煤矿提升设备选型设计

摘要 近几十年来,为了提高劳动生产率和各项经济技术指标,在世界范围内进行着对矿井的根本性技术改造,这种改造的趋向是向着更集中,更大型发展。

矿井提升设备的任务是沿井筒提升煤炭、矸石、下放材料,升降人员和设备,所以矿井提升设备是联系井下与地面的重要生产设备,是矿山运输的咽喉,因此,它在整个综合机械化生产中 占有重要地位。

随着科学技术的发展及生产的机械化和集中化,随着矿井技术改造的进程,提升设备在高效、大型、自动化方面都有着飞速的进步。近代化提升设备已发展成为大型机械--电气组或机组群。箕斗有效载重在国外已超过50吨,提升速度接近20米每秒;
拖带功率达10000千瓦以上;
在拖动控制方面已广泛采用了集中控制及自动控制设备。

本文的主要内容是对单绳缠绕式矿井提升机的选型设计。分为六个部分:第一部分是提升容器;
第二部分是提升钢丝绳;
第三部分是矿井提升机;
第四部分是提升机与井筒的相对位置;
第五部分是矿井提升运动学及动力学;
第六部分是矿井提升机的拖动与控制。

关键词 提升机;
提升容器;
钢丝绳;
选型设计;
拖动控制 Abstract Be rate of production and various economic technique index signs for the sake of the exaltation labor in the last several decades, carry on a reformation to the basic sex technique of the mineral well within the scope of world, what this kind of reform's incline to is a facing more concentrated, larger type development. The mineral well promotes the mission of equipments to be to follow a well tube to promote coal, Gan stone and descend to put material, ascend and descend personnel and equipments, so the mineral well promotes an equipments is contact the bottom of the well and ground of important produce equipments, is a mineral mountain the throat of conveyance, therefore, it occupies an important position in wholely comprehensively the mechanization the production. Because mechanization and concentration of the science technical development and the production turn, promote an equipments along with the progress of the mineral well technique reformation at efficiently, large, automation the aspect all have to fly soon of progress.Modern age's turning to promote an equipments has already developped to become large set or the machine sets of the machine-electricity.The Ji Dou effectively carries heavy abroad already more than 50 tons, promote speed to near 20 meters each;Drag along to take power to reach to 10000 kilowatts above;Have already extensively adopted concentrated control and automatic control equipments in the aspects of dragging along to move control. The textual and main contents ties up the round type mineral well to promote choose of machine a design to the single rope.Is divided into six parts:The first part is to promote container;The second part is to promote a steel wire rope;The third part is a mineral well to promote machine;The four-part cent is the opposite position which promotes machine and well tube;The fifth part is a mineral well to promote kinetics and dynamics;The sixth part is a mineral well to promote drag along of machine to move with control. Keyword promotes machine Promote container Steel wire rope Choose a designDrag along to move a control 目 录 1绪论……………………………………………………………………………………………1 1.1提升设备的发展概况……………………………………………………………………...1 1.2选型设计的基本原则……………………………………………………………………...3 1.3选型设计的依据…………………………………………………………………………...4 2提升容器………………………………………………………………………………………5 2.1箕斗及其装载设备……………………………………………………………………..….5 2.1.1箕斗……………………………………………………………………………………..5 2.1.2箕斗装载设备…………………………………………………………………………..5 2.2罐笼及其承接装置……………………………………………………………………..….5 2.2.1普通罐笼………………………………………………………………………………..5 2.2.2承接装置………………………………………………………………………………..6 2.3容器的导向装置……………………………………………………………………..…….6 2.3.1刚性组合罐道…………………………………………………………………………..6 2.3.2钢丝绳罐道……………………………………………………………………………..6 2.4竖井提升容器的选择…………………………………………………………………..….7 2.4.1提升容器的比较及其应用……………………………………………………………..7 2.4.2箕斗规格的选择………………………………………………………………………..7 3提升钢丝绳…………………………………………………………………………………..11 3.1提升钢丝绳的结构,分类和选择使用……………………………………………….....11 3.1.1提升钢丝绳的结构……………………………………………………………………11 3.1.2提升钢丝绳的分类……………………………………………………………………11 3.1.3提升钢丝绳的选择使用………………………………………………………………11 3.2提升钢丝绳的选择计算……………………………………………………………..…...12 3.3提升钢丝绳的维护和试验……………………………………………………………….14 3.3.1提升钢丝绳的使用和维护……………………………………………………………14 3.3.2提升钢丝绳的检查和试验……………………………………………………………14 4矿井提升机…………………………………………………………………………………..15 4.1缠绕式提升机………………………………………………………………………….....15 4.2提升机和天轮的选型计算……………………………………………………………….15 4.2.1提升机的选型计算………………………………………………………………..…..15 4.2.2天轮的选型计算………………………………………………………………………17 4.3提升机的主要结构及其作用………………………………………………………….....17 4.3.1主轴装置………………………………………………………………………………17 4.3.2调绳离合器……………………………………………………………………………18 4.3.3减速器…………………………………………………………………………………19 4.3.4制动装置………………………………………………………………………………19 4.3.5制动器的设计…………………………………………………………………………21 4.3.6液压站…………………………………………………………………………………22 5提升机与井筒的相对位置…………………………………………………………………..24 5.1缠绕式提升机安装地点的选择………………………………………………………….24 5.2提升机与井筒相对位置的计算………………………………………………………….24 5.2.1井架高度及井筒提升中心线至井筒中心线的距离………………………………....24 5.2.2计算钢丝绳的弦长及偏角……………………………………………………………25 5.2.3钢丝绳的外偏角和内偏角……………………………………………………………26 5.2.4提升机滚筒的出绳角…………………………………………………………………27 6矿井提升运动学及动力学…………………………………………………………………..28 6.1矿井提升运动学……………………………………………………………………….....28 6.1.1提升速度图……………………………………………………………………………28 6.1.2箕斗六阶段速度图各运动参数的计算………………………………………………28 6.1.3提升加速度的确定……………………………………………………………………30 6.1.4提升减速度的确定……………………………………………………………………31 6.1.5提升电动机的预选……………………………………………………………………32 6.1.6传动装置的总传动比,并分配传动比………………………………………………33 6.1.7主轴输入功率及轴颈的确定…………………………………………………………33 6.1.8减速器的设计…………………………………………………………………………34 6.2矿井提升动力学……………………………………………………………………….....38 6.2.1提升系统的静阻力……………………………………………………………………38 6.2.2提升系统变位质量的计算……………………………………………………………39 6.2.3提升设备动力学计算…………………………………………………………………40 6.3提升设备所需拖动力的变化规律…………………………………………………….....42 7矿井提升机的拖动与控制…………………………………………………………………..44 7.1拖动装置的种类及性能……………………………………………………………….....44 7.2提升电动机容量的计算和电动机选择……………………………………………….....44 7.2.1提升电动机容量的计算………………………………………………………………44 7.2.2提升电动机的选择……………………………………………………………………45 7.3交流拖动提升设备的电耗及效率的计算…………………………………………….....47 结论…………………………………………………………………………………………….49 致谢…………………………………………………………………………………………….50 参考文献……………………………………………………………………………………….51 附录…………………………………………………………………………………………….52 附录1………………………………………………………………………………………….52. 1绪论 1.1提升设备的发展概况 矿井提升设备的任务是沿井筒提升煤炭、矸石、下放材料,升降人员和设备,所以矿井提升设备是联系井下与地面的重要生产设备,是矿山运输的咽喉,因此,它在整个综合机械化生产中 占有重要地位。

近几十年来,为了提高劳动生产率和各项经济技术指标,在世界范围内进行着对矿井的根本性技术改造,这种改造的趋向是向着更集中,更大型发展。

随着科学技术的发展及生产的机械化和集中化,随着矿井技术改造的进程,提升设备在高效、大型、自动化方面都有着飞速的进步。近代化提升设备已发展成为大型机械--电气组或机组群。箕斗有效载重在国外已超过50吨,提升速度接近20米每秒;
拖带功率达10000千瓦以上;
在拖动控制方面已广泛采用了集中控制及自动控制设备。

矿井提升设备的主要组成部分是:提升容器、提升钢丝绳、滚筒、天轮和电动机等设备。

由于井筒条件及选用的提升容器和提升机类型的不同,可组成各有特点的矿井提升系统。较常见的提升系统有:
(1)
竖井单绳缠绕式箕斗提升系统;

(2)
竖井单绳缠绕式罐笼提升系统;

(3)
竖井多绳摩擦式箕斗提升系统;

(4)
竖井多绳摩擦式罐笼提升系统;

(5)
斜井箕斗提升系统;

(6)
斜井串车提升系统;

图1-1 单绳缠绕式提升机箕斗提升系统 1-提升机;
2-天轮;
3-井架;
4-箕斗;
5-卸载曲轨;
6-煤仓;

7-钢丝绳;

8-翻笼;

9-煤仓;
10-给煤机;
11-装载设备 上图所示是单绳缠绕式箕斗提升系统示意图。处在井底车场的重矿车,有推车机推入翻车机8(也称翻笼),把矿车内的煤炭卸入井底煤仓,在经装载设备11把煤炭装入主井底的箕斗内。与此同时,已提至井口卸载位置的重箕斗,通过井架上的卸载曲轨的作用,箕斗底部的闸门开启,把煤炭卸入地面煤仓6。处在井上、井下的两箕斗分别通过装置与两根提升钢丝绳7相连接,两根提升钢丝绳7的另一端则绕过安装在井架3上的天轮2,以相反的方向固定在提升机卷筒1上。启动提升机,一根钢丝绳向卷筒上缠绕,使井底重箕斗向上运动;
与此同时,另一根钢丝绳自卷筒上放松,使井口轻箕斗向下运动,从而完成了提升煤炭的任务。

另一种常见的提升系统是竖井普通罐笼提升系统,它与上述箕斗提升系统不同之处,主要是采用的容器不同,因此,装卸载方法也不同。位于井口与井底车场的罐笼通过人工或机械装卸矿车,生产效率较箕斗提升低,这种提升系统主要用于副井,作为辅助提升。在小型矿也兼作主井提升。

根据提升设备的特点可将提升设备分为:
按用途分:主井提升设备;
副井提升设备。

按提升机类型分:缠绕式提升设备;
摩擦式提升设备。

按拖动类型分:交流拖动提升设备;
直流拖动提升设备。

1.2选型设计的基本原则 提升设备的选型设计是否合理,对矿山的基本投资、生产能力、生产效率及吨煤成本有着直接的影响。

提升设备选型设计只能在提升方式确定之后进行。

当矿井年产量、井深及开采水平确定之后,就要决定合理的提升方式。提升方式与井筒开拓、井上下运输等运输环节都有着密切的关系。因此,在做新井初步设计时,对提升方式要全面综合考虑。在决定合理的提升方式时,原则上要考虑如下几个因素:
(1)
对于年产量大于60万吨的大中型矿井,由于提升煤炭及辅助提升工作量均较大,一般均设主副井两套提升设备。主井采用箕斗提升煤炭,副井采用罐笼完成辅助提升任务:如提升矸石、升降人员和下放材料设备等。对于年产量小于30万吨的小型矿井,如果仅用一套罐笼提升设备就可以完成全部主副井任务时,采用一套提升设备也是经济、合理的。对于年产量大于180万吨的大型矿井,往往需要两套箕斗提升设备,副井除配备一套罐笼设备外,多数尚需设置一套单容器平衡锤系统以专门提升矸石。

(2)
一般情况下,主井均采用箕斗提升方式。这是因为箕斗提升方式能力大,运转费也较低。另外,在控制上易于实现自动化。但在特殊条件下,例如矿井生产的媒质品种多,且需分别运送,或是保证煤炭有足够的块度,这时只好采用罐笼作为主井提升设备。

(3)
为了提高生产效率,中等以上矿井,原则上都要采用双钩提升。如果矿井开采的水平数较多,采用平衡锤单容器提升方式也是比较方便的,也很经济合理。

(4)
根据我国目前实际情况,对于小型矿井,以采用单绳缠绕式提升系统为宜。对于年产量90万吨以上的大型矿井,以采用多绳摩擦提升系统为宜。对于中型矿井,如果井较浅,可以采用单绳缠绕式系统,井筒较深时,也可以采用多绳摩擦提升系统,或者主井采用单绳箕斗系统,副井采用多绳罐笼。

(5)
煤矿企业若有两个水平,且分前后期开采时,提升机、井架等大型固定设备要按照最终水平选择。提升容器、钢丝绳和提升电动机根据实际情况也可以按照第一水平选择,待井筒延深至第二水平时,另行更换。

(6)
确定斜井提升合理提升方式时,一般来说,小型矿井主井多用串车。产量较小时也可以考虑单钩。大型斜井提升,宜用胶带运输机及双钩箕斗。井筒倾角过大,虽中等井型也可使用箕斗提升方式,以防煤炭洒出。斜井副井升降人员时采用人车。

以上所述,只是决定合理提升方式的一般原则,在具体设计工作中,应该根据实际情况结合矿井条件全面综合考虑。

为了加快煤矿建设速度,适应国民经济发展的需要,我国煤炭工业部颁发了《定型成套装备》和《成套设备补充部分》两份材料。其中对不同产量的井型,除规定开拓、提升和运输方式外,对采用的主要设备也作了规定。这不仅有利于改善设备供应状况,而且也是走向矿井标准化、系列化和定型化的有力措施。这两份规范是新井设计的依据。凡新井设计,应尽量参考选用。当然,在设计中如确有困难,也允许做局部调整。

1.3选型设计的依据 假定某煤矿的年矿生产量为130万吨,进行提升设备的设计,以达到正常工作为目标,已知数据如下:
(1)
矿井年生产量130万吨;

(2)
提升机工作制度为年工作日300天,每天工作14小时;

(3)单水平提升,井筒深度H1=260m;

(4)箕斗装载深度为H2=20m; (5)松散煤的密度为0.9t/m3; (6)
采用双筒单绳缠绕式提升;

(7)一套箕斗提升设备。

2提升容器 提升容器是直接装运煤炭、矸石、人员、材料及设备的工具。按其结构可分为:箕斗、罐笼、矿车、人车及吊桶五种。

2.1箕斗及其装载设备 2.1.1箕斗 我国煤矿立井广泛采用固定斗箱底卸式箕斗,其形式有很多种,过去一些矿井普遍采用扇形闸门底卸式箕斗,现在新建矿井多采用平板闸门底卸式箕斗。箕斗有斗箱、框架、联接装置及闸门等部分组成。

