毕业设计-外墙清洗机之升降机的设计说明书 - 图文

高层建筑外墙清洗机---升降机部分的设计

摘 要:高层建筑外墙清洗机是一种投资小，成本低，安全可靠，工作效率高的机器。该机器分为

两部分，一部分是在大楼顶上的清洗机升降机，清洗机升降机通过钢丝绳，吊钩带动另一部分，即清洗机附在高层建筑外墙壁上进行清洗工作。高层建筑外墙清洗机工作时，升降机的双速电机启动，通过钢绳带动机架迅速上升，上升到预定位置，双速电机停止并制动，调整好清洗机的位置后，解除制动，双速电机反向启动，机架则缓慢向下移动，与此同时，机架顶部的喷淋水嘴喷水，各导轨上的刷具在各电机的带动下沿各自的导轨往复移动的同时作旋转运动，洗清外墙上的污渍，使外墙干净洁白美观。

关键词: 高层建筑外墙清洗机； 清洗机升降机； 清洗机

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The external walls of high-rise building washing machine ---part

of the design lifts

Abstract: The external walls of high-rise building cleaning machine is a small investment, low cost, safe, reliable, efficient machines. The machine is divided into two parts, is part of the building on top of the washing machine lifts, washing machines through the lift rope, hook driven another part, that is, washing machine attached to the external walls of high-rise building cleaning work. The external walls of high-rise building cleaning machines work, lift the two-speed motor launch, led by wire rope rack rising rapidly, up to the scheduled location, two-speed motor and braking to stop, adjust the location of washing machines, lifting brake, Reverse two-speed motor launch, the rack is slowly moving down at the same time, Shuizui rack at the top of the water spray, brush with the rails in the motor driven along the rails of their respective reciprocating At the same time moving to rotate, cleared on the external walls of the stains, clean the external walls of white beauty.

Key words: the external walls of high-rise building cleaning machine; washing machine lifts; washing machine.

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第一章 序言

§1.1 清洗建筑表面的意义

随着人类社会的不断发展进步，城市规模不断扩大，城市建筑更加规范，完美。千姿百态的各式建筑，尤其是高层建筑外墙都用各种建筑材料进行装饰，如粘帖各色墙砖，瓷砖，马赛克，或涂上涂料，但是，自然界的风吹雨打，日光辐射，尘埃污染，以及一些人为或偶然事故等原因，一段时间过后，建筑表面都将不同程度地变得污浊灰暗，破旧不堪，在环境差的地区，污染或损坏还相当严重。建筑表面就像人身上的外衣，要保持清洁，就需要经常清洗，整理。为此，世界发达国家和地区，对保持建筑表面的清洁非常重视，并以法律的形式明确规定，每年必须定期清洗，否则将受到处罚。近年来，我国各级政府部门的环境保护意识已发生了很大改变，国内一些大，中城市，特别是旅游，开放城市，旅游景点，为保持建筑表面清洁，也制定出台了相应的法规，全国范围的卫生评比活动，把保持建筑表面清洁列为考核的重要指标之一，其中高层建筑的外墙，醒目，突出，自然也就成为检查的重中之重。

有信息表明，十·五期间国家用于环境保护的投资将由九·五期间国民生产总值的1.5%翻倍增加至4%，同时还伴随以产业政策的优惠。所以，随着我国改革开放的不断深入，政府，公民的环保意识的不断加强，建筑表面清洁问题必将引起各方面的高度重视，建筑清洗行业必然具有广泛的发展前景，将产生巨大的经济效益和社会效益.

建筑表面清洗主要包括外墙清洗和中央空调风管的清洗，目前外墙清洗是采用传统的―蜘蛛人‖清洗，这是以牺牲生命为代价的非人工作，部分城市颁布了建筑表面清洗条例； 由于非典事件，公共卫生得到了高度的重视，特别是中央空调风管的清洗，最近有关中央空调的清洗条例很快出台；因此对于建筑表面清洗提供一个完备的解决方案，必然打破一个传统的产业格局，改变了人们的工作方式，用机器人清洗代替传统的人工清洗或无法清洗，是必然的发展趋势。

§1.2 高层建筑外墙清洗方法介绍

保持城市建筑，尤其是高层建筑外墙清洁，必然要求开发新型的清洗机械，尤其是能取代人对高层建筑外墙进行自动清洗的机械，以适应新兴行业的需要。

高层建筑物外墙的清洗是一项十分复杂的系统工程，为了清洗时有针对性和保护建筑物，首先要分析污垢的成份和结构及污染程度： 1 ）高层建筑物外墙的污垢组成及建筑物的理化性质

外墙的污垢一般分为三级，一级比一级严重，一级是灰尘；二级是污渍；三级是污

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垢。通常所说的污垢是三者的总称。

2）污渍

污渍由多种成分的灰尘和水的混和物，酸雨痕迹，菌类以及泥浆、染料等渍迹组成。在软、硬表面上都粘染。建筑物是最大污渍粘染表面，故污渍一旦粘染不及时清除，就会常期顽固的留存，使建筑物表面受到严重的污染。

