郝建光

(太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西030024)

鋼絲繩卷筒是起重運(yùn)輸設(shè)備的重要部件之一，按層數(shù)分有單層纏繞和多層纏繞；按繩槽形式分有螺旋繩槽和折線繩槽。工程、船舶及海上設(shè)施用起重機(jī)，由于起升高度大，鋼絲繩長，卷筒的容繩量大，多層纏繞得到廣泛應(yīng)用。在卷筒寬度和直徑一定時(shí)，鋼絲繩越長意味著卷筒纏繞層數(shù)越多，雙折線卷筒是目前多層纏繞中最常用的一種形式，它的最大優(yōu)點(diǎn)是使卷筒上多層纏繞的鋼絲繩繩股之間點(diǎn)接觸區(qū)域大幅度減少，延長了鋼絲繩的使用壽命。雙折線卷筒是指卷筒上折線繩槽的斜繩槽與直繩槽交替出現(xiàn)，每圈中有兩個(gè)斜繩槽區(qū)和兩個(gè)直繩槽區(qū)，直繩槽與卷筒端板平行。

雙折線鑄造卷筒是工程起重機(jī)配套中最常用的方法。雙折線鑄造卷筒的繩槽是直接鑄出的。要想保證繩槽鑄造質(zhì)量，材料的流動(dòng)性必須好，目前雙折線卷筒主要采用球墨鑄鐵，德國主要用GGG-40，對應(yīng)國標(biāo)GB/T 1348—2009《球墨鑄鐵件》中的QT400-18；也有少量用GGG50，對應(yīng)QT500-7；或GGG60，對應(yīng)QT600-3。材料的力學(xué)性能見表1。

表1 雙折線卷筒繩槽材料力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of the material of double folded wire drum slot

球墨鑄鐵球化率的高低是影響鑄造質(zhì)量的重要因素。在筒體繩槽與側(cè)壁過渡處，受曲線、球鐵粗晶、組織不均等影響易產(chǎn)生缺陷。由于是鑄件，即使采用超聲檢測和磁粉檢測，探傷的準(zhǔn)確性也不高。公司首臺(tái)660 t履帶起重機(jī)采用的就是鑄造卷筒，在試車過程中卷筒側(cè)壁根部出現(xiàn)開裂，直接影響試車進(jìn)度。卷筒作為起升、變幅機(jī)構(gòu)的主要部件，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。焊接卷筒與鑄造卷筒相比，在滿足繩槽加工手段的前提下，易于保證質(zhì)量，對單件小批量產(chǎn)品也是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。為此我們研制了焊接雙折線卷筒，首套在500 t全路面起重機(jī)試驗(yàn)成功后，在后續(xù)工程起重機(jī)中已全部采用焊接卷筒。由于雙折線焊接卷筒與單層纏繞卷筒存在諸多差異，纏繞層數(shù)多，結(jié)構(gòu)特殊。通過下面的分析和介紹，可以了解它的計(jì)算方法和制造過程。

1 雙折線焊接卷筒參數(shù)

雙折線焊接卷筒參數(shù)確定需要考慮整體布置、卷筒優(yōu)選系列、鋼絲繩直徑與卷筒直徑比等因素。在確定卷筒直徑、長度、纏繞層數(shù)時(shí)需要考慮以下因素：

(1)繩與繩槽的偏角不應(yīng)大于1.5°，否則易產(chǎn)生跳槽等不利影響。

(2)卷筒材料一般選擇Q345。

(3)卷筒的圈數(shù)取鋼絲繩的整數(shù)倍或整數(shù)多半圈，如取50圈或50.5圈，保證雙折線繩槽的折線起點(diǎn)位于卷筒截面的同一位置上，保證鋼絲繩纏繞時(shí)交叉點(diǎn)一致。

(4)鋼絲繩的旋向與卷筒繩槽旋向相反，選擇右旋鋼絲繩，卷筒繩槽則選為左旋。

(5)卷筒槽底直徑通常取鋼絲繩直徑的20倍，也可按實(shí)際要求來取，D1=20d。

(6)卷筒法蘭盤直徑D2=D1+2(z+1)d。

(7)鋼絲繩的長度Ls=(L/t-0.5)[D1+0.866d(z-1)]zπ。

式中，d為鋼絲繩直徑；D1為卷筒直徑，指卷筒上首層鋼絲繩中心的直徑；L為卷筒長度，指兩側(cè)壁間的距離；Ls為鋼絲繩長度，考慮3圈安全圈；p為卷筒節(jié)徑；z為鋼絲繩纏繞層數(shù)。

