帶式輸送機驅動裝置設計

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本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 33 頁 共32頁 1 引言 1．1 國內外帶式輸送機的發(fā)展狀況 輸送機是在一定線路上連續(xù)輸送物料的物料搬運機械，又稱連續(xù)輸送機。輸送機可進行水平、傾斜和垂直輸送，也可組成空間輸送線路，輸送線路一般是固定的。輸送機輸送能力大，運距長，還可在輸送過程中同時完成若干工藝操作，所以應用廣泛。 17世紀中，開始應用架空索道輸送散狀物料；19世紀中葉，各種現(xiàn)代結構的輸送機相繼出現(xiàn)。1868年，在英國出現(xiàn)了帶式輸送機；1887年，美國出現(xiàn)了螺旋輸送機；1905年，瑞士出現(xiàn)了鋼帶式輸送機；1906年，英國和德國出現(xiàn)了慣性輸送機[1]。 20世紀80年代末以來，我國的煤礦用帶式輸送機也有了很大的發(fā)展，對其關鍵技術的研究和新產品的開發(fā)都取得了可喜的成果。輸送機產品系列不斷增多，從定型的SDJ、SSJ、STJ、DT等系列發(fā)展到多功能、適應特種用途的各種帶式輸送機系列，如國家“七五”攻關項目—“大傾角帶式輸送機成套設備”、“九五”攻關項目—“高產高效工作面順槽可伸縮帶式輸送機”等都填補了國內空白，開發(fā)了大傾角、長距離輸送原煤的新型帶式輸送機系列產品，并對帶式輸送機的關鍵技術及其主要元部件進行了理論研究和產品開發(fā)，應用動態(tài)分析技術和中間驅動與智能化控制等技術，研制成功了多種軟啟動和制動裝置及以PLC為核心的可編程電控裝置。但與國外相比（如表1-1），其機型一般都偏小，特別是帶速通常均不超過4.5m/s，對高帶速輸送機及其動態(tài)設計與計算機監(jiān)控等關鍵技術問題缺乏實踐經驗，由于帶速普遍較低，許多設計單位仍沿用以往的靜態(tài)設計法，用加大帶式輸送機安全系數(shù)的方法來提高設計的可靠性，其結果不僅增大了設備成本，而且降低了設備運行的可靠性。 表1-1 國外目前帶式輸送機的主要技術指標[2] 主要技 術參數(shù) 300-500萬噸高產高效礦井 順槽可伸縮帶式輸送機 大巷與斜井固定帶式輸送機 國內 國外 國內 國外 運距m 2000-3000 2000-3000 >5000 >4500 帶速m/s 3.5-4 2.4-2.5 4-5,最高可達8 3-5 輸送量t/h 2500-3000 1500-3500 3000-5000 2000-3000 驅動功率kw 1200--2000 900-1600 1500-3000 1500-3000 目前，帶式輸送機的發(fā)展趨勢是：大運輸能力、大帶寬、大傾角、增加單長度和水平轉彎，合理使用膠帶張力，降低物料輸送能耗，清理膠帶的最佳方法等。 1．2 帶式輸送機發(fā)展的技術前瞻 帶式輸送機大型化與高可靠性要求，對設計者和制造商提出了更高的要求，只有解決了帶式輸送機發(fā)展的關鍵技術，才能制造出高性能、高可靠性的大型帶式輸送機。其關鍵技術為[2]： 1．動態(tài)分析技術 就是建立帶式輸送機輸送帶在啟動和停機過程中的動力學方程，求解帶式輸送機上不同點隨時間推移所發(fā)生的變化，找出變化劇烈的張力波可能造成的破壞，這就是帶式輸送機的動態(tài)分析。 2．可控啟動技術 大型帶式輸送機的啟動，一定要有一個足夠的啟動時間，使啟動加速度保持在允許范圍內，運距越長、帶速越高、輸送量越大，啟動時間就越長。因而必須對啟動時間加以控制，可控啟動時輸送帶張力波動極小，啟動平穩(wěn)。 3．下運制動技術 包括三個技術關鍵，分別是制動能量大、制動平穩(wěn)性要求高、在事故停電時要求系統(tǒng)迅速而安全地制動。 4.中間驅動技術 隨著我國高產高效礦井的出現(xiàn)，煤礦井下用帶式輸送機已向大型化方向發(fā)展，但由于受到輸送帶強度與驅動裝置的限制，井下使用的帶式輸送機單機長度還不允許無限制地加長。中間驅動就是把驅動功率的一部分放在輸送機的中間段，使驅動功率分散開來，這樣可以降低輸送帶的最大張力，降低輸送帶的強度，提高輸送機的輸送能力，降低征集成本。 5.高速托輥技術 托輥使帶式輸送機的主要部件，量大面廣，在順槽中使用的托輥一般采完一個工作面后，托輥損壞數(shù)量很大，經濟損失相當嚴重。另外托輥的旋轉阻力及輸送機運行阻力大，功率消耗很大，因此提高托輥質量對降低能耗、節(jié)省費用、增加運行可靠性具有重大意義。 6.