3）污垢

污垢有油基、水基之分。随着人们生活水平的提高，工业迅速发展，污垢的种类越来越多，成分越来越复杂。污垢的质量远远高于灰尘和污渍。污垢不及时清洗干净就会在建筑物表面留下永存印迹而且失去光采。除以上三种污垢外，对于金属建材而言还有另外一种污垢形式，就是变色。这是金属与水、空气中的某些物质发生化学反应造成的如铁锈、铜绿、金、银、铝的表面氧化变暗等。总之，建筑物所存在的位置、环境不同，污垢的成分和污染程度亦有所不同，有的光滑(如釉面砖)、有的粗糙(如水涮石)、有的易被酸碱腐蚀(如铝合金门窗)、有的易被溶剂溶解(如丙酮可溶解化工涂料)。由于外墙的介质有所不同，所以在清洗外墙前要分析外墙的成分和理化性质及污染程度。

对此社会大多出现了人工、物理和化学的方法，分作简要介绍如下： 1）人工清洗

当代大厦多为高层建筑，外墙面多用各种材质的面砖装饰。为保持大厦外表的

清洁、美观，应定期对外墙进行清洗。高层大厦玻璃幕墙和玻璃窗的外面，容易附着灰尘，需要经常擦拭，以保持大厦美洁和室内明亮。清洗大厦外墙和玻璃的外面，需要经常擦拭，以保持大厦美洁和室内明亮。清洗大厦外墙和玻璃的外面，需要在室外和高空中作业。高空玻璃擦拭法的工作大体如下：

（1） 首先查看作业现场，确定作业方案。重点查看屋顶状况，确认能否安装吊篮、吊板；吊篮、吊板在屋顶移动有无障碍；霓虹灯、广告字牌等是否防碍作业等。（2）安装运载工具——吊篮或吊板。如大厦已安装擦窗机，则按规范进行操作前的检测。（3） 准备擦拭工具，包括水桶、清洁剂、毛滚、胶刮、毛巾以及备用辅助工具铲刀、刮刀、溶剂等。（4） 作业人员携带工具上吊篮或吊板。有些工具应用松紧绳栓在吊篮或吊板上，以防一旦失手从高空落下伤人。在地面上设拦护绳和安全告示牌。（5） 作业方式为从上到下。每擦拭完一溜，整理工具、加清洁剂、横向移动吊篮或吊板，再继续第二溜作业。（6） 擦拭玻璃方法：检查玻璃上有无粘着物等污迹，如有，先用刮刀等相应辅助工具和溶剂除去。将毛滚浸入桶中，待清洁剂充分吸入后，用手轻轻捋一下（以不入下滴水为宜），均匀涂抹在玻璃上。涂抹时，一般为由上往下滚，横向移动，每趟滚迹要交叉相压，以防漏涂。用胶刮将涂抹在玻璃上的清洁剂刮净，操作时应稍用力，将胶刮均匀按压在玻璃上，由上至下慢慢刮动，一次刮净一溜，用湿毛巾擦净胶刮后，再横向移动刮另一溜。玻璃刮净后，用毛巾将窗擦净。确认一次应作业范围的玻璃已擦拭

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完毕，滑动吊篮或吊板，继续往下作业。（7） 全部作业完成后，收拾整理工具，撤去地面拦护绳和告示牌。并用步话机保持联系。弄清屋顶状况。确定水源、电源。

由上可知此清洗方法为危险作业，劳动强度极大，而且所需大量劳动人员，效率低。

2）物理清洗法

主要是通过外力使污垢脱离建筑物的外墙，具体方法是用超声波或水冲洗(或水喷淋)，使污垢疏软、剥离、融化，最后再用水冲洗干净。该清洗方法对环境污染大，成本高，浪费大量能源和资源。

3）化学清洗法

化学清洗法是利用化学试剂对污垢进行溶解、分离、降解等化学反应，使外墙去污。此清洗方法对环境污染程度高，对人的身体健康损伤大。

针对以上三个清洗方法的缺点与不足，我们设计了一种投资小，成本低，安全可靠，工作效率高的全自动高层建筑外墙清机来解决以往的清洗常用用高空吊篮、吊板、升降台等运载工具，作业难度大，危险性大。操作人员须经严格体检，严格培训，严格遵守操作规范和安全规范，作业时，屋顶和地面都要有人监护，而且难免工作人失手，从高空落下伤人。避免人员劳动强度大，作业安全保证性低，成本和代价花费大。杜绝物理化学方法，污染严重，浪费资源。

发达国家，对建筑表面保持清洁重视较早，对高层建筑外墙的清洗，已淘汰了用提升设备载人进行的方法，开发出许多代替清洗工人擦洗的机器人。中央电视台曾在新闻联播中报道了日本在这一领域的最新成果，是利用遥控热气球悬吊擦洗机械来清洗高层建筑的外墙。

