摩擦式卷扬机主轴断裂事故原因分析.docx

摩擦式卷扬机主轴断裂事故原因分析摩擦式卷扬机主轴断裂事故原因分析摩擦式卷扬机因钢绳牵引端、收绳端位置固定不变，主机牵引钢绳节圆直径大小不变，容绳量大，牵引速度恒定，功率无波动，便于设置测重、测距、测速机构，所以在需精确计量拉曳距离、精确控制牵引速度和实时显示牵引力时可实现智能化重物设备安装牵引、起吊等作业，故该设备得到越来越广泛的应用。但其结构复杂、制造精度要求高，特别是主轴受力状态远非一般缠绕式卷扬机可比，设计和制造中的细微差异会导致主轴受力成倍变化、主观计算的结论与客观实际状态的不符，造成强度刚度不足、机械不能正常工作，甚至主轴折断而酿成设备安全事故。摩擦式卷扬机工作原理如图 1 所示。机械安装结束后由人工将钢绳螺旋状穿绕在二卷筒上，开机后主机的二卷筒同向旋转，贮绳筒在力矩电机驱动下同步旋转，为收绳端提供初拉力。在主机卷筒摩擦力作用下，钢绳被逐步缠紧。因有多道钢绳同时缠绕在卷筒上，每道钢绳均有相当拉力，所以卷筒主轴所受径向力是这些多道钢绳拉力之总和。而一般常见的缠绕式卷扬机主轴，只受一个额定拉力作用。显然，尽管是同样额定拉力的卷扬机，摩擦式卷扬机主轴承受的径向力比缠绕式卷扬机主轴所受径向力大许多倍。摩擦式卷扬机卷筒主轴所受的力是缠绕其上多道钢绳受力之总和，但每道钢绳的张力随设计方法不同又有巨大差异。是否注意到这个差异，是设计成败的关键。某工地曾经使用一台悬臂式 80KN 的摩擦式卷扬机，在实际载荷远远小于额定载荷状态下主轴便折断，后经采取加粗主轴直径、更换主轴材质、增加主轴端部支撑等一系列措施，在起吊 50KN 重物时再次出现主轴断裂事故。为此我们对摩擦式卷扬机主轴受力进行分析计算，得出如下三个结论:图 1 摩擦式卷扬机工作原理1)卷筒上每道钢绳张力按欧拉公式分布必须遵循一定条件。取卷筒和某一道钢绳分析，根据接触状态，符合欧拉公式的特征，见图 2。欧拉公式表达式为 F1=F2ef，式中 F1 是进绳端拉力，F2 是出绳端拉力，f 是钢绳与卷筒表面静摩擦系数，是钢绳在卷筒上的包角(单位弧度)，e 是自然对数的底。主机上两卷筒上多道钢绳与卷筒缠绕摩擦，不断增力，最终把收绳端上由贮绳筒上原始的、较小的、初拉力逐级增大，达到卷扬机恒定的额定拉力。所以钢绳从牵引端到收绳端，其张力是逐级递减的，递减幅度按欧拉公式规律分布。每经卷筒半圈，减小 ef倍。以 80KN 卷扬机为例，当卷筒缠绕 7 道钢绳后，如取绳与筒摩擦系数 f=0.1，包角，则递减系数k=e0.13.14=1.36，F 合=80/k0+80/k+80/k2+80/k14=299.14KN。此合拉力为最小，按此合拉力设计的主轴直径也最细。要保证钢绳拉力按欧拉公式递减状态分布，卷筒绳槽底径必须精确计算，并严格按设计要求加工制作。因为在上述计算中，前一道钢绳与后道钢绳张力逐级相差 k 倍，卷筒底径必须逐级减小，使钢绳逐级有所松驰，这个松驰的量即钢绳的绝对变形是借助虎克定律公式计算出来的，L=FL/ES，式中 F 为钢绳张力，L 为钢绳原长，这里近似为卷筒中心距，E 为钢绳弹性模量，S 为钢绳横截面积。根据公式计算出所需松驰量后，再按底径与周长关系逐一计算修正卷筒绳槽底径。因为设计钢绳每道拉力不等，所以松驰量也必然每道不等，尽管其值最终计算很小，但不可忽略。由此可知，卷筒绳槽只有每道按所需松驰量精确计算，主轴受力按欧拉公式状态累加才符合客观实际。