HW50型液压绞车卷筒力学特性研究.pdf

第 5期 2 0 1 3年 5月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 5 H W5 0型液压绞车卷筒力学特性研究 郑刚 ’ ， 谢方伟 ， 王书蒙 ， 王和伟 1 ． 江苏大学 机械工程学院， 江苏 镇江2 1 2 0 1 3 ； 2 ．淮北万源工贸有限公司， 安徽 淮北2 3 5 0 5 2 ； 3 ． 三一重型装备有限公司， 辽宁 沈阳 1 1 0 0 2 7 摘要 液压绞车是一种用途广泛的起重设备， 其中卷筒是关键的承力部件。为了清楚把握卷筒的力学特性， 建立了卷筒 的三维模型， 研究了卷筒的应力和变形情况。 研究结果表明， 卷筒承受的应力从中部往两边逐渐减小， 且内表面的应力大于外 表面； 由于在筒壁与侧板连接处做了圆角处理， 避免了应力集中； 卷筒整体变形不大， 变形量从中部往两边变形逐渐减小， 最 大变形出现在内表面处。研究结果可以为卷筒的设计提供一种参考方法， 同时为下一步的优化设计提供理论基础。 关键词 液压绞车； 卷筒； 力学分析； 优化设计 中图分类号 T H1 6 ； U 6 6 4 ． 4 4 文献标识 码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 0 5 0 0 1 5 0 3 Me c h a n i c a l Pr o p e r t i e s o f a Ro l l e r o f t h e HW 5 0 Hy d r a u l i c W i n c h ZHENG Ga n g ，XI E Fa ng -we i ，W ANG S h u- me n g ，W ANG He - we i 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， J i a n g s u Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ； 2 ． Hu a i b e i W a n y u a n I n d u s t r y T r a d e Co ． ，L t d ，An h u i Hu a i b e i 2 3 5 0 5 2 ，C h i n a ； 3 ． S a n y H e a v y E q u i p me n t C o ． ， L T D， L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 0 2 7 ， C h i n a A b s Wa c t H y d r a u l i c w i n c h i s w i d e l y u s e d h o is t i n g e q u ip m e n t ， a n d r o l l e r is o n e o ft h e m a i n f o r c e - s u p p o r t i n g p a r t s ． T o g r a s p t h e m e c h a n i c a l p r o p e rt s o ft h e r o l l e r ， i t s 3 D m o d e l w as b u i l t t o s t u d y i ts s t r e s s a n d d e f o r m a t i o n ．T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s t r e s s o ft h e r o l l e r d e c r e ase s f r o m t h e c e n t e r t o t h e b o t h s i d e s ， a n d t h e v a l u e 0 n t h e i n n e r s u c f ave is b i g g e r t h a n t h a t o n t h e o u t e r s u ， 7 e ． B e c a u s e o f t h e r o u n d c o r n e r i s m a d e b e t w e e n t h e r o l l e r w all and t h e s i d e p l at e ， t h e s t r e s s c o n c e n t r atio n s a v o i d e d ． T h e w h o le def o r m a t i o n o ft he r o l le r is s ma l l ， a n d t he d e f o r m a t i o n dec r e ase s f r o m t h e c e n t e r t o t h e b o t h s i des ， and t h e d e f o r m a t i o n a p p e a r s o n t h e i n n e r s u ave ． The r e s e a r c h r e s u l t s p r o v i d e c e r t a i n t h e o r e t i c al r e f e r e n c e y o r t h e o p t i m iz at i o n des i g oft h e d i s c b r a k e ． Ke y W o r d s Hy d r a u l i c W i n c h； Ro l l e r ； Me c h a n i c a l An a l y s i s ；Op t i mi z a ti o n De s i g n 上 1 日 液压绞车是由液压马达驱动，通过卷筒缠绕钢丝绳以提升 或牵引重物的起 重设 备 ， 在结构上具有紧凑 、 体积小 、 重量 轻 、 外 形美观等特点， 在性能上则具有安全性好、 效率高 、 起动扭矩大、 低速稳定性好、 噪音小 、 操作可靠等特点 。 