用机械代替人工清洗高侧建筑外墙面，一方面不用工人高空作业，安全可靠：另一方面是原清洁工人简单却繁重的擦洗动作，改由机器完成，可大大提高清洗效率，降低清洗成本。先进的清洗技术，又进一步促进了城市清洗行业的发展，为保证城市优美的环境提供了技术保障。由此可见，开发代替人高空作业的清洗机械，是我国清洗技术领域的发展方向。

§1.3 高层外墙清洗机简介

我们设计了一种投资小，成本低，安全可靠，工作效率高的全自动高层建筑外墙清机。该机器分两部分，一部分是在大楼顶上的清洗机升降机，清洗机升降机通过钢丝绳，吊钩带动另一部分，即清洗机附在高层建筑外墙壁上进行清洗工作。全自动高层建筑外墙清机工作时，升降机的双速电机启动，通过钢绳带动机架迅速上升，上升到预定位置，

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双速电机停止并制动，调整好清洗机的位置后，解除制动，双速电机反向启动，机架则缓慢向下移动，与此同时，机架顶部的喷淋水嘴喷水，各导轨上的刷具在各电机的带动下沿各自的导轨往复移动的同时作旋转运动，洗清墙外上的污渍，使外墙干净洁白美观。

本设计产品改变了多年以来人工吊拉清洗或一根绳一块板吊人清洗的高危作业现象，实现了机电一体化。结构简单，操作方便，投资小，成本低，安全可靠，工作效率高。一小时大约可清洗墙面600～800m2。

由于能力有限，设计中的错误在所难免，请大家给予批评和指证，谢谢！

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第二章 整机的工作原理和主要参数

§2.1 工作原理

清洗机包括机架，装在机架顶部的喷淋水嘴，横置于机架上的三根导轨，分别通过传动机构受减速电机带动的能沿导轨往复移动的刷具。每根导轨上有通过位于导轨顶部的与导轨配合的导向轮沿导轨移动的支座，沿导轨底部有齿条，传动机构中与减速电机输出轴上的主动链轮，位于导轨底部与导轨上的齿条啮合的齿轮轴，装在齿轮轴伸出支座的一端的从动链轮通过链条受主动链轮带动，刷具装在刷具轴上，工作时，打开减速电机，刷具轴带动刷具旋转清洗墙面，与此同时，刷具轴上的主动链轮通过链条带动从动链轮转动，从而齿轮轴转动，齿轮相对于导轨上的齿条转动而带动支座沿导轨往复移动。

上述的控制器中有设置在每根导轨两端上的行程开关。

清洗机升降机则包括双速电机，制动器，涡轮蜗杆减速器，卷筒，提升杆臂，等构件。工作开始前，提升机在地面，清洗机升降机在大楼顶上。首先调整好升降机的位置并用支撑杆支撑到位，然后将吊钩释放到地面与清洗机连接好，启动双速电机正转，则清洗机快速上升到预定位置，停止双速电机，制动器制动防止清洗机在重力作用下自行下降。通过双螺母调整提升杆臂的位置，使得清洗机靠近墙面，达到清洗刷毛贴住墙壁，保持在清洗过程中清洗刷对墙壁有一定的压力。

这时，将大楼的自来水通过水管接到清洗机的机架顶部，做好准备后就可以解除制动，反向启动双速电机了，同时打开水管。这样，清洗机就开始慢速下降清洗墙面了。当清洗机走完一个上下来回时，停止双速电机，则重新调整提升机的位置，接着清洗墙面。

§2.2 主要参数

双速电机额定功率： 2.4KW、 1.5KW; 双速电机额定转速： 1500r/min、 750/min; 减速器传动比： 8

卷筒转速约： 186 r/min、 93 r/min、 钢丝绳上升速度约： 0.6m/s; 钢丝绳下降速度约： 0.3m/s;

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第三章 清洗机提升机的设计

§3.1 钢丝绳的选择

由于有两根钢丝绳同时吊着清洗机，则我们在计算时取单根钢丝所承受的最大拉力为总载荷的66%。

钢丝绳的最小直径：d=cs (d—钢丝绳最小直径，c—选择系数，s—钢丝绳的最大工作静拉力)。

由文献[2]8—12页得：提升机构的工作级别为A8，则c=0.140,钢丝绳的公称抗拉强度为1550mpa.

d=cs=0.140×2156?66%=5.28mm.