電控與監(jiān)測自動化技術 國外大型帶式輸送機都已采用高檔PLC可編程控制器，開發(fā)了先進的程序軟件與綜合電源繼電器控制技術以及數(shù)據(jù)采集等完整的自動監(jiān)控系統(tǒng)。這樣可以實現(xiàn)輸送機可控啟（制）動、中間驅動、功率平衡、帶速同步、自動張緊與機尾自移以及各種保護裝置、通信與信號聯(lián)絡等綜合功能的要求。 1.3 帶式輸送機概述 1.3.1 帶式輸送機的優(yōu)缺點 帶式輸送機的優(yōu)點是輸送物料種類廣泛，運輸能力大，輸送路線的適應性強，靈活的裝卸料，可靠性強、安全性高、費用低，工作阻力小，耗電量低，約為刮板輸送機耗電量的1/3～1/5。因在運輸過程中物料與輸送帶一起移動，故磨損小，物料破碎性小。由于結構簡單，既節(jié)省設備，又節(jié)省人力，故廣泛應用于我國國民經濟的許多工業(yè)部門。 帶式輸送機的缺點是輸送帶成本高且易損壞，故與其他輸送設備相比，初期投資高，且不適于運送有棱角的物料。 1.3.2 帶式輸送機的工作原理 帶式輸送機的機構示意圖如下所示， 圖2-1 帶式輸送機工作原理圖 1. 驅動滾筒；2.清掃裝置；3.托輥4.輸送機5.機尾換向滾筒6.拉緊裝置 輸送帶繞經驅動滾筒1和機尾換向滾筒5形成無極閉合帶。上下兩股輸送帶是由安裝在機架上的托輥3支承著。拉緊裝置的作用是給輸送帶正常運轉所需要的張緊力。工作時，驅動滾筒通過它與輸送帶之間的摩擦力驅動輸送帶運行。貨載裝載輸送帶上并與其一起運行。帶式輸送機一般是利用上分支輸送帶輸送貨載的，并且在端部卸載。利用專門的卸載裝置也可在中間卸載。 1.3.3 帶式輸送機的分類 帶式輸送機分類方法有多種,按運輸物料的輸送帶結構可分為兩大類；一類是普通型帶式輸送機，這類帶式輸送機在輸送帶運送物料的過程中，上帶呈槽形，下帶呈平形，輸送帶有托輥托起，輸送帶外表幾何形狀均為平面；另一類是特種結構的帶式輸送機，各有各的輸送特點，其分類圖如下[4]： TDII型固定式帶式輸送機 GD80輕型帶式輸送機 普通型 DX型鋼繩芯帶式輸送機 U型帶式輸送機 帶式輸送機 管形帶式輸送機 氣墊型輸送機 特種結構 波狀擋邊帶式輸送機 鋼繩牽引帶式輸送機 壓帶式帶式輸送機及其它類型。 圖1-1 帶式輸送機的分類 1．4 驅動裝置形式 驅動裝置實際上是一種能量轉換裝置, 根據(jù)能量可能進行的轉換方式, 帶式輸送機的驅動可以有下面的幾種途徑: a) 電能→機械能: 電動機通過電力電子技術直接驅動。其主要形式為: 直流電動機調速方式、交流電動機軟啟動方式、交流電動機變頻調速方式、差動變頻無級調 速。 b) 電能→液體動能→流體摩擦→機械能: 液粘離合器驅動。 c) 電能→液體動能→機械能: 液力耦合器驅動。 d) 電能→液壓能→機械能: 液壓馬達驅動。 根據(jù)設計參數(shù)和要求，綜合考慮后，采用第一種途徑。 驅動裝置的作用是將電動機的動力傳遞給輸送帶，并帶動它運動。 驅動裝置是帶式輸送機的動力傳遞機構。一般由電動機、聯(lián)軸器、制動器、減速器及驅動滾筒組成。 電動機：帶式輸送機用的電動機，有鼠籠式、繞線式異步電動機。在有防爆要求的場合，就采用礦用隔爆機。使用液力耦合器時，不需要具有高起動力矩的電動機，只要與耦合器匹配得當，就能得到接近電機最大力矩的起動力矩。 聯(lián)軸器：按傳動和結構上的需要，分別采用液力耦合器、柱梢聯(lián)軸器、棒梢聯(lián)軸器、齒輪聯(lián)軸器或十字滑塊聯(lián)軸器。 減速器：帶式輸送機用的減速器，有圓柱齒輪減速器和圓錐-圓柱齒輪減速器。圓柱齒輪減速器的傳動效率高，但是它要求電機軸與輸送機軸平行，驅動裝置占地寬度大，適合于在地面驅動；而井下使用時需要加寬峒室，若把電機布置在輸送帶下面，會給維護和更換造成困難。因此，用于采區(qū)巷道是，常采用圓錐-圓柱齒輪減速器。 驅動滾筒：驅動滾筒是依靠它與輸送帶之間的摩擦力帶動輸送帶運行的部件。據(jù)撓性牽引構件的摩擦傳動理論，輸送帶與滾筒之間的最大摩擦力，隨摩擦系數(shù)和圍包角的增大面增大。所以提高牽引力必須人這兩方面入手。 根據(jù)不同的使用條件和工作要求，帶式輸送機的驅動方式，可分單電機單滾筒驅動單電機雙滾筒驅動及多電機驅動多滾筒驅動幾種。 2 運動方案的擬定 驅動裝置是帶式輸送機的原動力部分，由電動機、減速器以及高（低）速聯(lián)軸器、制動器和逆止器等組成。其型式的確定按與傳動滾筒和關系，驅動裝置可分為分離式、半組合式和組合式三種[5]。