缠绳绞车推动机构液压油缸角度优化设计

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(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

缠绳绞车推动机构液压油缸角度优化设计

李建正，徐锡锋，陈强，张勇勇，李钊

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

针对特定参数下的缠绳绞车推动机构，采用力平衡和力矩平衡原理，建立支架的受力模型，将液压油缸倾角作为变量，分析不同倾角下推动机构中滑轨对活动支架的支撑力作用面和方向。通过对比分析同一角度下液压油缸输出的水平分力与活动支架与滑轨摩擦力的大小，得到特定工况下液压油缸可以推动活动支架的倾角范围值。

缠绳绞车；推动机构；液压油缸；倾角

缠绳绞车作为甲板拖带产品钢丝绳缠绕装置的主要机构，一般包括固定机架和推动装置。缠绳绞车通过主轴和销轴将缠绕钢丝绳的包装滚筒进行固定，在固定包装滚筒时，固定机架的主轴先插入包装滚筒中，而后推动装置进行移动，将包装滚筒在轴向进行固定。推动机构的动力源一般为液压缸，而液压缸倾角的大小，直接决定了液压缸长度、滑轨长度等的大小，进而决定了结构的成本以及其稳定性[1-2]。在进行液压缸设计中，主要难点在于液压缸支点和油缸力的确定上。许平勇等[3]建立了雷达天线结构中液压油缸推力的数学模型，并分析了液压油缸支点与油缸力之间的关系，为本文推力模型的建立提供了一定的理论依据。本文以力和力矩平衡为基础，建立推动机构力平衡方程和力矩平衡方程，来进行液压油缸倾角的优化设计。

1 推动机构模型分析

推动机构主要包括活动支架、滑轨和液压缸见图1。当缠绳包装滚筒需要固定时，先用吊机将包装滚筒吊起，再将一端固定在固定机架上，液压缸推动活动支架在滑轨上移动，最后将活动支架的主轴插入包装滚筒中，实现包装滚筒的固定。

图1 推动机构三维模型

液压缸推动活动支架运动时，液压缸输出的力对活动支架缠绳产生向前的倾覆力矩，而重力产生制动力矩，阻碍其倾覆。推动机构的简化模型见图2。上下油缸安装铰耳距固定架之间的距离e=150 mm，上安装铰耳距下轨道之间的距离l0=694 mm，活动支架宽度Bh=460 mm，滑轨的直径D=380 mm。活动支架的重力FG=27 000 N。

图2 推动机构简化模型

2 推动装置力学模型建立

设液压油缸的倾角为α，如图2所示，其中l1为液压缸在A点的力臂，l2为液压缸在B点的力臂。则有：

(1)

(2)

当液压缸推动活动支架运动到滑轨上任何一点时，设液压油缸输出力为Fy、活动支架的重力为FG，当液压油缸推动活动支架运动时，在液压缸的作用下，活动支架产生一个向前的倾覆力矩，重力产生相反的制动力矩。

如图2所示，在A点给活动支架向上的支撑力FA，在B点给活动支架向下的支撑力FB。分别以A点和B点为绞点建立如下方程。

以A点为支点：

以B点为支点：

式中：fA为活动支架在轨道A点的摩擦力，其方向与活动支架运动方向相反，fA=FA×u；fB为活动支架在轨道B点的摩擦力，其方向与活动支架运动方向相反，fB=FB×u；又知滑轨和活动支架的结构都是不锈钢材料，所以u=0.18[4]。

在竖直方向上，根据力平衡得到：

FG+FB=FA+Fy·sinα

(5)

将式(1)、(2)带入式(3)、(4)和(5)中，可得油缸推力与倾角α之间的关系式，带入不同的α，可得到如图3所示的倾角α与油缸推力之间的变化关系。

图3 油缸推力随倾角α变化

从图3中可知，在其他参数一定的情况下。当0<α<35°时，随着倾角α的增加，液压油缸输出力与假定力相反，说明液压油缸不输出力；当35°<α<90°时，随着倾角的增加，油缸力先迅速增加，而后逐渐减小，一致趋近于0。

从图4可知，在其他参数一定的情况下，当0<α<35°时，随着α角度的增加，FA和FB一直小于0，说明此时这2点力与假设的方向相反；当35°<α<90°时，随着α的增加，FA先增加而后下降，最后逐渐减小，FB同样先增加，后减小，其一直小于FA，到最后与FA相等。

图4 支持A点、B点力随倾角α变化

从图3和图4可知，当倾角小于35°时，液压油缸输出的推力为负值，说明此时液压油缸不做功。并且此时B点的力与假设的方向相反，说明此时由油缸产生的倾覆力矩小于由重力产生的反倾覆力矩，故此模型受力应见图5。

图5 推动机构简化模型修改

由图5可知，由于此时液压油缸所提供的力产生的力矩不足以抵消重力产生的制动反力矩，所以活动支架受到A点和C点的力均竖直向上。

液压油缸的在C点的支撑力臂为

根据力平衡建立图5模型在竖直方向的力平衡如下。

FA+FC+Fy·sinα=FG

(7)

分别以A点和C点为支点，建立力矩平衡方程。

以A点为支点，有：

(8)

以B点为支点，有：

(9)