箕斗的导向装置可以采用钢丝绳罐道,也可以采用钢轨或组合罐道。采用钢丝绳罐道时,除了应考虑箕斗本身平衡外,还要考虑装煤后仍维持平衡,所以在年斗箱上部装载口处安置了可调节的溜煤板,以便调节煤堆顶部中心的位置。

2.1.2箕斗装载设备 我国过去广泛采用鼓形箕斗装载设备。这种装载设备的最大缺点是洒煤量很大,一般达到煤量的千分之十,有的竟达千分之四十,且在装载时不能保证箕斗的装载量。因此,新的箕斗装载设备采用预先定量的装载方式,其洒煤量可以大大降低,一般仅为提煤量的千分之一。定量装载方式还能保证提升工作的正常化,有利于实现提升自动化。目前在新建和改建矿井的设计中已普遍采用定量装载设备。

目前国内外广泛采用的定量装载设备有定量斗箱式和定量输送机式两种。

立井箕斗定量斗箱装载设备主要有斗箱、溜槽、闸门、控制缸和测重装置组成。当箕斗到达井底装煤位置时,通过控制元件开动控制缸,将闸门打开,斗箱中的煤边沿溜槽全部装入箕斗。利用压磁测重装置来控制斗箱中的装煤量。

定量斗箱装载设备具有结构简单环节少装载时不用其他辅助机械等优点,在我国已定为标准装载设备。

定量输送机装载设备的优点是:
(1)不需在井筒附近开凿较大的峒室;

(2)减少装倒的次数,因而可减少煤的破碎量;

(3)向箕斗装载均匀,可减少提升钢丝绳的冲击负荷;

(4)装载时间不受煤质变化的影响,有利于实现提升自动化。

2.2罐笼及其承接装置 2.2.1普通罐笼 单绳普通罐笼罐体是由横梁和立柱组成的金属框架结构,两侧包有钢板。罐体的接点采用铆焊结合的形式。罐体的四角为切角形式,这样既有利于井筒布置,制作又方便。罐笼顶部设有半圆弧形的淋水棚和可以打开的罐盖,以供运送长材料。罐笼两端装有帘式罐门。为了将矿车推进罐笼,罐笼底部铺设有轨道。为了防止提升过程3矿车在罐笼内移动,罐笼底部还装有阻车器及自动开闭装置。在罐笼上装有罐耳及橡胶滚轮罐耳,以使罐笼沿装设在井筒内的罐道运行。在罐笼上部装有动作可靠的防坠器,以保护生产及升降人员的安全。罐笼通过立拉杆和双面夹紧锲形环与提升钢丝绳相连。为了保证矿车能顺利进出罐笼,在井上及井下装卸载位置设置承接装置。

2.2.2承接装置 为了便于矿车出入罐笼,必须使用罐笼承接装置,罐笼的承接装置有承接梁,罐座及摇台三种形式。承接梁是最简单的承接装置,只用于井底车场,且易发生事故。罐座是利用托爪将罐笼托住,故可以使罐笼的停车位置准确。推入矿车的冲击有托爪承担,但要下放位于井口罐座上的罐笼时,必须先将罐笼提起,托爪靠配重自动收回,使操作复杂化。罐笼落在井底罐座上,钢丝绳容易松弛,因而提升时钢丝绳受到冲击载荷。当操作不当时,容易发生事故。

过去设计的矿车,一般井口用罐座,井底用承接梁,中间水平用摇台。但在新设计的矿井中不采用罐座和承接梁,而采用摇台。

摇台是由能绕转轴转动的两个钢臂组成。它安装在通向罐笼进出口处。当罐笼停于卸载位置时,动力缸中的压缩空气排除,装有轨道的钢臂靠自重绕轴转动,下落并搭在罐笼底座上,将罐笼内轨道与车场的轨道连接起来。矿车进入罐笼后,压缩空气进入动力缸,推动滑车,滑车推动摆杆套的滚子,致使轴转动而使钢臂抬起。当动力缸发生故障或其他原因不能动作时,也可以临时进行人工操作。此时,要将销子去掉,并使配重部分的重力大于钢臂部分的重力。这时,钢臂的下落靠手把转动轴抬起,靠配重实现。

2.3容器的导向装置 提升容器在井筒内运行需设导向装置,提升容器的导向装置(罐道)可分为刚性和挠性两种。挠性罐道采用钢丝绳,刚性罐道一般用钢轨,各种型钢和方木。刚性罐道固定在型钢罐道梁上。罐道的形式有钢轨罐道和用型钢焊接而成的矩形组合罐道。钢轨罐道的主要缺点是侧向刚度小,易造成容器的横向移动,刚性罐耳磨损太大,所以钢轨罐道一般用于提升速度和终端载荷都不大的提升容器。

2.3.1刚性组合罐道 刚性组合罐道的截面是空心矩形,一般由槽钢焊接而成。其主要优点是侧向弯曲和扭转强度大,罐道的刚性强,可配合使用摩擦因数小的橡胶滚动罐耳。这种罐道使容器运行平稳,罐道与罐耳磨损小,因此,服务年限长。今年来国内外使用这种罐道的矿井逐渐增多,尤其是在终端负荷和提升速度都很大时,使用这种罐道更为合适。

2.3.2钢丝绳罐道 钢丝绳罐道与刚性罐道相比具有安装工作量小,建设时间短,维护简便,高速运行平稳和通风阻力小等优点。但使用钢丝绳罐道时,容器之间及容器与井臂之间的间隙要求较大,因此就必须增大井筒的净断面积,且使井塔或井架的荷重增大,这些都限制了钢丝绳罐道的使用。特别是当地压较大,井筒垂直中心线发生错动,甚至井筒发生弯曲时,不能采用钢丝绳罐道,此时应采用刚性罐道。

每个容器一般采用四根罐道绳。罐道绳应采用刚性大,耐磨和防腐性强的钢丝绳,因此使用密封式钢丝绳较好。也可采用三角股和普通圆股钢丝绳。罐道绳上端用双契块固紧式固定装置固定在井架上,下端采用连接装置和重锤拉紧。

2.4提升容器的选择 2.4.1提升容器的比较及其应用 立井提升容器主要是箕斗和罐笼。在同等条件下,箕斗与罐笼相比,质量小,占井筒断面小,装卸载快,提升能力大,电动机功率小,提升效率高,便于实现自动化。缺点是用途单一,需设置煤仓及装卸载设备,需另设辅助提升设备,井架较高,井筒较深。可根据矿井生产能力的大小确定提升容器的类型。提升容器的类型确定后,就要计算提升容器的容量,并从容器规格表中选择标准容器,也可根据现场要求自行设计非标准容器。

在矿井年产量、工作制度一定的情况下,可以选择大容量容器低速提升;
也可以选择小容量容器高速提升。这两种提升方式,前者因容器大,所需提升钢丝绳直径粗,提升机直径大,电动机功率大,设备初期投资高;
但运行电费低。后者则反之。在实际工作中确定提升方案时,要先对两种方案进行选型计算,从初期投资,运行电费等各方面进行技术经济比较,考虑现场特殊需要,确定经济合理的提升方案。在做方案设计时,可采用经济提升速度的方法。

2.4.2箕斗规格的选择 箕斗设计和选用主要应考虑其结构坚固,有足够的刚度,装卸载快,闸门工作可靠。

《煤矿安全规程》规定,立井升降物料时,提升容器的最大速度,不得超过下列公式所求得的数值:
图2-1 单绳缠绕式提升机箕斗提升系统 1-提升机;
2-天轮;
3-井架;
4-箕斗;
5-卸载曲轨;
6-煤仓;

7-钢丝绳;
8-翻笼;

9-煤仓;
10-给煤机;
11-装载设备 根据以上选择原则,进行箕斗基本参数的计算:
(1)提升高度H:
H=Hz+Hs+Hx=20+260+20=300m (2)经济提升速度Vm: Vm=0.6=0.6=10.39m/s 式中 H —为提升高度(m);

Hs —为矿井深度;

Hx —卸载高度,箕斗提升可取15-25m;
罐笼提升 可取其为20米;

HZ—装载高度,箕斗提升可取18-25m;
罐笼提升 可取其为20米;

(3) 一次提升循环估算时间Tx: 初估加速度 a=0.8m/s;求得Tx:
=61.86 s 式中: a1—提升加、减速度(开始可假定加、减速度相等),对罐笼可暂取为0.7~0.75m/s2;
对箕斗可暂取为0.8m/s2;

—容器爬行阶段附加时间,对罐笼可暂取为5s;
对箕斗可暂取为10s;

—容器装卸载休止时间,可暂取为10s;

由此可估算出完成生产任务所需提升速度的最小值 :
可作为选择提升速度的依据,实际提升速度 应根据实际所选提升机直径、减速器减速比、提升电动机的额定转速计算。

(4)按式估算一次提升质量 , =7.34吨 式中: —矿井年产量(吨/年);

—提升能力富裕系数,对第一水平要求 ≥1.2;
取1.2 —提升工作不均衡系数;
提升不均匀系数, 有井底煤仓时,c=1.1~1.15,无井底煤仓时,c=1.2, 当矿井有两套提升设备时,c=1.15,只有一套提升设备时,c=1.25;

t—日工作小时数,取14小时;

br—年工作日,取300天;

根据计算所得 ,从表一立井单绳箕斗规格表中选取一次提升质量与之相近的标准箕斗;
写出所选箕斗的型号,容器质量(kg), 有效容积(m3)及两箕斗在井筒中的中心矩S(m)等参数。

箕斗的型号:JL—8,容器质量5.5(kg), 有效容积8.8 (m3)及两箕斗在井筒中的中心矩2100(mm)等。

从立井单绳箕斗规格表中选取一次提升质量与之相近的标准箕斗;
写出所选箕斗的型号,容器质量(kg), 有效容积(m3)及两箕斗在井筒中的中心矩S(m)等参数。考虑到将来可能加大矿井生产能力,故选用箕斗名义装载量为8吨的箕斗。

其主要技术规格如下:
自重:Qz=5.5吨;

全高:9250mm;

有效容积:8.8m3; 最大终端载荷14.5吨;

实际载重量Q:  Q=v Q=0.98.8=7.92吨 式中: V—箕斗的有效容积,m3;

ρ—货载散集密度,对于煤ρ=0.8t/m3~1.0t/m3;
取0.9 表2—1 立井单绳箕斗规格表 型号 JL-3 JL-4 JL-5 JL-6 名义装载质量(t) 3 4 6 8 有效容积 3.3 4.4 6.6 8.8 钢丝绳直径(mm) 31 37 40 43 箕斗质量(t) 3.8 4.4 5.0 5.5 最大负荷质量(t) 8 9.5 12 14.5 最大提升高度(m) 500 650 700 500 箕斗总高(mm) 7780 8650 9450 9250 箕斗中心距(mm) 1830 1830 1870 2100 适应井筒直径(m) 4.5 4.5 4.5或5 5 适应提升机型号 2JK—2.5 2JK—2.5或2JK--3 2JK—3或2JK—3.5 2JK—3.5 3提升钢丝绳 3.1提升钢丝绳的结构,分类和选择使用 3.1.1提升钢丝绳的结构 矿井提升钢丝绳都是丝--股—绳结构,即先有钢丝捻成绳股,再由绳股捻成绳。

制造提升钢丝绳的钢丝是由优质碳素结构圆钢冷拔而成的,一般直径为0.4—4毫米,钢丝的抗拉强度1400—2000牛每平方毫米,我国多用1550牛每平方毫米和1700牛每平方毫米两种。为了增加抗腐蚀能力,钢丝表面可以度锌,称为度锌钢丝,此外还可以用钢丝的韧性来标志,分为特号,一号和二号三种。提升矿物用的钢丝绳可以选用特号或一号钢丝来制造,提升人员的钢丝绳只允许用特号钢丝来制造。

在由钢丝捻成股时有一个股芯,由股捻成绳时由一个绳芯。股芯一般为钢丝,绳芯有金属绳芯和纤维绳芯两种。绳芯的作用是支持绳股,使绳富有弹性,并可存储润滑油,防止内部钢丝腐蚀生锈。

3.1.2提升钢丝绳的分类 提升钢丝绳有很多种,结构不同性能也不同。根据不同的特点有不同的分类方法,实际上都是从不同的角度来说明钢丝绳的结构特点,了解这些特点,对于认识不同钢丝绳的性能,正确选择和合理使用都是有益的。

(1)依绳股在绳中的捻向来分,有:左捻钢丝绳,即股在绳中方向以左螺旋方向捻绕;
右捻钢丝绳,即股在绳中方向以右螺旋方向捻绕。

(2)依钢丝在股中和股在绳中捻向的关系分,有:同向捻钢丝绳;
交叉捻钢丝绳;
同向捻钢丝绳比较柔软,表面比较光滑,弯曲应力较小,因而寿命长,有较大的恢复力,容易旋转打结;
交叉捻钢丝绳与上述情况相反。

(3)依钢丝在股中的接触情况分,钢丝在绳股中的接触形式有点接触,线接触和面接触三种。点接触钢丝绳,股中内外层钢丝绳以等捻角不等捻距来捻制,一般以相同直径的钢丝来制造;
线接触钢丝绳,股中内外层钢丝绳以不等捻角等捻距来捻来制造,一般以不直径的钢丝来制造。两绳相比较,线接触比较柔软,无压力集中现象,寿命较长。面接触式钢丝绳结构紧密,表面光滑,抗磨损和抗腐蚀性能好。

(4)依绳股的断面形状分,最常用的为圆股钢丝绳,这种绳的绳断面为圆形;
此外,还有异形股绳,其断面形状为三角形或椭圆形,提升应用最多的是三角绳股。

(5)特种钢丝绳。除了上面介绍的一些钢丝绳以外,还有一些结构比较特殊的钢丝绳,在矿井提升中应用的有:多层股不旋转钢丝绳;
密封钢丝绳和半密封钢丝绳;
扁钢丝绳。

3.1.3升钢丝绳的选择使用 选择钢丝绳时,应根据使用条件和钢丝绳的特点来考虑。我国对于提升钢丝绳的选择原则是:绳的捻向与绳在卷筒上的缠绕螺旋线方向一致。我国单绳缠绕式提升机多为右螺旋缠绕,故应选右捻绳,目的是为了防止钢丝绳松捻;
多绳摩擦提升为了克服绳的旋转性给容器导向装置造成磨损,一般选左右捻各一半。

