一種卷?yè)P(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

王小明，倪受東，程 鵬

WANG Xiao-ming, NI Shou-dong, CHENG Peng

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 211816）

0 引言

卷?yè)P(yáng)機(jī)是用卷筒纏繞鋼絲繩提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備，雖然現(xiàn)在塔吊等取代了卷?yè)P(yáng)機(jī)的部分工作，但由于塔吊體積大，而且其靈活性較差，一般在大型建筑中使用，而且其成本高，一般中小型建筑行業(yè)仍然廣泛應(yīng)用建筑卷?yè)P(yáng)機(jī)，就是大型建筑中雖有塔吊，也還需要建筑卷?yè)P(yáng)機(jī)作輔助提升用，而卷?yè)P(yáng)機(jī)又有“礦井咽喉”之稱，因此，卷?yè)P(yáng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于建筑、采礦等領(lǐng)域。

卷?yè)P(yáng)機(jī)的性能、工作效率，安全可靠性等，都對(duì)建筑或礦山生產(chǎn)和人員、設(shè)備的安全起著重要的影響，基于此設(shè)計(jì)了一種合理的卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)，可適用于各類含有卷筒的礦山機(jī)械、工程機(jī)械、建筑機(jī)械等領(lǐng)域。

1 卷?yè)P(yáng)機(jī)的工作原理

如圖1所示，這種卷?yè)P(yáng)機(jī)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、卷繩筒、鋼絲繩、制動(dòng)系統(tǒng)、排繩機(jī)構(gòu)、安全開(kāi)關(guān)等機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)組成。帶減速箱及安全制動(dòng)的電機(jī)安裝在電機(jī)支座上，通過(guò)變頻器控制電機(jī)速度，電機(jī)軸經(jīng)減速箱減速后與鏈條連接，帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使與鏈輪同軸安裝的卷筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時(shí)，纏繞在卷筒上的鋼絲繩帶動(dòng)吊籃上升或下降運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料、設(shè)備或施工人員的提升與下放。

圖1 卷?yè)P(yáng)機(jī)總裝圖

當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)斷電或者需要臨時(shí)停止工作進(jìn)行檢查時(shí)，常閉盤(pán)式制動(dòng)器會(huì)在壓縮彈簧的推力下推動(dòng)活塞，使閘瓦壓緊制動(dòng)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)卷?yè)P(yáng)機(jī)的剎車，當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)處于通電工作狀態(tài)下時(shí)，在液壓油的壓力作用下推動(dòng)活塞缸，使其遠(yuǎn)離制動(dòng)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)松閘。

2 凸輪排繩機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

目前，為避免因卷?yè)P(yáng)機(jī)受工作環(huán)境影響而造成鋼絲繩的亂繩、咬繩、甚至斷繩現(xiàn)象的發(fā)生而設(shè)計(jì)的排繩機(jī)構(gòu)主要有三類：1）基于液壓系統(tǒng)的排繩機(jī)構(gòu)；2）基于電氣系統(tǒng)的排繩機(jī)構(gòu)；3）純機(jī)械系統(tǒng)，前兩類結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高，維護(hù)比較困難[1]。

圖2 凸輪排繩機(jī)構(gòu)示意圖

如圖2所示，凸輪排繩機(jī)構(gòu)采用純機(jī)械系統(tǒng)，把凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為卷筒的直線運(yùn)動(dòng)。在滾子支撐與圓柱凸輪的相互作用下，鋼絲繩纏繞方式由固定位置轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)于卷筒左右來(lái)回移動(dòng)方式，當(dāng)卷筒與凸輪按嚴(yán)格的固定傳動(dòng)比聯(lián)動(dòng)時(shí)，圓柱凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，卷筒剛好左右來(lái)回移動(dòng)一個(gè)總程，這時(shí)鋼絲繩就以一定的規(guī)律左右一排排地纏繞在卷繩筒上，不僅避免了鋼絲繩亂繩，咬繩等現(xiàn)象的發(fā)生，還使卷筒在工作過(guò)程中受力均勻，提高了卷筒的使用壽命。

3 卷筒分析及優(yōu)化

對(duì)卷?yè)P(yáng)機(jī)而言，卷筒是其主要承載部件，它起著存放鋼絲繩、承擔(dān)提升負(fù)荷、傳遞動(dòng)力的作用，理論和實(shí)踐表明，卷筒是卷?yè)P(yáng)機(jī)中比較薄弱的部件[2]。

卷筒上的鋼絲繩根據(jù)不同工作條件及場(chǎng)合可設(shè)計(jì)成單繩或多繩，考慮到特殊場(chǎng)合的安全性要求，此卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成四根鋼絲繩，在裝載工作人員或物料的吊籃兩端各固定兩根互不相干的鋼絲繩，使吊籃得到了雙重保護(hù)，這樣不會(huì)因?yàn)槟掣摻z繩因磨損斷裂而發(fā)生吊籃墜落現(xiàn)象，提高了設(shè)備的安全可靠性。