其三種組合方式如下表所示： 表2-1 驅動裝置的組成 類型 代號 功率范圍/kw 驅動系統(tǒng)組成 分離式 Y-DBY 2.2～315 Y電機-MLL聯(lián)軸器-YOX耦合器-直交軸- 減速器-ZL聯(lián)軸器 Y-ZLY 2.2～315 Y電機-MLL聯(lián)軸器-YOX耦合器-平行軸-減速器-ZL聯(lián)軸器 半組合式 YTH 2.2～250 Y電機-HL聯(lián)軸器-減速滾筒 組合式 YⅡ 2.2～55 Y電機電動滾筒 分離式驅動裝置有兩種，在這兩種分離式裝置中，應優(yōu)先選擇Y-ZLY驅動裝置；而Y-DBY適用于要求布置特別緊湊的地方。 半組合式驅動裝置是只將減速齒輪副置于滾筒內部，電動機伸出在滾筒外面的驅動裝置。它解決了電動滾筒散熱條件差的問題。因而作業(yè)率可不受太大的限制。 組合式驅動裝置是將電動機和減速器齒輪副裝入滾筒內部與傳動滾筒組合在一起的驅動裝置。驅動裝置不占空間，適用于短距離及較小功率的帶式輸送機上。但電動機在滾筒內部，散熱條件差，因而電動滾筒不適合長期連續(xù)運轉，也不適合在環(huán)境溫度不大40C的場合使用[6]。 傳動裝置的傳動方案是否合理將直接影響機器的工作性能、重量和成本。綜合考慮本題設計采用的為第一種分離式傳動方案。其結構圖如下: 圖2-1 分離式驅動裝置的結構圖 3 電動機的設計 3．1 帶式輸送機驅動裝置設計的原始數(shù)據(jù) 1. 驅動裝置技術性能： (1) 運輸物料: 原煤 (2) 膠帶速度: 2.5m/s (3) 傳動滾筒轉速: 59.7r/min (4) 物料堆積密度：= 800kg/m3 (5) 傳動滾筒軸功率: 62.5kW (6) 帶式輸送機傾角：α=100 (7) 輸送帶拉力 25KN （8）設計運輸生產率 Q=1500t/h 2. 使用情況：每天工作8小時，每年300天，5年。 3.2 選擇電動機的類型 按工作要求和條件選取Y系列一般用途的全封閉自扇冷式籠型三相異步電動機。它具有高效、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。 3.3 選擇電動機的容量 表3—1 類別 傳動形式 效率 圓柱齒輪傳動 很好跑合的6、7級精度（稀油潤滑） 0.98-0.99 8級精度的一般齒輪傳動（稀油潤滑） 0.97 9級精度（稀油潤滑） 0.96 加工齒的開式傳動（干油潤滑） 0.94-0.96 鑄造齒的開式傳動 0.90-0.93 圓錐齒輪傳動 很好跑合的6、7級精度（稀油潤滑） 0.97-0.98 8級精度的一般齒輪傳動（稀油潤滑） 0.94-0.97 加工齒的開式傳動（干油潤滑） 0.92-0.95 鑄造齒的開式傳動 0.88-0.92 蝸桿傳動 有自鎖性的普通圓柱蝸桿傳動（稀油潤滑） 0.40-0.45 單頭普通圓柱蝸桿傳動（稀油潤滑） 0.70-0.75 雙頭普通圓柱蝸桿傳動（稀油潤滑） 0.75-0.82 三頭和四頭普通圓柱蝸桿傳動（稀油潤滑） 0.80-0.92 帶傳動 平帶開式傳動 0.98 V帶傳動 0.96 鏈傳動 滾子鏈傳動 0.396 齒形鏈傳動 0.97 摩擦傳動 平摩擦輪傳動 0.85-0.92 卷繩輪傳動 0.95 軸承（一對） 滾動軸承（球軸承取大值） 0.99-0.995 滑動軸承（液體摩擦取大值，潤滑不良取小值） 0.97-0.995 聯(lián)軸器 浮動聯(lián)軸器（滑塊聯(lián)軸器等） 0.97-0.99 齒式聯(lián)軸器 0.99 彈性聯(lián)軸器 0.99-0.995 萬向聯(lián)軸器 0.95-0.98 減（變）速器 單級圓柱齒輪減速器 0.97-0.98 兩級圓柱齒輪聯(lián)軸器 0.95-0.96 單級NGW型行星齒輪減速器 0.95-0.98 單級圓錐齒輪減速器 0.95-0.96 兩級圓錐—圓柱齒輪減速器 0.94-0.95 無級變速器 0.92-0.95 工作所需的功率： （1） （2） 由上式（1），（2）可知: 式中——電動機的工作功率kw； ——工作機所需功率(指輸入工作軸的功率)，kw； ——工作機的效率； ——輸送帶主軸牽引力N； ——輸送帶運行速度 m/s； ——電動機至工作機之間傳動裝置的總效率。 式中、、、、分別為齒輪傳動、卷筒、軸承、聯(lián)軸器的效率。 查表3—1得，=0.97、=0.96、=0.98、=0.99則： =0.972×0.96×0.984×0.992=0.817 所以: 根據(jù)選取電動機的額定功率。 查《機械零件設計手冊》取電動機的額定功率為=110kw 3．4 選擇電動機的轉速 由傳動滾筒軸的轉速,按二級斜齒圓柱減速器的傳動比的合理范圍=8:30,故電動機的轉速范圍為: =(477.6:1791)r/min。