河南禹门河水库工程启闭机折线绳槽卷筒挡环设计新方法（孙鲁安,王国栋,毛明令）

时间：2022-02-20 15:16:09 浏览量：次

［摘要］结合禹门河水库工程6台启闭机的设计实例，对钢丝绳在折线绳槽卷筒挡环上的爬升规律进行了分析研究，通过对折线绳槽卷筒挡环设计方法的探讨，提出一种挡环设计新方法，并在禹门河水库工程的6台启闭机上应用，取得了良好效果。文中以1 250kN启闭机为例，给出了新方法设计挡环的主要步骤。

［关键词］启闭机折线绳槽卷筒挡环阶梯垫面禹门河水库

1 概述

折线绳槽卷筒多层缠绕技术作为一种先进的绳索缠绕技术，随着在我国起重机械领域的应用日益增多，已为业界愈来愈多的人所熟知和接受，折线绳槽卷筒的设计在诸多关键技术方面也在不断发展和日趋成熟。然而，与折线绳槽卷筒配套的挡环的阶梯垫面设计问题尚未得到比较满意地解决。原因是折线绳槽卷筒挡环的阶梯垫面与钢丝绳的接触点在卷筒的径向、周向和轴向都有变化，其轨迹是一条复杂的空间曲线（以下称为理论爬升曲线）。设计时，必须通过反复计算或作图求出一系列坐标点，然后将其连接起来才能显现到图纸上。这常常令设计者感到不胜其烦，一些设计者将这种复杂的函数关系简单处理为线性关系，结果是，设计出的卷筒挡环的阶梯垫面往往低于理论值，起不到垫面对钢丝绳的垫托作用，无法避免钢丝绳与挡环之间的严重挤压和磨损，使挡环的阶梯垫面仅仅成为了一种摆设，影响了钢丝绳的使用寿命，导致启闭机的维护成本增加。

为寻求既设计简单、又比较符合钢丝绳实际爬升规律的挡环阶梯垫面的设计方法，笔者结合禹门河水库工程共6台采用折线绳槽卷筒的启闭机的设计实例，对钢丝绳在折线绳槽卷筒挡环上的缠绕爬升规律进行了分析研究，对折线绳槽卷筒的挡环设计方法进行了探讨，摸索出一种挡环设计新方法，使用起来比较简便。经在禹门河水库工程的6台启闭机（5台卷扬启闭机和1台门机）上采用和实际运行检验，效果良好。文中以禹门河水库工程1 250kN启闭机为例，给出了新方法设计挡环的主要步骤，共同行们参考。

2 钢丝绳在折线绳槽卷筒挡环上的爬升规律分析

为找出折线绳槽卷筒挡环的设计新方法，必须对钢丝绳在折线卷筒挡环上的爬升规律进行分析。

卷筒多层缠绕时，钢丝绳绕至卷筒端部时将受到挡环的阻挡，钢丝绳将沿着最后一圈钢丝绳与卷筒挡环间形成的楔形间隙向上一层逐渐抬升，由于有楔形间隙的存在，钢丝绳在此处将遭受挤压和磨损，导致钢丝绳过早破坏。为避免钢丝绳落入此缝隙中，需在挡环上设置阶梯垫面托住钢丝绳。

折线绳槽卷筒的挡环一圈内有两个这样的楔形间隙，分别与卷筒上的两个折线段绳槽所在位置对应，故需设置两个阶梯垫面。第1个阶梯垫面一般设置在0～45°，最大爬升高度为h1max；第2个阶梯垫面设置在180～225°，最大爬升高度为h2max。两次爬升共上升一个钢丝绳直径的高度，即h1max＋h2max=ds（ds为钢丝绳直径）。且第1次爬升的高度远大于第2次爬升的高度。

如图1所示，随着卷筒的旋转，钢丝绳的O点将最终上升到D点（D点与O点不在卷筒的同一个发平面上），而临圈钢丝绳的A点相应移动到垂直OA而通过OD的平面内（在D点的径线上）。由于钢丝绳在上升过程中应始终与相邻的钢丝绳保持相切关系，由此可知，钢丝绳的爬升高度沿着半径为ds的圆弧发生变化。当绳圈有间隙时，钢丝绳的最低点将沿AEBCD的路线爬升到D点。若在第一爬升区的瞬时升高为h1，第二爬升区的瞬时升高为h ，则可通过解析的方式推导出h 和h2的函数表达式如下（推导过程略））：

式中 h1— 第一爬升区瞬时抬升高度；

h2— 第二爬升区瞬时抬升高度；

ds— 钢丝绳实际直径；

ε— 绳圈间隙；

θ— 钢丝绳在爬升区抬升后绕过的包角；

φ— 一个爬升区（即折线段）对应的包角。

由式（1）、（2）确定的钢丝绳爬升曲线即所谓的理论爬升曲线。显然，根据上述表达式得出的爬升曲线不属于我们所熟知的圆锥曲线，这就是挡环设计绘图和成形比较麻烦的原因。

