Lebus卷筒纏繞過程的應(yīng)力特性實(shí)驗(yàn)研究

汪戴乾 馬劍軍 張曉輝 孫遠(yuǎn)韜 張 氫

1 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院2 上海振華重工集團(tuán)(南通)傳動(dòng)機(jī)械有限公司

1 引言

隨著海洋工程、港口運(yùn)輸、礦山機(jī)械和大型水電站建設(shè)等工程的發(fā)展，超大揚(yáng)程的卷筒得到進(jìn)一步發(fā)展。面對(duì)超大的容繩量，單層纏繞卷筒已不能滿足工程的需要，多層纏繞卷筒成為單層纏繞卷筒的替代品。多層纏繞卷筒各層鋼絲繩之間互相作用，隨著纏繞層數(shù)的增加，鋼絲繩對(duì)卷筒的作用力不再是簡(jiǎn)單的線性增加，相比單層纏繞卷筒，多層纏繞卷筒的受力情況復(fù)雜得多。只有對(duì)卷筒的受力情況進(jìn)行合理的分析，得到卷筒的應(yīng)力分布，才能正確地指導(dǎo)卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

目前，已有學(xué)者對(duì)多層纏繞卷筒的受力情況進(jìn)行細(xì)致的理論分析。葛世榮用結(jié)構(gòu)靜不定原理建立了多層纏繞卷筒內(nèi)壁的應(yīng)力計(jì)算模型，并編制了計(jì)算程序[1]。胡勇以鋼絲繩在雙折線式卷筒上作多層纏繞時(shí)鋼絲繩實(shí)際排列情況為基礎(chǔ)，建立了鋼絲繩多層纏繞系數(shù)方程，并使用MATLAB開發(fā)計(jì)算多層纏繞系數(shù)及各層鋼絲繩張力的軟件，對(duì)雙折線式多層纏繞卷筒的多層纏繞系數(shù)及各層鋼絲繩張力的影響進(jìn)行理論分析，認(rèn)為隨著纏繞層數(shù)增加，多層纏繞系數(shù)趨于穩(wěn)定[2]。王建明采用歐拉公式建立雙折線卷筒在鋼絲繩拉力變化及鋼絲繩卷繞圈數(shù)變化的情況下卷筒的動(dòng)態(tài)受力分析模型，認(rèn)為隨著纏繞層數(shù)的增加，筒壁壓力不會(huì)無限制增大[3]。顏競(jìng)峰研究了纏繞系統(tǒng)中卷筒和鋼絲繩的相關(guān)參數(shù)，推導(dǎo)了卷筒的應(yīng)力計(jì)算公式及鋼絲繩在纏繞過程中彎曲應(yīng)力、擠壓應(yīng)力及外載特性，建立了卷筒纏繞過程力學(xué)模型，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真[4]。洪浩利用Ansys Workbench軟件作為工具，對(duì)起重機(jī)多層卷繞卷筒進(jìn)行有限元分析，獲得了卷筒內(nèi)壁和側(cè)板的應(yīng)力變化規(guī)律[5]。

以上研究表明，多層卷筒隨著纏繞層數(shù)的增加，外層鋼絲繩的纏繞會(huì)導(dǎo)致內(nèi)層鋼絲繩張力衰減，鋼絲繩作用于卷筒筒壁的應(yīng)力并非線性無限制地增加，而是趨于穩(wěn)定的常值。為了驗(yàn)證這一規(guī)律，通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分析在特定的工況下Lebus卷筒在多層纏繞時(shí)，隨著鋼絲繩層數(shù)的增加，卷筒內(nèi)壁和兩側(cè)擋板的應(yīng)力變化規(guī)律，將實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果與基于理論分析的仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證理論模型的正確性，為指導(dǎo)多層纏繞卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

試驗(yàn)臺(tái)主要由驅(qū)動(dòng)裝置、Lebus卷筒、應(yīng)力測(cè)試儀器等組成。其中Lebus卷筒每層鋼絲繩8圈，容9層鋼絲繩，卷筒內(nèi)徑530 mm，鋼絲繩直徑?28 mm(見圖1)。電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 460 r/min，額定扭矩5 098 Nm，采用變頻調(diào)速無極變速，減速器速比12.227。通過2個(gè)Lebus卷筒對(duì)拉模擬實(shí)際工況的帶載運(yùn)轉(zhuǎn)，且通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)一側(cè)卷筒的纏繞或者松繩功能，對(duì)應(yīng)著另外一側(cè)卷筒即為松繩或者纏繞。

圖1 Lebus卷筒工作圖

根據(jù)卷筒的結(jié)構(gòu)和測(cè)試要求，測(cè)點(diǎn)布置在以下位置。

(1)卷筒內(nèi)壁：在卷筒中間截面位置，上下對(duì)稱布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示測(cè)點(diǎn)1和2；卷筒內(nèi)壁靠近擋板處布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示測(cè)點(diǎn)3。

(2)卷筒擋板：從卷筒繞繩的繩槽根部開始沿著直徑方向布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示測(cè)點(diǎn)4和5。

圖2 應(yīng)變片布置圖

3 測(cè)試過程與結(jié)果分析

3.1 筒體應(yīng)力與鋼絲繩層數(shù)關(guān)系測(cè)試

電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速的4%，額定扭矩的15%運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)減速箱和卷筒旋轉(zhuǎn)，通過鋼絲繩張緊作用，使得測(cè)試卷筒旋轉(zhuǎn)開始纏繞鋼絲繩。

