基于启闭机卷筒、挡圈的加工设备改进设计

张浩浩

摘 要：为适应国内、外大型水电站起重设备的需要，特专门设计了一种新型、大型折线卷筒和挡圈，其特点是可以反复缠绕钢丝绳，避免了传统卷筒只缠绕一层钢丝绳，起吊高度、重量受限制等缺陷。为大型水电站起重机操作更加灵活、方便、可靠、安全打下了基础。这里主要介绍大型折线卷筒、折线挡圈在起重设备中的应用及其特点，并在普通车床上加工折线卷筒，在数控3米立车加工折线挡圈的方法和改装的装置。

关键词：折线卷筒折线绳槽折线挡圈起重机启闭机

1 折线卷筒、折线绳槽

卷筒基本有两种绳槽形式，一种是螺旋式，另一种是折线绳槽式。螺旋式绳槽就像一条螺旋线，或者像螺栓的螺纹线。螺旋式绳槽有助于引导钢丝绳整齐地卷绕在卷筒上，避免钢丝绳的损坏。然而，这种几何形状绳槽的问题是，当钢丝绳到达卷筒的一端时，虽然第一层能够整齐地卷绕在整个卷筒上，但不能引导第二层钢丝绳沿着卷筒整齐地绕回。折线绳槽式是在卷筒的每一周范围内，有大约75%-80%的绳槽为直线段，其余少部分为导向绳槽。折线绳槽的导向绳槽和直绳槽交替出现，这样在卷筒表面上就出现了两个导向绳槽区和两个直绳槽区。所谓导向绳槽，是指与卷筒母线斜交的绳槽，主要起导向作用。直绳槽是指与卷筒母线直交或与法兰平行的绳槽。导向绳槽约占圆周长的20%，直绳槽约占80%。

实践证明，使用了折线卷筒大大延长了钢丝绳的寿命，避免钢丝绳的磨损、变形、损坏就是提高生产效率和生产安全性，增加了设备的运行时间和保障施工人员的生命安全等优越性。折线绳槽卷筒的缺点在于，它比较复杂，加工难度大许，对加工的技术人员的技术要求较高，比螺旋绳槽卷筒的价格贵一点。然而，这额外的费用因节省钢丝绳而很快地得到补偿，因为钢丝绳价格较贵，并且更换新的钢丝绳也占用了成本和生产时间。

折线绳槽卷筒的众多工作条件中，其中最为重要的就是选择合适的钢丝绳的偏角，它是钢丝绳从卷筒到第一个固定滑轮之间的角度，一般来讲，这个偏角的取值在0.5°-1.5°之间。而最佳偏角还与钢丝绳索承受的载荷、钢丝绳的结构以及提升重物的速度三个因素有关。卷筒距离滑轮每10m，钢丝绳距离卷筒中点的距离不应大于260mm（两法兰之间为520mm）。若使用螺旋绳槽的卷筒，偏角则可达30°，因为绳槽与挡圈就有一个角度，只卷绕一层钢丝绳问题不大。而对于在卷筒上只需要一层钢丝绳的作业来讲，螺旋绳槽通常是最好的选择。

2 加工折线绳槽的设备改造

普通的车床在加工时只会做连续的运动，只能加工螺旋绳槽，因此加工折线绳槽时只能把车床进行改造。经过多次实验而发明了一套附加装置，可使大拖板进行间歇的纵向运动，因而使卷筒所有外圆折线、折点、绳槽、有效螺距展开长度尺寸，全部半自动完成，创新了该类工件绳槽的加工方法，使螺旋折线绳槽的加工效率和质量大为提高。

具体方法如下：在车床挂轮箱中的三星齿轮部分加装一个牙嵌式离合器，这个牙嵌离合器由一个接近开关和继电器的通电、断电的过程带动。接近开关安装在卡盘附近，并在卡盘上安装两个经过计算的圆弧铁条，而圆弧铁条就安装在卡盘的反面的边缘。当安装铁条的卡盘旋转到接近开关的位置时，接近开关动作在开的状态通过一个继电器而使牙嵌离合器通电产生吸力而啮合，从而带动车床丝杆的旋转带动大拖板的纵向运动，就可加工出卷筒的导向绳槽部分。而当未安装铁条的卡盘部分旋转到接近开关的位置时，接近开关就会处于闭的状态而使牙嵌离合器断电，牙嵌离合器中的弹簧就会把啮合的齿部脱开，因而车床丝杆的不做旋转运动，车床的大拖板停留在原地，从而加工出绳槽的直线段。

