防爆电缆收放机设计说明书-毕业论文.doc

1 绪论
1.1选题背景及研究意义
我国是煤炭生产和消费大国，煤炭资源约占整个能源结构的60%，占有非常重要的地位。为保障我国国民经济发展的需求，到2050年煤炭占一次能源的比重将达到50%左右。因此，在相当长时间内，煤炭资源将仍是我国能源消费的主体部分。2009年，我国煤炭产量为29.1亿吨，位居世界第一，但仍然呈现煤炭供应相对紧张的趋势，制约了国民经济的发展。这主要是受生产环节制约。矿用机械是否现代化，直接影响煤炭产量、劳动生产率以及煤矿经济效益。
随着煤矿引进了各种新型机械设备。加快了生产速度，提高了生产效率。目前在矿山的一些行走机械中，其动力设备大多采用电动机。在主机工作时，接在电动机上的电缆的收放要靠人工来完成，这不但影响整机的作业效率，并且电缆长期在复杂的地面（如井下水仓，掘进工作面等）上拖曳使之磨损加快，时间稍长极易发生漏电和断电，危及设备和人身安全等事故。为实现电缆收放机械化、自动化，提高设备的作业效率，保障工人的安全，减轻工人的劳动强度，开发理想的尾部电缆收放装置非常必要[1]。
所以，开发矿用防爆电缆卷筒，不但能解决煤矿行走机械的拖缆问题，减低工人的劳动强度，还能提高煤矿的生产率，为煤矿和生产企业带来经济效益。
1.2电缆卷筒的概述
电缆卷筒是各种大中型移动式生产设备的配套装置，它主要用来收、放主机的动力电缆和控制电缆，使电缆随主机同步变速移动，无论主机往返移动或变速移动，电缆卷筒都能保证电缆的收放张力恒定不变。这就是电缆卷筒的特殊工性能[2]。

1．排缆机构 2.双向螺纹轴 3.力矩电机 4.传动链 5.电缆卷筒 6.电缆 7.卷筒轴
图1-1 全电动卷缆系统原理图
1.3本课题在国内外的发展及研究现状
1.3.1电缆卷筒的发展
电缆卷筒按卷绕控制方式可分成4代产品：
1）配重式电缆卷筒
早期的电缆卷筒采用滑轮组，在电缆的一端用重锤式配重块，始终给电缆卷盘提供拉力[3]。当拉出电缆时，带动电缆卷筒旋转，从而带动与电缆卷筒同轴相联的钢丝绳卷筒转动，以提升重锤而储存势能。当卷筒卷取电缆时，重锤下降释放势能，在钢丝绳张力的作用下，带动与钢丝绳卷筒同轴相联的电缆卷筒转动，同步卷取电缆。
它的优点是结构简单，性能稳定可靠，安装维修方便，使用寿命长。
它的缺点是体积庞大，受行程限制，如果需要大行程则必须给其留出足够大的安装空间[4]。

图1-2 重锤式电缆卷筒
2）力矩电机式电缆卷筒
采用力矩电机提供动力的第2代电缆卷筒，省去了配重块的麻烦，简化了机械结构[3]。它利用具有长期堵转和自调速特性的力矩电机为动力，电机的输出转速随外负载的增加而自行降低，自动调整卷筒卷缆线速度与设备行走速度相同；放缆时，在电缆拉力作用下，克服堵转电机力矩同步放出电缆；停车断电时利用力矩电机的盘式制动器锁住电缆，保证电缆不滑落。
它的优点是电机始终通电，电控简单，可降低故障率，卷取电缆范围大，行程长。
它的缺点是放缆时，需要克服电机堵转力矩阻力，小电缆需要谨慎使用[4]。还有力矩电机在速度变化时无法提供恒定的力矩，且堵转运行时发热量大，在环境温度高的条件下，不适合长期运行[3]。

图1-3 力矩马达式电缆卷筒
3）磁滞式电缆卷筒
第3代电缆卷筒是常开电气有限公司开发的磁滞式电缆卷筒，它采用了磁性连轴器和多台电机同时运行的办法，克服了力矩不恒定的缺点。通过磁性块，使电机与卷盘之间的连接转矩近似恒定；同时通过磁性块间隙的调整，可以使电机工作在额定功率范围内，避免电机由于堵转或过载而损坏[3]。
它的优点是结构紧凑、安装维修方便，可根据实际工况要求调节输出力矩且具有良好的自制动功能，不需要安装制动器，电缆卷筒运行可靠。它的控制系统简单，可与设备的正反车控制系统联动，只要设备运行，卷筒电机即工作，相序不变。电缆卷筒工作中，磁滞联轴器能依据主机设备的运行速度自行调节转速，使电缆卷筒收放电缆的线速度与主机设备的运行速度保持同步状态。
它的缺点是在电缆容量大、主机安装高度高的情况下，为了降低转子温升，提高转子使用寿命，需要采用多头小转矩的设计理念，相对价格较高[4]。