配合計算出的容量,可查出有兩種適用的電動機型號, 其技術參數(shù)比較情況見下表： 表3-2 兩種適用的電動機型號的參數(shù) 方 案 電動機型號 額定功率 電動機轉速 電動機重量 kw 同步轉速 滿載轉速 1 Y315M2-6 110 1000 990 1110 2 Y315S-4 110 1500 1480 1000 綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量以及減速器的傳動比，可知方案2比較適合。因此選定電動機型號為Y315S-4,所選電動機的額定功率P =110kw，滿載轉速n=1480r/min 。 4 減速器的設計 4．1 計算總傳動比并分配各級傳動比 圖4—1 運動簡圖 電動機確定后，根據(jù)電動機的滿載轉速和工作裝置的轉速就可以計算傳動裝置的總傳動比[7]。 4.1.1 計算總傳動比 ==24.79 4.1.2 分配各級傳動比 確定各級的傳動比時,考慮到潤滑條件,應使高、低級兩個在齒輪的直徑相近，所以低速級大齒輪略大些，推薦高帶級傳動比=(1.2:1.3) 4．2 運動參數(shù)的計算 4.2.1 計算各軸轉速 =1480r/min =1480/5.49=269.58r/min =269.58/4.51=59.77r/min 4.2.2 各軸的功率和轉矩 電動機軸輸出功率和轉矩 ＝80kw ＝9550×＝9550× 軸Ⅰ的輸入功率和轉矩： = ·= 80×0.99=79.2kw ＝9550× ＝9550×＝511.05 軸Ⅱ的輸入功率和轉矩： = ·· = 79.2×0.97×0.98=75.29kw ＝9550× ＝9550×＝2667.18 軸Ⅲ的輸入功率和轉矩： = ··=75.29×0.97×0.98=71.57kw ＝9550× ＝9550×＝11435.39 傳動滾筒軸的輸入功率和轉矩： = ··· =71.57×0.98×0.99×0.96=66.66kw ＝9550× ＝9550×＝10650.87 將以上各軸的轉速，功率及轉矩，列成表格 表4-1 各軸的轉速，功率和轉矩 參 數(shù) 軸 名 電動機軸 Ⅰ軸 Ⅱ軸 Ⅲ軸 滾筒軸 轉 速 r/min 1480 1480 269.58 59.77 59.77 功 率 kw 110 79.2 75.29 71.57 66.66 轉 矩 516.21 511.05 2667.18 11435.39 10650.87 綜合考慮傳動比和額定功率，應該選取減速器，=24.79， 額定功率 =110kw。 5 驅動滾筒設計 5.1 輸送帶的選擇 輸送帶在帶式輸送機中既是承載構件又是牽引構件（鋼絲繩牽引帶式輸送機除外），它不僅要有承載能力，還要有足夠的抗拉強度。輸送帶有帶芯（骨架）和覆蓋層組成，其中覆蓋層又分為上覆蓋膠，邊條膠，下覆蓋膠。 輸送機的帶芯主要是有各種織物（棉織物，各種化纖織物以及混紡織物等）或鋼絲繩構成。它們是輸送帶的骨干層，幾乎承載輸送帶工作時的全部負載[18]。因此，帶芯材料必須有一定的強度和剛度。覆蓋膠用來保護中間帶芯不受機械損傷以及周圍有害介質的影響。上覆蓋膠層一般較厚，這是輸送帶的承載面，直接與物料接觸并承受物料的沖擊和磨損。下覆膠層是輸送帶與支撐托輥接觸的一面，主要承受壓力，為了減少輸送帶沿托輥運行時的壓陷阻力，下覆蓋膠的厚度一般較薄。側邊覆蓋膠的作用是當輸送帶發(fā)生跑偏使側面與機架相碰時，保護帶芯不受機械損傷。 按輸送帶帶芯結構及材料不同，輸送帶被分成織物層芯和鋼絲繩芯兩大類?？椢飳有居址譃榉謱涌椢镄竞驼w織物層層芯兩類，且織物層芯的材質有棉，尼龍和維綸等。 為了方便制造和搬運，輸送帶的長度一般制成100米～200米，因此使用時必須根據(jù)需要進行連接。橡膠輸送帶的連接方法有機械接法與硫化膠接法兩種。硫化膠接法又分為熱硫化和冷硫化膠接法兩種。 5.2 驅動滾筒的選擇設計 驅動滾筒是傳遞動力的主要部件。根據(jù)不同的使用條件和工作要求，帶式輸送機的驅動方式，按單點驅動方式來講，可分單滾筒驅動和雙滾筒驅動。單滾筒傳動多用于功率不大的輸送機上，功率較大的輸送機可以采用雙滾筒傳動，其特點是結構緊湊，還可以增加包角以增加傳動滾筒所能傳遞的牽引力。使用雙滾筒傳動時可以采用多電機分別傳動，也可以利用齒輪傳動裝置使雙滾筒同速運轉。如雙滾筒傳動仍不滿足牽引力需要，可采用多點驅動方式。滾筒結構又分為鋼板焊接滾筒(大型的)和鑄造滾筒(小型的)。 驅動滾筒的作用是通過筒面和帶面之間的摩擦驅動使輸送帶運動，同時改變輸送帶的運動方向。為了傳遞必要的牽引力，輸送帶與滾筒間必須具有足夠的摩擦力。根據(jù)摩擦傳動的理論，在設計或選擇驅動裝置時，可采用增加輸送帶與驅動滾筒問的摩擦和圍包角的方法來保證獲得必要的牽引力。采用單滾筒驅動時；圍包角可達180°～240°；當采用雙滾筒驅動時，圍包角為360°～480°左右。用雙滾筒傳動能大大提高輸送機的牽引力，所以常常被采用，尤其是當運輸長度比較長時，一般采用雙滾筒驅動。 