载人绞车卷筒强度分析及改进

李瑞平，李建新

（1.中国煤炭科工集团太原研究院，山西 太原030006；2.山西天地煤机装备有限公司,山西 太原030006）

1 前言

绞车由于其结构简单，性能可靠，通用性高，被广泛应用于矿山、水利、建筑等行业。国内许多行业都在从事绞车研制，随着国家提出高质量发展政策，对绞车性能、可靠性提出更高要求。 因此，本文计算了卷筒表面径向应力并改变卷筒材料，最后对改进的绞车卷筒做了复合应力和焊缝强度校核。

2 卷筒强度分析

卷筒受力主要是钢丝绳吊装重物产生的各种力和力矩。 最大工作载荷500 kg，设计最大拉力1000 kg，最大计算拉力2500 kg，这样按照最外层（即第5 层钢丝绳）产生的最大扭矩是Mmax=5375 N·m

2.1 卷筒受力分析

卷筒宽度B=300 mm，为了计算方便，将第5层钢丝绳产生的最大扭矩Mmax在卷筒表面上分解为两个相互垂直的分力， 即圆周力Ft和径向力Fr。 由此得

式中 Mmax——第五层钢丝绳产生的最大扭矩，N·m

d0——卷筒外圆直径，m

α——钢丝绳出绳角度，α=30°

2.2 卷筒径向应力

卷筒表面的径向应力可由下式求得

式中 σhoop——卷筒表面压力，N/mm2

P——钢丝绳卷绕节距，mm

tdr——卷筒壁厚，mm

KL——钢丝绳松弛系数

Tstat——钢丝绳最大静压力，N

经计算得

对于20 钢：屈服强度

Fy=245MPa，Fu=410MPa

因为Fy/Fu＜0.7，所以许用压应力σhoop＞Fa， 所以卷筒强度不能满足标准要求，需要更换材料。

3 卷筒优化

选用30Cr 合金结构钢。 其屈服强度Fy=687MPa，Fu=885MPa。因为Fy/Fu＜0.7，所以许用压应力

所以σhoop＜Fa，所以卷筒强度能够满足标准要求。

3.1 复合应力

卷筒表面的复合应力可由下式求得

式中 σcb——卷筒壳体上的复合应力，N/mm2

rmean——卷筒中径，mm

Mbend——卷筒壳体上的弯矩，N·mm

Tdyn——钢丝绳的动态拉力，N

lspan——卷筒支点间的长度，mm

σbg——卷筒壳体上的全局弯曲应力，N/mm2

σbl——卷筒壳体上的局部弯曲应力，

N/mm2

经计算，可得

所以

30Cr 合金结构钢，其屈服强度Fy=687MPa。

取Sc=0.66。 因为许用应力F=Fy·Sc=687×0.66=453.4 N/mm2，所以σcb＜F，所以卷筒强度能够满足标准要求。

3.2 卷筒焊缝强度计算

τ≤[τ＇]，所以焊缝强度足够。

4 结论

对卷筒表面径向应力计算， 得出20 钢的许用应力不能满足标准要求， 将卷筒材料改为30Cr 合金钢， 该材料下卷筒的复合应力和焊缝强度都满足使用要求。