图1-4 磁滞式电缆卷筒
4）变频式电缆卷筒
随着机械设备需要行走的距离更远，以致卷盘的内层到外层的卷绕半径相差3倍甚至更大，它的恒定力矩输出对电缆提出了更高的抗拉力要求。因为在满足外层电缆卷取力要求的条件下，由于磁性连轴器的卷绕力矩近似恒定，因此内层电缆要承受的张力会比外层大 3倍以上，对于内嵌光纤的高压电缆或承载张力小的电缆，容易造成损坏。采用变频控制方式的电缆卷筒能保持电缆张力的恒定，这就是最近问世的第4代产品——变频式电缆卷筒[3]。
变频电机为B5安装结构，与减速机输入端直联，减速机输出轴一端与电缆卷盘通过键联接，另一端与集电箱中的电滑环联接，减速机和集电环输电箱固定在基座上方。变频器控制柜独立于电缆卷筒，可按实际情况选择适当的安装位置。变频器在闭环矢量（有速度传感器矢量控制）下，选择开环转矩控制模式，并通过厚度积分计算电缆卷盘的实际卷径，准确控制电机的输出转矩，从而保证电缆在卷盘上卷绕时不会因卷径变化而引起张力变化，即电缆所受的张力恒定。
该电缆卷筒有如下优点：
在收缆和放缆过程中，无论设备运行在轨道的任何位置，作用在上的拉力始终恒定，且可通过变频器参数输入及控制箱面版旋钮操作，任意调整电缆所受拉力，最大限度地保护电缆，极大地延长电缆的使用寿命。卷筒能迅速响应设备运行速度的变化，可与设备同步，其性能精确、灵敏。突破了磁滞式、力矩电机式等传统电缆卷筒设计上的瓶颈，不受电缆规格、卷绕长度、设备速度及安装高度中超常规格的限制，任何复杂工况的电缆卷筒均由1台功率不同的变频电动机驱动。适应性强，可高负载全日制连续工作。卷筒与设备为运行联动保护，有效防止电缆被拉断等意外事故发生。通过变频器对卷筒电机进行精确控制和保护，可使其使用周期延长。变频控制电机式电缆卷筒可根据设定的张力和主机设备（大车）的运行速度自行改变卷筒变频电机的运行频率，在0～n中的任意转速下正常工作（n为异步转速），当主机设备断电后，电缆卷筒的变频电机制动器制动，保证电缆不滑脱。
缺点是价格是同类产品最贵的，但是物有所值，在必要场所推荐使用[4]。

图1-5 变频电缆卷筒
1.3.2 本课题的研究现状
虽然电缆卷筒有了很大的发展。但是基于防爆的煤矿用电缆卷筒在国内还很少。国外矿用车辆的研制、生产，由于其有强大的基础工业做后盾，再加上与其配套的先进的标准、严格的法规，因此在使用上是安全的。但国内在矿用车辆方面的研究，多是仿制外国的产品，由于基础工业落后，仿制性能达不到国外同类产品的水平，安全性不能得到保证。作为车体上储存电缆的部件——隔爆电缆卷筒，其研究水平还有相当大的差距[5]。
在国内，三一重装公司从理论上对基于隔爆电缆卷筒的电刷材料进行了分析计算，并建立了物理模型，从而在理论上初步解决了滑环材料的选取问题，为实际应用指明了方向[5]。三一重装有限公司还成功为其生产和履带行走式液压支架配套设计了隔爆型卷缆装置。并且该装置匹配梭车的车载型号产品已经通过国家煤安检测中心的检测并顺利通过工业性试验使用检测[6]。此外，神东煤炭分公司近年来也为其连续采煤机研制成功了电缆拖拽装置。并且在使用中获得成功[7]。
1.4本课题的研究途径和可行性分析
根据本课题的发展现状和研究水平，该课的的研究可以参考现有电缆卷筒的机本结构，并对其进行改进性设计，以使之适合煤矿井下的工况。本课题的研究可以按以下途径进行：
1）行走部
根据煤矿井下的工作环境和现有的煤矿机械，该卷缆机不能集成到现有的机器上，所以该卷缆机必须要有行走部，以适应其在煤矿井下灵活使用和与各种行走机械配的要求。其行走部可选用履带式，以便在井下复杂的环境下运行平稳。
2） 卷缆部分
考虑到井下机械作业时不可能是直线运行，该卷缆机的卷筒不能采用单排电缆卷盘，而应采用多排卷盘，从而满足电缆可以有一定有摆角。使卷缆工作高效进行。但要注意的是，卷筒上的电缆层数不宜过多，否则电缆会过热而烧毁，并且速度也难以控制。
3） 排缆与导缆部分
由于机器采用多排电缆卷筒，为了避免卷缆过程中电缆发生堆叠，必须给机器设计可靠的排缆装置。现有多用双向丝杠排缆装置，但其成本高，加工困难。对其我们可以采用液压缸来代替，不但降低了加工难度，还可以省去中间的传动装置。对机器导缆装置的要求是转动灵活，对电缆磨损小。此装置可以选用现有的导缆装置。
4） 传动部分
为使结构紧凑，可以选用行星齿轮作为传动装置。动力源和减速器之间可选用液力联轴器，以防止过载。
5） 驱动部分
整机采用液压驱动，以适应行走部和排缆装置的需求。
6） 防爆要求
为使卷筒与电动机间的电缆在卷筒转动过程中不出现相对运动，在卷筒内设计了电刷和滑环，这一装置在一定情况下可能产生火花，当空气中含有一定浓度的瓦斯时，就会燃烧或爆炸，所以卷筒必须有耐爆性和不传爆性。耐爆性是由外壳的材质和机械结构强度来保证的。根据材料力学及实验结果，对于钢板外壳，理论上最小厚度为3~4mm，铸铁为6mm。不传爆性可以通过外壳装配接合面的宽度L、临界间隙dkp和加工表面精度保证（如：表1-1）。[8]