驅動滾筒的表面形式有鋼制光面滾筒和包膠面滾筒等。鋼制光面滾筒的主要缺點是表面摩擦系數(shù)小，所以一般用在周圍環(huán)境濕度小的短距離運輸機上[19-20]。包膠滾筒的主要優(yōu)點是表面摩擦系數(shù)大，適用于環(huán)境濕度大，運距較長的輸送機。而包膠的主要用途就是為了增大驅動滾筒與輸送帶間的摩擦系數(shù)，減小滾筒的磨損。當功率不大，環(huán)境濕度小的情況下，可選用光面滾筒；環(huán)境潮濕，功率又大，容易打滑的情況下，應選用膠面滾筒作為驅動滾筒。包膠滾筒按其表面形狀又可分為光面包膠滾筒、人字形溝槽包膠滾筒和菱形包膠滾筒。 本設計采用人字形溝槽包膠滾筒。這種滾筒是為了增大摩擦系數(shù)，在鋼制光面滾筒表面上，加上一層帶人字形的橡膠層面制成。這種滾筒有滾筒方向性，使人字刻槽的尖端順著輸送方向，不得反向運轉。方向如下圖所示。人字形溝槽膠滾筒，溝槽能使水的薄膜中斷，不積水，同時輸送帶與滾筒接觸時，輸送帶表面能擠壓到溝槽里，由于這種原因，即使在潮濕的場合工作，摩擦系數(shù)降低也很小。而菱形膠表適用于可逆運轉的輸送機[8]。 兩種人字形溝槽包膠滾筒如下圖所示： 圖5-1 左向人字形包膠滾筒和右向人字形包膠滾筒的結構示意圖 5.3 滾筒尺寸的確定 輸送帶的寬度直接影響，原煤的輸送生產率[9]。由帶式輸送機的輸送能力公式： 易知：滿足運輸生產率要求的最小輸送帶寬度 式中 —輸送帶寬度，m； —帶速，m/s； —物料散集密度，t/m3； —輸送量，t/h； —物料的斷面系數(shù)，值與物料的堆積角值有關，可由表5—1查得； —輸送機傾角系數(shù)，即考慮傾斜運輸時運輸能力的減小而設的系數(shù)，其值見表5—2。 表5—1 物料斷面系數(shù)表 動堆積角 10° 20° 25° 30° 35° 槽形 316 385 422 458 466 平形 67 135 172 209 247 表5—2 輸送機傾角系數(shù)表 α 0°~ 7° 8°~ 15° 16°~ 20° 1.0 0.95~0.9 0.9~0.8 表5—3 各種物料散集密度及物料堆積角 貨載名稱 貨載名稱 煤 0.8~1.0 30° 石灰?guī)r 1.6~2.0 25° 煤渣 0.6~0.9 35° 砂 1.6 30° 焦炭 0.5~0.7 35° 黏土 1.8~2.0 35° 黃鐵礦 2.0 25° 碎石 1.8 20° 設計中，帶式輸送機采用的是槽形托輥；由原始數(shù)據(jù)可知，運送的是原煤，輸送機的傾角為10°。故從表5—3查得=30°；從表5—1中查得=458；從表5—2中查得=0.95—0.9，取=0.92。 代入數(shù)據(jù)： =m=1.33m 查表選取帶寬=1.4m=1400mm 在標準設計中，帶寬與滾筒直徑也有一定比例關系，所以用上式計算的滾筒直徑，然后在系列標準中圓整成相近的標準直徑，帶寬B與驅動滾筒標準直徑的關系如下表所示[22]： 表5-4 帶寬與驅動滾筒標準直徑的關系 膠帶寬度mm 650 800 1000 1200 1400 驅動滾筒 標準直徑D(mm) 630 630 800 800 1000 - 800 1000 1000 1250 - - - 1250 1400 滾筒長度應比輸送帶寬度B大些，一般取為=+（100～200） mm 故滾筒長度=（1400+200）mm =1600 mm 由表5—4選取驅動滾筒的標準直徑D=1000mm 本系列傳動滾筒設計時,已考慮了輸送機啟制動時出現(xiàn)的尖峰載荷,因而傳動滾筒只需按穩(wěn)定工況算出的扭矩和合力來選擇即可。 由總體方案的設計部分可知，傳動滾筒的圓周合力為： 而按穩(wěn)定工況計算出的轉矩為： =66.66KW ＝9550× =9550×＝10650.87 故該滾筒選擇滿足要求。 其結構尺寸如下圖所示[10]： 圖5-2 傳動滾筒的結構尺寸安裝圖 由DT(Ⅱ)輸送機設計手冊[22]查得安裝尺寸如表5—5所示： 表5—5 B D/mm 許用應力/KN 軸承型號 主要尺寸/mm A L d K 1400 1000 27 22232 2050 1600 1125 150 250 主要尺寸/mm M N Q P H h B 200 105 520 640 200 60 158 36 M30 圖5-4 傳動滾筒的三維模型 5.4 驅動滾筒軸的設計 5.4.1 驅動滾筒軸的結構設計 計算最小軸徑： 筒的輸入功率和轉速 =66.66kw ＝ 選取驅動滾筒軸的材料為45鋼，調質處理。