我们暂时取d=6mm.并选用钢丝绳6NAT1×6 SF1470 Z17.5 12.4 GB/T8918.即公称直径为6mm,光面，合成纤维芯，公称抗拉强度为1470MPa,右向捻，最小破断力为17.5KN，12。4Kg/100的MGB/T8918类钢丝。 钢丝绳的安全系数，按文献[2]中的第14式：

Ks17?1000. Ks= ==8.9?[Ks]=6

Fe200?9.8验算所选的钢丝绳合格。

§3.2 卷筒的设计计算

图一：卷图容绳尺寸参数

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1）卷筒节径D

卷筒节径应满足D?Ked,(Ke—与卷扬机工作级别有关的系数，见文献[2]表9)，工作级别为A8,那么

Ke?21?6=126mm,取D=150mm.则D0=144mm. 2) 卷筒容绳宽度Bt

Bt一般满足Bt?3D0=3?144=442mm. 取Bt=270mm. 3) 卷筒的边缘直径DK

DK?DS+4d=210mm, 取DK=240mm.(其中DK为卷筒边缘直径，DS为最外层钢丝绳绳心直径。)

DS=D0+(2S-1)d=144+7d=186mm.

4) 卷绕层数S S?DK?D0?2mk240?144?2?12==6，

2?62d则取S=4层较合适。

5）卷筒的容绳量L

第一层钢丝绳绳心直径Di=D0+(2Si-1)d; 第i层钢丝绳长度 Li=?(Bt?1)[D0?(2Si?1)d]?10?3 d卷筒绕绳量L=L1+L2+ ? +Ls =??(i?1sBt?1)[D0?(2Si?1)d]?10?3 d =80m 解得Si=3.326

我们取S=4层，则L=100.5132m.

6) 卷筒厚度σ σ=1.5d=9mm

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校核压应力：

钢丝绳绕出卷筒壁压应力σc=0.5

Fe ?tz其中：σc—钢丝绳绕出处的压应力 ?—卷筒壁厚

tz—钢丝绳轴向卷绕节距，tz=1.01d 则σc=

200?9.8?0.66=35.58MPa.

6?1.01?6弯曲应力

钢丝绳出处卷筒壁局部弯曲应力为

FeD0?3?be?0.96许用应力 [?d]=

=0.96

200?9.8?0.66144??3=7.04MPa.

?b315==80.36MPa 1.4?2.8kckn其中?b为抗拉强度，KC按工作级别取作1.40，Kn为安全系数，取作2.8. 强度条件为：?c+?be?[?d] [?d]为材料的许用应力 35.58+7.04?80.36 从而满足要求。 7）卷筒侧板厚度 暂时取为9mm.

8)卷筒速度

卷筒的直径按钢丝绳出到一圈时计算，即162mm,设卷筒转速为n,单位为r/min.

n 0.6=?162?103??

60解得n=186r/min.

9)钢丝绳进出滑轮允许偏转角D

绳槽测标的倾斜角β β取20° β=20 滑轮工作直径 D1 D1=D+d=70+6=76mm D1=76mm

dK K=S?(1?sin?)=20.22mm K=20.22mm

2(85?70)滑轮槽深 H H==7.5mm H=7.5mm

2

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允许偏角 γ tgγ=

tg?1?D1K?tg20?1?329.520.22 γ=1.2°

γ=1.2°

γ<4°～ 6°满足要求

§3.3 减速器的选择

根据提升机的使用要求，在电机速度不能直接供给卷筒时，则需要在电机和卷筒之间选择一台减速器；同时考虑到提升机的结构形式，最好是选择一台双出轴的减速器，以保持在减速器的两端同时用钢丝绳吊着清洗机，从而增强清洗机在工作时的稳定性。所以选定为CW型圆弧圆柱涡轮蜗杆减速器，因为根据文献[1]15-76页CW型圆弧圆柱涡轮蜗杆减速器的适用范围：此减速器具有整体机体、模块化设计的特点，用于传递两交错轴之间的运动和功率的机械传动，如冶金、矿山、起重、化工、建筑、建材、能源及轻工等行业的机械设备。减速器输入轴转速?1500r/min;减速器的工作环境温度-40～400C，当工作环境温度低于00C，启动前润滑油必须加热到00C以上，或采用低凝固点的润滑油，当工作环境温度高于00C时，必须采取冷却措施；减速器输入轴可、反两方向旋转。

需要的总传动比i=

1500=8.064516129. 186因此选择i=8的CW减速器，代号为CW 100-8-III JB/T 7935-1999.即中心距为100mm、公称传动比为8、装配形式为III的CW减速器。

其技术参数为：当输入转速1500r/min时，额定输入功率为9.45KW,额定输出转矩455KW，效率为91%;当输入转速750r/min时，额定输入功率为7.38KW,额定输出转矩700KW，效率为89%.重量为60Kg.

输入轴直径d1=28mm,输入轴长l1=42mm; 输出轴直径d2=48mm,输出轴长l2=82mm。其外形、安装尺寸详见文献[1]15-77页。

§3.4 滑轮的设计

绳索滑轮一般用来支配和导向，以改变绳索及其传递拉力的方向或平衡绳索分支的拉力。承受载荷不大的小尺寸滑轮（D?350mm）一般制成实体，用15，Q235，或铸铁

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（如HT150）,受力不大的滑轮可以直接安装在心轴上使用。

滑轮的直径需满足：D?h?d,(工作级别是M1—M3，h为10)，D?10?6=60,我们选用H系列滑车用滑轮.可以承载0.5吨的重量。

§3.5 吊钩的设计

选择用一种环眼吊钩，吊钩其实是与清洗机机架上的绳子绑在一起来带动清洗机上下移动的，因此吊钩的抗拉强度达到要求即可。吊钩的尺寸见零件图。

由最大起升重量Q=200?9.8?66%=1293.6N. 查文献[2]表2-14，选取吊钩的技术参数如下：铸造、单钩；允许载荷P=10KN.

