一種卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1、一種卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化王小明，倪受東，程鵬（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京，211816）摘要：在卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，必須避免出現(xiàn)鋼絲繩亂繩、咬繩等現(xiàn)象，文章提出了一種帶有凸輪排繩機(jī)構(gòu)的卷揚(yáng)機(jī)，卷筒作為其關(guān)鍵的設(shè)計(jì)部件，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大多是憑經(jīng)驗(yàn)確定其厚度,這種設(shè)計(jì)方法過于保守，而利用ANSYS軟件對卷筒進(jìn)行靜力分析，在滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的前提下，得到卷筒厚度的最優(yōu)結(jié)果，既減輕了卷筒重量、又降低了制造成本。關(guān)鍵詞：卷揚(yáng)機(jī)；凸輪；卷筒；優(yōu)化；ANSYSThe Structure Design and Optimization of a WindlassWang xiao-ming,

2、Ni shou-dong, Cheng peng(School of mechanicaland power engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing, 211816, China)Abstract: In the designprocess of windlass, must avoid thephenomenon ofdisorder of wire rope,rope bite and so on, this paper put forward a windlass with a cam mechanism for ro

3、wing ropes regularly, the drum is a key part in the design process, traditional designmethod mostly determine its thickness by experience, this design methodis too conservative, but used ANSYS software to analysis the staticmechanics situation for the drum, found that under the premise of meeting th

4、e requirements of strength and stability, it got the optimal thickness result of the drum, then it can not only reduce thedrum weight,but also cut down the manufacturing costsKey words: windlass; cam; drum; optimization; ANSYS0 引言卷揚(yáng)機(jī)是用卷筒纏繞鋼絲繩提升或牽引重物的輕小型起重設(shè)備，雖然現(xiàn)在塔吊等取代了卷揚(yáng)機(jī)的部分工作，但由于塔吊體積大，而且其靈活性較差，一般在大型

5、建筑中使用，而且其成本高，一般中小型建筑行業(yè)仍然廣泛應(yīng)用建筑卷揚(yáng)機(jī)，就是大型建筑中雖有塔吊，也還需要建筑卷揚(yáng)機(jī)作輔助提升用，而卷揚(yáng)機(jī)又有“礦井咽喉”之稱，因此，卷揚(yáng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于建筑、采礦等領(lǐng)域。卷揚(yáng)機(jī)的性能、工作效率，安全可靠性等，都對建筑或礦山生產(chǎn)和人員、設(shè)備的安全起著重要的影響，基于此設(shè)計(jì)了一種合理的卷揚(yáng)機(jī)結(jié)構(gòu)，可適用于各類含有卷筒的礦山機(jī)械、工程機(jī)械、建筑機(jī)械等領(lǐng)域。1 卷揚(yáng)機(jī)的工作原理圖1 卷揚(yáng)機(jī)總裝圖如圖1所示，這種卷揚(yáng)機(jī)由驅(qū)動電機(jī)、卷繩筒、鋼絲繩、制動系統(tǒng)、排繩機(jī)構(gòu)、安全開關(guān)等機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)組成。帶減速箱及安全制動的電機(jī)安裝在電機(jī)支座上，通過變頻器控制電機(jī)速度，電機(jī)軸經(jīng)減速箱減速

6、后與鏈條連接，帶動鏈輪轉(zhuǎn)動，使與鏈輪同軸安裝的卷筒同步轉(zhuǎn)動，當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時，纏繞在卷筒上的鋼絲繩帶動吊籃上升或下降運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)對物料、設(shè)備或施工人員的提升與下放。當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)斷電或者需要臨時停止工作進(jìn)行檢查時，常閉盤式制動器會在壓縮彈簧的推力下推動活塞，使閘瓦壓緊制動盤，實(shí)現(xiàn)卷揚(yáng)機(jī)的剎車，當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)處于通電工作狀態(tài)下時，在液壓油的壓力作用下推動活塞缸，使其遠(yuǎn)離制動盤，實(shí)現(xiàn)松閘。2 凸輪排繩機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目前，為避免因卷揚(yáng)機(jī)受工作環(huán)境影響而造成鋼絲繩的亂繩、咬繩、甚至斷繩現(xiàn)象的發(fā)生而設(shè)計(jì)的排繩機(jī)構(gòu)主要有3類： 基于液壓系統(tǒng)的排繩機(jī)構(gòu)； 基于電氣系統(tǒng)的排繩機(jī)構(gòu)； 純機(jī)械系統(tǒng)，前兩類結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本