此外,还应考虑以下因素:
(1)在井筒淋水大,水的酸碱度较高且处于出风井中的提升钢丝绳,因腐蚀严重,应选用镀锌钢丝绳;

(2)以磨损为主要损坏原因时,应选用外层钢丝绳较粗的钢丝绳;

(3)以弯曲疲劳为主要损坏原因时,应优先选用线接触式或三角股钢丝绳,如6T(25),6W(19)等;

(4)用于高温和有明火的地方,如煤矿矸石山等,应选用金属绳芯的钢丝绳。

3.2提升钢丝绳的选择计算 提升钢丝绳的选择计算是提升设备选型设计中的关键环节之一。钢丝绳在运转中受有许多应力的作用和各种因素的影响,如静应力,动应力,弯曲应力,扭转应力和挤压应力等,磨损和锈蚀也会损害钢丝绳的性能。

立井单绳缠绕式提升一般选用6×19的钢丝绳,如条件许可也可选用线接触钢丝绳或异型股钢丝绳。

钢丝绳品种选定后,就要具体确定钢丝绳的直径和型号参数。提升钢丝绳的选择按《煤矿安全规程》的规定,应采用最大静载荷来进行计算并考虑一定的安全系数。

各种提升设备用的钢丝绳,悬挂时的安全系数,必须符合下列规定:
a.专用于升降人员的,不低于9;

b.升降人员和物料用的,升降人员时不低于9,升降物料时不低于7.5;

c.专用于升降物料的,不低于6.5;

d.多绳摩擦提升钢丝绳,专用于升降人员的,不低于9.2-0.0005 ;
升降人员或升降人员和物料用的, 升降人员时不低于9.2-0.0005 , 升降物料时不低于8.2-0.0005 ;
专用于升降物料的7.2-0.0005 ;

对提升机的钢丝绳进行计算和选用:
, (1)钢丝绳最大悬垂长度Hc, 预估井架高度Hj=30m:
Hc=Hj+Hs+Hz=30+260+20=310m Hc—钢丝绳最大悬垂长度,m;

Hj—井架高度,m;
此值在计算钢丝绳时尚不能精确确定;

可采用下列数值:罐笼提升Hj=15~25m;
箕斗提升Hj =30~35m;

取其为30 Hs—矿井深度,m;

Hz—由井底车场水平到容器装载的距离(m),罐笼提升Hz =0m;

箕斗提升Hz =18~25m;
取其为20。

(2)估算钢丝绳每米重量P,计算:
取钢丝绳抗拉强度=17000 kg/cm2,安全系数ma=6.5; =5.26千克/米 式中: Q—一次提升货载的重量,千克;

Qz—容器的自身重量,千克;

Ma—安全系数《煤矿安全规程》规定,主井箕斗提升,ma大于等于6.5,取ma=6.5;

P—钢丝绳每米重量,千克/米;

故选用普通圆形股619型钢丝绳, 其技术特征为:
钢丝绳直径d=40mm;

钢丝直径=2.6mm;

钢丝绳全部钢丝断裂力总和Qq=102500千克;

每米重P=5.717千克/米;

钢丝钢丝绳极限抗拉强度为 B =17000kg/cm2;

(3)钢丝绳安全系数校核, =6.71 6.5 式中 Qq—所选钢丝绳全部钢丝破断拉力总和,N;

Q+QZ+pHc—货载、容器、钢丝绳重量总和;

安全系数《煤矿安全规程》规定,主井箕斗提升,大于等于6.5,取=6.5由于实际安全系数大于6.5, 故校核安全,所选钢丝绳满足安全要求, 合格可用。

3.3钢丝绳的使用,维护和试验 3.3.1钢丝绳的使用和维护 提升钢丝绳是提升设备中的一个重要组成部分,除了合理选择钢丝绳的结构之外,还应正确地使用和维护钢丝绳,以便延长钢丝绳的工作状态和使用寿命。这不仅有一定的经济意义,而且对提升设备的安全有重要的作用。

《煤矿安全规程》对提升钢丝绳运转维护的要求 必须符合规定的绳轮直径和绳径比;

(1)
绳槽的直径要符合要求;

(2)
缠绕式提升机用钢丝绳必须定期涂油润滑,润滑油要符合钢丝绳制造厂提出的要求;
摩擦提升用钢丝绳只能涂专用的钢丝绳油;

(3)
严禁用布条之类的东西捆在钢丝绳上作提升深度指示标记,以防该处的钢丝绳得不到良好的润滑而发生腐蚀断丝;

(4)
钢丝绳的运送,存放和悬挂都应严格按照要求去做;

(5)
对提升钢丝绳必须每天以0.3米每秒的速度进行认真检查,并记录断丝情况,有关断丝和钢丝绳断面缩小的极限要求可见《煤矿安全规程》的有关规定;

(6)
钢丝绳遭受卡罐或突然停车等猛烈拉伸时,必须立即停车检查,遭受冲击拉伸的一段如果长度增加百分之0.5以上或有明显损伤,要更换新绳,才能使用;

(7)
多层缠绕时,由下层转到上层的一段绳由于磨损严重,必须加强检查,并且每季度要错绳四分之一圈。

3.3.2钢丝绳的检查和试验 为了确保钢丝绳的使用安全,防止断绳事故发生,对钢丝绳要进行定期的检查和试验。

提升钢丝绳和平衡尾绳,在使用前都要经过试验,试验合格的备用钢丝绳,必须妥善保管。

《煤矿安全规程》还规定钢丝绳必须定期切下一段进行试验,以验证使用中的钢丝绳性能是否符合要求。

(1)
新绳在使用之前均必须进行试验;

(2)
除摩擦式提升用钢丝绳和尾绳以及倾角30度以下的斜井专门用来升降物料的钢丝绳外,提升钢丝绳在使用过程中必须定期切下一段做试验。升降人员或升降人员或物料的钢丝绳,自悬挂之日起每6个月试验一次;
专门升降物料的钢丝绳,自悬挂之日起一年后进行第一次试验,以后每6个月试验一次。

4矿井提升机 4.1缠绕式提升机 根据矿井提升机工作原理和结构的不同,可以分为缠绕式提升机和摩擦式提升机。

单缠绕式提升机是较早出现的一种提升机。其工作原理是:将两根提升钢丝绳的一端以相反的方向分别缠绕并固定在提升机的两个卷筒上;
另一端绕过井架上的天轮分别与两个提升容器相连。这样,通过电动机改变卷筒的转动方向,可将提升钢丝绳分别在两个卷筒上缠绕和放松,以达到提升和下放容器,完成提升任务的目的。目前,单绳缠绕式提升机在我国矿山中使用较为普遍。

单绳缠绕式提升机是一种圆柱形卷筒提升机,根据卷筒的数目不同,可分为双卷筒和单卷筒两种。

双卷筒提升机的两个卷筒在与轴的连接方式上有所不同:其中一个卷筒通过挈键或热装与主轴固接在一起,称为固定卷筒,又称为死卷筒;
另一个滑装在主轴上,通过离合器与主轴连接,故称之为游动卷筒,又称活卷筒。采用这种结构的目的是考虑到在矿井生产过程中提升钢丝绳在终端载荷作用下产生弹性伸长,或在多水平提升中提升水平的转换,需要两个卷筒之间能够相对转动,以调节绳长,使得两个容器分别对准井口和井底水平。

单卷筒提升机只有一个卷筒,一般仅用作单钩提升。如果单卷筒提升机用做双钩提升,则要在一个卷筒上固定两根缠绕方向相反的提升钢丝绳。提升机运行时,一根钢丝绳向卷筒上缠绕,同时,另一根钢丝绳自卷筒上放松。

其优点是:卷筒容绳表面得到了充分的利用,从而使得提升机的体积和重力较小。其缺点是:用作双钩提升时,两个容器分别在井口和井底水平的位置不容易调整。为了解决这一问题,把单卷筒制成可以分离的两个部分:一部分与轴固接;
另一部分通过离合器与轴连接,因而称这种提升机为分离式单卷筒提升机。由于这种提升机只有一个卷筒,容绳量小,适用于提升能力较小的场合。

4.2提升机和天轮的选型计算 4.2.1提升机的选型计算 选择提升机的主要参数有:卷筒的直径D;
卷筒的宽度B;
提升机的最大静张力及最大静张力差。其中卷筒的直径D为选择提升机规格型号的依据,其他三个参数为校核参数。

选择提升机卷筒直径的主要原则是:使钢丝绳在卷筒上缠绕时所产生的弯曲应力不要过大,以保证提升钢丝绳具有一定的承载能力和使用寿命。理论与实践已经证明,绕经卷筒和天轮的钢丝绳,其弯曲应力的大小及其疲劳寿命取决于卷筒与钢丝绳直径的比值。

提升机滚筒直径D,是计算选择提升机的主要技术数据。选择滚筒直径的原则是钢丝绳在滚筒上缠绕时不产生过大的弯曲应力以保证其承载能力和使用寿命。

(1)提升机卷筒直径D:
80×40 3200毫米 1200×2.6 3120 毫米 取卷筒直径 D =3500mm。

(2)提升机卷筒宽度B:
卷筒容绳宽度 =1420.29 mm 式中: d—钢丝绳直径,mm;

ε—钢丝绳绳圈之间的间距,一般取2~3mm;

由于所需滚筒宽度小于标准提升机的宽度1.7米。所以提升时,滚筒宽度满足要求。

考虑误差等实际情况,取B=1421mm。

故卷筒选用单绳缠绕,卷筒直径D=3500mm,宽度B=1421mm。

滚筒宽度应容纳以下几部分长度的钢丝绳。

①提升高度H。

②钢丝绳试验长度,《煤矿安全规程》规定,升降人员或升降人员和物料用的钢丝绳,自悬挂时起每隔6个月试验1次;
专门升降物料用的钢丝绳,自悬挂时起经过1年进行1次试验,以后每隔6个月试验1次。试验时每次剁掉5m,如果绳的寿命以三年考虑,则试验绳长为30m。

③滚筒表面应保留三圈绳不动(称摩擦圈),以减轻绳与滚筒固定处的拉力。

④多层缠绕时,上层到下层段钢丝绳每季需错动1/4圈,根据绳子的使用年限,一般取错动圈n′=2--4圈。

⑤缠绕在滚筒圆周表面上相邻两绳圈间隙宽度 单层缠绕时 滚筒的实际宽度为B,若B′≤B则绳在滚筒上可缠绕单层;
若B≤B′≤2B则绳在滚筒上需缠绕两层。

对于缠绕层数《煤矿安全规程》规定:立井中升降人员或升降入员、物料的,只准缠绕一层;
专为升降物料的准许缠两层;
倾斜井巷中升降人员的,准许缠两层;
升降物料,准许缠三层;
在建井期间,无论在立井或倾斜井巷中,升降人员和物料的,都准许缠绕两层。

若缠绕层数超过《煤矿安全规程》规定,则需改选直径较大的提升机。并重新验算滚筒宽度,直到缠绕层数满足要求为止。多层缠绕时公式中还需增加错动圈n′。

由于所需滚筒宽度小于标准提升机的宽度1.7米。所以提升时,滚筒宽度满足要求。滚筒出绳角的大小,影响提升机主轴的受力情况。设计JK型提升机主轴时,是以上出绳角为零度,下出绳角β为15°考虑的。滚筒的实际出绳角度增大时,对提升机主轴的工作有利。限制下出绳角β的最小值为15°,是考虑到β过小时,钢丝绳有可能与提升机基础接触,增大了钢丝绳的磨损。为此,对于提升机,下出绳角β,令其大于15就可以了。

算出Hj、Ls后,也有可能偏角不能满足要求。为此一般是适当增大Ls值,这会使L从而满足α1α2的要求。总之,应根据实际条件,具体分析妥善解决。

为了保证提升机有足够的强度,还必须验算所选提升机最大静张力Fjmax(它关系到滚筒与主轴的强度)及最大静张力差所选提升机最大静张力Fc(它关系到主轴的强度)应满足下式:
(3)下面进行提升机强度验算。

8000+5500+5.717×300=13500+1715.1=15215.1 kg17000 kg 8000+5.717×300=8000+1715.1=9715.1 kg11500 kg 式中: Fjmax—所选提升机最大静张力;

Fc —所选提升机最大静张力差;

所以强度校验合格。

4.2.2天轮的选型计算 天轮安装在井架上,作支承,引导钢丝绳转向之用,根据原煤碳工业部的标准,天轮分为三种:井上固定天轮,凿井及井下固定天轮和游动天轮。其结构形式也分为三种类型:直径为3500毫米时,采用模压焊接结构;
直径小于3000毫米时,采用整体铸造结构;
直径围4000毫米时,采用模压铆接结构。

天轮直径的选择:根据《煤矿安全规程》的规定,对于地面设备,当钢丝绳对天轮围抱角大于90度时 根据《定型成套装备》中规定以及所计算的钢丝绳直径可以选用名义直径为3500毫米,绳槽直径为23.5毫米的天轮。

4.3提升机的主要结构及其作用 4.3.1主轴装置 提升机的主轴装置包括卷筒,主轴和主轴承,在双筒提升机(或可分为离式单筒提升机)中还包括调绳离合器。

由图可知,固定卷筒的右轮毂用切向键固定在主轴上,左轮毂滑装在主轴上,其上装有润滑油杯,应定期向润滑油杯加润滑油,以免轮毂和主轴表面磨损。游动卷筒的右轮毂经轴套滑装在主轴上,也装有润滑杯,保证润滑。轴套的作用是保护主轴和轮毂,避免在调绳时轴和轮毂磨损。左轮毂用切向键固定在轴上并经调绳离合器与卷筒连接。卷筒为焊接结构,其特点是筒壳下没有其它支撑结构,两侧轮辐是由钢板制成的,开有若干入口。这种孔壳支撑结构的弹性比铸造支轮好,可以在一定范围内降低筒壳的局部应力。筒壳和支轮的材料过去主要用普通3号钢板,为了提高强度,目前多用16Mn钢板。筒壳外边一般均设有木衬。在单层缠绕时,木衬上车有螺旋绳槽,以使钢丝绳规则地排列,并减少钢丝绳的磨损。木衬的厚度应不小于2倍钢丝绳的直径,通常宽在100毫米左右;
木衬用杵木,水曲柳或榆木等木材制作。装配木衬时,应尽可能与筒壳接触良好,否则会造成应力分布不均。木衬在使用磨损后应及时更换,不然也会明显地影响到钢丝绳的使用寿命。

