一種可解決徑向齒塊式結構缺陷的新型齒套式調繩離合器

李榮德

中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100

調繩離合器是單繩雙筒纏繞式提升機的一個重要部件。提升機正常工作時，調繩離合器合上，轉矩從主軸傳遞到游動卷筒上，保證提升機正常提升。提升機運行一段時間后，繩子長度伸長或需要更換提升水平時，調繩離合器打開，游動卷筒與主軸連接或者脫離，使得游動卷筒與固定卷筒同步轉動或作相對運動，以調節繩長或更換提升水平。

1 徑向齒塊式調繩離合器的特點

目前，我國常用的調繩離合器為徑向齒塊式結構，如圖 1 所示[1-2]，主要由齒塊、齒圈、液壓缸、聯鎖閥等組成。該調繩離合器的工作原理為：提升機正常工作時，齒塊和內齒圈處于嚙合狀態，驅動液壓缸處于回油狀態，驅動液壓缸的油路關閉，聯鎖閥鎖閉，保證齒塊和內齒圈可靠地嚙合；調繩時，提升機處于安全制動狀態，高壓油先進入聯鎖閥，使聯鎖閥的柱銷從活塞桿的凹槽中移出，然后高壓油進入驅動液壓缸的離開腔，推動活塞桿向左移動，通過與活塞桿連接的移動轂使齒塊與內齒圈脫離嚙合，達到游動卷筒與主軸分離的目的。

圖1 徑向齒塊調繩離合器

高壓油使活塞桿繼續向左移動，當移動至設定距離時，低速啟動提升機，提升方向根據實際情況或正或反，固定卷筒和游動卷筒間產生相對轉動，調整鋼絲繩長度到準確的停車位置或更換到需要的提升水平，并使游動卷筒與固定卷筒上黑白相間標記塊相互對準停車，從而完成調繩操作。

徑向齒塊調繩離合器的主要缺點如下。

(1) 有較大的安全隱患 傳遞轉矩時，齒塊受到向下的力，有向下脫開的趨勢，提升過程中一旦發生聯鎖閥誤操作，齒塊將向下脫開，游動卷筒和主軸之間無法傳遞轉矩，游動卷筒上掛的鋼絲繩和提升容器失去平衡，將發生嚴重的容器墜落事故。

(2) 調繩精度較低 提升機規格較大時，調繩離合器需要傳遞的轉矩較大，而齒塊式離合器的齒塊數量有限，齒塊上的齒數也有限，因此齒塊尺寸大，必然影響調繩離合器的調繩精度[3-4]。

(3) 對主軸精度要求較高 熱裝影響整個主軸的徑向尺寸。

2 齒套式調繩離合器的結構

鑒于齒塊式調繩離合器的不足之處，筆者研制出了一種齒套式調繩離合器，如圖 2 所示，主要由主軸、主軸外齒套、調繩液壓缸、撥動環、移動內外齒套、游動內齒套和游動卷筒等組成。

圖2 齒套式調繩離合器

主軸外齒套通過定位銷與軸肩定位，通過螺栓擰緊產生的摩擦力傳遞主軸上的轉矩，同時主軸外齒套還充當移動內外齒套的滑動軌道，移動內外齒套可以在主軸外齒套上滑動，如圖 3 所示。

圖3 齒套式調繩離合器工作方式

安裝在主軸外齒套上的移動內外齒套有內齒和外齒，其內齒與主軸外齒套的外齒相嚙合，通過驅動裝置可以在主軸內齒套上移動，當其被推向卷筒方向時，移動內外齒套上的外齒與游動卷筒內齒圈相嚙合，從而實現離合器的嚙合，轉矩從主軸傳遞到移動內外齒套，然后再傳遞到游動卷筒內齒圈。游動卷筒內外齒圈通過螺栓連接在游動卷筒幅板上，當移動內外齒套與游動內齒套嚙合后，主軸的轉矩可以通過調繩離合器傳遞到游動卷筒，從而使主軸帶動游動卷筒轉動。