表1-1 隔爆接合面宽度与临界间隙的关系

接合面宽度L/mm
25
15
5
临界间隙dkp/mm
1.15~1.17
1.05
0.8

2 方案设计
2.1总体设计
以ZCY100R型侧卸式装岩机配套使用的电缆收放为例设计。该电缆收放机的卷缆能力以卷取50米型号为MYP-0.66/1.44煤矿用移动屏蔽橡胶软电缆为例。该电缆规格为：3×25+1×16，外径：40.0-44.3mm（按45mm设计），单位长度的质量：2.55kg/m，抗拉强度：σ=10Mpa。
2.1.1总体方案
1）悬挂式电缆收放方案
利用顶板和锚杆，把电缆悬挂起来，如采用单轨。把轨道用一定的方式固定在巷道顶板上，用滑轮将电缆固定在轨道上。由工作机带动完成电缆的拖拽工作。如图2-1所示

图2-1 悬挂式电缆收放方案
2）电缆收放机
电缆卷筒是各种大中型移动式生产设备的配套装置，它主要用来收、放主机的动力电缆和控制电缆，使电缆随主机同步变速移动，无论主机往返移动或变速移动，电缆卷筒都能保证电缆的收放张力恒定不变。这就是电缆卷筒的特殊工性能。如图2-2所示

图2-2 电缆收放机

2.1.2总体方案选择
悬挂式电缆收放方案简单方便成本低，可行性高，且不存大防爆问题。但移动性差。且要随巷道施工面施工，不能满足当前快速生产的需要。采用电缆收放机虽然成本高，技术复杂。但其对所有矿用自移机械的匹配性好，可以为多种机械设计提供电缆收放。能满足当前矿井快速生产的需要。所以本设计采用电缆收放机。
2.1.3 卷缆机总体设计
传动系统框图如：图2-3所示。
电机
液压泵
左液压低速马达
履带
右液压低速马达
履带
卷缆低速

图2-3 卷缆机传动系统框图
该机采用全液压驱动，为两部分。第一部分为行走部分，该部分通过行走液压系统将压力油液送入行走低速马达，驱动履带来实现整机的前进、后退和转向。第二部分为排缆部分，该部分由排缆液压系统将压力油送入排缆液压缸，通过行程开关来控制液压缸的往复运动，来实现排缆工能，其排缆和卷缆的同步由液压系统控制。该机的液压系统图如图2-4所示。

1 双联齿轮泵 2 调速阀组 3 电磁换向阀 4卷缆马达
5 手动换向阀 6行走马达 7制动阀组 8行走控制阀
图2-4 卷缆装置液压系统图
2.2部分设计
2.2.1部分方案设计
1）电缆卷盘设计方案
自由卷绕式
这种类型的卷筒是最基本的，它适合于较短距离到适中距离的电缆卷绕，电缆自由的排列在卷筒上，没有任何导向装置。

图2-5 自由卷绕式卷盘
单排卷盘
这种形式的卷盘，电缆被单排卷绕在卷盘上，该卷盘的卷绕长度可达380m，速度可达到180m/min。

图2-6 单排卷盘
单层卷盘
这种卷盘可用来卷绕长距离的电缆（最大长度可达1000m），通过排缆装置，电缆能有序的在卷盘上面排缆2到3层。

图2-7 单层卷盘
2）排缆机构设计方案
双向丝杠式排缆机构
双向丝杠式排缆器的可调向螺母组件的两端各设有可伸缩密封套，可伸缩密封套分别与双向丝杠两端部的丝杠端支撑相连，双向丝杠完全处于由丝杠端支撑、可伸缩密封套及可调向螺母组件形成的密闭空间内。其结构简单，易于形成，装配方便可靠，从而提高了电缆导向装置的使用寿命。