7、較高，維護(hù)比較困難1。圖2 凸輪排繩機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示，凸輪排繩機(jī)構(gòu)采用純機(jī)械系統(tǒng)，把凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為卷筒的直線運(yùn)動。在滾子支撐與圓柱凸輪的相互作用下，鋼絲繩纏繞方式由固定位置轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬τ诰硗沧笥襾砘匾苿臃绞剑?dāng)卷筒與凸輪按嚴(yán)格的固定傳動比聯(lián)動時，圓柱凸輪轉(zhuǎn)動一圈，卷筒剛好左右來回移動一個總程，這時鋼絲繩就以一定的規(guī)律左右一排排地纏繞在卷繩筒上，不僅避免了鋼絲繩亂繩，咬繩等現(xiàn)象的發(fā)生，還使卷筒在工作過程中受力均勻，提高了卷筒的使用壽命。3 卷筒分析及優(yōu)化對卷揚(yáng)機(jī)而言，卷筒是其主要承載部件，它起著存放鋼絲繩、承擔(dān)提升負(fù)荷、傳遞動力的作用，理論和實(shí)踐表明，卷筒是卷揚(yáng)機(jī)中比較薄弱的部件2。卷筒

8、上的鋼絲繩根據(jù)不同工作條件及場合可設(shè)計(jì)成單繩或多繩，考慮到特殊場合的安全性要求，此卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成四根鋼絲繩，在裝載工作人員或物料的吊籃兩端各固定兩根互不相干的鋼絲繩，使吊籃得到了雙重保護(hù)，這樣不會因?yàn)槟掣摻z繩因磨損斷裂而發(fā)生吊籃墜落現(xiàn)象，提高了設(shè)備的安全可靠性。3.1 卷筒受力分析在鋼絲繩纏繞卷筒的作用下，卷筒產(chǎn)生壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭曲應(yīng)力而發(fā)生變形，由于卷筒直徑比壁厚要大很多，其截面慣性矩仍很大，因此，鋼絲繩拉力在筒壁上所引起的剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力相對很小，般將此項(xiàng)應(yīng)力忽略不計(jì)3。因此將此力看作為鋼絲繩對卷筒面產(chǎn)生一個徑向的壓縮力，可將此載荷轉(zhuǎn)化為作用于卷筒上的徑向均布載荷1。卷筒的基本參數(shù)為

9、：鋼絲繩直徑d=15mm,繩槽節(jié)距t=16mm，最大靜拉力F=1800N，卷筒直徑D=300mm?？紤]多層纏繞情況下，由于筒壁和鋼絲繩繩圈的變形，當(dāng)?shù)趎層繩圈繞上卷筒時，先繞上的第1層至n-1層繩圈的張力都要發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致筒壁上受到的壓力不是隨著纏繞層數(shù)的增加而成比例的增加，引入多層纏繞系數(shù)An，鋼絲繩的纏繞層數(shù)n5，An取1.63 ，則1=An2FDt=1.6218009.80.30.016=11.75MPa每當(dāng)鋼絲繩纏繞至卷筒端部最后1圈，并向新的一層過渡時，在該過渡圈內(nèi)，因鋼絲繩對卷筒側(cè)板的楔入作用而產(chǎn)生軸向推力Fz 4，F(xiàn)z=1.145Fne-0.009n 2=Fz44(d22-d

