起重机卷筒壁厚的快速选择

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2 卷筒壁厚初选卷筒是起重机的重要承载零件之-，用于收放和储存钢丝绳。卷筒的设计影响着起升机构及整个小车的布置，关系着减速机、卷筒联轴器等标准件的选择，对减小整机造价、降低生产成本有着十分重要的意义。

起升机构中的电动机、联轴器、制动器、减速机等都是标准件，卷筒是起升机构中少数的非标零件，由设计者根据经验设计，卷筒的设计体现了整个小车的设计水平。

标准件的设计和选择在规范、标准和手册中都有详细的规定，所以设计起升机构的重点和难点往往是卷筒直径、长度和壁厚的设计。

卷筒的直径和重量对减速机的影响较大，而减速机又是整个起升机构中最昂贵的部件。卷筒的直径直接决定着减速机的输出扭矩，卷筒的重量影响着减速机所受的径向力，减小壁厚有利于减轻卷筒重量，减小直径有利于减絮速机的输出扭矩，故卷筒的直径和壁厚应合理的设计和选择。

卷筒壁厚的传统简化计算较为保守，然而精确计算又过于复杂，本文提出-种工程中实用的计算方法，给出卷筒壁厚的快速选择过程。

根据材料和制造工艺不同，起重机卷筒可分为两类--钢卷筒和铸造卷筒。钢卷筒有卷板焊接卷筒和厚壁管加工卷筒；铸造卷筒有铸铁卷筒和铸钢卷筒。不同的材料其壁厚的选择也不相同。

钢卷筒： d铸铁卷筒： 0.02D(6～10)式中 --卷筒壁厚，1Tim；钢丝绳直径，fliTl；卷筒绳槽底径，1Tlfl。

3 卷筒强度计算卷筒的受力较为复杂，在 自重和钢丝绳拉力的作用下，产生挤压、弯曲、剪切和扭转剪切等应力。其中压应力最大，出现在卷筒筒壁的内表面，剪应力和扭转剪应力较小，忽略不计。

卷筒的直径和长度由容绳量和出绳角度决定，卷筒的壁厚和加劲环位置由卷筒的强度和稳定性决定。

3.1 短粗卷简计算当卷筒计算长度 ≤3D时 ，弯 曲正应力和扭转切应力的合成应力不超过挤压应力的建筑机械化2012(12) 4910%～15%，可以忽略，因此只计算压应力。

卷筒壁厚与卷简直径相比是很小的，因此筒壁应力问题可看成是圆柱鼻结构在外压力作用下的强度问题，可以简化成从卷筒中取出宽度为- 个钢丝绳节距的圆环，受钢丝绳拉力的作用。

根据表2和表3易知，标准槽形绳槽部分面积大约是节距的2～4倍，所以相对传统计算，壁厚可以减小2～4ram；加深槽形绳槽部分面积大约是节距的3～6倍，所以相对传统计算，壁厚可以减小3～6ram。

表2 标准槽形不同直径钢丝绳对应的绳槽部分面积绳径 d/mm 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32距 P/mm 19 21 24 26 29 32 34 37 39 42面积 /ram2 54.4 59.8 81.4 93.5 12O.2 149.4 166.6 200.7 2l9.7 258.4表3 加深槽形不同直径钢丝绳对应的绳槽部分面积绳径d/mm 14 16 l8 20 22 24 26 28 30 32距 P/mln 16 19 20 22 25 27 29 3l 34 36面积 /ram2 29.1 33.7 41.9 50.5 66.9 79.7 92.3 104.8 13O.4 145.1图1 绳槽截面图根据上述假定，壁内的压应力计算公式如下≤ (1)式中 .--压应力，MPa；- - 应力减小系数，在绳圈拉力作用下，筒壁产生径向弹性变形，使绳圈紧度降低，钢丝绳拉力减小，-般取 、0.75；，- - 多层卷绕系数，多层卷绕时，卷筒外层绳圈的箍紧力压缩下层钢丝绳，使各层绳圈的紧度降低，钢丝绳拉力减小，筒壁压应力不与卷绕层数成正比， 按表l选取；表1 多层卷绕系数卷绕层数 1 2 3 ≥42 1.0 1.4 1.8 2.050- - 钢丝绳最大拉力，N；S --绳槽槽底以下面积，mm ；S tiP (P为绳槽节距，112)；2- - 绳槽部分面积，ITlm ，标准槽和深槽时不同直径钢丝绳对应的绳槽部分面积见表2和表3；- - 许用压应力，MPa，对钢： /1.5( 为屈服强度)，对铸铁： /4.25 抗压强度)。

