HC12t-120m电动葫芦采用高强度钢丝绳卷筒结构优化设计*

邓玉梅 熊安胜

(咸宁职业技术学院，湖北 咸宁 437100)

HC12t-120m电动葫芦采用高强度钢丝绳卷筒结构优化设计*

邓玉梅 熊安胜

(咸宁职业技术学院，湖北 咸宁 437100)

文章以湖北三六重工有限公司生产的HC12t-120m的电动葫芦为例，讨论在同等使用条件下，改用高强度钢丝绳后，使卷筒长度减小，钢板壁厚变薄，相应的体积减小，重量减轻，使电动葫芦的整体结构变小，节约了空间，也节约了材料，使卷筒的成本降低，为企业创造更大的经济价值。

大吨位；超高扬程；卷筒；优化设计

随着我国经济格局的调整和转变，大型设施的建设，大型矿井、矿山的开发，海洋工程的快速发展和港口装卸服务质量的提高使大吨位超高扬程的电动葫芦使用越来越广泛。通常将起吊吨位大于6.3吨以上，起吊高度大于80米以上的电动葫芦称为大吨位超高扬程电动葫芦，这种电动葫芦一般主要用在大场地上堆取物料的堆取料机上，电动葫芦是控制堆取料机上升下降的其中一个装置，也称卷扬机[1]。电动葫芦的基本结构主要包括驱动装置、传动装置、制动装置和取物缠绕装置[2]。卷筒是取物缠绕装置中的一个重要组成部分，其长短是电动葫芦体积的主要影响因素，直接影响电动葫芦的生产制造成本。

目前，国内市场上使用的大吨位超高扬程电动葫芦因起升高度的加大和起升重量的增加一般需要采用大卷筒和多层缠绕[3]，大卷筒一般采用直线卷筒或折线卷筒，起升速度一般采用变频调速系统，所以起升，运行平稳，冲击载荷影响小。大吨位高扬程导致电动葫芦整体结构大，所占空间大，所需要的材料多，制造成本高。在本设计中我们讨论的是直线卷筒不断改进其结构，通过提高钢丝绳强度，减小卷筒的长度和厚度，提高电动葫芦的安全性能，降低生产成本，提高经济效益。桉相同工作级别，其他部件结构设计都相同的情况下，讨论卷筒的优化设计。卷筒上缠绕钢丝绳，钢丝绳直径会影响卷筒的设计。因此，先选择钢丝绳，再根据钢丝绳直径来确定卷筒的结构尺寸[4]。下面就以湖北三六重工有限公司生产的HC12t-120m的电动葫芦为例讨论改用高强度钢丝绳，对电动葫芦卷筒大小的影响。

1 HC12t-120m电动葫芦的工作特点

使用条件：露天使用，极端积满灰尘和腐蚀性；连续工作制，年工作330天，每天24小时。

电动葫芦应满足以下技术要求：机械要求：型号：HC120G.00，120KN起升机构，容缆长度120m，钢丝绳长度不小于170m，单出绳，三组滑轮，单绳拉力：12t，起重速度：慢速2 m/min，快速20m/min，钢丝绳出绳方向：出绳角度约41.5°，上侧出绳，滚筒绳槽旋向与出绳位置保证不咬绳。

工作制：M4，总重：7600kg，每台电动葫芦提供机械刹车装置。提供超载装置，制动距离不超过10mm(对臂架)，除有过载报警功能外，还应有轻载停车功能，轻载为1.5-0.5 t时卷扬必须停止工作。

2 卷筒的设计

2.1 卷筒的各项参数

卷筒的各项参数如图1所示，其中，p是指槽绳槽节距，d指钢丝绳直径，r指绳槽半径，h指槽绳槽深度，δ 指卷筒壁厚，D0指卷筒底径，L1指卷筒长度。

2.2 常规设计卷筒与优化设计卷筒的各项参数计算(见表1)

优化后的卷筒通过在湖北三六重工有限公司进行试验，卷筒的强度能满足工作需要。电动葫芦采用的是变频调速系统，起升运行平稳，所以冲击载荷的影响很小。电动葫芦使用一段时间后，钢丝绳会出现不同程度的磨损，从试验中，相同工作情况下，高强度钢丝绳因与卷筒绳槽接触面积，相反对卷筒磨损小，而钢丝绳本身磨损和φ28的并没有多大区别，我们可以得到φ24高强度钢丝绳在抗磨损、抗疲劳、抗冲击等性能上并不比φ28普通钢丝绳的差。优化后的卷筒在该公司得到了很好的应用和推广。

图1 卷筒图

表1 卷筒各项参数的具体计算

(续上表)

