淺析卷揚自由落鉤過程

羿峰

摘? 要：卷揚在自由落鉤時，制動過程會對卷揚自身和機械結構造成沖擊。通過簡化模型，研究制動力矩對重物下落過程的加速度、沖擊力、重物下落高度的影響。結果表明，制動時重物對臂架結構的沖擊力與制動器的最大制動力矩、重物重量、倍率等有關，本文對合理匹配后三者之間的關系具有指導意義。

關鍵詞：卷揚、自由落鉤、動力學、分析、下降高度控制

卷揚是一種廣泛應用于工程機械的起升機構，卷揚自由落鉤是指卷筒與減速機完全脫開的情況下，利用重物的自身重量帶動卷筒旋轉的一種快速下落方式。由于工程需要，制動時制動器的力矩較大，因此制動過程會對卷揚自身和其他機械結構造成沖擊，對其進行動力學分析有利我們評估制動過程對整機結構的影響。本文將根據簡化模型的計算結果，結合相關試驗數據，確定制動力矩、鋼絲繩倍率、吊重的匹配關系，使制動裝置即滿足施工需要，又滿足設備要求。

1.簡化模型

建立如圖1所示的模型。

該模型的制動裝置為常開式帶式制動器，正常狀況下，制動油缸處于回縮狀態，拉簧有一定的預緊力，左右制動帶與卷筒上的制動鼓處于分離狀態。制動油缸伸出時制動帶拉緊，阻礙卷筒旋轉。

為了方便說明本質問題，做如下假設：1）鋼絲繩沒有彈性變形且重量忽略不計;2）不計滑輪重量;3）鋼絲繩在卷筒的同一層工作;4）忽略制動器的打開時間和關閉時間;5）制動帶具有足夠的柔韌性。

將整個過程分為2個階段。第1個階段，卷揚從靜止（位置1）開始做自由下落運動，至到開始制動的瞬間（位置2）為止;第2個階段，卷揚從開始制動的瞬間（位置2）起直到重物停止（位置3）。

2.自由下落過程

從上式中以得出，對于一臺已經確定了鋼絲繩倍率和吊載重量的起重機，重物在自由落體階段和制動階段的高度是關于最大有效制動力Fe與制動鼓半徑rz的函數，而最大有效制動力取決于制動油缸提供的力。

若考慮油缸伸出時的空行程和油壓建立滯后的影響，則必須在重物自由落體的高度小于理論高度h12時，以最大制動力進行制動，否則重物將會接觸地面。

4.討論與計算實例

經過以上分析和計算結果，機械設備在使用卷揚自由落鉤功能，選用的工況參數是否合理的評價指標主要有：重物下落總高度H、制動器最大有效制動力矩Fe·rz、鋼絲繩單繩拉力Fg23、重物對結構沖擊力n·Fg23/η、吊重總量mA、鋼絲繩倍率n等，工程應用時要根據實際情況合理匹配。

通過一個實例來說明（如圖2），現有一臺80噸級的起重機，該工作幅度下，額定起重量為Qmax，鋼絲繩破斷拉力為Fgmax，滑輪組中心距地面高H0，根據施工要求，需要重物能快速下放，并在完全制動后不接觸地面。

根據下表提供的數據，確定現有制動器、倍率、吊載總重量的選用是否合理。

從表3中比較前3組數據可以得出，吊重和制動力矩一定時，重物倍率越小對臂架結構沖擊也越小，而對卷揚本身的沖擊越大，因此在卷揚具有足夠安全裕度的情況下優先選用第3組數據是比較科學的，此時鋼絲繩的安全系數較大（約7.1），單倍率的作業效率也很高。

同樣可以根據實際情況，確定最佳的吊重和制動力矩。

5.結束語

（1）制動時重物對臂架結構的沖擊力與制動帶的最大制動力矩有關，而與制動時間和制動瞬間的初速度不直接相關。制動裝置的設計應充分考慮制動油缸、制動鼓半徑、摩擦片材料等的匹配。

（2）制動時沖擊力遠大于重物與吊鉤總重量，設計時充分考慮沖擊對結構的影響。

（3）重物自由落體的高度存在某個許用值，當超過該值時，可以通電氣程序控制啟制動裝置。

（4）本文中的自由落鉤過程是一個簡化模型，在進行實際工程應用時，還應充分考慮其他因素的影響，如鋼絲繩的重量及變形、繞繩滑輪的轉動慣量、制動油缸的空行程等，對電氣控制過程進行合理的修正。

參考文獻

[1]西北工業大學機械原理及機械零件教研室，濮良貴，紀名剛主編.機械設計[M].第七版.高等教育出版社，2002 ：142-144.

[2]許磊磊.輪胎式起重機自由落鉤結構動態特性研究[D].武漢理工大學，2011.