載人絞車卷筒強(qiáng)度分析及改進(jìn)

李瑞平，李建新

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院，山西 太原030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司,山西 太原030006）

1 前言

絞車由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，通用性高，被廣泛應(yīng)用于礦山、水利、建筑等行業(yè)。國(guó)內(nèi)許多行業(yè)都在從事絞車研制，隨著國(guó)家提出高質(zhì)量發(fā)展政策，對(duì)絞車性能、可靠性提出更高要求。 因此，本文計(jì)算了卷筒表面徑向應(yīng)力并改變卷筒材料，最后對(duì)改進(jìn)的絞車卷筒做了復(fù)合應(yīng)力和焊縫強(qiáng)度校核。

2 卷筒強(qiáng)度分析

卷筒受力主要是鋼絲繩吊裝重物產(chǎn)生的各種力和力矩。 最大工作載荷500 kg，設(shè)計(jì)最大拉力1000 kg，最大計(jì)算拉力2500 kg，這樣按照最外層（即第5 層鋼絲繩）產(chǎn)生的最大扭矩是Mmax=5375 N·m

2.1 卷筒受力分析

卷筒寬度B=300 mm，為了計(jì)算方便，將第5層鋼絲繩產(chǎn)生的最大扭矩Mmax在卷筒表面上分解為兩個(gè)相互垂直的分力， 即圓周力Ft和徑向力Fr。 由此得

式中 Mmax——第五層鋼絲繩產(chǎn)生的最大扭矩，N·m

d0——卷筒外圓直徑，m

α——鋼絲繩出繩角度，α=30°

2.2 卷筒徑向應(yīng)力

卷筒表面的徑向應(yīng)力可由下式求得

式中 σhoop——卷筒表面壓力，N/mm2

P——鋼絲繩卷繞節(jié)距，mm

tdr——卷筒壁厚，mm

KL——鋼絲繩松弛系數(shù)

Tstat——鋼絲繩最大靜壓力，N

經(jīng)計(jì)算得

對(duì)于20 鋼：屈服強(qiáng)度

Fy=245MPa，F(xiàn)u=410MPa

因?yàn)镕y/Fu＜0.7，所以許用壓應(yīng)力σhoop＞Fa， 所以卷筒強(qiáng)度不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，需要更換材料。

3 卷筒優(yōu)化

選用30Cr 合金結(jié)構(gòu)鋼。 其屈服強(qiáng)度Fy=687MPa，F(xiàn)u=885MPa。因?yàn)镕y/Fu＜0.7，所以許用壓應(yīng)力

所以σhoop＜Fa，所以卷筒強(qiáng)度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1 復(fù)合應(yīng)力

卷筒表面的復(fù)合應(yīng)力可由下式求得

式中 σcb——卷筒殼體上的復(fù)合應(yīng)力，N/mm2

rmean——卷筒中徑，mm

Mbend——卷筒殼體上的彎矩，N·mm

Tdyn——鋼絲繩的動(dòng)態(tài)拉力，N

lspan——卷筒支點(diǎn)間的長(zhǎng)度，mm

σbg——卷筒殼體上的全局彎曲應(yīng)力，N/mm2

σbl——卷筒殼體上的局部彎曲應(yīng)力，

N/mm2

經(jīng)計(jì)算，可得

所以

30Cr 合金結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度Fy=687MPa。

取Sc=0.66。 因?yàn)樵S用應(yīng)力F=Fy·Sc=687×0.66=453.4 N/mm2，所以σcb＜F，所以卷筒強(qiáng)度能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 卷筒焊縫強(qiáng)度計(jì)算

τ≤[τ＇]，所以焊縫強(qiáng)度足夠。

4 結(jié)論

對(duì)卷筒表面徑向應(yīng)力計(jì)算， 得出20 鋼的許用應(yīng)力不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 將卷筒材料改為30Cr 合金鋼， 該材料下卷筒的復(fù)合應(yīng)力和焊縫強(qiáng)度都滿足使用要求。