【導讀】本文的設(shè)計課題題目是“井下救生艙設(shè)計”。由于近年來，我國煤礦災害頻發(fā)，給國家。所，來盡量減少礦難所帶來的危害。數(shù)，分析了救生艙結(jié)構(gòu)設(shè)計時可能遇到的問題，重點對救生艙艙門的鎖緊機構(gòu)的方案論證，路，艙體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和剛度校核等內(nèi)容。

　　

【正文】 （ 1）緩沖門 門板設(shè)計 緩沖門門板設(shè)計參考主艙門艙門的設(shè)計原則，大體尺寸一樣，只是中間比主艙門少兩條肋板。 （ 2） 為達到密封要求所需正壓力計算： 緩沖門要求：密封性中等，可靠性高，開關(guān)方便 ,。根據(jù)艙體 尺寸選擇與主艙門一致， 基本尺寸為：高度 1250mm，寬度 650mm，門框?qū)挾?50mm。鎖緊機構(gòu)主要材料選取 45 鋼M P aM P a sb 3 5 5,6 4 0 ?? ?? 密封材料要求壓縮量為 L? =1mm， 密封材料面積 (1 2 5 0 6 5 0 ) 2 3 0A ? ? ? ? ? 2210m? 所需壓緊力： EA LF L???總 622 10 10 N?? ? ? ? ? 采用雙點鎖緊方案，每個鎖緊點的壓力為 11F 1 4 2 5 0 = 7 1 2 5 N22F ? ? ?總 齒條在壓緊時的受力分析 : 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 47 根據(jù)上圖受力分析圖，列力的平衡方程式： c o s 3 . 5 7 1 2 5 , 7 1 3 8N N N N? ? ? ? 7 1 3 8 0 .1 5 1 0 7 0fF N f N? ? ? ? ? ??? ????? ??? o s 1 0 0502121fFNNNNN 解方程得： 1 1 4 1 9 7 ,NN? 方 向 向 下 。2 7 0 9 7 ,NN? 方 向 向 上。 則水平方向的摩擦力為： 12( ) c o s 3 . 5 0 . 1 5 ( 1 4 1 9 7 7 0 9 7 ) 0 . 1 5 7 1 3 8 c o s 3 . 5 4 2 6 2 . 8 5fF f N N fN N? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 正壓力水平分量： s i n 3 . 5 7 1 3 8 s i n 3 . 5 4 3 5 . 7 6F N N? ? ? ? ? ?水 平 總的水平方向阻力： 4 2 6 2 . 8 5 4 3 5 . 7 6 4 6 9 8 NffF F F? ? ? ? ?總 水 平 手輪需要施加一個驅(qū)動力來克服水平方向阻力，該力反應(yīng)到齒條上 即為齒條齒形上所受到的切向力 Ft F =4698Nt fF? 總 （ 3） 、計算齒輪模數(shù)： 由齒根彎曲疲勞強度計算齒輪模數(shù)： KFm= t Fa SaFYYb ?? ? ?? 初步選擇齒輪齒數(shù)為 20，齒寬為 系數(shù)選為 1?? ，齒輪載荷系數(shù) K=。則查表得： 齒形系數(shù) ?FaY ，應(yīng)力校正系數(shù) ?SaY ， 齒輪材料選用 45 鋼。查表得 MPaF 380?? 。河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 48 NFt 2760? 。 則 KF 1 . 4 4 6 9 8 2 . 8 0 1 . 5 5m = = = 1 . 8 74 0 3 8 0t F a S aFYYb ?? ? ? ? ? ??? 選用齒輪模數(shù)為 m=。 齒輪分度圓直徑 : 2 2 0 4 0d m z m m? ? ? ? ? 計算該齒輪的幾何尺寸為： 名稱 代號 計算數(shù)據(jù) 模數(shù) )(mmm 2?m 齒數(shù) z 20?z 壓力角 )(?? ??20? 分度圓直徑 )(mmd 40202 ???? mzd 齒頂高 )(mmha 221* ????? mhh aa 齒根高 )(mmhf )()( ** ?????? mchh af 齒全高 )(mmh ?????fa hhh 齒根圓直徑 )(mmdf ?????? ff hdd 齒頂圓直徑 )(mmda 4422402 ?????? aa hdd 齒寬 )(mmB 40401 ????? dB ? （ 4） 、計算壓緊桿直徑： 設(shè)計壓緊桿頂端距離支承處為 ： 50l mm? 則壓緊桿支承處的彎矩最大 ： 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 49 m a xM 7125 50 357600F l N m m? ? ? ? ? ? 由彎曲強度求銷軸直徑 ： m a x m a x13MM== 1W 32 d? ? 