图2-8 双向丝杠式排缆器

液压式排缆机构
采用液压缸的伸缩，两端加行程开关，实现电缆的往复排缆。此机构构简单，加工容易，可靠度也比较高。也容易控制。
采用托滚压紧式
在卷盘上加一个托滚来限定电缆的高度，使电缆按一定规律排在卷盘上。该装置不用驱动，安装简单。适于只卷绕单层电缆的情况。

1 托滚 2 电缆 3 卷筒
图2-9 托滚压紧式排缆装置

3）行走部设计方案
无行走
类似于矿用绞车，不设行走部，移动时靠其它辅助机械（如绞车）牵引拖动。适合于经常不移动的情况。
采用轮式行走部
轮胎行走装置主要用于承载能力较高的越野路面。对路面的比压相当于履带式要大，且轮胎与地面的摩擦力相对较小，容易出现打滑现象。

图2-10 轮式行走部卷缆车
履带行式行走部
履带式行走机构是大型机械整机的支承件，用来支承整机的重量，承受机构在作业过程中产生作用力，并完成整机行进、后退、转移和作业移动。对于大型机械的底盘一般设计成履带驱动结构，履带沿整机纵向中心对称布置。

图2-11 履带式行走部
4）驱动部设计方案
电驱动
由于电能获得方便，使用电动机的设备体积比其他动力装置小，并且没有汽、油等对环境的污染,控制方便，运行性能好，传动效率高，可节省能源等。所以，80%以上的机械设备，小如用步进电机拖动指针跳动的电子手表、大到上万千瓦的大型轧钢机械等都应用电力拖动。80年代，中国生产的电能中约有三分之一用于电力拖动。单个电力拖动装置的功率可以从几毫瓦到几百兆瓦，转速可从每小时几转到每分钟数万转。
液压驱动
与机械传动、电气传动相比，液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：1）。可自动实现过载保护。一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长。很容易实现直线运动。很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。
2.2.2部分方案选择
基于煤矿下的工况，炮掘巷道宽度为3米，所以要求机械应比较窄。在工作面上存在上山和下山，且工作面碎石较多，所以机械与地面的摩擦力要相对较大。为了防止机械设备侧翻，机械设备的重心一般较低。基于这些情况来确定各部分的设计方案
1）卷盘方案确定
由于卷绕电缆较长，加之矿用电缆较硬，不适合使用自由卷盘。如果使用单排卷盘，假定卷盘空心轴外径为d为100mm，则完全卷绕50米电缆后的最大直径D为（电缆直径d1按45mm计算）：

则D的计算值为1696mm。直径过大。采用单层卷盘，内径为1米，则单层卷曲50米缆卷盘的长度为0.8米，外径1.2米。比较适中。所以选用单层卷盘。
2） 排缆机构方案确定
双向丝杠加工困难，需要专门的机床才能加工，且还需要另加传动装置，且长期裸露容易造成丝杠运行不正常而也现故障。液压缸排缆机构，此机构控制简单，不需要另加传动装置，安装也简单，但由于液压缸的伸缩，其横向尺寸增加了一倍，使机械太宽，在井下占用空间太大。采用托滚压紧式排缆机构，同样有安装方便，不需要传动装置，且不会使机器的宽度增加。但在使用过程中要注意不要让碎石卡住托滚，以免托滚不能灵活转动而增加电缆的磨损。
3）行走机构方案确定
井下工作环境复杂，地面碎石较多，且湿滑，如果采用轮式行走部则可能出现打滑现象，使机器不能高效工作。宜采用履带式行走机构。鉴于井下环境对机器宽度的要求，行走机构应采用窄履带设计。这样即能满足机器与地面摩擦力的要求，又能满足机器宽度的要求。
4）驱动方案确定
工作面粉尘大，能见度低，所以卷缆机有必须要实现遥控，从而能够更好的操纵机器工作。从实现远程遥控方面，液压驱动容易。采用液压驱动，能更好的配合行走机构和卷缆机构。采用液压为动力源有助于使机器小型化，适合工作面空间小的特点。
2.3设计参数
卷筒容缆量： 50m
最大行走速度： 2km/h
最大卷缆速度： 1m/s
爬坡能力： 16
卷绕电缆型号： MYP-0.66/1.44
电缆参数：
外径： 40.0-44.3mm（按45mm设计）
单位长度的质量： 2.55kg/m
抗拉强度： σ=10Mpa。

