提升機a型卷繩機構(gòu)的研究與改善方法

使用c型卷繩機構(gòu)的提升機驅(qū)動盤與壓繩機構(gòu)進行受力分析，推導出了提升力計算方法和提升力影響因素，進而根據(jù)壓繩機構(gòu)的實際工況計算所需壓繩彈簧提供的壓力。對卷繩機構(gòu)內(nèi)鋼絲繩進行了應(yīng)力分析，提出了改善提升機使用壽命的方法，為提升機高質(zhì)量、開發(fā)設(shè)計與制造，提供指導性意義。

隨著高處作業(yè)吊籃在建筑施工和特定領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，作為其核心動力的提升機得到了長足發(fā)展。其中使用a 型卷繩機構(gòu)的提升機憑借結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、便于維護和對鋼絲繩磨損較小的優(yōu)勢，成為電動爬升式提升機的主流應(yīng)用!。此種卷繩機構(gòu)中，若壓繩彈簧壓力不足，即對驅(qū)動盤上鋼絲繩的正壓力不足，就會引起鋼絲繩在壽命周期內(nèi)產(chǎn)生打滑，影響整機設(shè)備工作的可靠性;若壓繩彈簧壓力過大，則會使鋼絲繩受擠壓力過大，造成鋼絲繩接觸應(yīng)力過大，降低其使用壽命。因此設(shè)計合適的壓繩彈簧力對促進提升機的質(zhì)量有重要意義。

基于此，相關(guān)文獻四對s型卷繩機構(gòu)的提升機進行研究，得出了提升機承載能力與壓繩彈管直徑以及鋼絲繩直徑的關(guān)系，壓繩彈簧直徑越大，鋼絲繩直徑越大，提升機的承載能力就越大;文獻 3] 通過實驗測定當量摩擦因數(shù)在0.53~0.55之間不等，結(jié)合理論得出了不同摩擦因數(shù)和彈簧鋼絲直徑、鋼絲繩直徑對提升機有效提升力有影響作用的結(jié)論:文獻4利用理論推算，驗證了使用潤滑脂潤滑以解決提升機異響但不影響提升機額定載荷的可行性。

對提升機a型卷繩機構(gòu)進行了研究，推導出了提升力的計算方法，并對各個因數(shù)的取值進行了探討，同時分析了卷繩機構(gòu)內(nèi)鋼絲繩應(yīng)力的影響因素，為提升機的科學設(shè)計、制造提供理論支撐。

1.a型卷繩機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成與工作原理

卷繩機構(gòu)是實現(xiàn)提升機沿鋼絲繩上下運行的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。電動爬升式提升機按鋼絲繩在提升機內(nèi)部的走向可分為a型和s型。使用a型卷繩機構(gòu)的提升機，其結(jié)構(gòu)簡單，鋼絲繩只在一個方向彎曲，不承受交變載荷，相對s 型卷繩機構(gòu)鋼絲繩壽命較長，因此a 型提升機已成為爬升式提升機的主流產(chǎn)品。

a 型卷繩機構(gòu)形式有很多種類，通常卷繩機構(gòu)由驅(qū)動盤、分繩器、壓繩機構(gòu)等組成，壓繩機構(gòu)又由壓繩滾輪、杠桿板、壓繩彈簧等組成。驅(qū)動盤繩槽上開有卷繩用 V形槽，以增大摩擦力;壓繩機構(gòu)的壓繩滾輪有單個、2 個或2個以上;杠桿板是壓繩彈簧力的放大部件。鋼絲繩圍繞驅(qū)動盤約3/4 周，經(jīng)過壓繩滾輪后經(jīng)分繩器導出。無論任種形式的卷繩機構(gòu)，壓繩機構(gòu)對鋼絲繩的壓繩力是卷繩機構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，通過科學的方法計算該壓繩力、尤其是壓繩彈簧力與額定提升力之間的關(guān)系，是提升機的設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

2.壓繩力與提升力關(guān)系分析

2.1V形槽當量摩擦系數(shù)的確定

假設(shè)鋼絲繩為截面不變的撓性體，對其求當量摩擦系數(shù)。在提升機工作時，鋼絲繩與驅(qū)動盤之間不是相對靜止的，而會由于鋼絲繩的拉伸變形產(chǎn)生輕微的滑動。因此，此處的摩擦系數(shù)“在動載時在進行設(shè)計時應(yīng)按動摩擦系數(shù)取值，而在滯留工況即靜載時從為靜摩擦系數(shù)。壓繩滾輪處鋼絲繩受力如圖2所示。

