提升机卷筒的小型化改造设计

温毅　李龙　康文凯　李哲宇　郝晓华

摘 要：为了使提升机卷筒适用与小空作业，文章通过相关实验及数据表明，选用最小弯曲直径的钢丝绳，并用尼曼公式校核在该直径下钢丝绳的寿命;接着分析计算钢丝绳在不同的缠绕层数下，卷筒挡绳板直径以及卷筒缠绳部分宽度，并根据已有的实验数据选择一组合适的值作为卷筒的基本设计尺寸;最后对卷筒进行理论校核和有限元分析。

关键词：卷筒 小型化 寿命 校核 有限元

1 引言

常见的提升机往往已有相应的设计标准，例如煤矿用提升机的设计需按照煤矿用提升机标准进行设计[1]，而此类提升机通常体积较大。其在设计制造中要考虑钢丝绳使用寿命[2-3]等经济效益。而在一些特殊领域，譬如救援，提升机在满足安全前提下，要考虑的是小型化以及其小型化后强度是否符合要求。提升机的小型化最主要的就是卷筒的小型化;小型化后的强度是否符合要求，可通过有限元分析[4]来判断。

2 提升机参数

本文主要研究提升机卷筒的小型化改造这一部分，使其在实现小型化的同时，能够满足将实际重460kg的目标重物以不大于0.5m/s的速度从小于800m的井深中提升到地面的设计要求。

3 钢丝绳的设计

原系统使用的钢丝绳是按照《重要用途钢丝绳》（GB918-2006）的要求，委托特制出专用钢丝绳。钢丝绳直径11.8mm，拉断力85KN，最小弯曲直径504mm。

4 卷筒的改造

4.1 卷筒绳径比的选择

在某些特殊领域，譬如紧急救援，没有单独的标准对其卷筒直径D与钢丝绳直径d的比值，即绳径比D/d做出单独规定。所以可以在参考其它行业标准的基础上选择合适的绳径比D/d：煤矿领域中，中国规定D/d>80，加拿大规定D/d>60（d≤25）;电梯领域中，中国规定D/d>40

绳径比D/d越大钢丝绳内弯曲应力就越小，钢丝绳的使用寿命就越长。钢丝绳内弯曲应力σ计算公式如式（1）。

式中：D——卷筒直径;d——钢丝绳直径;d1——钢丝绳中最粗钢丝直径;E1——钢丝绳所用材料的弹性模量;β——应力不平衡系数;σ——钢丝绳内弯曲应力。

在空间受限的情况下，要求：（1）在保证安全的前提下，提升机体积要尽可能小，即钢丝绳直径一定时，绳径比尽可能小;（2）钢丝绳完成一次任务就可更换，或者中途也可以停机更换。因此可以初选绳径比D/d为45，然后校核其寿命。

4.2 钢丝绳寿命的校核

钢丝绳从开始到报废的损坏过程，如图1。这里我们认为钢丝绳在一个螺距内断丝10%时就需要报废。

钢丝绳的弯曲疲劳寿命与D/d之间存在一定联系。尼曼（Niemann）公式给出了钢丝绳在一个螺距内断丝10%时所需的弯折次数的计算公式。公式如式（2）。

式中：D/d——绳径比，取为45;n——弯折次数;Sf——安全系数，取为9;σB——破断拉应力，取为0.78Mp。

计算得弯折次数为次。

使用寿命是完全可以达到设计要求的，故可取绳径比为45。

4.3 卷筒尺寸的改造

4.3.1 卷筒直径的改造

衬板上的绳槽的螺距为14mm，绳间距为2mm，绳槽深度为4mm。如图2。由钢丝绳直径为11.8mm，绳径比D/d为45，可以计算得安装有衬板后的首层钢丝绳绳圈直径为531mm。已知所选钢丝绳最小弯曲直径为504mm，故初选安装塑衬后的首层钢丝绳繩圈直径为531mm，卷筒直径为528mm是可取的。

卷筒的直径越小，所需衬板厚度越小。在原系统中，其卷筒所采用的衬板即为塑衬，且厚度为41mm，该处延用厚度为41mm的塑衬。相应的未安装塑衬时卷筒外径变为446mm。

4.3.2 卷筒宽度和挡绳板直径的设计

设钢丝绳缠绕层数为i，卷筒缠绳部分宽度为B，挡绳板直径为D2。钢丝绳每在卷筒缠绕一层，该层钢丝绳距卷筒中心的距离会比上一层钢丝绳距离中心的距离增加h，计算公式如式（3）。

