浅析卷扬自由落钩过程

羿峰

摘  要：卷扬在自由落钩时，制动过程会对卷扬自身和机械结构造成冲击。通过简化模型，研究制动力矩对重物下落过程的加速度、冲击力、重物下落高度的影响。结果表明，制动时重物对臂架结构的冲击力与制动器的最大制动力矩、重物重量、倍率等有关，本文对合理匹配后三者之间的关系具有指导意义。

关键词：卷扬、自由落钩、动力学、分析、下降高度控制

卷扬是一种广泛应用于工程机械的起升机构，卷扬自由落钩是指卷筒与减速机完全脱开的情况下，利用重物的自身重量带动卷筒旋转的一种快速下落方式。由于工程需要，制动时制动器的力矩较大，因此制动过程会对卷扬自身和其他机械结构造成冲击，对其进行动力学分析有利我们评估制动过程对整机结构的影响。本文将根据简化模型的计算结果，结合相关试验数据，确定制动力矩、钢丝绳倍率、吊重的匹配关系，使制动装置即满足施工需要，又满足设备要求。

1.简化模型

建立如图1所示的模型。

该模型的制动装置为常开式带式制动器，正常状况下，制动油缸处于回缩状态，拉簧有一定的预紧力，左右制动带与卷筒上的制动鼓处于分离状态。制动油缸伸出时制动带拉紧，阻碍卷筒旋转。

为了方便说明本质问题，做如下假设：1）钢丝绳没有弹性变形且重量忽略不计;2）不计滑轮重量;3）钢丝绳在卷筒的同一层工作;4）忽略制动器的打开时间和关闭时间;5）制动带具有足够的柔韧性。

将整个过程分为2个阶段。第1个阶段，卷扬从静止（位置1）开始做自由下落运动，至到开始制动的瞬间（位置2）為止;第2个阶段，卷扬从开始制动的瞬间（位置2）起直到重物停止（位置3）。

2.自由下落过程

从上式中以得出，对于一台已经确定了钢丝绳倍率和吊载重量的起重机，重物在自由落体阶段和制动阶段的高度是关于最大有效制动力Fe与制动鼓半径rz的函数，而最大有效制动力取决于制动油缸提供的力。

若考虑油缸伸出时的空行程和油压建立滞后的影响，则必须在重物自由落体的高度小于理论高度h12时，以最大制动力进行制动，否则重物将会接触地面。

4.讨论与计算实例

经过以上分析和计算结果，机械设备在使用卷扬自由落钩功能，选用的工况参数是否合理的评价指标主要有：重物下落总高度H、制动器最大有效制动力矩Fe·rz、钢丝绳单绳拉力Fg23、重物对结构冲击力n·Fg23/η、吊重总量mA、钢丝绳倍率n等，工程应用时要根据实际情况合理匹配。

通过一个实例来说明（如图2），现有一台80吨级的起重机，该工作幅度下，额定起重量为Qmax，钢丝绳破断拉力为Fgmax，滑轮组中心距地面高H0，根据施工要求，需要重物能快速下放，并在完全制动后不接触地面。

根据下表提供的数据，确定现有制动器、倍率、吊载总重量的选用是否合理。

从表3中比较前3组数据可以得出，吊重和制动力矩一定时，重物倍率越小对臂架结构冲击也越小，而对卷扬本身的冲击越大，因此在卷扬具有足够安全裕度的情况下优先选用第3组数据是比较科学的，此时钢丝绳的安全系数较大（约7.1），单倍率的作业效率也很高。

同样可以根据实际情况，确定最佳的吊重和制动力矩。

5.结束语

（1）制动时重物对臂架结构的冲击力与制动带的最大制动力矩有关，而与制动时间和制动瞬间的初速度不直接相关。制动装置的设计应充分考虑制动油缸、制动鼓半径、摩擦片材料等的匹配。

（2）制动时冲击力远大于重物与吊钩总重量，设计时充分考虑冲击对结构的影响。

（3）重物自由落体的高度存在某个许用值，当超过该值时，可以通电气程序控制启制动装置。

（4）本文中的自由落钩过程是一个简化模型，在进行实际工程应用时，还应充分考虑其他因素的影响，如钢丝绳的重量及变形、绕绳滑轮的转动惯量、制动油缸的空行程等，对电气控制过程进行合理的修正。

参考文献

[1]西北工业大学机械原理及机械零件教研室，濮良贵，纪名刚主编.机械设计[M].第七版.高等教育出版社，2002 ：142-144.

[2]许磊磊.轮胎式起重机自由落钩结构动态特性研究[D].武汉理工大学，2011.