船用绞车排绳装置的设计计算方法

潘良高，柏祥华

（海军驻南京地区航天机电系统军事代表室，江苏 南京 210006）

船用绞车排绳装置的设计计算方法

潘良高，柏祥华

（海军驻南京地区航天机电系统军事代表室，江苏 南京 210006）

结合船用绞车在船上的实际应用情况，介绍了船用绞车使用的排绳装置设计计算方法及主要计算公式的推导过程，以供甲板机械设计人员参考。

螺旋副；梯形螺母；计算比压；临界载荷；稳定性；导程

0 引言

排绳装置包括滑动螺旋副、导向杆、链轮传动机构支承座四部分组成；在作螺旋副强度计算时按卷筒负载进行疲劳计算，对于支持负载只需要对螺杆和导向螺杆弯曲强度作静强度计算，与螺旋副强度计算无关。本文只讨论受力最复杂的梯形滑动螺旋副的设计计算方法、公式的推导过程及传动部分的设计计算。由于梯形螺杆的弯曲强度与船上的布置、导向杆的数量、导向杆与梯形螺杆的相对位置有关，故本文暂不介绍。

1 总体受力分析

总体受力如图1所示，图1中：Q为螺杆的侧向力，N；Q=Q1+Q2；Q1=F×sinθ，N；Q2=2×F×sin(a/2)×f，N；Q1为钢丝绳产生的侧向力；Q2为钢丝绳对导向轮正压力产生的摩擦阻力；θ为钢丝绳在卷筒侧板边与卷筒中间平面的最大夹角；α为钢丝绳与水平方向的夹角；F为钢丝绳的拉力N；f为铜套与梯形螺杆的摩擦系数，钢－青铜，润滑不良取f=0.15。

图1 总体受力图

2 螺杆端部结构的选择

由于梯形螺杆两端支承的距离远大于卷筒长度，而梯形螺杆根园直径较小，所以螺杆的稳定性计算是首先考虑的因素。稳定性计算值与螺杆的固定方式关系极大。目前的设计一般都是一端固定一端自由的形式；从螺杆的稳定性计算公式(参阅机械设计手册第 5篇第2章)可看出：长度系数μ越大，其许用的临界载荷越小，据统计，一般都是采用一端固定一端自由的结构，因此其μ值取最大值2，其他结构形式的μ值都小于2，所以本计算按μ=2，是合理和偏于安全的。

3 μLCi螺杆端部结构的选择

4 根据稳定性要求,计算螺杆的根径d1值

1）安全系数的确定：按设计手册 P15-9，FC/F≥2.5～4，由于排绳装置的梯形螺纹是双向的，螺纹为不连续，与标准梯形螺纹相比，强度削弱要大，加之螺牙高度只有标准螺纹的1/2，其加强部分比标准螺纹要小，所以其安全系数应取大一些，现取安全系数为4.5，即计算载荷取4.5Q。

5 梯形螺母的许用比压的选取

螺母磨损的快慢取决于计算比压，可用控制工作压强的方法来保证其耐磨性，为此许用比压的设定至关重要，其具体取值分析比较如下：

1）《机械设计手册》的推荐值

表1是《机械设计手册》推荐的经验和试验数据。

表1 滑动螺旋副材料的许用压强

2）南京中船南京中船绿洲的设计及使用情况

南京中船绿洲公司有着丰富的设计和使用经验，现以使用最频繁、工作条件最恶劣的工程船起重绞车为例，进行分析：

确定其滑动速度范围：

假设卷筒直径450mm；起升速度45m/min；

卷筒转速Nj=31.8r/min；

链轮传动比：i=2.5；

梯形螺杆转速NT= nj/i=12.73r/min；

假设梯形螺杆直径为200mm；

滑动速度 v=7.998m/min，螺杆材料－钢，螺母材料－青铜。

如按表1可取[P]=7～10MPa，但是根据4条93m打桩船吊锤绞车的几年来的实际使用情况就不尽相同了，现介绍如下：

设计滑动速度 v=2.3m/min，螺杆材料－钢；螺母材料－青铜，“机械设计手册”推荐许用比压为11～18 MPa，计算书的实际计算比压为3.75 MPa，根据对船上的调查，基本上每隔3～4个月要更换一个活令，比预期寿命要短得多，分析其原因之一。首先是按装活令时不能保证螺牙的顶隙，一般都是顶隙偏大，使齿面接触高度减少，从式(6)可看出，顶隙加大，会使工作比压提高。另一方面，活令经手工修挫后齿型角不能保证，特别是为了保证活令的转向方便，活令的两端修挫较大，实际上使螺母的工作圈数远小于1/3圈，加之连续工作造成润滑不良。鉴于上述情况，许用比压不能按表 1的理想状态去选用，根据多年设计的经验，使用频繁的设备如工程船用的起重绞车按[P]=3～4 MPa选取，对使用频率不高的如拖缆机之类的设备按[P]=4～6 MPa选取。

