翻坝卷扬机改型设计

赵彦哲

(湖北工业大学， 武汉 430068)

卷扬机的发展越来越多元化、深度化，可适用于多种作业场合。现如今国内外卷扬机的发展有如下特点：一是大型化。因为生产功能的需要，小型卷扬机已经满足不了生产需求，大型卷扬机的应用领域开始慢慢变多。二是自动控制化。采用电子技术可以实现不用大量的人工就能完成目标，提高了效率。三是小型轻便化。在一些特殊的小型应用场合，功率体积小的卷扬机就能完成工作，无需花费高价购买大型卷扬机。但是在翻坝领域，鲜有卷扬机的存在。因此，从建筑卷扬机的设计上进行改进，让卷扬机可以实现翻坝的功能，在节省劳动者的劳动强度的同时，也减少了经济的损耗。卷扬机按照动力的不同可分为：手动式卷扬机，电动式卷扬机，液压式卷扬机等，如图1、图2所示。

图1 油田修井机用液压卷扬机

图2 电动卷扬机

1 设计方案论证与比选

1.1 翻坝卷扬机的主参数

翻坝卷扬机的主要参数为额定载荷。主要参数见表1。

表1 翻坝卷扬机额定载荷

1.2 卷扬机的分类

1.2.1 卷扬机的钢丝绳运行速度

卷扬机的钢丝绳运行速度是卷扬机的关键参数。大坝翻转起重机可分为：1)慢速起重机绳索速度v 20mmin； 2)快速提升绳速度v 20-50mmin; 3)高速吊绳速度v 50mmin；为了考虑特殊情况的必要性，还有变速起重机。标准层钢丝绳具有两个或两个以上起重机，它们的运行速度稳定。

1.2.2 起重机按电源分类

由于起重机的应用很广泛，输入的动力方式也较多，因此可简单的分为以下这几类：1)手动起重机是在没有驱动力的区域中使用的大，中，小型起重机。 2)电动葫芦由电动机驱动，制成钢丝绳卷筒。旋转起重机； 3)燃气轮机起重机是以燃气轮机为驱动机械设备的起重机。 4)气动起重机是一种以气动机械设备为驱动机械设备的起重机。 5)液压葫芦机由汽油机等液压设备制成。起重机作为动力源。

1.2.3 起重机按传动方式分类

1)开式齿轮传动结构简单，最早用于手动起重机； 2)大型行星齿轮传动；3)圆锥圆柱齿轮减速器适用于轴，斜轴输出的机械设备的传动中； 4)蜗杆减速机；5)蜗轮减速机加开式齿轮传动；6)封闭式测试的圆柱齿轮传动钥匙用于单管起重机中，并且更常用；本次设计所提升的重物重量较重，所以选择大型行星齿轮传动。

2 钢丝绳的选择

钢丝绳的作用主要是牵引提升目标物。由于工作时钢丝绳的受力情况复杂，并且受到外界因素的影响较大，设计不过关很容易发生事故，其后果不言而喻。所以，应该严格设计选用钢丝绳。

2.1 对于钢丝绳种类及其构造的比对

钢丝绳由许多高强度钢丝编织而成，这些高强度钢丝可以通过单股或双股捻制而成。绳芯通常使用化纤芯(NF)，人造纤维芯(SF)，金属丝绳芯(IWR)和金属丝绳芯(IWS)。因为化纤本身就有柔韧性和延展性，但在工作时也不能承受来自水平的压力。由金属编制成的钢丝更适合使用多股金属丝芯钢丝绳。因为钢丝与钢丝的接触状态不一样，所以钢丝绳的种类又可分为点接触钢丝绳和线接触钢丝绳。点接触钢丝绳每相邻层的钢丝会发生点接触，所以钢丝十分容易发生断开，使用寿命很短。点接触钢丝绳制造过程简单且价格低廉，所以在建筑行业经常用到这种方式，但是在混凝土中经常发现因为点接触而断裂的钢丝绳。线接触钢丝绳由不同直径的钢丝制成。其特点是外钢丝在内钢丝之间，内钢丝承受的应力比外钢丝大，是线接触，所以减少了钢丝之间的摩擦，大大提高了抗疲劳极限。因为线接触钢丝绳比点接触钢丝绳相比，受力面积增大了，所以承载能力变高。由于本次设计是翻坝卷扬机，其特点是受力较大，弯曲较大，对于其安全性也有一定的要求，所以选择线接触的钢丝绳，其特点可以很好的发挥在翻坝卷扬机上。

2.2 钢丝绳直径的选择

卷扬机的钢丝绳受力情况复杂，所以为了简化计算，钢丝绳的选择可以用安全系数法来确定。查书可以知道钢丝绳的安全系数公式为：

(1)

式中Sp为整条钢丝绳发生断开所需要的力(N);[n]为卷扬机的最小安全系数;FrA为钢丝绳所受到满足设备正常工作需求下的最大压力。钢丝绳的额定拉力是出厂后就被检测好的，所以是已知的，将钢丝绳所受到满足设备正常工作需求下的最大压力乘以规定的卷扬机的最小安全系数[n]，然后可以从手册中选择一种钢丝绳，它的直径破断拉力应该不小于Fr·[n]。

国际标准绳的选择可以如下的采用选择系数法。钢丝绳直径最小为：

(2)

