CN112374403A - 一种双折线卷筒爬台结构的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双折线卷筒爬台结构的设计方法，包括：设定爬台参数，分别计算圆心角α处于不同范围时，爬台参数所满足的关系式；当圆心角α处于第一范围内，利用多项式拟合获得爬台高度所满足的第一关系式；当圆心角α处于第二范围内，利用爬台高度和爬台宽度之间的三角关系，获得爬台高度和爬台宽度所满足的第二关系式；当圆心角α处于第三范围内，分别计算第一层折线段钢丝绳与挡盘之间的第一间隙和第二层折线段钢丝绳与挡盘之间的第二间隙，并计算第一间隙与第二间隙之间的差值，根据差值获得爬台高度所满足的第三关系式。本方法通过分段设计爬台结构，从而可以有效避免钢丝绳在爬升缠绕过程中出现的跳绳、摞绳等失效情况。

Description

一种双折线卷筒爬台结构的设计方法

技术领域

本发明涉及起重机械技术领域，特别涉及一种双折线卷筒爬台结构的设计方法。

背景技术

随着集装箱船舶大型化的发展，在设计港口大型起重机机构时，采用单层缠绕的卷筒往往不能满足使用要求。随着岸桥“3E化”，能够自动实现整齐、规则地多层缠绕的双折线绳槽卷筒成为高速、重载类卷扬设备的发展趋势。目前，双折线卷筒广泛应用于采矿业、海洋工程、建筑工业等各个行业的卷扬机构，

双折线卷筒是一个完整的圆周，包含两段圆周槽和两段螺旋线槽。早期的折线型绳槽卷筒为单折线卷筒，1950年后出现的双折线卷筒一直沿用至今并在多个领域如深海探测、航空吊运、起重工业、建筑施工等领域都得到更为广泛的应用。

由于在双折线卷筒缠绕过程中，钢丝绳在卷筒两端挡盘处层与层之间的爬升是在下层钢丝绳与挡盘间不断缩小的间隙中逐步被抬升的，因此容易引起钢丝绳的挤压磨损，影响钢丝绳的使用寿命，同时也限制了双折线卷筒的使用效率。目前，为解决上述问题，一般会在双折线卷筒两端的挡盘处设置爬台，从而使得在抬升钢丝绳时，减小钢丝绳爬升过程受到的挤压，并通过合理设计爬台尺寸，以实现钢丝绳在卷绕过程中正确排绳。但目前的爬台结构尺寸设计存在弊端，导致钢丝绳在爬升缠绕过程中仍会出现跳绳、摞绳等失效情况，影响正确排绳，因此在许多高速卷扬场合仍不敢将其投入使用。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的因爬台结构设计不合理而导致的双折线卷筒在缠绕过程中易出现跳绳、摞绳等失效情况的技术问题。本发明提供了一种双折线卷筒爬台结构的设计方法，能够有效减少缠绕过程中的跳绳、摞绳等失效情况的发生。

基于此，本发明的实施方式公开了一种双折线卷筒爬台结构的设计方法，卷筒包括筒体、设于筒体上的线槽以及设于筒体两端的挡盘，线槽上缠绕有钢丝绳，爬台结构设置于挡盘上，双折线卷筒爬台结构的设计方法包括：

设定爬台参数，爬台参数包括爬台高度和爬台宽度；

设定单个折线段对应的圆心角为圆心角α，分别计算圆心角α处于不同范围时，爬台参数所满足的关系式；其中，

当圆心角α处于第一范围内，根据圆心角α和钢丝绳直径，利用多项式拟合获得爬台高度所满足的第一关系式；

当圆心角α处于第二范围内，利用爬台高度和爬台宽度之间的三角关系，获得爬台高度和爬台宽度所满足的第二关系式；

当圆心角α处于第三范围内，分别计算第一层折线段钢丝绳与挡盘之间的第一间隙和第二层折线段钢丝绳与挡盘之间的第二间隙，并计算第一间隙与第二间隙之间的差值，根据差值获得爬台高度所满足的第三关系式。

