翻壩卷揚機改型設計

趙彥哲

(湖北工業(yè)大學， 武漢 430068)

卷揚機的發(fā)展越來越多元化、深度化，可適用于多種作業(yè)場合?，F(xiàn)如今國內(nèi)外卷揚機的發(fā)展有如下特點：一是大型化。因為生產(chǎn)功能的需要，小型卷揚機已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)需求，大型卷揚機的應用領(lǐng)域開始慢慢變多。二是自動控制化。采用電子技術(shù)可以實現(xiàn)不用大量的人工就能完成目標，提高了效率。三是小型輕便化。在一些特殊的小型應用場合，功率體積小的卷揚機就能完成工作，無需花費高價購買大型卷揚機。但是在翻壩領(lǐng)域，鮮有卷揚機的存在。因此，從建筑卷揚機的設計上進行改進，讓卷揚機可以實現(xiàn)翻壩的功能，在節(jié)省勞動者的勞動強度的同時，也減少了經(jīng)濟的損耗。卷揚機按照動力的不同可分為：手動式卷揚機，電動式卷揚機，液壓式卷揚機等，如圖1、圖2所示。

圖1 油田修井機用液壓卷揚機

圖2 電動卷揚機

1 設計方案論證與比選

1.1 翻壩卷揚機的主參數(shù)

翻壩卷揚機的主要參數(shù)為額定載荷。主要參數(shù)見表1。

表1 翻壩卷揚機額定載荷

1.2 卷揚機的分類

1.2.1 卷揚機的鋼絲繩運行速度

卷揚機的鋼絲繩運行速度是卷揚機的關(guān)鍵參數(shù)。大壩翻轉(zhuǎn)起重機可分為：1)慢速起重機繩索速度v 20mmin； 2)快速提升繩速度v 20-50mmin; 3)高速吊繩速度v 50mmin；為了考慮特殊情況的必要性，還有變速起重機。標準層鋼絲繩具有兩個或兩個以上起重機，它們的運行速度穩(wěn)定。

1.2.2 起重機按電源分類

由于起重機的應用很廣泛，輸入的動力方式也較多，因此可簡單的分為以下這幾類：1)手動起重機是在沒有驅(qū)動力的區(qū)域中使用的大，中，小型起重機。 2)電動葫蘆由電動機驅(qū)動，制成鋼絲繩卷筒。旋轉(zhuǎn)起重機； 3)燃氣輪機起重機是以燃氣輪機為驅(qū)動機械設備的起重機。 4)氣動起重機是一種以氣動機械設備為驅(qū)動機械設備的起重機。 5)液壓葫蘆機由汽油機等液壓設備制成。起重機作為動力源。

1.2.3 起重機按傳動方式分類

1)開式齒輪傳動結(jié)構(gòu)簡單，最早用于手動起重機； 2)大型行星齒輪傳動；3)圓錐圓柱齒輪減速器適用于軸，斜軸輸出的機械設備的傳動中； 4)蝸桿減速機；5)蝸輪減速機加開式齒輪傳動；6)封閉式測試的圓柱齒輪傳動鑰匙用于單管起重機中，并且更常用；本次設計所提升的重物重量較重，所以選擇大型行星齒輪傳動。

2 鋼絲繩的選擇

鋼絲繩的作用主要是牽引提升目標物。由于工作時鋼絲繩的受力情況復雜，并且受到外界因素的影響較大，設計不過關(guān)很容易發(fā)生事故，其后果不言而喻。所以，應該嚴格設計選用鋼絲繩。

