爬升式提升机的技术核心是利用工作钢丝绳和驱动轮、被动轮之间的摩擦力使作业吊篮实现上下运动。就提升机和吊篮而言, 其上升的力是由钢丝绳和摩擦轮之间的摩擦力提供的。若弹簧压紧力太大, 钢丝绳和摩擦轮之间的正压力可能导致钢丝绳承受过大的塑性变形, 出现融绳现象。所以研究弹簧提供的压盘力与有效起吊重量之间的关系非常重要。
现代摩擦理论及科学实验的很多结果表明摩擦因数不是一个常量, 其值不但与正压力的大小及作用时间有关, 而且与两接触物表面的相对滑速, 对偶材料的温度, 硬度, 接触面的粗糙度和湿度等复杂因素有关, 因而有效提升力具有很大的不确定性[1]。为此, 本文作者推导出了S型摩擦提升机在不同弹簧直径、钢丝绳直径和正压力的摩擦性能。并探讨摩擦行为与机制, 旨在为建筑提升机制动系统和安全防滑保护系统等的设计提供重要的基础性数据, 为高性能提升机的研制与检测提供技术指导和评判依据, 从而为确保建筑提升机的安全生产提供可靠的技术支撑[2]。
实验方法:采用拉力传感器测量钢丝绳的张力, 由动态应变仪, 光线示波器记录测试信号。测出钢丝绳在绳槽内开始打滑时两端钢丝绳的张力, 然后利用欧拉公式计算出摩擦系数。
P表示弹簧施加给压盘的比压, 由式 (9) 计算得出。对摩擦系数实测值进行二元回归分析, 经过30次实验结果, 得到摩擦系数的值在之间不定, 作为以下讨论的参考数据。
根据实际的提升机机械结构图, 其数学模型可表示如图1。
分析一微段钢丝绳的受力, 如图1所示。图中d N为槽底的反力, dF为微段上总的摩擦力, 若压盘的总压力为P, 钢丝绳的包角为α, 则:
半径和切线方向的方程为:
注意到, 并略去高阶微量, 由 (2) 和 (3) 可得
利用 (1) 、 (4) 可解得:
上式反映了钢丝绳的拉力T随微段在轮上角度的变化关系, 当θ=0和θ=α时, T分别为钢丝绳的松边拉力T0和紧边拉力T1。由此可解得:
当钢丝绳连续绕过第二个摩擦轮时, 第一个轮的T1为第二个轮的T0, 故由式 (6) 可得第二个轮的紧边拉力T2为:
上式反提升力映了钢丝绳的紧边拉力与松边拉力、摩擦系数、包角和压盘所受的正压力之间的关系。提升机的有效为:
显然, 通过增加配重保证0T>0[7], 可使钢丝绳的有效提升力提高, 并可使钢丝绳在提升机内的通过性更好。对于确定的松边拉力、摩擦系数和包角, 钢丝绳的有效提升力与压盘的正压力成正比。
设施压弹簧的个数为n, 刚度系数为k, 则弹簧施于压盘的P力为:
弹簧预紧量=弹簧自由长度- (弹簧定位销长度+弹簧套长度-压盘外缘厚度+4) , 但实测发现, 装配后弹簧的预紧量都偏大。
变形增量x= (钢丝绳直径-槽宽) = (钢丝绳直径-6) 。
从式 (9) 可以分析得出, 改变弹簧定位销的高度和簧丝直径, 是改变弹簧施于压盘的P力大小的两个最直接的途径。将式 (9) 代入 (8) 可得:
若不计松边拉力, 则由式 (10) 可得:
经计算, 结果表明:取摩擦系数f=0.15时, 有效提升力是f=0.1时的近两倍 (2.40031.2508) ;钢丝绳直径为8.2mm时, 有效提升力是钢丝绳直径为8.7mm时的近1.1倍 (5.85.4) 。
通过实验我们可以得到, 当钢丝绳直径为8.7mm, 摩擦系数分别取f=01.、f=0.125和f=0.15时, 钢丝绳的有效负荷。
厂方模拟工况试验表明, 钢丝绳直径为8.7mm时, 若弹簧丝直径为d=2.4mm, 能提升1.5倍额定载荷;但弹簧丝直径为d=0.4mm, 则不能提升1.5倍额定载荷。故摩擦系数应比略大。
厂方模拟工况试验表明, 钢丝绳直径为2.8mm时, 若弹簧丝直径为d=8.3mm, 不能提升1.5倍额定载荷。故摩擦系数应比0.1略大的推测合理。
我们将摩擦系数固定为f=0.103时, 当钢丝绳直径分别为6.8mm、2.8mm、8.7mm, 不同弹簧直径下的钢丝绳的有效负荷。
应该指出, 作为一种特殊的挠性体, 钢丝绳在使用过程中的性能会发生较大的变化。例如:在使用一段时间后, 由于磨损, 钢丝绳与摩擦轮之间的摩擦系数会发生变化[8,9]。此外, 由于弹簧松紧程度的差异以及压盘受力的不对称性, 所以以上的分析计算结果与实际情况肯定会存在一定的误差。基于此, 以下部分将借助于实验来研究钢丝绳的提升力与弹簧压力的关系。
试验方法:实验时将提升机外壳与机架固定连接, 钢丝绳上端与机架固定悬挂, 并将拉力传感器串接于钢丝绳。实验开始后, 开启电源, 提升机摩擦轮与钢丝绳之间的摩擦力使钢丝绳张紧力越来越大, 当两者之间出现打滑时, 记录应变仪的示数。实验时采用了三种不同直径的钢丝绳和压紧弹簧。
理论分析与实验结果均表明, 影响提升机提升负荷的主要设计参数有:压簧簧丝直径、压簧预紧量和钢丝绳直径。虽然钢丝绳与轮槽之间的摩擦系数对提升负荷有着至关重要的影响, 但不宜作为设计要素。调整以上三个参数, 可以提高提升机的工作负荷也可以解决由于压盘的压力过大而引起的融绳现象。
压盘所受弹簧的压力是按钢丝绳的最大工作载荷 (过载) 来设计的。由于在多数情况下, 实际工作负荷都比最大工作载荷小, 而且弹簧的压力在安装后一般不再作调整, 所以往往出现由于弹簧压力过大而导致的融绳现象。为避免此类问题的发生, 建议在设计、安装和使用过程中: (1) 应保证两摩擦轮的轴的平行度; (2) 应保证两摩擦轮的轮槽的共面度; (3) 工作钢丝绳可进行适当润滑, 或采用油浸石棉芯钢丝绳; (4) 钢丝绳的输出端应有配重, 以保证松边拉力不为零。
摘要：基于钢丝绳与压盘之间的接触形式, 实验得到不同弹簧直径、钢丝绳直径和比压, 在常温下与有效提升力之间的相关规律, 推导出了符合实际工况条件的修正后的欧拉公式。研究结果对于提升机的可靠性设计和安装具有一定的理论指导价值。
关键词：摩擦提升机,比压,欧拉公式
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