Lebus卷筒纏繞過程的應力特性實驗研究

汪戴乾 馬劍軍 張曉輝 孫遠韜 張 氫

1 同濟大學機械與能源工程學院2 上海振華重工集團(南通)傳動機械有限公司

1 引言

隨著海洋工程、港口運輸、礦山機械和大型水電站建設等工程的發展，超大揚程的卷筒得到進一步發展。面對超大的容繩量，單層纏繞卷筒已不能滿足工程的需要，多層纏繞卷筒成為單層纏繞卷筒的替代品。多層纏繞卷筒各層鋼絲繩之間互相作用，隨著纏繞層數的增加，鋼絲繩對卷筒的作用力不再是簡單的線性增加，相比單層纏繞卷筒，多層纏繞卷筒的受力情況復雜得多。只有對卷筒的受力情況進行合理的分析，得到卷筒的應力分布，才能正確地指導卷筒的結構設計。

目前，已有學者對多層纏繞卷筒的受力情況進行細致的理論分析。葛世榮用結構靜不定原理建立了多層纏繞卷筒內壁的應力計算模型，并編制了計算程序[1]。胡勇以鋼絲繩在雙折線式卷筒上作多層纏繞時鋼絲繩實際排列情況為基礎，建立了鋼絲繩多層纏繞系數方程，并使用MATLAB開發計算多層纏繞系數及各層鋼絲繩張力的軟件，對雙折線式多層纏繞卷筒的多層纏繞系數及各層鋼絲繩張力的影響進行理論分析，認為隨著纏繞層數增加，多層纏繞系數趨于穩定[2]。王建明采用歐拉公式建立雙折線卷筒在鋼絲繩拉力變化及鋼絲繩卷繞圈數變化的情況下卷筒的動態受力分析模型，認為隨著纏繞層數的增加，筒壁壓力不會無限制增大[3]。顏競峰研究了纏繞系統中卷筒和鋼絲繩的相關參數，推導了卷筒的應力計算公式及鋼絲繩在纏繞過程中彎曲應力、擠壓應力及外載特性，建立了卷筒纏繞過程力學模型，并進行動力學仿真[4]。洪浩利用Ansys Workbench軟件作為工具，對起重機多層卷繞卷筒進行有限元分析，獲得了卷筒內壁和側板的應力變化規律[5]。

以上研究表明，多層卷筒隨著纏繞層數的增加，外層鋼絲繩的纏繞會導致內層鋼絲繩張力衰減，鋼絲繩作用于卷筒筒壁的應力并非線性無限制地增加，而是趨于穩定的常值。為了驗證這一規律，通過設計實驗，分析在特定的工況下Lebus卷筒在多層纏繞時，隨著鋼絲繩層數的增加，卷筒內壁和兩側擋板的應力變化規律，將實驗所得結果與基于理論分析的仿真結果進行比對，驗證理論模型的正確性，為指導多層纏繞卷筒的結構設計提供科學依據。

2 實驗研究

試驗臺主要由驅動裝置、Lebus卷筒、應力測試儀器等組成。其中Lebus卷筒每層鋼絲繩8圈，容9層鋼絲繩，卷筒內徑530 mm，鋼絲繩直徑?28 mm(見圖1)。電機額定轉速1 460 r/min，額定扭矩5 098 Nm，采用變頻調速無極變速，減速器速比12.227。通過2個Lebus卷筒對拉模擬實際工況的帶載運轉，且通過電機正反轉實現一側卷筒的纏繞或者松繩功能，對應著另外一側卷筒即為松繩或者纏繞。