3 设计计算
3.1电缆卷筒设计计算
3.1.1卷筒设计计算
卷筒的类型较多，按制造方式不同可分为铸造卷筒和焊接卷筒。铸造卷筒应用广泛。电缆卷筒大多为铸铁卷筒，成本低，工艺性好。拉力大的一般采用铸钢卷筒，铸钢卷筒虽然承载能力较大，但成本高。考虑经济效益，本设计采用铸铁结构。并选取材料为HT200.
1） 卷筒容绳尺寸参数
卷筒容绳尺寸参数意义及表示方法应符合国家标准规定，参见图 3-1：

图 3-1 卷筒尺寸
卷筒节径

——与机构工作级别和电缆结构有关的系数选取，见表3-1；
——电缆直径。
表3-1 卷筒系数表
工作级别

卷筒系数值
12
14
16
19
20

卷筒名义直径对筒壁和端侧板的设计具有重要意义。值小，结构自然紧凑，但单位长度上的力较大，电缆寿命低。规定的值可认为是对应一定工作级别的最小值。如果结构需要完全可以增大该值。
取工作级别为，即。

因为设计需要在这里取
2）卷筒的直径

3）卷筒容绳宽度
卷筒容绳宽度，一般可按下述关系确定：

即：

在筒壁厚的设计计算中，通常卷筒长度都设计成小于其直径的3倍，甚至小于其直径的2倍。因此此时的电缆拉力产生的扭剪应力和弯曲应力的合成应力较小，故计算卷筒强度时可忽略不计，简化了设计计算。取

4）卷筒边缘直径
卷筒边缘直径即卷筒端侧板直径，对于多层缠绕，位防止电缆脱落，端侧板直径应大于电缆最外层绳圈直径。端侧板直径用下式计算：

——最外层电缆缆芯直径；
——电缆缠绕层数。
设电缆缠绕层数为2层，即则：

卷筒缠绕层数计算公式：

——为保证电缆不越出端侧板外缘的安全高度（mm）。
该值在单层缠绕中应不小于1.5倍的电缆直径，在多层缠绕中应不小于2倍的电缆直径。取：

求得：

综上考虑，取

5）卷筒容缆量
卷筒的容缆量是指电缆在卷筒上顺序紧密排列时，达到规定的缠绕层数所能容纳的电缆工作长度的最大值。
卷筒的容缆量可按下述方法计算：
第层电缆缆芯直径为：

第层卷筒的电缆长度为：

卷筒容缆量为：

实际容缆量：

3.1.2卷筒的受力分析
卷筒是电缆收放机的直接承载零件，受力比较复杂，分析清楚卷筒上所受的力，对电缆收放机整机设计具有十分重要的意义。
1）电缆拉力与卷筒支承处反力
工作中，电缆拉力使卷筒像空心轴一样被弯曲，支反力为

其弯矩随电缆缠绕位置不同而变化，具有瞬变效应，另外卷筒自重也会使卷筒产生弯曲。当时，由于弯矩较小，在强度计算时通常忽略不计。卷筒受力如图3-2

图3-2 卷筒受力图
2）电缆拉力产生在筒壁上的转矩
在电缆拉力的作用下，卷筒就好像空心轴一样被扭转，其转矩可用下式计算：

该转矩产生的筒壁应力较小，一般情况可忽略不计。
3）卷筒筒壁的径向压力
由电缆缠绕产生的对筒壁外缘表面圆周方向的径向压力，除对筒壁产生圆周方向的挤压外，还将引起筒壁局部弯曲应力，该力是影响筒壁强度的重要因素。
4）电缆对端侧板产生的轴向推力
该力是由于电缆缠绕至端侧板根部并向新的一层过渡过程中电缆与侧板之间的楔入作用产生的，此力是计算端侧板强度的主要外力。
3.1.3卷筒强度计算
卷筒强度计算主要包括两个方面：一是筒壁的强度计算；二是端侧板的强度计算。
1）卷筒筒壁的厚度计算
卷筒筒壁的强度按下式计算：

表3-2 电缆卷绕系数
卷筒层数n
1
2
3
4
5
系数A
1
1.75
2.0
2.25
2.5

——与卷绕层数有关的系数，见表3-2；
——应力减小系数，一般取；
——电缆最大静拉力（N）；
——电缆卷绕截距（mm），一般取；
——卷筒壁厚（mm）；
——许用压应力（Mpa）。
查《机械设计手册》取

根据卷筒壁内表面最大压应力确定卷筒厚度为：

根据卷筒材料直径确定卷筒壁厚度为：

综上所述

2）卷筒壁内表面最大压应力
通常，卷筒内表面合成应力比外表面大，强度验算时可以只计算内表面应力。当时，忽略电缆拉力产生的弯曲和抿转，公考虑电缆缠绕时的环向压缩应力和局部弯曲应力对卷筒筒壁强度的影响。按下式计算：

