一种双折线式卷筒的导向抬升垫块的设计方法与流程

本发明具体涉及一种双折线式卷筒的导向抬升垫块的设计方法，常应用于大吨位、大起升高度的起重机上。

背景技术：

随着世界经济的飞速发展，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，推动了大吨位、大起升高度的起重机的需求。钢丝绳卷筒是起重机钢丝绳卷绕系统中关键的零部件，在设计大吨位、高扬程起重机起升机构时，传统的光面卷筒和螺旋槽卷筒已不满足需要了。这是因为起升高度的加大和起升重量的增加，使钢丝绳的缠绕量大大增加。传统的光面卷筒和螺旋型卷筒不适用于进行钢丝绳多层缠绕，其仅仅能很好地完成单层或者双层钢丝绳缠绕。当缠绕层数增多时就会出现乱绳、挤压的现象，因此越来越多企业引进了双折线式卷筒，该卷筒的优点是能进行多层缠绕，且能保证钢丝绳按照指定的缠绕轨迹进行有序的缠绕，减少由于钢丝绳缠绕乱序导致的骑绳、乱绳现象，这大大提高了设备的稳定性。

如图1所示，双折线式卷筒相比螺旋式卷筒在结构上有大致相同点，双折线式卷筒在绳槽的一个圆周上由75％-80％的直线段和百分之20％-25％的折线段组成。因此钢丝绳大部分都落在直线绳槽上，保证的钢丝绳排绳与缠绕的稳定性，这就能保持钢丝绳与卷筒有良好的接触状态，有利于缠绕的平稳性。同时钢丝绳接触大部分都是线接触(直线段)，只有在折线段会形成点接触，这极大的改善了钢丝绳的摩擦及接触应力，这就给提高钢丝绳的使用寿命提供了保障。钢丝绳的初始段一般采用绳卡固定法固定在卷筒上，进行4-5圈的缠绕固定，增加绳子的预紧力，以防绳子脱离。

在第一层缠绕中卷筒按照绳槽的固定位置嵌入缠绕，每一圈都经历直线段和折线段，而每段折线段的轴向偏移距离为半个绳槽节距大小，因此每绕过2个折线段就被绳槽轴向推进一个节距，就完成该圈的螺旋升角。直至缠绕到该层末端时会与该处的导向抬升垫块强制接触引导绳子被迫抬升。

导向抬升垫块一般设定在该层末端的折线段区域，通过改变导向垫块的形状来引导钢丝绳在第二层改变旋向，即在折线段区域上层钢丝绳与下层钢丝绳交叉接触，在直线段会自动缠绕在下一层的形成的绳槽下，以此类推完成卷筒的多层缠绕，可见在缠绕中，导向抬升垫块的设定对缠绕的稳定性和钢丝绳的使用寿命有着至关重要的作用。

在卷筒上多层缠绕的钢丝绳，层与层之间的缠绕旋向在是相反的，在进行换层交替时，需要在两侧法兰挡边上设定固定的导向抬升垫块，用于完成钢丝绳的爬升以及半个节距距离的轴向位移。在实际的缠绕工作中，钢丝绳发生乱绳现象都是由于导向抬升垫块的设计不合理，并且此处的入卷筒的偏角值最大，伴随着卷筒的不断缠绕，缠绕进去卷筒的钢丝绳和两侧的法兰挡板之间的间隙不断减小，严重的影响了后续层钢丝绳的有序排列，且导向抬升垫块处的钢丝绳磨损严重，经发现在两侧的法兰挡板的导向抬升垫块处磨损更为严重，因此改善导向抬升垫块的需求迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双折线式卷筒的导向抬升垫块的设计方法，解决现有导向抬升垫块设计不合理，导致钢丝绳不能有序排列，且导向抬升垫块以及与导向抬升垫块接触处钢丝绳磨损严重的技术问题。

