一種擦窗機(jī)卷揚(yáng)纏繩輔助工裝的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

田春偉，李沿沿，李玉杰，王進(jìn)進(jìn)，郝子超

（北京凱博擦窗機(jī)械科技有限公司，河北 廊坊 065000）

卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)是擦窗機(jī)的核心部件，在卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)和檢驗(yàn)過程中，由于缺少合適的輔助纏繩工具，在按照實(shí)際工況進(jìn)行纏繞鋼絲繩、檢測(cè)排繩效果時(shí)，一直都是靠人力拉繩，如果進(jìn)行多次反復(fù)排繩實(shí)驗(yàn)，更是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的難題。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一種擦窗機(jī)卷揚(yáng)纏繩輔助工裝，可以在卷揚(yáng)纏繩或排繩檢測(cè)試驗(yàn)時(shí)解放人力，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大大提高了工作效率，節(jié)省人工和時(shí)間成本。

1 輔助工裝的結(jié)構(gòu)組成

該工裝設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，主要有兩大部分組成，包括2 個(gè)力矩卷筒和1 個(gè)測(cè)力計(jì)米器。力矩卷筒主要由卷筒支架、卷筒、驅(qū)動(dòng)軸、減速電機(jī)和電控箱等部件組成。減速電機(jī)和帶座軸承固定在卷筒支架上分別支撐驅(qū)動(dòng)軸的兩端，驅(qū)動(dòng)軸上安裝2 個(gè)可以獨(dú)立繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的卷筒，在對(duì)應(yīng)卷筒兩端的驅(qū)動(dòng)軸上螺接有可調(diào)節(jié)的圓螺母，在圓螺母與卷筒腹板之間的驅(qū)動(dòng)軸上依次套裝有蝶形彈簧與壓盤，壓盤與驅(qū)動(dòng)軸通過鍵連接隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在壓盤上固定有摩擦片，摩擦片靠碟簧緊壓在卷筒腹板上。力矩卷筒的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 力矩卷筒結(jié)構(gòu)組成示意圖

測(cè)力計(jì)米器主要有測(cè)力輪、計(jì)米輪、拉力顯示屏、長度顯示屏和控制按鈕等組成，測(cè)力輪連接銷軸傳感器，計(jì)米輪裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，傳感器和編碼器通過數(shù)據(jù)線連接控制器，控制器最終和各自的LED 顯示屏連接。測(cè)力計(jì)米器的結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 測(cè)力計(jì)米器結(jié)構(gòu)組成示意圖

2 輔助工裝的工作原理

力矩卷筒與擦窗機(jī)卷揚(yáng)系統(tǒng)的鋼絲繩連接，鋼絲繩經(jīng)過測(cè)力計(jì)米器，就形成了一套能精確測(cè)量鋼絲繩長度、能準(zhǔn)確設(shè)定鋼絲繩拉力、可以自動(dòng)收放鋼絲繩的卷揚(yáng)纏繩輔助工裝。輔助工裝的工作示意圖如圖3 所示。

圖3 輔助工裝工作示意圖

擦窗機(jī)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)中纏繩時(shí)，首先需要把鋼絲繩纏繞到力矩卷筒上，鋼絲繩的端頭固定到卷筒上，啟動(dòng)減速電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸和壓盤旋轉(zhuǎn)，壓盤把摩擦片緊壓在卷筒腹板上，通過摩擦力傳遞扭矩帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)纏繞鋼絲繩，完全纏繞后停機(jī)，鋼絲繩的另一端穿過測(cè)力計(jì)米器，固定在卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的卷筒上，啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)纏繞鋼絲繩，這時(shí)力矩卷筒的減速電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)軸在電機(jī)的制動(dòng)器作用下靜止，卷筒在鋼絲繩的拉力下，旋轉(zhuǎn)力矩等于摩擦片的摩擦力矩時(shí)，卷筒開始轉(zhuǎn)動(dòng)放繩，測(cè)力計(jì)米器計(jì)米輪上的編碼器和測(cè)力輪上的傳感器會(huì)把信號(hào)傳到控制器，控制器再控制顯示器實(shí)時(shí)顯示鋼絲繩纏繞的長度和力矩卷筒對(duì)鋼絲繩拉力。根據(jù)實(shí)際工況需要，可以通過調(diào)節(jié)力矩卷筒上每個(gè)卷筒對(duì)應(yīng)的圓螺母的壓緊程度，改變摩擦片對(duì)卷筒的壓緊力來改變摩擦力矩的大小，以達(dá)到調(diào)節(jié)力矩卷筒拉力的目的。

卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)排繩效果試驗(yàn)時(shí)，鋼絲繩需要放出重新纏繞，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)往外放出鋼絲繩時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)和力矩卷筒的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)往外放的同時(shí)力矩卷筒纏繞鋼絲繩。由于力矩卷筒的減速機(jī)轉(zhuǎn)速比卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的較快，力矩卷筒上的卷筒和驅(qū)動(dòng)軸的壓盤通過摩擦片滑動(dòng)來達(dá)到兩邊收放鋼絲繩的速度一致，以防止力矩卷筒上的減速電機(jī)憋轉(zhuǎn)而損壞電機(jī)，同時(shí)還能保證鋼絲繩時(shí)刻處于拉緊狀態(tài)。

3 輔助工裝的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 輔助工裝容繩長度校核計(jì)算

為了使輔助工裝滿足通用性，力矩卷筒的容繩長度應(yīng)大于擦窗機(jī)卷揚(yáng)系統(tǒng)的最大容繩量500m。力矩卷筒的容繩示意圖如圖4 所示。