V形槽兩面角度為β，單個滾輪作用在鋼絲繩的壓力為F摩擦力F。當量摩擦系數(shù)為f摩擦系數(shù)為“，當鋼絲繩與驅(qū)動盤繩槽出現(xiàn)滑動時，為對該處鋼絲繩進行受力分析有提升機的驅(qū)動盤一般為合金鋼，提升機鋼絲繩與驅(qū)動盤之間的摩擦系數(shù)，忽略鍍鋅層的影響，在動載時取鋼與鋼之間動摩擦系數(shù)μ=0.1,靜載時則取靜摩擦系數(shù) 0.15)目前市場上現(xiàn)有此種提升機驅(qū)動盤角度多在20°-24°之間不等，按公式(2)計算當量摩擦系數(shù):f0.481-0.576、與文獻[3]中試驗測得當量摩擦系數(shù)基本一致。

2.2升與滾輪的關(guān)系在鋼絲繩上取一微段 d，其對應(yīng)的圓心角為 d0，其受力如圖3 所示，微段受驅(qū)動盤壓力為dN，一側(cè)受拉力為 T，另一側(cè)受拉力為 T+dT，壓力產(chǎn)生的摩擦力為fdN，忽略鋼絲繩轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力。鋼絲繩在驅(qū)動盤上的包角為 a。為常數(shù)，鋼絲繩與兩滾輪之間的滾動摩擦力可忽略不計。以典型的雙滾輪壓繩機構(gòu)為例，設(shè) P為提升機的理論提升力，則當0-0 時，繩端拉力應(yīng)按摩擦力之和計算，T=2F，當0=a 時T=P，帶人式(6)，得置作為當量壓力，因此包角 a 邊界應(yīng)該在兩滾輪中間位置。即包角從進入驅(qū)動盤開始，到兩個滾輪中間位置結(jié)束，為圖 3 中所示角度取值實際上，按式(8)直接計算，是剛好產(chǎn)生滑動時所需滾輪的壓緊力，為防止產(chǎn)生打滑，需引用防滑系數(shù)k進行修正k為防滑系數(shù)，其值越大，越不會產(chǎn)生打滑考慮到動載系數(shù)、鋼絲繩鍍鋅層的摩擦系數(shù)較低等因素，推薦動防滑系數(shù) k=1.5~1.8。

2.3滾輪壓力與彈簧壓力之間的關(guān)系

仍以典型的雙滾輪壓繩機構(gòu)為例對杠桿板進行受力分析，兩滾輪壓力 Fn的合力為FF作用點為滾輪組的安裝銷上，安裝銷受力與彈管壓力F;構(gòu)成一個杠桿。受力示意如圖4 所示

其中，F(xiàn):為提升機工作時卷繩機構(gòu)所需彈簧提供的最小壓力。

因此，彈簧最小壓力與理論提升力 P、V形槽的角度β，鋼絲繩的包角 a，壓繩機構(gòu)滾輪與驅(qū)動盤中心線角度y有關(guān)，同時還與杠桿板各之間距離L?L?有關(guān)。式(12)與式(13)表征了提升機額定提升力與彈簧力、包角等因素的關(guān)系，為設(shè)計合理提升機卷繩機構(gòu)提供了理論依據(jù)

由于靜摩擦系數(shù)是動摩擦系數(shù)的 1.5倍左右，因此，按此公式設(shè)計能滿足 GB/T 19155-2017《高處作業(yè)吊籃》對于靜載試驗的要求。

3.卷繩機構(gòu)內(nèi)鋼絲繩應(yīng)力分析

關(guān)于鋼絲繩壽命的影響因素，目前已有大量的研究。相關(guān)文獻普遍集中在對鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和加工工藝進行改善、正確的使用與維護上，對鋼絲繩繞繩方式和應(yīng)力也有研究，但應(yīng)用于a 型卷繩機構(gòu)上的較為匱乏。

提升機用鋼絲繩一般為瓦林吞西魯式鍍鋅鋼絲繩，繩股數(shù)以4股和5股居多、纖維芯結(jié)構(gòu)。以下就卷繩機構(gòu)對鋼絲繩的影響進行分析，各結(jié)構(gòu)類型鋼絲繩的性能不在討論范圍之內(nèi)。鋼絲繩在運行時，主要受以下幾種類型的應(yīng)力。