卷筒壁强度条件应满足下述经验公式：

——材料的许用应力（Mpa）。
材料许用应力按下式计算：

——材料的强度极限；
——按工作级别选定的系数；
——安全系数。
查《机械设计手册》：

故设计满足要求。
3）卷筒端侧板厚度计算
端侧板的强度：

所以

式中 ——综合影响系数；
——卷筒端侧板厚度；
——端侧板材料的许用应力。
查《机械设计手册》

取

3.1.4卷筒筒壁的稳定性估算
如果卷筒较长，筒壁太薄，在过载或急剧制动情况下，可能会出现失稳现象。稳定性计算，可采用计算稳定性系数K的方法。

——稳定性系数；
——失去稳定时临界压力（Mpa）。对铸铁卷筒
——卷筒壁单位压力（Mpa），
——卷筒壁厚（mm）；
——卷筒直径（mm）；
——电缆最大静拉力（N）；
——电缆节距（mm），；
——电缆直径（mm）。

由以上计算可知，设计满足要求，筒壁稳定。

3.2卷筒轴的设计计算
由于卷筒轴的可靠性对卷缆机的安全，可靠工作非常重要，因此应十分重视卷筒轴的结构设计和强度、刚度计算。卷筒轴的结构应力求简单、合理，应力集中应尽可能小。卷筒轴不仅要计算疲劳强度，而且还要计算静强度；此外，对较长的轴还需校核轴的刚度。
已知：电缆的最大拉力，卷筒直径，电缆直径。
轴材料选，调质处理。，，，
3.2.1作用在卷筒上的力
圆周力

3.2.2初步计算轴的直径
对只受扭矩或主要随扭矩的传动轴，应按扭转强度条件来计算轴的直径。若有弯矩作用，可用降低许用应力的方法来考虑其影响。
扭转强度条件为

——轴所传递的功率，；
——轴的转速，；
——取决于轴材料的许用扭转切应力的系数，查《机械设计手册》。
轴的最小直径

取

3.2.3轴的结构
卷筒轴结构如图3-3所示。左端通过矩形共花键与卷缆马达连接。能过平键把动力传递到卷筒。卷筒轴右端一部分为空心轴，用与把电缆引入防爆接线箱。装配完成后，要有防爆泥子把电缆入口封住。轴右端要伸入防爆接线内部，其加工精度要在防爆要求的尺寸范围内。

图3-3 卷筒轴

3.2.4绘制轴的弯矩图和扭矩图
卷筒轴的受力简图如图3-4所示

图3-4 卷筒轴受力简图
1）求轴承反力

2）两力作用点处弯矩

合成弯矩

图3-5 轴的弯矩图
3）轴的扭矩

图3-6 轴的扭矩图
3.2.5按弯扭合成强度校核轴的强度
当量弯矩

取折合系数

则当量弯矩为：

轴的计算应力为

所以该轴满足强度要求。
3.2.6精确校核轴的疲劳强度
1）计算危险截面工作应力
截面弯矩

截面扭矩

抗弯截面系数

抗扭截面系数

截面上的弯曲应力

截面上的扭剪应力

弯曲应力幅

弯曲平均应力

扭切应力幅和平均应力

2）确定轴材料的机械性能
查《机械设计手册》
弯曲疲劳极限

剪切疲劳极限

合金钢材料特性系数

3）确定综合影响系数、
键槽处有效应力集中系数、，查《机械设计手册》得

尺寸系数、根据查《机械设计手册》得

表面状况系数，根据，表面加工方法，查《机械设计手册》

键槽处综合影响系数、为

4）计算安全系数
安全系数

疲劳强度安全。
3.3链传动设计计算
3.3.1选择链轮齿数
小链轮齿数，估取链速为0.6～0.8m/s 查表

大链轮齿数

3.3.2确定链节数
初取中心距

则链节数为：

取

3.3.3确定链节距
载荷系数 查《机械设计手册》

小链轮齿数系数 查《机械设计手册》

多排链系数

链长系数

则

根据小链轮转速和查《机械设计手册》确定链条的型号为：

3.3.4确定中心距

3.3.5验算链速

符合估计。
3.3.6计算压轴力
工作拉力

压轴力系数

压轴力

3.3.7链轮外型设计
1）小链轮
分度圆

齿顶圆直径

齿根圆直径

如图3-7所示

图3-7 小链轮
1）大链轮
分度圆

齿顶圆直径

齿根圆直径

如图3-8所示

图3-8 大链轮
3.4排缆器的设计计算
3.4.1工作原理
大容量，多层卷绕的电缆卷筒，为确保电缆排列整齐，工作可靠，应设置排缆装置，即排缆器。通过对比，本次设计中采用双向哈螺杆排缆机构。双向螺杆排缆机构与其它类型排缆机构相比，具有承载能力高、可靠性好、传动平稳、结构简单等优点。
双向螺杆转动时，梭形块在螺旋槽内滑动。在螺杆顶端螺旋槽交接处用弧形连接，以便滑块通过，实现反向。排缆器主要有传动机构、双向传动丝杠、支承光杠、排缆导辊等组成。
3.4.2双向滑动螺杆结构设计
双向丝杠总行程：