3 加工折线绳槽的刀具参数选择

刀具前角的选择：通过实际加工经验，刀具前角最好在15°至30°。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切削流经前刀面时的摩擦阻力，从而减小了切削力、切削热和功率。但前角过大则可能导致崩刃。前角过小，则增大切削变形，易于脆化断裂。

刀具后角的选择：在实际加工过程中粗加工要求切削刃强固，从而避免或减小刀具的震动，后角应取较小值，取值6°-8°。在精加工时，提高刀具的耐用度和工件的加工表面质量，有增大后角，取16°左右。

刀具主偏角的选择：在切削深度和进给量一定的情况，主偏角增大时，切削深度则减小；在切削厚度增大，切削刃单位长度上的负荷也随之增大。当刀刃圆弧半径为零时，则减小主切削力和吃刀抗力，增大走刃抗力。当槽深尺寸为16至19毫米时，主偏角应取值在75°左右。

4 折线挡圈

折线挡圈就是在一法兰侧面加了类似于折线卷筒导向槽和直线槽，且有缓坡度导层坡将钢丝绳爬向第二层或更多层，防止钢丝绳乱绕的卷筒部件。由于该部件组成部件复杂，加工难度大，在原有普车上加工单个折线挡圈很困难。可操作性差，全部加工技术工人很难控制，加工工期至少七个台班。更重要的是该部件有一导层坡，全部是由工人进、退大拖板加工而成，消耗了加工人员的大量体力。针对这些问题，领导与技术部门改装了原有的三米立车。

5 加工设备的改造及加工特点

加工设备选择三米数控立车，在与西门子公司协商下，安装一套西门子公司的802D软件系统，并共同对立车进行了改装。以施工图为例以挡圈为例，爬坡分几种情况：Z轴方向爬坡，两轴一起爬坡。每一种情况都需要单独处理。先在工件特殊位置安装3-5个生产开关信号的金属块，用以标志特殊的几何轴产生进给位移的区间，如0-54°、180°-234°等，再在工作台边缘底部安装两个可以输出到PLC开关量信号的接近开关，一个用作给金属块计数，一个用作给计数器清零。在不同的角度区间，通过PLC计数当前值给出几何轴点动指令，使“自动”进给的动作产生。为了使主轴每一转周而复始的运行，还需要找到一个合适的区间，让刀具回到起始位置。如果主轴负载变化造成的转速扰动不大，可以认为主轴转速基本不变，那么只要设定好合适的轴速度，就可以使刀具在指定的角度区间（如54度内）爬坡方向位移达到图纸的要求（如29mm）。

具体操作和施工步骤：

（1）在加工件特殊角度对应的工作台位置安装小金属块，从上图可以看出，有2个爬坡区间，两个区间并不相邻（即它们都有各自的起止位置，且不重合），因此需要安装4个金属块，即图中的4#、5#、2#、和3#金属块。

（2）可以发现每次在这2个区间都是一个方向爬坡（向上），为了能让刀尖回到起点，需要在72°位置安装1#金属块，这样72°和180°之间正好是108°，也就是2×54°。

（3）为了爬坡和下坡两个方向的动作周而复始，安装0#金属块用来生产清零信号，位置在54°与72°之间。经过一段时间加工最终会产生折线区和直线区，也就是卷筒上的导向槽和直线槽，装配时要对齐。

6 结束语

通过以上设备的改装，加工折线挡圈比普通车床要快许多。并且全部加工都将是自动完成。这样不但效率提高了，而且节省了技术工人的大量体力，更重要的是加工完的折线挡圈完全达到图纸各部分尺寸要求。

折线卷筒和折线挡圈加工完毕后，将它们组装起来，并配合机架进行试车。经过多次试验及产品的使用效果，合格率为99%，完全达到业主要求和好評。