翻壩卷揚機改型設計

趙彥哲

(湖北工業大學， 武漢 430068)

卷揚機的發展越來越多元化、深度化，可適用于多種作業場合。現如今國內外卷揚機的發展有如下特點：一是大型化。因為生產功能的需要，小型卷揚機已經滿足不了生產需求，大型卷揚機的應用領域開始慢慢變多。二是自動控制化。采用電子技術可以實現不用大量的人工就能完成目標，提高了效率。三是小型輕便化。在一些特殊的小型應用場合，功率體積小的卷揚機就能完成工作，無需花費高價購買大型卷揚機。但是在翻壩領域，鮮有卷揚機的存在。因此，從建筑卷揚機的設計上進行改進，讓卷揚機可以實現翻壩的功能，在節省勞動者的勞動強度的同時，也減少了經濟的損耗。卷揚機按照動力的不同可分為：手動式卷揚機，電動式卷揚機，液壓式卷揚機等，如圖1、圖2所示。

圖1 油田修井機用液壓卷揚機

圖2 電動卷揚機

1 設計方案論證與比選

1.1 翻壩卷揚機的主參數

翻壩卷揚機的主要參數為額定載荷。主要參數見表1。

表1 翻壩卷揚機額定載荷

1.2 卷揚機的分類

1.2.1 卷揚機的鋼絲繩運行速度

卷揚機的鋼絲繩運行速度是卷揚機的關鍵參數。大壩翻轉起重機可分為：1)慢速起重機繩索速度v 20mmin； 2)快速提升繩速度v 20-50mmin; 3)高速吊繩速度v 50mmin；為了考慮特殊情況的必要性，還有變速起重機。標準層鋼絲繩具有兩個或兩個以上起重機，它們的運行速度穩定。

1.2.2 起重機按電源分類

由于起重機的應用很廣泛，輸入的動力方式也較多，因此可簡單的分為以下這幾類：1)手動起重機是在沒有驅動力的區域中使用的大，中，小型起重機。 2)電動葫蘆由電動機驅動，制成鋼絲繩卷筒。旋轉起重機； 3)燃氣輪機起重機是以燃氣輪機為驅動機械設備的起重機。 4)氣動起重機是一種以氣動機械設備為驅動機械設備的起重機。 5)液壓葫蘆機由汽油機等液壓設備制成。起重機作為動力源。

1.2.3 起重機按傳動方式分類

1)開式齒輪傳動結構簡單，最早用于手動起重機； 2)大型行星齒輪傳動；3)圓錐圓柱齒輪減速器適用于軸，斜軸輸出的機械設備的傳動中； 4)蝸桿減速機；5)蝸輪減速機加開式齒輪傳動；6)封閉式測試的圓柱齒輪傳動鑰匙用于單管起重機中，并且更常用；本次設計所提升的重物重量較重，所以選擇大型行星齒輪傳動。

2 鋼絲繩的選擇

鋼絲繩的作用主要是牽引提升目標物。由于工作時鋼絲繩的受力情況復雜，并且受到外界因素的影響較大，設計不過關很容易發生事故，其后果不言而喻。所以，應該嚴格設計選用鋼絲繩。

2.1 對于鋼絲繩種類及其構造的比對

鋼絲繩由許多高強度鋼絲編織而成，這些高強度鋼絲可以通過單股或雙股捻制而成。繩芯通常使用化纖芯(NF)，人造纖維芯(SF)，金屬絲繩芯(IWR)和金屬絲繩芯(IWS)。因為化纖本身就有柔韌性和延展性，但在工作時也不能承受來自水平的壓力。由金屬編制成的鋼絲更適合使用多股金屬絲芯鋼絲繩。因為鋼絲與鋼絲的接觸狀態不一樣，所以鋼絲繩的種類又可分為點接觸鋼絲繩和線接觸鋼絲繩。點接觸鋼絲繩每相鄰層的鋼絲會發生點接觸，所以鋼絲十分容易發生斷開，使用壽命很短。點接觸鋼絲繩制造過程簡單且價格低廉，所以在建筑行業經常用到這種方式，但是在混凝土中經常發現因為點接觸而斷裂的鋼絲繩。線接觸鋼絲繩由不同直徑的鋼絲制成。其特點是外鋼絲在內鋼絲之間，內鋼絲承受的應力比外鋼絲大，是線接觸，所以減少了鋼絲之間的摩擦，大大提高了抗疲勞極限。因為線接觸鋼絲繩比點接觸鋼絲繩相比，受力面積增大了，所以承載能力變高。由于本次設計是翻壩卷揚機，其特點是受力較大，彎曲較大，對于其安全性也有一定的要求，所以選擇線接觸的鋼絲繩，其特點可以很好的發揮在翻壩卷揚機上。

2.2 鋼絲繩直徑的選擇

卷揚機的鋼絲繩受力情況復雜，所以為了簡化計算，鋼絲繩的選擇可以用安全系數法來確定。查書可以知道鋼絲繩的安全系數公式為：

(1)

式中Sp為整條鋼絲繩發生斷開所需要的力(N);[n]為卷揚機的最小安全系數;FrA為鋼絲繩所受到滿足設備正常工作需求下的最大壓力。鋼絲繩的額定拉力是出廠后就被檢測好的，所以是已知的，將鋼絲繩所受到滿足設備正常工作需求下的最大壓力乘以規定的卷揚機的最小安全系數[n]，然后可以從手冊中選擇一種鋼絲繩，它的直徑破斷拉力應該不小于Fr·[n]。

國際標準繩的選擇可以如下的采用選擇系數法。鋼絲繩直徑最小為：

(2)

