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        淺析多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)在大起升高度起重機(jī)上的應(yīng)用

        2017-01-20 15:17:42夏常福
        中國(guó)設(shè)備工程 2017年20期
        關(guān)鍵詞:卷筒折線鋼絲繩

        夏常福

        (南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,江蘇 南京 210017)

        淺析多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)在大起升高度起重機(jī)上的應(yīng)用

        夏常福

        (南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院,江蘇 南京 210017)

        隨著大起升高度起重機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用增多,多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)已成為起重機(jī)領(lǐng)域的新研究熱點(diǎn)。本文在對(duì)多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行整理和分析的基礎(chǔ)上,從鋼絲繩特性、入槽偏角、仿真數(shù)據(jù)累計(jì)等角度分析了目前對(duì)多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)研究不充分的原因,最后給出了卷筒本體優(yōu)化、張緊裝置設(shè)計(jì)和導(dǎo)繩裝置研發(fā)等新的研究方向。

        起重機(jī);多層鋼絲繩纏繞;雙折線卷筒

        起重機(jī)作為一種生產(chǎn)型特種設(shè)備在大型工程施工,在高層建筑建設(shè)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。隨著起重機(jī)起升高度的加大和起升重量的增加,起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩纏系統(tǒng)的繞繩量和復(fù)雜程度增加。

        傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是加大卷筒直徑或長(zhǎng)度和改變繩系的倍率,但這種設(shè)計(jì)方法已無(wú)法完全滿足用戶對(duì)起重機(jī)的使用要求。因?yàn)榧哟蠛蟮木硗矊⒁馕吨龃蟮闹亓亢娃D(zhuǎn)動(dòng)慣量,這就需要更大的電機(jī)容量和使用空間,增大倍率意味著降低起升效率,在設(shè)計(jì)上多半采用鋼絲繩在卷筒上的多層纏繞方式來(lái)解決這一難題。在起重機(jī)的使用過(guò)程中,要求鋼絲繩能夠整齊的卷繞,避免出現(xiàn)亂繩現(xiàn)象。因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)了亂繩現(xiàn)象,會(huì)造成鋼絲繩或卷筒等主要零部件的過(guò)快磨損。對(duì)于大起升高度起重機(jī)來(lái)說(shuō),更換一次鋼絲繩不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力,還會(huì)造成過(guò)多的經(jīng)濟(jì)損失。目前,用于大起升高度起重機(jī)的多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究已成為國(guó)內(nèi)起重機(jī)行業(yè)的新熱點(diǎn)。

        1 研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

        在不能無(wú)限度提高卷筒直徑或長(zhǎng)度,并不降低起升效率的情況下,多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)成為大起升高度起重機(jī)的首選。纏繞系統(tǒng)包括鋼絲繩、卷筒、導(dǎo)繩裝置、滑輪等多個(gè)零部件,同時(shí)纏繞系統(tǒng)的工作狀況又與鋼絲繩尺寸、纏繞速度、纏繞層數(shù)和系統(tǒng)布置等因素有關(guān)。其中卷筒是卷繞和容納鋼絲繩的部件,通過(guò)對(duì)鋼絲繩的收放,可把原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力傳遞給鋼絲繩,并將原動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。目前市面上,最常見(jiàn)的多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)按照繩槽排列形狀的不同進(jìn)行分類,主要分為無(wú)繩槽卷筒、螺旋線式卷筒、折線式卷筒。其中折線式卷筒由于其適用于多層纏繞,被越來(lái)越被廣泛地使用。

        我國(guó)于20世紀(jì)80年代引進(jìn)了折線卷筒,主要用于礦山挖掘、石油開(kāi)發(fā)、港口起重機(jī)械上,對(duì)幾十米到上百米的高揚(yáng)程大重物的大型起重機(jī)的需求上,雙折線式卷筒應(yīng)用愈加廣泛。例如在三峽水利樞紐工程的左岸電站尾水部分雙向門式起閉機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,在東風(fēng)水電站瀉洪系統(tǒng)、揚(yáng)程、斜拉10°的固定式啟閉機(jī)上的應(yīng)用等等。這些新應(yīng)用的卷筒的共同特點(diǎn)是可以多層纏繞鋼絲繩,避免了傳統(tǒng)卷筒只纏繞一層鋼絲繩的缺點(diǎn),而且縮短了卷筒長(zhǎng)度,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。