由于过去生产的卷筒壳多为薄壳焊接结构,筒壳开裂现象时有发生,加之木衬更换颇费工时。现在一些矿山中研究设计了厚壳卷筒,并在筒上直接加工绳槽。在多层缠绕情况下,《煤矿安全规程》规定:卷筒必须设有带绳槽的衬垫。但是,并没有规定绳槽的形式。目前,我国采用螺旋绳槽或圆环形直槽,有一些文献则推荐直槽,但是到底哪种绳槽较好,需要进一步试验研究。

4.3.2调绳离合器 离合器的作用是使活卷筒与主轴连接或脱开,以便在调节绳长或更换水平时,能调节两个容器的相对位置。

调绳离合器可分为三种类型:齿轮离合器,摩擦离合器和蜗轮杆离合器。应用较多的是齿轮离合器。

JK系列提升机的调绳离合器的结构采用齿轮离合器液压控制。活卷筒的轮毂通过键与主轴相连,在活卷筒左支轮上沿圆周的三个孔中,放入调绳油缸,调绳油缸的另一端在齿轮的孔中。这样,当齿轮与固定在轮辐上的内齿轮相啮合时,调绳油杠便相当于三个销子把轮毂和齿轮连接在一起,传递力矩。

调绳油缸的左端盖连同缸体一起用螺钉固定在齿轮上,而齿轮则滑装在活卷筒的左轮毂上。活塞通过活塞杆和右端盖一起固定在轮毂上。因此,当压力油进入油缸时,活塞不动,缸体沿着缸套移动,当油缸左腔接压力油,右腔接回油池时,缸体便在压力油的作用下,连同齿轮一起向左移动,使齿轮与内齿圈脱离啮合,活卷筒与主轴脱开。与此相反,当向右腔供压力油而左腔回油时,离合器连接,活圈筒与主轴连接。当调绳离合器在提升机正常工作时,左右腔均无压力油。

当齿轮向左移动与内齿轮脱开后,主轴带动死卷筒旋转时,轮毂便与安装在内齿轮上的尼龙瓦做相对运动,所以,在打开离合器之前,应扭动油杯,以便将油脂压入尼龙瓦。

调绳离合器的液压控制系统中,连锁阀的阀体固定在齿轮的侧面,阀中的活塞销靠弹簧的作用牢牢地插在轮毂的凹槽中,以防止提升机在运转中因震动等原因使齿轮脱出,造成事故。

现在多数矿山研究所设计制造了更为方便的径向动作的齿轮离合器。它的结构如图,轴线以上表示离合器的脱开位置,轴线以下表示离合器的合上位置。

4.3.3减速器 根据提升速度的要求,提升机主轴的转速一般为40—60转每分钟,而拖动提升机的交流电机转速通常在290—980转每分钟的范围内,因此,除了采用低速直流电机拖动外,不能把电机与主轴直连,必须通过减速器。

JK型提升机采用圆弧齿轮减速器,其速比为11.5,20,30。型号为ZHL—115,ZHLR—130,ZHLR150,ZHfLR—170等。符号意义是:Z为圆柱;
H为圆弧齿;
L为两级减速;
R为人字齿;
数字115,170代表中心距。直径3.5米以上的提升机可以采用双机拖动,其相应的减速器型号为ZHD2R—180及ZD—2x200型,这两种减速器都具有双端出轴。

减速器的低速轴用齿轮连轴器与主轴相连,高速轴用弹性连轴器与电机轴相连。

在多绳摩擦提升机及JK系列矿用提升机中,有采用共轴减速器的,这种减速器的入轴和出轴在同一中心线上,功率为两路传递,在中间齿轮的轮缘和轮毂间设有弹簧,用以消除由于齿轮加工误差引起的负荷分配不均,并减少减速器在启动和停止时的冲击负荷。这种减速器如加工制造精度达到要求,装配得当,则齿轮受力较小,布置较为合理。在塔式多绳摩擦提升机上,为了减少提升机运转时对井塔的震动冲击,将减速器放在减震的弹簧基础上。为了使减速器的质量和结构尺寸较小,在起重运输机械及矿井提升机中,已开始采用行星齿轮减速器,这种减速器体积小,质量轻,传动效率高。

4.3.4制动装置 制动装置由制动器(也称闸)和传动系统组成。制动器按结构形式分为盘闸及快闸。传动系统控制并调节制动力矩。按传动能源分为油压,气压或弹簧制动装置。JK系列提升机采用油压盘闸制动系统,旧型JK系列采用油压和气压块闸系统。

(一)
制动器的作用和对制动装置的要求 制动器的作用有四个: (1)
在提升机正常操作中,参与提升机的速度控制,在提升终了时可靠地闸住提升机,即通常所说的工作制动。

(2)
当发生紧急事故时,能迅速的按要求减速,制动提升机,以防止事故的扩大,即安全制动。

(3)
在减速阶段参与提升机的速度控制。

(4)
对于双卷筒提升机,在调节绳长,更换水平及更换钢丝绳时,应能分别闸住提升机活卷筒及死卷筒,以便主轴带动死卷筒一起旋转时活卷筒闸住不动。

制动装置不仅是一个工作机构,同时也是重要的安全机构,为了确保提升工作安全顺利地进行,《煤矿安全规程》对它提出了一系列要求,归纳起来主要有两点:一是制动器必须给出一个恰当的制动力矩;
二是安全制动必须能自动,迅速和可靠地实现 恰当的制动力矩包括三方面的含义:
(1)
制动力矩应足够大。例如,对于竖井和倾角30度以上的斜井,工作制动和安全制动的制动力矩不得小于提升系统最大静负荷力矩的三倍。

(2)
双卷筒提升机打开离合器调绳时,制动装置在各卷筒上产生的制动力矩不得小于该卷筒所悬挂提升容器和钢丝绳重力造成的静力矩的1.2倍。

(3)
制动力矩的数值必须保证安全制动减速度在一定范围内,过大的减速度会对提升设备产生较大动载荷,对设备和运载人员的健康不利;
过小的减速度则不能及时制止事故的发生或扩大。

提升系统在同一制动力矩作用下,上提货载时的减速度比下放货载时的减速度大,这是因为前者的静阻力矩与制动力矩方向一致,有利于制动,而后者则相反。

在确定提升机制动力矩时,要同时兼顾各个方面对制动力矩的要求,若不能同时满足,安全制动可用二级制动。

对于摩擦提升机,工作制动或安全制动所产生的减速度,还要受到防滑条件的限制。

对制动装置的第二个要求,参见《煤矿安全规程》377—385条。

目前,我国生产的矿井提升机采用盘闸制动系统,它与块闸制动系统相比较,其主要优点是重量小,结构紧凑,动作灵敏,安全性好。

(二)盘闸制动器 盘闸制动器的制动力矩是闸瓦沿轴向压制动盘时产生的摩擦力矩。为了使制动盘不产生附加变形,主轴不承受附加轴向力,盘闸都成对使用,每一对叫做一副制动器。依所要求的制动力矩大小不同,每一台提升机上可以同时布置不同副数的制动器。

由制动油缸的结构图,我们可以知道油缸内装有活塞,柱塞,调整螺栓,碟形弹簧等零件。筒体能在支座内孔往复移动,闸瓦用铜螺钉或燕尾槽等形式固定在衬板上。

制动力靠碟形弹簧产生,松闸靠油压。当压力油冲入油缸,推动活塞压缩碟形弹簧,并带动调整螺栓,螺钉及柱塞右移时,筒体和闸瓦在回复弹簧和缸紧螺栓的作用下一起右移,闸瓦离开制动盘,呈松闸状态。当油缸内油压降低,碟形弹簧回复其压力变形,推动活塞向左移动,同时带动调整螺栓,螺钉,柱塞推动缸体左移,使闸瓦压向制动盘,达到制动的目的。

闸瓦压向制动盘的正压力大小取决于油缸内的压力,当缸内压力为最小值时,弹簧力几乎全部作用在活塞上,呈全制动状态。反之,当工作油压为系统最大油压时,机器全松闸。

为了改进密封情况,制造厂也设计生产了碟簧前置,活塞后置的制动器,进一步改善了盘式制动器的性能。

4.3.5制动器的设计 制动装置由制动器和传动机构组成。制动器是直接作用于制动盘上,产生制动力矩的部分。按结构分为块式闸和盘式闸。传动机构是控制并调节制动力矩的部分,按动力源分为油压、压气及弹簧等传动系统。

制动装置的作用可归纳为:
(1)在提升终了或提升机不工作时,可靠地闸住提升机;

(2)在减速阶段参与提升机的速度控制;

(3)作为安全机构,在发生紧急事故时,进行安全制动,对提升系统进保护。

本次设计采用盘式制动器,其装配简图如图4-1所示。器装在支座上,依靠碟形弹簧的作用力把衬板及闸瓦推向制动器,产生力矩。松闸时将压力油送入工作腔,通过活塞及连接螺栓将闸瓦的衬板拉回,弹簧被压缩,闸瓦离开制动盘。调节螺母是用以调整闸瓦间隙的。

图4-1 盘式制动器装配简图 盘式制动器采用液压控制,液压站为盘式制动器提供压力油源,控制油路以实现制动器的各项制动功能。液压站的控制系统同整个提升机的拖动类型、自动化程度相配合。盘式闸制动器的优点是结构紧凑,闸的副数可以根据制动力的大小,灵活增减。为使制动盘不受附加载荷,主轴不受轴向力,盘式制动器均成对使用。盘式制动器的令一特点是动作快,空行程时间不超过0.3s,远比块式闸制动系统空行程时间短。盘式闸工作原理如图4-2:
图4-2 盘式制动器工作原理图 1-闸瓦;
2-盘形弹簧;
3-油缸;
4-活塞;

5-后盖;
6-筒体;
7-制动器;
8-制动盘 4.3.6液压站 制动器的液压控制系统是同提升机的拖动类型,自动化程度相配合的。在直流拖动自动化程度较高的系统中,由于调速性能好,机械闸一般是在提升终了时起定车作用。在交流拖动系统中,机械闸还要参与提升机的速度控制,因此,要求制动力能在较宽的范围内进行调节。

2JK型提升机的液压工作站主要用在交流拖动系统中,其具体作用有三 (1)按实际提升操作的要求,生产不同的工作油压,调节,控制盘闸的制动力矩,从而实现工作制动;

(2)安全制动时,能迅速自动回油,并实现二级制动;

(3)根据多水平提升的需要以及钢丝绳伸长后调绳的需要,控制双筒提升机活卷筒的调绳离合器,同时闸住活卷筒。

矿井提升机深度指示器 深度指示器是矿井提升机的重要保护检测装置之一,他的作用是:
(1)向司机指示提升容器在井筒中的运行位置;

(2)容器接近井口停车位置时发出减速信号;

(3)当提升容器过卷时,推动装在深度指示器上的终嵌开关,切断安全保护回路,进行安全制动;

(4)减速阶段,通过限速装置进行过速保护。

深度指示器的类型较多,根据其动作原理可以分为;
机械式,机械电气混合式及数字式等。

5提升机与井筒的相对位置 5.1缠绕式提升机安装地点的选择原则 当井筒的位置已经确定后,正确选择提升机的按装地点是十分重要的。在决定提升机安装地点时,通常要考虑如下问题:矿井地面工业广场布置,井筒四周地形条件,井下所留安全煤柱位置及尺寸和地面运输生产系统等。

根据矿井的具体生产条件,双容器在井筒中的布置形式,对于箕斗提升,提升机房应建筑在井筒卸载位置的对侧;
对于罐笼提升,提升机房应建筑在重车运行方向的对侧。这种布置方式,井架高度稍小,且提升机房离井筒的位置也最近。我国多数煤矿采用这种不置方式。

有的矿井只有一个开采水平。这时,可以选用单滚筒提升机作双钩提升。这种布置方法,两个天轮不在同一水平,但在一个垂直平面内。

一些矿井的井筒装备有两套提升设备。两套提升机与井筒的相对位置有:对侧式,同侧式,垂直式和斜角式。对侧式的优点是井架负载易平衡。同侧式和斜角式的优点是提升机房占地比较紧凑。

无论在井筒中布置一套或两套提升设备,在选择提升机安装地点时,重要的是根据具体情况,因地制宜地去考虑。

5.2提升机与井筒的相对位置的计算 当提升机安装地点选好之后,就要具体确定提升机轴线与井筒中心线的距离,以便安装提升机和修建提升机房。另外,还要算出井架的高度。但在计算这些数值时,必须考虑到钢丝绳弦长,钢丝绳的偏角以及卷筒出绳角等因素的安全运转条件。所以,井架高度,提升机的轴线与井筒中心线的距离,钢丝绳的弦长,偏角和倾角是影响提升机与井筒相对位置的五个因素。他们彼此相互影响,相互制约。

5.2.1井架高度及井筒提升中心线至卷筒中心线距离 对于罐笼提升:一般来说均在井口水平装、卸载,这时Hx=0;
对于箕斗提升;
地面要装设煤仓,煤仓的高度与煤仓容积、生产环节自动化程度和箕斗卸载方式等因素有关,一般Hx=18—25m;

Hr——容器全高,由容器底至连接装置最上面一个绳卡的距离,m,此值可由容器的规格表中查得;

Hg——过卷高度(容器从卸载时正常位置,自由的提升到容器连接装置上绳卡同天轮轮缘接触点的高度。《煤矿安全规程》对立井提升过卷高度的取值规定见表;

Rt——天轮半径,m。

表5-1:
立井提升过卷高度取值表 提升速度,m/s ≤3 4 6 8 ≥10 过卷高度和过放距离,m 4.0 4.75 6.5 8.25 10.0 注;
提升速度为表中所列速度的中间值时,用插值法计算。

井架高度Hj =20 +9.25+4+0.75× =34.56米 在计算和选择钢丝绳时,曾估取井架高度Hj为30米.经过上述精确计算,说明原估取数值可用,无需再校验钢丝绳,将Hj圆整成35米. 滚筒中心线至井筒中提升钢丝绳间水平距离Ls 一般来说,在井筒与提升机房之间很难再设置其他建筑物,因此为节省占地面积,滚筒中心线至井筒中钢丝绳间水平距离Ls愈小愈紧凑。但根据井架天轮受力情况又可看出,为了提高井架的稳定性,使其具有较好的受力状态,在井筒与提升机房之间.设有井架斜撑。斜撑的基础与井筒中心的水平距离约为0.6Hj左右,另外,还应使机房的基础与斜撑的基础保证不接触,考虑上述原因,Ls的最小值Lsmin可按下面经验公式计算 Ls≥0.6Hj+3.5+D ≥ 0.6×35+3.5+3.5 ≥28米 取其为28 式中:
Hj—井架高度,m. D—提升机滚筒直径,m。

