范如谷，楊 芳，王 兵，高福祥

（中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 樂(lè)山 614100）

1 概述

隨著啟閉起重設(shè)備朝著大起重量、大起升高度和大作業(yè)幅度的方向發(fā)展，在狹小的工作空間內(nèi)，體積偏大的單層纏繞卷筒成為啟閉起重設(shè)備發(fā)展的瓶頸，而多層纏繞的卷筒容繩量大，在空間占用上有明顯的優(yōu)勢(shì)，在大起重量、大起升高度和大作業(yè)幅度的啟閉起重設(shè)備中占比越來(lái)越多。

為實(shí)現(xiàn)多層纏繞功能，現(xiàn)有卷筒形式主要包括光卷筒、螺旋繩槽卷筒和折線繩槽卷筒等。光卷筒、螺旋繩槽卷筒不適用于兩層以上的鋼絲繩纏繞，當(dāng)纏繞至第三層時(shí)，大概率出現(xiàn)無(wú)法準(zhǔn)確折返進(jìn)入上層繩槽的情況，出現(xiàn)亂繩。為實(shí)現(xiàn)多層卷繞時(shí)，鋼絲繩折返的要求，一般在折線繩槽卷筒端部設(shè)置擋繩環(huán)，其主要作用是抬升鋼絲繩使其“跨越”下層已卷繞的鋼絲繩，從而實(shí)現(xiàn)卷筒多層纏繞時(shí)，鋼絲繩即時(shí)折返、有序緊密排列，有效避免鋼絲繩“跨越”時(shí)出現(xiàn)跳繩、疊繩等纏繞不整齊現(xiàn)象，為啟閉起重設(shè)備安全工作提供可靠保證。

傳統(tǒng)的卷筒多層纏繞擋繩環(huán)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工序復(fù)雜、加工難度大及成本高等問(wèn)題突出。本文通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用卷筒多層纏繞擋繩環(huán)分段擬合方法，改進(jìn)制造加工工藝，通過(guò)分段擬合簡(jiǎn)化擋繩環(huán)抬升曲線結(jié)構(gòu)，有利于加工制造，可有效優(yōu)化制造加工工藝，降低制造成本。

2 擋繩環(huán)抬升曲線分析

卷筒多層纏繞擋繩環(huán)主要作用是抬升鋼絲繩使其“跨越”下層已卷繞的鋼絲繩，并進(jìn)行折返，是一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是抬升和折返運(yùn)行的疊加，擋繩環(huán)為復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)。

鋼絲繩由低層向高層抬升過(guò)程如圖1，抬升軌跡為A-B-C-D，AB 為直線段，鋼絲繩不抬升，僅消除相鄰繩圈間的間隙，BCD 為圓弧段，鋼絲繩做抬升運(yùn)動(dòng)。由于折線點(diǎn)B 點(diǎn)的存在，擋繩環(huán)在此點(diǎn)瞬間抬升陡度過(guò)大，即易引起加工中的啃刀，又易出現(xiàn)鋼絲繩在此區(qū)域內(nèi)的騰空現(xiàn)象。為了避免上述情況，自A 點(diǎn)向BCD 圓弧引切線交圓弧于E 點(diǎn)，使得曲線AE-CD 圓滑無(wú)折點(diǎn)，即為擋繩環(huán)的抬升曲線。

圖1 鋼絲繩抬升過(guò)程

通過(guò)計(jì)算不同的轉(zhuǎn)角，會(huì)有不同的擋繩環(huán)半徑Ri值，如表1 實(shí)例所示，卷筒繩槽底徑Φ900 mm、鋼絲繩直徑Φ24 mm 時(shí)，在不同轉(zhuǎn)角下的擋繩環(huán)半徑Ri值。

表1 擋繩環(huán)在不同角度下的半徑Ri

通過(guò)分析不同轉(zhuǎn)角下的擋繩環(huán)半徑Ri值，不難發(fā)現(xiàn)擋繩環(huán)半徑Ri值在306°～360°區(qū)間從450 mm抬升至471.118 mm，我們將其定義為第一抬升段。Ri值在0°～126°區(qū)間維持在471.118 mm 不變，我們將其定義為中間規(guī)則段。Ri值在126°～180°區(qū)間繼續(xù)從471.118 mm 抬升至474.72 mm，我們將其定義為第二抬升段。

