HC12t-120m電動(dòng)葫蘆采用高強(qiáng)度鋼絲繩卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

鄧玉梅 熊安勝

(咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

HC12t-120m電動(dòng)葫蘆采用高強(qiáng)度鋼絲繩卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)*

鄧玉梅 熊安勝

(咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 咸寧 437100)

文章以湖北三六重工有限公司生產(chǎn)的HC12t-120m的電動(dòng)葫蘆為例，討論在同等使用條件下，改用高強(qiáng)度鋼絲繩后，使卷筒長(zhǎng)度減小，鋼板壁厚變薄，相應(yīng)的體積減小，重量減輕，使電動(dòng)葫蘆的整體結(jié)構(gòu)變小，節(jié)約了空間，也節(jié)約了材料，使卷筒的成本降低，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

大噸位；超高揚(yáng)程；卷筒；優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)格局的調(diào)整和轉(zhuǎn)變，大型設(shè)施的建設(shè)，大型礦井、礦山的開(kāi)發(fā)，海洋工程的快速發(fā)展和港口裝卸服務(wù)質(zhì)量的提高使大噸位超高揚(yáng)程的電動(dòng)葫蘆使用越來(lái)越廣泛。通常將起吊噸位大于6.3噸以上，起吊高度大于80米以上的電動(dòng)葫蘆稱(chēng)為大噸位超高揚(yáng)程電動(dòng)葫蘆，這種電動(dòng)葫蘆一般主要用在大場(chǎng)地上堆取物料的堆取料機(jī)上，電動(dòng)葫蘆是控制堆取料機(jī)上升下降的其中一個(gè)裝置，也稱(chēng)卷?yè)P(yáng)機(jī)[1]。電動(dòng)葫蘆的基本結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置、制動(dòng)裝置和取物纏繞裝置[2]。卷筒是取物纏繞裝置中的一個(gè)重要組成部分，其長(zhǎng)短是電動(dòng)葫蘆體積的主要影響因素，直接影響電動(dòng)葫蘆的生產(chǎn)制造成本。

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用的大噸位超高揚(yáng)程電動(dòng)葫蘆因起升高度的加大和起升重量的增加一般需要采用大卷筒和多層纏繞[3]，大卷筒一般采用直線(xiàn)卷筒或折線(xiàn)卷筒，起升速度一般采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，所以起升，運(yùn)行平穩(wěn)，沖擊載荷影響小。大噸位高揚(yáng)程導(dǎo)致電動(dòng)葫蘆整體結(jié)構(gòu)大，所占空間大，所需要的材料多，制造成本高。在本設(shè)計(jì)中我們討論的是直線(xiàn)卷筒不斷改進(jìn)其結(jié)構(gòu)，通過(guò)提高鋼絲繩強(qiáng)度，減小卷筒的長(zhǎng)度和厚度，提高電動(dòng)葫蘆的安全性能，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。桉相同工作級(jí)別，其他部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都相同的情況下，討論卷筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)。卷筒上纏繞鋼絲繩，鋼絲繩直徑會(huì)影響卷筒的設(shè)計(jì)。因此，先選擇鋼絲繩，再根據(jù)鋼絲繩直徑來(lái)確定卷筒的結(jié)構(gòu)尺寸[4]。下面就以湖北三六重工有限公司生產(chǎn)的HC12t-120m的電動(dòng)葫蘆為例討論改用高強(qiáng)度鋼絲繩，對(duì)電動(dòng)葫蘆卷筒大小的影響。

1 HC12t-120m電動(dòng)葫蘆的工作特點(diǎn)

使用條件：露天使用，極端積滿(mǎn)灰塵和腐蝕性；連續(xù)工作制，年工作330天，每天24小時(shí)。

電動(dòng)葫蘆應(yīng)滿(mǎn)足以下技術(shù)要求：機(jī)械要求：型號(hào)：HC120G.00，120KN起升機(jī)構(gòu)，容纜長(zhǎng)度120m，鋼絲繩長(zhǎng)度不小于170m，單出繩，三組滑輪，單繩拉力：12t，起重速度：慢速2 m/min，快速20m/min，鋼絲繩出繩方向：出繩角度約41.5°，上側(cè)出繩，滾筒繩槽旋向與出繩位置保證不咬繩。

