Lebus卷筒缠绕过程的应力特性实验研究

汪戴乾 马剑军 张晓辉 孙远韬 张 氢

1 同济大学机械与能源工程学院2 上海振华重工集团(南通)传动机械有限公司

1 引言

随着海洋工程、港口运输、矿山机械和大型水电站建设等工程的发展，超大扬程的卷筒得到进一步发展。面对超大的容绳量，单层缠绕卷筒已不能满足工程的需要，多层缠绕卷筒成为单层缠绕卷筒的替代品。多层缠绕卷筒各层钢丝绳之间互相作用，随着缠绕层数的增加，钢丝绳对卷筒的作用力不再是简单的线性增加，相比单层缠绕卷筒，多层缠绕卷筒的受力情况复杂得多。只有对卷筒的受力情况进行合理的分析，得到卷筒的应力分布，才能正确地指导卷筒的结构设计。

目前，已有学者对多层缠绕卷筒的受力情况进行细致的理论分析。葛世荣用结构静不定原理建立了多层缠绕卷筒内壁的应力计算模型，并编制了计算程序[1]。胡勇以钢丝绳在双折线式卷筒上作多层缠绕时钢丝绳实际排列情况为基础，建立了钢丝绳多层缠绕系数方程，并使用MATLAB开发计算多层缠绕系数及各层钢丝绳张力的软件，对双折线式多层缠绕卷筒的多层缠绕系数及各层钢丝绳张力的影响进行理论分析，认为随着缠绕层数增加，多层缠绕系数趋于稳定[2]。王建明采用欧拉公式建立双折线卷筒在钢丝绳拉力变化及钢丝绳卷绕圈数变化的情况下卷筒的动态受力分析模型，认为随着缠绕层数的增加，筒壁压力不会无限制增大[3]。颜竞峰研究了缠绕系统中卷筒和钢丝绳的相关参数，推导了卷筒的应力计算公式及钢丝绳在缠绕过程中弯曲应力、挤压应力及外载特性，建立了卷筒缠绕过程力学模型，并进行动力学仿真[4]。洪浩利用Ansys Workbench软件作为工具，对起重机多层卷绕卷筒进行有限元分析，获得了卷筒内壁和侧板的应力变化规律[5]。

以上研究表明，多层卷筒随着缠绕层数的增加，外层钢丝绳的缠绕会导致内层钢丝绳张力衰减，钢丝绳作用于卷筒筒壁的应力并非线性无限制地增加，而是趋于稳定的常值。为了验证这一规律，通过设计实验，分析在特定的工况下Lebus卷筒在多层缠绕时，随着钢丝绳层数的增加，卷筒内壁和两侧挡板的应力变化规律，将实验所得结果与基于理论分析的仿真结果进行比对，验证理论模型的正确性，为指导多层缠绕卷筒的结构设计提供科学依据。

2 实验研究

试验台主要由驱动装置、Lebus卷筒、应力测试仪器等组成。其中Lebus卷筒每层钢丝绳8圈，容9层钢丝绳，卷筒内径530 mm，钢丝绳直径∅28 mm(见图1)。电机额定转速1 460 r/min，额定扭矩5 098 Nm，采用变频调速无极变速，减速器速比12.227。通过2个Lebus卷筒对拉模拟实际工况的带载运转，且通过电机正反转实现一侧卷筒的缠绕或者松绳功能，对应着另外一侧卷筒即为松绳或者缠绕。

