h 卷筒端側板厚度;端側板材料的許用應力。查機械設計手冊Bs 0.94277Mpa.12566.37 0.942/7712.40mmh 25mm3.1.4卷筒筒壁的穩(wěn)定性估算如果卷筒較長，筒壁太薄，在過載或急劇制動情況下，可能會出現失穩(wěn)現象。穩(wěn)定性計算，可

32、采用計算穩(wěn)定性系數K的方法。K-Pwq1.3 1.5K 穩(wěn)定性系數;Pw 失去穩(wěn)定時臨界壓力（Mpa)3。對鑄鐵卷筒 P (25000 32500) Rq 卷筒壁單位壓力（Mpa）, q2FmaxDt卷筒壁厚（mm）;Fmax一卷筒直徑（mm）;-一電纜最大靜拉力（N）；t 電纜節(jié)距(mm), t 1.05d；電纜直徑（mm）3330PW (25000 32500) 3 (25000 32500)3 43.2MpaR2502 12566.37500 1.05 451.06MpaP 43 2K w 一一 40.75 1.3 1.5 q 1.06由以上計算可知，設計滿足要求，筒壁穩(wěn)定。3.2 卷筒

33、軸的設計計算由于卷筒軸的可靠性對卷纜機的安全，可靠工作非常重要，因此應十分重視卷筒軸的 結構設計和強度、剛度計算。卷筒軸的結構應力求簡單、合理，應力集中應盡可能小。卷 筒軸不僅要計算疲勞強度，而且還要計算靜強度；止匕外，對較長的軸還需校核軸的剛度。已知：電纜的最大拉力Fe 12566.37 N ,卷筒直徑D0 455mm ,電纜直徑d 45mm。軸材料選 40Cr ,調質處理。s 540N / mm2 , b 735N / mm2 ,1 355N /mm2 ,_ 2小 75N / mm3.2.1 作用在卷筒上的力圓周力Fr 12566.37 N3.2.2 初步計算軸的直徑對只受扭矩或主要隨扭矩

34、的傳動軸，應按扭轉強度條件來計算軸的直徑。若有彎矩作 用，可用降低許用應力的方法來考慮其影響。扭轉強度條件為dP 軸所傳遞的功率，kW;n軸的轉速， r /min ;A 取決于軸材料白許用扭轉切應力t的系數，查機械設計手冊 A 100軸的最小直徑10012.5338.275.86mmd 90mm3.2.3 軸的結構卷筒軸結構如圖3-3所示。左端通過矩形共花鍵與卷纜馬達連接。能過平鍵把動力傳 遞到卷筒。卷筒軸右端一部分為空心軸，用與把電纜引入防爆接線箱。裝配完成后，要有 防爆泥子把電纜入口封住。軸右端要伸入防爆接線內部，其加工精度要在防爆要求的尺寸 范圍內。圖3-3卷筒軸3.2.4 繪制軸的彎矩

35、圖和扭矩圖卷筒軸的受力簡圖如圖3-4所示圖3-4卷筒軸受力簡圖1）求軸承反力R, 6446 NR2 6120N2）兩力作用點處彎矩M1 841922N mmM2 986431N mm合成彎矩M 1296872.69N mm圖3-5軸的彎矩圖3）軸的扭矩T 3132500N.mm圖3-6軸的扭矩圖3.2.5 按彎扭合成強度校核軸的強度 當量彎矩Mca M2 ( T)2取折合系數0.6則當量彎矩為：mmM ca1296872.692(0.6-3132500)2 2283505 N軸的計算應力為caMca caMca0.1df22835050.1 1003 222.83N / mmca 1b所以該軸

36、滿足強度要求。3.2.6 精確校核軸的疲勞強度1)計算危險截面工作應力截面彎矩M M2 986431N mm截面扭矩T 3132500N.mm抗彎截面系數333W 0.1d0.1 100100000mm抗扭截面系數333Wt 0.2d0.2 100200000 mm截面上的彎曲應力b M /W 986431/1000000.99N/mm2截面上的扭剪應力T/WT 3132500/200000 15.66N / mm2彎曲應力幅2a b 0.99 N / mm彎曲平均應力扭切應力幅和平均應力一 一一一一， 2a m /2 7.83N/mm2）確定軸材料的機械性能 查機械設計手冊 彎曲疲勞極限21

37、 355N/mm2剪切疲勞極限1 200N / mm2合金鋼材料特性系數0.10.50.053）確定綜合影響系數K、K鍵槽處有效應力集中系數k、k ,查機械設計手冊得k 2.0k 1.88尺寸系數 、 根據d查機械設計手冊得0.780.74表面狀況系數，根據b,表面加工方法，查機械設計手冊鍵槽處綜合影響系數K、K為KK4）計算安全系數0.882.00.78 0.882.911.880.74 0.882.89安全系數S 1.8Sca3552.0 0.99 0.1 0200179.291.88 7.83 0.05 7.83179.29 10.73S2 S2179.292 10.73210.7310