5.2.2计算钢丝绳弦长及偏角 钢丝绳弦长Lx 钢丝绳弦长是钢丝绳离开滚筒处至钢丝绳与天轮接触点的一段绳长。参阅图可看出,上下两条弦长不完全相等。但近似地以滚筒中心至天轮中心的距离来计算弦长,误差不大,我国煤矿工程设计中都是如此处理。

Lx可按下式求出:
=42.17米 式中:
Rt——天轮直径  ——滚筒中心线与井口水平的高差提升机主轴中心线高出井口水平的距离,此值决定于滚筒直径、地形和土壤等情况,一般=1~2m;

为了防止在运行中钢丝绳振动而跳出天轮绳槽,钢丝绳弦长一般限制在60m以内。井筒中仅布置一套提升设备时,弦长多数是满足上述要求的。只有在井筒中布置两套提升设备,而且两台提升机采用同侧布置方案时,后台提升机的弦长就有可能超过60m。这时可在适当的地方,加设支撑导轮.以减小弦长跨度。

5.2.3钢丝绳的外偏角和内偏角 钢丝绳的偏角是指钢丝绳弦与通过天轮平面所成的角度,偏角有外偏角和内偏角之分。在提升过程中,随着滚筒转动,钢丝绳在滚筒上缠绕或放松,偏角是变化的。《煤矿安全规程》规定:最大外偏角 和最大内偏角 均不得超过1°30′,作单层缠绕时,最大内偏角 还应保证不咬绳。

最大外偏角 =48.18 式中:
B—滚筒标准宽度,B=1.7米;

s—两箕斗中心距,从表3-1查得S=2.1米 a—两滚筒之间的间隙,不同型式的提升机不尽相同,可通过提升机规格表中的有关参数计算得出;
查得2JK-3.5型提升机两滚筒中心距为1.84米, 故a=1.84-1.7=0.14米 d—钢丝绳直径,d=0.04米;

ε—钢丝绳缠在滚筒上的绳圈间隙,一般取2~3毫米;
取其为3毫米 Lx—钢丝绳弦长,Lx =42.17米 式中:
H—提升高度,米;

D—提升机滚筒直径,米;

最大内偏角 =116 分析上述结果, 完全符合《煤矿安全规程》的要求, 所以是安全的。

5.2.4提升机滚筒的下出绳角 =tan-1[(35-2)/(28-1.75)]+sin-1[(3.5+3.5)/(2×42.17)] =5135 由于实际出绳角大于允许值15°, 因此是安全的。

6矿井提升运动学及动力学计算 6.1矿井提升运动学 6.1.1提升速度图 竖井提升速度图因提升容器的不同一般可分为箕斗提升速度图和罐笼提升速度图。

常采用的交流拖动双箕斗提升系统六阶段速度图,因它可分为六个阶段而得名。速度图表达了提升容器在一个提升循环内的运动规律,现简述如下:
(1)初加速度阶段。提升循环开始处于井底装载处的箕斗被提起,而处于井口卸载位置的箕斗则沿卸载曲轨下行,为了减少容器通过卸载曲轨时对井架的 冲击,对初加速度及容器在卸载曲轨内的运行速度要加以限制。

(2)主加速阶段。当箕斗离开曲轨,则应以较大的加速度运行,直到达到最大提升速度,以减少加速阶段的运行时间,提高提升效率。

(3)等速阶段。箕斗在此阶段以最大提升速度运行,直到重箕斗将接近井口开始减速时为止。

(4)减速阶段。重箕斗将要接近井口时,开始以减速度运行,实现减速。

(5)爬行阶段。重箕斗将要进入卸载曲轨时,为了减轻重箕斗对井架的冲击以及有利于准确停车,重箕斗应以V4低速爬行。

(6)停车休止阶段。当重箕斗运行至终点时,提升机施闸停车。处于井底的 箕斗进行装载,处于井口的 箕斗卸载。

6.1.2箕斗六阶段速度图各运动参数的计算 速度图参数的计算 速度图是验算设备的提升能力、选择提升机控制设备及动力学计算的基础。各类速度图的计算方法大致相同。

在计算速度图参数之前,必须已知提升高度H,最大实际提升速度Vm,及速度图各主要参数等。

下面以箕斗提升六阶段速度图为例介绍速度图参数的计算步骤和方法。

(1)卸载曲轨中初加速时间 初加速阶段时间t0为 (2)箕斗在卸载曲轨内的行程为h0=2.35米 (3)主加速时间 (4)主加速阶段行程h1为 (5)爬行时间t4为:提升设备采取自动控制方式,故取爬行距离h4=2.5米,爬行速度V4取为0.5米/秒 (6)主减速阶段时间 (7)主减速阶段行程 (8)刹车阶段 刹车制动减速度一般取a5=1m/s2;
此阶段时间很短可以不计 (9)等速阶段的行程 h2=H-(h0+h1+h3+h4)
=360-2.35-61.34-85.01-2.5 =148.8米 等速阶段时间t2 (10)一次提升循环时间 Tx= t0+t1+t2+t3+t4+t5+θ =3.13+9.21+12.59+13.8+5+1+10 =54.73秒 式中 θ—次提升循环休止时间,s。

(11)提升设备的年实际提升量及提升能力富裕系数 式中 An—矿井设计年产量,吨/年;

br—一年工作日数,一般为300日;

t—一日工作时数,一般为14小时;

c—提升工作不均衡系数;

对于有井底煤仓的c=1.1-1.15, 对于无井底煤仓的c=1.2, at—提升设备富裕系数,主提升设备对第一水平大于1.2。

6.1.3提升加速度的确定 为了保证提升开始时,空箕斗对卸载曲轨及井架的冲击不致过大,取空箕斗在曲轨内运动时的最大速度V0=1.5米/秒,箕斗卸载曲轨行程h0=2.35m或2.13m,初加速度a0为 式中V0=1.5m/s,箕斗脱离卸载曲轨时的速度 初加速阶段时间t0为 主加速度的确定 主加速度是按安全经济的原则来确定的,主加速度的大小受《煤矿安全规程》、减速器强度、电动机过负荷能力三个方面的限制。

(1)《煤矿安全规程》对提升加、减速度的限制:“立井中用罐笼升降人员的加、减速度不得超过0.75m/s2;
斜井中升降人员的加、减速度不得超过0.5m/s2。”对升降物料的加、减速度规程没有规定,一般在立井,加、减速度最大不超过1.2m/s z。

(2) 按电动机的过负荷能力来确定。电动机的最大平均出力应大于或等于加速阶段实际所需的最大出力,即 1.12米/秒2 λ—电动机过负荷系数,可在电动机规格表中查出;
其为2 0.75—在加速度时,由于电动机依次切除转子电阻,拖动力起伏变化, 故可取电动机此时出力不大于最大拖动力的0.75倍。

Fe—电动机作用到滚筒缠绕圆周上的额定拖动力, k—矿井阻力系数,箕斗提升取k=1.15 (3)按减速器允许的输出传动转矩来确定 电动机通过减速器作用到滚筒主轴上的拖动力矩,必须小于减速器所允许的最大输出转矩,即 1.12米/秒2 式中 —减速器输出轴最大允许输出转矩,N·M;

可由提升机规格表查得, D —滚筒直径,m。

根据上述所算结果,可取加速度=1.12米/秒2 6.1.4提升减速度的确定 提升减速度除了要满足上述《煤矿安全规程》的规定外,还与提升设备所采用的减速方式方式有关,目前常见的减速方式有三种。

(一)自由滑行减速方式 在减速开始时,将电动机从电网切除,容器靠系统的惯性向卸载位置运行,速度逐渐降低。既不用电力拖动,又不用制动器制动,故称为自由滑行减速方式。

采用自由滑行减速方式时,电动机已从电网断开,此时拖动力为0,根据基本动力方程 (二)电动机减速方式 这是用电动机缓慢减速,即将电动机的转子附加电阻再逐级的接人转子回路,使电动机在较软的人工特性上运行,为了能较好地控制电动机,这时出力应不小于35%的额定值。

(三)制动状态减速方式 当提升系统的惯性力很大时,在整个减速运行阶段减速度很小。因此,为了使提升系统得到合理的减速度,必须对系统施加足够的制动力,故称为制动状态减速。当所需制动力很大时,可采用动力制动或低频发电制动等电气制动方式,此时减速度可按需要确定。当所需制动力不大时,可采用机械制动减速。当采用机械制动减速时,为了避免闸瓦过度发热和磨损,制动力应不大于0.3Qg。

定减速方式时,应首先考虑采用自由滑行减速方式,因这种方式,既达到了减速的目的,又充分利用了提升系统的动能,操作简单、节省电能。若此减速度值太小,可采用制动减速方式,此时制动力不大于0.3Qg,可考虑采用机械制动减速,若大于0.3Qg,则需采用电气制动方式。

对于副井,为了安全可靠,都应采用电气制动方式。对于多绳摩擦提升、斜井提升设备,则经常用电动机减速方式。

算出相应得减速度做为提升系统的减速度。

=0.82米/秒2 6.1.5提升电动机的预选 矿井提升机是煤矿大型固定设备之一,它在矿井生产中占有极其重要的地位,正确合理地选择提升机.具有重大的经济意义。

为了对提升设备进行动力学计算,必须预选电动机,以便计算电动机转子的变位质量。预选电动机必须满足功率,转速和电压三方面的要求。

(1)确定电机额定转数ne计算:
i为减速器的传动比 由于箕斗容积较大,故预定同步转数nt=750r/min。

(2)预选电动机功率Pe:
有nt可估定额定转速 ne=742r/min; 实际最大提升速度: 则电动机功率:
式中:
k—矿井阻力系数,取k=1.15;

—减速器传动效率,二级减速器取=0.85;

—动力系数,取=1.2 根据以上计算选择YR2000-8/1730三相异步电动机, 其技术特征如下:
额定功率=2000KW; 转速=742r/min; 效率=0.93; 飞轮转矩(GD2)d=36310N.M2 (3)电动机的额定拖动力,计算: =143824.03 N 6.1.6 传动装置的总传动比,并分配传动比 1)有前面初步预算减速器的传动比为11.5;

2)分配传动比:
iⅠ=, i Ⅱ=。

6.1.7 主轴输入功率及轴径的确定 主轴的输入功率与电动机输出功率和运动传递过程中各相连部件的传递效率密切相关,计算:
= =2000 =1771KW 其中,,轴承,齿轮和卷筒的传递效率。

分别取。

主轴输入转矩T主轴 ,计算:
T主轴 =9.55×106 × =9.55 ×106 × = 2830×106 N mm 按转矩法初步确定该轴最小直径, 计算: = 112 =716.8毫米 最小直径在连轴器处,此外,主轴上有一键槽,应放大3%左右, 故=716.8(1+3%)=738.3mm,圆整为=750mm,材料为45钢。

式中:
P为主轴轴传递的功率;

n为主轴的转速;

c为许用应力确定值,选用45钢正火处理,取c=112。

6.1.8减速器的设计 减速器的设计主要从传动比和传动平稳性方面考虑,对其进行计算与设计,在考虑综合因素满足使用要求的情况下,经济性和传动效率也是减速器设计过程中需要特别注意的,它关系到能量利用程度,解决好以上问题,能在一定程度上节省资源,提高经济 有预选电动机的功率Pe=2000KW,=742r/min,效率=0.93查得手册电动机轴径为d电机=110mm。

1)计算减速器各轴运动和动力参数 ①各轴的转速 高速轴 ==742r/min 中间轴 ===185r/min 低速轴 ===64.5r/min ② 各轴的输入功率 高速轴 P=Pe×=2000×0.99=1980千瓦 中间轴 P= P×=1980×0.98×0.97=1882千瓦 低速轴 PⅢ= P×=1882×0.98×0.97=1789千瓦 按转矩法对减速器各个轴直径进行确定:
即要求 dmin 其中,c与材料有关, 当轴材料为45钢时,c=115;

当轴材料为40Cr时,c=105;

P为输入功率,n为该轴转速。

2)计算减速器各轴最小直径 ① 高速轴直径的确定:
高速轴最小直径 dmin = 105× =146.13 毫米 其中c为受材料影响的参数,查得轴为40Cr时c=105。

由于二级减速器的高速轴上有一个键槽,故将计算值加大3%, 即 dmin=146.13(1+3%)=148.51mm ,圆整后=150mm。

中间轴直径的确定 中间轴最小直径 ;

dmin =105×=231.39毫米 由于该轴上有两个键槽,所以=231.39(1+3%+3%)=245.27mm,圆整后取=252mm。

③ 低速轴直径的确定:
低速轴最小直径 ;

dmin =105×=323.25毫米 由于该轴上设有一个键槽故 =323.25(1+3%)=332.95mm, 圆整为 :=360mm。

(3)齿轮参数的确定 根据GB/T1357-87选用标准模数系列,取齿轮模数m=32mm。

对于第一对齿轮:
取=16,则=4.011664。

压力角由GB/T1356-88取。

则分度圆直径为:
齿顶高 齿根高 其中=1,=0.25为我国规定标准化数值。

称为齿顶高系数, 称为顶隙系数。

齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距 基圆齿距 齿厚 齿槽宽 顶隙 标准中心距 节圆直径 传动比 由表6-1取圆柱齿轮齿宽系数, 装置状况 两支承相对小齿轮作对称布置 两支承相对小齿轮作不对称布置 小齿轮作悬臂布置 0.9-1.4(1.2-1.9)
0.7-1.15(1.1-1.65)
0.4-0.6 则齿宽 一般情况下,小齿轮要比大齿轮宽3-10mm,故 由前知道 =1056mm 对于第二对齿轮:
由于低速级齿轮传动比, 取模数m=32,。

那么。

压力角由GB/T1356-88取。则 分度圆直径为:
齿顶高 齿根高 其中 =1,=0.25为我国规定标准化数值。

称为齿顶高系数,称为顶隙系数。

齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距 基圆齿距 齿厚 齿槽宽 顶隙 标准中心距 节圆直径 传动比 由表6-1取圆柱齿轮齿宽系数=1, 则齿宽 具体结构(低速大齿轮)数值为:
由前知道=576mm, 则 6.2矿井提升动力学 提升电动机必须给出恰当的拖动力,系统才能以设计的速度图运转,上一节研究的 速度及加速度代表着提升容器,钢丝绳的 速度和加速度,也就是卷筒圆周处的线速度和线加速度。为此,研究电动机作用在卷筒圆周处的拖动力,将使问题较为简便。

