一种减速卷筒水文绞车设计

一种减速卷筒水文绞车设计

高亮亮1，2

(1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.太原矿机电气股份有限公司，山西 太原 030032)

摘要：介绍了一种减速卷筒水文绞车。该绞车卷筒内部空间为电机驱动的变形摆线针轮减速机构，外部设有手动驱动的齿轮减速机构，通过离合器实现两传动机构之间的切换。分析了绞车牵引力与包角和当量摩擦系数的关系，并给出了增大牵引力的实用措施。比较了不同电机驱动的特点，介绍了绞车的起点距测量功能及采取的安全措施。

关键词：水文绞车；摆线针轮减速器；减速卷筒

0 引言

水文绞车是水文缆道驱动系统的关键设备，很大程度上决定了缆道系统的运行性能，一直是水文缆道技术人员关注的焦点之一[1-4]。不少学者和研究人员探讨了水文绞车的设计方法[5]、结构布局[6-8]及驱动方式[9-10]，推动了水文绞车的研究和发展。水文绞车已经从最初的手动绞车、恒速电动绞车发展到目前普遍使用的调速电动绞车[11]。当前虽然水文绞车形式多样，但其传动基本仍选用齿轮传动或标准的减速机传动，使得水文绞车体积大，效率不高，而且传动时噪声较大。为此本文提出了一种减速卷筒水文绞车，该绞车将减速机构与卷筒一体化设计，可用电机驱动，也可人工驱动，体积小、重量轻、效率高，结构封闭，运行噪声低。

1 传动机构

减速卷筒水文绞车充分考虑了水文行业的特殊性，设计为电动和手动双驱动，正常使用时为电机驱动，特殊情况可切换为人工驱动。卷筒内部空间设计为电机驱动的减速传动机构，卷筒外缘为手动驱动的齿轮减速机构，通过离合器实现两传动机构之间的切换。设置两套减速传动机构是因人工摇动的转速远远低于电机的转速。

图1为水文绞车内部传动机构装配图。该绞车主要由动力输入轴(图1中未画全)、减速器、离合器、卷筒以及手动操作组件等部分组成。电机输出轴通过联轴器与输入轴联结。减速机构为摆线针轮减速器，由输入轴、摆线轮、圆柱销、针齿销和针轮架组成，其中针轮架为输出部分。针轮架与大齿轮的端面设计有端齿，当牙嵌式离合器合上时，将针轮架与大齿结合在一起，动力经过针轮架、牙嵌式离合器传递给大齿轮，大齿轮与卷筒通过螺栓固定在一起，最终把减速后的动力传递给卷筒，实现减速增矩。

该绞车为实现减速器的输出部分与卷筒结合为一体，对摆线针轮减速器进行了变形，传统的摆线针轮减速器中针轮是固定的，输出机构是W机构，如图2(a)所示，本设计将W机构固定，由针轮输出，如图2(b)所示。

图1 水文绞车内部传动机构装配图

图2(a)中，H为输入，W为输出，传动比为：

.

(1)

当Zb-Zg=1时，减速比为iHW=-Zg。

图2(b)中，H为输入，b为输出，传动比为：

.

(2)

当Zb-Zg=1时，减速比为iHb=-Zb[12]。该绞车减速器的传动比为22∶1。

手动操作是为防止突然停电或电机故障无法实现电动操作而设计。手动操作部分主要由手动轴、手动传动齿轮、摇臂组成。手动操作时，拉动拨叉，牙嵌离合器分离，使针轮架和大齿轮分开。人工摇动摇把，动力由手动轴上的小齿轮经大齿轮传递给卷筒，此时针轮架不转动。手动传动比为5∶1，摇把转5圈，卷筒转1圈。为使人工驱动时省力，摇把的转臂设计长度为30 cm。

为方便钢丝绳转向和增大包角来增加钢丝绳与卷筒的摩擦力，需设置钢丝绳导向轮，图1中的测距滑轮同时作为导向轮使用。测距滑轮旁边的转向滑轮通过一对深沟球轴承空套在转向轮轴上，用于双圈缠绕时增大包角。

图2 摆线针轮减速器工作原理示意图

2 牵引力分析

水文绞车主要是提供牵引力，而牵引力的直接来源是钢丝绳与卷筒之间的摩擦。根据力学分析，牵引力T为钢丝绳在卷筒两边拉力差，即：

T=Fmax-Fmin.

(3)

其中：Fmax为牵引索紧边拉力；Fmin为松边拉力。柔韧体拉伸公式[13]为：

.

(4)

其中：α为包角；f为当量摩擦因数。由式(3)和式(4)可见，要增大牵引力，主要有增大钢丝绳与卷筒摩擦因数和增大钢丝绳在卷筒上的包角两种方法。

为增大摩擦，该水文绞车卷筒槽采用底部不接触圆弧槽形(不使用V形槽，是因V形槽钢丝绳磨损严重)，如图3所示。与平底槽相比，钢丝绳的正压力F由槽底支承力N平衡改变为由两槽壁的支承力N1、N2平衡。

图3 增大摩擦力原理图

由几何知识得:

N1+N2=F正压力·sinθ.