钢丝绳穿过吊钩的环眼，向上与后面的钢丝焊接在一起并用钢丝绳夹加固，钢丝绳夹的选择根据钢丝绳的直径来定，根据文献[2]8-43页选择绳夹公称直径尺寸（钢丝绳公称直径d）为6mm的这一类。

§3.6 制动器的选择

制动力矩MB MB=

PQDmη2ia2

钢丝绳绕卷筒直径Dm Dm=Do+（2m-1）d=138+（2×4-1）×6=174mm

2400?174 则制动力矩MB=×0.876=167Nm

2?8?44根据文献[2]表3-7，我们选择YDWZ 200—800制动器，其技术性能是制动力矩为20Kg·m, 制动轮为200毫米,制动瓦退距为0.7毫米。重量为43Kg.

§3.7 双速电机的选择

双速电机类型是一种采用变换定子极数的笼型三相异步电动机，电压为380V, 频率是50Hz，功率范围是0.37～320KW。

我们估算清洗机的最大重量不会超过200Kg，为了保险起见，我们取其重量为200Kg。清洗机上升或下降时的最大静强度拉力为F=σFe (σ—动载荷系数),根据文献[1]表5取得σ=1.10，Fe为额定拉力。

滑轮效率ηd 根据文献[2]表4-9，ηd =0.985

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卷筒效率ηt ηt≈ηd=0.925 减速器效率η 联轴器效率η 轴承效率η

j

η

j =0.89

l ηl=0.98

z ηz=0.99

机构总效率η η=ηdηtηjηl ηz =0.766

F=σFe=1.10×200×9.8=2156N 则上升所需的静功率P=

FeVe=1.725KW；

1000? 上升所需的静功率P=

FeVe=0.8625KW

1000?综合考虑，我们选择的电机型号为YD112M-8/4。同步转速为1500、750r/min; 额定功率为2.4、1.5KW; 额定电流为5.31、5.02A; 效率为78、72%； 功率因素为0.88、0.63；

堵转电流堵转转矩最大转矩=6.5、5.5； =1.7； =1.8； 声功率级为82Db; 重

额定电流额定转矩额定转矩量为43Kg。

§3.8 联轴器的选择

由于在联轴器上面要装制动器，则我们只能选择带制动轮的联轴器，选择LTZ5,公称转矩为125N·M,许用转速为3800r/min,转动惯量为0.0416Kg·m2 标记为

Y28?62.

J28?62

§3.9 脚轮的选择

估算在底板压在四个脚轮上的重量为300Kg,而在工作的时候又得加上清洗机的重量200Kg.则每个脚轮分担的重量平均为125 Kg。

根据上述要有，我们选择轮子直径为160毫米的平板式脚轮，其许用负荷最大值为150 Kg。

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§3.10 传动零件的选择及其校核

1.电机输出轴和减速器输入轴的键

两轴上的传递功率是一样的，是P=2.4 或1.5 KW;转速是n=1500或750r/min;转矩 T1=9550000

P入2.4=9550000×=15280 N·mm

1500n1 T2=9550000

P入1.5=9550000×=19100 N·mm

750n2因T2大于 T1现在只校核圆头平键在传递转矩T2是的强度： 电机输出轴键设计尺寸为b×h×l=8×7×54，键槽轴深t=4 ,k=h-t=3

2?191002Tσp===8.8 Mpa ＜[σp]=120～150 Mpa

kld3?46?28减速器输入轴键的设计尺寸为b×h×l=8×7×36，键槽轴深t=4 ,k=h-t=3 同理只校核键在传递转矩T2是的强度：

2?191002T σp===16.24 Mpa ＜[σp]=120～150 Mpa

kld3?28?28结果是两个键都远远满足使用要求。

2.减速器输出轴的键

圆头平键的设计尺寸为b×h×l=14×9×72，由上面的经验可知，这个键的强度一定也是远远满足使用要求的，因此不需要校核。

3.与卷筒和轴承连接的短轴?

其设计尺寸见零件图，估计这个也是绝对满足要求的。 现在计算所选深沟球轴承的寿命：

所选轴承是代号为6213的深沟球轴承，其基本额定动载荷Cr=57.2KN, 基本额定静载荷C0r=40.0KN。在工作中有两种转速，分别是186r/min和93r/min. 轴承工作中只受到的径向载荷比较平稳，其大小等于钢丝绳上的力， 因此P=200Kg?9.8?66%=1.3KN.