为了解决上述问题，本发明采取如下技术方案：

一种双折线式卷筒的导向抬升垫块的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、建立导向抬升垫块模型，所述导向抬升垫块模型包括导向垫块和抬升垫块，导向垫块固定设置在抬升垫块的顶部，抬升垫块的底面与为圆弧面与卷筒表面或者下一层的钢丝绳相切合，导向垫块和抬升垫块靠近卷筒法兰挡板的侧面共面，且与卷筒法兰挡板的内侧面固连，导向垫块和抬升垫块的纵向截面均为矩形；设定抬升垫块的宽度为b1，高度为h1，导向垫块的宽度为b2，高度为h2；b1、h1、b2和h2均为变量参数；

步骤二、设定在一圈钢丝绳中双折线对应的卷筒的圆心角为γ，则在一圈钢丝绳中一段折线段所对应的圆心角为γ/2，即导向抬升垫块所对应的圆心角为γ/2；钢丝绳刚进入起升状态时，抬升垫块的宽度为t，每层处于直线段的相邻两权钢丝绳的中心距为t，钢丝绳的直径为d，设定抬升垫块从起始位置到任一点对应圆弧的圆心角参数变量为θ，

则，当0≤θ≤(γt-dγ/2)/3t：

在此阶段，钢丝绳分别与导向垫块远离卷筒法兰挡板的侧面相切和与抬升垫块的顶面相切；θ＝(γt-dγ/2)/3t时，钢丝绳爬升到与上层钢丝绳的等高的位置；

当(γt-dγ/2)/3t≤θ≤γ/3：

在此阶段，钢丝绳分别与钢丝绳分别与导向垫块远离卷筒法兰挡板的侧面抵接和抬升垫块的顶面抵接；θ＝γ/3，钢丝绳进入了最高点，与下层钢丝绳发生交叉接触，此时抬升垫块的宽度为2t/3；

当γ/3≤θ≤γ/2：

在此阶段，钢丝绳与抬升垫块远离卷筒法兰挡板的侧面相切，钢绳槽完成爬升后继续轴向移动进入下层相邻两圈钢丝绳形成的绳槽中，则进入直线段，至此钢丝绳完成换层爬升并轴向偏移的任务。利于钢丝绳的稳定缠绕，保证了整个缠绕系统的稳定性，也能有效的减少缠绕过程中出现的乱绳、爬绳现象。

步骤三、对钢丝绳与导向垫块、抬升垫块所围成的空间进行填充，形成填充部，填充部的外侧面为弧面，所述外侧面为填充部与钢丝绳相切合的面。通过设置填充部，增大钢丝绳与导向抬升垫块的接触面积，防止钢丝绳过分挤压导向抬升垫块，造成导向抬升垫块、钢丝绳磨损。

进一步改进，在0≤θ≤(γt-dγ/2)/3t和(γt-dγ/2)/3t≤θ≤γ/3所对应的两段导向垫块的填充部外侧面连接处圆弧过渡，0≤θ≤(γt-dγ/2)/3t和(γt-dγ/2)/3t≤θ≤γ/3所对应的两段抬升垫块的填充部外侧面连接处圆弧过渡。圆弧处理后的接触情况变好了，但是还是存在极少部位接触不到的情况，但是考虑到实际情况中，钢丝绳是柔性体，受到载荷后会发生变形，所以钢丝绳在爬升过程中与导向抬升垫块能够很好的接触。

进一步改进，所述填充部的外侧面为仿行面，仿行面为模仿钢丝绳加捻的面，使钢丝绳在爬升过程中与导向抬升垫块能够很好的接触。

进一步改进，所述抬升垫块起始端的高度为1-3mm，导向垫块起始端的宽度为1-3mm，在实际生产制作过程中，导向抬升垫块的起始端不可能制作的特别薄，因为易对操作人员划伤，且易折断，故需要设定一定的厚度。

