卷筒制動(dòng)盤加工工裝設(shè)計(jì)研究

李明星，岳海豹

(太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

卷筒是起重機(jī)的重要組成部分，鋼廠用鑄造起重機(jī)常為單層雙聯(lián)卷筒，為了提高起重機(jī)整體的安全性能，一般都在卷筒法蘭側(cè)增加制動(dòng)盤。同時(shí)為了配合安全制動(dòng)器起到制動(dòng)作用，制動(dòng)盤直徑較卷筒筒體直徑要大，因此制動(dòng)盤直徑的大小也是卷筒加工中需考慮的重要因素。如果制動(dòng)盤單獨(dú)加工到尺寸要求，裝到卷筒上后，由于裝配誤差及加工變形等因素的影響，制動(dòng)盤端面跳動(dòng)無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。因此為了保證制動(dòng)盤裝到卷筒后端面跳動(dòng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，卷筒制動(dòng)盤和卷筒需要整體加工。但是太原重工股份有限公司起重機(jī)分公司為某鋼廠生產(chǎn)的480/80 t鑄造起重機(jī)其卷筒制動(dòng)盤直徑超過(guò)了廠內(nèi)數(shù)控臥式車床床身最大回轉(zhuǎn)直徑，因此無(wú)法在車床上整體加工制動(dòng)盤，為此提出了一套可以使制動(dòng)盤在鏜床上加工的工裝。本文就此卷筒制動(dòng)盤加工工裝的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 卷筒制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)及加工工裝組成

鏜床可分為臥式鏜床、落地鏜床、金剛鏜床等類型。其中落地鏜床將工件固定在平臺(tái)上，適宜加工尺寸和重量較大的工件。本文在落地鏜床上完成卷筒制動(dòng)盤的加工，通過(guò)設(shè)計(jì)工裝使卷筒做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，鏜刀徑向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，模擬車床加工。

圖1為卷筒制動(dòng)盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。卷筒制動(dòng)盤加工工裝由電機(jī)、減速機(jī)、卷筒聯(lián)接法蘭軸、減速機(jī)聯(lián)接法蘭等組成，如圖2所示。制動(dòng)盤通過(guò)Φd1螺紋孔與卷筒聯(lián)接，聯(lián)接后制動(dòng)盤在鏜床上加工圖示凸臺(tái)范圍。

電機(jī)和減速機(jī)的選取、卷筒與減速機(jī)的聯(lián)接是卷筒制動(dòng)盤加工工裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù),本文進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 電機(jī)的選取

2.1 電機(jī)初選

加工制動(dòng)盤時(shí)，制動(dòng)盤承受刀具給其的切削力F的計(jì)算公式為：

Fc≈2 000apf.

Ff≈(0.2～0.6)Fc.

Fp≈(0.2～0.7)Fc.

其中：Fc為切向力，N；Ff為進(jìn)給力，N；Fp為背向力，N；ap為背吃刀量，mm；f為進(jìn)給量，mm/r。

D1-制動(dòng)盤加工面外徑；D2-制動(dòng)盤加工面內(nèi)徑；d1-螺栓孔直徑；D3-螺栓孔分布分度圓直徑；B-制動(dòng)盤加工前厚度；b-制動(dòng)盤厚度

1-卷筒支座1；2-卷筒；3-制動(dòng)盤；4-卷筒支座2；5-卷筒聯(lián)接法蘭軸；6-聯(lián)接法蘭；7-減速機(jī)；8-聯(lián)接件；9-電機(jī)

電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)起升功率PN(kW)計(jì)算公式為：

其中：Pq為額定起升載荷，此時(shí)Pq=Fc，N；vq為起升速度，m/s；η為起升機(jī)構(gòu)總效率。

根據(jù)PN值及實(shí)際加工工況可以初步選擇電機(jī)。

電機(jī)初選后，電機(jī)容量必須經(jīng)過(guò)過(guò)載校驗(yàn)和發(fā)熱校驗(yàn)。

2.2 電機(jī)過(guò)載校驗(yàn)

起升電機(jī)過(guò)載校驗(yàn)公式為：

其中：P1為基準(zhǔn)接電持續(xù)率時(shí)電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW；H為與電機(jī)有關(guān)的系數(shù)，繞線型異步電機(jī)H=2.5；m為電機(jī)臺(tái)數(shù)；λm為基準(zhǔn)接電持續(xù)率時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩允許過(guò)載倍數(shù)。