        對(duì)于起重機(jī)鋼絲繩纏繞系統(tǒng),國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究,并用有限元分析的方法進(jìn)行了一定程度的分析研究,對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了一部分有價(jià)值的建議。華東交通大學(xué)的余志良等人根據(jù)物體材料的受力變性分析,對(duì)卷筒進(jìn)行有限元屈曲分析,為卷筒強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校核提供了理論依據(jù)。武漢理工大學(xué)的肖漢斌考慮了深槽對(duì)穩(wěn)定性的影響,用有限元軟件Algor把繩槽當(dāng)做梁加到繩槽上,分析了卷筒繩槽對(duì)穩(wěn)定性影響的規(guī)律,對(duì)卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算中繩槽凸筋的考慮方法進(jìn)行了簡(jiǎn)化,提出了切合工程實(shí)際要求的實(shí)用化的卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算方法。西南交通大學(xué)的洪浩等人用Ansys Workbench作為工具對(duì)起重機(jī)多層卷繞卷筒進(jìn)行有限元分析,在綜合考慮卷筒端側(cè)板對(duì)卷筒承載能力的影響下,根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)卷筒壁厚δ和端側(cè)板厚度h進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較,獲得傳統(tǒng)方法難以分析的局部區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)。為大起重量、大起升高度吊裝起重機(jī)多層卷筒的結(jié)構(gòu)研究與構(gòu)造的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。同課題組的王悅等人對(duì)卷筒的壁厚、直徑、擋邊與卷筒轂位置各方面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,有效減輕了卷筒的重量。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的李婷等人通過(guò)建立IWRCI?7單股鋼絲繩三維模型,基于Workbench仿真平臺(tái)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行靜力分析和疲勞分析,得到鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布以及交變載荷下鋼絲繩疲勞壽命云圖,得到其常見(jiàn)疲勞破壞點(diǎn)位置。廣州起重機(jī)械有限公司的羅健康等人通過(guò)COSMOSWorks對(duì)卷筒模型進(jìn)行有限元分析,揭示了卷筒的應(yīng)力、位移和安全系數(shù)的分布規(guī)律,最后進(jìn)行了卷筒壁厚的優(yōu)化。

        實(shí)際中我們一般根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),雖然在整體上都滿足了實(shí)際的使用需求,但是缺少了局部細(xì)節(jié)分析,因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用最安全的參數(shù),但這又無(wú)疑對(duì)材料造成了較大的浪費(fèi)。從參考文獻(xiàn)中看出國(guó)內(nèi)學(xué)者雖已對(duì)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)及其部件進(jìn)行了一定程度的研究,但其中仍有不完善的地方。首先分析的卷筒類型大部分為光面卷筒以及螺旋繩槽卷筒,其次國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的研究大部分側(cè)重于卷筒的優(yōu)化,而沒(méi)有將纏繞系統(tǒng)視為一個(gè)整體來(lái)研究。再者雖有學(xué)者對(duì)于螺旋繩槽卷筒的鋼絲繩纏繞系統(tǒng)進(jìn)行研究,其模擬鋼絲繩纏繞的層數(shù)也僅僅為三層,而實(shí)際情況中存在著許多四層以上的情況。

        2 研究不完善的原因

        綜合近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)起重機(jī)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的研究文獻(xiàn),可發(fā)現(xiàn)雖然研究者們?cè)诙鄬愉摻z繩纏繞有了大量的研究分析工作,但與實(shí)際應(yīng)用狀況的需求仍有較大的差距,主要原因有以下幾點(diǎn)。

        (1)在鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的分析中,由于鋼絲繩自身的復(fù)雜性,對(duì)于鋼絲繩的實(shí)際捻向繞制上的模擬很難做到真實(shí)。在纏繞系統(tǒng)的仿真中,很少有很詳細(xì)有效的模擬鋼絲繩在換層時(shí)導(dǎo)向抬升墊塊的建模,這是由于大部分廠家的墊塊無(wú)法完全按照?qǐng)D紙進(jìn)行生產(chǎn),但這又給導(dǎo)向抬升墊塊的優(yōu)化造成了困難。目前還沒(méi)有一套比較符合實(shí)際的卷筒、鋼絲繩以及導(dǎo)向抬升墊塊以及它們相互之間的接觸的仿真模擬方法。

