一種卷揚機的結構設計及優(yōu)化

王小明，倪受東，程 鵬

WANG Xiao-ming, NI Shou-dong, CHENG Peng

（南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，南京 211816）

0 引言

卷揚機是用卷筒纏繞鋼絲繩提升或牽引重物的輕小型起重設備，雖然現(xiàn)在塔吊等取代了卷揚機的部分工作，但由于塔吊體積大，而且其靈活性較差，一般在大型建筑中使用，而且其成本高，一般中小型建筑行業(yè)仍然廣泛應用建筑卷揚機，就是大型建筑中雖有塔吊，也還需要建筑卷揚機作輔助提升用，而卷揚機又有“礦井咽喉”之稱，因此，卷揚機被廣泛應用于建筑、采礦等領域。

卷揚機的性能、工作效率，安全可靠性等，都對建筑或礦山生產和人員、設備的安全起著重要的影響，基于此設計了一種合理的卷揚機結構，可適用于各類含有卷筒的礦山機械、工程機械、建筑機械等領域。

1 卷揚機的工作原理

如圖1所示，這種卷揚機由驅動電機、卷繩筒、鋼絲繩、制動系統(tǒng)、排繩機構、安全開關等機構及控制系統(tǒng)組成。帶減速箱及安全制動的電機安裝在電機支座上，通過變頻器控制電機速度，電機軸經減速箱減速后與鏈條連接，帶動鏈輪轉動，使與鏈輪同軸安裝的卷筒同步轉動，當電機正轉或者反轉時，纏繞在卷筒上的鋼絲繩帶動吊籃上升或下降運動，從而實現(xiàn)對物料、設備或施工人員的提升與下放。

圖1 卷揚機總裝圖

當卷揚機斷電或者需要臨時停止工作進行檢查時，常閉盤式制動器會在壓縮彈簧的推力下推動活塞，使閘瓦壓緊制動盤，實現(xiàn)卷揚機的剎車，當卷揚機處于通電工作狀態(tài)下時，在液壓油的壓力作用下推動活塞缸，使其遠離制動盤，實現(xiàn)松閘。

2 凸輪排繩機構的設計

目前，為避免因卷揚機受工作環(huán)境影響而造成鋼絲繩的亂繩、咬繩、甚至斷繩現(xiàn)象的發(fā)生而設計的排繩機構主要有三類：1）基于液壓系統(tǒng)的排繩機構；2）基于電氣系統(tǒng)的排繩機構；3）純機械系統(tǒng)，前兩類結構較為復雜，成本較高，維護比較困難[1]。

圖2 凸輪排繩機構示意圖

如圖2所示，凸輪排繩機構采用純機械系統(tǒng)，把凸輪的旋轉運動轉化為卷筒的直線運動。在滾子支撐與圓柱凸輪的相互作用下，鋼絲繩纏繞方式由固定位置轉變?yōu)橄鄬τ诰硗沧笥襾砘匾苿臃绞?，當卷筒與凸輪按嚴格的固定傳動比聯(lián)動時，圓柱凸輪轉動一圈，卷筒剛好左右來回移動一個總程，這時鋼絲繩就以一定的規(guī)律左右一排排地纏繞在卷繩筒上，不僅避免了鋼絲繩亂繩，咬繩等現(xiàn)象的發(fā)生，還使卷筒在工作過程中受力均勻，提高了卷筒的使用壽命。

3 卷筒分析及優(yōu)化

對卷揚機而言，卷筒是其主要承載部件，它起著存放鋼絲繩、承擔提升負荷、傳遞動力的作用，理論和實踐表明，卷筒是卷揚機中比較薄弱的部件[2]。

卷筒上的鋼絲繩根據(jù)不同工作條件及場合可設計成單繩或多繩，考慮到特殊場合的安全性要求，此卷筒結構設計成四根鋼絲繩，在裝載工作人員或物料的吊籃兩端各固定兩根互不相干的鋼絲繩，使吊籃得到了雙重保護，這樣不會因為某根鋼絲繩因磨損斷裂而發(fā)生吊籃墜落現(xiàn)象，提高了設備的安全可靠性。

3.1 卷筒受力分析

在鋼絲繩纏繞卷筒的作用下，卷筒產生壓應力、彎曲應力和扭曲應力而發(fā)生變形，由于卷筒直徑比壁厚要大很多，其截面慣性矩仍很大，因此，鋼絲繩拉力在筒壁上所引起的剪應力和彎曲應力相對很小，—般將此項應力忽略不計[3]。因此將此力看作為鋼絲繩對卷筒面產生一個徑向的壓縮力，可將此載荷轉化為作用于卷筒上的徑向均布載荷。

