艾義霖

摘要：起重機(jī)發(fā)展至今，已經(jīng)成為合理組織成批大量生產(chǎn)和機(jī)械化流水作業(yè)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代化生產(chǎn)的重要標(biāo)志之一。起重機(jī)是在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運(yùn)重物的多動(dòng)作起重機(jī)械，有很多種分類，但所有起重機(jī)中的內(nèi)部構(gòu)件，卷筒是最重要的承重部件之一，通過(guò)電機(jī)的作用來(lái)卷繞鋼絲繩以實(shí)現(xiàn)其吊重物的下降提升，它承載起升載荷，收放行絲繩以實(shí)現(xiàn)取物裝置的升降。卷筒的纏繞半徑、圈數(shù)都對(duì)起動(dòng)機(jī)有著質(zhì)的影響，所以從幾個(gè)因素入手優(yōu)化并解決起重機(jī)卷筒的設(shè)計(jì)問(wèn)題。對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓起重機(jī)得以完善發(fā)展。

關(guān)鍵詞：卷筒聯(lián)軸器;設(shè)計(jì);橋式起重機(jī);卷筒裝置;制造;減速器;鼓形滾柱聯(lián)軸器;機(jī)械化

起重機(jī)內(nèi)部構(gòu)件，卷筒是構(gòu)件的重要零件之一，卷筒用來(lái)卷繞鋼絲繩的部件，傳遞動(dòng)力，收放鋼絲繩，實(shí)現(xiàn)取物裝置升降，并將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。卷筒有長(zhǎng)軸卷筒和短軸卷筒之分。長(zhǎng)軸卷筒包括齒輪連接盤和帶大齒輪的卷筒組，是一種應(yīng)用較廣泛的結(jié)構(gòu)形式。卷筒的性質(zhì)和工作可靠性直接影響著起重機(jī)的性能與質(zhì)量，卷筒裝置主要構(gòu)成是由纏繞鋼絲繩的卷筒體、卷筒體與減速器之間的連接裝置、卷筒軸和端部支承座等部件組成。

1、卷筒獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)

卷筒的構(gòu)造運(yùn)行都決定著起重機(jī)的運(yùn)行效率與安全系數(shù)，卷筒構(gòu)造設(shè)計(jì)至關(guān)重要.近些年的發(fā)展，國(guó)家對(duì)此重視程度增加，培養(yǎng)大批研究人員對(duì)卷筒優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究.卷筒裝置的結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)，我國(guó)起重機(jī)行業(yè)采用的卷筒裝置傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式多為齒輪盤連接方式，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外起重機(jī)行業(yè)在卷筒裝置上采用了一些成熟的新技術(shù)，例如德國(guó)等國(guó)的新的設(shè)計(jì)方法，采用的一種卷筒裝置，其關(guān)鍵技術(shù)是在驅(qū)動(dòng)減速器與卷筒之間安裝有一套特殊的鼓形滾柱聯(lián)軸器，此聯(lián)軸器不僅能傳遞扭矩和承受較大的徑向力，而且還能補(bǔ)償減速器軸線與卷筒軸線的角度偏差，最大可達(dá)十五度。由于這種聯(lián)軸器制造難度大、造價(jià)高，未能在我國(guó)中小型起重機(jī)上推廣應(yīng)用。據(jù)近幾年對(duì)這種卷筒聯(lián)軸器應(yīng)用的觀察和分析，發(fā)現(xiàn)因其自身結(jié)構(gòu)的缺陷，在軸線偏差的補(bǔ)償和安全可靠性方面還存在一定的問(wèn)題。

綜合以上上述，根據(jù)起重機(jī)卷筒不足與長(zhǎng)處，對(duì)卷筒設(shè)計(jì)有了具體的研究方案。

1.1增加卷筒的直徑。采用該種方法后，由于卷筒直接安裝在起重機(jī)小車上，使起重機(jī)的高度也相應(yīng)地增加了，與卷筒直接聯(lián)接的減速器低速軸的承載能力也必須相應(yīng)地提高，因此使室內(nèi)工作的起重機(jī)所在廠房的高度也受到了一定影響。

1.2加長(zhǎng)卷筒的尺寸。此方法簡(jiǎn)單有效，但是要求起重機(jī)上小車的寬度或者長(zhǎng)度也必須根據(jù)卷筒的長(zhǎng)度做相應(yīng)的調(diào)整，從而影響了起重機(jī)的其他結(jié)構(gòu)。上述兩種方法直接簡(jiǎn)單，但是受起重機(jī)所在的環(huán)境及本身結(jié)構(gòu)的局限，起升高度增加的幅度不是很大，因此對(duì)于起升高度特別大的起重機(jī)來(lái)說(shuō)仍然不能滿足要求。

1.3卷筒支承短軸的設(shè)計(jì)，支承短軸的設(shè)計(jì)是這種卷筒裝置設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2卷筒受力分析

2.1鋼絲繩纏繞工作原理

鋼絲繩在雙折線卷筒中的纏繞過(guò)程是一種空間不規(guī)則螺旋運(yùn)動(dòng).在第1層的直線段，鋼絲繩沿卷筒繩槽周向纏繞;在折線段，沿著折線繩槽周向和軸向復(fù)合運(yùn)動(dòng).從第2層開(kāi)始，鋼絲繩規(guī)則的纏繞在下一層鋼絲繩形成的繩槽內(nèi)，折線段鋼絲繩因纏繞旋向與下一層相反，兩層鋼絲繩呈軸線交叉排列.

2.2多層鋼絲繩纏繞卷筒受力數(shù)學(xué)模型

多層纏繞時(shí)，上層的壓力加上該圈由于張緊產(chǎn)生的正壓力等于總的傳給下層的壓力.