6 根据螺母的耐磨性要求及许用工作比压确定螺杆的导程S值

工作比压：

式中，h为螺牙高度；由于排绳装置不要求自锁，导程要比GB/T5796.1-86标准值大得多，为提高根径的稳定性取h=0.25S；(GB/T5796.1-86标准值是h=0.5S)。

d2为螺纹中径(mm)；

d2=d1+h= d1+0.25S+2(2为螺牙顶隙)；

Z为螺母螺牙得圈数，取Z=1/3圈。

当取P=[P]时，将用上述数据代入(6)式，得到

得出0.0625π[P]S2+(0.25πd1+0.5π) [P]S-3Q=0 的方程。

S为未知数，求解关于S的1元2次方程：

利用一元二次方程解的公式：

另一根为负数，舍去。

当[P]=4时，得到螺杆的导程设计计算公式：

根据计算值再进行圆整。

7 螺母剪切强度和弯曲强度校核

排绳装置使用的梯形螺杆传动，与一般的动力传动在结构上有较大的区别，螺母只有1/3牙，所以在螺旋副中，螺杆牙的强度有较大余量，无需计算。在一般情况下，当耐磨性和稳定性计算合格后，螺母的剪切和弯曲强度有足够余量，只需校核计算。

在进行螺母的强度校核之前，首先必须求出螺母牙底宽度b之值。b值的计算见图2。

在△ABC中： AC=0.25S/2=0.125 S；∠BAC=15°；BC=AC×tan15°=0.0335S；b=0.5S+2BC=0.56698S，考虑侧隙的减薄，取b=0.55S。

图2 b值计算图

剪切强度校核：

式(9)中，d为螺杆的外径(mm)，d=d1+0.5S-2；对于青铜取[τ]=30 MPa。

弯曲强度校核：

对于青铜取[σ]b=40MPa。

8 排绳装置传动部分的计算

式中，ds为钢丝绳直径(mm)；a为钢丝绳的制造平均偏差。

根据GB/T 8918-1996的规定，金属丝股芯钢丝绳的允许偏差为0～6%，带纤维股芯的

钢丝绳允许偏差为 0～7%，取其平均值：a=0.035ds。

2）梯形螺杆的有效长度

式中，n为卷筒每层绕的圈数，由卷筒计算提供。

3）卷筒工作部分长度

9 排绳装置的功率消耗计算

1）梯形螺纹的几何尺寸计算

d1为螺杆底径(由第四部分求得的结果，圆整而得)；

S为螺纹导程(由第六部分求得的结果，圆整而得)；

d2为螺纹中径；d2=d1+0.25S

α为梯形螺纹的牙型角；α=30°；

f为钢对青铜的摩擦系数；f=0.15；代入(15)得：

2）梯形螺杆的螺纹力矩

3）功率消耗

式中，nl为螺杆的转速；η1为螺旋副的效率。

η2为链轮的传动效率，一级传动取η2=0.96，二级传动取 η2=0.962；

η3为螺杆两支承的传动效率；滚动轴承η3=0.98；

η4为导向轮支承与螺杆及导向轴之间的传动效率，η4=0.96。

[1] 中国机械工程学院.机械设计手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[2] 纪名刚. 机械设计[M]. 北京: 高等教育出版社,1999.

[3] 刘鸿文. 材料力学[M]. 北京: 高等教育出版社,2000.

Design and Calculation of Rope Device of Marine Winch

PAN Liang-gao, BAI Xiang-hua
(Navy Representative Office of Aerospace Mechanical and Electrical System in Nanjing District, Nanjing 210006, China)

Based on practical situation of Marine winches in the ship, this article introduces the method of calculation and the process of the formulas of the main design calculation of marine winch rope device, which can be used for referencs as the designer of deck machinery.

helical pair; trapezoidal nut; calculation of pressure ratio; calculated ratio of pressure;critical load; stability; helical pitch

TB132

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.02.014

潘良高（1965-），男，高级工程师；研究方向为舰船机电设备监造及发展研究。