多绳摩擦式提升机的设计开题报告
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- 多绳摩擦式提升机的设计开题报告1题目背景与研究意义
多绳摩擦式提升机是矿山生产的关键设备，被广泛应用于煤炭，金属等矿山开采行业中，承担着沟通井上，井下，运输人员，物资任务，有矿山的“咽喉设备”之称。大中型矿井的矿石运量每年有数十万吨之多，十几吨重的设备需要在多变的采区巷道中整体运到工作面，此外，材料设备的品种规格多、运输点分散、上下班时要求在短时间内把人员送到各指定点等等，这一切都离不开矿山运输和提升。由于矿山运输与提升由多个环节和各种设备配套而成，如果某个环节中断，就会使工作面和其他工作地点的作业陷于停顿，甚至会导致全矿停产。关于多绳摩擦式提升机的研究设计，使其能够更安全，可靠，经济地工作，对煤炭实现高产高效具有重要意义。
运用本专业所学的理论知识和专业知识来分析,是对三年所学知识的复习与巩固。通过毕业设计不仅可以巩固专业知识,还为以后的工作打下坚实的基础。本设计锻炼了我独立思考、分析、解决的能力，把我所学的课本知识与实践结合起来。在毕业设计过程中，了解矿运及提升的设计中的每一个环节，包括从总体设计原则。
2矿山提升机的简单介绍
矿山提升机是矿山大型固定机械之一，应用广泛而且重要。矿山提升机从最初的蒸气机拖动的单绳缠绕式提升机发展到今天的交-交变频直接拖动的多绳摩擦式提升机和双绳缠绕式提升机，经历了180多年的发展历史。
按照提升原理的不同，矿山提升机分为摩擦式提升机和缠绕式提升机。缠绕式提升机又分为单绳缠绕式提升机和双绳缠绕式提升机。根据安装位置的不同，多绳摩擦式提升机分为塔式摩擦式提升机和落地式摩擦式提升机[1]。塔式多绳摩擦式提升机又分为有导向轮的塔式多绳摩擦式提升机和无导向轮的塔式多绳摩擦式提升机两种类型。这两大类多绳摩擦式提升机布置示意图如图 1.1，图中 1.1(a)为无导轮塔式多绳摩擦式提升机布置图，1.1(b)为有导轮塔式多绳摩擦式提升机布置图，图 1.1(c)为落地式多绳摩擦式提升机布置图。
( a) ( b) (c)
图1.1 多绳摩擦式提升机布置示意图
塔式多绳摩擦式提升机的优点是：提升机设备的布置不受矿井地形限制，结构紧凑，占地少；不需要设置天轮；全部载荷垂直向下，井塔稳定性较好；钢丝绳不会裸露在雨雪之中，摩擦系数和使用寿命较高。其缺点是：设备的安装费用比落地式的高，同时提升塔比普通井架更加庞大、复杂，前期工程需要高额的基础设施建设费用；抗震性能不如落地式提升机好。
落地式多绳摩擦式提升机的优点是：提升机安装在地面的机房内，不需要建设提升塔，在井筒上设置井架，安装两组天轮，基础设施建设费用较低，前期投入较少；抗震性能好。其缺点是：需要更长的提升钢丝绳；有部分提升钢丝绳暴露在雨雪之中，提升钢丝绳的摩擦系数和使用寿命较低[2]。
3国内外相关研究情况
3.1 国外发展趋势
目前,多绳提升机的应用已由塔式发展成落地式,由竖井发展到斜井及露天矿的斜坡,由深井发展到浅井。如西德米尔斯露天矿在斜坡上使用了单箕斗4绳提升机,钢丝绳为封闭式,直径32mm。又如奥地利(Wodgyki)煤矿的斜井采用一台双绳提升机,其斜井长1138m,倾角24°,提升6个煤车,总重135.6kN,也可提56人,提升速度8m/s,可服务于几个工作水平。又如法国马赛的一个斜井,也采用了多绳摩擦式提升机。
3.2 大型化、高速度、全自动