——卷筒容绳宽度（mm）；
——电缆直径（mm）。
双可写成

——丝杠螺纹螺距（mm）；
——丝杠螺纹扣数。

图3-6 丝杠结构图
3.4.3强度计算
螺母所用的材料一般比螺杆的材料软，所以磨损主要发生在螺母的螺纹表面。影响螺纹磨损的因素很多，目前尚缺乏完善的计算方法，故通常用限制螺纹表面的压强不超过材料的许用压强来进行计算，即。螺杆直径按下式计算：

——为螺纹中径（mm）；
——为许用压强（），查表3-3
——为螺母高度系数，对整体螺母，剖分螺母或受载较大的取，传动精度较高、载荷较大，要求寿命较长时取。
根据公式算得螺纹在径后，应按标准选取相应的公称直径及螺距。由于圈数愈多各圈受力愈不均匀，所以螺纹圈数一般不宜超过10圈
表3-3 螺母材料与滑动速度
螺纹副材料
滑动速度（m/min）
许用压强
（N/mm2）
螺纹材料
滑动速度（m/min）
许用压强
（N/mm2）
铜对青铜
低速
＜3.0
6~12
＞15
18~25
11~18
7~10
1~2
钢对铸铁
＜2.4
6~12
13~18
4~7
钢对钢
低速
7.5~13
钢对耐磨铸铁
6~12
6~8
淬火钢对青铜
6~12
10~13

1）按耐磨性设计
采取剖分式螺母，取

取

螺母高度

螺纹旋合圈数

螺纹的工作高度，对矩形、梯形螺纹，锯齿螺纹，为螺距。所以
2）牙型、材料和许用应力
采用梯形螺纹，单线
螺杆采用45号钢，螺母采用
滑动速度，许用压强

取

45钢屈服点

取

取

螺母的许用应力：

取

取

3）验算耐磨性
单线螺纹导程和螺距相等，即

导程角

牙面滑动速度

小于许用比压下的牙面滑动速度，符合要求。
4）验算自锁条件
摩擦因数

梯形螺纹牙型角

满足自锁要求。
5）螺杆强度计算
螺纹摩擦转矩

满足强度要求。
6）螺纹牙的强度计算
钢制螺杆螺牙强度高于青铜质螺母，只计算螺母螺牙强度。

螺纹牙根剪切强度满足要求

螺纹牙根弯曲强度满足要求
7）螺杆的受压稳定性计算
螺杆两端滚动轴承支承，可视为两端绞支，长度系数

惯性半径

螺杆最大工作长度

参数

螺杆危险截面的轴惯性矩

临界载荷

螺杆满足受压稳定性要求。
3.4.4润滑
润滑状态对粘着磨损影响比较大，对于低速运动机构 如本次设计机构，应采用粘度较大的润滑油。考虑到使用工况，通常选用钙基润滑。如果加入油性和极压添加剂，能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，可成倍地提高抗粘看磨损能力。

3.5电滑环
滑环型号SNHS022-03500

图3-7 电滑环

技术指标：
额定电压 380VAC/DC或更高 240VAC/DCh
导线规格 UL 镀锡铁氟龙 镀银铁氟龙
绝缘电阻 ≥1000MΩ，500VDC；≥500MΩ， 500VDC
额定电流 每路500A
耐压强度 两路之间≥1000V，50Hz
电气噪音 最大100mΩ，6VDC,电流50mA，转速5rpm/min
机械性能
通路数 3
工作转度 100RPM
工作温度 -40℃~ +80℃
工作湿度 65%RH 或更高
触点材料 金---银
导线长度 标准 200mm
壳体材料 铝合金
力矩 ≤10g•m (参考值)
防护等级 IP51 或更高

