陳逗逗

江蘇師范大學科文學院 江蘇徐州 221132

1 設(shè)計背景

礦用絞車是煤礦中最常用的運輸設(shè)備,在煤礦生產(chǎn)過程中不可或缺。目前,在礦用絞車方面的研究很多。張倩[1]從礦用絞車的輕量化角度出發(fā),設(shè)計了采用兩級行星齒輪傳動的礦用絞車。高鵬[2]設(shè)計了一種礦井無極繩變頻雙速絞車的傳動方案,并驗證了結(jié)構(gòu)的可行性。荊晶[3]對JYB型雙速運輸絞車的主要結(jié)構(gòu)、工作原理、優(yōu)點等進行了分析,在生產(chǎn)中提高了運輸效率。JYC-80型運輸絞車相較于其它運輸絞車,具有更大的牽引力,可以搬運大中型生產(chǎn)設(shè)備,同時增大容繩量,運輸距離更長,采用長條型設(shè)計結(jié)構(gòu),適用于復雜的井下環(huán)境[4]?？傮w設(shè)計對絞車的使用性能、結(jié)構(gòu)特點、外形尺寸、加工工藝、生產(chǎn)成本等有重要影響,JYC-80型運輸絞車的總體設(shè)計主要包括絞車的總體布局設(shè)計、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計、執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計、傳動系統(tǒng)設(shè)計、制動系統(tǒng)設(shè)計,以及總體方案的評價與決策等內(nèi)容。

2 JYC-80型運輸絞車總體設(shè)計

總體設(shè)計是技術(shù)設(shè)計階段的指導性文件,各子系統(tǒng)中所有零部件的結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸、材質(zhì)等都以總體設(shè)計為依據(jù)[5]。所以在設(shè)計過程中,需要查找國內(nèi)外與絞車相關(guān)的設(shè)計資料,加以調(diào)查研究,借鑒原有絞車的設(shè)計方案并加以利用,在此基礎(chǔ)上積極進行創(chuàng)新設(shè)計,最終設(shè)計出合理、優(yōu)化、理想、經(jīng)濟的運輸絞車。

JYC-80型運輸絞車在設(shè)計過程中的總體設(shè)計原則包括:

(1) 標準化、系列化、模塊化設(shè)計;

(2) 大功率,長壽命,低噪聲;

(3) 體積小,質(zhì)量輕,結(jié)構(gòu)緊湊,經(jīng)濟性好;

(4) 一機多能,適合多種場合使用;

(5) 外形簡單,平滑,美觀,大方。

為滿足上述要求,總體設(shè)計時需要做到五點。第一,在總體布置時,從絞車的整體結(jié)構(gòu)出發(fā),充分考慮各零部件之間合理的相互位置關(guān)系和相關(guān)尺寸。第二,為了使絞車能平穩(wěn)工作,在布局時應(yīng)力求降低質(zhì)心,盡量對稱布置,減少偏置。第三,要合理確定各傳動系統(tǒng)的精度,包括各級傳動比的分配。第四,充分考慮絞車的標準化、系列化、模塊化,以及今后的發(fā)展。第五,合理利用系統(tǒng)的內(nèi)部空間,做到結(jié)構(gòu)緊湊。

按照上述原則,對JYC-80型運輸絞車從粗到細、從簡到繁反復布置,得到JYC-80型運輸絞車的總體布局圖,如圖1所示。絞車由座椅、底座、控制開關(guān)支架、手動制動閘、防爆電動機、聯(lián)軸器、電液制動閘、減速器、卷筒等組成,其中,控制開關(guān)支架可根據(jù)需要隨時拆裝。

▲圖1 JYC-80型運輸絞車總體布局圖

JYC-80型運輸絞車具有良好的防爆性能和制動性能,容繩量大,使用壽命長,傳動效率高。絞車結(jié)構(gòu)緊湊,外形尺寸小,能夠整機下井。結(jié)構(gòu)為近似對稱布置,外形美觀,呈長條形,底座呈雪橇狀。絞車質(zhì)心低,底座剛性好,可以安裝地錨,運轉(zhuǎn)平穩(wěn),安全可靠,安裝方便。