与现有技术相比，本方案具有如下有益效果：

1、依照本设计方法制作的导向抬升垫块可以有效改善钢丝绳在爬升阶段钢丝绳与卷筒法兰挡板之间的接触，减少了传统设计方法中由于挤压抬升造成的钢丝绳磨损严重的现象。

2、本发明涉及的导向抬升垫块的设计方法是按照钢丝绳中心线缠绕轨迹进行设计的，因此能保证钢丝绳在换层爬升阶段在固定的缠绕轨迹进行缠绕，有利于钢丝绳的稳定缠绕，保证了整个缠绕系统的稳定性，也能有效的减少缠绕过程中出现的乱绳、爬绳现象。

附图说明

图1为现有技术中双折线卷筒展开图。

图2为本发明所述圆心分别为o1、o2、o3的这钢丝绳处于爬升起始阶段时的纵向截面图。

图3为本发明所述圆心为o1的这圈钢丝绳在0<θ<(γt-dγ/2)/3t爬升时的纵向截面图。

图4为本发明所述圆心为o1的这圈钢丝绳在爬升至时的纵向截面图。

图5为本发明所述圆心为o1的这圈钢丝绳在(γt-dγ/2)/3t<θ<γ/3爬升时的纵向截面图。

图6为本发明所述圆心为o1的这圈钢丝绳在爬升至θ＝γ/3时的纵向截面图。

图7为本发明所述钢丝绳爬升阶段的俯视图。

图8为本发明所述圆心为o1的这圈钢丝绳进入下层圆心分别为o2、o3相邻两圈钢丝绳形成的绳槽中时的纵向截面图。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明的技术方案进行清楚，完整的描述。

一种双折线式卷筒的导向抬升垫块的设计方法，包括如下步骤：

步骤一、建立导向抬升垫块模型，所述导向抬升垫块模型包括导向垫块和抬升垫块，导向垫块固定设置在抬升垫块的顶部，抬升垫块的底面与为圆弧面与卷筒表面或者下一层的钢丝绳相切合，导向垫块和抬升垫块靠近卷筒法兰挡板的侧面共面，且与卷筒法兰挡板的内侧面固连，导向垫块和抬升垫块的纵向截面均为矩形；设定抬升垫块的宽度为b1，高度为h1，导向垫块的宽度为b2，高度为h2；b1、h1、b2和h2均为变量参数；

步骤二、设定在一圈钢丝绳中双折线对应的卷筒的圆心角为γ，则在一圈钢丝绳中一段折线段所对应的圆心角为γ/2，即导向抬升垫块所对应的圆心角为γ/2；钢丝绳刚进入起升状态时，抬升垫块的宽度为t，每层处于直线段的相邻两权钢丝绳的中心距为t，钢丝绳的直径为d，设定抬升垫块从起始位置到任一点对应圆弧的圆心角参数变量为θ；

如图2所示，以卷筒的表面上一条与卷筒中心轴线平行的直线为z轴，以卷筒一端法兰挡板内侧沿卷筒径向的一条直线为y轴，建立直角坐标系，下层的三圈钢丝绳的对应的圆心分别为o1、o2、o3，圆心为o1的这圈钢丝绳处于爬升起始阶段；图3为圆心为o1的这圈钢丝绳在爬升时的纵向截面图，在此阶段，钢丝绳分别与导向垫块远离卷筒法兰挡板的侧面相切和与抬升垫块的顶面相切，如图3所示，圆心为o1的这圈钢丝绳与导向垫块的切点为q，与抬升垫块的切点为k，圆心为o2的这圈钢丝与抬升垫块的切点为m，过圆心o2作的水平线分别与过圆心o1、q作的垂线相交与o、c点，过圆心o2作的水平线与y轴相交与t点，过圆心o1作的水平线与y轴相交与n点,直线aq与抬升垫块的顶面相交与a点，则