根据本发明的另一具体实施方式，利用多项式拟合获得爬台高度所满足的第一关系式包括：

根据爬台高度理论公式，选取多个满足爬台高度理论公式的数值点，针对数值点利用三次多项式函数拟合出相应的爬台高度函数；

计算爬台高度函数在各范围的拟合误差；

对拟合误差超过预设值的范围进行细化，以在该范围内再次选取满足爬台高度理论公式的数值点；

根据细化选取后的数值点，对拟合误差超过平预设值的范围内的爬台高度理论公式进行拟合，获得第一关系式。

根据本发明的另一具体实施方式，第一范围为0°～54°，第一关系式为：

其中，α代表圆心角，H代表爬台高度，d代表钢丝绳直径。

根据本发明的另一具体实施方式，当圆心角α在第一范围内，爬台宽度为

其中，b代表爬台宽度，d代表钢丝绳直径。

根据本发明的另一具体实施方式，第三范围为180°～234°，第三关系式为：

其中，d代表钢丝绳直径，p代表绳槽节距，H代表爬台高度，θ＝α-180°。

根据本发明的另一具体实施方式，该设计方法还包括：

当圆心角在207°～234°之间时，将钢丝绳与爬台之间的接触面设置为圆弧曲面，将207°～234°范围内的圆心角所对应的爬台高度的关系式更新为：

其中，d为钢丝绳的直径，p为绳槽节距，H为爬台高度，θ＝α-180°。

根据本发明的另一具体实施方式，当圆心角α在第三范围内，爬台宽度为

其中，b代表爬台宽度，p代表绳槽节距，θ＝α-180°。

根据本发明的另一具体实施方式，绳槽节距与钢丝绳直径的比值为1.03～1.05。

根据本发明的另一具体实施方式，钢丝绳的入绳口偏角为8°。

根据本发明的另一具体实施方式，第二范围为54°～180°，第二关系式为：

其中，H代表爬台高度，b代表爬台宽度，d代表钢丝绳直径。

本发明相比于现有技术具有以下技术效果：

根据钢丝绳在不同圆心角对应的位置处爬坡情况的不同，将爬台分段设计，从而可以有效避免钢丝绳在爬升缠绕过程中出现的跳绳、摞绳等失效情况。

附图说明

图1示出本发明的双折线卷筒爬台结构的设计方法的流程图；

图2示出本发明的钢丝绳接触点的示意图；

图3示出本发明的卷筒的钢丝绳与挡盘之间的间隙与圆心角的关系示意图之一；

图4示出本发明的卷筒钢丝绳的缠绕过程示意图；

图5示出本发明的爬台曲线的示意图；

图6示出本发明的卷筒钢丝绳的入绳口偏角的示意图；

图7示出本发明的卷筒钢丝绳与挡盘之间的间隙与圆心角的关系示意图之二；

图8示出本发明的圆心角在180°～234°范围内爬台高度的示意图；

图9示出本发明的进绳端180°～234°之间5个位置钢丝绳和爬台的剖视图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实施例的描述中，需要说明的是术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

双折线卷筒一般可以包括筒体、设于筒体上的线槽以及设于筒体两端的挡盘，线槽上缠绕有钢丝绳，爬台结构设置于挡盘上。双折线绳槽卷筒能自动实现整齐、规则的多层缠绕，然而其本身的使用受到较多条件限制。根据已有的大量实践经验发现，这种卷筒的缠绕性能与卷筒结构、绳槽的形状——包括螺旋段与圆周段的比例、相邻绳槽的中心距、绳槽与端板之间的爬台结构等多种因素均有复杂的影响关系。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种双折线卷筒爬台结构的设计方法，可以包括：

步骤S1、设定爬台参数，爬台参数包括爬台高度和爬台宽度；

步骤S2、设定单个折线段对应的圆心角为圆心角α，分别计算圆心角α处于不同范围时，爬台参数所满足的关系式。

其中，步骤S2可以具体包括：

步骤S21、当圆心角α处于第一范围内，根据圆心角α和钢丝绳直径，利用多项式拟合获得爬台高度所满足的第一关系式；

步骤S22、当圆心角α处于第二范围内，利用爬台高度和爬台宽度之间的三角关系，获得爬台高度和爬台宽度所满足的第二关系式；

步骤S23、当圆心角α处于第三范围内，分别计算第一层折线段钢丝绳与挡盘之间的第一间隙和第二层折线段钢丝绳与挡盘之间的第二间隙，并计算第一间隙与第二间隙之间的差值，根据差值获得爬台高度所满足的第三关系式。