33106?Cr?106?57.2?则轴承的寿命Lh1=?????=?=121279.5 h

60n?P?60?186?1.3?106?Cr?106?57.2? Lh2=?????=?=212559 h

60n?P?60?93?1.3?

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33所以轴承的寿命在Lh1和 Lh2之间.

4.杆臂上滚针轴承的寿命计算

所选轴承是代号为6213的深沟球轴承，其基本额定动载荷Cr=8.60KN, 基本额定静载荷C0r=9.20KN。在工作中有两种转速，分别是n1=n2=

170?93=205.3r/min. 77170?186=410.7r/min和77轴承工作中受到的载荷在轴向和径向都有，但由于钢丝绳较长，而卷筒的长度不大，因此在轴向的分力很小，可以忽略不技，径向载荷相对比较平稳，其大小可由图三上的分析得到其值：P=Q?cos15o+ Q?cos60o=1.92KN.

106?Cr?106?8.60?则轴承的寿命Lh1=?????=?=3647 h

60n?P?60?410.7?1.92?106?Cr?106?8.60? Lh2=???=???=7296 h

60n?P?60?205.3?1.92`?所以轴承的寿命在Lh1和 Lh2之间.

3333§3.11 杆臂的设计及其强度校核

图二：杆臂示意图

杆壁的截面是一矩形，高h=60mm,宽b=30mm,，其长度方向的尺寸详见杆壁零件图，现在我们来校核杆臂的强度。

为了方便计算，我们可以将此杆臂的弯曲度（15?）忽略掉，从而作出杆臂的受力

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参 考 文 献

[1] 成大先主编.机械设计手册.减（变）速器·电机与电器.北京：化学工业出版社.2004 [2] 成大先主编.机械设计手册.单行本·弹簧·起重运输件，五金件.北京：化学工业出版社.2004 [3] 成大先主编.机械设计手册.单行本·机械传动.北京：化学工业出版社.2004

[4] 成大先主编.机械设计手册·单行本·机械制图·极限与配合.北京：化学工业出版社.2004 [5] 席伟光，杨光，李波主编.机械设计课程设计.北京：高等教育出版社.2003 [6] 符伟主编.机构设计学.长沙：湖南大学出版社.2000 [7] 孙开元，李长娜主编.北京：化学工业出版社.2006

[8] 纪名刚主编.机械设计（第七版）.北京：高等教育出版社.2001

[9] 崔洪斌，高伟，王瑜主编.AutoCAD 2005机械图形设计.北京：清华大学出版社.1985 [10] 高为国主编.机械工程材料基础.长沙:中南大学出版社.2004

[11] 成大先主编.机械设计手册·单行本·联接与紧固.北京：化学工业出版

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翻译部分 中文译文

关于二柱掩护式支架与顶板之间相互作用的研究

二柱掩护式支架如图1所示。为了评定支架的适应性，通常有两个特性要考虑： 顶板控制影响

显然，掩护式支架更容易阻止冒落矸石掉在工作面上，但是它更难阻止冒落矸石掉在遮蓬区。根据来自阳泉和翟梨的资料显示,下落时间导致停止生产，归因于下落顶板在遮蓬区大约是40％～60％的下落时间在工作区。顶板沿着朝向倒塌。就是说，在一个装有二柱掩护式支架的面上更多关注的是顶板及时控制问题，特别是面向遮蓬区。 在顶板压力作用下对支护结构的作用

近期来自煤矿的报道证明，二柱掩护式支架已经在顶板压力作用下破坏，特别是遮蓬和稳定柱面连接处。明显的是这种支架的支护空间被认为对一些顶板条件不够，并且必须改进。

二柱掩护式支架加载条件分析

作用在二柱掩护式遮蓬上的压力：顶板压力，来自立柱的力，撞击，遮蓬和洞穴保护的销轴，顶梁和顶板的破碎表面。

假设表面破碎和作用在掩护梁上的力不考虑，可以得到下面的公式：

Z?[(bgcos??hgsin?)x?pgb]gP

[(hgcos??L2?bgsin?)x?zb]上式中符号的意思表达在图4a中。

sin?)/b 假设 A?cos??(hg B?sin??(hgcos??Lz)/b 然后我们可以得到下面的公式。

Z?(Agx?p)gp

z?Bgx可以看出，当P增大到屈服载荷P+，力因此在撞击中形成象在图4b中曲线Z所描述的。事实上撞击的推拉力有一个屈服载荷。例如，对于掩护式支架W.S.1.7，屈服力是推力67.7t和拉力62.4t。因此，撞击力的曲线如图4b所示。那么总的载荷Ps整个的支架给出如下：

Ps?P(cos??h/bgsin?)?Z(sin??(hgcos??Lz)/b)?Wb1/b

假设W=0,那么

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Ps?PgA?ZgB

因此，根据顶板作用在顶梁上的压力的位置和支架支护的表现，我们可以遮蓬划分为3个工作区，即，II－BC区，立柱的载荷P等于P+，Ⅱ－BC区，立柱载荷P等于P+和Ⅲ-CD区，和撞击的载荷力等于－Z（撞击的屈服力是拉力）。

支撑立柱承受力的特性和每个遮蓬区上的冲击显示如下： Ⅰ区 Z＝＋Z

P?(z?Bgx)Z；

(Agx?p)Ⅱ区 P＝P+

Z?(Agx?p)P?