工作制：M4，總重：7600kg，每臺(tái)電動(dòng)葫蘆提供機(jī)械剎車(chē)裝置。提供超載裝置，制動(dòng)距離不超過(guò)10mm(對(duì)臂架)，除有過(guò)載報(bào)警功能外，還應(yīng)有輕載停車(chē)功能，輕載為1.5-0.5 t時(shí)卷?yè)P(yáng)必須停止工作。

2 卷筒的設(shè)計(jì)

2.1 卷筒的各項(xiàng)參數(shù)

卷筒的各項(xiàng)參數(shù)如圖1所示，其中，p是指槽繩槽節(jié)距，d指鋼絲繩直徑，r指繩槽半徑，h指槽繩槽深度，δ 指卷筒壁厚，D0指卷筒底徑，L1指卷筒長(zhǎng)度。

2.2 常規(guī)設(shè)計(jì)卷筒與優(yōu)化設(shè)計(jì)卷筒的各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算(見(jiàn)表1)

優(yōu)化后的卷筒通過(guò)在湖北三六重工有限公司進(jìn)行試驗(yàn)，卷筒的強(qiáng)度能滿(mǎn)足工作需要。電動(dòng)葫蘆采用的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，起升運(yùn)行平穩(wěn)，所以沖擊載荷的影響很小。電動(dòng)葫蘆使用一段時(shí)間后，鋼絲繩會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，從試驗(yàn)中，相同工作情況下，高強(qiáng)度鋼絲繩因與卷筒繩槽接觸面積，相反對(duì)卷筒磨損小，而鋼絲繩本身磨損和φ28的并沒(méi)有多大區(qū)別，我們可以得到φ24高強(qiáng)度鋼絲繩在抗磨損、抗疲勞、抗沖擊等性能上并不比φ28普通鋼絲繩的差。優(yōu)化后的卷筒在該公司得到了很好的應(yīng)用和推廣。

圖1 卷筒圖

表1 卷筒各項(xiàng)參數(shù)的具體計(jì)算

(續(xù)上表)

計(jì)算公式常規(guī)設(shè)計(jì)(采用Q235B鋼板卷焊制)優(yōu)化設(shè)計(jì)(采用Q345鋼板卷焊制)備注卷筒尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算卷筒壁內(nèi)的壓應(yīng)力σpσp=Stδ=108888.88930×28=129.629N/cm2σp=Stδ=108888.88926×24=174.5N/cm2S為鋼絲繩最大工作靜拉力;t為卷筒壁上的鋼絲繩螺距,與標(biāo)準(zhǔn)槽繩節(jié)距相同。卷筒壁厚δδ=d=28mmδ=d=24mm校核卷筒壁擠壓強(qiáng)度σp=Stδ=108888.88930×28=129.629N/cm2σs鋼的屈服點(diǎn)(N/cm2),查鋼的σs=235N/cm2;[σ]=σs1.5=235/1.5=157N/cm2σp=<[σ],滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。σp=Stδ=108888.88926×24=174.5N/cm2采用Q345鋼板,σs鋼的屈服點(diǎn)(N/cm2),查邊的σs=345N/cm2;[σ]=σs1.5=230N/cm2σp<[σ],滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。卷筒壁的許用擠壓應(yīng)力:對(duì)鋼,[σ]=σs1.5;卷筒長(zhǎng)度L1滑輪組的倍率m=2,起升高度H為60m,卷筒的底徑D0=730mm,鋼絲繩直徑d=28mm,槽繩槽節(jié)距p=30mm,設(shè)有3個(gè)安全圈,卷筒兩端安裝長(zhǎng)度l1=104mmL1=[Hmπ(D0+d)+3]*p+2*l1=[60000*23.14*(730+28)+3]*30+2*104≈1810mm滑輪組的倍率m=2,起升高度H為60m,卷筒的底徑D0=730mm,鋼絲繩直徑d=24mm,槽繩槽節(jié)距p=26mm,設(shè)有3個(gè)安全圈,卷筒兩端安裝長(zhǎng)度l1=92mm,則卷筒的長(zhǎng)度L1=[Hmπ(D0+d)+3]*p+2*l1=[60000*23.14*(730+24)+3]*26+2*92≈1580mm