38、.71疲勞強度安全。3.3 鏈傳動設計計算3.3.1 選擇鏈輪齒數小鏈輪齒數 乙，估取鏈速為0.60.8m/s查表20大鏈輪齒數Z2Z2iZ1320 3023.3.2確定鏈節(jié)數初取中心距Lpa。40p則鏈節(jié)數為:Lp2a0P乙Z280p 20 30P40p230 2081.582LP823.3.3 確定鏈節(jié)距p載荷系數Ka查機械設計手冊Ka小鏈輪齒數系數Kz查機械設計手冊Kz1.64多排鏈系數KmKm 1鏈長系數KcKc 0.95c根據小鏈輪轉速3.3.4確定中心距3.3.5驗算鏈速v符合估計。3.3.6計算壓軸力工作拉力壓軸力系數Kq壓軸力3.3.7鏈輪外型設計1）小鏈輪 分度圓齒頂圓直徑P

39、oKa PKZKcKm1 3 1.92kW 1.64 1 0.95”和B查機械設計手冊確定鏈條的型號為：16Ap 25.40乙Z2222, 乙Z2 Q Z2乙L p8P 2225.4048220 30“ 20 3082 222c 30 208 2542.06mmWP2060 10001000p/vQKqF57.3 25.04 1.09m/s 60 10001000 1.92/1.09 1001.83NKq1.21.2 1001.83 1202.2 N.180” sinZi25.401 162.36mm. 180sin20da0.54180c c c180，,“cot 25.40 0.54 co

40、t 174.08mm420齒根圓直徑dfd d1 174.08 15.88 146.48mm如圖3-7所示3-71）大鏈輪 分度圓. 180，sinZ125.40243.00mm. 180 sin30齒頂圓直徑da0.54cot世425.40 0.54180 cot 255.38mm30齒根圓直徑dfd d1 243.00 15.88227.12mm如圖3-8所示圖3-8大鏈輪3.4 排纜器的設計計算3.4.1 工作原理大容量，多層卷繞的電纜卷筒，為確保電纜排列整齊，工作可靠，應設置排纜裝置,即排纜器。通過對比，本次設計中采用雙向哈螺桿排纜機構。雙向螺桿排纜機構與其它類 型排纜機構相比，具有承

41、載能力高、可靠性好、傳動平穩(wěn)、結構簡單等優(yōu)點。雙向螺桿轉動時，梭形塊在螺旋槽內滑動。在螺桿頂端螺旋槽交接處用弧形連接，以 便滑塊通過，實現反向。排纜器主要有傳動機構、雙向傳動絲杠、支承光杠、排纜導輾等 組成。3.4.2 雙向滑動螺桿結構設計雙向絲杠總行程：B d 675 45 630mmB 卷筒容繩寬度（mm）;d 電纜直徑（mm）。Lk雙可寫成LKPLK630 c. 2130-絲杠螺紋螺距（mm）; 絲杠螺紋扣數。圖3-6絲杠結構圖3.4.3 強度計算螺母所用的材料一般比螺桿的材料軟，所以磨損主要發(fā)生在螺母的螺紋表面。影響螺 紋磨損的因素很多，目前尚缺乏完善的計算方法，故通常用限制螺紋表面的

42、壓強不超過材 料的許用壓強來進行計算，即P P。螺桿直徑按下式計算：d2 0.8 I 21.Ppd2為螺紋中徑（mm）;2.5 3.5Pp 為許用壓強（N/mm2）,查表3-3為螺母高度系數，對整體螺母1.5 2.5 ,剖分螺母或受載較大的取傳動精度較高、載荷較大，要求壽命較長時取40根據公式算得螺紋在徑d2后，應按標準選取相應的公稱直徑 d及螺距P。由于圈數愈多各圈受力愈不均勻，所以螺紋圈數一般不宜超過10圈表3-3螺母材料與滑動速度螺紋副材料滑動速度(m/min )許用壓強(N/mm 2)螺紋材料滑動速度(m/min )許用壓強(N/mm 2)銅對青銅低速<3.0 612 >1

43、51825 1118 71012鋼對鑄鐵<2.46121318 47鋼對鋼低速7.513鋼對耐磨鑄 鐵61268淬火鋼對 青銅61210131)按耐磨性設計采取剖分式螺母，取3d2 0.8, F 0.8, 12566；7 15.61mm取d 75mmd2 65mmd1 54mmH d23 65 195mm螺母高度螺紋旋合圈數以6.530梯形螺紋h 0.5P,鋸齒螺紋h 0.75P, P為螺距。所螺紋的工作高度h,對矩形、 以 h 0.5P 0.5 30 15mm2)牙型、材料和許用應力 采用30：梯形螺紋，單線n 1螺桿采用45號鋼，螺母采用ZCuSn5Pb5Zn5 滑動速度Vs 3m/

44、s,許用壓強_2Pp 1118 N / mm 取2PD 11n/ mmp45鋼屈服點30,2s 340N / mm2s3 5-340- 113.4 68N /mm2 3 5290N / mm pb-2(1.01.2) p 90108N/mmb 99N/mm2_ 20.6 p 0.6 90 54N/mm p螺母的許用應力:b240 60N / mm2b 50N/mm2一 一 一一， 23040N/mm235N / mm3）驗算耐磨性單線螺紋導程和螺距相等，即導程角P 30mm, sarctand230 八八arctan 3.357765牙面滑動速度vsd2vxs cos65 0.0140.095

