斜井常闭式防跑车装置设计项目说明指导书.doc

题目：斜井常闭式防跑车系统设计院系专业： 机械工程及自动化 姓 名： 唐晓燕 指导老师： 韩振铎 完成时间： -11-23 目 录一 设计任务书第 3 页二 摘要第 4 页三 防跑车机构组成第 5 页四 挡车栏设计计算第 7 页五 防跑车电气控制第14页六 端面摩擦缓冲器设计第15页1、钢丝绳及压绳板选择计算 第19页 2、卷筒设计计算第21页 3、摩擦片设计计算第24页 4、制动片计算第27页 5、轴套计算第28页 6、轴计算第31页 7、调力螺母计算第32页 8、支座第33页七 设计心得第36页八 参考文件第37页一 设计任务书 题目：防跑车装置设计 1、设计条件1）机器功用 针对斜井跑车事故防护装置，当矿车跑车时，使挡车栏实现可靠拦截，避免事故发生。2）工作情况 常闭式3）运行要求 可靠性较高4）生产批量小批生产5）生产厂型 小型机械厂2、原始数据 发生跑车时冲击能量E=1J 矿井原始参数斜井跑车自然条件设定： 斜井倾斜度设定为 斜井跑车总质量：串车要求最多为6辆，每辆满载时质量位Kg，总质量为1kg。 变坡点和挡车栏距离设定为30m。绞车最大提升速度为2.8m/s。3、设计内容 1）总体结构 2）缓冲器各部分结构组成 3）系统图、安装图、零件图总量为零号图纸二 摘 要矿井轨道运输是煤矿生产关键组成部分，高效运输系统对于煤矿安全生产含相关键意义。据统计运输事故是仅次于顶板事故第二大事故，其中串车运行中因断绳、脱销、连接装置断裂等原因造成串车和主提升钢丝绳脱离跑车事故占运输事故22.1%，所以对煤矿斜井跑车事故进行有效预防十分必需。本系统是针对斜井跑车事故防护装置，其工作方法为常闭式。常闭式跑车防护装置是现在可靠性较高安全设施，它由以下几部分组成：主控箱，车位、车速监测传感器，主提升绳滑轮绳压传感器，柔性挡车栏、挡车栏提升机，语音报警显示器，摩擦片式缓冲吸能器。挡车栏处于常常关闭状态，当串车以正常速度抵达挡车栏上方监测位置时挡车栏自动升起。串车经过后抵达挡车栏下方监测位置后挡车栏自动下落。当矿车超速（跑车、溜车）时，监控系统经过对矿车速度和主提升绳滑轮处压力监测使挡车栏实现可靠拦截，避免事故发生。三 防跑车机构组成 防跑车机构组成图-1所表示，1、缓冲器 2、钢丝绳卡 3、缓冲器引出端钢丝绳 4、挡车栏绳网钢丝绳 5、挡车栏支架 6、挡车栏绳网架7、挡车栏提升机由挡车栏提升机、挡车栏提升限位传感器、脱扣器、柔性挡车栏、摩擦片式缓冲吸能器等部分组成。其工作原理是：当发生跑车事故时，矿车撞击挡车栏，脱扣器开口销受剪切力切断，脱扣器内传感器动作，主控PLC收到这一信号后发出报警保护命令，语音报警显示器发出报警信号，各道挡车栏均处于下放到位状态。和挡车栏相连缓冲器经过克服本身摩擦力旋转将拦车绳网传过来拉力吸收，从而实现对事故矿车缓冲制动。1、挡车栏提升机驱动系统选型电动机：YB90L-4（B3）型。其基础参数有：工作电压：660V 额定功率：1.5KW 同时转速：1500 r/min 额定转速：n1=1400 r/min 转动惯量：0.0080kg/mm 满载时电流：2.10A 效率因数：0.79 效率：79% 重量：37输出轴直径：24减速器：CW-80-31.5-I型。其基础参数有：公称传动比：i=31.5 额定输入功率：P=2.08kw 额定输出转矩：T=299N.m输入轴直径：24mm 输出轴直径：38mm 输出转速：n2=0.74 r/s联轴器：HL2型弹性柱销联轴器 YL7型凸缘联轴器轴承：轴承型号为61808轴承座：轴承座型号为HZ045键：一般平键 bh=87底座：选择10mm厚钢板作为驱动系统底座。