式中：Fmax為鋼絲繩由起升時的拉力所確定的無彈性形變產生的彈力，僅考慮所受靜止狀態所受拉力(N)；c為鋼絲繩選擇系數。此設計的卷揚機需要很大的載荷能力，此處選擇的是50 kn,為了使鋼絲繩受力小一點，為提高其安全性所選擇的滑輪組也是雙聯合滑輪組，所以每根繩子的受力可以算出：

該卷揚機用于翻壩，工作級別可以選擇為M7，鋼繩系數選擇為0.124。

最小直徑為13.86mm，取整數14mm即可。

最后，為了安全性，必須計算鋼絲繩在受到多大載荷時會發生斷開：

F0≥nFmax

(3)

F0為鋼絲繩發生斷開時其最小的載荷(N)，n為安全系數，由于工作級別為M7，所以可以選取n為7。可得F0≥7×1.25×104=8.75×104N=87.5 kN。在鋼絲繩是鋼芯編制成的情況下，查書可知總載荷為F0×1.214時，鋼絲繩會發生斷裂，計算可得最小的總載荷為87.5×1.214=106.2 kN。(本設計中考慮到鋼絲繩的安全問題，所以選用鋼芯)

2.3 鋼絲繩的使用

鋼絲繩在工作時，不僅會有拉應力存在，它還會受到鋼絲繩之間的摩擦，以及外部因素影響，應力情況是十分復雜的。在機械學習中可知鋼絲繩破壞的主要原因是金屬疲勞。若有鋼絲斷裂還繼續使用，十分危險。鋼絲繩實際使用壽命的長短和選料、使用方法等息息相關，可從以下幾方面考慮：一是，實踐表明卷筒直徑越大，其對鋼絲繩的保護越強，所以本次設計在保證機構正常運轉的情況下，盡可能地選擇大一點的卷筒。二是，滑輪和卷筒的材料太硬也會減少鋼絲繩的壽命，工作中可以使用潤滑劑，潤滑劑可以很好的保護鋼絲繩，降低鋼絲繩摩擦導致的損耗。

3 卷筒的結構設計

首先要確定卷筒的尺寸，而卷筒的尺寸受到很多因素影響，比如鋼絲繩的長度，重物需要抬升的尺寸還有卷筒本身提升貨物所需要的速度等。卷筒的作用是通過旋轉來使鋼絲繩纏繞住卷筒，將卷筒旋轉所做的功變成鋼絲繩提升貨物所需要的功，本設計選用中空的圓柱形卷筒。

3.1 卷筒的分類

根據卷軸上鋼絲繩的纏繞層數，將卷軸分為兩類：單面纏繞和雙層纏繞。通常，大多數起重設備都使用單面繞線鼓。該設計方案選擇簡單實用的單側繞組。根據輥的表面分兩種類型：光亮輥和螺旋溝槽輥。鋼絲繩在卷軸上會以螺旋的形式附著。所以為了更好地將鋼絲繩附著在卷筒上，螺旋槽就成了不可或缺的形式。因為有了繩槽，鋼絲繩和卷筒之間由原來的線接觸變成了面接觸，受到的壓力和其他作用力會變少。在這個階段，雙層繞線輪也用繩槽制成，這是更有效的。繩槽可以簡單地分為標準繩槽和形狀槽，如圖3所示。

圖3 繩槽

4.2 卷筒繩槽的確定

查機械設計手冊知，卷筒繩槽槽底半徑R、槽深c、槽的節矩t其尺寸關系為：

R=(0.54～0.6)d(d為鋼絲繩直徑)

(4)

繩槽深度:

標準槽：c1=(0.25～0.4)d(mm)

(5)

深槽：c2=(0.6～0.9)d(mm) (6)

繩槽節距：

標準槽：t1=d+(2～4)(mm)

(7)

深槽：t2=d+(6～8)(mm)

(8)

深槽的使用只會在鋼絲繩可能脫離卷筒的時候才加以使用，所以在此次設計中使用標準的繩操就可以滿足需求。通過上式計算可知R的取值可以為8 mm，c的取值可以為4 mm，t的取值可以為16 mm。

3.3 卷筒的設計

由于內齒輪嚙合時接觸應力小，所以壽命較長，而且吸油充分，很少會發生汽蝕，所以本設計所設計的卷筒采用內齒輪嚙合式。如圖4所示。此次設計主要為節徑D0;卷筒的長度L;卷筒壁的厚度δ。已知D0最小可以為：

圖4 內齒嚙合式卷筒

D0min=hd

(9)

式中D0min為根據鋼絲繩的中心點所確定的卷筒的最小直徑(mm)；h為工作環境是M7可以得到的鋼絲繩計算需要的系數；d為鋼絲繩的直徑(mm)。按式計算：

D0min=hd=28×14=392 mm

所以可以確定卷筒的節徑為400 mm即可。

4 翻壩卷揚機經濟性和環境安全性

4.1 翻壩卷揚機經濟性

相比于傳統翻壩，翻壩卷揚機技術要求不高，經濟性能好，應用方便。對于平常的一般大壩，無需人員經常的管理檢查，更換升級設備也很方便。因此對于翻壩機械設計，卷揚機不失為一種經濟性的選擇。

4.2 翻壩卷揚機的環境安全性

相比于其它機械，卷揚機技術難度小，體積適中，對環境的破壞遠低于其他機械。其安裝方便，占地面積也不大，對植被種植不會有太大影響，還有穩固土地，預防水土流失的作用。翻壩卷揚機的維護成本小，所需求勞動技術人員也不多，只要按時檢查，及時更換有損害的零部件，基本上不會發生特別大的安全事故。