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Mechanical Engineering and Design December 2012, Volume 1, Issue 1, PP.7-13

Research on New “S” Type Rope Rolling Pressing Mechanism of Hoist Zeguang Han 1, Tao Han 2#, Ruiqin Hao 3 (School of Traffic and Engineering, Shenyang JianZhu University,Shenyang,China,100168 #Email: hanxiao1030@126.com Abstract: It mainly depends on the preloaded force of the spring to press the steel wire rope in the traditional hoist mechanism, achieving the movement of the working platform. But this method results some problems, such as it is difficult to control for preloaded force of the spring, the pressing force of plate distributes unevenly and others, leading the life of steel wire rope is too short. To solve those problems, we analysis wire rope tension of the hoist winding mechanism and the pressure of pressure plate, basing on the theory of friction drive. Accordingly, the lifting force is contact to the pressure of plate pressure. Based on this, a new type of hoist rope rolling pressing mechanism with the pre-deformation in the pressure plate is designed and the contour curve equation of pressure plate is derived. At the same time, the rope rolling pressing mechanism structure is simplified, realizing the uniform pressing force distribution and enhancing the service life of the rope. Key words:hoist;roll rope institutions;Pre-deformation

提升机新型“S”型卷绳压紧机构的研究 ∗ 韩泽光 1,韩涛 2,郝瑞琴 3 1.2.3

沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁 沈阳 110168

要:传统提升机构主要是依靠弹簧提供的预紧力来压紧钢丝绳,从而实现工作平台的运动。这种方法存在弹簧的预

紧力难于控制及压盘压紧力分布不均匀等问题,导致钢丝绳寿命过短。为了解决上述问题,笔者基于摩擦传动理论对提 升机卷绳机构的钢丝绳张力和压盘压力进行分析,建立了提升机提升力与压盘压力之间的关系。在此基础上,设计了一 种具有预变形压盘的新型提升机卷绳压紧机构,推导了压盘轮廓曲线方程,简化了卷绳压紧机构结构,实现了压紧力均 匀分布和提高钢丝绳寿命的目的。 关键词:提升机;卷绳机构;预变形;

引言 随着经济的高速增长,城市化进程越来越快,城市人口越来越多,导致住房需求缺口很大,建筑行业处 在前所未有的大发展时期。但高层建筑外墙装修、清洗与维护作业,跨海大桥的检修、维护和施工,巨型轮 船的装饰等面临劳动强度大、危险度高、工作难度很大和施工成本高等问题,成为制约该行业发展的瓶颈。 采用传统的脚手架施工方法已经不能满足要求,高空作业施工平台(简称吊篮)成为该行业中不可缺少的设 备。提升机作为高空作业施工平台的最主要部件,用来实现悬吊平台上、下运动,其通过性的好坏直接关系 到大载荷多功能施工平台的整机结构布置,工作可靠性、运转平稳性,钢丝绳寿命、质量、安全性等。天津 津久起重工具厂的李鸿培的提升机摩擦传动的理论和试验研究基于钢丝绳与压盘的接触形式,得到不同直径 ∗

基金资助:辽宁省住房与城乡建设部科研项目(2011-k8-7) 7 www.ivypub.org/med


的弹簧、钢丝绳直径和压盘压力,与有效提升力的相关规律,推导出了符合实际工况下的修正后的欧拉公式 [9]

。北京奥宏远工贸有限公司通过对高处作业吊篮提升机“α”型、“S”型两种卷绳机构的分析推导出拉簧

工作拉力与钢丝绳所受法向压力的关系

[10]

。小天鹅建筑机械厂发现在提升机的运行过程中经常出现咯噔声,

鉴于现场观察吊篮提升机的实际工作状态有一点困难,而且提升机是封闭运行工作,无法直接观察发出声响 的零件,因此,通过力学原理的分析找出了问题解决的方法[3]。通过对上述研究内容的分析,可以看出现 在的研究大多集中在对弹簧刚度、簧丝直径的改进上,并且取得了一定的成就。然而随着提升机使用时间的 增加,必然会引起弹簧刚度的变化,造成钢丝绳出现“融绳”的现象。我国在高空作业设备的开发起步较晚, 起点低,对提升机的研究尚不够深入,主要是通过对国外产品的改进,为了保证施工人员的安全,选用的安 全系数都很大,生产的提升机结构复杂,即降低了施工效率,又造成材料的浪费。本文在前面研究的基础上, 提出了利用赫兹经典接触理论计算出压盘与钢丝绳接触部分的接触压力,分析得到多种预变形曲线,并在压 盘上加工出预变形,得到该进的提升机模型,对得到的压盘模型就行对比分析,得到合理的变形曲线。

1 提升机概述 1.1 提升机分类 根据提升动力方式的不同,提升机可分为手动式、气动式和电动式三种类型;根据提升方式的不同,可 分为卷扬式提升机和爬升式提升机。电动爬升式提升机应用较广,主要由电动机、齿轮传动机构和卷绳机构 [1]