从图1还可清楚地知道，钢丝绳在每个爬升区的开始区段，高度上升较快，而在靠近爬升区段的尾部，上升速度逐渐变缓。也就是说，爬升曲线在挡环的圆周上是这样分布的：曲线的起始点的方向与通过该点且与挡环同心的圆（在第一爬升区时，该圆即为卷筒的根圆）相割，而曲线的尾点方向必与通过该尾点且与挡环同心的圆相切，也即曲线的尾点方向与通过挡环圆心的45°的径线垂直。

要使爬升曲线的设计绘制变得简单省事，必须找出一条具备上述特性、同时又是我们所熟悉和便于绘制的曲线，且还要基本符合钢丝绳的实际爬升规律。通过在计算机上模拟比对，双曲线、抛物线以及椭圆均不太合适，唯有圆弧曲线与理论爬升曲线较为接近，特别是在每个爬升区的后半段（大约70%左右），与理论曲线大体吻合（限于篇幅，此处不赘述比对过程和具体数据）。而圆弧是最简单的曲线，设计绘制也很简单，这就使得挡环设计变得十分简单，这正是设计者所希望的。

3 新方法设计挡环的具体步骤

根据以上分析，钢丝绳在每个爬升区的结束点的方向都与挡环的45°径线垂直，因此，替代理论曲线的圆弧的圆心必定在这一径线上。根据这一特点，只要找到这个点，并以此点画圆，截取需要的部分，以圆弧形爬升曲线替代理论爬升曲线就可以了。今以禹门河水库工程排沙孔工作闸门的1 250kN启闭机为例，简述其具体步骤。

禹门河水库工程排沙孔工作闸门1 250kN启闭机折线绳槽卷筒的绳槽底直径为1 000mm，钢丝绳直径ds为32mm，绳槽节距t为34mm，绳圈之间的间隙ε为2mm。

（1）根据卷筒底直径先绘制φ1 000mm圆（见图2），再分别绘制垂直、水平和45°径线；垂直径线与φ1 000mm圆交与A点；

（2）根据钢丝绳直径ds=32和节距t=34，参照图1求出第一爬升区上升的最大高度h1max=27.11mm，再以1 000+27.11×2=1 054.22mm画圆；交45°径线于B点，交垂直径线于D点；

（3）连接AB两点，并在直线AB的中点作垂线，交45°径线于C点；再以CB为半径画圆弧BA即得第1爬升区的替代爬升曲线。该曲线在A点的方向与卷筒根圆相割，而在B点与45°径线垂直，C点即为该段弧线的圆心（见图2）。

（4）将φ1 000的圆偏移一个钢丝绳直径的距离得φ1 064mm的圆，交45°径线的另一端于E点，连接ED两点，并在直线ED的中点作垂线，交45°径线于F点；再以FE为半径画圆弧ED即得第2爬升区的替代爬升曲线。

这样，两个爬升区的爬升曲线就完成了。当启闭机采用两层以上的折线绳槽卷筒时，根据层数重复以上步骤即可方便地绘出各层阶梯垫面的爬升曲线。

可以看出，挡环设计新方法的作图过程非常简单，从而使求解钢丝绳爬升曲线的过程变得非常容易。

4 需要说明和注意的问题

采用圆弧曲线替代钢丝绳实际爬升的理论曲线虽然可大大简化设计制图过程，提高设计制图效率，但毕竟是一种近似曲线，与实际轨迹仍然有一定差别。最主要的一点是钢丝绳按理论曲线爬升时，开始爬升的最初一小段内，钢丝绳上升的速度非常快。用圆弧曲线替代虽然也具有同样的变化特性，但在此处的一小段内，爬升高度的变化速度相对缓慢，误差还是比较大的。好在钢丝绳圈之间有间隙，在开始爬升的初期会先消除掉这些间隙。因此，即使在整个爬升区段的开头，阶梯垫面会稍低一些，钢丝绳仍不会悬空，只要挡环的阶梯垫面与钢丝绳保持接触，钢丝绳就不会受挡环侧面的挤压而造成较大磨损，这样，挡环就起到了应有的作用，设计者也就达到了挡环的设计目的。

挡环的阶梯垫面是折线绳槽卷筒设计中的重要一环，垫面若设计太低，会造成钢丝绳悬空，虽然不影响钢丝绳的正常爬升，但对钢丝绳的破坏是很大的；反之，若挡环的阶梯垫面设计太高，会导致钢丝绳提前返回，而打乱钢丝绳在卷筒上的排列次序，导致钢丝绳出现“乱绳”甚至“跳槽”现象，这将严重影响启闭机的安全使用。故采用本文介绍的方法设计挡环时，一定要保证各层阶梯垫面的圆弧曲线的圆心落在通过挡环圆心的45°的径线上。

5 结语

折线绳槽卷筒挡环的设计新方法简单实用，使设计人员摆脱了复杂计算和繁琐的制图之苦，与沿用的设计方法相比，可显著提高设计效率，而且也给挡环的加工制造带来极大方便，并显著降低加工成本，在设计制造方面具有明显的技术经济效益，因而受到设计、制造和使用三方的欢迎。继禹门河水库工程的启闭机上采用这一新方法设计挡环之后，又相继应用到巴家咀水库、深溪沟水电站、大渡河沙湾电站、苏家河口水电站等其他工程的启闭机上，均取得了良好效果。

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