查表知：考慮彎矩影響的設計系數(shù)為=118，于是軸的最小直徑為： =118=122.7mm， 滾筒軸的結構尺寸如下圖所示： 圖5-5 滾筒軸的結構尺寸 圖5-6滾筒軸的三維模型 5.4.2 滾筒軸的校核 由于只受扭轉力的作用，故只校核軸的強度和剛度。 (1)強度校核 由強度校核條件： ===15.78Mpa ——軸的扭轉剪應力,Mpa； T ——軸所受的扭矩，N.mm； WT ——軸的抗扭截面模量，對于實心軸，WT =0.2d3； P——軸所傳遞的功率，KW； n——軸的轉速，r/m3； d——軸的截面直徑,mm； []——許用扭轉剪應力，Mpa； 由于軸承的材料為45鋼，查機械零件表15-3得，軸的材料的許用扭轉剪切應力為25～45 因為<[]，所以符合要求。 (2) 剛度校核 由剛度條件得： =5.73×=5.73×=0.46(/m) T——軸所受的扭矩,N.mm G——軸的材料剪切彈性模量，對于鋼材，G=8.1104Mpa Ip——軸的截面的極慣性矩,mm4，對于軸Ip = 由于傳動滾筒為一般的傳動軸，因此=0.5～1(/m) 故軸的剛度合格。 5.4.3 滾筒的周向定位 對于零件的周向定位，一般的方法是采用鍵、螺釘?shù)冗M行，這就不同程度的削弱了軸強度，基于此，本設計采用脹套定位，利用錐面原理，通過調整錐面軸向位移，達到徑向膨脹[21-22]。 優(yōu)點及特性： a)制造和安裝簡單。安裝脹套的軸和孔不像過盈配合那樣要求高精度的制造公差，安裝脹套也無需加熱，冷卻或使用加壓設備，只須將螺釘按規(guī)定扭矩值寧緊即可。 b)有良好地互換性，且拆卸方便。拆卸時，先松開壓緊螺釘，再用頂出螺釘頂出卸載，即可拆除聯(lián)接狀態(tài)，將脹套與聯(lián)結零件分離。 c)脹套聯(lián)接可以承受重負載。其結構可作成各種樣式，為適應安裝負載要求，一個脹套不夠用時，還可多個串聯(lián)使用。 d)脹套聯(lián)接是一種精密無間隙、無鍵的聯(lián)接?？煽康南随I傳動所造成的應力集中等弊病。具有定位方便快捷、使用壽命長、不易腐蝕等優(yōu)點。在工作中無相對滑動，不會磨損。 e)脹緊聯(lián)接在軸向安裝時，不需軸向任何固定就可以調整其軸向所需位置尺寸及零件相對位置。 f)脹緊聯(lián)結套可以在-30~200溫度范圍之間工作，并可以根據(jù)工作環(huán)境和介質的不同，選擇多種不同的材料[12]。 以上特點彌補了鍵聯(lián)接的許多不足之處，該產品是取代鍵的最佳選擇，相對于鍵聯(lián)結，可以保證無間隙，使用壽命極長。 6 聯(lián)軸器的設計 6.1 高速聯(lián)軸器 在減速器高速軸與電動機之間，由于轉速較高，且有輕微的沖擊振動；輸送機功率在110KW以內的高速軸一般采用彈性柱梢聯(lián)軸器[23]，這種聯(lián)軸器傳遞轉矩的能力很大，結構簡單，安裝制造方便，耐久性好，彈性柱梢有一定的緩沖和吸振能力，允許被聯(lián)接兩軸有一定的軸向位移以及少量的徑向位移和角位移[13]。 計算選型如下： 選擇時應滿足如下的強度條件 計算轉矩：=（） ——電動機系數(shù)，查機械手冊得=0.25 ——工作機類型系數(shù)，查機械手冊得=1.2 =1.45511.05=766.57 由聯(lián)軸器的計算和軸的設計計算，選聯(lián)軸器 其公稱許用轉矩1250，許用轉速為4700r/min ，故滿足要求。 其結構尺寸如下表所示 表6-1 聯(lián)軸器的結構尺寸 型號 公稱轉矩 (Nm) 許用轉速 (r/min) 軸孔直徑 、 mm 軸孔長度mm D mm Y型 、、Z型 L L LX3 1250 4700 30，32，35，38 82 60 82 240 40，42，45，48 112 84 112 mm Bmm Smm 轉動慣量(kg㎡) 質量kg 160 36 2.5 0.026 8 6.2 低速聯(lián)軸器 在低速級與工作機之間，其轉矩很大，且有一定的沖擊振動，減速器輸出軸與工作機軸間又有一定的軸向和徑向位移，所以此處選擇彈性齒式聯(lián)軸器。 這種聯(lián)軸器由兩個帶有內齒及凸緣的外套筒和兩個帶有外齒的內套筒組成。兩個內套筒分別用鍵與兩軸連接，兩個外套筒用螺栓連成一體，依靠內外齒相嚙合以傳遞轉矩。由于外齒的齒頂制成橢球面，且保證與內齒嚙合后具有適當?shù)捻斚逗蛡认?，故在傳動時，套筒可有軸向和徑向位移以及角位移。但為了減少磨損，應對齒面進行潤滑。這類聯(lián)軸器能傳遞很大的轉矩，長允許有較大的偏移量，安裝精度要求不高；成本較高，在重型機械廣泛應用。 計算選型如下： 選擇時應滿足如下的強度條件 計算轉矩：=（）Nm 電動機系數(shù)，=0.25 工作機類型系數(shù)，=1.25 =1. 