查表得， 45 鋼的彎曲許用應(yīng)力 MPa601 ??? 則壓緊桿直徑為： m a x3 31357600 3 9 . 31 3 . 1 4603 2 3 2Md m m?? ?? ? ??? 取鎖緊桿的直徑為 40d mm? （ 5） 、軸的支承處的螺栓尺寸計算 通過類比設(shè)計，緩沖門支撐處同主艙門一樣，采用剖分式滑動軸承，軸承寬 50b mm? ，軸承與門板之間采用螺栓鏈接，螺栓數(shù)目選用 4 個，軸承剖分面之間的連接也采用螺栓連接，數(shù)目為 4 個。根據(jù)上面計算的壓緊時支撐處的支反力計算螺栓直徑。 壓緊時支承處的支反力為： 121 4 1 9 4 , 7 0 9 7N N N N?? 其中 1N 方向向下， 2N 方向向上。 即門板與支撐之間所用鏈接螺栓所承受的總的最大工作載荷為： 14194FN?總 此載荷位于靠近壓緊楔塊處，主要由靠近楔塊處的兩個螺栓承擔。則每個螺栓所承受的工作載荷為： 11= 1 4 1 9 4 7 0 9 722F F N N? ? ?總 門板與支承處之間的連接屬于一般連接，并且工作載荷穩(wěn)定，查閱資料，單純受拉伸河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 50 載荷時，螺栓的殘余預緊力 1 ( ~ )FF? ，此處，選擇殘余預緊力： 1 0 . 4 0 . 4 7 0 9 7 2 8 3 8 . 8F F N N? ? ? ? ? 則螺栓承受的總的拉伸力為： 21 7 0 9 7 2 8 3 8 .8 9 9 3 5 .8F F F N? ? ? ? ? 考慮到螺栓在總拉力 2F 的作用下可能需要補充擰緊，故將總拉力增加 30% 以考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的影響。于是螺栓的危險截面的拉伸強度條件為 :221 []4Fd?????、 選擇螺栓材料為 Q23性能等級為 的螺栓，查表得材料的屈服極限 240s MPa? ? ，選用安全系數(shù)為 ? ，故螺栓材料的許用應(yīng)力為 240[ ] 1 6 01 .5s M P a M P aS?? ? ? ? 計算 螺栓的危險截面的直徑（螺紋小徑）為： 21 4 1 . 3 4 1 . 3 9 9 3 5 . 8 1 0 . 1 4[ ] 1 6 0Fd m m? ? ?? ??? ? ?? 按粗牙普通螺紋標準（ GB/T 196— 20xx），選用螺紋公稱直徑 12d mm? （螺紋小徑1 10 .8 63 10 .1 4d m m m m??）。 根據(jù)計算主艙門所用螺栓尺寸時的經(jīng)驗可知，當軸承剖分面處所用的螺栓尺寸同門板處所用的螺栓尺寸一樣時，肯定能滿足 使用要求。故軸承剖分面處所用的螺栓尺寸同樣選取 12d mm? （ 6） 、手輪尺寸確 定 選用手輪直徑為 300mm?? 人在屈曲狀態(tài)下的輸出力為 F=544? 244N,取人的輸出力為 600N。 校核手輪驅(qū)動力矩與阻力距的大小關(guān)系： mmNmmN 402 7 6 03 0 06 0 0 ??? 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 51 即手輪直徑選為 300mm 時，所提供的驅(qū)動力矩足以克服壓縮所需用的阻力矩。 （ 7） 、 手輪軸的 設(shè)計 1）確定首輪軸的最小直徑 手輪軸上受到的阻力距為： 4 6 9 7 4 0 1 8 7 8 8 0T N m m N m m? ? ? ? 按照剪切強度確定手輪軸的直徑： ][m axm ax ?? ?? tWT 查表得 45 鋼的許用剪切應(yīng)力為： MPa80][ ?? 抗扭截面系數(shù)： 163dWT ?? 計算軸的直徑為： 39。33187880 2 2 . 9[ ] 8 01 6 1 6Td m m???? ? ?? 手輪軸通過平鍵與輪轂鏈接，因此需要在軸上開出鍵槽。查閱資料可得，對于直徑100d mm? 的軸，有一個鍵槽時，軸頸需要增大 5%~7% 。則手輪軸直徑： 39。 ( 1 0 .0 7 ) 2 2 .9 1 .0 7 2 4 .4 7d d m m? ? ? ? ? ? 取手輪軸的直徑為： 25d mm? 2） 手輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于手輪軸的最小直徑同齒輪的分度圓直徑相差不大，因此將手輪軸同齒輪作為一體的結(jié)構(gòu)，即齒輪軸。 ① 擬定軸上零件的裝配方案 根據(jù)上面所述，緩沖門采用下圖的裝配方案： 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 52 ② 根據(jù) 軸向定位要求確定軸的各段長度與直徑 1）第六段與 手輪配合，手輪輪轂長度為 32mm，軸的右端用單螺母進行軸向固定，按該段軸的直徑取為該軸的最小直徑 256?d ，手輪與軸配合的長度 32l mm? ，為保證軸端墊片只壓在手輪輪轂上而不壓在軸的端面上，故第 5 段的長度應(yīng)比 l 略短一些，現(xiàn)取5 30l mm? 