鄧玉梅 熊安勝

(咸寧職業(yè)技術(shù)學院，湖北 咸寧 437100)

HC12t-120m電動葫蘆采用高強度鋼絲繩卷筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計*

鄧玉梅 熊安勝

(咸寧職業(yè)技術(shù)學院，湖北 咸寧 437100)

文章以湖北三六重工有限公司生產(chǎn)的HC12t-120m的電動葫蘆為例，討論在同等使用條件下，改用高強度鋼絲繩后，使卷筒長度減小，鋼板壁厚變薄，相應(yīng)的體積減小，重量減輕，使電動葫蘆的整體結(jié)構(gòu)變小，節(jié)約了空間，也節(jié)約了材料，使卷筒的成本降低，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟價值。

大噸位；超高揚程；卷筒；優(yōu)化設(shè)計

隨著我國經(jīng)濟格局的調(diào)整和轉(zhuǎn)變，大型設(shè)施的建設(shè)，大型礦井、礦山的開發(fā)，海洋工程的快速發(fā)展和港口裝卸服務(wù)質(zhì)量的提高使大噸位超高揚程的電動葫蘆使用越來越廣泛。通常將起吊噸位大于6.3噸以上，起吊高度大于80米以上的電動葫蘆稱為大噸位超高揚程電動葫蘆，這種電動葫蘆一般主要用在大場地上堆取物料的堆取料機上，電動葫蘆是控制堆取料機上升下降的其中一個裝置，也稱卷揚機[1]。電動葫蘆的基本結(jié)構(gòu)主要包括驅(qū)動裝置、傳動裝置、制動裝置和取物纏繞裝置[2]。卷筒是取物纏繞裝置中的一個重要組成部分，其長短是電動葫蘆體積的主要影響因素，直接影響電動葫蘆的生產(chǎn)制造成本。

目前，國內(nèi)市場上使用的大噸位超高揚程電動葫蘆因起升高度的加大和起升重量的增加一般需要采用大卷筒和多層纏繞[3]，大卷筒一般采用直線卷筒或折線卷筒，起升速度一般采用變頻調(diào)速系統(tǒng)，所以起升，運行平穩(wěn)，沖擊載荷影響小。大噸位高揚程導致電動葫蘆整體結(jié)構(gòu)大，所占空間大，所需要的材料多，制造成本高。在本設(shè)計中我們討論的是直線卷筒不斷改進其結(jié)構(gòu)，通過提高鋼絲繩強度，減小卷筒的長度和厚度，提高電動葫蘆的安全性能，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。桉相同工作級別，其他部件結(jié)構(gòu)設(shè)計都相同的情況下，討論卷筒的優(yōu)化設(shè)計。卷筒上纏繞鋼絲繩，鋼絲繩直徑會影響卷筒的設(shè)計。因此，先選擇鋼絲繩，再根據(jù)鋼絲繩直徑來確定卷筒的結(jié)構(gòu)尺寸[4]。下面就以湖北三六重工有限公司生產(chǎn)的HC12t-120m的電動葫蘆為例討論改用高強度鋼絲繩，對電動葫蘆卷筒大小的影響。

1 HC12t-120m電動葫蘆的工作特點

使用條件：露天使用，極端積滿灰塵和腐蝕性；連續(xù)工作制，年工作330天，每天24小時。

電動葫蘆應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：機械要求：型號：HC120G.00，120KN起升機構(gòu)，容纜長度120m，鋼絲繩長度不小于170m，單出繩，三組滑輪，單繩拉力：12t，起重速度：慢速2 m/min，快速20m/min，鋼絲繩出繩方向：出繩角度約41.5°，上側(cè)出繩，滾筒繩槽旋向與出繩位置保證不咬繩。

工作制：M4，總重：7600kg，每臺電動葫蘆提供機械剎車裝置。提供超載裝置，制動距離不超過10mm(對臂架)，除有過載報警功能外，還應(yīng)有輕載停車功能，輕載為1.5-0.5 t時卷揚必須停止工作。

2 卷筒的設(shè)計

2.1 卷筒的各項參數(shù)

卷筒的各項參數(shù)如圖1所示，其中，p是指槽繩槽節(jié)距，d指鋼絲繩直徑，r指繩槽半徑，h指槽繩槽深度，δ 指卷筒壁厚，D0指卷筒底徑，L1指卷筒長度。

2.2 常規(guī)設(shè)計卷筒與優(yōu)化設(shè)計卷筒的各項參數(shù)計算(見表1)

優(yōu)化后的卷筒通過在湖北三六重工有限公司進行試驗，卷筒的強度能滿足工作需要。電動葫蘆采用的是變頻調(diào)速系統(tǒng)，起升運行平穩(wěn)，所以沖擊載荷的影響很小。電動葫蘆使用一段時間后，鋼絲繩會出現(xiàn)不同程度的磨損，從試驗中，相同工作情況下，高強度鋼絲繩因與卷筒繩槽接觸面積，相反對卷筒磨損小，而鋼絲繩本身磨損和φ28的并沒有多大區(qū)別，我們可以得到φ24高強度鋼絲繩在抗磨損、抗疲勞、抗沖擊等性能上并不比φ28普通鋼絲繩的差。優(yōu)化后的卷筒在該公司得到了很好的應(yīng)用和推廣。

圖1 卷筒圖

表1 卷筒各項參數(shù)的具體計算

(續(xù)上表)