2.3 電機(jī)發(fā)熱校驗(yàn)

起升電機(jī)的發(fā)熱校驗(yàn)公式為：

其中：Ps為穩(wěn)態(tài)平均功率，kW；G為穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù)。

P2為電機(jī)工作時(shí)的接電持續(xù)率JC值和CZ值條件下的允許輸出容量，當(dāng)滿足P2≥Ps時(shí)電動(dòng)機(jī)即通過(guò)發(fā)熱校驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)過(guò)載校驗(yàn)和發(fā)熱校驗(yàn)，可以選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)。

3 減速機(jī)選擇

電機(jī)選擇完后，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速nd和加工制動(dòng)盤時(shí)的卷筒轉(zhuǎn)速nj來(lái)確定減速機(jī)減速比ij，即：

減速機(jī)的疲勞計(jì)算基本載荷Mmax(N·m)的計(jì)算公式為：

Mmax=φ6×MN.

其中：φ6為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)載荷起升動(dòng)載系數(shù)；MN為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，N·m。

減速機(jī)工作級(jí)別的功率PMi(kW)計(jì)算公式為：

其中：n為減速器輸入軸轉(zhuǎn)速，r/min。

根據(jù)JB/T8905.2-1999標(biāo)準(zhǔn)選型時(shí)，由于只有M5工作級(jí)別的高速軸許用功率，因此需要換算到減速機(jī)M5級(jí)的高速軸輸入功率PM5：

PM5=PMi×1.12(i-5).

其中：PM5為M5工作級(jí)別時(shí)減速機(jī)高速軸輸入功率值，kW。

根據(jù)高速軸轉(zhuǎn)速、公稱減速比以及高速軸許用功率選擇減速機(jī)。

4 卷筒與減速機(jī)的聯(lián)接

電機(jī)、減速機(jī)選擇完畢后就要考慮電機(jī)、減速機(jī)以

及卷筒裝置的聯(lián)接方式。由于在起重機(jī)產(chǎn)品中，卷筒和減速機(jī)之間是采用專用卷筒聯(lián)軸器聯(lián)接的，考慮到卷筒聯(lián)軸器不能保證加工精度要求，因此需要特有的工裝保證卷筒和減速機(jī)聯(lián)接的剛性，防止卷筒受到切削力后制動(dòng)盤發(fā)生變形?，F(xiàn)選取與卷筒聯(lián)接的法蘭軸來(lái)說(shuō)明其設(shè)計(jì)過(guò)程。

首先對(duì)工裝整體進(jìn)行受力分析，將其簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁,如圖3所示。圖3中，F(xiàn)1、F2為支座反力，F(xiàn)J為卷筒自重的重力，F(xiàn)z為制動(dòng)盤的重力,Mc為Fc產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，T為減速機(jī)傳遞給卷筒的轉(zhuǎn)矩。

圖3 卷筒受力分析

卷筒制動(dòng)盤在加工過(guò)程中整體處于平衡狀態(tài)，法蘭軸受力分析如圖4所示。圖4中，F(xiàn)3為卷筒給法蘭軸傳遞的力，T1為卷筒傳遞給法蘭軸的扭矩，L為F2與F3之間的距離。由于法蘭軸既受彎矩，又受扭矩，因此為彎扭結(jié)合受力的軸。

圖4 卷筒法蘭軸受力分析

因此根據(jù)第三強(qiáng)度理論，結(jié)合起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，法蘭軸的最小直徑d的計(jì)算公式為：

其中:σe為轉(zhuǎn)軸計(jì)算截面上的當(dāng)量工作力,MPa；M為轉(zhuǎn)軸計(jì)算截面上的彎矩，N·mm；a為根據(jù)扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力變化性質(zhì)而定的校正系數(shù)；[σ-1]為法蘭軸的許用疲勞應(yīng)力，MPa。

由此可以計(jì)算出軸的最小直徑d，然后根據(jù)實(shí)際軸與卷筒的聯(lián)接方式再確定其他尺寸。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)工裝時(shí)，首先通過(guò)切削力及卷筒轉(zhuǎn)速選擇電機(jī)，然后通過(guò)減速比及電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩選擇減速機(jī)，最后通過(guò)卷筒裝置所受切削力及支座反力計(jì)算所需法蘭軸的最小直徑。經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，該工裝實(shí)現(xiàn)了卷筒制動(dòng)盤的加工。