将式(7)带入式(8)和(9)，可得C点支撑力与倾角之间的关系式；代入不同的倾角α，可得到倾角α与C点支撑力之间的变化规律，见图6。

图6 C点力随倾角的变化

从图6可知，随着倾角α的增加，C点的支撑力随α的增加而基本呈线性关系增加，从而可知，在0<α<35°范围内，C点的力一直为正，且与假定方向相同，故此时模型成立。综上所述，当 0<α<35°时，推动装置模型的力平衡方程如式(7)所示，其力矩平衡方程如式(8)和式(9)所示；当α>35°时，推动模型的力平衡方程如式(5)所示，其力矩平衡方程如式(3)和式(4)所示。

3 推动装置液压油缸倾角分析

根据式(3)～(5)、式(7)～(9)，得到液压油缸的输出力见图7。

图7 液压油缸输出力Fy随倾角α的变化

从图7可知，随着α的增加，液压油缸的输出力先基本保持不变，而后迅速增加到最大值，在α为35°时，液压油缸最大的力为7 988 N，而后随着α的增加，液压油缸的力呈直线下降趋势。

液压油缸的作用是推动活动支架在滑轨上运动，而要推动活动支架，则需要液压油缸的水平分力大于支点A和支点C支撑力引起的力，可以得到A点和C点产生的摩擦力和液压油缸的水平分析比较曲线见图8。

图8 摩擦力和液压油缸推力水平分量的对比

由图8可知，随着倾角α的增加，油缸推力的水平分力先缓慢减小，而后迅速减小，当接近90°时，油缸水平推力几乎为0。活动支架运动时，需要克服的摩擦力随倾角α的增加，先缓慢增加，而后逐渐迅速减小，最后趋近于平稳不变。当α<45°时，油缸推力水平分量逐渐减小，而活动支架与轨道之间的摩擦力逐渐增加，但油缸推力水平分力始终大于摩擦力，此时液压油缸可以推动活动支架在轨道上滑动；当α=45°时，油缸推力水平分量等于油缸运动需要克服的摩擦力，此时为液压油缸与推动活动支架的分界点；当α>45°时，油缸推力水平分量迅速减小，而活动支架与轨道之间的摩擦力先迅速减小而后趋于平稳，但油缸推力水平分力始终小于摩擦力，此时液压油缸不能推动活动支架在轨道上滑动。

从上面分析可知，当液压油缸的倾角α<35°时，液压油缸推动活动支架产生的倾覆力矩小于重力引起的制动力矩，活动支架与滑轨的接触点为点A和点C，此时液压油缸可以推动活动支架在滑轨上运动；当液压油缸的倾角35°<α<45°时，液压油缸推动活动支架产生的倾覆力矩大于重力引起的制动力矩，所以活动支架与滑轨的接触点为点A和点B，此时液压油缸也可以推动活动支架在滑轨上运动；当α>45°时，液压油缸推动活动支架产生的倾覆力矩大于重力引起的制动力矩，所以活动支架与滑轨的接触点为点A和点B，此时液压油缸无论输出多少推力，均不能使活动支架在滑轨上运动。所以本文推荐，在此设计中，液压油缸的倾角不能大于45°。

4 结论

在特定的工况下，采用力平衡和力矩平衡原理得到在倾角小于45°时，当液压缸输出一定推力时，活动支架可以被液压油缸推动的，不会发生死点问题。针对类似于液压缸推动物体运动的结构，建议在实际工程应用中，液压缸倾角设计越小越好，最大不能超过45°。

影响液压缸推动倾角的因素很多，其他参数对液压缸倾角的影响待进一步研究。

[1] KIM JH， HAN SM， KIM YJ. Safety estimation of high-pressure hydraulic cylinder using FSI method[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering.2016(5)：418-423.

[2] ZHANG Wei-wei, WANG Xiao-song, WANG Zhong-ren. Stress and deformation analysis of cylinder-crown integrated hydraulic press with large capacity[J]. Journal of harbin institute of technology.2015(6)：50-54.

[3] 许平勇,卫国爱,潘玉龙,等.液压翻转举升机构及油缸支点的设计[J].机械设计与制造,2005(11)：45-47.

[4] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2008.

Optimal Design of Hydraulic Cylinder Angles for Winder Driving Mechanism

LIJian-zheng,XUXi-feng,CHENQiang,ZHANGYong-yong,LIZhao

(Wuhan Marine Machinery Plant Co. Ltd., Wuhan 430084, China)

Based on the analysis of the propelling mechanism of the winches under the specific parameters, by using the force balance and moment balance principle, the force model of the movable support in the mechanism was established. Taking the hydraulic cylinder angle as a variable, the support surface and direction of the supporting force in the slide mechanism were analyzed. By comparing and analyzing the horizontal component of the hydraulic cylinder output and the friction force between the movable support and the slide rail under the same angle, the angle range of the movable support can be obtained under certain working conditions.

winding ropes; pushing mechanism; hydraulic cylinder; dip angle.

U664.4

A

1671-7953(2017)06-0101-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.023

2017-01-09

2017-02-24

工业和信息化部项目(工信部联装[2014]508号)

李建正(1990—)，男，硕士，助理工程师

研究方向：机械结构研究、设计