10、12)=0.225MPa式中，n為繞繩層數(shù)，d2為擋板外徑，d1為擋板內(nèi)徑。 因此卷筒受力情況可簡化為纏繞在卷筒上的鋼絲繩對卷筒的徑向均布載荷1與鋼絲繩對卷筒側(cè)板的楔入作用產(chǎn)生的均布載荷 2。3.2 卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)調(diào)查，國內(nèi)使用期限達(dá)10年以上的卷揚(yáng)機(jī)，其中80%發(fā)現(xiàn)有卷筒開裂、塌陷、開焊或連接螺釘剪斷等現(xiàn)象5，這就要求在設(shè)計(jì)過程中合理設(shè)計(jì)，得到最優(yōu)結(jié)果。而卷筒設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于卷筒厚度的確定，在工程實(shí)踐中，按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，取卷筒厚度約為鋼絲繩的直徑，這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法過于保守，因此，可以在此基礎(chǔ)上對卷筒進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。由于ANSYS建模功能有限，且不方便，所以采用Solidworks軟件對卷筒進(jìn)

11、行三維建模，并對模型進(jìn)行合理簡化后，將Slidworks模型文件另存為x.t文件，然后導(dǎo)入ANSYS中，劃分網(wǎng)格模型如圖3.1 卷筒材料采用灰鑄鐵，其強(qiáng)度極限為200MPa，選擇SOLID45單元，由于結(jié)構(gòu)對稱性，取模型的1/4，在兩輪支撐底部施加全約束，兩剖切面施加對稱約束，模擬鋼絲繩對卷筒表面及檔板一側(cè)均布載荷的作用下卷筒的受力及變形情況。 圖3.1 卷筒劃分網(wǎng)格模型 圖3.2 厚15mm卷筒等效應(yīng)力圖若按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，取卷筒厚度約為鋼絲繩的直徑，對于這種精度要求不是很高的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，為方便計(jì)算及加工，一般對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行圓整，則卷筒厚為15mm，經(jīng)強(qiáng)度與穩(wěn)定性驗(yàn)算，都符合設(shè)計(jì)要求，但傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

12、算法過于保守，圖3.2為卷筒厚15mm等效應(yīng)力圖，卷筒最大應(yīng)力為179.821MPa,小于灰鑄鐵的強(qiáng)度極限，其最大變形位移幾乎為0，符合實(shí)際要求，但對受力不是很大的中小型卷揚(yáng)機(jī)卷筒厚15mm還是厚了些。 圖3.3 厚12mm卷筒等效應(yīng)力圖 圖3.4 厚11mm卷筒等效應(yīng)力圖 當(dāng)把卷筒厚度減小為12mm，其等效應(yīng)圖如圖3.3，雖然其最大變形位移變大了，但變形仍然幾乎為0，其最大應(yīng)力為189.617MPa，也在灰鑄鐵的強(qiáng)度極限范圍內(nèi)，圖3.4為11mm厚卷筒等效應(yīng)力圖，其最大應(yīng)力為196.815MPa，經(jīng)ANSYS進(jìn)一步分析可知，當(dāng)卷筒厚度小于11mm時，卷筒最大應(yīng)力會超過材料的強(qiáng)度極限?？紤]到卷揚(yáng)機(jī)工作過程中會受到動態(tài)載荷，在設(shè)計(jì)卷筒厚度時還需要有一定的冗余，故選擇厚度為12mm即為最優(yōu)結(jié)果，這樣既減輕了卷筒重量、又降低了制造成本。4 結(jié)論 在卷揚(yáng)機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有效解決了鋼絲繩亂繩，咬繩等問題，使鋼絲繩按規(guī)律整齊地纏繞在卷筒上，同時使得卷筒在工作中受力均勻，并且通過ANSYS軟件對卷筒受力情況進(jìn)行靜力分析，在滿足卷筒強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的前提下，得到了卷筒厚度的最優(yōu)結(jié)果，既減輕了卷筒重量、又降低了制造成本。參考文獻(xiàn)1蘇小立,廉自生,魏忠良.調(diào)度絞車排繩機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法及在ADAMS 中的仿真分析J.礦山機(jī)械，2013,（9）：60-62.2晉民杰,韓建華.提升機(jī)