計算公式常規(guī)設(shè)計(采用Q235B鋼板卷焊制)優(yōu)化設(shè)計(采用Q345鋼板卷焊制)備注卷筒尺寸設(shè)計計算卷筒壁內(nèi)的壓應(yīng)力σpσp=Stδ=108888.88930×28=129.629N/cm2σp=Stδ=108888.88926×24=174.5N/cm2S為鋼絲繩最大工作靜拉力;t為卷筒壁上的鋼絲繩螺距,與標準槽繩節(jié)距相同。卷筒壁厚δδ=d=28mmδ=d=24mm校核卷筒壁擠壓強度σp=Stδ=108888.88930×28=129.629N/cm2σs鋼的屈服點(N/cm2),查鋼的σs=235N/cm2;[σ]=σs1.5=235/1.5=157N/cm2σp=<[σ],滿足強度要求。σp=Stδ=108888.88926×24=174.5N/cm2采用Q345鋼板,σs鋼的屈服點(N/cm2),查邊的σs=345N/cm2;[σ]=σs1.5=230N/cm2σp<[σ],滿足強度要求。卷筒壁的許用擠壓應(yīng)力:對鋼,[σ]=σs1.5;卷筒長度L1滑輪組的倍率m=2,起升高度H為60m,卷筒的底徑D0=730mm,鋼絲繩直徑d=28mm,槽繩槽節(jié)距p=30mm,設(shè)有3個安全圈,卷筒兩端安裝長度l1=104mmL1=[Hmπ(D0+d)+3]*p+2*l1=[60000*23.14*(730+28)+3]*30+2*104≈1810mm滑輪組的倍率m=2,起升高度H為60m,卷筒的底徑D0=730mm,鋼絲繩直徑d=24mm,槽繩槽節(jié)距p=26mm,設(shè)有3個安全圈,卷筒兩端安裝長度l1=92mm,則卷筒的長度L1=[Hmπ(D0+d)+3]*p+2*l1=[60000*23.14*(730+24)+3]*26+2*92≈1580mm

3 結(jié)論

3.1 尺寸分析(見表2)

表2 優(yōu)化前后卷筒具體尺寸一覽表

3.2 成本分析

根據(jù)市場調(diào)查，優(yōu)化前φ28的普通鋼絲和優(yōu)化后φ24的高強度的鋼絲價格一樣，都是28元/米，本設(shè)計優(yōu)化前和優(yōu)化后所需鋼絲繩的長度都是170米，所以購買的成本是一樣的，因維修、維護與工時、潤滑油等有關(guān)，在維護上成本也一樣，在相同工作級別情況下，φ24高強度鋼絲繩與φ28普通鋼絲繩其工作壽命相當。本設(shè)計主要考慮卷筒優(yōu)化后可以節(jié)約的成本。

優(yōu)化前：卷筒的體積為：V=Sh=π(R2-r2)h

=3.14*[0.3652-(0.365-0.028)2]*1.81

=0.111713m3

卷筒的重量為：M=ρV=7.85g/cm3*0.111713

*106cm3=876947.05g=876.94705kg=0.87694705t 查表得Q235B鋼板的密度為7.85g/cm3，目前市場上Q235B鋼板的價格約3900元/噸，優(yōu)化前的成本大約為3900*0.87694705≈3420元

優(yōu)化后：卷筒的體積為：V=Sh=π(R2-r2)

h=3.14*[0.3652-(0.365-0.024)2]*1.58=

0.084063m3

卷筒的重量為：M=ρV=7.85g/cm3*0.084063*

106cm3=659894.55g=659.89455kg=0.65989455t 查表得Q345鋼板的密度為7.85g/cm3，目前市場上Q345鋼板的價格約4000元/噸，優(yōu)化前的成本大約為4000*0.65989455≈2640元。優(yōu)化后卷筒節(jié)約成本：3420-2640=780元。

通過在湖北三六重工有限公司的生產(chǎn)和試驗，優(yōu)化前的卷筒長度長，體積大，重量大，導致電動葫蘆整體結(jié)構(gòu)大，所占空間大，所需要的材料多，制造成本高。優(yōu)化后的卷筒長度減小，鋼板壁厚變薄，相應(yīng)的體積減小，重量減輕，使電動葫蘆的整體結(jié)構(gòu)變小，節(jié)約了空間，也節(jié)約了材料，使相應(yīng)的成本降低。在使用時，由于優(yōu)化前和優(yōu)化后卷筒上單層纏繞的鋼絲繩圈數(shù)和層數(shù)相當，所以在排繩、壓繩出現(xiàn)的故障率均相當。本設(shè)計主要是通過提高鋼絲繩的強度，減小鋼絲繩的直徑，從而改變卷筒的長度和厚度，在保證卷筒剛性的前提下大大節(jié)約了卷筒的成本，達到優(yōu)化的目的。

[1]王小明, 倪受東, 程鵬. 一種卷揚機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化[J]. 制造業(yè)自動化, 2014(8)：113-115.

[2]范晶晶, 龐茂盛, 楊濤, 等. 基于UG卷揚機卷筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化[J]. 機械制造與自動化, 2012(8)：150-152.

[3]趙丁元. 國內(nèi)鋼絲繩電動葫蘆的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 起重機運輸機械, 2004(7)：7-8.

[4]高明利. 電動葫蘆新型卷筒裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 河南科技,2012(4)：44-45.

2017-02-04

鄧玉梅(1984-)，女，湖北宜昌人，咸寧職業(yè)技術(shù)學院講師，主要從事機械設(shè)計與數(shù)控加工研究。熊安勝(1976-)，男，湖北鄂州人，咸寧職業(yè)技術(shù)學院講師，主要從事汽車機械、電子研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2017.01.0020

TH211.3

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1672-9846(2017)01-0083-04