第一、二抬升段擋繩環(huán)半徑Ri均是通過(guò)計(jì)算不同角度（一般間隔3°）得出的值，連接形成的曲線，見(jiàn)圖2 所示。

圖2 擋繩環(huán)抬升曲線

在第一抬升段，鋼絲繩從卷筒繩槽底部通過(guò)擋繩環(huán)，逐漸抬升半個(gè)節(jié)距，至擋繩環(huán)與相鄰鋼絲繩之間形成的凹槽上部。然后鋼絲繩進(jìn)入中間規(guī)則段，保持在擋繩環(huán)與相鄰鋼絲繩之間形成的凹槽上部，運(yùn)行126°后，進(jìn)入第二抬升段。在第二抬升段，鋼絲繩先繼續(xù)進(jìn)行抬升，然后越過(guò)相鄰鋼絲繩頂部，完成鋼絲繩層間折返，繼續(xù)第二層纏繞。其抬升和折返過(guò)程如圖3 所示。

圖3 鋼絲繩抬升折返過(guò)程

3 擋繩環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 傳統(tǒng)擋繩環(huán)

根據(jù)鋼絲繩由低層向高層抬升過(guò)程曲線，傳統(tǒng)的卷筒多層纏繞擋繩環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其主要特點(diǎn)是環(huán)體部分和墊環(huán)部分為一體結(jié)構(gòu)，墊環(huán)部分抬升段為不規(guī)則復(fù)雜異形曲面。

圖4 傳統(tǒng)擋繩環(huán)

3.2 擋繩環(huán)優(yōu)化

針對(duì)傳統(tǒng)的卷筒多層纏繞擋繩環(huán)不規(guī)則復(fù)雜異形曲面結(jié)構(gòu)，考慮將環(huán)體部分和墊環(huán)部分分離，見(jiàn)圖5。環(huán)體部分僅為規(guī)則的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其制作加工難度將極大減小，制作周期也將極大縮短。

圖5 環(huán)體部分和墊環(huán)部分

墊環(huán)部分單獨(dú)制作，為保證鋼絲繩層間抬升折返順利，進(jìn)一步優(yōu)化不規(guī)則復(fù)雜異形曲面加工難度，考慮將墊環(huán)半徑Ri進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化分析：①采用分段擬合方法，通過(guò)不同角度的圓弧與原抬升曲線對(duì)比分析，保證擬合后曲線為有利于加工的圓弧形；②分段數(shù)量，過(guò)多的分段不利于加工，還會(huì)引入更多的組拼偏差，導(dǎo)致成品偏差增加，合理的分段數(shù)量可以簡(jiǎn)化制造加工工藝，又能滿足擬合精度要求；③擬合精度分析，可以滿足鋼絲繩“跨越”抬升折返要求，偏差要控制在允許范圍內(nèi)。

為滿足上述要求，我們確定了將第一抬升段，分為兩個(gè)圓弧段，第二抬升段(按2/3 制作)，分為一個(gè)圓弧段。這三個(gè)圓弧段，均可通過(guò)計(jì)算得出圓心坐標(biāo)及半徑，形成規(guī)則的圓弧段，這樣將極大的減小制造加工難度，從原來(lái)的需要每3°計(jì)算值連接形成的復(fù)制曲線，到現(xiàn)在僅為一段圓弧，僅需確定一個(gè)圓心和半徑即可實(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖6 所示。

圖6 第一、二抬升段

3.3 優(yōu)化前后擋繩環(huán)對(duì)比

傳統(tǒng)的卷筒多層纏繞擋繩環(huán)，為適應(yīng)其環(huán)體部分和墊環(huán)部分一體結(jié)構(gòu)，墊環(huán)部分抬升段不規(guī)則復(fù)雜異形曲面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，多采用鑄鋼件。為保證加工后的曲面結(jié)構(gòu)尺寸，鑄件一般留有較大加工余量，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。然后采用大型數(shù)控機(jī)床仿形加工，得到需要的曲面結(jié)構(gòu)。