滚筒设计：外径：300 mm 内径：280 mm 挡绳缘宽、高分别是8 mm、10 mm。校核驱动系统选型：要求系统在34秒内提起1800mm距离.即600mm/s滚筒转速：44.444 r/m 依据滚筒内径：280 mm得出周长：879mm故得悉绞车线速度为:0.74879=6500mm/s。满足设计要求。2、挡车栏提升机安装部署图：四 挡车栏设计计算1、挡车栏缓冲能量计算 斜井跑车动能量计算 受力分析图2所表示，斜井矿车受到重力G和滚动摩擦力f作用，并在惯性力f作用下下滑。矿车重力：G=mg=12104N矿车滚动摩擦系数：这里取=0.03；斜井倾角：30 这里取E=1MJ冲击能量2、钢丝绳选择钢丝绳选择计算是设计中关键步骤之一。钢丝绳在运转中受有很多应力作用和多种原因影响，如静应力，动应力、弯曲应力、扭转应力、和挤压应力等，磨损和锈蚀也将损害钢丝绳性能。中国是按煤炭安全规程要求来设计，其原因是：钢丝绳应按最大静载荷并考虑一定安全系数来进行计算。挡车栏处选择型号619（b）+FC，抗拉强度1570MP,最小破断力516KN，直径26mm钢丝绳。3、跑车速度计算矿车发生跑车后，在重力作用下沿斜井加速运动，抵达挡车栏处速度v和所需时间t计算。 矿车从静止状态下（初速度为零）发生跑车时速度计算：挡车栏处速度v由及有式中矿车从跑车点到挡车栏处距离，m 斜井倾角度 钢轨和矿车车轮之间滚动摩擦系数，通常取0.01 重力加速度，取9.80665跑车所需时间由有= = 3.22s不一样倾角和跑车距离时车速，列于下表 LP Vk58101520253052.763.584.004.945.746.376.9683.504.535.076.257.268.058.80103.905.065.676.988.129.009.84154.786.196.948.569.9411.0312.05185.246.797.619.3710.8912.0813.20205.537.158.019.8811.4812.7313.92235.937.678.5910.5912.3113.6514.93256.788.008.9611.0412.8414.2415.57矿车以初速度发生跑车时速度计算挡车栏处速度由及有跑车所需时间由有4、挡车栏动作指令提前量确实定常闭式防跑车装置，需要确定矿车运行到挡车栏前多长距离发出挡车栏开启信号。或测速装置安装位置和挡车兰之间合理距离。这是有效地阻挡跑车关键参数。挡车栏提起和落下时间t2挡车栏提起通常有两种情况：垂直提起，旋转提起。本方案采取垂直提起。则垂直提起时间： ；s式中Ht提升高度，m Vt提升速度，m/s,n-绞车卷筒转速, D-绞车卷筒直径,200mm. 得: =0.586 挡车栏动作提前量确实定 式中 v1绞车下放矿车速度，m/s； S0富裕常数，m取决于挡车栏可靠度和绞车安全保护装置灵敏度，通常取S0=1.52.5m5、跑车作用于挡车栏上冲击力：作用于车挡上冲击力是设计车挡和吸能制动器关键依据，矿车和车挡冲击力计算有两种情况。按一辆矿车计算冲击力串车和车挡相撞，按一辆矿车相撞情况计算作用于车挡上冲击力，这是现在计算冲击力时广泛采取方法。其理论基础在于，组成串车矿车之间是以连接环相连接，属于软连接，串车加速运行时，连接环是拉紧，当第一辆矿车和车挡相撞t时间内，第二辆矿车因为矿车之间间隙还未撞击到第一辆矿车，或说，第二辆矿车撞击第一辆矿车瞬间，第一辆矿车和车挡撞击过程已经完成，同理，后一辆矿车撞击前一辆矿车时，前一辆矿车撞击过程已完成。