3.1拉伸應(yīng)力

此為提升機帶動重物上升，下降或停止過程中，鋼絲繩因為拉伸而引起的應(yīng)力。根據(jù) GB/T19155-2017《高處作業(yè)吊籃》鋼絲繩破斷拉力與極限工作載荷之比應(yīng)不小于 8，較高的安全系數(shù)使得鋼絲繩在正常工作時被拉斷的幾率很小，在此可以忽略。

3.2扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

鋼絲繩由鋼絲捻制成繩股，再由繩股捻制為鋼絲繩，通常繩股與鋼絲繩的捻向相反。捻制產(chǎn)生螺旋變形，而在受力時，繩股被拉直松股而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。此應(yīng)力主要與鋼絲繩和承載力大小有關(guān)，難以通過卷繩機構(gòu)的設(shè)計來改善，因此不作過多分析。

3.3彎曲應(yīng)力

鋼絲繩通過壓繩機構(gòu)進行旋繞，由于彎曲變形而產(chǎn)生的應(yīng)力。此處只考慮彎矩，而不考慮由張力和彎曲引起的鋼絲繩繩股之間相對滑動引起的剪力和摩擦。對于一根直徑為δ 的鋼絲繩，在直徑為 D的繩輪 (驅(qū)動盤)上彎曲時，其受力彎曲的曲率半徑滿足若將此公式應(yīng)用到鋼絲繩中，鋼絲繩所受最大彎曲應(yīng)力στ則有Kτ為鋼絲應(yīng)用至鋼絲繩中應(yīng)力計算的修正系數(shù)，跟鋼絲繩的結(jié)構(gòu)參數(shù)及鋼絲在鋼絲繩中的位置有關(guān)。Eτ為鋼絲繩的彈性模量，其值不是一個定值，隨卷繞長度、工作壽命、受拉載荷等的增大而增大[8，在粗略計算時，可取鋼絲材質(zhì)的彈性模量。Dτ為鋼絲繩在驅(qū)動盤卷繞時、繩中心線所在圓的直徑

由此可見，Dτ值越大，鋼絲繩上應(yīng)力越小在設(shè)計卷繩機構(gòu)時，驅(qū)動盤直徑設(shè)計得越大，鋼絲繩所受彎曲應(yīng)力越小。GB/T 19155-2017《高處作業(yè)吊籃》規(guī)定，鋼絲繩在驅(qū)動盤上的層心直徑Dτ與鋼絲繩直徑δ之比應(yīng)不小于 20，就是為了確保鋼絲繩所受彎曲應(yīng)力不至于過大。

3.4接應(yīng)力

接觸擠壓應(yīng)力與鋼絲繩受到的壓力有關(guān)，此壓力有 2個極大值，一個極大值由于鋼絲繩內(nèi)部拉力引起，即dN的最大值，另一個極大值由壓繩輪壓力引起，其值為 FN。微段壓力dN隨角度θ增大而增大，在θ=a時，即在鋼絲繩進入驅(qū)動盤剛與繩槽接觸時其值最大，但對具體的點來說，dθ 為無窮小，因此此處極大值亦為很小的值。故壓力最大值為壓繩滾輪對鋼絲繩的壓力 FΝ，位于壓繩滾輪與鋼絲繩的接觸面，由于鋼絲繩繩股為螺旋狀，其與繩槽面的接觸應(yīng)力可參照文獻，此處鋼絲繩的接觸應(yīng)力Pτ，為接觸折合曲率半徑,E=(2EτρE)/(Eτ+Eρ)為折合彈性模量，其中 E,為驅(qū)動盤的彈性模量.k為防滑系數(shù)。式(19)未考慮繩槽與鋼絲繩的磨損，以及鋼絲繩受擠壓產(chǎn)生的變形，因此計算值較大，實際上此變形與擠壓變形將大大削減該處接觸應(yīng)力。

驅(qū)動盤若采用較小彈性模量的材料，可改善鋼絲繩的受力，延長其壽命，但同時需考慮強度和耐磨性。繩槽角越大，接觸應(yīng)力越小但過大的繩槽角對壓繩滾輪和壓繩彈簧的要求將變高。從該處沿鋼絲繩進繩方向，接觸應(yīng)力會逐漸減小。