JYC-80型運輸絞車具體設(shè)計任務(wù)書見表1。

表1 JYC-80型運輸絞車設(shè)計任務(wù)書

3 執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)計

執(zhí)行系統(tǒng)是總系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng),執(zhí)行系統(tǒng)的一端與被執(zhí)行對象接觸,另一端與傳動系統(tǒng)連接。在設(shè)計卷筒裝置時,不但要明確執(zhí)行系統(tǒng)中各零部件的相互作用及設(shè)計要求,同時還要了解與其它系統(tǒng)的聯(lián)系、協(xié)調(diào)、分工,進而使總系統(tǒng)處在最佳狀態(tài)下工作。在設(shè)計過程中,首先要保證提出的功能目標,在此基礎(chǔ)上應(yīng)確保所完成功能的精度,如運動精度、動作準確性、施力大小等;其次要有足夠長的使用壽命,以及強度和剛度要求,如果強度不夠,會導致零部件損壞,造成工作中斷,甚至人身事故,如果剛度不夠,所產(chǎn)生的過大彈性變形會使總系統(tǒng)不能正常工作。

卷筒是執(zhí)行系統(tǒng)的主要零部件之一,通常由鑄鋼制成,主要用于纏繞鋼絲繩以牽引負載。

設(shè)計卷筒時,先確定鋼絲繩的參數(shù)。鋼絲繩的參數(shù)與卷筒的結(jié)構(gòu)尺寸密切相關(guān),因此需要合理選擇鋼絲繩的參數(shù)。針對JYC-80型運輸絞車設(shè)計要求,根據(jù)煤礦安全規(guī)程,選用型號為6×19-26-1570的鋼絲繩可以滿足使用要求[6],具體參數(shù)見表2。

表2 鋼絲繩參數(shù)

再確定卷筒的參數(shù)。為了不使絞車的繩徑比過小,按規(guī)定有:

D0/d≥25

(1)

式中:D0為卷筒外徑;d為鋼絲繩直徑。

初定鋼絲繩每層纏繞的圈數(shù)Z為18,層數(shù)m為12,則卷筒的容繩量C為：

C=πmZ[D0+d+(m-1)dk1]

(2)

式中:k1為鋼絲繩每層厚度降低因數(shù)。

卷筒的最小纏繞直徑Dmin、最大纏繞直徑Dmax分別為:

Dmin=D0+d

(3)

Dmax=D0+(2m-1)d

(4)

卷筒結(jié)構(gòu)外徑D為:

D=Dmax+5d

(5)

卷筒的寬度B為:

B=Zd/k2

(6)

式中:k2為鋼絲繩排列不均勻因數(shù),取0.95。

JYC-80型運輸絞車卷筒參數(shù)見表3。

表3 卷筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計任務(wù)確定后,需要從絞車的功能要求出發(fā),分析絞車在井下作業(yè)過程的工藝原理,尋求滿足設(shè)計對象主要功能關(guān)系的傳動機構(gòu)原理方案。齒輪傳動廣泛應(yīng)用于煤礦機械。錐齒輪傳動可以改變傳動方向,適用于兩軸垂直的場合,這樣有利于減小礦用絞車的寬度。由于電動機轉(zhuǎn)速較高,卷筒轉(zhuǎn)速較低,導致總傳動比較大。行星齒輪傳動可以在保證結(jié)構(gòu)緊湊的同時,實現(xiàn)較大的傳動比,能夠滿足礦用絞車結(jié)構(gòu)緊湊的要求。

JYC-80型運輸絞車的傳動系統(tǒng)主要包括錐齒輪傳動、行星齒輪傳動、圓柱齒輪傳動,傳動簡圖如圖2所示。大圓柱齒輪與卷筒通過螺栓、螺母連接,最終通過圓柱齒輪傳動帶動卷筒轉(zhuǎn)動。JYC-80型運輸絞車的傳動系統(tǒng)形成圓錐齒輪傳動、行星齒輪軟傳動、右圓柱過橋齒輪傳動、卷筒、左圓柱過橋齒輪傳動的傳動過程,絞車結(jié)構(gòu)緊湊,外形美觀,整體呈長條形對稱結(jié)構(gòu),適合井下狹小的作業(yè)空間,而且實現(xiàn)大牽引力、軟起動、制動性強等特點。

▲圖2 JYC-80型運輸絞車傳動簡圖

絞車在工作時,為了保護電機,過載因數(shù)λ應(yīng)不大于1.25,即:

(7)

式中:F為卷筒最外圈牽引力;vmax為卷筒最外圈轉(zhuǎn)速;Pr為電動機額定功率;η為傳動系統(tǒng)總效率,為0.76。

于是有:

vmax≤1.25Prη/F

(8)

卷筒的轉(zhuǎn)速n為:

(9)