(z?Bgx)Ps?(Agz?Bgp)P?

(z?Bgx)Ⅲ区 Z＝－Z-

P?(Bgx?z)Z?

(Agx?p)Ps?(Bgp?Agz)Z?

(Agx?p)显然，作用在Ⅰ和Ⅲ区遮蓬上的反作用力是由冲击的屈服载荷产生的。例如，如果Z等于0，在Ⅰ和Ⅲ区支护本身的反作用力将失去和反作用力丢失和只有当来自相应区域的一些附加力存在时反作用力将产生。在Ⅰ或Ⅲ区，存在由顶板产生的平衡力。如果冲击的屈服载荷产生了，显然，Ⅱ区的距离将变的更宽，并且Ⅰ或Ⅲ区上的反作用力将由此增加。这些如图5所示。 顶板压力和支护反作用力的相互作用

众所周知，作用在支护顶梁上的顶板压力可以分成两个部分，它们是：由及时顶梁产生的Q1，由主顶梁产生的Q2，显示在图6中。

作为通用法则，作为一个不连续的媒体被考虑和存在一个沿着洞穴的自由面。载荷Q1固定作用在支护上，载荷分布在遮蓬区可以认为是均布的。来自主顶梁的载荷Q2被作为一个集中载荷考虑，作用在及时顶梁和支护保护。基于顶板测量显示，发现主顶梁过度层可以作为由大量的岩石连续互锁形成的一种结构。当煤高度提高，每一石块滑向另一石块。主顶梁在图7中显示。

显然，来自主顶梁的载荷作用位置首先依靠石块在主顶梁上的稳定条件。Q2可以作

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用在掩护区的前部和尾部。其次，依靠及时顶梁下落的位置。Q2。如果条件反向，那么力作用在前部遮蓬的位置。

结果，顶梁压力Q作用在遮蓬上因此可以从Q1和Q2连接起来。

当顶梁压力Q作用在I区和Q>Ps，将首先减轻冲击的影响。那么遮蓬前部将向下转和平衡力Q3将在遮蓬尾部产生。显然，在这种情况下，在遮蓬尾部以上的顶板保持完整或者不能剪断。联合作用（Q+Q3）的作用点移向Ⅱ区直到联合作用（Q+Q3）等于支护的反作用力Ps。在相反条件下，平衡作用Q3将在Ⅰ区产生。

从这我们能看出这类支架的反作用力因此能形成在当平衡力Q3产生和作用在遮蓬的条件下。就是说，及时顶梁不能完全剪断。

根据以上提到的分析，现在考虑在下列不同的条件下：顶梁未知和支护阻力Ps的反作用力等于P+（立柱的屈服载荷）。那么支护的反作用力可以按下式表达：

Q＋Q3＝Ps

假设Ps＝P+，那么

(Agz?Bgp)?1

(z?Bgx)那么X在连接作用的位置（Q＋Q3）的作用将变为

x＝P＋（1－A）·z/B

假设顶板作用力Q作用在x1的位置，平衡作用力x3（原因是在于连接点），然后可以得到下式：

Q·x1＋Q3·x3＝（Q＋Q3）·（p＋（1－A）·z/B）

和Q3等于：

(x1?p?(1?A)gz/B)gQ

(p?(1?A)gz/B?x3)Q3?顶板压力Q的支护反作用力等于：

Q?(p?(1?A)gz/B?x3)P?

(x1?x3)采用Q/P+来代表支护作用，这有下面因素的联系：几何参数的支持，也就是参数p，A，B，和z；顶板压力的作用位置x1；及时支护的平衡力作用位置x3。很明显，越近，x1的值靠近Ⅱ区，支护效率就越高。有时，x3的值作为遮蓬和及时顶梁之间相互关系的顺序。当Q作用位置(p?(1-A)z/B)平衡力Q3等于0，支护效率Q/P+，等于1。

图8显示，当变量顶板压力Q作用在3个不同的位置，遮蓬Ⅰ区的位置x1和Ⅲ区不同顺序x3，为了反抗顶梁压力（Q），相应的平衡力Q3，和在Ⅲ区必须给出的不同的值。

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例如，当顶板压力作用在遮蓬尖端和等于80t如果x3>37cm,那么没有遮蓬作用力在遮蓬尾部形成。

因为顶板下落发生在面向遮蓬区变得不规则，因此为了遮蓬转动遮蓬有3种操作条件：向下（<0○）向上（>10○）和从0○到10○不同的角度。根据翟梨煤矿收集的统计数据，遮蓬旋转的操作条件，<0○说明3.5％和>15○，对应11％。