45、m/s30 cos3.3577vs2.4m/ s小于許用比壓下的牙面滑動速度，符合要求。4）驗算自鎖條件摩擦因數0.09梯形螺紋牙型角arctanarctan0.09cos230； cos - 25.32323.3577 v 5,3232滿足自鎖要求。5）螺桿強度計算螺紋摩擦轉矩11T1 d2Ftan（v） 65 12566.37224tan（3.3577，5.3232，）6.236 1 04 Nmm224F 3 I d120.2d13244 12566.3736.236 1045420.2 5436.47N / mm2226.47N / mm2 b 50N/mm2滿足強度要求。6）螺紋牙的強

46、度計算鋼制螺桿螺牙強度高于青銅質螺母，只計算螺母螺牙強度。F dbz12566.3775 19.5 3.9 .20.70N / mm3Fhdb2z21.62N / mm3 12566.37 15Z 2 一 -75 19.53.9 0.70N / mm2 35N / mm2螺紋牙根剪切強度滿足要求 22b 1.62N / mm b 50N /mm螺紋牙根彎曲強度滿足要求7）螺桿的受壓穩(wěn)定性計算螺桿兩端滾動軸承支承，可視為兩端絞支，長度系數慣性半徑螺桿最大工作長度參數螺桿危險截面的軸慣性矩.d154i 一 一 13.5mm44l L 630mm1I i1 180013.5133.33 85 90d

47、；64臨界載荷Fcr2EIa3Edi4(il)264( il)23 2 06 1 03 544 64 (1 630)22134863.59N員 2134863.59 化也F 12566.37螺桿滿足受壓穩(wěn)定性要求。3.4.4潤滑潤滑狀態(tài)對粘著磨損影響比較大，對于低速運動機構如本次設計機構，應采用粘度較大的潤滑油。考慮到使用工況，通常選用鈣基潤滑。如果加入油性和極壓添加劑，能提 高潤滑油膜吸附能力及油膜強度，可成倍地提高抗粘看磨損能力。3.5電滑環(huán)滑環(huán)型號 SNHS022-03500圖3-7電滑環(huán)技術指標：額定電壓 導線規(guī)格 絕緣電阻 額定電流 耐壓強度 電氣噪音 機械性能 通路數 工作轉度 工

48、作溫度 工作濕度 觸點材料 導線長度380VAC/DCE 更高 240VAC/DChUL鍍錫鐵氟龍鍍銀鐵氟龍>1000MQ, 500VDQ > 500M Q , 500VDC每路500A兩路之間1000V, 50Hz最大 100m Q, 6VDC,電流 50mA,轉速 5rpm/min3100RPM-40 C +80C65%RH或更高金一銀標準200mm殼體材料鋁合金力矩<10g?m （參考值）防護等級IP51或更高3.6行走機構設計3.6.1 卷纜機行走機構及其設計要求機器作業(yè)時，履帶行走機構支承機器的自重和牽引機器，履帶機構的設計對整機正常 運行、通過性能和工作穩(wěn)定性具有

49、生要作用。履帶機構設計要求：具有良好的爬坡性能和靈活的轉向性能；兩條履帶分別驅動，其 動力可選用液壓馬達或電動機；履帶應有較小的接近角和離去角，以減小運行阻力；要注 意合理設計機器重心位置，使履帶不出現零壓現象；履帶應有可靠的制動裝置，以保證機 器 在設計的最大坡度上工作不會下滑。3.6.2 卷纜機履帶機構型式履帶機構包括履帶機構和右履帶機構，左右履帶機構以卷纜機縱向中心線左右對稱， 單邊履帶機構（左履帶機構或右履帶機構）包括履帶架、驅去裝置、履帶板、支重輪、導 向輪、張緊裝置等。見圖3-8:1.履帶板2.導向輪3.張緊機構4托鏈輪 5.履帶架6.支重輪7.驅動輪圖3-8履帶行走機構3.6.3

50、 行走機構設計計算1）行走機構采用液壓馬達驅動時，液壓馬達回路額定壓力符合下表3-4規(guī)定表3-4Mpa10.012.516.021.025.031.52）行走機構履帶板寬度應符合表3-5規(guī)定表3-5mm2503004004505005205606006503）牽引力確定行走機構驅動裝置所需的功率，應能滿足機器在最大設計坡度上作業(yè)、前進、后退、轉彎等工況的要求。一般取牽引力取T (0.700.85)GT (0.70 0.85)G (0.70 0.85) 68600 48020 58310N取T 45000N牽引功率NT v3600 1 2式中 的取值，有支重輪時為0.80.95,無支重輪時為0.710.8450003600 0.85 0.9515.47kW4）履帶中心距計算選用寬度為250mm的履帶板，履帶中心距B與履帶板的寬度b之間的關系一般為B/b 3.54.5所以履帶中心距為B (3.5 4.5)b (3.5 4.5) 250 875 1125mmB 1000mm5）履帶