所以，不管矿车数多少，均以一辆矿车冲击力为计算依据。一辆矿车作用在车挡上冲击力式中Q重车作用在车挡上静力，N Q0矿车自重；kg Q1矿车载重；kg 斜行倾角； 轨道和矿车轮之间滚动摩擦系数，=0.01 g重力加速度；g=9.8m/s2 K动荷系数，矿车和车挡相撞时速度；m/s车挡在静力Qx作用下，整个装置弹性变形；（）QX静力Q沿车挡表面垂直方向分力；N 车挡和铅垂线这间锐角；度橡胶碰头弹性变形；m车挡弹性变形；m缓冲装置弹性变形；m主轴弹性变形；m以多辆矿车计算冲击力出现下面两种情况时，要修正按一辆矿车计算冲击力计算方法。当矿车之间距离很小，出现重合撞击情况。因为矿车之间没有足够间距，当第一辆矿车和车挡撞击过程还未完成时，第二辆矿车就又撞击到第一辆矿车上，出现重合撞击情况。当矿车受到非正常阻力，出现整体撞击情况。当第一辆矿车受到非正常阻力，速度减慢时，后面矿车紧贴在前面矿车上，会出现整体撞击车挡情况。鉴于上述两种情况，计算冲击力时每两矿车全部应考虑增加一个小于1叠加系数，则作用于冲击力为 ；N式中按一辆矿车和车挡相撞计算冲击力；N每两矿车叠加系数，对第i辆矿车， （2i5）作用于柔性挡车栏上冲击力P式中矿车和车挡相撞时速度；m/sQ重车作用在车挡上静力；N 在静力Q作用下挡车栏上钢丝绳静变形， ，mL挡车栏中钢丝绳长度，m E钢丝绳弹性模量，Pa； F承载钢丝绳断面积，m2。6、挡车栏强度计算平行栅条式挡车栏是一个柔性挡车栏。在这种挡车栏中，钢丝绳直接承受矿车冲击力，所以挡车栏强度计算关键是计算钢丝绳强度。 挡车栏处选择型号619（b）+FC，抗拉强度1570MP,最小破断力516KN，直径26mm钢丝绳。 设受力钢丝绳根数为n，则每根钢丝绳所受拉力 =式中K钢丝绳受力不均匀系数，取K=0.8则=钢丝绳强度校核 式中m钢丝绳安全系数，通常取许用安全系m=3; 钢丝绳破断拉力总和，N。 则 钢丝绳满足强度要求五 防跑车电气控制跑车防护装置电气控制是挡车装置能否可靠工作关键组成部分。因为控制部分动作频繁，中间转换步骤多，挡车装置又在操作者视野之外，而靠显示系统传输状态，愈加增添了对可靠程度要求。传感元件是电气控制系统关键部分，直接影响到挡车装置动作可靠性和正确性。 在本装置中使用PLC计数器。PLC由CPU运算和控制中心，存放器，输入/输出接口，编程器组成。输入接口电路工作过程：当开关合上，二极管发光，然后三极管在光照射下导通，向内部电路输入信号。当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。向内部电路输入信号。输出接口电路工作过程：当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通电流和电压。当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载电流或电压。也就是经过输出接口电路把内部数字电路化成一个信号使负载动作或不动作。基础工作原理 ：PLC采取“次序扫描，不停循环”工作方法1每次扫描过程集中对输入信号进行采样,集中对输出信号进行刷新。 2输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行实施阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 3一个扫描周期分为输入采样，程序实施，输出刷新。 