3.6行走机构设计
3.6.1卷缆机行走机构及其设计要求
机器作业时，履带行走机构支承机器的自重和牵引机器，履带机构的设计对整机正常运行、通过性能和工作稳定性具有生要作用。
履带机构设计要求：具有良好的爬坡性能和灵活的转向性能；两条履带分别驱动，其动力可选用液压马达或电动机；履带应有较小的接近角和离去角，以减小运行阻力；要注意合理设计机器重心位置，使履带不出现零压现象；履带应有可靠的制动装置，以保证机器 在设计的最大坡度上工作不会下滑。
3.6.2卷缆机履带机构型式
履带机构包括履带机构和右履带机构，左右履带机构以卷缆机纵向中心线左右对称，单边履带机构（左履带机构或右履带机构）包括履带架、驱去装置、履带板、支重轮、导向轮、张紧装置等。见图3-8：

1.履带板 2.导向轮 3.张紧机构
4托链轮 5.履带架 6.支重轮 7.驱动轮
图3-8 履带行走机构
3.6.3行走机构设计计算
1）行走机构采用液压马达驱动时，液压马达回路额定压力符合下表3-4规定

表3-4
Mpa
10.0
12.5
16.0
21.0
25.0
31.5

2） 行走机构履带板宽度应符合表3-5规定

表3-5
mm
250
300
400
450
500
520
560
600
650

3）牵引力确定
行走机构驱动装置所需的功率，应能满足机器在最大设计坡度上作业、前进、后退、转弯等工况的要求。一般取牵引力取

取

牵引功率N

式中的取值，有支重轮时为，无支重轮时为

4）履带中心距计算
选用宽度为250mm的履带板，履带中心距与履带板的宽度之间的关系一般为

所以履带中心距为

取

5）履带板长度计算
履带板长度与履带中心距的关系一般为

所以

取

平均接地比压

——机器的自重；
——履带板宽度；
——履带板长度。
6）履带板节距确定
履带板的节距，通常随机重的增加而线性增大，通常为：

取

所以履带的型号为

6）履带强度计算
履带的计算工况
考虑到整机在斜坡上工作时，一侧履带所能传递的最大驱动力。假定发动机的力矩足够，则此时一侧履带所能传递的最大驱动力，取决于土壤的附着条件，即：

——附着系数，取；
——考虑在斜坡上工作时，整机重量在一侧履带上分配系数，取。
所以

强度验算
履带销弯曲计算 假定履带拉均布在销子上，并将销子的每段认为是一个具有两支点的简支梁，面分段计算，履带销单位长度上的平均压力，其中为一块履带板一端各销孔宽度之和。取，则

履带销弯曲应力为：

销的许用弯曲应力

所以强度合格
履带板应验算其拉伸应力，危险断面是销孔的最窄处：

许用拉伸应力

所以抗拉强度合格
7）驱动轮
驱动轮用以将动力传给履带。驱动轮和履带的啮合质量，影响动力的传递和行驶均匀性。驱动轮和履带啮合过程中的摩擦损失超过齿轮啮合传动时的几倍，这是由于啮合表面粗糙，工作条件恶劣和啮合过程中产生冲击而造成的。
① 主要参数确定
驱动轮轮齿节距，按前述相应的履带板节距选择。
驱动轮齿数
卷绕在驱动上的履带板数目增加，使履带运动速度均匀性好，铰链摩擦损失减少，但使驱动轮直径增大，引起底盘高度及重量增加。一般在之间，可为整数，也可为的倍数。为增加驱动轮使用寿命，一般，当驱动轮齿数为偶数时，驱动轮上有一半齿不参加啮合，待齿面磨损严重后，拆下重装时，使未参加啮合的齿开始工作，以增加使用寿命。当驱动轮齿数为奇数时，则驱动轮上各齿轮流与节销啮合同样增加使用寿命。
驱动轮节圆半径

一般之间

取

② 驱动轮齿形设计
按齿面形状，驱动轮齿形可为凸形，直线形和凹形齿形三种，见图3-9。目前履带工程机械多采用后两种。

图3-9 驱动轮齿形
对驱动轮齿形的要求为：
使履带节销顺得地进入和退出啮合，减少接触面的冲击力。
齿面接触应力应小，以减少磨损。
当履带节距因磨损而增大时，履带节销与驱动轮齿仍能保持工作，不致脱链。
齿谷半径

——节销直径

根圆直径

顶圆直径

取

8）支重轮和托轮
① 支重轮
支重轮用来将整机重量传到履带上，使整机沿履带轨道滚动，并夹持履带，不使其横向滑脱，在转向时，迫使履带在地面上滑移。
支重轮在泥水中工作，而且随强烈冲击，工作条件恶劣，因此要求其轮缘耐磨，密封可靠。
目前国内、外履带工程机械支重轮主要有两种结构形式，直轴式和凸肩式两种，如下图。直轴式结构简单，零件少，工艺性好，但承受轴向力稍差，适用于挖掘机类工况，凸肩式能承受较大的轴向力和冲击载荷，但结构较前者复杂，适用于推土机类工况。

图3-10 直轴式支重轮

图3-11 凸肩式支重轮
②托