卷筒多層纏繞擋繩環(huán)經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，其結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了較大改變。擋繩環(huán)分成了規(guī)則圓環(huán)的環(huán)體部分和規(guī)則圓弧段的墊環(huán)部分。由于環(huán)體部分為規(guī)則圓環(huán)，可使用鋼板下料或精鑄毛坯后使用普通車床加工成型，供料方便，加工快捷。墊環(huán)部分單獨(dú)分離出來(lái)后，其形狀尺寸較小，可使用數(shù)控機(jī)床對(duì)其規(guī)則圓弧外形進(jìn)行加工，易于控制，能有效保證其外形的精確性，尺寸的準(zhǔn)確性。

傳統(tǒng)擋繩環(huán)與優(yōu)化后擋繩環(huán)對(duì)比見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)比分析，優(yōu)化后的擋繩環(huán)從結(jié)構(gòu)形式、材料組織、加工精度難度、制造成本等方面，均比傳統(tǒng)擋繩環(huán)有較大改進(jìn)和提升。

表2 擋繩環(huán)優(yōu)化前后對(duì)比表

4 擋繩環(huán)優(yōu)化后的試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后擋繩環(huán)的結(jié)構(gòu)形式與傳統(tǒng)擋繩環(huán)有所區(qū)別，為實(shí)際驗(yàn)證優(yōu)化后的擋繩環(huán)是否達(dá)到設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，能否實(shí)現(xiàn)多層纏繞時(shí)鋼絲繩順利“跨越”并折返。我們?cè)趦?yōu)化后擋繩環(huán)制造組拼完成后，按照鋼絲繩“跨越”折返過(guò)程，進(jìn)行了鋼絲繩多層纏繞試驗(yàn)。

依托具體工程項(xiàng)目的卷筒裝置，模擬設(shè)備實(shí)際使用工況，設(shè)計(jì)了符合實(shí)際使用工況的試驗(yàn)裝置，見(jiàn)圖7 所示。首先將鋼絲繩固定到卷筒上，讓鋼絲繩順著繩槽在卷筒上纏繞到設(shè)定位置；然后通過(guò)調(diào)整導(dǎo)輪位置，來(lái)控制調(diào)整鋼絲繩從第一層到第二層的返回偏角，可調(diào)整范圍為0.3°～2°；最后鋼絲繩經(jīng)過(guò)導(dǎo)輪在卷筒上纏繞，觀察鋼絲繩在不同返回偏角下在卷筒上纏繞折返的過(guò)程。

圖7 多層纏繞試驗(yàn)裝置

為了充分驗(yàn)證優(yōu)化后的擋繩環(huán)對(duì)多層纏繞鋼絲繩折返的影響，我們?cè)阡摻z繩返回偏角0.3°～2°之間，每間隔0.1°均進(jìn)行至少3 次纏繞試驗(yàn)。如果發(fā)生跳繩、疊繩等纏繞不整齊現(xiàn)象，則在該角度上進(jìn)行10 次纏繞試驗(yàn)，分別記錄每次結(jié)果，見(jiàn)圖8 所示。

圖8 優(yōu)化后擋繩環(huán)多層纏繞試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)多層纏繞試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化后擋繩環(huán)結(jié)構(gòu)形式滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。規(guī)范要求纏繞3 層及以上的卷筒，鋼絲繩返回偏角在0.5°～1.5°之間。優(yōu)化后的擋繩環(huán)多層纏繞試驗(yàn)結(jié)果是在0.4°～1.6°間均能纏繞整齊。

試驗(yàn)證明卷筒擋繩環(huán)分段擬合方法及制造工藝，擬合精度均滿足要求，其結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)化，工序流程簡(jiǎn)化，加工工藝合理，能明顯縮短制造周期，降低制造成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化卷筒多層纏繞擋繩環(huán)結(jié)構(gòu)形式及制造加工技術(shù)，形成了公司獨(dú)有的卷筒制造技術(shù)，并已應(yīng)用于與實(shí)際工程項(xiàng)目中，提升了公司核心競(jìng)爭(zhēng)力。目前，國(guó)內(nèi)水電開(kāi)發(fā)和水利建設(shè)還有較為廣闊的前景，青藏高原雅魯藏布江的水電項(xiàng)目還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)；隨著城市軌道交通的進(jìn)一步發(fā)展，通用起重設(shè)備也將有較為廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展空間，設(shè)計(jì)優(yōu)化后的卷筒多層纏繞擋繩環(huán)將應(yīng)用于今后更多的水電啟閉設(shè)備以及通用起重設(shè)備。