6.2.1提升系统的静阻力 提升系统静阻力是由容器内有益载荷,容器自重,钢丝绳重以及矿井阻力等组成。矿井阻力是指提升容器在井筒中运动时,气流对容器的 阻力,容器罐耳和罐道的摩擦阻力以及提升机卷筒,天轮的 轴承阻力等。

我国矿山竖井多用双容器提升,由于两个容器自重互相抵消,只剩下有益载荷和变化中的绳重。

若近似的认为井口车场至天轮的钢丝绳重力等于钢丝绳绳弦的重力,静阻力应等于两根钢丝绳的 静拉力差。

通过分析可以看出,提升系统的静阻力与X是线性关系。目前,大产量或较深矿井均优先选择多绳摩擦提升系统。为了防止摩擦提升机与提升钢丝绳产生滑动,均带有尾绳,同时克服了静力不平衡系统的缺点。

6.2.2提升系统变位质量的计算 提升系统运行时,一些设备做直线运动,一些设备做旋转运动。作直线运动的设备有提升容器,容器内有益载荷,提升钢丝绳和尾绳,他们运动时的加速度就是卷筒圆周处的加速度,因此,这些部分无需变位。做旋转运动的 设备有天轮,提升机中的 卷筒及减速器齿轮,电动机转子等,他们需要变位。

为计算总变位质量,我们可首先分别计算出各运动部件的变位质量,然后相加即可。各运动部件的质量变位原则,必须保证该部件在变位前后的动能相等。

提升系统中有三部分作直线运动,即提升载荷、提升容器(对于罐笼提升,则包括罐笼自重和矿车自重)和提升钢丝绳,它们直接作用于滚筒圆周上,其速度和加速度就是滚筒圆周上的速度和加速度,所以不用变位,它们本身的质量就是变位质量。

提升系统中还有三部分作旋转运动,即提升机(包括减速器)、天轮和电动机转子。在提升过程中这些部件各运动质点都围绕自己的轴,以不同的回转半径和回转速度旋转,需要把它们变位到滚筒圆周上,则各部件变位后的质量值就不等于它原来的数值。

提升机(包括减速器)的变位质量mj和天轮的变位质量mt可以在它们的技术规格表中查出,不必计算。只有电动机转子的变位质量需要计算。

(1)电动机转子的变位质量md由下式求得 式中 即 =39199.98千克 式中:  (GD2)d—电动机转子的回转力矩,可由电动机规格表中查到(GD2)d =36310牛米2 D—提升机滚筒直径 i—减速比,已知i=11.5 30—试验用钢丝绳长度 H—提升高度 —提升机滚筒及减速器的变位重量,由2JK-3.5/11.5型提升机查得=29700公斤;

—每个天轮的变位重量,查得3.5米直径的天轮的变位重量=1133公斤;

(2)提升系统的总变位质量为;

=[80000+255000+257.17(310+42.17+3×3.14×3.5+30)+297000+2×11330]+39199.98 =0.1×(509660+47467.11+39199.98 =55712.71+39199.98 =94912.69千克 式中 —钢丝绳悬垂长度 —钢丝绳的弦长 3pD—滚筒上缠绕三圈摩擦圈绳长 6.2.3提升设备的动力学计算 提升动力学是研究和确定在提升过程中,滚筒圆周上拖动力的变化规律,为验算电动机功率及选择电气控制设备提供依据。

各类速度图所对应的动力学计算方法大致相同。基本方法是将计算出的各提升阶段的各个量代入提升动力学基本方程式,计算出提升过程中各阶段的拖动力。若把提升各阶段的始、终点的速度和拖动力代入功率计算公式,即可求出滚筒轴上的功率。

(1)初加速度阶段 利用F=KQ+p(H-2x)+ma方程式进行计算,不同阶段代以相应的x及a的值。

提升开始时拖动力F0 ①初加速度开始,x=0,t=0,a=a0 F0=KQ+PH+a0 =1.15×8000+5.717×300+9491.27×0.48 =15471千克 t0阶段终了时的拖动力F0ˊ ②初加速度终了,x=h0,t=t0,a=a0 F0ˊ=KQ+P(H-2h0)+a0 =1.15×8000+5.717×(300-2×2.35)+9491.27×0.48 =15444千克 (2)主加速度阶段 t1阶段开始时拖动力F1 ①主加速度开始:x=h0,t=t0,a=a1 F1=KQ+P(H-2h0)+a1 =1.15×8000+5.717×(300-2×2.35)+9491.27×1.12 =21518千克 t1阶段终了时拖动力F1ˊ ②主加速度终了,x=h0+h1,t=t0+t1,a=a1 F1ˊ=KQ+P(H-2h0-2h1)+a1 =1.15×8000+5.717×(300-2×2.35-2×61.34)+9491.27×1.12 =20817千克 (3)等速度阶段 等速度t2开始时拖动力F2 ①等速度开始:x=h0+h1,t=t0+t1,a=0 F2=KQ+P(H-2h0-2h1)
=1.15×8000+5.717×(300-2×2.35-2×61.34) =10187千克 ②等速阶段终了时拖动力F2ˊ 等速度终了:x=h0+h1+h2,t=t0+t1+t2,a=0 F2ˊ=KQ+P(H-2h0-2h1-2h2)
=1.15×8000+5.717×(300-2×2.35-2×61.34-2×148.8) =8485千克 (4)减速度开始及终了时拖动力均认为等于零。

(5)爬行阶段 爬行距离h4及爬行速度v4 表6-2爬行阶段表 容器 爬行阶段 自动控制 手动控制 箕斗 爬行距离h4,m 2.5—3.3 5.0 爬行速度v4,m/s 0.5(定量装载),0.4(旧式装载设备) 罐笼 爬行距离h4,m 2.0—2.5 5.0 爬行速度v4,m/s 0.4 ①爬行开始:x=h0+h1+h2+h3,t=t0+t1+t2+t3,a=0 F4 =KQ-p(H-2h4)
, =1.15×8000-5.717×(300-2×2.5) =7513千克 ②爬行终了:x=h0+h1+h2+h3+h4,t=t0+t1+t2+t3+t4 ,a=0 F4ˊ=KQ+P(H-2h0-2h1-2h2-2h3-2h4)
= 1.15×8000+5.717×(300-2×2.35-2×61.34-2×148.8-2×85.01-2×2.5) =7485千克 把力图和速度图绘制在一起,就是提升工作图。

提升工作图 图6-1提升工作图 6.3提升设备所需拖动力的变化规律 箕斗提升设备所需拖动力的变化规律 以加速度为常量且不带尾绳的系统为例,分析拖动力的变化规律。

为了清除的说明问题,将各阶段的 静阻力,拖动力变化规律与速度图,加速度图画在一起,通过对上述箕斗提升系统拖动力的分析和计算,可以归纳出如下一些特点:
(1)提升过程中,开始时所需拖动力很大,提升开始时的静阻力最大。在整个提升过程中,拖动力变化幅度很大,拖动力图是计算电动机等效容量的依据。

(2)减速阶段的 拖动力可正可负,也可能近似等于零, 主要取决于减速度及提升系统的 有关参数。

(3)利用公式P=Fv/1000可求出各阶段提升机卷筒轴上所需功率的变化规律和大小。

(4)将提升系统的速度图,加速度图,拖动力图及功率图画在一起,称为提升设备的工作图。它反映了一个提升循环内,提升设备各主要参数的 变化规律和大小。

7矿井提升机的拖动与控制 7.1拖动装置的种类及性能 提升机的拖动装置共有两种:交流拖动装置和直流拖动装置。

目前,我国广泛采用的是交流拖动装置。为了能够利用外接电阻调速,必须使用交流绕线型感应电动机。调速时,将产生附加电能损失。由于交流电动机外接电阻运转时,电动机的人工特性曲线过陡,低速运转时稳定性较差。目前,由于换向器容量的影响,交流单机拖动装置的容量限制在1000千瓦以下。矿井提升机所需功率超过1000千瓦时,若仍想采用交流拖动装置,可以使用双机拖动。交流拖动装置也有不少优点:系统比较简单,设备价格较低和使用经验比较成熟等。

由于采用了安全可靠的电气动力制动,低频拖动制动以及微机拖动等措施,交流拖动装置控制系统的安全性及自动化程度均有大幅度的提高。

在直流拖动装置中,采用它激直流电动机拖动提升机。调速时,应改变它激直流电动机的电枢电压。由于矿井都采用交流电源,所以要增设变流设备,或者采用价格昂贵的变流机组,或者采用可控硅整流设备。若采用变流机组,需要增设两个和电动机容量相仿的大型电机。或采用可控硅整流的直流拖动设备是有发展前途的。

直流拖动装置和交流拖动装置相比较的主要优点是:
(1)调速时无附加电能损失;

(2)低速调速性能好;

(3)易于实现自动化。

若提升机所需要的拖动装置的容量超过1000千瓦,则应尽量采用直流拖动装置。

7.2提升电动机容量的计算和电动机的选择 从提升系统的速度图,力图可以看出,一个提升循环T中,速度v及拖动力F都是变化的。这时,显然不能只根据某一阶段的速度和负载选择电动机。选择电动机容量的依据是电机线圈的发热量。若电动机以变速度变力矩运转时产生的热量与此电动机以额定转速和固定力矩运转时产生的热量相等,就可以根据该固定力矩和额定转速来计算和选择电动机的容量,通常称此固定力矩为等效力矩。

7.2.1提升电动机的选择 矿井提升机是煤矿大型固定设备之一,它在矿井生产中占有极其重要的地位,正确合理地选择提升机.具有重大的经济意义。

(1)确定电机额定转数ne计算:
i为减速器的传动比 由于箕斗容积较大, 故预定同步转数nt=750r/min。

(2)预选电动机功率Pe 有nt可估定额定转速ne=742r/min; 实际最大提升速度: 则电动机功率:
式中:
k—矿井阻力系数,取k=1.15;

—减速器传动效率,二级减速器取=0.85;

—动力系数,取=1.2 根据以上计算选择YR2000-8/1730三相异步电动机,其技术特征如下:
额定功率=2000KW; 转速=742r/min; 效率=0.93; 飞轮转矩(GD2)d=36310N.M2 (3)电动机的额定拖动力, =143824.03 N 7.2.2提升电动机容量的计算 由提升力图和速度图可以看出,在一次提升循环中,提升机滚筒圆周上的拖动力、速度都是变化的。初选的提升电动机,是否能满足各种运行状态的要求,要通过验算才能确定。验算内容按温升条件、过负荷条件及特殊力条件分别进行。

提升电动机等效容量的计算 在一次提升过程中,由于拖动力和速度不同,因此电动机绕组中的电流和产生的热量也不一样,为了简化,用一个定负荷下运转时的固定力和最大提升速度,作为选择电动机容量的依据,这个固定力叫做等效力。    影响提升电动机温升除了产生的热量以外,还有散热条件,而散热条件又与电动机的转数等因素有关.比如,高速运转时,电动机自带风扇散热条件较好,而低速运转较差,停止运转时更差。所以,计算电动机容量时并不以实际运行时间计算,而按等效时间计算。

等效力与变化力的关系为 式中 可作简单计算,对于箕斗提升六阶段力图可计算为:
= =747864949+4127792199 +1100394911+537266665 =6245×106千克/秒2 =0.5(3.13+9.21+13.8+5)+12.59+ ×10 =31.5秒 其中 α—低速运行时散热不良系数,α=1/2;

β—停机散热不良系数,β=1/3。

电动机的等效功率为 由于 , 因此从温升条件看, 预选电动机是合适的。

7.3交流拖动提升设备的电耗及效率的计算 电动机的功率等于力乘以速度。而力和速度在提升过程中都是变化的。交流提升电动机计算电耗时,应该用最大提升速度Vm。这是因为绕线式感应电动机在加速或减速阶段,转子回路一般是串接金属电阻调速,当电机转数较低时,有用功较小,但是定子的旋转磁场却仍以同步转数旋转着,所消耗的电磁功率并不减少,不同的是以转子电阻发热的形式出现,即所谓无用功,这就是在计算提升电耗时,即使在加、减速阶段也要乘以最大提升速度Vm的原因。

因为电耗等于功率乘以时间,故提升电耗可计算如下 (1)一次提升电耗 一次提升电耗w为 =18.58度/次 = = + =48382+194953+58507+37428 =339270千克.秒 式中 F—力图中各阶段变化力,N;

Vm—提升容器实际最大提升速度,m/s。

1.02—考虑提升机的附屑设备(如润滑油泵、制动油泵、磁力站、等)耗电量的附加系数; —减速器效率; —电动机效率。

结论 矿井提升设备是联系矿井井底生产和地面生产运输的重要枢纽,是矿山运输的咽喉.矿井提升设备的设计是否合理直接影响矿井生产的成本和效率。

通过本次设计,要根据设计的具体要求结合实际情况,并根据相关的计算公式,选择合适的提升容器;提升钢丝绳也是提升设备的重要组成部分,提升钢丝绳的选择是否合理直接关系着提升设备的安全可靠性和经济性,因此我们要严格按照要求选择合适的钢丝绳;确定提升机卷筒的直径和宽度,并对其进行严格的校核,并选择合适的天轮;对提升设备进行运动学和动力学计算,计算出各个提升阶段的速度等;选择合适的拖动和控制设备.对提升机的每一部分我们都要进行严格的设计,以便使其达到所需的工作要求。