511435.39=17153.09Nm 由聯(lián)軸器的計算和軸的設計計算，選 ZL8型聯(lián)軸器。 公稱許用轉矩25000Nm 許用轉速2300r/min，故滿足要求。 其結構尺寸如下表所示： 表6-2 ZL8型聯(lián)軸器的結構尺寸 型號 公稱轉矩 (Nm) 許用轉速 (r/min) 軸孔直徑 、 mm 軸孔長度mm D mm Y型 型 L L ZL8 16000 2500 140 212 167 300 150 252 202 mm Bmm Smm 轉動慣量(kg㎡) 質量kg 190 128 6 0.798 90.626 0.800 82.060 7 制動裝置 7.1 制動裝置的作用 對于傾斜輸送物料的帶式輸送機，平均傾角大于4°時，為了防止因滿載停機發(fā)生上運物料的倒轉或下運物料的順滑現(xiàn)象，從而引起物料的堆積、飛車等事故，所以就應增設逆止或制動裝置。制動器是用于機器或機構減速使其停止的裝置，有時也能用調節(jié)或限制機構的運行速度，它是保證機構或機器安全正常的重要部件。 7.2 制動裝置的種類 帶式輸送機的逆止和制動裝置的種類較多，視輸送機的具體使用條件采用不同形式的逆止或制動器。常用的有帶式逆止器、滾柱逆止器、液壓電磁閘瓦制動器、盤形制動器和液壓推桿制動器等幾種。本設計采用液壓推桿制動器 。 這種制動器對向上、水平或向下運輸?shù)膸捷斔蜋C均可采用。其工作頻率快，制動平衡，且制動力矩可調，壽命長等優(yōu)點。因此多用于大功率、長距離的輸送機上。安裝在緊靠減速器的輸入軸(高速軸)上，作為因斷電停機和緊急剎車之用，適用于對停機時間有要求的場合。 7.3 制動器的選型 制動器的選擇要考慮以下幾點[14]： a)機械運轉運轉狀況，計算軸上的負載轉矩，并要有一定的安全儲備。 b)應充分注意制動器的任務，根據(jù)各自不同的任務來選擇，支持制動器的制動轉矩，必須有足夠儲備，即保證一定的安全系數(shù)，對于安全性有高度要求的機構需要裝設雙重制動器。 c)制動器就能保證良好的散熱功能，防止對人身、機械及環(huán)境造成危害[11]。 8 帶式輸送機驅動裝置特性分析 驅動裝置是帶式輸送機的核心部件，屬于系統(tǒng)的動力部件，其性能對于帶式輸送機的運輸能力、運輸成本、膠帶最大張力的控制以及輸送機運行的穩(wěn)定性和安全性的控制方面，都是至關重要的。性能穩(wěn)定、性價比高、功能完善、技術先進，是現(xiàn)代大型帶式輸送機動力裝置必然的要求。而對于我國這樣的國家，性能穩(wěn)定、性價比高應該優(yōu)先于后兩項指標。 8.1 大功率帶式輸送機對驅動裝置的要求 驅動裝置是影響輸送機動態(tài)特性的主要因素。大功率帶式輸送機在正常運行，尤其是在較不穩(wěn)定的起制動狀況時，動張力與靜張力迭加，引起膠帶在驅動滾筒處的張力重新分布并導致不穩(wěn)定的運行[24-25]。此外，還引起拉緊裝置載荷的顯著增大和重錘式拉緊裝置位移的增加。這是因為膠帶是彈性體，在外界擾動力(驅動力、制動力和運行阻力等)的作用下，沿膠帶縱向產生振動的緣故。這是帶式輸送機動力學現(xiàn)象最主要的部分之一。如何減小其膠帶的張力及其張力變化以減少沖擊，對于完善輸送機的運行性能和提高運輸能力非常重要。而減小膠帶張力及其變化于動力裝置的性能有很大關系。驅動力過大、起動過快都會引起過大的膠帶張力，從而影響到系統(tǒng)的所有元部件。理想的驅動裝置必須具備以下條件。 (1) 起動控制，即對起動加速度和起動時間的精確控制(可控起動)，或至少能滿足空載或輕載起動(軟起動)。 (2) 頻繁起動和多機驅動的功率平衡。 (3) 停車安全。 (4) 安全可靠，維護方便，經濟高效。 8.2 起動控制 驅動裝置必須連續(xù)地對膠帶加速而不受負載的影響，起動時間應足夠長，加速度值應控制在0.1-0.3以內，以防止撤料、滾料(尤其是大傾角帶式輸送機)、膠帶在滾筒上打滑以及拉緊裝置的過度位移。膠帶是粘彈性體而不是剛性體，因此要求起動輸送機不能產生較大的膠帶動張力(這種動張力甚至可能在膠帶中引起共振)，傳統(tǒng)的電機加減速器直接起動的方式早已不能滿足大功率、長距離帶式輸送機的起動要求。 8.3 制動控制 停車時驅動裝置若能保持足夠長的停車時間和平緩的減速曲線，將使停車時產生的張力波保持在安全范圍內。對于長距離、大彈性模量的帶式輸送機來說，停車制動時比加速更具危險性，控制更困難。分析表明，膠帶內部儲存的應力能在停車使所產生的特殊動應力比驅動系統(tǒng)在加速時所產生的動應力要大得多。這就要求對長距離帶式輸送機必須用動態(tài)分析法來徹底的研究，諸如起動斷電、緊急停車等工況所帶來的危害[26]。 正常停車曲線的形狀可能不像起動曲線那樣至關重要，但是最好在驅動輸入端安裝飛輪，從而延長停車時間。