卷筒制动盘加工工装设计研究

李明星，岳海豹

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

卷筒是起重机的重要组成部分，钢厂用铸造起重机常为单层双联卷筒，为了提高起重机整体的安全性能，一般都在卷筒法兰侧增加制动盘。同时为了配合安全制动器起到制动作用，制动盘直径较卷筒筒体直径要大，因此制动盘直径的大小也是卷筒加工中需考虑的重要因素。如果制动盘单独加工到尺寸要求，装到卷筒上后，由于装配误差及加工变形等因素的影响，制动盘端面跳动无法达到标准要求。因此为了保证制动盘装到卷筒后端面跳动符合标准要求，卷筒制动盘和卷筒需要整体加工。但是太原重工股份有限公司起重机分公司为某钢厂生产的480/80 t铸造起重机其卷筒制动盘直径超过了厂内数控卧式车床床身最大回转直径，因此无法在车床上整体加工制动盘，为此提出了一套可以使制动盘在镗床上加工的工装。本文就此卷筒制动盘加工工装的设计进行了研究。

1 卷筒制动盘结构及加工工装组成

镗床可分为卧式镗床、落地镗床、金刚镗床等类型。其中落地镗床将工件固定在平台上，适宜加工尺寸和重量较大的工件。本文在落地镗床上完成卷筒制动盘的加工，通过设计工装使卷筒做回转运动，镗刀径向做进给运动，模拟车床加工。

图1为卷筒制动盘结构简图。卷筒制动盘加工工装由电机、减速机、卷筒联接法兰轴、减速机联接法兰等组成，如图2所示。制动盘通过Φd1螺纹孔与卷筒联接，联接后制动盘在镗床上加工图示凸台范围。

电机和减速机的选取、卷筒与减速机的联接是卷筒制动盘加工工装设计的关键技术,本文进行详细论述。

2 电机的选取

2.1 电机初选

加工制动盘时，制动盘承受刀具给其的切削力F的计算公式为：

Fc≈2 000apf.

Ff≈(0.2～0.6)Fc.

Fp≈(0.2～0.7)Fc.

其中：Fc为切向力，N；Ff为进给力，N；Fp为背向力，N；ap为背吃刀量，mm；f为进给量，mm/r。

D1-制动盘加工面外径；D2-制动盘加工面内径；d1-螺栓孔直径；D3-螺栓孔分布分度圆直径；B-制动盘加工前厚度；b-制动盘厚度

1-卷筒支座1；2-卷筒；3-制动盘；4-卷筒支座2；5-卷筒联接法兰轴；6-联接法兰；7-减速机；8-联接件；9-电机

电动机稳态起升功率PN(kW)计算公式为：

其中：Pq为额定起升载荷，此时Pq=Fc，N；vq为起升速度，m/s；η为起升机构总效率。

根据PN值及实际加工工况可以初步选择电机。

电机初选后，电机容量必须经过过载校验和发热校验。

2.2 电机过载校验

起升电机过载校验公式为：

其中：P1为基准接电持续率时电动机的额定功率，kW；H为与电机有关的系数，绕线型异步电机H=2.5；m为电机台数；λm为基准接电持续率时电机转矩允许过载倍数。

2.3 电机发热校验

起升电机的发热校验公式为：

其中：Ps为稳态平均功率，kW；G为稳态负载平均系数。

P2为电机工作时的接电持续率JC值和CZ值条件下的允许输出容量，当满足P2≥Ps时电动机即通过发热校验。

经过过载校验和发热校验，可以选定电动机型号。

3 减速机选择

电机选择完后，根据电机转速nd和加工制动盘时的卷筒转速nj来确定减速机减速比ij，即：

减速机的疲劳计算基本载荷Mmax(N·m)的计算公式为：

Mmax=φ6×MN.

其中：φ6为动态试验载荷起升动载系数；MN为电机的额定转矩，N·m。

减速机工作级别的功率PMi(kW)计算公式为：

其中：n为减速器输入轴转速，r/min。

根据JB/T8905.2-1999标准选型时，由于只有M5工作级别的高速轴许用功率，因此需要换算到减速机M5级的高速轴输入功率PM5：

PM5=PMi×1.12(i-5).

其中：PM5为M5工作级别时减速机高速轴输入功率值，kW。

根据高速轴转速、公称减速比以及高速轴许用功率选择减速机。

4 卷筒与减速机的联接

电机、减速机选择完毕后就要考虑电机、减速机以

及卷筒装置的联接方式。由于在起重机产品中，卷筒和减速机之间是采用专用卷筒联轴器联接的，考虑到卷筒联轴器不能保证加工精度要求，因此需要特有的工装保证卷筒和减速机联接的刚性，防止卷筒受到切削力后制动盘发生变形。现选取与卷筒联接的法兰轴来说明其设计过程。

首先对工装整体进行受力分析，将其简化为简支梁,如图3所示。图3中，F1、F2为支座反力，FJ为卷筒自重的重力，Fz为制动盘的重力,Mc为Fc产生的转矩，T为减速机传递给卷筒的转矩。

图3 卷筒受力分析

卷筒制动盘在加工过程中整体处于平衡状态，法兰轴受力分析如图4所示。图4中，F3为卷筒给法兰轴传递的力，T1为卷筒传递给法兰轴的扭矩，L为F2与F3之间的距离。由于法兰轴既受弯矩，又受扭矩，因此为弯扭结合受力的轴。

图4 卷筒法兰轴受力分析

因此根据第三强度理论，结合起重机设计手册，法兰轴的最小直径d的计算公式为：

其中:σe为转轴计算截面上的当量工作力,MPa；M为转轴计算截面上的弯矩，N·mm；a为根据扭转剪应力变化性质而定的校正系数；[σ-1]为法兰轴的许用疲劳应力，MPa。

由此可以计算出轴的最小直径d，然后根据实际轴与卷筒的联接方式再确定其他尺寸。

5 结语

设计工装时，首先通过切削力及卷筒转速选择电机，然后通过减速比及电机输入转矩选择减速机，最后通过卷筒装置所受切削力及支座反力计算所需法兰轴的最小直径。经实际生产应用，该工装实现了卷筒制动盘的加工。