提升機卷筒的小型化改造設計

溫毅　李龍　康文凱　李哲宇　郝曉華

摘 要：為了使提升機卷筒適用與小空作業，文章通過相關實驗及數據表明，選用最小彎曲直徑的鋼絲繩，并用尼曼公式校核在該直徑下鋼絲繩的壽命;接著分析計算鋼絲繩在不同的纏繞層數下，卷筒擋繩板直徑以及卷筒纏繩部分寬度，并根據已有的實驗數據選擇一組合適的值作為卷筒的基本設計尺寸;最后對卷筒進行理論校核和有限元分析。

關鍵詞：卷筒 小型化 壽命 校核 有限元

1 引言

常見的提升機往往已有相應的設計標準，例如煤礦用提升機的設計需按照煤礦用提升機標準進行設計[1]，而此類提升機通常體積較大。其在設計制造中要考慮鋼絲繩使用壽命[2-3]等經濟效益。而在一些特殊領域，譬如救援，提升機在滿足安全前提下，要考慮的是小型化以及其小型化后強度是否符合要求。提升機的小型化最主要的就是卷筒的小型化;小型化后的強度是否符合要求，可通過有限元分析[4]來判斷。

2 提升機參數

本文主要研究提升機卷筒的小型化改造這一部分，使其在實現小型化的同時，能夠滿足將實際重460kg的目標重物以不大于0.5m/s的速度從小于800m的井深中提升到地面的設計要求。

3 鋼絲繩的設計

原系統使用的鋼絲繩是按照《重要用途鋼絲繩》（GB918-2006）的要求，委托特制出專用鋼絲繩。鋼絲繩直徑11.8mm，拉斷力85KN，最小彎曲直徑504mm。

4 卷筒的改造

4.1 卷筒繩徑比的選擇

在某些特殊領域，譬如緊急救援，沒有單獨的標準對其卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d的比值，即繩徑比D/d做出單獨規定。所以可以在參考其它行業標準的基礎上選擇合適的繩徑比D/d：煤礦領域中，中國規定D/d>80，加拿大規定D/d>60（d≤25）;電梯領域中，中國規定D/d>40

繩徑比D/d越大鋼絲繩內彎曲應力就越小，鋼絲繩的使用壽命就越長。鋼絲繩內彎曲應力σ計算公式如式（1）。

式中：D——卷筒直徑;d——鋼絲繩直徑;d1——鋼絲繩中最粗鋼絲直徑;E1——鋼絲繩所用材料的彈性模量;β——應力不平衡系數;σ——鋼絲繩內彎曲應力。

在空間受限的情況下，要求：（1）在保證安全的前提下，提升機體積要盡可能小，即鋼絲繩直徑一定時，繩徑比盡可能小;（2）鋼絲繩完成一次任務就可更換，或者中途也可以停機更換。因此可以初選繩徑比D/d為45，然后校核其壽命。

4.2 鋼絲繩壽命的校核

鋼絲繩從開始到報廢的損壞過程，如圖1。這里我們認為鋼絲繩在一個螺距內斷絲10%時就需要報廢。

鋼絲繩的彎曲疲勞壽命與D/d之間存在一定聯系。尼曼（Niemann）公式給出了鋼絲繩在一個螺距內斷絲10%時所需的彎折次數的計算公式。公式如式（2）。

式中：D/d——繩徑比，取為45;n——彎折次數;Sf——安全系數，取為9;σB——破斷拉應力，取為0.78Mp。

計算得彎折次數為次。

使用壽命是完全可以達到設計要求的，故可取繩徑比為45。

4.3 卷筒尺寸的改造

4.3.1 卷筒直徑的改造

襯板上的繩槽的螺距為14mm，繩間距為2mm，繩槽深度為4mm。如圖2。由鋼絲繩直徑為11.8mm，繩徑比D/d為45，可以計算得安裝有襯板后的首層鋼絲繩繩圈直徑為531mm。已知所選鋼絲繩最小彎曲直徑為504mm，故初選安裝塑襯后的首層鋼絲繩繩圈直徑為531mm，卷筒直徑為528mm是可取的。

卷筒的直徑越小，所需襯板厚度越小。在原系統中，其卷筒所采用的襯板即為塑襯，且厚度為41mm，該處延用厚度為41mm的塑襯。相應的未安裝塑襯時卷筒外徑變為446mm。

4.3.2 卷筒寬度和擋繩板直徑的設計

設鋼絲繩纏繞層數為i，卷筒纏繩部分寬度為B，擋繩板直徑為D2。鋼絲繩每在卷筒纏繞一層，該層鋼絲繩距卷筒中心的距離會比上一層鋼絲繩距離中心的距離增加h，計算公式如式（3）。