在大多數(shù)情況下，驅動裝置的慣性必須始終加在輸送機上，以避免過快地停車。 在緊急停車時，使用與加速曲線類似地可控制地減速方法是必要的。停車時間要延長到滿足安全系數(shù)的要求。 在實際中，只要延長加減速時間，就可以降低膠帶安全系數(shù)，意味著降低膠帶成本和輸送機總價格(因膠帶占輸送機總價35%-45%左右)。所以選擇合適的驅動裝置，就降低高至幾百萬元的設備投資。由此可見，選擇最佳的驅動和制動裝置所帶來的經濟效益是很可觀的。 8.4 過載保護 所有帶式輸送機的零部件都必須防止過載，因為驅動裝置可以將過大力矩傳遞到膠帶上，膠帶上的沖擊載荷也可對減速器和電動機的機械部件產生嚴重的影響[27-28]。起動加載過多的輸送機，對電動機過載能力的要求較高，可以用可調整最大力矩限制裝置如限矩型液力偶合器來排除輸送機偶然起動和運行加載過多的可能性，能消除膠帶上主要的瞬間沖擊動應力及其對減速器和電動機的影響。 8.5 多機驅動時的負載平衡 大功率帶式輸送機通常采用多機驅動的方式，由于電機特性的差異，以及驅動滾筒直徑的微小變化都可能造成各驅動單元的功率不平衡，嚴重的可導致電機過載而燒毀。國外大功率帶式輸送機通常采用串聯(lián)式PID(比例、積分、微分)控制回路，從而控制驅動裝置的速度和輸出力矩，快速準確地進行功率平衡。國內限于技術經濟條件通常采用技術較為成熟的液力偶合器(限矩型或調速型)來控制電機的功率均衡。 8.6 驅動裝置的其他要求 大功率帶式輸送機的驅動裝置還應該具備延長電機絕緣材料的壽命，降低對電機的技術要求以及低速驗帶、故障自我診斷、對電網(wǎng)污染小等性能。另外，驅動裝置也應允許在不停電動機時停車(當停車時間很短并允許的情況下)，這將盡可能地減少沖擊電流。國外研究表明，電動機損壞有37%與高峰值沖擊電流引起的絕緣損壞有關。 為了減少電動系統(tǒng)的應力，各驅動電動機可以分時起動，減少起動電流對電網(wǎng)的沖擊，降低對電源系統(tǒng)的技術要求，避免因過大的電壓將而引起起動力矩降低?？刂戚斔蛶У膭訌埩?，減小拉緊裝置的的行程。能夠滿足頻繁起動控制系統(tǒng)還應使裝置在滿載運行時具有可調性。比如，在多驅動的輸送機上，若負載較小，且其中一個或幾個驅動裝置需暫時脫開的話，必須保證輸送機繼續(xù)運轉。最后也是最重要的要是，安全、可靠、技術經濟指標均衡，即性價比好。 結 論 綜合考慮，該設計的驅動裝置的組合方式為分離式Y-ZLY。該驅動裝置由電動機、聯(lián)軸器、減速器、制動器、滾筒組成。通過結合設計參數(shù)的計算對以上的驅動裝置分別進行選型。電動機采用型號為Y315S-4,所選電動機的額定功率P=110kw，滿載轉速n=1480r/min 。減速器采用型號為，=24.79， 額定功率 =110kw。滾筒采用人字形溝槽包膠滾筒。高速級聯(lián)軸器采用聯(lián)軸器，低速級聯(lián)軸器采用ZL8型聯(lián)軸器。 通過采用以上所選型號的驅動裝置，能達到設計參數(shù)的要求，降低所選用的輸送帶的強度要求，節(jié)約整機成本，是一種合理的選擇。 致 謝 本論文的完成過程中，自始自終得到了江琴老師的精心指導和親切關懷。指導老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、嚴于律己寬以待人的做人風范是我們終身學習的榜樣。另外課題組活躍的學術風氣、學術觀點與為人上的坦誠也深深的感染了我，使我獲得了太多的啟發(fā)，在此特表深深謝意！ 在課題研究的整個過程中，江老師一直給予悉心的指導與幫助。在同他們的合作中取得了很大的進步，同時他們豐富的理論知識及實際工作經驗、對待學術問題的科學態(tài)度令我欽佩。在此表示由衷的感謝！ 同時，我向在寫作過程中與我共同探討問題的同學、朋友表示誠摯的感謝。 謹以此文獻給所有曾經指導、關懷、幫助、和支持過我的老師、各級領導、朋友和同學！ 參 考 文 獻 [1] 宋偉剛，張尊敬，王鷹. 帶式輸送機的研究進展[J]. 起重運輸機械,2004,(2)，1—4 [2] 洪曉華，陳軍. 礦井運輸提升[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社.2005.6 [3] 謝錫純，李曉豁. 礦山機械與設備[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社.2000.5 [4] 蔣瓊珠. 連續(xù)輸送機[M]. 北京：人民出版社，2004. 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