式中：h——邻层两相邻钢丝绳中心的距离，mm;L1——邻层两相邻钢丝绳中心的距离，取为11.8mm;L2——同层两相邻钢丝绳中心距离的一半，取为6.9mm;计算得h为9.6mm。

钢丝绳在卷筒上的缠绕层数i与卷筒缠绳部分的宽度B有如下关系：

时，

根据2016版《煤炭安全规程》规定，绞车卷筒上缠绕两层或两层以上的钢丝绳时，滚筒边缘高出最外层钢丝绳的高度至少为钢丝绳直径的2.5倍。此处取为4倍。档绳板的直径D2与钢丝绳在卷筒上的缠绕层数i有如下关系：

时，

缠绕层数越多，卷筒缠绳部分宽度B以及挡绳板直径D2越小，卷筒受到的压力与缠绕在卷筒上的内层钢丝绳圈受到的压力也就越大，但出现钢丝绳在卷筒上排列时越容易出现跳绳、乱绳的情况。故初选缠绳8层，缠绳部分宽度为723mm，挡绳板直径为785mm作为卷筒的基本尺寸。

5 卷筒的有限元分析与验证

5.1 建模及网格划分

利用NX10.0软件建立卷筒的三维模型，然后导入ANSYS Workbench分析软件，进行分析处理。为了提高有限元分析效率，在建模过程中对卷筒结构进行了优化处理，如忽略部分倒角、螺纹孔等。由于卷筒结构形状不规则，故采用自由网格划分，如图3所示。

5.2 约束与载荷

根据已有的滚筒受力分析经验，可对卷筒施加以下三个载荷：（1）由缠绕在卷筒上钢丝绳产生的压力q，可按式（6）计算;（2）当钢丝绳缠满某层向下一层过渡时，在这个过渡绳圈内，钢丝绳对挡绳板有楔入作用，对两当绳板有轴向推力F推，可按式（7）计算;（3）钢丝绳自由端对卷筒的扭矩M，可按式（8）计算。在现场试验中，救援舱提升速度要求小于0.5m/s，且启动和制动时的冲击载荷极小可以忽略，因此卷筒的工况主要为匀速转动状态。故对卷筒分析时，可对卷筒的连接法兰添加固定约束，然后对卷筒施加载荷进行分析。

式中k——钢丝绳缠绕系数，约为4.9;R——卷筒的半径，265.5mm;q——钢丝绳作用到卷筒的压力，计算得7.86Mpa。

式中F推——对挡绳板的轴向推力，计算得101KN;

式中M——钢丝绳自由端对卷筒的扭矩，计算得1.6KN/m。

5.3 有限元分析结果

图4为缠绳8层时，卷筒的应力云图，缠绳8层时，卷筒的变形云图。卷筒材料16Mn的屈服强为345Mpa。当卷筒上最大缠绕8层钢丝绳时，作用于卷筒的最大平均等效应力为151Mpa。在强度上卷筒满足正常的使用要求。卷筒的最大变形量为0.65mm，刚度上满足卷筒的使用要求。

6 结论

对提升机卷筒的小型化设计，减小了设备的体积、减轻了重量，理论分析证明其安全性、可靠性均满足要求。对卷筒进行小型化改造后，钢丝绳的选取发生了变化。卷筒直径与钢丝绳直径的比值即绳径比改为45，理论计算和现场实验证明其可以满足使用要求。考虑到使用特殊性，可以对钢丝绳采用如下安全检测措施：钢丝绳在每次使用后，就可以进行一次全面检测，评估其性能，如果不合格就更换新绳备用;在使用时也可以进行现场监测，如果出现异常信号就可以停机检测钢丝绳，然后根据检测结果决定是否更换备用钢丝绳。这样就可以做到安全使用。

参考文献：

[1]王运敏.中国采矿设备手册（下册）[M]. 北京：科学出版社，2007：989-991.

[2]胡吉全，胡正权.钢丝绳受力特性对疲劳寿命的影响[J]. 港口装卸，2005.（01）：10-12.

[3]贾小凡，张坤德. 承载钢丝绳在不同预张力下的弯曲疲劳损伤研究[J].机械工程学报，2011.（24）：31-37.

[4]葛成远. 缠绕式矿井提升机卷筒筒壳强度分析[J]. 矿山机械，1975.（01）：15-26.