卷筒多層纏繞擋繩環設計優化

范如谷，楊 芳，王 兵，高福祥

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 樂山 614100）

1 概述

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

為實現多層纏繞功能，現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，當纏繞至第三層時，大概率出現無法準確折返進入上層繩槽的情況，出現亂繩。為實現多層卷繞時，鋼絲繩折返的要求，一般在折線繩槽卷筒端部設置擋繩環，其主要作用是抬升鋼絲繩使其“跨越”下層已卷繞的鋼絲繩，從而實現卷筒多層纏繞時，鋼絲繩即時折返、有序緊密排列，有效避免鋼絲繩“跨越”時出現跳繩、疊繩等纏繞不整齊現象，為啟閉起重設備安全工作提供可靠保證。

傳統的卷筒多層纏繞擋繩環，其結構復雜、制造工序復雜、加工難度大及成本高等問題突出。本文通過設計優化，采用卷筒多層纏繞擋繩環分段擬合方法，改進制造加工工藝，通過分段擬合簡化擋繩環抬升曲線結構，有利于加工制造，可有效優化制造加工工藝，降低制造成本。

2 擋繩環抬升曲線分析

卷筒多層纏繞擋繩環主要作用是抬升鋼絲繩使其“跨越”下層已卷繞的鋼絲繩，并進行折返，是一個復合運動過程，是抬升和折返運行的疊加，擋繩環為復雜曲面結構。

鋼絲繩由低層向高層抬升過程如圖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，鋼絲繩做抬升運動。由于折線點B 點的存在，擋繩環在此點瞬間抬升陡度過大，即易引起加工中的啃刀，又易出現鋼絲繩在此區域內的騰空現象。為了避免上述情況，自A 點向BCD 圓弧引切線交圓弧于E 點，使得曲線AE-CD 圓滑無折點，即為擋繩環的抬升曲線。

圖1 鋼絲繩抬升過程

通過計算不同的轉角，會有不同的擋繩環半徑Ri值，如表1 實例所示，卷筒繩槽底徑Φ900 mm、鋼絲繩直徑Φ24 mm 時，在不同轉角下的擋繩環半徑Ri值。

表1 擋繩環在不同角度下的半徑Ri

通過分析不同轉角下的擋繩環半徑Ri值，不難發現擋繩環半徑Ri值在306°～360°區間從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°區間維持在471.118 mm 不變，我們將其定義為中間規則段。Ri值在126°～180°區間繼續從471.118 mm 抬升至474.72 mm，我們將其定義為第二抬升段。

第一、二抬升段擋繩環半徑Ri均是通過計算不同角度（一般間隔3°）得出的值，連接形成的曲線，見圖2 所示。

圖2 擋繩環抬升曲線

在第一抬升段，鋼絲繩從卷筒繩槽底部通過擋繩環，逐漸抬升半個節距，至擋繩環與相鄰鋼絲繩之間形成的凹槽上部。然后鋼絲繩進入中間規則段，保持在擋繩環與相鄰鋼絲繩之間形成的凹槽上部，運行126°后，進入第二抬升段。在第二抬升段，鋼絲繩先繼續進行抬升，然后越過相鄰鋼絲繩頂部，完成鋼絲繩層間折返，繼續第二層纏繞。其抬升和折返過程如圖3 所示。

圖3 鋼絲繩抬升折返過程

3 擋繩環優化設計

3.1 傳統擋繩環

根據鋼絲繩由低層向高層抬升過程曲線，傳統的卷筒多層纏繞擋繩環結構如圖4 所示。其主要特點是環體部分和墊環部分為一體結構，墊環部分抬升段為不規則復雜異形曲面。

圖4 傳統擋繩環

3.2 擋繩環優化

針對傳統的卷筒多層纏繞擋繩環不規則復雜異形曲面結構，考慮將環體部分和墊環部分分離，見圖5。環體部分僅為規則的圓環結構，其制作加工難度將極大減小，制作周期也將極大縮短。