到1965年止,全世界所使用的矿井提升机已有70%实现了全自动化。目前,瑞典和西德生产的提升机几乎全部自动化。由于开采深度不断加深,为提高生产效率,有效载重将不断加大(已达500kN),提升速度不断增加(最高已达25m/s)。据联邦德国报道,近20年来,在最大井深增加到1200m的情况下,提升能力平均从5000kN/h,增加到11100kN/h。传动装置的功率相应地从4000kw增加到8000kw。如联邦德国的大型6绳提升设备都带有功率为9200kw的传动装置和有效载重为420kN的箕斗(井深为1117m)。提升人员的罐笼提升设备也在不断增大。如联邦德国的罐笼提升设备在井深600m时的最大有效载重为460kN[3]。目前国外不断扩大多绳提升机的使用范围,已经使用在斜井或露天斜坡提升。最近几年,奥地利和美国联合经营的拉登坦—凯尔特菱镁公司的米尔恩特尔—阿尔帕矿的斜井,提升长度约240米,倾角22.5°,采用单钩提升,即一个斜井箕斗,一个平衡锤的提升系统。斜井直径为3.4米。采用双绳摩擦式提升机。斜井有效载荷为4吨,提人时可为9人,摩擦轮直径为1.5米,提升速度为2米/秒。一些国家的矿井开采深度不断增加,许多大型矿井不断建成,再加上垄断资本家为了满足他们梦寐以求的超额利润,对生产效率的要求也越来越高。矿井深度:加拿大有的矿井深达1280米;南非矿井有的已达深度1615.44米~2286米[4]。
3.3 我国矿井提升机的现状
矿井提升机是煤炭、冶金、化工和建材矿井中的四大关键设备之一,作为竖井提升矿物和升降人员、材料设备之用。矿井提升运输不仅关系着矿山的正常生产,而且关系到矿工的生命安全。目前,洛阳矿山机械厂已生产出JK型2～4m单绳提升机,JKM型1.85×4～4×4塔式多绳提升机,JKMD型2.8×2、2.8×4落地式多绳提升机,研制成功JKM型4×4低速直联提升机,已引进瑞典ASEA公司先进的单绳直径为3双筒和直径为4×4落地式多绳提升机软件技术。上海冶金矿山机械厂已生产出JKD(JKM)0.8×4～4×6、JKMD3.5×4多绳提升机。重庆矿山机械制造GKT2~2.5m单绳提升机,JKM1×4~1.85×4多绳提升机。国内提升机存在的主要问题：
(l) 大型提升机缺乏,无法满足大型矿井的需要
目前,国内单绳提升机己成系列,品种规格齐全,可装备年产量120万吨以下的矿井。多绳系列中,井塔式共有十三种规格。仅制造过八种,其中较小规格和较大的规格未试制;落地式十一种规格,仅制造了3.5×8、2.8×4、2.8×2。当前多绳提升机可装备年产200万吨以下矿井。年产300、400万吨矿井用的大型提升机未研制,缺乏设计制造经验,满足不了国内对大型落地式多绳提升机的迫切需要。
(2) 设计方法陈旧,沿用传统的经验公式,套用现成的图纸,采用类比经验设计法进行产品设计。
(3) 整机的可靠性差及某些主要零部件的寿命低
产品技术水平较低,制造和安装的质量较差。如减速器、液压装置、制动器漏油;弹性基础减速器振动过大;轴承质量差,径向跳动超差,噪音大,卷筒焊缝早期开裂;电控元件性能不稳定。
(4) 提升系统成套性差在提升机配套上存在很大差距
大功率直流可控硅供电不过关,设计只能选用机纽供电,以至换流效率仅有90%,造成体积大、耗电高,维护工作量大;衬垫的厚擦系数低,大型低速直联悬挂式电机主轴装置,高精度深度指示器和行程控制器,可编程序控制器在提升机的应用急待解决,配套钢丝绳强度低,寿命短,钢丝绳增摩油不过关;提升容器的容量小;井筒开关等电气元介和传感元件可靠性差[5]。
3.4 今后矿井提升机发展方向和目标
根据市场调研分析, 我国未来几年煤炭冶金等行业需新增大型矿井提升机400～600台套, 主要用于国家煤炭重点建设矿井的主提升系统; 另一方面现有矿井提升设备的挖潜改造, 特别是矿井延深, 同时20世纪60～80年代生产的提升机, 大部分已超役，需更新。综合估算将需提升机1500-1 600台套, 且大型和特大型约占55 % , 而井筒延深约占2 0 % , 提升机市场广阔[6]。
4本课题研究的主要内容
