李榮德

中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100

調(diào)繩離合器是單繩雙筒纏繞式提升機的一個重要部件。提升機正常工作時，調(diào)繩離合器合上，轉(zhuǎn)矩從主軸傳遞到游動卷筒上，保證提升機正常提升。提升機運行一段時間后，繩子長度伸長或需要更換提升水平時，調(diào)繩離合器打開，游動卷筒與主軸連接或者脫離，使得游動卷筒與固定卷筒同步轉(zhuǎn)動或作相對運動，以調(diào)節(jié)繩長或更換提升水平。

1 徑向齒塊式調(diào)繩離合器的特點

目前，我國常用的調(diào)繩離合器為徑向齒塊式結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示[1-2]，主要由齒塊、齒圈、液壓缸、聯(lián)鎖閥等組成。該調(diào)繩離合器的工作原理為：提升機正常工作時，齒塊和內(nèi)齒圈處于嚙合狀態(tài)，驅(qū)動液壓缸處于回油狀態(tài)，驅(qū)動液壓缸的油路關閉，聯(lián)鎖閥鎖閉，保證齒塊和內(nèi)齒圈可靠地嚙合；調(diào)繩時，提升機處于安全制動狀態(tài)，高壓油先進入聯(lián)鎖閥，使聯(lián)鎖閥的柱銷從活塞桿的凹槽中移出，然后高壓油進入驅(qū)動液壓缸的離開腔，推動活塞桿向左移動，通過與活塞桿連接的移動轂使齒塊與內(nèi)齒圈脫離嚙合，達到游動卷筒與主軸分離的目的。

圖1 徑向齒塊調(diào)繩離合器

高壓油使活塞桿繼續(xù)向左移動，當移動至設定距離時，低速啟動提升機，提升方向根據(jù)實際情況或正或反，固定卷筒和游動卷筒間產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，調(diào)整鋼絲繩長度到準確的停車位置或更換到需要的提升水平，并使游動卷筒與固定卷筒上黑白相間標記塊相互對準停車，從而完成調(diào)繩操作。

徑向齒塊調(diào)繩離合器的主要缺點如下。

(1) 有較大的安全隱患 傳遞轉(zhuǎn)矩時，齒塊受到向下的力，有向下脫開的趨勢，提升過程中一旦發(fā)生聯(lián)鎖閥誤操作，齒塊將向下脫開，游動卷筒和主軸之間無法傳遞轉(zhuǎn)矩，游動卷筒上掛的鋼絲繩和提升容器失去平衡，將發(fā)生嚴重的容器墜落事故。

(2) 調(diào)繩精度較低 提升機規(guī)格較大時，調(diào)繩離合器需要傳遞的轉(zhuǎn)矩較大，而齒塊式離合器的齒塊數(shù)量有限，齒塊上的齒數(shù)也有限，因此齒塊尺寸大，必然影響調(diào)繩離合器的調(diào)繩精度[3-4]。

(3) 對主軸精度要求較高 熱裝影響整個主軸的徑向尺寸。

2 齒套式調(diào)繩離合器的結(jié)構(gòu)

鑒于齒塊式調(diào)繩離合器的不足之處，筆者研制出了一種齒套式調(diào)繩離合器，如圖 2 所示，主要由主軸、主軸外齒套、調(diào)繩液壓缸、撥動環(huán)、移動內(nèi)外齒套、游動內(nèi)齒套和游動卷筒等組成。

圖2 齒套式調(diào)繩離合器

主軸外齒套通過定位銷與軸肩定位，通過螺栓擰緊產(chǎn)生的摩擦力傳遞主軸上的轉(zhuǎn)矩，同時主軸外齒套還充當移動內(nèi)外齒套的滑動軌道，移動內(nèi)外齒套可以在主軸外齒套上滑動，如圖 3 所示。

圖3 齒套式調(diào)繩離合器工作方式

安裝在主軸外齒套上的移動內(nèi)外齒套有內(nèi)齒和外齒，其內(nèi)齒與主軸外齒套的外齒相嚙合，通過驅(qū)動裝置可以在主軸內(nèi)齒套上移動，當其被推向卷筒方向時，移動內(nèi)外齒套上的外齒與游動卷筒內(nèi)齒圈相嚙合，從而實現(xiàn)離合器的嚙合，轉(zhuǎn)矩從主軸傳遞到移動內(nèi)外齒套，然后再傳遞到游動卷筒內(nèi)齒圈。游動卷筒內(nèi)外齒圈通過螺栓連接在游動卷筒幅板上，當移動內(nèi)外齒套與游動內(nèi)齒套嚙合后，主軸的轉(zhuǎn)矩可以通過調(diào)繩離合器傳遞到游動卷筒，從而使主軸帶動游動卷筒轉(zhuǎn)動。

調(diào)繩時，在調(diào)繩液壓缸的帶動下，移動內(nèi)外齒套向反方向脫開，主軸的轉(zhuǎn)矩無法傳遞到游動卷筒上，此時主軸可以自由轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)游動卷筒的調(diào)繩功能。