式中：Fmax为钢丝绳由起升时的拉力所确定的无弹性形变产生的弹力，仅考虑所受静止状态所受拉力(N)；c为钢丝绳选择系数。此设计的卷扬机需要很大的载荷能力，此处选择的是50 kn,为了使钢丝绳受力小一点，为提高其安全性所选择的滑轮组也是双联合滑轮组，所以每根绳子的受力可以算出：

该卷扬机用于翻坝，工作级别可以选择为M7，钢绳系数选择为0.124。

最小直径为13.86mm，取整数14mm即可。

最后，为了安全性，必须计算钢丝绳在受到多大载荷时会发生断开：

F0≥nFmax

(3)

F0为钢丝绳发生断开时其最小的载荷(N)，n为安全系数，由于工作级别为M7，所以可以选取n为7。可得F0≥7×1.25×104=8.75×104N=87.5 kN。在钢丝绳是钢芯编制成的情况下，查书可知总载荷为F0×1.214时，钢丝绳会发生断裂，计算可得最小的总载荷为87.5×1.214=106.2 kN。(本设计中考虑到钢丝绳的安全问题，所以选用钢芯)

2.3 钢丝绳的使用

钢丝绳在工作时，不仅会有拉应力存在，它还会受到钢丝绳之间的摩擦，以及外部因素影响，应力情况是十分复杂的。在机械学习中可知钢丝绳破坏的主要原因是金属疲劳。若有钢丝断裂还继续使用，十分危险。钢丝绳实际使用寿命的长短和选料、使用方法等息息相关，可从以下几方面考虑：一是，实践表明卷筒直径越大，其对钢丝绳的保护越强，所以本次设计在保证机构正常运转的情况下，尽可能地选择大一点的卷筒。二是，滑轮和卷筒的材料太硬也会减少钢丝绳的寿命，工作中可以使用润滑剂，润滑剂可以很好的保护钢丝绳，降低钢丝绳摩擦导致的损耗。

3 卷筒的结构设计

首先要确定卷筒的尺寸，而卷筒的尺寸受到很多因素影响，比如钢丝绳的长度，重物需要抬升的尺寸还有卷筒本身提升货物所需要的速度等。卷筒的作用是通过旋转来使钢丝绳缠绕住卷筒，将卷筒旋转所做的功变成钢丝绳提升货物所需要的功，本设计选用中空的圆柱形卷筒。

3.1 卷筒的分类

根据卷轴上钢丝绳的缠绕层数，将卷轴分为两类：单面缠绕和双层缠绕。通常，大多数起重设备都使用单面绕线鼓。该设计方案选择简单实用的单侧绕组。根据辊的表面分两种类型：光亮辊和螺旋沟槽辊。钢丝绳在卷轴上会以螺旋的形式附着。所以为了更好地将钢丝绳附着在卷筒上，螺旋槽就成了不可或缺的形式。因为有了绳槽，钢丝绳和卷筒之间由原来的线接触变成了面接触，受到的压力和其他作用力会变少。在这个阶段，双层绕线轮也用绳槽制成，这是更有效的。绳槽可以简单地分为标准绳槽和形状槽，如图3所示。

图3 绳槽

4.2 卷筒绳槽的确定

查机械设计手册知，卷筒绳槽槽底半径R、槽深c、槽的节矩t其尺寸关系为：

R=(0.54～0.6)d(d为钢丝绳直径)

(4)

绳槽深度:

标准槽：c1=(0.25～0.4)d(mm)

(5)

深槽：c2=(0.6～0.9)d(mm) (6)

绳槽节距：

标准槽：t1=d+(2～4)(mm)

(7)

深槽：t2=d+(6～8)(mm)

(8)

深槽的使用只会在钢丝绳可能脱离卷筒的时候才加以使用，所以在此次设计中使用标准的绳操就可以满足需求。通过上式计算可知R的取值可以为8 mm，c的取值可以为4 mm，t的取值可以为16 mm。

3.3 卷筒的设计

由于内齿轮啮合时接触应力小，所以寿命较长，而且吸油充分，很少会发生汽蚀，所以本设计所设计的卷筒采用内齿轮啮合式。如图4所示。此次设计主要为节径D0;卷筒的长度L;卷筒壁的厚度δ。已知D0最小可以为：

图4 内齿啮合式卷筒

D0min=hd

(9)

式中D0min为根据钢丝绳的中心点所确定的卷筒的最小直径(mm)；h为工作环境是M7可以得到的钢丝绳计算需要的系数；d为钢丝绳的直径(mm)。按式计算：

D0min=hd=28×14=392 mm

所以可以确定卷筒的节径为400 mm即可。

4 翻坝卷扬机经济性和环境安全性

4.1 翻坝卷扬机经济性

相比于传统翻坝，翻坝卷扬机技术要求不高，经济性能好，应用方便。对于平常的一般大坝，无需人员经常的管理检查，更换升级设备也很方便。因此对于翻坝机械设计，卷扬机不失为一种经济性的选择。

4.2 翻坝卷扬机的环境安全性

相比于其它机械，卷扬机技术难度小，体积适中，对环境的破坏远低于其他机械。其安装方便，占地面积也不大，对植被种植不会有太大影响，还有稳固土地，预防水土流失的作用。翻坝卷扬机的维护成本小，所需求劳动技术人员也不多，只要按时检查，及时更换有损害的零部件，基本上不会发生特别大的安全事故。