3.1 卷筒受力分析

在鋼絲繩纏繞卷筒的作用下，卷筒產(chǎn)生壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭曲應(yīng)力而發(fā)生變形，由于卷筒直徑比壁厚要大很多，其截面慣性矩仍很大，因此，鋼絲繩拉力在筒壁上所引起的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力相對(duì)很小，—般將此項(xiàng)應(yīng)力忽略不計(jì)[3]。因此將此力看作為鋼絲繩對(duì)卷筒面產(chǎn)生一個(gè)徑向的壓縮力，可將此載荷轉(zhuǎn)化為作用于卷筒上的徑向均布載荷。

卷筒的基本參數(shù)為：鋼絲繩直徑d=15mm,繩槽節(jié)距t=16mm，最大靜拉力F=1800N，卷筒直徑D=300mm。考慮多層纏繞情況下，由于筒壁和鋼絲繩繩圈的變形，當(dāng)?shù)趎層繩圈繞上卷筒時(shí)，先繞上的第1層至n-1層繩圈的張力都要發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致筒壁上受到的壓力不是隨著纏繞層數(shù)的增加而成比例的增加，引入多層纏繞系數(shù)An，鋼絲繩的纏繞層數(shù)n＞5，An取1.6[3]，則：

每當(dāng)鋼絲繩纏繞至卷筒端部最后1圈，并向新的一層過(guò)渡時(shí)，在該過(guò)渡圈內(nèi)，因鋼絲繩對(duì)卷筒側(cè)板的楔入作用而產(chǎn)生軸向推力FZ[4]：

式中，n為繞繩層數(shù)，d2為擋板外徑，d1為擋板內(nèi)徑。

因此卷筒受力情況可簡(jiǎn)化為纏繞在卷筒上的鋼絲繩對(duì)卷筒的徑向均布載荷σ1與鋼絲繩對(duì)卷筒側(cè)板的楔入作用產(chǎn)生的均布載荷σ2。

3.2 卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)使用期限達(dá)10年以上的卷?yè)P(yáng)機(jī)，其中80%發(fā)現(xiàn)有卷筒開(kāi)裂、塌陷、開(kāi)焊或連接螺釘剪斷等現(xiàn)象[5]，這就要求在設(shè)計(jì)過(guò)程中合理設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)結(jié)果。而卷筒設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于卷筒厚度的確定，在工程實(shí)踐中，按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，取卷筒厚度約為鋼絲繩的直徑，這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法過(guò)于保守，因此，可以在此基礎(chǔ)上對(duì)卷筒進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

由于ANSYS建模功能有限，且不方便，所以采用SolidWorks軟件對(duì)卷筒進(jìn)行三維建模，并對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后，將SolidWorks模型文件另存為x.t文件，然后導(dǎo)入ANSYS中，劃分網(wǎng)格模型如圖3所示。

卷筒材料采用灰鑄鐵，其強(qiáng)度極限為200MPa，選擇SOLID45單元，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取模型的1/4，在兩輪支撐底部施加全約束，兩剖切面施加對(duì)稱約束，模擬鋼絲繩對(duì)卷筒表面及檔板一側(cè)均布載荷的作用下卷筒的受力及變形情況。

圖3 卷筒劃分網(wǎng)格模型

圖4 厚15mm卷筒等效應(yīng)力圖

若按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，取卷筒厚度約為鋼絲繩的直徑，對(duì)于這種精度要求不是很高的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，為方便計(jì)算及加工，一般對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行圓整，則卷筒厚為15mm，經(jīng)強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算，都符合設(shè)計(jì)要求，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)算法過(guò)于保守，圖4為卷筒厚15mm等效應(yīng)力圖，卷筒最大應(yīng)力為179.821MPa，小于灰鑄鐵的強(qiáng)度極限，其最大變形位移幾乎為0，符合實(shí)際要求，但對(duì)受力不是很大的中小型卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒厚15mm還是厚了些。

圖5 厚12mm卷筒等效應(yīng)力圖

圖6 厚11mm卷筒等效應(yīng)力圖

當(dāng)把卷筒厚度減小為12mm，其等效應(yīng)圖如圖5所示，雖然其最大變形位移變大了，但變形仍然幾乎為0，其最大應(yīng)力為189.617MPa，也在灰鑄鐵的強(qiáng)度極限范圍內(nèi)，圖6為11mm厚卷筒等效應(yīng)力圖，其最大應(yīng)力為196.815MPa，經(jīng)ANSYS進(jìn)一步分析可知，當(dāng)卷筒厚度小于11mm時(shí)，卷筒最大應(yīng)力會(huì)超過(guò)材料的強(qiáng)度極限。考慮到卷?yè)P(yáng)機(jī)工作過(guò)程中會(huì)受到動(dòng)態(tài)載荷，在設(shè)計(jì)卷筒厚度時(shí)還需要有一定的冗余，故選擇厚度為12mm即為最優(yōu)結(jié)果，這樣既減輕了卷筒重量、又降低了制造成本。

4 結(jié)論

在卷?yè)P(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效解決了鋼絲繩亂繩，咬繩等問(wèn)題，使鋼絲繩按規(guī)律整齊地纏繞在卷筒上，同時(shí)使得卷筒在工作中受力均勻，并且通過(guò)ANSYS軟件對(duì)卷筒受力情況進(jìn)行靜力分析，在滿足卷筒強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的前提下，得到了卷筒厚度的最優(yōu)結(jié)果，既減輕了卷筒重量、又降低了制造成本。

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