由于该液压绞车具备 上述优点， 使其广泛应用于船舶、 铁路、 机械、 石油、 冶金等行业。 液压绞车机构简图， 如图 l 所示。由图 1 可知， 液压绞车主 要由液压马达、 制动器、 行星减速器 、 卷筒和机架等组成。 其中， 卷 筒是液压绞车动力传递的关键部件 。 由于长期以来， 人们在设计卷筒时多采用经验法 ， 对设计的 卷筒力学特性缺乏全面的了解，使得所设计的卷筒结构不合理， 进而影响液压绞车的使用寿命。因此 ，拟采用有限元法研究 H W5 0型液压绞车卷筒的力学特性， 为卷筒和类似产品的设计提 供一种设计方法和理论参考。 1 ．液压马达 2 ． 制动器 3 ．行星减速器 4 ．卷筒 5 ．机架 图 1液压绞车机构简 图 F i g ． 1 Hy d r a u l i c W i n c h Me c h a n i s m Di a g r a m 2卷筒有限元模型的建立 选用美国P T C公司的P r o ／ E N G I N E E Rw i l d fi r e 2 0 0 4软件建立 卷简的三维实体模型。 由于卷筒的结构、 载荷和约束都是对称的 ， 因此只取卷筒的一半模型， 如图 2 所示。卷筒基本参数如下 卷筒最小外径 D o 4 5 0 mm 卷筒结构外径 D， 5 5 0 mm 来稿 日期 2 0 1 2 0 7 1 4 基金项 目 国家科技型 中小企业技术创新基金 1 l C 2 6 2 1 3 2 0 1 3 9 8 ； 江苏省 自然科学基金青年基金项 目 B K 2 0 1 2 2 9 2 作者简介 郑刚， 1 9 7 4 一 ， 男， 博士研究生， 讲师， 主要研究方向 机电一体化、 工业机器人控制理论 No ． 5 Ma v ． 2 0 1 3 机 械 设 计 与 制 造 1 7 2 5 0DO 200 O0 l 50DO 】 00 00 50O0 0 l 咖 ．k f } ⋯ 0 0 0 5 0 0 0】 0 0∞1 5 nD 内 O 表 2 0 面 0． 0 曲 0 线 2 5 尺 0 ． O 寸 0 3 m DO m ．DO 3 5 0 ． 0 0 4 0 00 o 4 5 0o 0 5 0 0 图 8内表面应力曲线 F i g ． 8 I n t e rnal S u rfa c e S t r e s s Cu r v e 图 9卷筒 的变形云图 F i g ．9 Dr u m De f o r ma t i o n Ne p h o g r a m 内外表面变形曲线 ， 如图 1 O 、 图 1 1 所示。 由图 1 O 、 图 1 1 可 知 ， 最大变形出现在内表面， 约 0 ． 2 5 7 mm， 且 内表面变形略大于外 表面； 在筒壁与侧板连接处 ， 内表面的变形较外表面的变形要小 的多， 原因是内表面的圆角是外表面圆角的2倍 从图 6可以看 出 。 ． 、 { { 一 } ． 0 3 0 0 2 5 一 n 。 迥 蔷 0 1 5 值 0 1 0 0 0 5 0DO 0 0 0 5 0o 0 0 o【 x 】 l 5 m0 外 0 表 2 0 面 0． 0 曲 0 线 25 尺 0 ． DO 寸 3 m O m O． O O 3 5 0 ． 0 04 0 00 0 4 5 O0 0 5 0 0 图 1 O外表面变形曲线 F i g ． 1 0 Ou t s i d e S u rfa c e De f o r ma t i o n Cu r v e J 乏 ⋯ } ． ． 。 。 誉 。 m 0 0 图 1 1内表面变形 曲线 F i g ． 1 1 I n n e r S u rfa c e De f o r ma t i o n Cu r v e 5结论 主首先运用 P r o ／ E N G I N E E R建立卷筒的实体模型；然后在 P r o ／ ME C H A N I C A中进行卷筒的材料属性 、 网格划分、 施加约束和 载荷的设置； 最后卷筒的应力和变形进行求解。得出以下结论 1 卷筒中部承受了较大的钢丝绳径向压力载荷， 应力从中 部往两边逐渐减小， 且内表面的应力大于外表面； 由于在简壁与 侧边连接处做了圆角处理， 避免了应力集中的问题。 2 在钢丝绳最大径向压力载荷的作用下， 卷简整体变形并 不大；从中部往两边变形逐渐减小；最大变形出现在内表面， 约 0 ． 2 5 7 m m， 且 内表面变形略大于外表面。 3 结论可以为卷筒的设计提供一种方法和理论参考， 同时 为下一步的优化设计提供理论基础。 参考文献 [ 1 ] 朱熙耕． 4 5 t 静液压绞车的研制[ ． 天津 天津大学， 2 0 0 5 ． Z h u Xi - 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