参考文献 [1] 洪晓华 矿井运输提升[M]中国矿业大学出版社,2005.06 [2] 中国矿业学院主编 矿井提升设备[M],煤炭工业出版社,1980.01 [3] 邱宣怀 机械设计[M] 高等教育出版社,1965.01 [4]《机械设计课程设计指导书[M]龚桂义主编,高等教育出版社,1990.04 [5] 孙玉蓉,周法孔.矿井提升设备[M].北京:煤炭工业出版社,1995.01 [6] 联合编写组 机械设计手册[M].机械设计手册.北京:化学工业出版社,1979.10 [7] 樊瑞,李建华.液压技术[M].北京:中国纺织出版社,1999.09 [8] 王连明.机械设计课程设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1996.02 [9] 孙恒,陈作模.机械原理[M].北京:高等教育出版社,2001.05 [10] 刘鸿文.材料力学. [M]北京:高等教育出版社,2004.01 [11] 哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学[M].北京:高等教育出版社,2004.01 [12] 吴宗泽.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2003.10 [13] 濮良贵.纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2001 [14] 大连理工大学工程画教研室.机械制图. [M]北京:高等教育出版社,1993.05 [15] 赵则祥.公差配合与质量控制[M].河南:河南大学出版社,1999.03 [16] 牛永生,吴隆,等.机械制造技术[M].西安:陕西科学技术出版社,2002.1 [18] 徐尚龙,薛河,等.提升机主轴的应力分析[M].北京:煤矿机械,2002 [19] 任嘉卉.公差与配合手册. [M]北京:机械工业出版社,2000.09 [20] 编委会.机械设计手册(1-5)[M].北京.机械工业出版社,2004.08 [21] Mechanical Drive(Reference Issue).Machine Design.52(14),1980 [22] 张敏,刘玉进.矿井提升机用减速器的选用[M].洛阳:矿山机械,1998.41-42 附录 附录1 英文原文:
Welding and Electroplating Where Welding Is Used Welding is essential to the expansion and productivity of our industries. Welding has been become one of the principal means of fabricating and repairing metal products. It is almost impossible to name an industry, large or small, that does not employ is type of welding. Industry has found that welding is an efficient, dependable, and economical means of: joining metal inprtactically all metal fabricating operations and in most construction. In tooling-up for a new model automobile, a manufacturer may spend upward of a million dolla on we~ing e~pmenti Many buildings; bridgesi and ships are fabricated by welding. Where construction noise must be kept at a minimum, such as in the building of hospital additions, the value of welding as the chief means of joining steel sections is particularly significant. Without welding, the aircraft industries would never be able to meet the enormous demands for planes, rockets, and: missiles; Rapid progress in the space been made possible by new methods and knowledge of welding metallurgy. Probably the most sizable contribution welding has made to society is the manufacture ofspecial products for household use. Welding processes are employed in the construction of suchitems as television sets, refrigerators, kitchen cabinets, dishwashers, and other similar products. As a means of fabrication Welding has proved fast, dependable, and flexible It lowers production costs by simplifying design and eliminates costly patterns and machining operations. Welding is used extensively for the manufacture and repair of farm equipment, mining and oil machinery, machine tools jigs and fixtures, and in the construction of boilers, furnaces, and railway cars. With improved techniques for adding new metal to worn parts, welding has also resulted in economy for highly competitive industries. Types of Welding Processes Of the many processes of welding in use today, oxy-fuel gas welding, arc, and resistance dominate the field. These processes are best explained from the standpoint of the operator's duties. The principal duty of the operator employing oxy-fuel gas welding equipment is to control and direct the heat on the edges of metal to be joined, while applying a suitable metal filler to the molten pool. The intense heat is obtained from the combustion of gas usually acetylene and oxygen. For this reason, this process is called oxyacetylene welding In some applications other gases--such as Map propane, or natural gas--may beutilized to generate the intense heat necessary for welding. The skills required for this job are adjustment of the regulators, selection of proper tips and filler rod, ,preparation of the: metal'edges to be joined, and the technique of flame and rodmanipulation. The gas welder may also be called upon to do flame cutting with a cutting attachment and extra oxygen pressure. Flame or oxygen cutting is employed to cut various metals to a desired size or shape, or to remove excess metal from castings. The three main types of arc welding processes used today are shielded metal-arc welding, gas tungsten-arc welding, and gas metal-arc welding. Shielded metal-arc welders perform their skill by first striking an arc at the starting point of a weld and maintaining this electric arc to fuse the metal joints. The molten metal from the tip of the electrode is then deposited in the joint, together with the molten metal of the edges, and solidifies to form a sound and uniform connection. The arc welding operator is expected to select the proper electrodes for the job or be able to follow instructions as stated in the job specifications, to read welding symbols, and to weld any type of joint using the technique required. Gas-shielded arc processes have gained recognition as being superior to the metal arc process. With gas-shielded arc both the arc and molten puddle are covered by a shield of inert gas. The shield of inert gas prevents atmospheric contamination, thereby producing a sounder weld. The processes known:as gas tungsten arc welding and gas metal arc welding, sometimes called TIG and MIG, are either manually or automatically operated. Resistance welding operators are responsible for the control of machines which fuse metals together by heat and pressure. If two pieces of metal are placed between electrodes which become conductors for a low voltage and high amperage current, the materials, because of their own resistance, will become heated to a plastic state. To complete the weld, the current is interrupted before pressure is released, thereby allowing the weld metal to cool for solid strenqth. The operator's duty is to properly adjust the machine current, pressure, and feedsettings suitable for the material to be welded. The welder usually will be responsible for the alignment of parts to be assembled and for controlling the passage of parts through the welding machine Selection of the Proper Welding Process There are no hard and fast rules which govern the type of welding that is to be used for a particular job. In general, the controlling factors are kind of metals to be joined, costs involved, nature of products to be fabricated, and production techniques. Some welding jobs are best completed using the oxyfuel welding process as compared to shielded metal arc welding process Oxyacetylene welding the most pular oxy-fuel gas welding process, is used in all matal working industries and in the field as well as for plant maintenance. Because of flexibilityand mobility, it is widely used in maintenance and repair work . The welding unitcan be moved on a two-wheeled cart or transported by truck to any field job where breakdowns occur.Its adaptability makes the oxyacetylene process suitable for welding,brazing,cutting,anfdheat treating, The chief advantages of shielded metal arc welding are the rapidity with which a high quality weld can be made at a relatively low cost and the variety of applications. Specific applications of this process are found in the manufacture of structural steel for buildings,bridge and machinery shield metal arc welding is considered ideal for making storage and pressure tanks as well as for production line products using standard commercial metals Since the development of gas-shielded arc processes, there are indications that they willi be used extensively in the future welding all types of ferrous and nonferrous metals in both gauge and plate thicknesses Resistance welding is primarily a production welding' process. It is especially designed for the mass production of domestic goods, automobile bodies, electrical equipment hardware, etc. Probably the outstanding characteristic of this type of welding is itsadap tability to rapid fusion of seams. Electroplating Electroplating is a process in which a metal is deposited onto a metallic substrate. The plated metal is normally of a thickness less than 0.002 in. and in most applications approximately 0.0001~0.0003 in. Metals are plated to afford the substrate properties That it would not otherwise have, such as improved corrosion resistance, aesthetic appeal, greater abrasion resistance, improved surface hardness, changed electrical characterisitics, and adjusted dimension to tolerance, as well as imparting other deesired properties The greatest rse of plating is probably plating zinc on steel, thereby providing both a corrosion-resistant surface and one that is attractive in appearance. Such articles as nuts, bolts, washers, wire goods, casting, and numerous stampings are processed in this manner. Another extensive use of plating on steel is decorative chrome; this usually comprises a triplate of copper, nickel, and chromium. This finish has found widespread use on automotive and houseware applications where both a corrosion-resistant and an attractive surface must be provided. Many metals other than steel are electroplated. Metal substrates, such as aluminum,brass, copper, and zinc, are plated to provide various desired properties. Electroplating of plastic articles is finding increasing acceptance in industry. Itemsfabricated of molded plastics, such as automotive grilles, tail light assemblies, trim, andnumerous household appliances, as well as plumbing fixtures, are being electroplated. Aspecial process is required whereby the plastic part is metallized to make it conductive sothat it can be plated to the desired finish. The design engineer is able to select from numerous substrates to fabricate a part , considering such factors as strength,and cost. The part, once fabricated, can then be finished by electroplating or by other related processes to provide the desired properties and appearance. The process used for electroplating is similar for all metals. The part to be processed is cleansed of all surface soil and then activated. The activated metal is placed immediately into the plating solution where the actual electroplating is to be achieved. The exact plating cycle and various solutions used will vary somewhat depending upon the base metal and the type of plating to be done. In the actual electroplating operation the parts to be plated are made cathodic in the plating solution. In a simplified operation these parts are suspended by a hook or wire from a cathode bar. Low-voltage direct current is supplied by a rectifier and is connected by a cable or buss to both the anode and cathode circuits in the plating tank. The anode and cathode bars are fabricated of copper and are positioned on, but insulated from, the tank rim. These bars are designed to carry the weights of the anodes and suspended The anodes are electrodes that are suspended in the plating solution,they are normal of the same metal is to be plated, that is copper plating or nickel anodes for nickel plating. During the plating operation the anode dissolves to replenish the solution of metallic ions deplated by metal deposition on the cathode. This type of anode is known as a soluble anode. Certain situations, however, require an insoluble (inert) anode whose only purpose is to provide current to the electrolyte.Examples of typical insoluble anodes are carbon for certain processes and lead anodes for chromium plating. Insoluble anodes are used in situations where the electrolyte woulddissolve the anode at a rate faster than the metal would be plated out of solution or in situations where the cost of a pure anode would be prohibitive. During plating low-voltage direct current is supplied to the electrolyte by a rectifier.Generators are also used from time to time but have largely been replaced by the newer rectifiers. Depending upon the process, the current supplied by the rectifier is in the range of 6 ~ 12V, with current density depending upon the surface area of the cathode. Typical current densities for many plating operations are 20 ~ 100A/ft2 area to be plated. Hence a cathode area of 10 ft2 would require a rectifier capable of 200 ~ 1 000A. In actual production plants, rectifiers with a capacity of 5 000 ~ 20,000A are quite usual. The plating solution, that is, the electrolyte, is generally an aqueous solution that containsdissolved salts of the metal to be plated and other chemicals as may be required. Some electrolytes are quite simple in nature and may contain as few as two ingredients.Acid copper plating, for example, uses a solution of only copper sulfate and sulfuric acid.Other electrolytes, however, may be quite complex. The solution for nickel plating may contain as many as six to eight ingredients, such as nickel sulfate, nickel chloride, boric acid, sulfuric acid, and wetting agents, as well as several organic addition agents. These electrolytes are conductive media that allow the current to pass from anode to cathode. As direct current is applied to the anode, metal is dissolved and ionized. The current causes these positively charged metallic ions to migrate toward the cathode, where they are reduced to the metallic state and deposited onto the cathode. For the most part he anode and cathode act independently of each other in the electrolyte. The simplified eaction also causes the migration of negatively charged ions to the anode where they are eutralized by the positive charge. By-products that are caused by this electrolysis include the release of oxygen at the anode and hydrogen at the cathode. Due to the complexity of some electrolytes numerous other side reactions may also occur Most plating electrolytes can be operated over an indefinite period of time and seldom if ever require discarding. As the plating process continues and various chemicals are consumed,replenishment is required in order to maintain the electrolyte within the Prescribed concentrationlimits. The plating solution may become umbalaneced during continued operation due to : 1. Depletion of metallic ions. 2. Incomplete reactions. 3. Decomposition of ingredients. 4. Drag-in from previous solutions. 5.Drag-out of the plating solutions. 6.External contaminationl. Due to these factors it is important to have the electrolyte analyzed on a periodic basis with chemical additions or purification steps taken as may be required. Lathes and Other machines From Product Design for Manufact and Assemble by G.Boothroyd Lathes Lathes are design to rotate the workpiece ang feed the cutting tool in the direction necessaryto generate the required machined surface. The most common form of lathe is the turret lathe shown diagrammatically, it consists of a horizontal bed supporting the carriage and the turret .The workpiece is gripped in a chuck or collet or is mounted on a faceplate mounted on the end of the main spindle of the machine. Rotation of the workpiece is provided by an electric motor driving the main spindle through a series of gears. Cutting tool are mounted on the cross slide angform the turret The tool on the cross slide can be driven or fed parallel to the axis of rotation of the workpiece. turret can be indexed to bring the various tools into position and can be driven or fed along the bed of the lathe. Modern turret lathes are provided with computer control of all of the workpiece and tool motions. These are known as computer numerical control (CNC) lathes and the tool or the cross slide can be fed in any direction in the horizontal plane to generate a required contour on the workpiece. It shows a cylindrical surface being generated by rotation of the workpiece and the movement of the carriage along the lathe bed; this operation is known as cylindrical turning. The feed-motion setting on the lathe is the distance moved by the tool during each revolution of the workpiece. The feed f for all machine tools is defined as the displacement of the tool relative to the workpiece, in the direction of feed motion, per stroke or perrevolution of the workpiece or tool. Thus, to turn a cylindrical surface of length lw, the number of revolutions of the workpiece is lw/f, and the machining time tm, is given by Tm =lw / (fnw) where nw is the rotational speed of the workpiece. It should be emphasized at this point that tm is the time for one pass of the tool (one cut) along the workpiece. This single pass does not necessarily mean, however, that the machining operation is completed. If the first cut is designed to remove a large amount of material at high feed (rouqhing cut), the forces generated during the operation will probably have caused significant deflections in the machine structure. The resulting loss of accuracy may necessitate a further machining operation at low feed (finish cut) to bring the workpiece diameter within the limits specified and to provide a smooth machined surface .For these reasons, the workpiece leaving a small amount of material cut. A horizontal-spindle lathe is not suitable for turning heavy, large diameter worrkpieces The axis of the machine spindle would have to be so elevated that the machine operator could not easily reach the tool- and work-holding devices. In addition, it would be difficult to mount the workpiece on a vertical faceplate or support it between centers; for this reason a machine that operates on the same principle as a lathe, but has a vertical axis, is used and is known as a vertical-boring machine. Like the lathe, this machine rotates the workpiece and applies continuous, linear feed motion to the tool. Single-point tools are employed and the operations carried out are generally limited to, turning, facing, and boring. The horizontal work-holding surface, which facilitates the positioning of large Horizontal-Boring Machine Another machine described here that uses single-point tool and has a rotary primary motion is a horiaontal-boring machine is needed mostly for heavy noncylin drical workplace in which an internal cylindrical surface is to be machined.In general,the words horizontal or vertical used when describing a machine tool refer to the orientation of the machine spindle that provides primary motion .thus,in the horizontal borer, the main spindle is horizontal. The principal feature of the machine is that workpiece remains stationary during machining,and all the generating motions are applied to the tool,. The most common machining pricess is boring anf is show in the figure.Boring acheveed by rotating the tool,which is mountedon a boring bar connect to the spindle,and then feeding the spindle,boring bar,and tool along the axis od rotation.Themachine-tool motions which can be use to move the workplace are for positioning of workpiece and are not generally employ white machining is taking place.A facing operation can be carried out by using a special toolholder thant feeds the tool radially as it rotates. Again,the equation developed earlier for the machining time,and the metal-removal rate in boring and facing will apply. Planning Machine The planer is suitabe for generating flat surface on very large parts .with this machine a linear primary motion is applied to the workpiece and the tool is fed at right angles to this motion.The primary motion is normally accomplished by a rack-and-pinion drive using a variable speed motion is intermittent.the work is held on the machine table using the T slots provided.the machining time tm and metal-removal rate Zw can be estimated as follows tm=bw/(fnr) where bw is the width of the surface to be machined nr is the frequency of cutting strokes and f is the feed, the metal- removal rate zw during cutting is given by zw=fapv where v is the cutting speed and ap is the depth of cut(the depth of the layer of material to be removed) . 中文译文:
焊接和电镀 焊接 焊接对于我们工业的发展和生产率来说是必不可少的,它已经成为金属制品制造和修理的主要手段。工业无论是大还是小,几乎不能列举出一个不使用焊接形式的。在工业中已经发现焊接实际上在所有制造工序和大多数设计中是一种既高效、可靠,又经济的手段哪里使用焊接。

