卷筒制動盤加工工裝設計研究

李明星，岳海豹

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

卷筒是起重機的重要組成部分，鋼廠用鑄造起重機常為單層雙聯卷筒，為了提高起重機整體的安全性能，一般都在卷筒法蘭側增加制動盤。同時為了配合安全制動器起到制動作用，制動盤直徑較卷筒筒體直徑要大，因此制動盤直徑的大小也是卷筒加工中需考慮的重要因素。如果制動盤單獨加工到尺寸要求，裝到卷筒上后，由于裝配誤差及加工變形等因素的影響，制動盤端面跳動無法達到標準要求。因此為了保證制動盤裝到卷筒后端面跳動符合標準要求，卷筒制動盤和卷筒需要整體加工。但是太原重工股份有限公司起重機分公司為某鋼廠生產的480/80 t鑄造起重機其卷筒制動盤直徑超過了廠內數控臥式車床床身最大回轉直徑，因此無法在車床上整體加工制動盤，為此提出了一套可以使制動盤在鏜床上加工的工裝。本文就此卷筒制動盤加工工裝的設計進行了研究。

1 卷筒制動盤結構及加工工裝組成

鏜床可分為臥式鏜床、落地鏜床、金剛鏜床等類型。其中落地鏜床將工件固定在平臺上，適宜加工尺寸和重量較大的工件。本文在落地鏜床上完成卷筒制動盤的加工，通過設計工裝使卷筒做回轉運動，鏜刀徑向做進給運動，模擬車床加工。

圖1為卷筒制動盤結構簡圖。卷筒制動盤加工工裝由電機、減速機、卷筒聯接法蘭軸、減速機聯接法蘭等組成，如圖2所示。制動盤通過Φd1螺紋孔與卷筒聯接，聯接后制動盤在鏜床上加工圖示凸臺范圍。

電機和減速機的選取、卷筒與減速機的聯接是卷筒制動盤加工工裝設計的關鍵技術,本文進行詳細論述。

2 電機的選取

2.1 電機初選

加工制動盤時，制動盤承受刀具給其的切削力F的計算公式為：

Fc≈2 000apf.

Ff≈(0.2～0.6)Fc.

Fp≈(0.2～0.7)Fc.

其中：Fc為切向力，N；Ff為進給力，N；Fp為背向力，N；ap為背吃刀量，mm；f為進給量，mm/r。

D1-制動盤加工面外徑；D2-制動盤加工面內徑；d1-螺栓孔直徑；D3-螺栓孔分布分度圓直徑；B-制動盤加工前厚度；b-制動盤厚度

1-卷筒支座1；2-卷筒；3-制動盤；4-卷筒支座2；5-卷筒聯接法蘭軸；6-聯接法蘭；7-減速機；8-聯接件；9-電機

電動機穩態起升功率PN(kW)計算公式為：

其中：Pq為額定起升載荷，此時Pq=Fc，N；vq為起升速度，m/s；η為起升機構總效率。

根據PN值及實際加工工況可以初步選擇電機。

電機初選后，電機容量必須經過過載校驗和發熱校驗。

2.2 電機過載校驗

起升電機過載校驗公式為：

其中：P1為基準接電持續率時電動機的額定功率，kW；H為與電機有關的系數，繞線型異步電機H=2.5；m為電機臺數；λm為基準接電持續率時電機轉矩允許過載倍數。

2.3 電機發熱校驗

起升電機的發熱校驗公式為：

其中：Ps為穩態平均功率，kW；G為穩態負載平均系數。

P2為電機工作時的接電持續率JC值和CZ值條件下的允許輸出容量，當滿足P2≥Ps時電動機即通過發熱校驗。

經過過載校驗和發熱校驗，可以選定電動機型號。

3 減速機選擇

電機選擇完后，根據電機轉速nd和加工制動盤時的卷筒轉速nj來確定減速機減速比ij，即：

減速機的疲勞計算基本載荷Mmax(N·m)的計算公式為：

Mmax=φ6×MN.

其中：φ6為動態試驗載荷起升動載系數；MN為電機的額定轉矩，N·m。

減速機工作級別的功率PMi(kW)計算公式為：

其中：n為減速器輸入軸轉速，r/min。

根據JB/T8905.2-1999標準選型時，由于只有M5工作級別的高速軸許用功率，因此需要換算到減速機M5級的高速軸輸入功率PM5：

PM5=PMi×1.12(i-5).

其中：PM5為M5工作級別時減速機高速軸輸入功率值，kW。

根據高速軸轉速、公稱減速比以及高速軸許用功率選擇減速機。

4 卷筒與減速機的聯接

電機、減速機選擇完畢后就要考慮電機、減速機以

及卷筒裝置的聯接方式。由于在起重機產品中，卷筒和減速機之間是采用專用卷筒聯軸器聯接的，考慮到卷筒聯軸器不能保證加工精度要求，因此需要特有的工裝保證卷筒和減速機聯接的剛性，防止卷筒受到切削力后制動盤發生變形。現選取與卷筒聯接的法蘭軸來說明其設計過程。

首先對工裝整體進行受力分析，將其簡化為簡支梁,如圖3所示。圖3中，F1、F2為支座反力，FJ為卷筒自重的重力，Fz為制動盤的重力,Mc為Fc產生的轉矩，T為減速機傳遞給卷筒的轉矩。

圖3 卷筒受力分析

卷筒制動盤在加工過程中整體處于平衡狀態，法蘭軸受力分析如圖4所示。圖4中，F3為卷筒給法蘭軸傳遞的力，T1為卷筒傳遞給法蘭軸的扭矩，L為F2與F3之間的距離。由于法蘭軸既受彎矩，又受扭矩，因此為彎扭結合受力的軸。

圖4 卷筒法蘭軸受力分析

因此根據第三強度理論，結合起重機設計手冊，法蘭軸的最小直徑d的計算公式為：

其中:σe為轉軸計算截面上的當量工作力,MPa；M為轉軸計算截面上的彎矩，N·mm；a為根據扭轉剪應力變化性質而定的校正系數；[σ-1]為法蘭軸的許用疲勞應力，MPa。

由此可以計算出軸的最小直徑d，然后根據實際軸與卷筒的聯接方式再確定其他尺寸。

5 結語

設計工裝時，首先通過切削力及卷筒轉速選擇電機，然后通過減速比及電機輸入轉矩選擇減速機，最后通過卷筒裝置所受切削力及支座反力計算所需法蘭軸的最小直徑。經實際生產應用，該工裝實現了卷筒制動盤的加工。