由于，顶板对顶板的作用位置是不同的，顶梁和掩护梁的角度是变化的。通过表1，我们可以看到方向变化的百分数占44.8％，意味着顶板压力Q首先作用在Ⅰ区和平衡力Q3形成在Ⅲ区；最后，合力（Q＋Q3）作用位置将转向Ⅱ区。在表1中负变量百分数占19.4％。

相似的结果也可以从翟梨煤矿的No.322工作面区域测量得出，在表2和图9中的显示。

显然，顶板压力作用在Ⅰ区或遮蓬的Ⅲ区，如果合力作用（Q＋Q3）位置移动到Ⅱ区。支架的操作条件是正常的。但是如果合力作用位置移到Ⅱ区，和继续向前或向后移动，支架将工作在非正常条件下。

英文原文

A STUDY OF THE INTERACTION BETWEEN THE 2-LEG SHIELD SUPPORT

AND THE ROOF STRATA

INTRODUCTION

The 2-leg shield powered support is shown in Fig.1.

It is known that in order to asses the adaptability of a powered support normally there are two principles to be considered:

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be produced in the rear part of the canopy must be kept intact or must not cave equal to the resistance force (Ps) of the support. In the opposite condition the balance force Q3 would be produced in zone Ⅰ.

From this we can see that the resistance of this type support can thus be formed in the condition when the balance force Q3 occurs on the canopy. That is to say, the immediate roof must not cave at all.

According to the analysis mentioned above, now consider that is under the different conditions: The roof is unbroken and the resistance of the support Ps is equal to P+ (the yield load of the legs). Then the resistance of the support can be expressed as follows:

Q＋Q3＝Ps

Assume Ps＝P+, so that

(Agz?Bgp)?1

(z?Bgx)Then the acting position where the roof pressure Q acts would become x＝P＋（1－A）·z/B

Assume that the acting position where the roof pressure Q acts is at x1, and the balance force Q3 is x3 (the origin is in the hinge pin point), then the following formula is obtained:

Q·x1＋Q3·x3＝（Q＋Q3）·（p＋（1－A）·z/B） The roof pressure Q which the support can resist is equal to:

Q3?(x1?p?(1?A)gz/B)gQ

(p?(1?A)gz/B?x3)The roof pressure Q which the support can resist is equal to:

Q?(p?(1?A)gz/B?x3)P?

(x1?x3)Take Q/P+ to stand for the efficiency of the support, obviously, this has relation with the following factors: the geometrical parameters of the support, i.e. parameters of the balance force (reaction) of the immediate roof x3. It is obvious that the nearer the value x1 approaches to zone Ⅱ, the higher the efficiency of the support would be. Something the value x3 can be

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represented as an index to stand for the interactive relation between the canopy and the immediate roof. When Q acts in the position (p?(1-A)z/B), the balance force Q3 is equal to zero, and the efficiency of support Q/P+, is equal to 1.

Fig.8 shows that when a variable roof pressure (Q) acts in three different positions (x1) in the zone Ⅰ of the canopy and with different index x3 in zone Ⅲ, in order to resist the roof pressure (Q), a corresponding balance reaction force Q3 with different values must be given in zone Ⅲ. For example, when the roof pressure is acting on the tip of the canopy and is equal to 80t if x3>37cm. then there would be no such balance force formed in the rear part of the canopy.

Because roof fall occurs in the face-to-canopy area where the roof would become irregular, thus the canopy would have three kinds of operating condition for the canopy to swing: downwards (<0○) upwards (>10○) and at an angle from 0○ to 10○. According to statistical data collected from Zhai-Li Colliery, the percentage of the operating of the operating conditions of the canopy swinging canopy in <0○ accounts for 3.5% and that of in >15○, for 11%.

Due to the fact that the acting position of the roof pressure on the canopy is different, the angle between the canopy and the caving shield may be variable. Table1 shows the variation accounts for 44.8%, which means that the canopy and the caving shield may be variable. Table1 shows the variation of this angle in each operation cycle.

From Table1, we can see that the percentage of positive variation accounts for 44.8%, which means that the roof pressure (Q) firstly acts on zone Ⅰ and than the balance force (reaction) (Q3) is formed on zone Ⅲ;finally, the acting position of the combined force (Q+Q3) would move towards zone Ⅱ. In Table1 the percentage of negative variation accounts for 19.4%.

Similar results have also been obtained from field measurements in working face No.332 of Zhai-Li Colliery as shown in Table2 and Fig.9.

Obviously, whether the roof pressure acts on zone Ⅰ or Ⅲ of the canopy, if the acting position of the combined force (Q+Q3) moves towards zone Ⅱ,the operating condition of the support would be normal. But if the acting position of the combined force moves over zone Ⅱ and continuously moves forwards or backwards, the support would then work in abnormal conditions.

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Fig.8 Balance force Curves for different index X3 in zone Ⅲ

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/uj4a.html