式中：h——鄰層兩相鄰鋼絲繩中心的距離，mm;L1——鄰層兩相鄰鋼絲繩中心的距離，取為11.8mm;L2——同層兩相鄰鋼絲繩中心距離的一半，取為6.9mm;計算得h為9.6mm。

鋼絲繩在卷筒上的纏繞層數i與卷筒纏繩部分的寬度B有如下關系：

時，

根據2016版《煤炭安全規程》規定，絞車卷筒上纏繞兩層或兩層以上的鋼絲繩時，滾筒邊緣高出最外層鋼絲繩的高度至少為鋼絲繩直徑的2.5倍。此處取為4倍。檔繩板的直徑D2與鋼絲繩在卷筒上的纏繞層數i有如下關系：

時，

纏繞層數越多，卷筒纏繩部分寬度B以及擋繩板直徑D2越小，卷筒受到的壓力與纏繞在卷筒上的內層鋼絲繩圈受到的壓力也就越大，但出現鋼絲繩在卷筒上排列時越容易出現跳繩、亂繩的情況。故初選纏繩8層，纏繩部分寬度為723mm，擋繩板直徑為785mm作為卷筒的基本尺寸。

5 卷筒的有限元分析與驗證

5.1 建模及網格劃分

利用NX10.0軟件建立卷筒的三維模型，然后導入ANSYS Workbench分析軟件，進行分析處理。為了提高有限元分析效率，在建模過程中對卷筒結構進行了優化處理，如忽略部分倒角、螺紋孔等。由于卷筒結構形狀不規則，故采用自由網格劃分，如圖3所示。

5.2 約束與載荷

根據已有的滾筒受力分析經驗，可對卷筒施加以下三個載荷：（1）由纏繞在卷筒上鋼絲繩產生的壓力q，可按式（6）計算;（2）當鋼絲繩纏滿某層向下一層過渡時，在這個過渡繩圈內，鋼絲繩對擋繩板有楔入作用，對兩當繩板有軸向推力F推，可按式（7）計算;（3）鋼絲繩自由端對卷筒的扭矩M，可按式（8）計算。在現場試驗中，救援艙提升速度要求小于0.5m/s，且啟動和制動時的沖擊載荷極小可以忽略，因此卷筒的工況主要為勻速轉動狀態。故對卷筒分析時，可對卷筒的連接法蘭添加固定約束，然后對卷筒施加載荷進行分析。

式中k——鋼絲繩纏繞系數，約為4.9;R——卷筒的半徑，265.5mm;q——鋼絲繩作用到卷筒的壓力，計算得7.86Mpa。

式中F推——對擋繩板的軸向推力，計算得101KN;

式中M——鋼絲繩自由端對卷筒的扭矩，計算得1.6KN/m。

5.3 有限元分析結果

圖4為纏繩8層時，卷筒的應力云圖，纏繩8層時，卷筒的變形云圖。卷筒材料16Mn的屈服強為345Mpa。當卷筒上最大纏繞8層鋼絲繩時，作用于卷筒的最大平均等效應力為151Mpa。在強度上卷筒滿足正常的使用要求。卷筒的最大變形量為0.65mm，剛度上滿足卷筒的使用要求。

6 結論

對提升機卷筒的小型化設計，減小了設備的體積、減輕了重量，理論分析證明其安全性、可靠性均滿足要求。對卷筒進行小型化改造后，鋼絲繩的選取發生了變化。卷筒直徑與鋼絲繩直徑的比值即繩徑比改為45，理論計算和現場實驗證明其可以滿足使用要求。考慮到使用特殊性，可以對鋼絲繩采用如下安全檢測措施：鋼絲繩在每次使用后，就可以進行一次全面檢測，評估其性能，如果不合格就更換新繩備用;在使用時也可以進行現場監測，如果出現異常信號就可以停機檢測鋼絲繩，然后根據檢測結果決定是否更換備用鋼絲繩。這樣就可以做到安全使用。

參考文獻：

[1]王運敏.中國采礦設備手冊（下冊）[M]. 北京：科學出版社，2007：989-991.

[2]胡吉全，胡正權.鋼絲繩受力特性對疲勞壽命的影響[J]. 港口裝卸，2005.（01）：10-12.

[3]賈小凡，張坤德. 承載鋼絲繩在不同預張力下的彎曲疲勞損傷研究[J].機械工程學報，2011.（24）：31-37.

[4]葛成遠. 纏繞式礦井提升機卷筒筒殼強度分析[J]. 礦山機械，1975.（01）：15-26.