2012(12) cONsTRUcTlON MEcHANIzATlON3.2 长细卷筒计算当L>3D时，除了计算挤压应力，还应计算弯曲正应力，拉应力计算公式如下2 / ≤ 。

式中 --弯曲正应力，MPa；Mm -- 由钢丝绳最大静拉力和卷筒自重引起的最大弯矩，NITIm，单联和双联卷筒弯矩计算不同，Mm L/4qL /8(单联卷筒)，Mm Sm.xL/2qL。/8(双联卷筒)，q为卷简单位长度重量，N/ram；- 抗弯截面系数，mm ，Wrc[D -(D-2a) ]/(32D)，绳槽部分不参与抗弯；- 许用拉应力，MPa，对钢：CrxpCr，/2，对铸铁：D /5(er 为抗拉强度)。

- 般情况下应力 较屑虑挤压应力和弯曲正应力后，卷筒的合成应力O-O-： ≤O- 2 - 1 o vp式中 合成应力。

对钢卷筒 20.75crl≤ (2)铸造卷筒的材料多为球墨铸铁，球墨铸铁件的抗拉强度和抗压强度之比在0.6-0.72间。对球墨铸铁卷筒 2(0.5～0.6) 1≤O'xp (3) 实际上卷筒受到挤压、弯曲和剪切的作用，挤压应力和弯曲应力的方向不同，精确计算中应采用第四强度理论进行校核。

4 卷筒稳定性计算对尺寸较大、壁厚较薄的卷简要进行抗压稳定性验算，当D>l 200mm，L≥2D时，须对筒壁进行稳定性验算。

4.1 失去稳定时的临界应力Pk2E5。/D式中 材料的弹性模量，MPa。钢卷筒的材料多为碳素结构钢和低合金高强度结构钢 ，其弹性模量E2.6 X 10 ；球墨铸铁件的弹性模量E(1.69～1.76)×10 。

4.2 筒壁单位压力每个卷筒绳槽节距上都有钢丝绳的作用，在钢丝绳作用下卷筒受到挤压并发生变形，卷筒的截面图如图2所示。

lf fIax ax图2 卷简截面图整个卷筒受依次排列的许多绳圈挤压 ，所以在卷筒表面的每-点上作用着沿径向的压缩载荷。卷筒表面单位面积上的应力为2 P4.3 稳定性校核稳定性系数 p /p≥1-3～1.5故 K： ，所以vKD 2PSmax- (4)由公式 (4)易知，卷简直径对卷筒稳定性影响较大，直径越大越容易失稳，需要的壁厚就越大。

临界应力通过传统方法计算，未考虑绳槽、筋板等对卷筒稳定性的影响，其值偏小，较为保守。

5 卷简壁厚的确定采用公式 (1)和 (4)分别计算出壁厚的最小值，取其大者并圆整。对于长细卷筒，将所取壁厚代入公式 (2)或 (3)中校核，满足要求的即是卷筒的最小壁厚值。

通过卷筒强度和稳定性的计算可以快速选择卷筒的壁厚。通常情况下长细卷筒多为双联钢卷筒，需要校核弯曲正应力和稳定性；多层卷绕卷筒为短粗铸造卷筒，挤压应力起决定作用，不必校核弯曲正应力和稳定性。

6 结 语1)快速设计和选择卷筒壁厚有利于缩短设计周期，提高设计效率。

2)对于大直径钢卷筒的壁厚，按照传统方法，通过稳定性计算得出的壁厚会很大〃议采用有限元法计算失稳的临界应力，壁厚会相应减小，卷筒更加轻量化、更加经济合理。

在满足规范要求、容绳量和制造工艺的前提条件下，应适当减许简直径和壁厚，旧能减轻卷筒自重，以减絮速机的输出扭矩和所受的径向力 ，降低成本。 网 [