4元件映象寄存器内容是伴随程序实施改变而改变。5扫描周期长短由三条决定。（1）CPU实施指令速度（2）指令本身占有时间（3）指令条数 6因为采取集中采样。集中输出方法。存在输入/输出滞后现象，即输入/输出响应延迟。 六 端面摩擦缓冲器设计计算缓冲吸能器中钢丝绳选择型号619（b）+FC，直径22mm，抗拉强度570MP,最小破断力252KN。缓冲吸能器实质上也是一个制动器，在设计时需要确定关键参数有，制动距离，制动力和制动减速度等。1、制动过程动力学 制动过程中，制动器所产生制动力，可分为常数制动力和变数制动力，图所表示途中表示跑车和车挡相撞后收到力系，F（t）为制动力，F2为摩擦阻力，F1为下滑力，X为座标横轴，由此能够列出矿车制动过程方程式。 即 式中 m矿车和车挡质量；kg 矿车减速度；m/s2显然，制动力F(t)是一个变数，称变数制动力，如能求得，则制动减速度（），矿车速度（），制动距离（）全部可一一求出，不过，变数制动力在实际工作中较难确定，所以，可简化成常数制动力进行计算。设置动力F为常数，则矿车减速度也为常数，并由下式决定矿车速度为式中Vk矿车和车挡相撞时矿车速度，m/s 制动距离为消去时间t，可得制动距离为 制动时间为 确定制动距离后，就可求得制动力F，进而求得制动时间。反之，由制动力也可求得制动距离和制动时间。2、工作原理防跑车缓冲装置功效是吸收失控下滑矿车动能，使之以一定范围减速度平稳制动。现场使用制动绳防跑车缓冲装置采取缓冲绳弯曲变形能来吸收矿车动能，限制减速度，经过调整螺栓预紧力来调整缓冲绳弯曲程度，以达成调整缓冲力目标。现在已经有学者对螺栓预紧力和缓冲力之间理论关系进行推倒，但计算结果不够可靠，仍需要利用试验结果进行修正，缓冲力大小极难正确调整。本文设计缓冲装置采取摩擦制动思绪，利用端面摩擦制动原理吸收容器动能。工作原理图：端面摩擦缓冲器制动部分由多组外制动盘1、摩擦片2和内制动盘3组成。工作时，内制动盘3相对机架静止，外制动盘1相对其转动，在轴向压紧力P作用下。内、外制动盘和摩擦片2之间产生摩擦力，经过摩擦力做功抵消罐笼下坠动能。采取端面摩擦形式有效增大了接触面积，减小了接触比压，有利于提升摩擦材料使用寿命，稳定摩擦材料制动性能，从而使缓冲器含有稳定可靠缓冲效果。 3 结构设计依据上述工作原理，本文所设计端面摩擦缓冲装置结构以下图2：1、支座 2、挡圈 3、轴套 4、调力螺母 5、主轴6、O型橡胶密封圈 7、外制动片 8、卷筒 9、蝶形弹簧10、蝶形弹簧内定位环 11、摩擦片 12、内制动片13、平键 14、内六角圆柱头螺钉 15、压绳板 16、钢丝绳19、蝶形弹簧挡圈如上图所表示，端面摩擦缓冲装置包含轴向固定调力螺母，轴两端为螺纹结构，且一端螺纹之上为方头，方便于安装。轴上有对称两个轴套，两轴套之间装有碟形弹簧和弹簧内径定位圈，轴套一端为方形凸缘和底座和外壳方形孔槽配合，其上还有环形槽方便密封圈嵌入；底座中间有螺纹孔，实现轴和底座之间经过螺纹连接固定；内制动盘和轴套相啮合，外制动盘和卷筒内壁键槽相啮合，摩擦片、外制动盘和内制动盘依次交替安装；卷筒和轴套配合处装有环套，嵌有密封圈，缓冲绳缠绕在卷筒上，经过卷筒上压绳块来固定。缓冲装置工作时，经过调整轴端调力螺母压紧碟形弹簧，从而对内外制动盘及摩擦片之间施加需要正压力。正压力大小可由调力盘刻度得出。