3.5啟停時驅(qū)動盤與鋼絲繩摩擦產(chǎn)生的切應(yīng)力

在提升機突然啟動和停止時，鋼絲繩與驅(qū)動盤并不是一直保持著靜摩擦的狀態(tài)，而難免會產(chǎn)生相對滑動，進而產(chǎn)生切應(yīng)力。此切應(yīng)力是鋼絲繩磨損，直徑變小的重要因素之一。所需鋼絲繩每股與驅(qū)動盤繩槽接觸的面積為 S，鋼絲繩捻距為1，則在額載運行時產(chǎn)生的切應(yīng)力可簡化為S與鋼絲繩結(jié)構(gòu)、承載力、驅(qū)動盤形式、磨損狀況等有關(guān)，其余符號含義同上。

由上式可看出，鋼絲繩捻距1越小，驅(qū)動盤繩槽直徑越大，鋼絲繩在驅(qū)動盤上包角 a 越大,其受切應(yīng)力越小，對鋼絲繩磨損越小。

3.6其他應(yīng)力

如繩股變形不一、相對運動產(chǎn)生的附加應(yīng)力，鋼絲之間相對變形產(chǎn)生的擠壓或彎曲應(yīng)力突然啟停產(chǎn)生的動應(yīng)力等，此與卷繩機構(gòu)的關(guān)系相對不大，不作詳細分析。

4.卷繩機構(gòu)分析與改善方法

從以上分析，影響提升機提升力的因素主要有壓繩機構(gòu)的壓力、驅(qū)動盤繩槽的夾角、鋼絲繩的包角、摩擦系數(shù)等

1)增大鋼絲繩的包角 a，能夠增大提升力，但a不能無限制增大，值越大對分繩器的空間要求就越小，一般在 3π/2 左右較為合適。

2)減小V 形槽的角度β，能夠增大當量摩擦力，進而增大提升力，但β 越小，鋼絲繩與驅(qū)動盤之間的擠壓接觸應(yīng)力越大，鋼繩的工作條件越為嚴苛，其磨損越快，影響鋼絲繩的使用壽命3)壓繩機構(gòu)的設(shè)計，歸根到底是對鋼絲繩的提供合適的壓力，壓力越大，提升力越大，但不利于鋼絲繩的使用壽命，壓力過小，則提升力機容易打滑。對于較大提升載荷或載荷變化較大的卷繩機構(gòu)，在設(shè)計時可考慮采用復合式壓繩機構(gòu)(圖5)，滾輪的壓力由彈管和鋼絲繩張力雙重作用，壓繩機構(gòu)對鋼絲繩的壓力隨載荷的變化而變化，有利于延長卷繩機構(gòu)和鋼絲繩的壽命。

4)理論上摩擦系數(shù)μ“越大越好，但μ值的增大會加快鋼絲繩的磨損。一般繩槽表面的加工時粗糙度應(yīng)不低于 Ra6.3，隨著提升機的作用，表面會越磨越光，對延長鋼絲繩的使用壽命有利。驅(qū)動盤的夾角較小，如果鋼絲繩表面無油脂，鋼絲繩在進出驅(qū)動盤繩槽和經(jīng)過壓繩滾輪時，會產(chǎn)生異常噪音。因此通常在舊鋼絲繩表面涂抹少量的潤滑脂，以消除異常噪音并提高鋼絲繩的使用壽命。由于鋼絲繩的繩芯是纖維芯結(jié)構(gòu)，在永久安裝的場所，通常在鋼絲繩制造時繩芯上加注適量的油脂，在鋼絲繩運行時逐漸滲出，達到降噪和減小磨損的目的。

5)鋼絲繩的公稱抗拉強度越高，相同破斷拉力下，可選用的鋼絲繩直徑越小，驅(qū)動盤直徑與鋼絲繩直徑之比越大，鋼絲繩受到的彎曲應(yīng)力將越小，其壽命越高，故卷繩機構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選取較高抗拉強度的鋼絲繩！

5.結(jié)語

驅(qū)動盤直徑越小、鋼絲繩包角越大，繩槽角度越小，鋼絲繩的應(yīng)力就越大，驅(qū)動盤應(yīng)盡量做大,避免鋼絲繩應(yīng)力過大導致失效。同時，設(shè)計時綜合考慮各個要素，盡量減小或均布各個應(yīng)力，以避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，縮短鋼絲繩使用壽命！

準準醬礦山配件了解時間科技集團

不定期更新，歡迎討論

關(guān)注我，不迷兔