。 第 5 段為齒輪，根據(jù)上面計算得到的齒輪的個幾何尺寸，確定該段的直徑為齒輪齒頂圓直徑 mmd 44? ，長度為齒輪齒寬 mml 40? 。 第四段為加工齒輪 時根據(jù)工藝要求，需要設(shè)置退刀槽，屬于工藝尺寸，取該段直徑為 mmd 30? ，長度為 mml 5? 3 段與救生艙艙門門板上的軸承座孔相配合，根據(jù)上面所訴，門板中間的軸承座孔的直徑取為 50d mm? ，長度為 72l mm? ，因此第 3 段軸的直徑也取為 3 50d mm? ，軸與軸承座孔的配合長度為 72l mm? ， 由于門板有一定的厚度，為了是齒輪能與齒條配合，軸承座與齒輪間還需保持一定的距離，該段距離為 16mm，因此取第三段的長度為：mml 88? 。 第 2 部分為為軸環(huán)，其作用是用于軸與軸承座孔左端的軸向定位，直徑取為2 70d mm? ，長度為 10l mm? 。 ，與手輪配合，手輪輪轂長度為 32mm，軸的右端用單螺母進行軸向固定，按該段軸的直徑取為該軸的最小直徑 mmd 25? ，手輪與軸配合的長度河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 53 32l mm? ，為保證軸端墊片只壓在手輪輪轂上而不壓在軸的端面上，故第 1 段的長度應(yīng)比l 略短一些，現(xiàn)取 1 30l mm? 。 ③ 軸上零件的周向固定 手輪軸的周向固定采用平鍵連接，按 1d 由表查得平鍵截面 mmmmhb 78 ??? ，鍵 槽用鍵槽銑刀加工，長為 20mm，為了保證手輪與軸配合有良好的對中性，故選擇手輪輪轂與軸的配合為 76Hn 。 ④ 確定軸上倒角尺寸 參照資料，取軸端倒角為 2 45??。 緊急 門 結(jié)構(gòu)計算 （ 1） 緊急門門板設(shè)計 ： 根據(jù)人體結(jié)構(gòu)學，為了能使人從緊急門中逃生， 門的面積 S≥ ，取門的內(nèi)徑為mmSd 6184 ?? ? （實際尺寸取為 mmd 650? ）。 同主艙門一樣，在救生艙門的整個圓周上沖壓出凸緣以便于安裝密封材料，在安裝軸承座的部位布置加強肋板。 （ 2） 為達到密封要求所需正壓力計算： 應(yīng)急門關(guān)閉時的狀態(tài)如下圖 河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 54 .所選密封橡膠的彈性模量為 2MPa，為達到密封要求，需要將密封材料壓縮 3mm，則壓緊桿所需提供的壓力為： 由公式 FLLEA??得， 3L mm?? ， 20L mm? ， 2E MPa? ， 周長 3 .1 4 6 5 0 =2 0 4 1 m mCD?? ? ? 密封條面積 232 0 4 1 1 0 = 2 .0 4 1 1 0Am?? ? ? ??? l lEAF壓 622 10 2. 04 1 10 0. 00 3 ?? ? ? ? ?（ KN） 應(yīng)急門采用四點鎖緊方案，每個壓緊點上所受的平均力： NNFF 153061204141 ???? 壓 在壓緊楔塊處進行受力分析， NFF N o s ??? NFfF Nf 2 3 01 5 3 ????? （ 2） 、計算應(yīng)急門的驅(qū)動性能 根據(jù)對該機構(gòu)進 行 Pro/E 方針演示在機構(gòu)剛開始運動時，由于壓縮量小，所受阻力非常河南理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 55 小，人通過手輪所能提供的驅(qū)動力足以克服壓緊時所需的阻力，因此，該機構(gòu)啟動性能良好，當機構(gòu)運行到一定角度時，壓縮量逐漸增大，所需克服的阻力也隨之增大，因此需要手輪提供更大的驅(qū)動力才能鎖緊門框，以達到密封要求，根據(jù)機構(gòu)進行的運動仿真，以??? 65A 時開始為啟動時校核驅(qū)動力是否能提供所需壓緊力的位置。如下圖，當??? 65A 時， ?????? 78,37 BA C B 。 1 、啟動性能 （ 1）由手輪和曲柄的受力平衡式，人的正常扭力取 nF =600（ N），手輪直徑 mm300?? 。 求 F1： 0n 4 8 0 1 c o s1 2FF?? ? ? ? ? NFF n 5 7 512c o s804 3 0 06 0 012c o s8041 ???? ?????? ? （ 2）求阻力 在此位置，壓緊桿 CE 主要受到密封材料受壓縮時對其向上的反力 2N ， D 點支撐處對其的支反力 1N ，以及 1N ， 2N 所產(chǎn)生的摩擦力 21,ff 。其受力分析如下圖所示，圖中 A 點距離軸的支撐處為 50mm，支撐的寬度 b=5