当提升钢丝绳断裂发生跑车时，挡车栏将缓冲绳抽出，缓冲绳拉动卷筒及和之啮合外制动盘一起转动，同时内制动盘和轴套啮合保持静止，在压紧力作用下，内、外制动盘和摩擦片相互运动产生摩擦制动力，从而矿车在发生断绳事故时含有缓冲作用而安全停车。 4. 参数选择 缓冲减速度取值为了确保罐笼平稳停止，确保生命安全，在制动过程中罐笼不产生猛烈振荡或严重倾斜，原煤炭厅行业标准MT355-1994对制动绳防跑车制动技术性能提出了明确要求，对包含到制动性能相关技术条件作了以下要求：第3.5.3条要求：防跑车制动过程中，在最小终端载荷下，罐笼减速度不应大于50（即5g）；当罐笼提升速度超出10减速度不应大于30（即3g）；在最大终端载荷下，罐笼减速度不应小于10（即1g）；当最大终端载荷和最小终端载荷比值大于3时，减速度不应小于5（即0.5）。第4.5.1.1条要求：首优异行了缓冲器阻力调整，调整后防跑车制动力应符合下式要求： （2-5）式中 F-防跑车制动力，N； m满载矿车质量，； 空车质量，。缓冲减法速度由式2-5可得，缓冲装置制动力F取值： （2-11）取F为196KN，最小终端载荷下，由下式 （2-12）得罐笼减速度，最大终端载荷下： （2-13）得罐笼减速度，符合2.3.1节中MT355-1994要求。（一） 钢丝绳及压绳板选择计算1.本例中选择两个端面摩擦缓冲器对称部署，所以每根钢丝绳承受拉力由下式 得，选择钢丝绳型号619（b）+FC，直径22mm，抗拉强度1570MP, 纤维芯钢丝绳，最小破断拉力为217KN，则钢丝绳许用拉力F为 其中k不平均系数，式中取1.15；n安全系数，式中取3。 由此得，钢丝绳强度满足要求2.依据钢丝绳直径选择压板以下：钢丝绳直径为 ，选择压板序号为6压板，各尺寸以下表所表示： 依据欧拉公式得绳尾拉力 式中F绳所受到冲击力 压板和绳之间摩擦系数，取0.15 包角 取 选择四个压绳板.（二） 卷筒设计计算 1.结构形式缓冲装置工作时，钢丝绳带动卷筒高速旋转，同时要求卷筒带动外制动盘同时运动，以产生摩擦制动力，所以卷筒结构设计采取图4形式： 如上图所表示，卷筒选择铸钢材料制成，成圆筒状，缓冲绳缠绕其上，卷筒内表面有多个轴向花键通槽，而外制动盘外圆上有多个凸块，和卷筒上花键槽相配合，在卷筒旋转时可带动其一起运动。缓冲器工作时，钢丝绳带动卷筒高速旋转，为此在卷筒和轴套配合处设计了环形结构，以避免在卷筒告诉旋转时出现金属咬合现象。2.材料卷筒选择45号钢材料制成，调制处理，查得 因其为塑性材料，满足要求3.确定卷筒各部分尺寸依据所选钢丝绳直径初定卷筒壁厚为22 mm，因为要在卷筒内壁轴向加工5个1040 mm花键通槽，所以卷筒壁厚增加为30mm，可得卷筒名义直径为： 卷筒外径 d= 328 22 = 306 mm卷筒内径 d= 306 60 = 246 mm 卷筒外径周长 C = m因为要使串车在8m内制动，则卷筒缠绕钢丝绳圈数n必需满足下式 n 取n=12圈则缠绕钢丝绳长度 l= n*c =12*0.96 =11.52 m钢丝绳在卷筒上缠绕3层4.受力分析：卷筒受到扭矩 卷筒受到弯矩 绘制卷筒弯矩和扭矩图5.按弯扭合成强度校核卷筒强度当量弯矩 抗弯摸量 得卷筒受到应力 （三） 摩擦片设计计算1.摩擦材料选择摩擦元件是缓冲器关键组成部分可心，摩擦材料性能直接影响缓冲制动过程，其工作温度和温升速度是影响性能关键原因，而这些又取决于摩擦副工作条件。缓冲器工作时，吸收能量大，而完成缓冲制动时间越短，则温升越高，假如摩擦材料超出其许用工作温度，性能就会显著恶化，所以摩擦材料选择至关关键。