調繩時，在調繩液壓缸的帶動下，移動內外齒套向反方向脫開，主軸的轉矩無法傳遞到游動卷筒上，此時主軸可以自由轉動，從而實現游動卷筒的調繩功能。

3 設計方法

齒塊式調繩離合器和齒套式調繩離合器的設計校核方法不同。齒塊式調繩離合器校核條件為：假設只有一個齒工作，在該齒的極限撓度下，校核該齒的最大應力。齒套式調繩離合器的校核條件為：齒套接觸，考慮載荷不均勻系數，校核齒套的齒面應力。

調繩離合器傳遞的轉矩為：

(1) 正常提升時，調繩離合器所傳遞的最大轉矩

式中：Fmax為游動卷筒提升開始時的最大靜張力，N；G為游動卷筒變位質量，kg；a為提升加速度，m/s2；R為卷筒半徑，mm。

由式 (1) 計算可得，提升機正常提升時，調繩離合器傳遞的最大轉矩為 2.383 7×108N·mm。

(2) 調繩時機構所傳遞的力矩

式中：Q1為提升容器的質量，kg；P為鋼絲繩的單位質量，kg/m；H3為 3 層纏時的提升高度，m；g為重力加速度，m/s2。

由式 (2) 計算可得，調繩時機構傳遞的力矩為 1.429 3×108N·mm。

3.1 徑向齒塊式調繩離合器的強度設計方法

若只有一個齒工作，在該齒的極限撓度下，齒輪承擔的力矩

式中：K為齒厚公差，mm；E為齒輪材料彈性模量，2.1×105MPa；b為齒寬，mm；m為模數，mm；B為修正系數。

當外齒輪齒數不等于內齒圈齒數時，

式中：Z2為內齒圈齒數；Z1為外齒塊齒數。

齒中的最大應力

式中：T2為游動卷筒提升最終受力，N；T1為游動卷筒提升開始受力，N。

只要滿足：

即認為離合器強度足夠。

3.2 齒套式離合器的計算方法

齒輪的分度圓直徑

式中：z為齒數；m為模數，mm。

內齒輪的寬度

校核齒面壓強

式中：Te為離合器的計算轉矩，N·mm；ε為載荷不均勻系數；pp為齒面許用壓強，Pa；K1為工況系數，取 1.8；T為離合器的理論轉矩，對于嵌合式離合器，T為穩定運轉中的最大工作轉矩或原動機的公稱轉矩，N·m，理論轉矩為 2.383 7×108N·mm。

由式 (11) 計算可得離合器轉矩Te=4.290 66× 108N·mm。

3.3 調繩精度計算

以 2JK-3×1.5P 單繩雙筒纏繞式提升機參數進行設計計算。

同樣的轉矩下，齒塊式的模數m=14，齒套式的模數m=5，調繩精度有較大提高。

齒塊式的調繩精度

齒套式調繩精度

齒塊式調繩離合器的單齒需滿足許用應力，對模數有嚴格要求，而齒套式離合器齒輪的模數在滿足齒面應力的情況下可以有效減小，因此齒套式調繩離合器的調繩精度高于齒塊式調繩離合器。

4 結語

與徑向齒塊式調繩離合器相比，齒套式調繩離合器的優越性如下。

(1) 加強系統的安全性 主軸通過齒套與游動卷筒連接，在提升機運行過程中不會產生向外脫出的受力趨勢，避免了徑向齒塊式調繩離合器運行過程中向外脫出的危險，增強了提升系統的安全性。

(2) 結構簡單緊湊易加工 齒套式調繩離合器相對于徑向齒塊式調繩離合器結構更簡單，加工更方便。

(3) 對主軸適應性強 齒套式調繩離合器的主軸外齒套和游動卷筒內齒套都用螺栓安裝，均可做成兩瓣結構。徑向齒塊式調繩離合器則有輪轂需要熱裝在主軸上，因此對主軸結構有要求，比如在熱裝輪轂的方向不能有大于熱裝輪轂內孔的軸臺軸肩等。相比較而言，齒套式調繩離合器對主軸上的軸臺和軸肩則基本沒有要求。

(4) 提高了調繩精度 齒套式調繩離合器采用齒套傳遞轉矩，因此齒套中齒的模數可以比用齒塊傳遞轉矩的徑向齒塊式調繩離合器要小，調繩精度也比徑向齒塊離合器高。