等组成。按钢丝绳在减速机内缠绕方式不同,电动爬升式提升机可分为“α”型绕法和“S”型绕法两种 , 如图 1、图 2 所示。“α”型结构简单、体积小、制造成本低,钢丝绳与压轮是点接触式,摩擦力相对较小, 不能满足大提升力的要求; “S”型结构相对复杂、体积大、制造成本高,钢丝绳与压盘是连续大包角接触方 式,提升力大。但在实际应用中发现,用于承载的钢丝绳和压紧其的摩擦轮间会出现过度挤压,造成钢丝绳 [2]

过早失效,即出现所谓的“融绳”现象 。同时在工作中提升机有时会发出咯噔声,此现象虽不影响吊篮的 [3]

安全使用,但总是给使用者以不安全的感觉 。

图 1 “α”型提升机

图 2 “S”型提升机

1.2 提升机工作原理 电动爬升式提升机按钢丝绳在减速机内夹持方向分为轴向和径向夹绳两种,不论是“α”型绕法还是“S” 型绕法,电动爬升式提升机都可以采用轴向或径向夹绳产生足够的摩擦力,使钢丝绳牢靠地贴在绳轮上运动, 8 www.ivypub.org/med


满足对提升力的要求,使提升机实现稳定的升降动作。 在大齿轮与压盘端面之间开周向环槽,钢丝绳嵌在槽中卷绕在大齿轮上,压盘另一端面上均匀分布若干 圆柱形压簧,保证压盘以一定的预紧力压紧钢丝绳,从而产生摩擦力以承担载荷。但吊篮提升机提升载荷时, 电动机驱动摩擦轮正转,轮槽与钢丝绳形成摩擦传动,使提升机带动负载沿钢丝绳向上爬升。当吊篮下降时, 电动机驱动摩擦轮反转,轮槽与钢丝绳形成摩擦传动,提升机带动负载沿钢丝绳向下运动。利用钢丝绳与轮 槽接触面之间形成的摩擦传动,吊篮提升机可以实现各种运动方式。 对于特定的载荷,当弹簧的预紧力太小,钢丝绳与轮槽之间的摩擦力不足以将吊篮提升,出现打滑现象; 当弹簧的预紧力太大,钢丝绳与轮槽之间的正压力过大造成钢丝绳过大的塑性变形,钢丝绳的通过性变差。 严重的会导致钢丝绳过早失效,即“融绳”现象。

2 新型卷绳机构分析 2.1 压盘压力的分析 现基于摩擦传动原理对图 3 所示的“S”型卷绳机构的钢丝绳进行张力分析。

图 3 钢丝绳张力分析

取圆心角 dα对应的一微段钢丝绳(如图 3 所示) ,其左、右端分别受拉力 F+dF 和 F,钢丝绳侧向受到压 盘的正压力,径向受到槽底的正压力,所以这一微段钢丝绳受到 3 个沿接触面切线方向的摩擦力,设 dN 为 槽底的正压力,dT 为微段上总的摩擦力。若压盘的总压力为 Q,钢丝绳包角为α,钢丝绳与轮槽的摩擦系数 为 f。则 Q

dT = f ∙ dN + 2f dα

(1)

α

钢丝绳拉力 F 随微段在轮上角度的变化关系为

dF dα

= fF +

2fP

(2)

α

由此可得在“S”型卷绳机构中,松边拉力与紧边拉力的关系为

若不计松边拉力,式(3)可简化为

F2 − F1 = F1 �e2fα − 1� + F2 =

2Q α

�e2fα − 1�

9 www.ivypub.org/med

[1]

2Q α

(e2fα − 1)

(3)

(4)


由式(4)可得 Q=

F2 α

(5)

2(e2fα −1)

式中,α 为钢丝绳在齿轮端面上的包角,应用式(5)可求得压盘对钢丝绳的压力 Q。

2.2 接触应力 两个物体相互压紧时,在接触区附近产生的应力和变形,称为接触应力和接触变形。接触应力和接触变 形具有明显的局部性,随着离开接触处的距离增加而迅速减小。材料在接触处的变形受到的各方向的限制, 接触区附近处在三向应力状态。在齿轮、滚动轴承、凸轮和机车车轮等机械零件的强度计算中,接触应力具 有重要意义。 受到均布载荷力P的作用下,两个圆柱体将会产生变形,两个圆柱体的接触宽度假设为2b,轴线间缩小 的距离假设为δ。对于这种问题可以看成是半无限平面受分布载荷的作用,可以运用半无限平面受集中载荷 的方法对分布载荷积分求解。 对于图 4 所示的半平面受集中载荷的情况:

