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1、安全技術 摩擦式卷揚機主軸斷裂 摩擦式卷揚機因鋼繩牽引端、收繩端位置固定不變，主機牽引鋼繩節(jié)圓直徑大小不變，容繩量大，牽引速度恒定，功率無波動，便于設置測重、測距、測速機構，所以在需精確計量拉曳距離、精確掌握牽引速度和實時顯示牽引力時可實現(xiàn)智能化重物設備安裝牽引、起吊等作業(yè)，故該設備得到越來越廣泛的應用。但其結構簡單、制造精度要求高，特殊是主軸受力狀態(tài)遠非一般纏繞式卷揚機可比，設計和制造中的微小差異會導致主軸受力成倍變化、主觀計算的結論與客觀實際狀態(tài)的不符，造成強度剛度不足、機械不能正常工作，甚至主軸折斷而釀成設備平安事故。 摩擦式卷揚機工作原理如圖1所示。機械安裝結束后由

2、人工將鋼繩螺旋狀穿繞在二卷筒上，開機后主機的二卷筒同向旋轉，貯繩筒在力矩電機驅動下同步旋轉，為收繩端供應初拉力。在主機卷筒摩擦力作用下，鋼繩被逐步纏緊。因有多道鋼繩同時纏繞在卷筒上，每道鋼繩均有相當拉力，所以卷筒主軸所受徑向力是這些多道鋼繩拉力之總和。而一般常見的纏繞式卷揚機主軸，只受一個額定拉力作用。明顯，盡管是同樣額定拉力的卷揚機，摩擦式卷揚機主軸承受的徑向力比纏繞式卷揚機主軸所受徑向力大很多倍。摩擦式卷揚機卷筒主軸所受的力是纏繞其上多道鋼繩受力之總和，但每道鋼繩的張力隨設計方法不同又有巨大差異。是否留意到這個差異，是設計成敗的關鍵。某工地曾經(jīng)使用一臺懸臂式80KN的摩擦式卷揚機，在實際載

3、荷遠遠小于額定載荷狀態(tài)下主軸便折斷，后經(jīng)實行加粗主軸直徑、更換主軸材質、增加主軸端部支撐等一系列措施，在起吊50KN重物時再次消失主軸斷裂事故。 1)卷筒上每道鋼繩張力按歐拉公式分布必需遵循肯定條件。取卷筒和某一道鋼繩分析，依據(jù)接觸狀態(tài)，符合歐拉公式的特征，見圖2。歐拉公式表達式為F1=F2ef，式中F1是進繩端拉力，F(xiàn)2是出繩端拉力，f是鋼繩與卷筒表面靜摩擦系數(shù)，是鋼繩在卷筒上的包角(單位弧度)，e是自然對數(shù)的底。主機上兩卷筒上多道鋼繩與卷筒纏繞摩擦，不斷增力，最終把收繩端上由貯繩筒上原始的、較小的、初拉力逐級增大，達到卷揚機恒定的額定拉力。所以鋼繩從牽引端到收繩端，其張力是逐級遞減

4、的，遞減幅度按歐拉公式規(guī)律分布。每經(jīng)卷筒半圈，減小ef倍。以80KN卷揚機為例，當卷筒纏繞7道鋼繩后，如取繩與筒摩擦系數(shù)f=0.1，包角=，則遞減系數(shù)k=e0.13.14=1.36，F(xiàn)合=80/k0+80/k+80/k2+80/k14=299.14KN。此合拉力為最小，按此合拉力設計的主軸直徑也最細。要保證鋼繩拉力按歐拉公式遞減狀態(tài)分布，卷筒繩槽底徑必需精確計算，并嚴格按設計要求加工制作。由于在上述計算中，前一道鋼繩與后道鋼繩張力逐級相差k倍，卷筒底徑必需逐級減小，使鋼繩逐級有所松馳，這個松馳的量即鋼繩的肯定變形是借助虎克定律公式計算出來的，L=FL/ES，式中F為鋼繩張力，L為鋼繩原長，這里

5、近似為卷筒中心距，E為鋼繩彈性模量，S為鋼繩橫截面積。依據(jù)公式計算出所需松馳量后，再按底徑與周長關系逐一計算修正卷筒繩槽底徑。由于設計鋼繩每道拉力不等，所以松馳量也必定每道不等，盡管其值最終計算很小，但不行忽視。由此可知，卷筒繩槽只有每道按所需松馳量精確計算，主軸受力按歐拉公式狀態(tài)累加才符合客觀實際。 2)設計相等繩槽底徑，必需轉變主軸受力計算力學模型。如上所述，將卷筒繩槽底徑設計成每道不相同，不少企業(yè)做不到。一是計算較繁，更主要的是不少企業(yè)認為卷筒繩槽底徑縮小補償鋼繩張力的量是很小的，可以忽視不計。因此往往把卷筒繩槽底徑設計加工成同一尺寸，相互之間沒有變化。這樣在卷揚機牽引重物過程中，由于

6、鋼繩沒有得到松馳量的補償，相鄰兩道鋼繩長度始終全都，鋼繩張力到處相等，在牽引全過程中鋼繩始終處于同一張力狀態(tài)，鋼繩與卷筒之間沒有摩擦力而是嚙合關系。這時卷筒主軸受力就不能再按歐拉公式分布累加，而是應將單根鋼繩牽引力乘以總圈數(shù)的兩倍。仍以80KN卷揚機為例，同樣纏繞7道，卷筒主軸所受實際徑向負荷是F合=8072=1120KN。很明顯，此時卷筒主軸實際受力是按歐拉公式計算值的四倍多。假如在設計計算中把受等張力分布的主軸根據(jù)歐拉公式受力分布的主軸來計算強度和剛度、確定主軸直徑，主軸必定處于超極限狀態(tài)工作，這就是某工地摩擦式卷揚機主軸多次折斷的真正緣由。 3)制造中收繩端卷筒鋼繩繩槽底徑必需小

7、于牽引端的，此結論是特別明顯的。從設計和工藝角度動身，將卷筒鋼繩繩槽底徑制成統(tǒng)一尺寸是可行的，但主軸直徑須相應加粗。然而由于制造精度不高、檢驗不嚴格，偏差過大，把卷筒繩槽底徑加工成牽引進繩端小、貯繩放繩端大或卷筒繩槽底徑與主軸回轉中心不同軸，當卷筒偏心相差180且在同一平面內(nèi)時，則卷筒主軸受力之大將遠遠超過計算值。例如，設想貯繩端卷筒鋼繩繩槽底徑被加工比前一道大D，鋼繩流進該段時其必需伸長L=D/2。由虎克定律可知，鋼繩要伸長L須在鋼繩上附加F的力。F=DES/2L，當鋼繩彈性模量E較大、鋼繩直徑較粗截面積S較大時，該附加力是相當大的。我們常見的多級拉絲機正是利用這一原理，把原較粗的鋼絲通過逐級加大拉絲盤直徑的方法，把鋼絲拉拔成較細鋼絲，而拉絲盤主軸則承受巨大徑向力。經(jīng)實地考察，一些工地的摩擦式卷揚機在牽引時鋼繩收繩端不斷發(fā)出炸響，其緣由就是鋼繩被附加拉伸力強力拉伸，卷揚機主軸就有彎曲交變應力超過疲憊強度極限而被折斷的可能。 第 3 頁 共 3 頁