卷筒筒體沿著軸線方向的應(yīng)力變化曲線見圖3。從圖中可以看出，筒體應(yīng)力最大值出現(xiàn)在卷筒中間截面(即1、2測(cè)點(diǎn))，同時(shí)筒體纏繞前4層鋼絲繩時(shí)，中間截面的應(yīng)力變化非常明顯，在第4層的應(yīng)力分別為13 MPa、14.3 MPa。而在4層以后，中間截面的應(yīng)力會(huì)隨著層數(shù)的增加而緩慢增大，在第8層的應(yīng)力達(dá)到21 MPa和20.1 MPa。筒體靠近擋板處的位置(即3測(cè)點(diǎn))，在纏繞第2層鋼絲繩時(shí)，應(yīng)力有一個(gè)明顯增大并回落的過程，應(yīng)力最大為8.9 MPa，在4層鋼絲繩以后，該處的應(yīng)力不隨層數(shù)的增加而變化，穩(wěn)定在6.8 MPa左右。從上述分析可以看出，前4層鋼絲繩對(duì)卷筒筒體軸線方向的應(yīng)力影響比較大，之后隨著層數(shù)增加，1、2測(cè)點(diǎn)應(yīng)力增加非常緩慢，3測(cè)點(diǎn)應(yīng)力保持不變。

圖3 卷筒收繩時(shí)筒體軸線方向應(yīng)力時(shí)程曲線

卷筒筒體沿著圓周方向的應(yīng)力變化曲線見圖4，跟軸線方向類似，筒體應(yīng)力最大值同樣出現(xiàn)在卷筒中間截面上(即1、2測(cè)點(diǎn))，且筒體在纏繞前4層鋼絲繩時(shí)，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力都會(huì)同時(shí)增加，在4層以后之后應(yīng)力都保持不變，分別穩(wěn)定在14.8 MPa、14.6 MPa、7.6 MPa。這說明在纏繞4層鋼絲繩以后，層數(shù)的增加對(duì)圓周方向的應(yīng)力影響較小。

圖4 卷筒收繩時(shí)筒體圓周方向應(yīng)力時(shí)程曲線

3.2 擋板應(yīng)力與鋼絲繩層數(shù)的關(guān)系測(cè)試

從圖5卷筒擋板應(yīng)力曲線圖可以看出，鋼絲繩層數(shù)對(duì)卷筒擋板應(yīng)力(即4、5測(cè)點(diǎn))影響較小，只是隨著層數(shù)增加應(yīng)力會(huì)緩慢增大，而當(dāng)鋼絲繩纏繞到第5層和第7層時(shí)，2個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力都會(huì)明顯增大，最終穩(wěn)定在3.7 MPa、4.2 MPa左右。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)5測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力要大于4測(cè)點(diǎn)的，說明隨著層數(shù)的增加，擋板所受的應(yīng)力會(huì)緩慢增大，然而擋板應(yīng)力要遠(yuǎn)小于筒壁的應(yīng)力。

圖5 卷筒收繩時(shí)擋板徑向應(yīng)力時(shí)程曲線

4 卷筒設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得卷筒應(yīng)力分析結(jié)果的規(guī)律，可以針對(duì)多層纏繞卷筒的設(shè)計(jì)獲得如下改進(jìn)思路。

(1)對(duì)于卷筒筒體內(nèi)壁測(cè)點(diǎn)，在繞上前4層鋼絲繩時(shí)，卷筒內(nèi)壁應(yīng)力變化較大，之后隨著層數(shù)的增大，軸線方向的應(yīng)力緩慢增大，而圓周方向的應(yīng)力基本保持不變，這與起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范的結(jié)論相一致?？梢缘贸?，卷筒在多層纏繞后，卷筒筒壁的等效厚度增加，應(yīng)力基本保持不變，因此卷筒增加壁厚并沒有減小內(nèi)壁的應(yīng)力，在設(shè)計(jì)卷筒時(shí)不需要增加筒壁的厚度。

(2)對(duì)于卷筒擋板測(cè)點(diǎn)，在繞上前4層鋼絲繩時(shí)，擋板所受應(yīng)力很小；擋板的應(yīng)力在鋼絲繩纏繞到第5層和第7層時(shí)有一個(gè)明顯增大，但是應(yīng)力水平仍較小。結(jié)果表明，卷筒擋板應(yīng)力總水平不大且隨著鋼絲繩纏繞層數(shù)的增加而近似線性增加，不需要對(duì)擋板進(jìn)行額外加強(qiáng)。因此，可以考慮在卷筒加工中將擋板和卷筒筒壁分開加工，最后加以焊接，以提高制造效率，但需要注意最后進(jìn)行加工保證高速下的卷筒動(dòng)平衡。

5 結(jié)語

通過試驗(yàn)研究，獲得了Lebus多層纏繞卷筒在進(jìn)行纏繞過程中，筒體和擋板的應(yīng)力變化與纏繞層數(shù)之間的聯(lián)系。隨著多層纏繞卷筒的應(yīng)用日益廣泛，研究的成果對(duì)卷筒的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義，能夠進(jìn)一步推動(dòng)多層纏繞卷筒的應(yīng)用。