在为一种新车型准备加工工具时,制造商可能会在焊接设备上花费高达100万美元。许多大楼、桥梁和船只是通过焊接制造而成的。在建筑噪音必须保持最小的地方,如医院扩建的大楼内,焊接作为接合金属部件的主要手段的价值尤为重大。

没有焊接,飞机制造工业将永远不能满足对于飞机 火箭和导弹的巨大需要。焊接冶金学的新方法和新知识已经使航天计划的迅速发展成为可能。

也许焊接对于社会的最大贡献是家用特殊制品。焊接工艺用于这样的部件结构中,如电视机、冰箱、厨房橱柜、洗碗机和其他类似的产品。

作为制造的手段,焊接已经被证明是快速、可靠和灵活的。它通过简化设计、省去花费大的模型和加工工序降低了制造成本。

焊接广泛用于农场设备、采矿和石油机械、机床、模具与夹具的生产和修理以及锅炉、熔炉和铁路机车的建造中。采用在磨损的部件中加入新的金属的改进技术,焊接也已使竞争很强的工业变得很经济。

在今天使用的许多焊接工艺中,气焊、电弧焊和电阻焊统治了该领域。从操作者任务的角度可以最好地解释这些工艺。

焊接的工艺的类型 使用气焊设备的操作者的主要任务是在使用合适的焊料到熔池的同时控制和引导待接合的金属边缘上的热量。高热是从气体,通常是乙炔和氧的燃烧获得的。由于这种原因,这种工艺叫做乙炔焊。在一些应用中,也可以利用其他气体,如Mapp(甲基乙炔丙二烯)、丙烷或天然气产生焊接所需的高热。

这种工作所需的技术有调节器的调节、适当的焊嘴和焊条的选择、待接合金属边缘的准备以及对火焰和焊条的操作技术。气焊技术也可能用于切割附件但是在特别大的氧气压力下进行火焰切割。火焰或氧气切割用于把各种金属切割成所需要的大小或形状或者用于除去铸件上多余金属。

当今使用的3种主要的电弧焊工龋电焊;
气体保护钨极电弧焊和熔化极气体保护电弧焊。电焊焊工焊接的技巧是焊缝的起点处撞击电弧然后保持该电弧来融合金属接缝。电极端部的熔化金属接着与边缘熔化酌金属一起沉积在接合处,凝固后形成坚固均匀的接合。期望电弧焊操作工能选择适合于该工作的电极或能够遵照工作规范中所叙述的说明,读懂焊接符号以及运用所需技巧焊接任何类型的接缝。

气体保护弧焊工艺比金属电弧干艺高级已经获得认可。利用气体保护电弧,电弧和熔池都可以通过惰性气体屏蔽罩起来。惰性气体屏蔽防止大气污染,因此形成更结实的焊接。被称为气体保护钨极电弧焊和熔化极气体保护电弧焊眸工艺,有时称为TIG(钨极惰性气体保护焊)和MIG(拿属焊条惰性气体保护焊),既可以人工操作,也可以自动操作。

电阻焊操作工负责控制机器利用热莉压力将金属熔合在一起。如果两块金属放在电极之间,金属成为低电压高安培数的导馇,材料由手慕串身的电阻被加热成可塑态。为了完成焊接,在减轻压力之前断开电流,从而便焊接金属冷却具有固态强度。

操作者的任务是恰当地调节机器的电流、压力印进给设置以适合待焊接的材料。

焊工通常要负责对齐待装配部件以及控制部件通过焊机的通道。

正确焊接工艺的选择 没有限定要用某一特殊的焊接形式和固定的规定。一般说来,控制因素有:待焊接金属的种类、有关成本、待制造产品的性质以及生产技术。同电焊工艺相比,一些焊接工作最好用气焊工艺完成。

乙炔焊是最为普及的气焊工艺,它用在所有金属力杠工业以及设备维修领域。由于其灵活性和机动性,乙炔焊广泛用在维护和修理工作。它可将焊接装置放在双轮小车上来移动或者由于卡车送到任何有损坏发生的地方现场作业。其适应性使乙炔焊工艺适合于焊接、硬钎焊、切割和热处理。

电焊的主要优势是快速性和应用的多样性,利用其快速性的优势可以用较低的成本进行高质量的焊接。这一工艺具体应用在大楼、桥梁莉机械的结构钢的船上。电焯理想的应用是储油罐和压力箱的制造以及使用标准工业金属生产管道制品。

由于气体保护弧焊工艺的发展,有迹象表明将来它们会广泛用于各类规格和平板厚度的黑色金属和有色金属。

电阻焊是主要的生产焊接工艺,它专门用于大晕生产家庭用品、汽车车身、电气设备、五金器具等。也许这一类焊接的显著特征在于其对快速熔合焊缝的适应性。

电镀是把一种金属沉积在一金属基底上的工艺。所镀的金属厚度通常小于0.002 英寸,在大多数应用中约为0.0001—0.0003 英寸。镀上金属来提供别的方法不能具有的基底性能,如提高防腐能力、审美的作用、提高抗磨能力、提高表面硬度、改变电特性和调整尺寸满足公差以及给予其他所需性能。

电镀的最大用途可能是在钢上镀锌,从而同时提供防腐表面和外观上吸引人的表面。如螺帽、螺栓、垫圈、丝状物、铸件以及许多冲压件这样的物品都是以这种方式加工的。另一种在钢上广泛使用的电镀是饰铬;
这通常包含铜、镍和铬3种金属的合镀。这种精加工已经广泛用在汽车和家用品等必须同时具有防腐和吸引人的表面的地方。

除钢以外,许多金属需要电镀。对金属基底,如铝、黄铜、铜和锌,进行电镀以提供各种所需性能。

塑料物品的电镀正越来越为工业所接受。由模制塑料制造的零件,如汽车格栅、尾灯组件、边饰和许多家用电器以及管道固定设备被电镀。在塑料零件需要金属化来使之具有传导性的地方需要一种专用工艺,藉此能使零件镀到所需的光洁度。

当考虑这样的因素如长度、适用和成本时,设计工程师能够从无数的基底中进行选择,来制造零件。零件一旦制成,就可以通过电镀或其他有关的工艺进行精加工以提供所需的性能和外观。

用于电镀的工艺对于所有金属都类似。待加工的零件需清除表面的脏物并活化。活化的金属立即被放人电镀液中,在那里完成实际的电镀。具体的电镀周期和所用的电镀液将根据基金属和待进行的电镀类型有所变化。

在实际的电镀作业中,待电镀的零件在电镀液中被作为阴极。在简化的作业中,这些零件通过阴极棒上的钩子或金属丝(图13—1)吊起来。低压直流电由整流器提供并通过电缆或汇流条连接到电镀槽内的阴极和阳极上。阳极棒和阴极棒由铜制造并被放置在槽边上,但需绝缘。这些棒用于承受阳极和阴极的重量以及传导施加的电流。

阳极是悬吊在电镀液中的电极。它们通常是与待镀金属相同,也就是说,铜阳极用于镀铜或者镍阳极用于镀镍。在电镀作业过程中,阳极溶解以补充由阴极上的金属分解除去的金属离子溶液。这种类型的阳极称为可溶阳极。但是某些情况需要不可溶(惰性)阳极,惟一的目的是向电解液提供电流。典型的不可溶阳极的例子是用于某些工艺的碳以及用于镀铬的铅阳极。不可溶阳极用在电解液以比从溶液中电镀金属快的速率溶解阳极的场合或用在纯金属阳极的成本因过高而不敢问津的场合。

电镀过程中,低压直流电由整流器提供给电解液。间或也用发电机,但已经很大程度地为新则格流器所取代。根据具体工艺,由格流器供给的电流范围是6—12V,电流密度取决于阴极的表面积。许多电镀作业典型的电流密度是每平方英尺待镀面积20—100A。因此,面积10 平方英尺的阴极需要整流器容量为200—1000A。在现行的生产车间中,容量为5000~20000A的整流器很常见。

电镀液,即电解液,一般是包含待镀金属的溶解盐和可能需要的其他化学药品的水溶液。一些电解液性质相当简单,可能仅包含少至2种的成分。例如,酸性镀铜使用的溶液仅有硫酸铜和硫酸。然而,其他电解液可能非常复杂。镀镍的溶液可能包含多达6到8种的成分,如硫酸镍、氯化镍、硼酸、硫酸和湿润剂以及若干种有机添加剂。

这些电解液为导电介质,允许电流从阳极通到阴极。当向阳极施加直流电时,金属溶解并电离。电流引起这些正电荷的金属离子向阴极迁移,在阴极减弱为金属状态并沉积在阴极上。对于大部分情况下,·阳极和朋极在电解液中彼此独立作用。简单的反应也引起负电荷离子向阳极迁移,在那里它们通过正电荷中和。由这一电解产生的副产品包括在阳极释放氧气和在阴极释放氢气。由于某些电解液的复杂性,也可能发生其他的副反应。

大多数电镀用电解液被使用的时间长度不定。而且,即使有,也很少被废弃。随着电镀工艺的继续和各种化学药品的消耗,需要补充以维持电解液在规定的浓度极限内。电镀液在连续作业过程中可能变得不平衡,这是由于:
1.金属离子的消耗。

2.不完全反应。

3.成分的分解。

4.从先前溶液带人。

5.从电镀液带出;
, 6.外界污染。

由于这些因素的影响,利用化学添加物定期分析电解液或采取可能需要的净化步骤是很重要的。

车床和其他机床 车床 车床用于旋转工件并从生成所需加工表面的所需方向进给切削刀具。

最常见的车床形式是六角车床,它由一个支承床头箱、拖板和六角刀架的水平床身组成。工件夹在卡盘或夹头中,或者安装在机床主轴端部的花盘上。

工件的旋转由一台电机通过一个齿轮系驱动主轴提供。

切削刀具安装在横向滑板及六角刀架上。在横向滑板上的刀具在乎行于工件旋转轴线方向或在工件旋转轴线的法线方向驱动或进给。六角刀架可以通过改变将各种刀具定位并可以沿车床的床身方向驱动或进给。

现代六角车床由计算机控制所有工件和刀具运动。这些车床称为计算机数字控制(CNC)车床,而且刀具或横向滑板可以在水平面上的任一方向进给以使工件上产生所需的廓形。

这说明的是通过工件旋转以及拖板沿车床床身运动所产生的柱面;
这一工序称为外圆车削。

车床上进给运动的设置是在工件每转一圈刀具移动的距离。所有机床的进给量f 规定为刀具相对于工件在进给运动方向刀具或工件每一行程或每转一圈的位移。这样,为了车削长度为lw的柱面,工件的转数是lw/f,而加工时间tm由下式给出 Tm=lw/(fnw) 式中nw是工件的旋转速度。

在此应当强调tm是刀具沿工件通过一次(一次切削)的时间。但是,这一次通过并不意味着加工工序的完成。如果首次切削用于以高进给来去除大量材料(粗切),在操作过程中产生的力将有可能引起机床结构的明显挠酶。引起的带度损失可能需要以小进给量进一步加工(精切),使工件直径在规定的界限内并提供光滑的加工表面。由于这些原因,在粗切时常被加工成稍大一点的尺寸,留下少量材料在随后的精加工中去除。

立式镗床 水平主轴的车床不适于车削沉重的大直径工件。否则机床主轴的轴线将不得不升高到机床操作工不易于够到固定刀具或固定工件的装置的高度。此外,在垂直的花盘上安装零件或在顶尖之间支撑零件会有困难;
因此使用了一种与车床相同的工作原理但具有垂直轴线的机床并称之为立式镗床(图14—2)。这种机床像车床那样旋转工件并向刀具施加连续的、线性的进给运动。

’ 使用单刃刀具,而且进行的作业一般限于车削、端面车削和镗削。

便于定位大型工件的水平工件固定面由一个带有径向T型槽的起夹持作用的旋转工作台组成。

卧式镗床 这里介绍的另一种使用单刃刀具并具有旋转主运动的机床是卧式镗床。这种机床主要用于沉重的非圆柱形工件,在这种工件内有一个待加工的内圆柱形表面。一般讲,在描述机床时使用的卧立式这两个词指的是提供主运动的机床轴(主轴)的方向。这样,在卧式镗床中,主轴是水平的。

机床的主要特征是,工件在加工过程中保持静止,所有造型运动都施加到刀具上。最常见的加工工艺是镗削,通过旋转刀具来实现镗削,刀具安装在接到主轴上的镗杆上,然后沿旋转轴线进给主轴、镗杆和刀具。可用于移动的机床运动用来给工件定位,而且在进行加工时一般不使用。端面车削工序可以通过使用专用刀具架在旋转时进给刀具来实现。

此外先前推导的镗削和端面车削加工时间和金属切削率的方程仍将可用。

刨床 刨床适合于在非常大的部件上产生平面。在这种机床上,线性主运动施加到工件上并且刀具一垂直与 该运动的方向进给。主运动通常利用变速马达通过齿条与齿轮传动来实现,而且进给运动是断续的。工件用提供的T 型槽固定在机床的工作台上,加工时间tm和金属切削率zm可以按下式估算 tm=bw/(fnr)
式中bw是待加工面的宽度,nr是切削行程的频率,f是进给量。金属切削率zw由下式 给出 Zw=fapv 式中v是切削速度,ap是切口深度(待去除的材料层深度)