絞車的總傳動比ic為:

ic=nr/n

式中:nr為電動機轉(zhuǎn)速,為980 r/min。

計算得總傳動比為32.7。

對于軟齒面的閉式齒輪傳動,主要失效形式是齒面疲勞點蝕。在設(shè)計過程中,從保證輪齒的接觸疲勞強度出發(fā)來確定齒輪的直徑。此時齒數(shù)的多少不影響結(jié)構(gòu)尺寸的大小,只影響齒輪的彎曲疲勞強度。由此,在保證具有足夠彎曲強度的條件下,齒數(shù)可以適當多些,這對增大重合度和減小加工余量都有好處。

對于閉式硬齒面齒輪傳動,輪齒折斷是主要的失效形式[7]。在設(shè)計時,應(yīng)從滿足輪齒彎曲疲勞強度的條件出發(fā),確定齒輪的模數(shù)。此時齒數(shù)的多少直接影響齒輪的大小和齒輪的接觸疲勞強度。為了減小齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸,在保證齒輪具有足夠大的接觸強度的前提下,齒數(shù)可以適當少些[8]。

對于開式齒輪傳動,主要失效形式是齒面磨損后斷齒,一般情況下不會出現(xiàn)齒面疲勞點蝕。所以在設(shè)計時,應(yīng)從滿足輪齒彎曲疲勞強度的條件出發(fā),確定齒輪的模數(shù)。模數(shù)一旦確定,齒數(shù)的多少直接影響齒輪結(jié)構(gòu)的大小。

根據(jù)上述方法和原則,設(shè)計完成后的JYC-80型運輸絞車傳動參數(shù)見表4。

表4 JYC-80型運輸絞車傳動參數(shù)

5 制動系統(tǒng)設(shè)計

JYC-80型運輸絞車采用手動制動閘和電液制動閘雙閘制動。

在手動制動系統(tǒng)設(shè)計中,充分利用行星齒輪傳動的特點,采用帶式制動閘,如圖3所示,主要由制動帶、螺紋拉桿、閘座、調(diào)節(jié)螺母、扭矩軸、長力矩板、棘爪、閘桿、拉板、彈簧、手把夾等結(jié)構(gòu)組成。

▲圖3 帶式制動閘

手動制動系統(tǒng)由左、右制動閘組成,兩個制動閘結(jié)構(gòu)相同,安裝時不需要區(qū)分,卷筒工作與停車時配合使用[9]。卷筒停車時,左制動閘制動,右制動閘放松。卷筒工作時,左制動閘放松,右制動閘抱緊內(nèi)齒圈[10],運動和轉(zhuǎn)矩由齒輪傳動系統(tǒng)逐級傳遞,卷筒開始工作,這個過程稱為軟起動。

手動制動系統(tǒng)制動力矩大,安全可靠。為了使同種制動閘用于不同規(guī)格的絞車,滿足制動力要求,可以選用不同長度的閘桿和長力矩板。另外,絞車的規(guī)格不同,減速器下方的空間也有所變化,此時可選擇不同長度的螺紋拉桿,通過調(diào)節(jié)螺母,使螺紋拉桿能夠滿足正常工作需求。

當運輸絞車停止工作或出現(xiàn)緊急情況時,電液制動閘起安全制動作用。

6 總體方案評價

JYC-80型運輸絞車主要具有四方面特點。

(1) 采用的傳動技術(shù)原理簡單、可靠。由于采用行星輪傳動,使絞車具有軟起動、軟傳動、安全雙制動的性能特點。

(2) 整機結(jié)構(gòu)緊湊,呈長條形對稱結(jié)構(gòu)布置,更加適用于煤礦井下狹小的作業(yè)空間,同時也能進行不同工作地點的自移。

(3) 軟起動和手動制動系統(tǒng)的操作靈活、方便、安全、可靠。

(4) 結(jié)構(gòu)簡單,工藝可行,生產(chǎn)效率高,成本低,壽命長,維護維修費用低。

7 結(jié)束語

筆者從JYC-80型運輸絞車的設(shè)計要求及任務(wù)出發(fā),從總體布局、結(jié)構(gòu)方案、執(zhí)行系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等方面進行了總體設(shè)計。執(zhí)行系統(tǒng)主要包括卷筒的設(shè)計和鋼絲繩的選擇計算,傳動系統(tǒng)主要由圓錐齒輪傳動、行星齒輪傳動、圓柱齒輪傳動三級傳動組成,制動系統(tǒng)為雙閘制動,手動制動系統(tǒng)為左、右閘配合操作,安全可靠。從結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)原理看,JYC-80型運輸絞車對煤礦井下環(huán)境適應(yīng)性強,性能參數(shù)能夠滿足煤礦井下各種工況的需求,工藝簡單,生產(chǎn)效率高,成本低,壽命長,經(jīng)濟性好。