2.1 對于鋼絲繩種類及其構(gòu)造的比對

鋼絲繩由許多高強度鋼絲編織而成，這些高強度鋼絲可以通過單股或雙股捻制而成。繩芯通常使用化纖芯(NF)，人造纖維芯(SF)，金屬絲繩芯(IWR)和金屬絲繩芯(IWS)。因為化纖本身就有柔韌性和延展性，但在工作時也不能承受來自水平的壓力。由金屬編制成的鋼絲更適合使用多股金屬絲芯鋼絲繩。因為鋼絲與鋼絲的接觸狀態(tài)不一樣，所以鋼絲繩的種類又可分為點接觸鋼絲繩和線接觸鋼絲繩。點接觸鋼絲繩每相鄰層的鋼絲會發(fā)生點接觸，所以鋼絲十分容易發(fā)生斷開，使用壽命很短。點接觸鋼絲繩制造過程簡單且價格低廉，所以在建筑行業(yè)經(jīng)常用到這種方式，但是在混凝土中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)因為點接觸而斷裂的鋼絲繩。線接觸鋼絲繩由不同直徑的鋼絲制成。其特點是外鋼絲在內(nèi)鋼絲之間，內(nèi)鋼絲承受的應力比外鋼絲大，是線接觸，所以減少了鋼絲之間的摩擦，大大提高了抗疲勞極限。因為線接觸鋼絲繩比點接觸鋼絲繩相比，受力面積增大了，所以承載能力變高。由于本次設計是翻壩卷揚機，其特點是受力較大，彎曲較大，對于其安全性也有一定的要求，所以選擇線接觸的鋼絲繩，其特點可以很好的發(fā)揮在翻壩卷揚機上。

2.2 鋼絲繩直徑的選擇

卷揚機的鋼絲繩受力情況復雜，所以為了簡化計算，鋼絲繩的選擇可以用安全系數(shù)法來確定。查書可以知道鋼絲繩的安全系數(shù)公式為：

(1)

式中Sp為整條鋼絲繩發(fā)生斷開所需要的力(N);[n]為卷揚機的最小安全系數(shù);FrA為鋼絲繩所受到滿足設備正常工作需求下的最大壓力。鋼絲繩的額定拉力是出廠后就被檢測好的，所以是已知的，將鋼絲繩所受到滿足設備正常工作需求下的最大壓力乘以規(guī)定的卷揚機的最小安全系數(shù)[n]，然后可以從手冊中選擇一種鋼絲繩，它的直徑破斷拉力應該不小于Fr·[n]。

國際標準繩的選擇可以如下的采用選擇系數(shù)法。鋼絲繩直徑最小為：

(2)

式中：Fmax為鋼絲繩由起升時的拉力所確定的無彈性形變產(chǎn)生的彈力，僅考慮所受靜止狀態(tài)所受拉力(N)；c為鋼絲繩選擇系數(shù)。此設計的卷揚機需要很大的載荷能力，此處選擇的是50 kn,為了使鋼絲繩受力小一點，為提高其安全性所選擇的滑輪組也是雙聯(lián)合滑輪組，所以每根繩子的受力可以算出：

該卷揚機用于翻壩，工作級別可以選擇為M7，鋼繩系數(shù)選擇為0.124。

最小直徑為13.86mm，取整數(shù)14mm即可。

最后，為了安全性，必須計算鋼絲繩在受到多大載荷時會發(fā)生斷開：

F0≥nFmax

(3)

F0為鋼絲繩發(fā)生斷開時其最小的載荷(N)，n為安全系數(shù)，由于工作級別為M7，所以可以選取n為7。可得F0≥7×1.25×104=8.75×104N=87.5 kN。在鋼絲繩是鋼芯編制成的情況下，查書可知總載荷為F0×1.214時，鋼絲繩會發(fā)生斷裂，計算可得最小的總載荷為87.5×1.214=106.2 kN。(本設計中考慮到鋼絲繩的安全問題，所以選用鋼芯)

2.3 鋼絲繩的使用

鋼絲繩在工作時，不僅會有拉應力存在，它還會受到鋼絲繩之間的摩擦，以及外部因素影響，應力情況是十分復雜的。在機械學習中可知鋼絲繩破壞的主要原因是金屬疲勞。若有鋼絲斷裂還繼續(xù)使用，十分危險。鋼絲繩實際使用壽命的長短和選料、使用方法等息息相關(guān)，可從以下幾方面考慮：一是，實踐表明卷筒直徑越大，其對鋼絲繩的保護越強，所以本次設計在保證機構(gòu)正常運轉(zhuǎn)的情況下，盡可能地選擇大一點的卷筒。二是，滑輪和卷筒的材料太硬也會減少鋼絲繩的壽命，工作中可以使用潤滑劑，潤滑劑可以很好的保護鋼絲繩，降低鋼絲繩摩擦導致的損耗。

