一种可解决径向齿块式结构缺陷的新型齿套式调绳离合器

李荣德

中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙 410100

调绳离合器是单绳双筒缠绕式提升机的一个重要部件。提升机正常工作时，调绳离合器合上，转矩从主轴传递到游动卷筒上，保证提升机正常提升。提升机运行一段时间后，绳子长度伸长或需要更换提升水平时，调绳离合器打开，游动卷筒与主轴连接或者脱离，使得游动卷筒与固定卷筒同步转动或作相对运动，以调节绳长或更换提升水平。

1 径向齿块式调绳离合器的特点

目前，我国常用的调绳离合器为径向齿块式结构，如图 1 所示[1-2]，主要由齿块、齿圈、液压缸、联锁阀等组成。该调绳离合器的工作原理为：提升机正常工作时，齿块和内齿圈处于啮合状态，驱动液压缸处于回油状态，驱动液压缸的油路关闭，联锁阀锁闭，保证齿块和内齿圈可靠地啮合；调绳时，提升机处于安全制动状态，高压油先进入联锁阀，使联锁阀的柱销从活塞杆的凹槽中移出，然后高压油进入驱动液压缸的离开腔，推动活塞杆向左移动，通过与活塞杆连接的移动毂使齿块与内齿圈脱离啮合，达到游动卷筒与主轴分离的目的。

图1 径向齿块调绳离合器

高压油使活塞杆继续向左移动，当移动至设定距离时，低速启动提升机，提升方向根据实际情况或正或反，固定卷筒和游动卷筒间产生相对转动，调整钢丝绳长度到准确的停车位置或更换到需要的提升水平，并使游动卷筒与固定卷筒上黑白相间标记块相互对准停车，从而完成调绳操作。

径向齿块调绳离合器的主要缺点如下。

(1) 有较大的安全隐患 传递转矩时，齿块受到向下的力，有向下脱开的趋势，提升过程中一旦发生联锁阀误操作，齿块将向下脱开，游动卷筒和主轴之间无法传递转矩，游动卷筒上挂的钢丝绳和提升容器失去平衡，将发生严重的容器坠落事故。

(2) 调绳精度较低 提升机规格较大时，调绳离合器需要传递的转矩较大，而齿块式离合器的齿块数量有限，齿块上的齿数也有限，因此齿块尺寸大，必然影响调绳离合器的调绳精度[3-4]。

(3) 对主轴精度要求较高 热装影响整个主轴的径向尺寸。

2 齿套式调绳离合器的结构

鉴于齿块式调绳离合器的不足之处，笔者研制出了一种齿套式调绳离合器，如图 2 所示，主要由主轴、主轴外齿套、调绳液压缸、拨动环、移动内外齿套、游动内齿套和游动卷筒等组成。

图2 齿套式调绳离合器

主轴外齿套通过定位销与轴肩定位，通过螺栓拧紧产生的摩擦力传递主轴上的转矩，同时主轴外齿套还充当移动内外齿套的滑动轨道，移动内外齿套可以在主轴外齿套上滑动，如图 3 所示。

图3 齿套式调绳离合器工作方式

安装在主轴外齿套上的移动内外齿套有内齿和外齿，其内齿与主轴外齿套的外齿相啮合，通过驱动装置可以在主轴内齿套上移动，当其被推向卷筒方向时，移动内外齿套上的外齿与游动卷筒内齿圈相啮合，从而实现离合器的啮合，转矩从主轴传递到移动内外齿套，然后再传递到游动卷筒内齿圈。游动卷筒内外齿圈通过螺栓连接在游动卷筒幅板上，当移动内外齿套与游动内齿套啮合后，主轴的转矩可以通过调绳离合器传递到游动卷筒，从而使主轴带动游动卷筒转动。