2 筒體壁厚選取

卷筒的載荷主要是鋼絲繩拉力。鋼絲繩的受力計(jì)算與常規(guī)的起升機(jī)構(gòu)相同。在進(jìn)行卷筒強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，已知鋼絲繩的直徑和拉力。雙折線卷筒在每層過渡區(qū)域的每個(gè)繩圈上僅有一個(gè)交錯(cuò)點(diǎn)，這些點(diǎn)對于筒體受力可以忽略。上層圈對下層圈的壓力使鋼絲繩相互擠壓，可以將不同層上的繩圈視為相互接觸的同心圓環(huán)。當(dāng)層數(shù)確定后，可模擬纏繞n道繩圈的單層卷筒的計(jì)算，最常用的方法是把纏繞層數(shù)的影響用一個(gè)系數(shù)來考慮，按單層的方法進(jìn)行計(jì)算。

2.1 卷筒筒體壁厚的選擇和計(jì)算

卷筒筒體壁厚通常推薦取鋼絲繩直徑的0.8～1.4倍。設(shè)計(jì)時(shí)，可以按照推薦值初步取一個(gè)筒體壁厚進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)過初選、驗(yàn)算、調(diào)整、最終確定合適的壁厚。卷筒強(qiáng)度為：

式中：f1為考慮鋼絲繩繞入卷筒時(shí)對筒壁應(yīng)力的減小系數(shù)，一般取f1=0.75；f2為與機(jī)構(gòu)工作級別有關(guān)的鋼絲繩拉力系數(shù)，按工程起重機(jī)的工作級別應(yīng)在1～1.12范圍取值；f3為與鋼絲繩纏繞層數(shù)有關(guān)的系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)，按表2取值。

表2 鋼絲繩各系數(shù)取值Table 2 The values of each coefficient of wire

Smax為鋼絲繩最大工作拉力，單位MPa；δ為筒體壁厚，單位mm；t為繩槽節(jié)距，單位mm；[σm]為卷筒材料的許用應(yīng)力，單位MPa。對軋制鋼質(zhì)材料，輕級工作級別(M3和M4)可取[σm]=σS/1.48，中重級工作級別(M5至M8)可取[σm]=σS/2。

2.2 卷筒的穩(wěn)定性驗(yàn)算

當(dāng)卷筒的長度L大于卷筒底徑的2倍時(shí)，需要驗(yàn)算卷筒壁的穩(wěn)定性。卷筒的穩(wěn)定性按下式計(jì)算：

式中，L為卷筒兩法蘭板之間的距離，單位mm；R為卷筒槽底半徑，單位mm；σmc為卷筒的臨界壓應(yīng)力，單位MPa；δ為卷筒的最小壁厚，單位mm。

3 卷筒端板厚度的選擇和計(jì)算

多層纏繞雙折線卷筒的端板需要承受軸向力。筒體壁厚與端板的剛性比率對卷筒的受力和變形影響是一個(gè)重要因素。通過對卷筒筒體、端板、支撐板剛性的正確組合，可以將筒體和端板過渡處受力減小到最小。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，卷筒端板厚度hB與筒體壁厚h比值的最佳比例在1≤hB/h≤2范圍，可見常用經(jīng)驗(yàn)比值hB/h≈1合理。從剛性比率試驗(yàn)曲線圖看，比值在1.5～2范圍最合理。目前，計(jì)算基于材料的線性特性，但實(shí)際上在支承點(diǎn)、端板過渡處或筒體折線處受力非常復(fù)雜，為了避免在上述部位出現(xiàn)局部塑性變形，常用的方法是對筒體和端板取較高的安全系數(shù)，取安全系數(shù)n=3。

3.1 圓柱疊組理論在端板計(jì)算中的應(yīng)用

除了卷筒筒體承受鋼絲繩壓力外，由于多層纏繞作用，卷筒端板上也承受軸向力。疊組理論的前提是以鋼絲繩非彈性變形為基礎(chǔ)，即鋼絲繩在負(fù)荷作用下仍保持圓形截面。端板上由繩圈層引起的軸向力可依據(jù)圖1所示的幾何關(guān)系來確定。鋼絲繩在卷筒上的排列如圖2所示，根據(jù)上述理論，可以近似確定每層鋼絲繩的半徑。繩圈與端板間的摩擦系數(shù)μ在0.15～0.2之間。作用在端板上軸向力的位置確定后，便可應(yīng)用圓環(huán)形平板的計(jì)算公式計(jì)算內(nèi)周界處，即r處的應(yīng)力。初步給出端板厚度后，內(nèi)周界處的應(yīng)力σ為：

σ=AP/h2

圖1 端板受到的軸向力Figure 1 The axial force of the end plate

圖2 鋼絲繩在卷筒上的排列Figure 2 The arrangement of wire on the drum

在初步給定許用應(yīng)力的前提下，卷筒端板厚度h為：

式中，h為卷筒端板厚度，單位mm；P為作用在端板上的力，單位N，按照圓柱疊組理論來計(jì)算端板負(fù)荷；σ為卷筒端板的應(yīng)力，單位MPa；[σ]為卷筒端板的許用應(yīng)力，單位MPa，通常取為100MPa；A為圓環(huán)形平板的內(nèi)周邊處應(yīng)力系數(shù)，按表3取值。R為第9層半徑，r為卷筒槽底半徑。端板受力圖如圖3所示。