        (2)工程師和設(shè)計(jì)者們針對(duì)此類卷筒已經(jīng)設(shè)計(jì)出了各種類型的雙折線式卷筒,得出相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)參數(shù)的選用形成了一定的規(guī)范,但目前針對(duì)雙折線卷筒折線段的偏角以及鋼絲繩入槽角的相應(yīng)研究幾乎沒(méi)有,或許是大部分研究者和設(shè)計(jì)者認(rèn)為有些少許的偏角影響不值得深究,但其實(shí)雙折線式卷筒纏繞系統(tǒng)的偏角問(wèn)題,對(duì)纏繞穩(wěn)定性有極大的影響。

        (3)在國(guó)內(nèi)對(duì)于虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真分析研究應(yīng)用范圍雖然比較廣,但是在起重機(jī)的大型起重機(jī)分析上面,國(guó)內(nèi)學(xué)者都是針對(duì)起重機(jī)中的起升機(jī)構(gòu)和抬升機(jī)構(gòu)的宏觀上的分析。由于國(guó)內(nèi)的卷筒目前較多都停留在仿制國(guó)外卷筒的階段,無(wú)法針對(duì)實(shí)際的需求設(shè)定符合實(shí)際工況的卷筒,且設(shè)計(jì)這類卷筒的廠家很少,尚難以創(chuàng)新開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。同時(shí)機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)中包含大量機(jī)械系統(tǒng)及其力學(xué)特性的數(shù)據(jù),這些存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的符合性,以及這些數(shù)據(jù)是否適應(yīng)于實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu),都需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

        3 研究方向的建議

        整體來(lái)說(shuō),鋼絲繩纏繞系統(tǒng)是由鋼絲繩、卷筒、張緊裝置、導(dǎo)繩裝置和滑輪組幾個(gè)主要部分組成的,針對(duì)當(dāng)前大起升高度起重機(jī)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問(wèn)題,可對(duì)組成系統(tǒng)的各個(gè)部分分別進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究中應(yīng)當(dāng)結(jié)合微分幾何理論、理論力學(xué)、彈性力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí),可采用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬仿真等技術(shù)手段。

        (1)多層鋼絲繩纏繞卷筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前在多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中所用的多為雙折線卷筒,但對(duì)此類卷筒的折線角度和折現(xiàn)尺寸均沒(méi)有進(jìn)行定量的分析和研究??赏ㄟ^(guò)有限元虛擬仿真的方法建立多層纏繞卷筒的模型、鋼絲繩在卷筒中換向時(shí)的模型、鋼絲繩爬升時(shí)的模型等,采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的方法研究鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的力學(xué)性能,對(duì)卷筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得最佳卷筒形式。

        (2)鋼絲繩張緊裝置的設(shè)計(jì)。在多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中要求鋼絲繩在使用過(guò)程中必須預(yù)拉伸,在纏繞過(guò)程中保證每層鋼絲繩整齊排列??赏ㄟ^(guò)分析預(yù)拉力對(duì)纏繞系統(tǒng)的影響,獲得最佳預(yù)拉力數(shù)值范圍,并通過(guò)分析多層纏繞鋼絲繩系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出適用于多層纏繞系統(tǒng)的預(yù)緊裝置,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)張緊裝置進(jìn)行改進(jìn)。

        (3)導(dǎo)繩裝置的分析設(shè)計(jì)。為了更好的獲得纏繞效果,需要在纏繞系統(tǒng)中盡可能的控制鋼絲繩的繞入偏角,使之盡可能小,目前的多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)均未設(shè)置導(dǎo)繩裝置,可根據(jù)不同的鋼絲繩尺寸和系統(tǒng)的布置方式,設(shè)計(jì)出一種行之有效的導(dǎo)繩裝置,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)的導(dǎo)繩裝置進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。

        [1]余志良.大型焊接卷筒強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析[D].華東交通大學(xué),2013.

        [2]肖漢斌.起重機(jī)卷筒強(qiáng)度和穩(wěn)定性理論分析與試驗(yàn)研究[D].武漢理工大學(xué),2002.

        [3]洪浩,許志沛,高海濤.基于Ansys Workbench起重機(jī)多層卷繞卷筒結(jié)構(gòu)研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2012(12):56-59.

        [4]王悅,張仲鵬,申士林,等.基于ANSYS卷筒單層卷繞與多層卷繞的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(8):4-5.

        [5]李婷,苗運(yùn)江.基于Workbench的鋼絲繩疲勞壽命分析[J].煤礦機(jī)械,2011,32(5):53-55.

        [6]羅健康,印波.起重機(jī)卷筒有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(11):185-186.

        TH213.5

        A

        1671-0711(2017)10(下)-0152-02

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