卷筒的基本參數(shù)為：鋼絲繩直徑d=15mm,繩槽節(jié)距t=16mm，最大靜拉力F=1800N，卷筒直徑D=300mm?？紤]多層纏繞情況下，由于筒壁和鋼絲繩繩圈的變形，當?shù)趎層繩圈繞上卷筒時，先繞上的第1層至n-1層繩圈的張力都要發(fā)生變化，進而導致筒壁上受到的壓力不是隨著纏繞層數(shù)的增加而成比例的增加，引入多層纏繞系數(shù)An，鋼絲繩的纏繞層數(shù)n＞5，An取1.6[3]，則：

每當鋼絲繩纏繞至卷筒端部最后1圈，并向新的一層過渡時，在該過渡圈內，因鋼絲繩對卷筒側板的楔入作用而產生軸向推力FZ[4]：

式中，n為繞繩層數(shù)，d2為擋板外徑，d1為擋板內徑。

因此卷筒受力情況可簡化為纏繞在卷筒上的鋼絲繩對卷筒的徑向均布載荷σ1與鋼絲繩對卷筒側板的楔入作用產生的均布載荷σ2。

3.2 卷筒結構優(yōu)化

根據(jù)調查，國內使用期限達10年以上的卷揚機，其中80%發(fā)現(xiàn)有卷筒開裂、塌陷、開焊或連接螺釘剪斷等現(xiàn)象[5]，這就要求在設計過程中合理設計，得到最優(yōu)結果。而卷筒設計的關鍵在于卷筒厚度的確定，在工程實踐中，按傳統(tǒng)設計方法，取卷筒厚度約為鋼絲繩的直徑，這種傳統(tǒng)設計方法過于保守，因此，可以在此基礎上對卷筒進行輕量化設計。

由于ANSYS建模功能有限，且不方便，所以采用SolidWorks軟件對卷筒進行三維建模，并對模型進行合理簡化后，將SolidWorks模型文件另存為x.t文件，然后導入ANSYS中，劃分網格模型如圖3所示。

卷筒材料采用灰鑄鐵，其強度極限為200MPa，選擇SOLID45單元，由于結構對稱性，取模型的1/4，在兩輪支撐底部施加全約束，兩剖切面施加對稱約束，模擬鋼絲繩對卷筒表面及檔板一側均布載荷的作用下卷筒的受力及變形情況。

圖3 卷筒劃分網格模型

圖4 厚15mm卷筒等效應力圖

若按傳統(tǒng)設計方法，取卷筒厚度約為鋼絲繩的直徑，對于這種精度要求不是很高的機構設計，為方便計算及加工，一般對結構尺寸進行圓整，則卷筒厚為15mm，經強度與穩(wěn)定性驗算，都符合設計要求，但傳統(tǒng)設計算法過于保守，圖4為卷筒厚15mm等效應力圖，卷筒最大應力為179.821MPa，小于灰鑄鐵的強度極限，其最大變形位移幾乎為0，符合實際要求，但對受力不是很大的中小型卷揚機卷筒厚15mm還是厚了些。

圖5 厚12mm卷筒等效應力圖

圖6 厚11mm卷筒等效應力圖

當把卷筒厚度減小為12mm，其等效應圖如圖5所示，雖然其最大變形位移變大了，但變形仍然幾乎為0，其最大應力為189.617MPa，也在灰鑄鐵的強度極限范圍內，圖6為11mm厚卷筒等效應力圖，其最大應力為196.815MPa，經ANSYS進一步分析可知，當卷筒厚度小于11mm時，卷筒最大應力會超過材料的強度極限?？紤]到卷揚機工作過程中會受到動態(tài)載荷，在設計卷筒厚度時還需要有一定的冗余，故選擇厚度為12mm即為最優(yōu)結果，這樣既減輕了卷筒重量、又降低了制造成本。

4 結論

在卷揚機的設計過程中，凸輪機構的設計有效解決了鋼絲繩亂繩，咬繩等問題，使鋼絲繩按規(guī)律整齊地纏繞在卷筒上，同時使得卷筒在工作中受力均勻，并且通過ANSYS軟件對卷筒受力情況進行靜力分析，在滿足卷筒強度和穩(wěn)定性要求的前提下，得到了卷筒厚度的最優(yōu)結果，既減輕了卷筒重量、又降低了制造成本。

[1]蘇小立,廉自生,魏忠良.調度絞車排繩機構的設計方法及在ADAMS中的仿真分析[J].礦山機械,2013,(9):60-62.

[2]晉民杰,韓建華.提升機設計理論及現(xiàn)代設計方法研究[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

[3]石加聯(lián),于占忠.傳動機構內置式卷揚機卷筒的有限元分析 [J].機械設計與制造,2010,(12):203-205.

[4]潘明旭,王立海,宋世全,楊德嶺.小型絞盤機卷筒優(yōu)化設計[J].東北林業(yè)大學學報,2012,(7):158-161.

[5]范晶晶,龐茂,楊濤,李華強.基于UG 卷揚機卷筒結構的設計與優(yōu)化[J].機械制造與自動化,2012,(4):150-152.