鋼絲繩卷繞在下一層排列形成的繩槽內(nèi)，假設(shè)同一層繩圈間徑向無(wú)相互作用力，即鋼絲繩的支承繩圈為下一層的兩繩圈.

根據(jù)受力平衡原則可知i+2層鋼絲繩與i+1層鋼絲繩之間的擠壓力公式為Ns=12（cos βθ+μssin βθ）Pj，i+2 （5）式中：Pj，i+2為鋼絲繩徑向正壓力;i為鋼絲繩層數(shù)，i=1，2，…，n;j為每層鋼絲繩纏繞圈數(shù)，j=1，2，…，m;μs為鋼絲繩與鋼絲繩間的摩擦因數(shù);βθ為卷筒周向壓力與鋼絲繩圈接觸面垂線方向的夾角.

根據(jù)受力平衡原則，i+2層鋼絲繩與i+1層鋼絲繩之間的擠壓力公式為Ns=1cos βθ+μssin βθPj，i+2 （6）由折線段繩圈排列的幾何關(guān)系可知βθ值非常小，并在折線段中點(diǎn)為0，因此對(duì)于卷筒折線段，鋼絲繩與支承繩圈間的擠壓力近似為Ns=Pj，i+2 （7）1.3.3卷筒換層爬升段鋼絲繩纏繞卷筒受力模型

3程序編制

根據(jù)使用MATLAB/SIMULINK編程，對(duì)每圈鋼絲繩的受力平衡方程進(jìn)行求解.鋼絲繩每繞1圈，就對(duì)前面纏繞的鋼絲繩的受力情況重新求解，最終得到在鋼絲繩整個(gè)纏繞過(guò)程中卷筒的動(dòng)態(tài)受力分布情況.

由于通過(guò)計(jì)算得到的卷筒載荷隨鋼絲繩層數(shù)、卷筒角度和時(shí)間變化而變化，所以在進(jìn)行有限元分析時(shí)卷筒上各節(jié)點(diǎn)的受力都不一樣，這使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要單獨(dú)添加節(jié)點(diǎn)力.一個(gè)卷筒通常有2 000到4 000個(gè)節(jié)點(diǎn)需要添加節(jié)點(diǎn)力，如果通過(guò)人工一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)添加，幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù).因此，通過(guò)使用MATLAB和ANSYS/APDL進(jìn)行編程，將整個(gè)邊界條件加載和自動(dòng)分析.

在網(wǎng)格處理完畢后，選擇需要添加節(jié)點(diǎn)力的節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)編好的APDL腳本文件將這些節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息以txt文件輸出.以SIMULINK編寫的卷筒受力分布計(jì)算程序?qū)xt文件讀入，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)插值計(jì)算出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)力，然后再以txt格式輸回到ANSYS程序中.在ANSYS中，通過(guò)另一個(gè)APDL腳本，將讀入的節(jié)點(diǎn)力施加到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，然后求解.

這種軸承座對(duì)卷筒裝置的安裝有較高的要求。對(duì)于萬(wàn)向型球鉸卷筒聯(lián)軸器， 由于球面自身具有限制卷筒軸向竄動(dòng)的功能，故在設(shè)計(jì)時(shí)完全可解除軸承座對(duì)短軸的軸向約束 ， 這樣不僅使軸承座設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且使卷筒受力更合理，安裝調(diào)整更方便。

對(duì)于用鋼板彎曲焊接成形的卷筒， 短軸是通過(guò)兩個(gè)法蘭板與卷筒體焊接成一體，對(duì)于直徑較小的卷筒。工序?yàn)椋壕硗搀w內(nèi)側(cè)法蘭板預(yù)先與短軸焊接上，然后插入卷筒體， 并將內(nèi)側(cè)法蘭與卷筒體焊接上， 之后將外側(cè)大法蘭與卷筒的短軸焊接上，最后再整體加工短軸的支承部分。對(duì)于直徑較大的卷筒， 由于操作人員能進(jìn)人卷筒內(nèi)施焊，為保證短軸與卷筒的同軸度， 其工序?yàn)椋簝蓚€(gè)法蘭板預(yù)先與短軸焊接上，然后插人卷筒體， 并與卷筒體焊接上，最后整體加工短軸支承部分， 短軸的材質(zhì)一般選用可焊性較好的35號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

4卷筒連接的設(shè)計(jì)

與卷筒聯(lián)軸器相匹配的卷筒， 可用鋼板焊接成形或鑄造成形， 卷筒可直接套裝在聯(lián)軸器上或通過(guò)中間連接法間接地與聯(lián)軸器裝配在一起， 聯(lián)軸器與卷筒設(shè)有軸向的固定螺栓， 這些螺栓不僅起軸向連接作用， 而且能通過(guò)聯(lián)軸器與法蘭之間的摩擦副傳遞一部分扭矩， 但在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)， 一般不考慮螺栓傳遞的扭矩。在聯(lián)軸器的法蘭圓周上加工有兩個(gè)平行的用以傳遞扭矩的平面，與其相配的卷筒端面法蘭上加工有對(duì)應(yīng)的傳遞扭矩的槽， 該槽可以是在被連接的法蘭上直接加工獲得，也可通過(guò)鋼板焊接成形。

5結(jié)語(yǔ)

以上是對(duì)起重機(jī)卷筒如何優(yōu)化完善進(jìn)行了詳細(xì)研究，從卷筒的尺寸設(shè)計(jì)及相關(guān)構(gòu)件選用進(jìn)行了綜合性改良設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中也可以組合使用以上幾種方法，合理選擇組合方式，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便使起重機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，成本降低。沒(méi)有最好的，只有更合適的，只有選用適合的，完善最協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)方案才能充分發(fā)揮它的作用，更好的保障安全。

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