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矿井提升机的设计理论及CAD系统研究

晋民杰  
【摘要】: 矿井提升机是矿井运输中的咽喉设备,是井下与地面联系的重要工具,它的状况如何,直接关系到生产的正常进行和人员安全。国内提升机的设计方法,主要采用传统的静态设计法,其基本结构参数往往偏大,设计周期长,很不利于产品换代和节省材料,由于设计问题,往往出现一些零部件过早失效。因此,传统提升机的设计方法必然面临着挑战,市场竞争要求设计者采用现代设计方法,瞄准国际提升机发展动向,设计出性能优越的新型提升机,以满足矿山行业的需求。然而在目前缠绕式提升机计算机辅助设计方面,提升机厂家及其研究机构还停留在对单个零部件的有限元分析、结构参数优化、以及设备选型设计计算,对卷筒结构以及提升机主轴装置整体进行优化设计研究和CAD系统研究分析方面还比较欠缺,由于缠绕式提升机主轴装置结构复杂、工况多、计算和绘图量比较大,因此在缠绕式提升机整体CAD的研究方面亟待突破和完善。 主轴装置是提升机的重要部件,它起着存放钢丝绳、承担提升负荷以及传递动力的作用;理论和实践表明,卷筒是提升机中比较薄弱的部件;目前对刚性支轮支承下的筒壳强度的计算方法已有了较为详细的研究,而弹性支承下的筒壳及支轮的计算方法还是一个需要进一步研究的领域。 本论文通过对现有各种筒壳应力计算方法的深入分析,指出现有筒壳应力计算公式存在的不足,应用系统工程的理论和观点,通过对提升机主轴装置整体的系统分析和研究,灵活采用弹性基础梁理论、弹性力学的平面应力问题和板壳弯曲理论对缠绕式提升机的关键零部件筒壳、支轮及主轴的应力和变形进行认真细致的理论分析,建立新型弹支卷筒结构的关键零部件筒壳、支轮计算的力学模型,根据筒壳与支轮的变形谐调条件,进行系统的公式推导,形成了一套比较准确的应力计算公式。基于软件工程的思想采用面向对象技术、模块化技术以及数据库技术等现代设计方法,开发了缠绕式提升机的计算机辅助设计系统,在原有标准系列产品的基础上,对提升机进行了适应性设计。在提升机CAD系统的优化模块中,通过多约束的条件,建立了以主轴装置重量最轻和卷筒两支轮上的应力差最小的多目标函数的数学模型,进而采用符合工程问题的现代混合离散变量优化设计方法(MDOD)进行设计,优化主轴装置的结构参数以及确定支轮的最佳位置,使主轴装置的结构更加合理可靠。在比较各类专业机械CAD开发模式优、缺点的基础上,建立钢丝绳、电动机、减速器、联轴器、轴承、高强度螺栓等数据库,并运用参数化绘图原理,以优化结果作为输入,实现了缠绕式提升机主轴装置工程图的自动生成。采用面向对象的Visual Basic语言,以Windows作为应用平台,并选用AutoCAD作为图形支撑系统,以SQL server作为底层数据支撑系统。完成了从方案设计到技术设计一体化的CAD软件的系统集成。软件系统的宿主语言是窗口化设计语言Visual Basic,以SQL Server为数据库管理系统,它具有开发速度快,软件设计过程可视化、充分体现现代软件技术等特点。 本论文通过对新型弹支卷筒结构缠绕式提升机主轴装置及其关键零部件的研究,运用力学和优化理论,建立了计算力学模型和优化数学模型,提出了适合新型提升机卷筒结构的设计理论和优化方法。并借助于面向对象设计方法,实现了从方案设计、标准件的选型计算、工程图纸设计的缠绕式提升机的CAD设计方法的集成与统一,具有较强的适应性。 本论文的完成完善了提升机设计理论,使其设计计算精确、结构合理,产品更加安全可靠。同时本论文使提升机在计算机辅助设计方面有了更进一步发展,大大减少了设计人员的工作量,降低了制造和使用的成本,缩短了新产品的开发周期,提高了设计效率,在提升机行业有很大的应用推广前景。本论文的研究,可广泛地应用于含有筒壳的各类矿山机械、工程机械、建筑机械等的领域中。该成果不仅提高了产品的安全可靠性,而且提高了产品质量,延长了产品的使用寿命,具有明显的经济效益和社会效益。


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