一种卷扬机的结构设计及优化

2014-10-10王小明倪受东

制造业自动化 2014年15期

王小明，倪受东，程鹏

WANG Xiao-ming, NI Shou-dong, CHENG Peng

（南京工业大学机械与动力工程学院，南京 211816）

0 引言

卷扬机是用卷筒缠绕钢丝绳提升或牵引重物的轻小型起重设备，虽然现在塔吊等取代了卷扬机的部分工作，但由于塔吊体积大，而且其灵活性较差，一般在大型建筑中使用，而且其成本高，一般中小型建筑行业仍然广泛应用建筑卷扬机，就是大型建筑中虽有塔吊，也还需要建筑卷扬机作辅助提升用，而卷扬机又有“矿井咽喉”之称，因此，卷扬机被广泛应用于建筑、采矿等领域。

卷扬机的性能、工作效率，安全可靠性等，都对建筑或矿山生产和人员、设备的安全起着重要的影响，基于此设计了一种合理的卷扬机结构，可适用于各类含有卷筒的矿山机械、工程机械、建筑机械等领域。

1 卷扬机的工作原理

如图1所示，这种卷扬机由驱动电机、卷绳筒、钢丝绳、制动系统、排绳机构、安全开关等机构及控制系统组成。带减速箱及安全制动的电机安装在电机支座上，通过变频器控制电机速度，电机轴经减速箱减速后与链条连接，带动链轮转动，使与链轮同轴安装的卷筒同步转动，当电机正转或者反转时，缠绕在卷筒上的钢丝绳带动吊篮上升或下降运动，从而实现对物料、设备或施工人员的提升与下放。

图1 卷扬机总装图

当卷扬机断电或者需要临时停止工作进行检查时，常闭盘式制动器会在压缩弹簧的推力下推动活塞，使闸瓦压紧制动盘，实现卷扬机的刹车，当卷扬机处于通电工作状态下时，在液压油的压力作用下推动活塞缸，使其远离制动盘，实现松闸。

2 凸轮排绳机构的设计

目前，为避免因卷扬机受工作环境影响而造成钢丝绳的乱绳、咬绳、甚至断绳现象的发生而设计的排绳机构主要有三类：1）基于液压系统的排绳机构；2）基于电气系统的排绳机构；3）纯机械系统，前两类结构较为复杂，成本较高，维护比较困难[1]。

图2 凸轮排绳机构示意图

如图2所示，凸轮排绳机构采用纯机械系统，把凸轮的旋转运动转化为卷筒的直线运动。在滚子支撑与圆柱凸轮的相互作用下，钢丝绳缠绕方式由固定位置转变为相对于卷筒左右来回移动方式，当卷筒与凸轮按严格的固定传动比联动时，圆柱凸轮转动一圈，卷筒刚好左右来回移动一个总程，这时钢丝绳就以一定的规律左右一排排地缠绕在卷绳筒上，不仅避免了钢丝绳乱绳，咬绳等现象的发生，还使卷筒在工作过程中受力均匀，提高了卷筒的使用寿命。

3 卷筒分析及优化

对卷扬机而言，卷筒是其主要承载部件，它起着存放钢丝绳、承担提升负荷、传递动力的作用，理论和实践表明，卷筒是卷扬机中比较薄弱的部件[2]。

卷筒上的钢丝绳根据不同工作条件及场合可设计成单绳或多绳，考虑到特殊场合的安全性要求，此卷筒结构设计成四根钢丝绳，在装载工作人员或物料的吊篮两端各固定两根互不相干的钢丝绳，使吊篮得到了双重保护，这样不会因为某根钢丝绳因磨损断裂而发生吊篮坠落现象，提高了设备的安全可靠性。

3.1 卷筒受力分析

在钢丝绳缠绕卷筒的作用下，卷筒产生压应力、弯曲应力和扭曲应力而发生变形，由于卷筒直径比壁厚要大很多，其截面惯性矩仍很大，因此，钢丝绳拉力在筒壁上所引起的剪应力和弯曲应力相对很小，—般将此项应力忽略不计[3]。因此将此力看作为钢丝绳对卷筒面产生一个径向的压缩力，可将此载荷转化为作用于卷筒上的径向均布载荷。

卷筒的基本参数为：钢丝绳直径d=15mm,绳槽节距t=16mm，最大静拉力F=1800N，卷筒直径D=300mm。考虑多层缠绕情况下，由于筒壁和钢丝绳绳圈的变形，当第n层绳圈绕上卷筒时，先绕上的第1层至n-1层绳圈的张力都要发生变化，进而导致筒壁上受到的压力不是随着缠绕层数的增加而成比例的增加，引入多层缠绕系数An，钢丝绳的缠绕层数n＞5，An取1.6[3]，则：

每当钢丝绳缠绕至卷筒端部最后1圈，并向新的一层过渡时，在该过渡圈内，因钢丝绳对卷筒侧板的楔入作用而产生轴向推力FZ[4]：

式中，n为绕绳层数，d2为挡板外径，d1为挡板内径。

因此卷筒受力情况可简化为缠绕在卷筒上的钢丝绳对卷筒的径向均布载荷σ1与钢丝绳对卷筒侧板的楔入作用产生的均布载荷σ2。

3.2 卷筒结构优化

根据调查，国内使用期限达10年以上的卷扬机，其中80%发现有卷筒开裂、塌陷、开焊或连接螺钉剪断等现象[5]，这就要求在设计过程中合理设计，得到最优结果。而卷筒设计的关键在于卷筒厚度的确定，在工程实践中，按传统设计方法，取卷筒厚度约为钢丝绳的直径，这种传统设计方法过于保守，因此，可以在此基础上对卷筒进行轻量化设计。

由于ANSYS建模功能有限，且不方便，所以采用SolidWorks软件对卷筒进行三维建模，并对模型进行合理简化后，将SolidWorks模型文件另存为x.t文件，然后导入ANSYS中，划分网格模型如图3所示。

卷筒材料采用灰铸铁，其强度极限为200MPa，选择SOLID45单元，由于结构对称性，取模型的1/4，在两轮支撑底部施加全约束，两剖切面施加对称约束，模拟钢丝绳对卷筒表面及档板一侧均布载荷的作用下卷筒的受力及变形情况。

图3 卷筒划分网格模型

图4 厚15mm卷筒等效应力图

若按传统设计方法，取卷筒厚度约为钢丝绳的直径，对于这种精度要求不是很高的机构设计，为方便计算及加工，一般对结构尺寸进行圆整，则卷筒厚为15mm，经强度与稳定性验算，都符合设计要求，但传统设计算法过于保守，图4为卷筒厚15mm等效应力图，卷筒最大应力为179.821MPa，小于灰铸铁的强度极限，其最大变形位移几乎为0，符合实际要求，但对受力不是很大的中小型卷扬机卷筒厚15mm还是厚了些。

图5 厚12mm卷筒等效应力图

图6 厚11mm卷筒等效应力图

当把卷筒厚度减小为12mm，其等效应图如图5所示，虽然其最大变形位移变大了，但变形仍然几乎为0，其最大应力为189.617MPa，也在灰铸铁的强度极限范围内，图6为11mm厚卷筒等效应力图，其最大应力为196.815MPa，经ANSYS进一步分析可知，当卷筒厚度小于11mm时，卷筒最大应力会超过材料的强度极限。考虑到卷扬机工作过程中会受到动态载荷，在设计卷筒厚度时还需要有一定的冗余，故选择厚度为12mm即为最优结果，这样既减轻了卷筒重量、又降低了制造成本。