缓冲器对摩擦材料要求以下：摩擦材料应该含有足够而稳定摩擦系数值（0.2-0.6），外界条件（如制动速度、压力、温度、环境介质等）改变时对其影响要小，且动、静摩擦系数相差不大。对防跑车缓冲器来说，摩擦系数越大，则缓冲器整体结构可设计愈加紧凑，有利于在井筒或井塔上安装部署。但摩擦系数大反过来又会造成可能发生摩擦材料磨损加剧，从而降低缓冲器反复使用性能并影响其寿命，缓冲装置在制动过程中，摩擦系数保持一定稳定值相当关键，为了评定摩擦性能稳定性，可用以下两个专用系数加以限制： （2-6） （2-7）式中 摩擦系数稳定系数； 摩擦系数改变系数；平均摩擦系数；最小摩擦系数；最大摩擦系数。缓冲装置摩擦性能稳定性判据：摩擦系数稳定系数0.9;摩擦系数改变系数0.8。摩擦材料应含有较高耐磨性，即使缓冲器不处于频繁制动工况，只是偶然动作一次，但考虑到缓冲器反复使用要求，所以要求摩擦材料耐磨性要好。摩擦材料要有一定高温机械强度和良好导热性，热容量要大。摩擦材料对内、外制动盘表面损伤要小，磨合性好但又不发生严重粘着作用。对摩擦材料选择要考虑经济性和原材料起源要充裕，价格廉价且加工制造工艺简单。结合以上要求，选择一个采取耐热高强树脂基、增强纤维和矿用填料，经过原料混合、摸具加热压制、后期热处理制成新型摩阻材料环境保护无石棉树脂作为摩擦材料，其对钢动摩擦系数（100-200）为0.2-0.4，许用表面温度不超出1200，许用比压（干式）。设每个缓冲器制动力为F，轴向压紧力为N摩擦片上摩擦力矩为 式中Z摩擦面数 摩擦系数，取0.2 摩擦面上压力， MPa； 摩擦片工作面内半径，m 摩擦片工作面外半径，m 得设摩擦系数，设计摩擦片厚度t=2mm,个数n=18，可产生有效制动力矩式中，D、d、R2、R1、z均为定值，若为某一定值，则给定一个N值，则有唯一F和之对应，即N和F成线性关系，所以，只要调整轴向压紧力，就能够得到适宜制动力。摩擦片磨损寿命分析依据样机结构设计，每个摩擦片在厚度方向上最大许可磨去1mm，其磨损程度内摩擦片总体积为摩擦材料使用寿命可按下式计算：式中n使用寿命内反复使用次数； V磨损程度内摩擦片总体积；mm3 W制动一次滑摩功，Nm K摩擦片磨损率，mm3/(N.m) 取mm3/（N.m） = 12.61mm综上，选地脚螺栓为M183.支座上方形沉孔计算由且得八 设计心得 怀着复杂心情，我们迎来了此次课程设计。这次设计共用了三周时间，是一次对我们四年来所学知识综合性考验，也是毕业设计以前一次练兵。在这三周时间里，我经过自己努力和在老师、同学帮助下，我准期完成了此次设计任务。 经过为期三周课程设计我受益匪浅，以前只是从书本上学到一点理论知识，实际操作和动手能力由很大欠缺，这次课程设计将我以前所学到各门知识有效结合而且利用起来，我相信有了这次经验为我明年毕业设计打下了一个良好基础，也为我们以后走向工作岗位积累了丰富知识，能够有效把理论和实际有效结合。 这次课程设计使我明白了以前学习过程中不足和缺点，并积累了一定经验和教训，为以后学习和工作积累了宝贵经验，经过设计提升了利用综合知识能力和在设计方面认识，从中受益匪浅。 总而言之，此次机械课程设计，使我学会了怎样综合利用机械设计课程和其它相关先修课程和和生产实践相结合，分析和处理机械设计部分问题。同时，也使我所学知识得到深入地巩固和发展。在此感谢各位指导老师。Vk=15.57m/sLp=25m=300.01t1=3.22sPj=200KNP=185.7KNPj=202.44KNP=57.84KNQ=9640N钢丝绳强度满足要求