水文巡测车卷扬机过载保护装置的设计

孙寿义 邢瑞萍 骆 工 庄秀华

（山东省水文仪器研制中心，山东 济南250001）

水文巡测车是一种用于防汛水文数据采集的应急监测设备。该设备机动灵活操作方便，在桥上悬吊水文仪器进入河中监测水文数据，为防汛抢险提供决策依据。目前在用水文绞车卷扬机绝大多数没有过载保护功能，只能通过配备太平斧作为安全手段。本文设计了具有过载保护功能的卷扬机，防止悬吊仪器在水中监测时挂到大型漂浮物危及人员及车辆的安全。

1 具有过载保护功能卷扬机的设计原理

水文巡测车工作原理：水文巡测车是由运载工具车、水文绞车两部分组成，运载车辆携带水文绞车、测流设备到达测流断面，通过运载车辆提供的动力来驱动绞车液压系统或由汽车发电机提供的电能直接驱动全电动水文绞车，通过控制系统控制回转动作、卷扬机升降动作、吊臂的仰俯伸缩动作，将测流设备投放到测流位置进行测流。主要功能是通过卷扬机将检测仪器设备放到相应水深位置，检测完成后将仪器收回。由于防洪应急监测时河道中水流速度大、漂浮物多，经常有大树、草堆等大型漂浮物通过，挂到仪器后会对车辆和人员的安全造成威胁。在悬索挂到大型漂浮物时卷扬机能够自动滑脱，牺牲仪器设备保证人员和车辆安全，这样可以大大提高水文巡测车的使用安全性。

过载保护功能卷扬机原理：如图1，在卷扬机卷轮与刹车制动器之间设计安装一个转矩限制器，当悬索挂到超过卷扬机最大载荷的漂浮物时卷轮能够自动滑脱，起到保护人员、车辆安全的作用。

图1 卷扬机结构

2 卷扬机结构设计

转矩限制器又叫“扭矩过载保护器”，由于在原有水文巡测车上进行设计改进，受到安装尺寸限制，成品配件无法采用。只有对卷扬机进行重新设计，最大载荷设计为300 公斤。过载保护功能卷扬机结构（如图1）水文绞车新卷扬机由驱动液压马达、卷筒、卷轮、卷轴、转矩限制器、刹车装置、端盖组成。将转矩限制器与刹车装置巧妙的结合在一起，在卷轮受到拉力超过300 公斤后转矩限制器打滑，起到安全保护作用。转矩限制器由压紧碟簧、摩擦盘（2 片）、紧固盘、摩擦片、压紧调整套、固定螺栓组成。改进后的卷扬机可以通过调整压紧调整套的长度来调整碟簧压力，设定转矩限制器的最大滑动转矩。该结构简单容易拆卸，方便维护，对安装精度要求低。

3 转矩限制器技术参数的计算

3.1 碟簧压紧力计算

设定滑脱载荷为300 公斤，转矩限制器传递的最大转矩为：T=300*10*0.055=16500N.cm

摩擦片选用铜基D=112,d=75 厚3mm，产生16500 N.cm 的转矩碟簧压紧力计算：Q=T/Rmμm=16500/(4.675*0.3*2)=5851N。

Rm(平均摩擦半径)=（R1+R2）/2=(56+37.5)/2=46.75mm，

μ（摩擦因数）=0.3，m(摩擦面对数)=2。

3.2 摩擦片承受压强计算

P=T/（2πRm2μmb）=16500/（2*3.14*4.72*0.3*2*1.85）=108N.cm2小于摩擦片允许承受压强206 N.cm2，选用摩擦片满足设计要求。b 为摩擦面宽度1.85cm.

3.3 碟簧型号选择

选用碟簧压力Qmax 要大于5851N，受卷轴、卷轮尺寸限制选用C系列D=100，d=51，t=2.7，h。=3.5，H。=6.2，f=0.75 h(如图2)时压紧力F=8610 大于5851N 满足要求。

图2 无支撑面碟簧

3.4 碟簧变形量计算。

计算出碟簧压紧力为5851N 时的变形量，即可确定压紧调整套的长度。由于C=D/d=100/51=1.96，可根据碟簧计算系数表1 查得K1=0.686，无支撑碟簧K4=1。

表1 碟簧计算系数

碟簧压平时压紧力Fc=4E*t3h。*K42/(1-μ2)K1D2=4*206*103*2.73*3.5*1/[(1-0.32)*0.686*1002]=9138.5

如碟簧特征曲线图3，由h。/t=3.5/2.7≈1.3，F/Fc=5851/9138.5=0.64，可查的碟簧变形量f/ h。=0.35，得出f=0.35* 3.5mm=1.225mm。

图3 碟簧特征曲线

4 结论

根据图纸尺寸、 碟簧变形量可以确定出压紧调整套长度为22.5mm 时可以满足载荷超过300 公斤卷轮即可滑脱。