调绳时，在调绳液压缸的带动下，移动内外齿套向反方向脱开，主轴的转矩无法传递到游动卷筒上，此时主轴可以自由转动，从而实现游动卷筒的调绳功能。

3 设计方法

齿块式调绳离合器和齿套式调绳离合器的设计校核方法不同。齿块式调绳离合器校核条件为：假设只有一个齿工作，在该齿的极限挠度下，校核该齿的最大应力。齿套式调绳离合器的校核条件为：齿套接触，考虑载荷不均匀系数，校核齿套的齿面应力。

调绳离合器传递的转矩为：

(1) 正常提升时，调绳离合器所传递的最大转矩

式中：Fmax为游动卷筒提升开始时的最大静张力，N；G为游动卷筒变位质量，kg；a为提升加速度，m/s2；R为卷筒半径，mm。

由式 (1) 计算可得，提升机正常提升时，调绳离合器传递的最大转矩为 2.383 7×108N·mm。

(2) 调绳时机构所传递的力矩

式中：Q1为提升容器的质量，kg；P为钢丝绳的单位质量，kg/m；H3为 3 层缠时的提升高度，m；g为重力加速度，m/s2。

由式 (2) 计算可得，调绳时机构传递的力矩为 1.429 3×108N·mm。

3.1 径向齿块式调绳离合器的强度设计方法

若只有一个齿工作，在该齿的极限挠度下，齿轮承担的力矩

式中：K为齿厚公差，mm；E为齿轮材料弹性模量，2.1×105MPa；b为齿宽，mm；m为模数，mm；B为修正系数。

当外齿轮齿数不等于内齿圈齿数时，

式中：Z2为内齿圈齿数；Z1为外齿块齿数。

齿中的最大应力

式中：T2为游动卷筒提升最终受力，N；T1为游动卷筒提升开始受力，N。

只要满足：

即认为离合器强度足够。

3.2 齿套式离合器的计算方法

齿轮的分度圆直径

式中：z为齿数；m为模数，mm。

内齿轮的宽度

校核齿面压强

式中：Te为离合器的计算转矩，N·mm；ε为载荷不均匀系数；pp为齿面许用压强，Pa；K1为工况系数，取 1.8；T为离合器的理论转矩，对于嵌合式离合器，T为稳定运转中的最大工作转矩或原动机的公称转矩，N·m，理论转矩为 2.383 7×108N·mm。

由式 (11) 计算可得离合器转矩Te=4.290 66× 108N·mm。

3.3 调绳精度计算

以 2JK-3×1.5P 单绳双筒缠绕式提升机参数进行设计计算。

同样的转矩下，齿块式的模数m=14，齿套式的模数m=5，调绳精度有较大提高。

齿块式的调绳精度

齿套式调绳精度

齿块式调绳离合器的单齿需满足许用应力，对模数有严格要求，而齿套式离合器齿轮的模数在满足齿面应力的情况下可以有效减小，因此齿套式调绳离合器的调绳精度高于齿块式调绳离合器。

4 结语

与径向齿块式调绳离合器相比，齿套式调绳离合器的优越性如下。

(1) 加强系统的安全性 主轴通过齿套与游动卷筒连接，在提升机运行过程中不会产生向外脱出的受力趋势，避免了径向齿块式调绳离合器运行过程中向外脱出的危险，增强了提升系统的安全性。

(2) 结构简单紧凑易加工 齿套式调绳离合器相对于径向齿块式调绳离合器结构更简单，加工更方便。

(3) 对主轴适应性强 齿套式调绳离合器的主轴外齿套和游动卷筒内齿套都用螺栓安装，均可做成两瓣结构。径向齿块式调绳离合器则有轮毂需要热装在主轴上，因此对主轴结构有要求，比如在热装轮毂的方向不能有大于热装轮毂内孔的轴台轴肩等。相比较而言，齿套式调绳离合器对主轴上的轴台和轴肩则基本没有要求。

(4) 提高了调绳精度 齿套式调绳离合器采用齿套传递转矩，因此齿套中齿的模数可以比用齿块传递转矩的径向齿块式调绳离合器要小，调绳精度也比径向齿块离合器高。