计算公式常规设计(采用Q235B钢板卷焊制)优化设计(采用Q345钢板卷焊制)备注卷筒尺寸设计计算卷筒壁内的压应力σpσp=Stδ=108888.88930×28=129.629N/cm2σp=Stδ=108888.88926×24=174.5N/cm2S为钢丝绳最大工作静拉力;t为卷筒壁上的钢丝绳螺距,与标准槽绳节距相同。卷筒壁厚δδ=d=28mmδ=d=24mm校核卷筒壁挤压强度σp=Stδ=108888.88930×28=129.629N/cm2σs钢的屈服点(N/cm2),查钢的σs=235N/cm2;[σ]=σs1.5=235/1.5=157N/cm2σp=<[σ],满足强度要求。σp=Stδ=108888.88926×24=174.5N/cm2采用Q345钢板,σs钢的屈服点(N/cm2),查边的σs=345N/cm2;[σ]=σs1.5=230N/cm2σp<[σ],满足强度要求。卷筒壁的许用挤压应力:对钢,[σ]=σs1.5;卷筒长度L1滑轮组的倍率m=2,起升高度H为60m,卷筒的底径D0=730mm,钢丝绳直径d=28mm,槽绳槽节距p=30mm,设有3个安全圈,卷筒两端安装长度l1=104mmL1=[Hmπ(D0+d)+3]*p+2*l1=[60000*23.14*(730+28)+3]*30+2*104≈1810mm滑轮组的倍率m=2,起升高度H为60m,卷筒的底径D0=730mm,钢丝绳直径d=24mm,槽绳槽节距p=26mm,设有3个安全圈,卷筒两端安装长度l1=92mm,则卷筒的长度L1=[Hmπ(D0+d)+3]*p+2*l1=[60000*23.14*(730+24)+3]*26+2*92≈1580mm

3 结论

3.1 尺寸分析(见表2)

表2 优化前后卷筒具体尺寸一览表

3.2 成本分析

根据市场调查，优化前φ28的普通钢丝和优化后φ24的高强度的钢丝价格一样，都是28元/米，本设计优化前和优化后所需钢丝绳的长度都是170米，所以购买的成本是一样的，因维修、维护与工时、润滑油等有关，在维护上成本也一样，在相同工作级别情况下，φ24高强度钢丝绳与φ28普通钢丝绳其工作寿命相当。本设计主要考虑卷筒优化后可以节约的成本。

优化前：卷筒的体积为：V=Sh=π(R2-r2)h

=3.14*[0.3652-(0.365-0.028)2]*1.81

=0.111713m3

卷筒的重量为：M=ρV=7.85g/cm3*0.111713

*106cm3=876947.05g=876.94705kg=0.87694705t 查表得Q235B钢板的密度为7.85g/cm3，目前市场上Q235B钢板的价格约3900元/吨，优化前的成本大约为3900*0.87694705≈3420元

优化后：卷筒的体积为：V=Sh=π(R2-r2)

h=3.14*[0.3652-(0.365-0.024)2]*1.58=

0.084063m3

卷筒的重量为：M=ρV=7.85g/cm3*0.084063*

106cm3=659894.55g=659.89455kg=0.65989455t 查表得Q345钢板的密度为7.85g/cm3，目前市场上Q345钢板的价格约4000元/吨，优化前的成本大约为4000*0.65989455≈2640元。优化后卷筒节约成本：3420-2640=780元。

通过在湖北三六重工有限公司的生产和试验，优化前的卷筒长度长，体积大，重量大，导致电动葫芦整体结构大，所占空间大，所需要的材料多，制造成本高。优化后的卷筒长度减小，钢板壁厚变薄，相应的体积减小，重量减轻，使电动葫芦的整体结构变小，节约了空间，也节约了材料，使相应的成本降低。在使用时，由于优化前和优化后卷筒上单层缠绕的钢丝绳圈数和层数相当，所以在排绳、压绳出现的故障率均相当。本设计主要是通过提高钢丝绳的强度，减小钢丝绳的直径，从而改变卷筒的长度和厚度，在保证卷筒刚性的前提下大大节约了卷筒的成本，达到优化的目的。

[1]王小明, 倪受东, 程鹏. 一种卷扬机的结构设计及优化[J]. 制造业自动化, 2014(8)：113-115.

[2]范晶晶, 庞茂盛, 杨涛, 等. 基于UG卷扬机卷筒结构的设计与优化[J]. 机械制造与自动化, 2012(8)：150-152.

[3]赵丁元. 国内钢丝绳电动葫芦的技术现状及发展方向[J]. 起重机运输机械, 2004(7)：7-8.

[4]高明利. 电动葫芦新型卷筒装置结构设计[J]. 河南科技,2012(4)：44-45.

2017-02-04

邓玉梅(1984-)，女，湖北宜昌人，咸宁职业技术学院讲师，主要从事机械设计与数控加工研究。熊安胜(1976-)，男，湖北鄂州人，咸宁职业技术学院讲师，主要从事汽车机械、电子研究。

10.3969/j.issn.1672-9846.2017.01.0020

TH211.3

A

1672-9846(2017)01-0083-04