3 卷筒的結(jié)構(gòu)設計

首先要確定卷筒的尺寸，而卷筒的尺寸受到很多因素影響，比如鋼絲繩的長度，重物需要抬升的尺寸還有卷筒本身提升貨物所需要的速度等。卷筒的作用是通過旋轉(zhuǎn)來使鋼絲繩纏繞住卷筒，將卷筒旋轉(zhuǎn)所做的功變成鋼絲繩提升貨物所需要的功，本設計選用中空的圓柱形卷筒。

3.1 卷筒的分類

根據(jù)卷軸上鋼絲繩的纏繞層數(shù)，將卷軸分為兩類：單面纏繞和雙層纏繞。通常，大多數(shù)起重設備都使用單面繞線鼓。該設計方案選擇簡單實用的單側(cè)繞組。根據(jù)輥的表面分兩種類型：光亮輥和螺旋溝槽輥。鋼絲繩在卷軸上會以螺旋的形式附著。所以為了更好地將鋼絲繩附著在卷筒上，螺旋槽就成了不可或缺的形式。因為有了繩槽，鋼絲繩和卷筒之間由原來的線接觸變成了面接觸，受到的壓力和其他作用力會變少。在這個階段，雙層繞線輪也用繩槽制成，這是更有效的。繩槽可以簡單地分為標準繩槽和形狀槽，如圖3所示。

圖3 繩槽

4.2 卷筒繩槽的確定

查機械設計手冊知，卷筒繩槽槽底半徑R、槽深c、槽的節(jié)矩t其尺寸關(guān)系為：

R=(0.54～0.6)d(d為鋼絲繩直徑)

(4)

繩槽深度:

標準槽：c1=(0.25～0.4)d(mm)

(5)

深槽：c2=(0.6～0.9)d(mm) (6)

繩槽節(jié)距：

標準槽：t1=d+(2～4)(mm)

(7)

深槽：t2=d+(6～8)(mm)

(8)

深槽的使用只會在鋼絲繩可能脫離卷筒的時候才加以使用，所以在此次設計中使用標準的繩操就可以滿足需求。通過上式計算可知R的取值可以為8 mm，c的取值可以為4 mm，t的取值可以為16 mm。

3.3 卷筒的設計

由于內(nèi)齒輪嚙合時接觸應力小，所以壽命較長，而且吸油充分，很少會發(fā)生汽蝕，所以本設計所設計的卷筒采用內(nèi)齒輪嚙合式。如圖4所示。此次設計主要為節(jié)徑D0;卷筒的長度L;卷筒壁的厚度δ。已知D0最小可以為：

圖4 內(nèi)齒嚙合式卷筒

D0min=hd

(9)

式中D0min為根據(jù)鋼絲繩的中心點所確定的卷筒的最小直徑(mm)；h為工作環(huán)境是M7可以得到的鋼絲繩計算需要的系數(shù)；d為鋼絲繩的直徑(mm)。按式計算：

D0min=hd=28×14=392 mm

所以可以確定卷筒的節(jié)徑為400 mm即可。

4 翻壩卷揚機經(jīng)濟性和環(huán)境安全性

4.1 翻壩卷揚機經(jīng)濟性

相比于傳統(tǒng)翻壩，翻壩卷揚機技術(shù)要求不高，經(jīng)濟性能好，應用方便。對于平常的一般大壩，無需人員經(jīng)常的管理檢查，更換升級設備也很方便。因此對于翻壩機械設計，卷揚機不失為一種經(jīng)濟性的選擇。

4.2 翻壩卷揚機的環(huán)境安全性

相比于其它機械，卷揚機技術(shù)難度小，體積適中，對環(huán)境的破壞遠低于其他機械。其安裝方便，占地面積也不大，對植被種植不會有太大影響，還有穩(wěn)固土地，預防水土流失的作用。翻壩卷揚機的維護成本小，所需求勞動技術(shù)人員也不多，只要按時檢查，及時更換有損害的零部件，基本上不會發(fā)生特別大的安全事故。