3 設計方法

齒塊式調(diào)繩離合器和齒套式調(diào)繩離合器的設計校核方法不同。齒塊式調(diào)繩離合器校核條件為：假設只有一個齒工作，在該齒的極限撓度下，校核該齒的最大應力。齒套式調(diào)繩離合器的校核條件為：齒套接觸，考慮載荷不均勻系數(shù)，校核齒套的齒面應力。

調(diào)繩離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩為：

(1) 正常提升時，調(diào)繩離合器所傳遞的最大轉(zhuǎn)矩

式中：Fmax為游動卷筒提升開始時的最大靜張力，N；G為游動卷筒變位質(zhì)量，kg；a為提升加速度，m/s2；R為卷筒半徑，mm。

由式 (1) 計算可得，提升機正常提升時，調(diào)繩離合器傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為 2.383 7×108N·mm。

(2) 調(diào)繩時機構(gòu)所傳遞的力矩

式中：Q1為提升容器的質(zhì)量，kg；P為鋼絲繩的單位質(zhì)量，kg/m；H3為 3 層纏時的提升高度，m；g為重力加速度，m/s2。

由式 (2) 計算可得，調(diào)繩時機構(gòu)傳遞的力矩為 1.429 3×108N·mm。

3.1 徑向齒塊式調(diào)繩離合器的強度設計方法

若只有一個齒工作，在該齒的極限撓度下，齒輪承擔的力矩

式中：K為齒厚公差，mm；E為齒輪材料彈性模量，2.1×105MPa；b為齒寬，mm；m為模數(shù)，mm；B為修正系數(shù)。

當外齒輪齒數(shù)不等于內(nèi)齒圈齒數(shù)時，

式中：Z2為內(nèi)齒圈齒數(shù)；Z1為外齒塊齒數(shù)。

齒中的最大應力

式中：T2為游動卷筒提升最終受力，N；T1為游動卷筒提升開始受力，N。

只要滿足：

即認為離合器強度足夠。

3.2 齒套式離合器的計算方法

齒輪的分度圓直徑

式中：z為齒數(shù)；m為模數(shù)，mm。

內(nèi)齒輪的寬度

校核齒面壓強

式中：Te為離合器的計算轉(zhuǎn)矩，N·mm；ε為載荷不均勻系數(shù)；pp為齒面許用壓強，Pa；K1為工況系數(shù)，取 1.8；T為離合器的理論轉(zhuǎn)矩，對于嵌合式離合器，T為穩(wěn)定運轉(zhuǎn)中的最大工作轉(zhuǎn)矩或原動機的公稱轉(zhuǎn)矩，N·m，理論轉(zhuǎn)矩為 2.383 7×108N·mm。

由式 (11) 計算可得離合器轉(zhuǎn)矩Te=4.290 66× 108N·mm。

3.3 調(diào)繩精度計算

以 2JK-3×1.5P 單繩雙筒纏繞式提升機參數(shù)進行設計計算。

同樣的轉(zhuǎn)矩下，齒塊式的模數(shù)m=14，齒套式的模數(shù)m=5，調(diào)繩精度有較大提高。

齒塊式的調(diào)繩精度

齒套式調(diào)繩精度

齒塊式調(diào)繩離合器的單齒需滿足許用應力，對模數(shù)有嚴格要求，而齒套式離合器齒輪的模數(shù)在滿足齒面應力的情況下可以有效減小，因此齒套式調(diào)繩離合器的調(diào)繩精度高于齒塊式調(diào)繩離合器。

4 結(jié)語

與徑向齒塊式調(diào)繩離合器相比，齒套式調(diào)繩離合器的優(yōu)越性如下。

(1) 加強系統(tǒng)的安全性 主軸通過齒套與游動卷筒連接，在提升機運行過程中不會產(chǎn)生向外脫出的受力趨勢，避免了徑向齒塊式調(diào)繩離合器運行過程中向外脫出的危險，增強了提升系統(tǒng)的安全性。

(2) 結(jié)構(gòu)簡單緊湊易加工 齒套式調(diào)繩離合器相對于徑向齒塊式調(diào)繩離合器結(jié)構(gòu)更簡單，加工更方便。

(3) 對主軸適應性強 齒套式調(diào)繩離合器的主軸外齒套和游動卷筒內(nèi)齒套都用螺栓安裝，均可做成兩瓣結(jié)構(gòu)。徑向齒塊式調(diào)繩離合器則有輪轂需要熱裝在主軸上，因此對主軸結(jié)構(gòu)有要求，比如在熱裝輪轂的方向不能有大于熱裝輪轂內(nèi)孔的軸臺軸肩等。相比較而言，齒套式調(diào)繩離合器對主軸上的軸臺和軸肩則基本沒有要求。

(4) 提高了調(diào)繩精度 齒套式調(diào)繩離合器采用齒套傳遞轉(zhuǎn)矩，因此齒套中齒的模數(shù)可以比用齒塊傳遞轉(zhuǎn)矩的徑向齒塊式調(diào)繩離合器要小，調(diào)繩精度也比徑向齒塊離合器高。