圖4 力矩卷筒容繩示意圖

力矩卷筒排滿安全層的容繩長度為

式中L——總?cè)堇K長度；

N——每層排繩的鋼絲繩圈數(shù)，N=25；

Ri——每層鋼絲繩的纏繞半徑；

i——鋼絲繩纏繞的層數(shù)，i=1,2,3,…,10。

代入數(shù)值得：L=503m；

卷筒纏繞15 層后留的安全圈為

式中n——卷筒纏繩安全圈；

D——卷筒擋板直徑；

R15——最外層鋼絲繩的纏繞半徑；

d——鋼絲繩直徑，d=9mm；

α——排繩角度，α=33.75°。

代入數(shù)值得：n=3.88 圈>1.5 圈，符合要求。

通過以上計(jì)算可知，力矩卷筒的容繩量在滿足安全圈余量的情況下大于500m，滿足要求。

3.2 輔助工裝減速電機(jī)參數(shù)校核計(jì)算

力矩卷筒最小纏繩速度為

式中V——力矩卷筒最小纏繩速度；

n——減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，n=13rpm；

R1——最內(nèi)層鋼絲繩的纏繞半徑，R1=201.7mm；

代入數(shù)值得：V=16.47m/min。

擦窗機(jī)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)最外層鋼絲繩的提升速度是11.6m/min，輔助工裝最小纏繩速度大于卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)最外圈的最大放繩速度，故工裝輔助卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)放繩時(shí)始終處于拉緊狀態(tài)，減速機(jī)轉(zhuǎn)速滿足要求。

擦窗機(jī)額定起升載荷為250kg，標(biāo)準(zhǔn)吊船自重為150kg，鋼絲繩的自重是500kg，因此，卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)纏繩時(shí)最大需要的鋼絲繩實(shí)驗(yàn)拉力是以上重量之和為900kg。輔助工裝需要2 個(gè)力矩卷筒提供鋼絲繩實(shí)驗(yàn)拉力，即每個(gè)力矩卷筒能提供的拉力應(yīng)不小于4 500N。每個(gè)力矩卷筒能提供的鋼絲繩拉力為

式中F——每個(gè)力矩卷筒能提供的拉力；

T——電機(jī)的制動(dòng)力矩，T=14Nm；

R15——最外層鋼絲繩的纏繞半徑，R15=306.5mm；

i——減速機(jī)的傳動(dòng)比。i=108.3；

代入數(shù)值得F=4 934.5N>4 500N，可以提供足夠的鋼絲繩實(shí)驗(yàn)拉力。

4 輔助工裝應(yīng)用中解決的問題

輔助工裝的應(yīng)用為擦窗機(jī)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)和檢驗(yàn)解決了3 個(gè)難題。

4.1 鋼絲繩無預(yù)緊纏繞

擦窗機(jī)出廠前需把鋼絲繩緊密的纏到卷揚(yáng)機(jī)上，如果無纏繩工裝的輔助，卷揚(yáng)纏繩時(shí)鋼絲繩沒有預(yù)緊拉力，各層鋼絲繩之間是蓬松的，當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)安裝到擦窗機(jī)上進(jìn)行整機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于吊載較重，蓬松的鋼絲繩被拉緊后會(huì)出現(xiàn)上層鋼絲繩擠進(jìn)內(nèi)層的情況，造成亂繩。在輔助工裝的拉力預(yù)緊下，鋼絲繩緊密結(jié)實(shí)的纏繞在卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)的卷筒上，不再受實(shí)驗(yàn)吊載的影響。

4.2 鋼絲繩無法按實(shí)際工況設(shè)定拉力

每款新開發(fā)或者改進(jìn)的擦窗機(jī)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)都要進(jìn)行試驗(yàn)，排繩效果實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)是其必不可少的2 個(gè)環(huán)節(jié)，都需要進(jìn)行各個(gè)工況下的鋼絲繩設(shè)定拉力試驗(yàn)，沒有輔助工裝時(shí)只能安裝到擦窗機(jī)上通過加載實(shí)際載荷試驗(yàn)，在整機(jī)上試驗(yàn)只能驗(yàn)證上下幾米的卷揚(yáng)排繩效果，起不到實(shí)驗(yàn)的作用。卷揚(yáng)纏繩輔助工裝可以通過調(diào)節(jié)卷筒摩擦力來設(shè)定鋼絲繩的拉力，真實(shí)模擬設(shè)備各工況的吊載大小，從而真實(shí)測(cè)試卷揚(yáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度排繩效果的好壞（圖5）。

圖5 卷揚(yáng)在設(shè)定拉力下的排繩效果

4.3 卷揚(yáng)排繩效果可靠性試驗(yàn)效率低

卷揚(yáng)的排繩效果需要進(jìn)行反復(fù)的多次試驗(yàn)才能驗(yàn)證其可靠性，如果沒有纏繩工裝的輔助，卷揚(yáng)每次鋼絲繩纏滿后都需要依靠人力拉拽重新纏繩，效率低而且鋼絲繩比較長，占用較大的生產(chǎn)空間。應(yīng)用纏繩輔助工裝后，往外導(dǎo)繩時(shí)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)和輔助工裝一放一收，使鋼絲繩自動(dòng)往外導(dǎo)出，導(dǎo)出的鋼絲繩直接纏繞在工裝的卷筒上，節(jié)省空間又省時(shí)省力。大大提高了實(shí)驗(yàn)的工作效率，節(jié)省了人工生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語

本文對(duì)擦窗機(jī)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)纏繩輔助工裝的設(shè)計(jì)和應(yīng)用做了系統(tǒng)的闡述，介紹了輔助工裝的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，對(duì)輔助工裝的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算校核，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用闡明了輔助工裝在擦窗機(jī)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中解決的難題。對(duì)同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。