圖5 環體部分和墊環部分

墊環部分單獨制作，為保證鋼絲繩層間抬升折返順利，進一步優化不規則復雜異形曲面加工難度，考慮將墊環半徑Ri進行設計優化。主要從以下幾個方面進行設計優化分析：①采用分段擬合方法，通過不同角度的圓弧與原抬升曲線對比分析，保證擬合后曲線為有利于加工的圓弧形；②分段數量，過多的分段不利于加工，還會引入更多的組拼偏差，導致成品偏差增加，合理的分段數量可以簡化制造加工工藝，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。

為滿足上述要求，我們確定了將第一抬升段，分為兩個圓弧段，第二抬升段(按2/3 制作)，分為一個圓弧段。這三個圓弧段，均可通過計算得出圓心坐標及半徑，形成規則的圓弧段，這樣將極大的減小制造加工難度，從原來的需要每3°計算值連接形成的復制曲線，到現在僅為一段圓弧，僅需確定一個圓心和半徑即可實現，見圖6 所示。

圖6 第一、二抬升段

3.3 優化前后擋繩環對比

傳統的卷筒多層纏繞擋繩環，為適應其環體部分和墊環部分一體結構，墊環部分抬升段不規則復雜異形曲面的結構特點，多采用鑄鋼件。為保證加工后的曲面結構尺寸，鑄件一般留有較大加工余量，材料浪費嚴重。然后采用大型數控機床仿形加工，得到需要的曲面結構。

卷筒多層纏繞擋繩環經設計優化后，其結構形式發生了較大改變。擋繩環分成了規則圓環的環體部分和規則圓弧段的墊環部分。由于環體部分為規則圓環，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。墊環部分單獨分離出來后，其形狀尺寸較小，可使用數控機床對其規則圓弧外形進行加工，易于控制，能有效保證其外形的精確性，尺寸的準確性。

傳統擋繩環與優化后擋繩環對比見表2。通過對比分析，優化后的擋繩環從結構形式、材料組織、加工精度難度、制造成本等方面，均比傳統擋繩環有較大改進和提升。

表2 擋繩環優化前后對比表

4 擋繩環優化后的試驗驗證

優化后擋繩環的結構形式與傳統擋繩環有所區別，為實際驗證優化后的擋繩環是否達到設計及規范要求，能否實現多層纏繞時鋼絲繩順利“跨越”并折返。我們在優化后擋繩環制造組拼完成后，按照鋼絲繩“跨越”折返過程，進行了鋼絲繩多層纏繞試驗。

依托具體工程項目的卷筒裝置，模擬設備實際使用工況，設計了符合實際使用工況的試驗裝置，見圖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定位置；然后通過調整導輪位置，來控制調整鋼絲繩從第一層到第二層的返回偏角，可調整范圍為0.3°～2°；最后鋼絲繩經過導輪在卷筒上纏繞，觀察鋼絲繩在不同返回偏角下在卷筒上纏繞折返的過程。

圖7 多層纏繞試驗裝置

為了充分驗證優化后的擋繩環對多層纏繞鋼絲繩折返的影響，我們在鋼絲繩返回偏角0.3°～2°之間，每間隔0.1°均進行至少3 次纏繞試驗。如果發生跳繩、疊繩等纏繞不整齊現象，則在該角度上進行10 次纏繞試驗，分別記錄每次結果，見圖8 所示。

圖8 優化后擋繩環多層纏繞試驗結果

通過多層纏繞試驗驗證，優化后擋繩環結構形式滿足設計及規范要求。規范要求纏繞3 層及以上的卷筒，鋼絲繩返回偏角在0.5°～1.5°之間。優化后的擋繩環多層纏繞試驗結果是在0.4°～1.6°間均能纏繞整齊。

試驗證明卷筒擋繩環分段擬合方法及制造工藝，擬合精度均滿足要求，其結構明顯簡化，工序流程簡化，加工工藝合理，能明顯縮短制造周期，降低制造成本。

5 結束語

通過設計優化卷筒多層纏繞擋繩環結構形式及制造加工技術，形成了公司獨有的卷筒制造技術，并已應用于與實際工程項目中，提升了公司核心競爭力。目前，國內水電開發和水利建設還有較為廣闊的前景，青藏高原雅魯藏布江的水電項目還有待進一步開發；隨著城市軌道交通的進一步發展，通用起重設備也將有較為廣闊的市場和發展空間，設計優化后的卷筒多層纏繞擋繩環將應用于今后更多的水電啟閉設備以及通用起重設備。