表3 圓環(huán)形平板的內(nèi)周邊應(yīng)力系數(shù)Table 3 Inner circumference stress coefficient of circular ring plate

圖3 端板受力圖Figure 3 Force diagram of the end plate

3.2 計(jì)算舉例

TZC660履帶起重機(jī)，額定起重量660 t，起升機(jī)構(gòu)卷筒工作制M3，最大纏繞層數(shù)為10層，在9層時(shí)鋼絲繩最大拉力為Smax=174 000 N，繩圈數(shù)為39，卷筒槽底半徑r=311 mm，第9層半徑R=550 mm，卷筒材料為Q345，許用應(yīng)力[σm]=233 MPa，卷筒節(jié)距t=29.4 mm，端板間距L=1146.6 mm，鋼絲繩直徑d=28 mm，初步計(jì)算卷筒筒體壁厚、端板壁厚、穩(wěn)定性。

3.2.1 筒體最小壁厚

端板受力圖見圖3，作用力在第9層處，鋼絲繩擠壓處于平衡，其它層對端板的作用力可忽略。端板受力及相關(guān)數(shù)據(jù)見表4。

表4 端板受力及相關(guān)數(shù)據(jù)Table 4 The force of the end plate and the related data

3.2.2 端板最小壁厚

3.2.3 穩(wěn)定性

3.2.4 計(jì)算結(jié)果分析

通過以上計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論：筒體在最小計(jì)算厚度時(shí)穩(wěn)定性滿足要求；卷筒筒體壁厚可以取30 mm，端板厚度可以取1.5×30=45 mm，卷筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以此為基本數(shù)據(jù)進(jìn)行。

4 雙折線焊接卷筒的結(jié)構(gòu)形式及制造要求

目前在工程起重機(jī)中使用的雙折線焊接卷筒主要有圖4兩種結(jié)構(gòu)形式，分別用于起升和變幅機(jī)構(gòu)。可采用單減速器或雙減速器驅(qū)動(dòng)。起升常用單聯(lián)卷筒，變幅常用雙聯(lián)卷筒。筒體雙折線繩槽的加工采用數(shù)控機(jī)床，受機(jī)床刀架結(jié)構(gòu)限制，卷筒的繩槽在焊成筒體后加工，然后再焊端板，端板焊接時(shí)變形要小。焊成整體后再加工端板端面與直徑，保證端板之間距離符合公差要求，最后配焊過渡條和過渡板。

圖4 雙折線焊接卷筒形式Figure 4 Types of double folded wire welded drum

為保證卷筒質(zhì)量，卷筒材料要進(jìn)行超聲檢測，卷筒中對接焊縫、端板與筒體的焊縫要進(jìn)行超聲檢測，角焊縫進(jìn)行磁粉檢測，探傷結(jié)果要符合圖紙

要求的標(biāo)準(zhǔn)等級。

筒體與內(nèi)法蘭焊成整體后先進(jìn)行退火，再加工繩槽。焊接端板后需振動(dòng)消除應(yīng)力。通過對制造過程的質(zhì)量控制來保證卷筒質(zhì)量，避免焊縫開裂。

5 雙折線焊接卷筒設(shè)計(jì)和使用中需注意的問題

(1)雙折線焊接卷筒的繩槽、節(jié)距、槽深要嚴(yán)格按照推薦數(shù)值選取。

(2)導(dǎo)向塊、導(dǎo)向板的焊接要平滑，位置要準(zhǔn)確。

(3)保證繩槽、端板間距公差是防止多層纏繞亂繩的前提。

(4)選用鋼芯鋼絲繩，直徑采用正公差，公差控制在繩徑的+2%～+4%范圍內(nèi)。

(5)起升用非旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，繩與卷筒的偏擺角要符合要求，也是保證不發(fā)生亂繩的重要因素。

(6)鋼絲繩首次在卷筒上纏繞，要在預(yù)緊狀態(tài)下進(jìn)行。通常按鋼絲繩破斷拉力的1%～2%作為預(yù)緊力進(jìn)行加載，保證整個(gè)纏繞過程鋼絲繩在卷筒上布繩和過渡處的緊密性。

只有在所有要求都滿足的情況下才能保證卷筒的正常工作。雙折線卷筒在多層纏繞中使用最多，作為工程起重機(jī)中的重要部件，必須保證質(zhì)量，了解它的計(jì)算方法、掌握它的制造工藝對起重機(jī)設(shè)計(jì)人員是很重要的。

[1] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T3811—2008[S]. 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008:10.

[2] 《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊》，TZJ745—2008，太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司.