(5)

此时的当量摩擦因数为：

f=μsinθ.

(6)

其中：μ为材料间的摩擦因数。当θ=30° 时，当量摩擦因数f较μ增加一倍。

增大牵引力的另一途径是增大钢丝绳在卷筒上的包角α，为此可适当改变卷筒和导向轮的直径和相对位置，更直接的办法是将钢丝绳在卷筒上的缠绕方式由单圈缠绕改为双圈或多圈缠绕，如图4所示。图4(a)为钢丝绳在卷筒上的单圈缠绕,图4(b)为钢丝绳在卷筒上的双圈缠绕。

在给定松边拉力(张紧力)Fmin的情况下，单圈缠绕时，包角α=213°=3.72 弧度，f=0.3，代入式(4)计算可得。则最大牵引力：

T=Fmax-Fmin=2.05Fmin.

(7)

双圈缠绕时，包角α=425°=7.41 弧度，即。则最大牵引力：

T=Fmax-Fmin=8.2Fmin.

(8)

图4 钢丝绳缠绕方式

由以上计算分析可知，双圈缠绕的方式能提供更大的牵引力。

3 绞车的驱动与控制

3.1 电机选择

绞车可以配套多种电机工作。

滑差电动机在低速运行中功耗大、效率低，运转方向改变时有一定的滞后时间,对正反方向频繁换向的水文缆道来说,并不适用。

直流调速电机由可控硅实现无级调速,但整流装置中触发脉冲,接触器工作时产生的电火花形成电磁杂波,严重干扰测验仪器的正常运行，使用中需要加以注意。

普通的交流异步电机价格较低，维护方便，可以选用，但为使绞车能够在钢丝绳的任意位置停止，需要配置专门的刹车锁紧机构。

使用专用的变频调速电机，调速简单，适用于频繁启动、换向的场合，但是也必须要有专门的刹车锁紧机构。变频电机的成本较高，而绞车非长期工作，采用变频电机并不合算。

YEJ系列三相异步电磁制动电机，具有电磁抱闸制动功能，无需设置专门的刹车锁紧机构，只需外界变频器调速，即可方便实现调速、换向和制动锁紧功能。推荐选配此种电机。

3.2 起点距测量

为了测量起点距，设计了测距滑轮，测距滑轮与轴用键连接。钢丝绳由入绳口进入，经过转向滑轮和卷筒，最后由测距滑轮再从出绳口出去，钢丝绳一直压在测距滑轮上，两者之间无滑动。卷筒驱动钢丝绳，钢丝绳带动测距滑轮与安装有光电编码器的轴一起转动，将钢丝绳的运行长度转换为编码器旋转角度信号上传到控制器，实现起点距测量。

如不需精确测量起点距，也可将旋转编码器换成行程开关或接近开关，配合计数器测量起点距。

3.3 安全措施

为了防止在人工驱动绞车时电机突然运转发生危险事故，一般情况下传统绞车上不安装手动摇把。该新式绞车设计安装了一个与电机的控制线路互锁的安全开关，摇把取下时，开关闭合，摇把安装上时，开关断开，该开关与电机互锁的电路如图5所示，这样，可以保证使用手柄的安全性。

4 结束语

该绞车与传统水文绞车相比，减速机构与卷筒设计为一体，传动机构封闭在卷筒内部，运转时噪声大大降低。由于结构设计方面采取了多种措施，功率相同的条件下，牵引力比传统绞车大一倍以上。该型绞车已在多个水文站实际运行，效果良好。

图5 手动控制时的电气安全互锁

参考文献：

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[3] 陈正彩.云南石龙坝水文站水文缆道设计[J].人民长江,2012,43(2)：66-69.

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[7] 陶拭文.龙江811型水文缆道绞车[J].水文,1985(4)：47-51.

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[10]段裘龙.新型液压水文绞车[J].江苏船舶,1981,25(2)：61-67.

[11]宋兴治.浅谈交流变频调速技术在水文绞车中的应用[J].地下水,2010,32(4)：182-183.

[12]杨家辉.机械原理[M].华中科技大学出版社,2009.

[13]邱宣怀,郭可谦,吴宗泽,等.机械设计[M].北京：高等教育出版社,1997.

Design of A Reduction Drum Hydrological Winch

GAO Liang-liang1,2

(1.Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；2. Taiyuan Mining Machinery Electricity Co.,Ltd., Taiyuan 030032, China)

Abstract：A reduction drum hydrological winch was introduced in this paper. The drum of this winch was designed in which a cyclonical pin-wheel reducer driven by a motor was mounted, mean while one gear mechanism was mounted on the drum and could been driven by man. The traction force was discussed and the techniques which used to increase the force were given.

Key words：hydrological winch; cyclonical pin-wheel reducer; reduction drum

文章编号：1672- 6413(2017)01- 0144- 02

收稿日期：2016- 04- 29；

修订日期：2016- 11- 15

作者简介：高亮亮(1984-)，男，山西吕梁人，工程师，在读工程硕士，主要从事煤矿井下辅助运输产品设计工作。

中图分类号：TD825.6

文献标识码：A