摩擦式提升机主要有提升容器、提升钢丝绳、电动机、天轮、减速箱、主轴、井架及装卸载设备等组成。在矿井生产过程中，不仅要求提升设备具有较高的安全可靠性，而且要求具有很好的经济性能。提升设备属大型设备，耗电多、投资大、运营费用高，应结合矿井的实际生产条件，确定最经济合理的设计方案。
4.1 本课题研究的方法：
⑴充分了多绳摩擦式提升机，熟悉其发展状况、详细构造和工作原理；
⑵根据多绳摩擦式提升机的主要参数，对其各主要部件进行设计和计算；
⑶完成校核；
4.2 本课题研究方案的选择：
这次摩擦式提升机的设计，我选择塔式摩擦提升机：其主要部分有电动机、高速输出轴装置、减速箱、低速输出装置、主轴（主轴与轮毂整体铸造）、摩擦轮、轴承支座与轴承等。变速箱的变速结构为齿轮传递变速，由两对啮合齿轮来传递和降低转速，从而使主轴转速达到要求，变速箱低速输出轴与主轴的联接采用齿轮联轴器。其中最重要的部分就是主轴与摩擦轮的联接方式，我有两个选择，一个是采用键联接，另一个是螺栓联接。虽然键联接是常用的轴与轮联接方式，但是在摩擦提升机中，由于主轴要承担巨大的载荷，因此主轴本身的结构必须要保证对称，如果用键联接，则会破坏主轴的刚度性能，提升系统的安全性不能得到保证。而螺栓联接一般用于小部分的、强度不高的联接，所以我准备采用高强度螺栓联接，同时主轴与轮毂采用整体铸造和加工，以保证螺栓联接的强度。对于钢丝绳的选择，我选择常用的四绳摩擦式提升机，而对于钢丝绳直径的要求，则取决于于载荷的大小以及载荷的运动速度，这要通过详细的计算和验证来确定钢丝绳的直径与摩擦轮的直径。
4.3 本课题研究的重点及难点，前期已展开工作
本课题的重点是：绘制多绳摩擦式提升机的装配图。
本课题的难点是：减速器作为重要的中间装置，它保证了生产效率和生产进度，如何设计减速器以及确定不同的输出转速至关重要，而且采用怎么样的变速装置，以及变速装置的各项参数计算也要求务必准确。
前期已展开工作：查阅多绳摩擦式提升机的相关资料，了解其组成及装配关系；并为进一步的设计做好充分准备。
5预期目标的可行性分析
1) 整个设计的关键是提升钢丝绳和提升容器的选择和相关参数计算，钢丝绳作为连接和提升的关键，其各项参数必须重视，防滑安全系数的计算，以求满足负载要求，同时保证安全性，最后还要进行检验和校核，特别是寿命计算；
2) 根据负载和钢丝绳的具体要求来决定主导轮和摩擦衬垫的设计与选择，同时间接地确定主导轮的半径和宽度等尺寸；
3）选择合适的电动机类型，满足提升机提升速度的要求，并且认真考虑工业用电的一般参数；
4）确定联轴器的各项基本尺寸，选择合适的输入轴连接装置，保证能最大程度降低刚性冲击，提高使用寿命；
5）计算满足提升要求的主轴转速，并以此设计减速器的结构，并计算和校核齿轮等零件的强度和使用寿命并检验；
6）合理选择或者设计主轴连接装置，以此保证主轴的转速稳定，减小刚性冲击，同时要计算连接装置的扭转强度等参数，同时考虑轴承的选择类型以及选择该类型轴承的作用与优点；
7）设计主轴与主导轮的连接方式，尽可能使主导轮在主轴上的滑移偏差最小化，同时计算轴承的负载情况，并且考虑具体情况，以此选择合适的轴承来保证主轴的转动稳定；
8）绘制提升机的动力设备的装配图，同时绘制主要的零件图；
6完成本课题的工作方案及速度计划
第1周－第3周：查阅资料，完成基础知识的积累和开题报告；
第4周－第5周：制定初步设计方案；
第6周－第8周：主要零部件的结构设计及计算；
第9周－第14周：应用AutoCAD软件绘制总装配图以及主要部件的零件图；
第15周：进行毕业设计总结，编写毕业设计论文，并做好答辩的准备；
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