图 4 半平面受集中载荷的作用

通过积分计算可以得到接触应力的计算公式为: R1 +R2 R R

2 p0 = 0.564�p 1−μ21 1−μ 2 1+ 2 E1 E2

钢丝绳与压盘为高副接触,假设压力p在整个接触弧段上均匀分布,则单位弧度上的压力p = 由赫兹接触应力公式可求得单位弧度上钢丝绳与压盘的接触应力 P

1

式(6)中, = ρϵ

1

ρ1

+

1

ρ2

1

p0 = � ca ZE ρ ϵ

(6) P

α

=

F2

2(e2fα −1)

,ρ1 、ρ2 为钢丝绳和压盘接触线处的曲率半径;接触线上单位载荷 pca =

(7) dQ L

;弹

性影响系数ZE = � 1−μ2 1−μ2 ,μ1、 μ2 分别为钢丝绳和压盘的泊松比,E1,E2 分别为钢丝绳和压盘的弹性模 1 �+� 2 �] π[�

量。

E1

E2

2.3 压盘轮廓曲线 2.3.1 某接触点处的变形曲线方程 10 www.ivypub.org/med


在压盘压力作用下,钢丝绳与压盘接触处发生变形,其接触点处的变形增量为

σH ∙R

由式(8)可得接触点处的最大变形为

E1

∆R = R ∙ ε = R ∙

σH E1

=

σH ∙R E1

(8)

1.变形曲线为抛物线 设变形曲线的变化规律为抛物线,方程为 y = ax 2 + bx + c,建立图 5 所示的坐标系,

图 5 某接触点处变形曲线

2.变形曲线为圆弧 假设圆的方程为(x − a)2 + (y − b)2 = R2 ,建立如图 6 所示的坐标系。

图 6 变形曲线为圆

3.变形曲线为椭圆 x2

假设椭圆的方程为 2 + a

y2

b2

= 1,建立如图 7 所示的坐标系。

图 7 变形曲线为椭圆

2.3.2 压盘轮廓曲线构建 将压盘与钢丝绳接触弧段等分,按式(7)求得各点的接触应力,结合 2.3.1 方法求出每个等分点处的抛 物线方程,逐点包络后可得压盘轮廓曲线。该曲线是按“预变形”方式保证钢丝绳产生足够的摩擦力来实现 工作平台的正常运行(要求接触应力变化量控制在 0.5%以内),从而解决了弹簧压紧力难以控制及长时间工 作压紧力不足的问题。

11 www.ivypub.org/med


2.3.3 压盘轮廓曲线的优选 利用式(7)求得上述三种变形曲线的压盘与钢丝绳接触部分的接触应力最大值分别为σmax1 ,σmax2 ,σmax3 。

通过对比三个接触应力,得到三个最大接触应力中最小的即为最优的变形曲线。可以得到抛物线的接触应力 的值最小。

3 实例 某型号吊篮提升机的额定载荷 F=2000kg,摩擦系数 f=0.105,钢丝绳直径为 14mm,包角α=4/3π。应用 式(5) 、 (6)、 (7)和(8)可得压盘的总压力 Q=29113.58N,接触应力σH = 356.54MPa,变形增量∆R = 0.018mm。

图 8 压盘截面

通过上述方法可以求得压盘与钢丝绳接触部分的接触压力如表 1 所示: 表 2.2 变化前后接触处最大接触应力

压盘形状

变形前

曲线 1

曲线 2

曲线 3

最大接触应力

356.54MPa

357MPa

357.68MPa

358.05MPa

从表中可以看出变形后接触应力的变化值都在设计允许范围内,然而只有当曲线为抛物线的时候变化的 范围最小,因此选择抛物线作为变形曲线对接触压力的影响最小。变形后的压盘截面如图 8 所示。

4 结论 (1)结构简单。在不改变提升机其他结构的前提下,采用在压盘上加工出预变形,很好的解决在“S” 型提升机中弹簧的预紧力难以控制的问题,为提升机的设计提供了一种新的设计思路。 (2)钢丝绳是通过设计的平滑曲线到达槽底,解决了“融绳”和钢丝绳突然落入槽底产生异常声响的 问题。 (3)通过对三种变形曲线的接触分析,得到最优的压盘变形曲线。

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[10] Cao,guohua,Zhu,Zhencai,Peng,Weihong. Coupled vibration of hoist rope with complicated operating condition. p V2511-V2515, 2010.

【作者简介】 1

韩泽光(1967-),男,汉,博士,

教授,主要从事机械系统方案设计、

2

韩涛(1987-),男,汉,硕士,研究方向:

建 筑 机 械 现 代 设 计 理 论 。 Email:

机械工程的结构设计、机器人设计

hanxiao1030@126.com。

等 方 面 的 研 究 工 作 。 Emil :

3

hanzeguang1@163.com

程 师 , 工 程 机 械 实 验 性 能 。

郝瑞琴(1966-),女,汉,学士,高级工

Email:haoruiqin1@163.com。

13 www.ivypub.org/med


Research on New “S” Type Rope Rolling