得出

随着圆心为o1的这圈钢丝绳继续爬升，钢丝绳爬升到与上层钢丝绳的等高的位置，如图4所示，圆心o1与抬升垫块最右侧面共面，即m、o两点重合，此时：

b2+qo1＝b1；

由此得出导向抬升垫块第一阶段对应圆心角的端值

综上，得出0≤θ≤(γt-dγ/2)/3t时，抬升垫块第一阶段对应的b1、h1、b2和h2四个参数与θ的函数表达式：

随着圆心为o1的这圈钢丝绳继续爬升当圆心角θ继续增加时，图5为圆心为o1的这圈钢丝绳在爬升时的纵向截面图，在此阶段，钢丝绳分别与钢丝绳分别与导向垫块远离卷筒法兰挡板的侧面抵接和抬升垫块的顶面抵接，则

得出

随着圆心为o1的这圈钢丝绳继续爬升当圆心角θ继续增加时，如图6所示，为圆心为o1的这圈钢丝绳在爬升时的纵向截面图，圆心为o1这圈钢丝绳位于圆心为o2这圈钢丝绳的正上方，即圆心为o1这圈钢丝绳进入了最高点，与下层钢丝绳发生交叉接触，如图7所示为钢丝绳的俯视图，由于钢丝绳的直径较大，而每层处于直线段的相邻两权钢丝绳之间的间隙较小，所以钢丝绳的直径d与t近似相等，由三角形相似原理可知，此时抬升垫块的宽度为2t/3,θ＝γ/3，图7中，1表示圆心为o1这圈钢丝钢丝绳，2表示圆心为o2这圈钢丝绳，3表示圆心为o1这圈钢丝绳，4表示卷筒的法兰挡板，箭头为钢丝绳的缠绕方向。

综上得出(γt-dγ/2)/3t≤θ≤γ/3时，抬升垫块第二阶段对应的b1、h1、b2和h2四个参数与θ的函数表达式：

圆心为o1这圈钢丝钢丝绳进入了最高点后，钢绳槽完成爬升后继续轴向移动进入下层圆心分别为o2、o3相邻两圈钢丝绳形成的绳槽中，图如8所示，则进入直线段，至此钢丝绳完成换层爬升并轴向偏移的任务，则在γ/3≤θ≤γ/2，抬升垫块第三阶段对应的b1、h1、b2和h2四个参数与θ的函数表达式：

步骤三、对钢丝绳与导向垫块、抬升垫块所围成的空间进行填充，形成填充部，填充部的外侧面为弧面，所述外侧面为填充部与钢丝绳相切合的面。在本实施例中，所述填充部的外侧面为仿行面，仿行面为模仿钢丝绳加捻的面，使钢丝绳在爬升过程中与导向抬升垫块能够很好的接触。

通过设置填充部，增大钢丝绳与导向抬升垫块的接触面积，防止钢丝绳过分挤压导向抬升垫块，造成导向抬升垫块、钢丝绳磨损。

在本实施例中，在0≤θ≤(γt-dγ/2)/3t和(γt-dγ/2)/3t≤θ≤γ/3所对应的两段导向垫块的填充部外侧面连接处圆弧过渡，0≤θ≤(γt-dγ/2)/3t和(γt-dγ/2)/3t≤θ≤γ/3所对应的两段抬升垫块的填充部外侧面连接处圆弧过渡。圆弧处理后的接触情况变好了，但是还是存在极少部位接触不到的情况，但是考虑到实际情况中，钢丝绳是柔性体，受到载荷后会发生变形，所以钢丝绳在爬升过程中与导向抬升垫块能够很好的接触。

在本实施例中，所述抬升垫块起始端的高度为2mm，导向垫块起始端的宽度为2mm，在实际生产制作过程中，导向抬升垫块的起始端不可能制作的特别薄，因为易对操作人员划伤，且易折断，故需要设定一定的厚度。

本发明中未做特别说明的均为现有技术或者通过现有技术即可实现，而且本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。