3 結(jié)論

3.1 尺寸分析(見(jiàn)表2)

表2 優(yōu)化前后卷筒具體尺寸一覽表

3.2 成本分析

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，優(yōu)化前φ28的普通鋼絲和優(yōu)化后φ24的高強(qiáng)度的鋼絲價(jià)格一樣，都是28元/米，本設(shè)計(jì)優(yōu)化前和優(yōu)化后所需鋼絲繩的長(zhǎng)度都是170米，所以購(gòu)買(mǎi)的成本是一樣的，因維修、維護(hù)與工時(shí)、潤(rùn)滑油等有關(guān)，在維護(hù)上成本也一樣，在相同工作級(jí)別情況下，φ24高強(qiáng)度鋼絲繩與φ28普通鋼絲繩其工作壽命相當(dāng)。本設(shè)計(jì)主要考慮卷筒優(yōu)化后可以節(jié)約的成本。

優(yōu)化前：卷筒的體積為：V=Sh=π(R2-r2)h

=3.14*[0.3652-(0.365-0.028)2]*1.81

=0.111713m3

卷筒的重量為：M=ρV=7.85g/cm3*0.111713

*106cm3=876947.05g=876.94705kg=0.87694705t 查表得Q235B鋼板的密度為7.85g/cm3，目前市場(chǎng)上Q235B鋼板的價(jià)格約3900元/噸，優(yōu)化前的成本大約為3900*0.87694705≈3420元

優(yōu)化后：卷筒的體積為：V=Sh=π(R2-r2)

h=3.14*[0.3652-(0.365-0.024)2]*1.58=

0.084063m3

卷筒的重量為：M=ρV=7.85g/cm3*0.084063*

106cm3=659894.55g=659.89455kg=0.65989455t 查表得Q345鋼板的密度為7.85g/cm3，目前市場(chǎng)上Q345鋼板的價(jià)格約4000元/噸，優(yōu)化前的成本大約為4000*0.65989455≈2640元。優(yōu)化后卷筒節(jié)約成本：3420-2640=780元。

通過(guò)在湖北三六重工有限公司的生產(chǎn)和試驗(yàn)，優(yōu)化前的卷筒長(zhǎng)度長(zhǎng)，體積大，重量大，導(dǎo)致電動(dòng)葫蘆整體結(jié)構(gòu)大，所占空間大，所需要的材料多，制造成本高。優(yōu)化后的卷筒長(zhǎng)度減小，鋼板壁厚變薄，相應(yīng)的體積減小，重量減輕，使電動(dòng)葫蘆的整體結(jié)構(gòu)變小，節(jié)約了空間，也節(jié)約了材料，使相應(yīng)的成本降低。在使用時(shí)，由于優(yōu)化前和優(yōu)化后卷筒上單層纏繞的鋼絲繩圈數(shù)和層數(shù)相當(dāng)，所以在排繩、壓繩出現(xiàn)的故障率均相當(dāng)。本設(shè)計(jì)主要是通過(guò)提高鋼絲繩的強(qiáng)度，減小鋼絲繩的直徑，從而改變卷筒的長(zhǎng)度和厚度，在保證卷筒剛性的前提下大大節(jié)約了卷筒的成本，達(dá)到優(yōu)化的目的。

[1]王小明, 倪受東, 程鵬. 一種卷?yè)P(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2014(8)：113-115.

[2]范晶晶, 龐茂盛, 楊濤, 等. 基于UG卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2012(8)：150-152.

[3]趙丁元. 國(guó)內(nèi)鋼絲繩電動(dòng)葫蘆的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械, 2004(7)：7-8.

[4]高明利. 電動(dòng)葫蘆新型卷筒裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 河南科技,2012(4)：44-45.

2017-02-04

鄧玉梅(1984-)，女，湖北宜昌人，咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)控加工研究。熊安勝(1976-)，男，湖北鄂州人，咸寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事汽車(chē)機(jī)械、電子研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2017.01.0020

TH211.3

A

1672-9846(2017)01-0083-04