一種可解決徑向齒塊式結(jié)構(gòu)缺陷的新型齒套式調(diào)繩離合器

李榮德

中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長沙 410100

調(diào)繩離合器是單繩雙筒纏繞式提升機(jī)的一個(gè)重要部件。提升機(jī)正常工作時(shí)，調(diào)繩離合器合上，轉(zhuǎn)矩從主軸傳遞到游動(dòng)卷筒上，保證提升機(jī)正常提升。提升機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，繩子長度伸長或需要更換提升水平時(shí)，調(diào)繩離合器打開，游動(dòng)卷筒與主軸連接或者脫離，使得游動(dòng)卷筒與固定卷筒同步轉(zhuǎn)動(dòng)或作相對運(yùn)動(dòng)，以調(diào)節(jié)繩長或更換提升水平。

1 徑向齒塊式調(diào)繩離合器的特點(diǎn)

目前，我國常用的調(diào)繩離合器為徑向齒塊式結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示[1-2]，主要由齒塊、齒圈、液壓缸、聯(lián)鎖閥等組成。該調(diào)繩離合器的工作原理為：提升機(jī)正常工作時(shí)，齒塊和內(nèi)齒圈處于嚙合狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)液壓缸處于回油狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)液壓缸的油路關(guān)閉，聯(lián)鎖閥鎖閉，保證齒塊和內(nèi)齒圈可靠地嚙合；調(diào)繩時(shí)，提升機(jī)處于安全制動(dòng)狀態(tài)，高壓油先進(jìn)入聯(lián)鎖閥，使聯(lián)鎖閥的柱銷從活塞桿的凹槽中移出，然后高壓油進(jìn)入驅(qū)動(dòng)液壓缸的離開腔，推動(dòng)活塞桿向左移動(dòng)，通過與活塞桿連接的移動(dòng)轂使齒塊與內(nèi)齒圈脫離嚙合，達(dá)到游動(dòng)卷筒與主軸分離的目的。

圖1 徑向齒塊調(diào)繩離合器

高壓油使活塞桿繼續(xù)向左移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)至設(shè)定距離時(shí)，低速啟動(dòng)提升機(jī)，提升方向根據(jù)實(shí)際情況或正或反，固定卷筒和游動(dòng)卷筒間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整鋼絲繩長度到準(zhǔn)確的停車位置或更換到需要的提升水平，并使游動(dòng)卷筒與固定卷筒上黑白相間標(biāo)記塊相互對準(zhǔn)停車，從而完成調(diào)繩操作。

徑向齒塊調(diào)繩離合器的主要缺點(diǎn)如下。

(1) 有較大的安全隱患 傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，齒塊受到向下的力，有向下脫開的趨勢，提升過程中一旦發(fā)生聯(lián)鎖閥誤操作，齒塊將向下脫開，游動(dòng)卷筒和主軸之間無法傳遞轉(zhuǎn)矩，游動(dòng)卷筒上掛的鋼絲繩和提升容器失去平衡，將發(fā)生嚴(yán)重的容器墜落事故。

(2) 調(diào)繩精度較低 提升機(jī)規(guī)格較大時(shí)，調(diào)繩離合器需要傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，而齒塊式離合器的齒塊數(shù)量有限，齒塊上的齒數(shù)也有限，因此齒塊尺寸大，必然影響調(diào)繩離合器的調(diào)繩精度[3-4]。

(3) 對主軸精度要求較高 熱裝影響整個(gè)主軸的徑向尺寸。

2 齒套式調(diào)繩離合器的結(jié)構(gòu)

鑒于齒塊式調(diào)繩離合器的不足之處，筆者研制出了一種齒套式調(diào)繩離合器，如圖 2 所示，主要由主軸、主軸外齒套、調(diào)繩液壓缸、撥動(dòng)環(huán)、移動(dòng)內(nèi)外齒套、游動(dòng)內(nèi)齒套和游動(dòng)卷筒等組成。

圖2 齒套式調(diào)繩離合器

主軸外齒套通過定位銷與軸肩定位，通過螺栓擰緊產(chǎn)生的摩擦力傳遞主軸上的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)主軸外齒套還充當(dāng)移動(dòng)內(nèi)外齒套的滑動(dòng)軌道，移動(dòng)內(nèi)外齒套可以在主軸外齒套上滑動(dòng)，如圖 3 所示。

圖3 齒套式調(diào)繩離合器工作方式

安裝在主軸外齒套上的移動(dòng)內(nèi)外齒套有內(nèi)齒和外齒，其內(nèi)齒與主軸外齒套的外齒相嚙合，通過驅(qū)動(dòng)裝置可以在主軸內(nèi)齒套上移動(dòng)，當(dāng)其被推向卷筒方向時(shí)，移動(dòng)內(nèi)外齒套上的外齒與游動(dòng)卷筒內(nèi)齒圈相嚙合，從而實(shí)現(xiàn)離合器的嚙合，轉(zhuǎn)矩從主軸傳遞到移動(dòng)內(nèi)外齒套，然后再傳遞到游動(dòng)卷筒內(nèi)齒圈。游動(dòng)卷筒內(nèi)外齒圈通過螺栓連接在游動(dòng)卷筒幅板上，當(dāng)移動(dòng)內(nèi)外齒套與游動(dòng)內(nèi)齒套嚙合后，主軸的轉(zhuǎn)矩可以通過調(diào)繩離合器傳遞到游動(dòng)卷筒，從而使主軸帶動(dòng)游動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