圖1 Lebus卷筒工作圖

根據卷筒的結構和測試要求，測點布置在以下位置。

(1)卷筒內壁：在卷筒中間截面位置，上下對稱布置2個測點，如圖2所示測點1和2；卷筒內壁靠近擋板處布置一個測點，如圖2所示測點3。

(2)卷筒擋板：從卷筒繞繩的繩槽根部開始沿著直徑方向布置2個測點，如圖2所示測點4和5。

圖2 應變片布置圖

3 測試過程與結果分析

3.1 筒體應力與鋼絲繩層數關系測試

電機以額定轉速的4%，額定扭矩的15%運行，驅動減速箱和卷筒旋轉，通過鋼絲繩張緊作用，使得測試卷筒旋轉開始纏繞鋼絲繩。

卷筒筒體沿著軸線方向的應力變化曲線見圖3。從圖中可以看出，筒體應力最大值出現在卷筒中間截面(即1、2測點)，同時筒體纏繞前4層鋼絲繩時，中間截面的應力變化非常明顯，在第4層的應力分別為13 MPa、14.3 MPa。而在4層以后，中間截面的應力會隨著層數的增加而緩慢增大，在第8層的應力達到21 MPa和20.1 MPa。筒體靠近擋板處的位置(即3測點)，在纏繞第2層鋼絲繩時，應力有一個明顯增大并回落的過程，應力最大為8.9 MPa，在4層鋼絲繩以后，該處的應力不隨層數的增加而變化，穩定在6.8 MPa左右。從上述分析可以看出，前4層鋼絲繩對卷筒筒體軸線方向的應力影響比較大，之后隨著層數增加，1、2測點應力增加非常緩慢，3測點應力保持不變。

圖3 卷筒收繩時筒體軸線方向應力時程曲線

卷筒筒體沿著圓周方向的應力變化曲線見圖4，跟軸線方向類似，筒體應力最大值同樣出現在卷筒中間截面上(即1、2測點)，且筒體在纏繞前4層鋼絲繩時，3個測點的應力都會同時增加，在4層以后之后應力都保持不變，分別穩定在14.8 MPa、14.6 MPa、7.6 MPa。這說明在纏繞4層鋼絲繩以后，層數的增加對圓周方向的應力影響較小。

圖4 卷筒收繩時筒體圓周方向應力時程曲線

3.2 擋板應力與鋼絲繩層數的關系測試

從圖5卷筒擋板應力曲線圖可以看出，鋼絲繩層數對卷筒擋板應力(即4、5測點)影響較小，只是隨著層數增加應力會緩慢增大，而當鋼絲繩纏繞到第5層和第7層時，2個測點的應力都會明顯增大，最終穩定在3.7 MPa、4.2 MPa左右。同時也發現5測點的應力要大于4測點的，說明隨著層數的增加，擋板所受的應力會緩慢增大，然而擋板應力要遠小于筒壁的應力。

圖5 卷筒收繩時擋板徑向應力時程曲線

4 卷筒設計改進

根據實驗所得卷筒應力分析結果的規律，可以針對多層纏繞卷筒的設計獲得如下改進思路。

(1)對于卷筒筒體內壁測點，在繞上前4層鋼絲繩時，卷筒內壁應力變化較大，之后隨著層數的增大，軸線方向的應力緩慢增大，而圓周方向的應力基本保持不變，這與起重機設計規范的結論相一致。可以得出，卷筒在多層纏繞后，卷筒筒壁的等效厚度增加，應力基本保持不變，因此卷筒增加壁厚并沒有減小內壁的應力，在設計卷筒時不需要增加筒壁的厚度。

(2)對于卷筒擋板測點，在繞上前4層鋼絲繩時，擋板所受應力很小；擋板的應力在鋼絲繩纏繞到第5層和第7層時有一個明顯增大，但是應力水平仍較小。結果表明，卷筒擋板應力總水平不大且隨著鋼絲繩纏繞層數的增加而近似線性增加，不需要對擋板進行額外加強。因此，可以考慮在卷筒加工中將擋板和卷筒筒壁分開加工，最后加以焊接，以提高制造效率，但需要注意最后進行加工保證高速下的卷筒動平衡。

5 結語

通過試驗研究，獲得了Lebus多層纏繞卷筒在進行纏繞過程中，筒體和擋板的應力變化與纏繞層數之間的聯系。隨著多層纏繞卷筒的應用日益廣泛，研究的成果對卷筒的設計優化具有一定的指導意義，能夠進一步推動多層纏繞卷筒的應用。