图1 Lebus卷筒工作图

根据卷筒的结构和测试要求，测点布置在以下位置。

(1)卷筒内壁：在卷筒中间截面位置，上下对称布置2个测点，如图2所示测点1和2；卷筒内壁靠近挡板处布置一个测点，如图2所示测点3。

(2)卷筒挡板：从卷筒绕绳的绳槽根部开始沿着直径方向布置2个测点，如图2所示测点4和5。

图2 应变片布置图

3 测试过程与结果分析

3.1 筒体应力与钢丝绳层数关系测试

电机以额定转速的4%，额定扭矩的15%运行，驱动减速箱和卷筒旋转，通过钢丝绳张紧作用，使得测试卷筒旋转开始缠绕钢丝绳。

卷筒筒体沿着轴线方向的应力变化曲线见图3。从图中可以看出，筒体应力最大值出现在卷筒中间截面(即1、2测点)，同时筒体缠绕前4层钢丝绳时，中间截面的应力变化非常明显，在第4层的应力分别为13 MPa、14.3 MPa。而在4层以后，中间截面的应力会随着层数的增加而缓慢增大，在第8层的应力达到21 MPa和20.1 MPa。筒体靠近挡板处的位置(即3测点)，在缠绕第2层钢丝绳时，应力有一个明显增大并回落的过程，应力最大为8.9 MPa，在4层钢丝绳以后，该处的应力不随层数的增加而变化，稳定在6.8 MPa左右。从上述分析可以看出，前4层钢丝绳对卷筒筒体轴线方向的应力影响比较大，之后随着层数增加，1、2测点应力增加非常缓慢，3测点应力保持不变。

图3 卷筒收绳时筒体轴线方向应力时程曲线

卷筒筒体沿着圆周方向的应力变化曲线见图4，跟轴线方向类似，筒体应力最大值同样出现在卷筒中间截面上(即1、2测点)，且筒体在缠绕前4层钢丝绳时，3个测点的应力都会同时增加，在4层以后之后应力都保持不变，分别稳定在14.8 MPa、14.6 MPa、7.6 MPa。这说明在缠绕4层钢丝绳以后，层数的增加对圆周方向的应力影响较小。

图4 卷筒收绳时筒体圆周方向应力时程曲线

3.2 挡板应力与钢丝绳层数的关系测试

从图5卷筒挡板应力曲线图可以看出，钢丝绳层数对卷筒挡板应力(即4、5测点)影响较小，只是随着层数增加应力会缓慢增大，而当钢丝绳缠绕到第5层和第7层时，2个测点的应力都会明显增大，最终稳定在3.7 MPa、4.2 MPa左右。同时也发现5测点的应力要大于4测点的，说明随着层数的增加，挡板所受的应力会缓慢增大，然而挡板应力要远小于筒壁的应力。

图5 卷筒收绳时挡板径向应力时程曲线

4 卷筒设计改进

根据实验所得卷筒应力分析结果的规律，可以针对多层缠绕卷筒的设计获得如下改进思路。

(1)对于卷筒筒体内壁测点，在绕上前4层钢丝绳时，卷筒内壁应力变化较大，之后随着层数的增大，轴线方向的应力缓慢增大，而圆周方向的应力基本保持不变，这与起重机设计规范的结论相一致。可以得出，卷筒在多层缠绕后，卷筒筒壁的等效厚度增加，应力基本保持不变，因此卷筒增加壁厚并没有减小内壁的应力，在设计卷筒时不需要增加筒壁的厚度。

(2)对于卷筒挡板测点，在绕上前4层钢丝绳时，挡板所受应力很小；挡板的应力在钢丝绳缠绕到第5层和第7层时有一个明显增大，但是应力水平仍较小。结果表明，卷筒挡板应力总水平不大且随着钢丝绳缠绕层数的增加而近似线性增加，不需要对挡板进行额外加强。因此，可以考虑在卷筒加工中将挡板和卷筒筒壁分开加工，最后加以焊接，以提高制造效率，但需要注意最后进行加工保证高速下的卷筒动平衡。

5 结语

通过试验研究，获得了Lebus多层缠绕卷筒在进行缠绕过程中，筒体和挡板的应力变化与缠绕层数之间的联系。随着多层缠绕卷筒的应用日益广泛，研究的成果对卷筒的设计优化具有一定的指导意义，能够进一步推动多层缠绕卷筒的应用。