調(diào)繩時(shí)，在調(diào)繩液壓缸的帶動(dòng)下，移動(dòng)內(nèi)外齒套向反方向脫開，主軸的轉(zhuǎn)矩?zé)o法傳遞到游動(dòng)卷筒上，此時(shí)主軸可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)游動(dòng)卷筒的調(diào)繩功能。

3 設(shè)計(jì)方法

齒塊式調(diào)繩離合器和齒套式調(diào)繩離合器的設(shè)計(jì)校核方法不同。齒塊式調(diào)繩離合器校核條件為：假設(shè)只有一個(gè)齒工作，在該齒的極限撓度下，校核該齒的最大應(yīng)力。齒套式調(diào)繩離合器的校核條件為：齒套接觸，考慮載荷不均勻系數(shù)，校核齒套的齒面應(yīng)力。

調(diào)繩離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為：

(1) 正常提升時(shí)，調(diào)繩離合器所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩

式中：Fmax為游動(dòng)卷筒提升開始時(shí)的最大靜張力，N；G為游動(dòng)卷筒變位質(zhì)量，kg；a為提升加速度，m/s2；R為卷筒半徑，mm。

由式 (1) 計(jì)算可得，提升機(jī)正常提升時(shí)，調(diào)繩離合器傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為 2.383 7×108N·mm。

(2) 調(diào)繩時(shí)機(jī)構(gòu)所傳遞的力矩

式中：Q1為提升容器的質(zhì)量，kg；P為鋼絲繩的單位質(zhì)量，kg/m；H3為 3 層纏時(shí)的提升高度，m；g為重力加速度，m/s2。

由式 (2) 計(jì)算可得，調(diào)繩時(shí)機(jī)構(gòu)傳遞的力矩為 1.429 3×108N·mm。

3.1 徑向齒塊式調(diào)繩離合器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法

若只有一個(gè)齒工作，在該齒的極限撓度下，齒輪承擔(dān)的力矩

式中：K為齒厚公差，mm；E為齒輪材料彈性模量，2.1×105MPa；b為齒寬，mm；m為模數(shù)，mm；B為修正系數(shù)。

當(dāng)外齒輪齒數(shù)不等于內(nèi)齒圈齒數(shù)時(shí)，

式中：Z2為內(nèi)齒圈齒數(shù)；Z1為外齒塊齒數(shù)。

齒中的最大應(yīng)力

式中：T2為游動(dòng)卷筒提升最終受力，N；T1為游動(dòng)卷筒提升開始受力，N。

只要滿足：

即認(rèn)為離合器強(qiáng)度足夠。

3.2 齒套式離合器的計(jì)算方法

齒輪的分度圓直徑

式中：z為齒數(shù)；m為模數(shù)，mm。

內(nèi)齒輪的寬度

校核齒面壓強(qiáng)

式中：Te為離合器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·mm；ε為載荷不均勻系數(shù)；pp為齒面許用壓強(qiáng)，Pa；K1為工況系數(shù)，取 1.8；T為離合器的理論轉(zhuǎn)矩，對于嵌合式離合器，T為穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)中的最大工作轉(zhuǎn)矩或原動(dòng)機(jī)的公稱轉(zhuǎn)矩，N·m，理論轉(zhuǎn)矩為 2.383 7×108N·mm。

由式 (11) 計(jì)算可得離合器轉(zhuǎn)矩Te=4.290 66× 108N·mm。

3.3 調(diào)繩精度計(jì)算

以 2JK-3×1.5P 單繩雙筒纏繞式提升機(jī)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

同樣的轉(zhuǎn)矩下，齒塊式的模數(shù)m=14，齒套式的模數(shù)m=5，調(diào)繩精度有較大提高。

齒塊式的調(diào)繩精度

齒套式調(diào)繩精度

齒塊式調(diào)繩離合器的單齒需滿足許用應(yīng)力，對模數(shù)有嚴(yán)格要求，而齒套式離合器齒輪的模數(shù)在滿足齒面應(yīng)力的情況下可以有效減小，因此齒套式調(diào)繩離合器的調(diào)繩精度高于齒塊式調(diào)繩離合器。

4 結(jié)語

與徑向齒塊式調(diào)繩離合器相比，齒套式調(diào)繩離合器的優(yōu)越性如下。

(1) 加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性 主軸通過齒套與游動(dòng)卷筒連接，在提升機(jī)運(yùn)行過程中不會產(chǎn)生向外脫出的受力趨勢，避免了徑向齒塊式調(diào)繩離合器運(yùn)行過程中向外脫出的危險(xiǎn)，增強(qiáng)了提升系統(tǒng)的安全性。

(2) 結(jié)構(gòu)簡單緊湊易加工 齒套式調(diào)繩離合器相對于徑向齒塊式調(diào)繩離合器結(jié)構(gòu)更簡單，加工更方便。

(3) 對主軸適應(yīng)性強(qiáng) 齒套式調(diào)繩離合器的主軸外齒套和游動(dòng)卷筒內(nèi)齒套都用螺栓安裝，均可做成兩瓣結(jié)構(gòu)。徑向齒塊式調(diào)繩離合器則有輪轂需要熱裝在主軸上，因此對主軸結(jié)構(gòu)有要求，比如在熱裝輪轂的方向不能有大于熱裝輪轂內(nèi)孔的軸臺軸肩等。相比較而言，齒套式調(diào)繩離合器對主軸上的軸臺和軸肩則基本沒有要求。

(4) 提高了調(diào)繩精度 齒套式調(diào)繩離合器采用齒套傳遞轉(zhuǎn)矩，因此齒套中齒的模數(shù)可以比用齒塊傳遞轉(zhuǎn)矩的徑向齒塊式調(diào)繩離合器要小，調(diào)繩精度也比徑向齒塊離合器高。