即根据钢丝绳在不同圆心角对应的位置处爬坡情况的不同，将爬台分段设计，从而可以有效避免钢丝绳在爬升缠绕过程中出现的跳绳、摞绳等失效情况。

具体地，图2为钢丝绳接触点示意图，图3为卷筒的钢丝绳与挡盘间隙与圆心角的关系示意图。如图2所示，虚线所画的两圆是钢丝绳爬升时的起始位置，对应于图3中的0°位置，随着间隙逐渐缩小，钢丝绳向第二层爬升。图2中两实线圆O₁、O₂是钢丝绳爬升过程中的某任一位置，相对于图3中的α位置，图2中下层钢丝绳圆心O₁的水平运行轨迹与被爬升的钢丝绳圆心O₂的垂直运行轨迹的交点为O，O即为钢丝绳圆心O₂被爬升时的起始位置。在直角三角形OO₁O₂中，斜边是两相切圆O₁、O₂的圆心连线，此线必经过两圆的切点G，且O₁O₂＝Φ_绳，用d代表钢丝绳的直径φ_绳，则O₁O₂＝d。由几何关系知，直角三角形斜边O₁O₂的中点G与直角顶点O的连线长度等于斜边的一半，即

钢丝绳在抬起过程中，切点G的运动轨迹为在圆O的圆周上对应圆心角为90°的弧AB(即图2中圆O的圆周上从点A至点B的弧)。以图2中O₁、O₂的位置为例，图2中阴影部分为爬台，设圆心角为α，间隙宽度为b，爬台的理论高度为h，由图2中的三角关系可知：b＝O₁O₂，h＝OO₂，则爬台高度与爬台宽度之间的关系式为：

图4为卷筒钢丝绳的缠绕过程示意图，图中展示了在C、D、E三个位置处的剖面图，整个缠绕过程共分为3部分进行：螺旋区2roi2(对应于圆心角位于第一范围)、圆周区2cir2(对应于圆心角位于第二范围)和螺旋区1roi1(对应于圆心角位于第三范围)。折线段对应的圆心角α也是缠绕过程钢丝绳的位置角度，螺旋区1roi1的角度可以优选为54°，第一范围、第二范围和第三范围可以分别是0°～54°、54°～180°、180°～234°。

其中，0°～54°的爬台曲线是整个爬台结构设计中最为关键的一个地方。文献《卷筒上钢丝绳爬台的理论尺寸》中给出了0°～54°的爬台曲线的理论公式，具体为：

其中h为爬台高度变化，b为爬台宽度变化，d为钢丝绳直径，α为圆心角。但是由于该爬台曲线的高度理论公式比较复杂，图5中(a)代表此爬台高度理论公式通过取点绘制的爬台曲线，可以看出该曲线较为复杂，不便于编程设计以据此制造加工相应的爬台结构，即制作精度达不到该爬台曲线的要求。因此，目前大多采用阿基米德曲线作为近似爬台曲线。但是在实际使用过程中，采用阿基米德曲线制造出的爬台高度低于理想高度，并不能满足钢丝绳爬升所需要的条件，从而导致仍会出现卷筒缠绕等各种失效情况。为了解决这一问题，且也为了便于实际数控编程加工制造以及产品质量检测，本发明步骤S21中采用三次多项式函数来拟合爬台高度曲线。需要注意的是，圆心角α在该第一范围内，爬台宽度b依然为

具体地，在步骤S21中，利用多项式拟合获得爬台高度所满足的第一关系式具体可以包括以下步骤：

根据爬台高度理论公式，选取多个满足爬台高度理论公式的数值点，针对数值点利用三次多项式函数拟合出相应的爬台高度函数；

计算爬台高度函数在各范围的拟合误差；

对拟合误差超过预设值的范围进行细化，以在该范围内再次选取满足爬台高度理论公式的数值点；

根据细化选取后的数值点，对拟合误差超过平预设值的范围内的爬台高度理论公式进行拟合，获得第一关系式。

换句话说，首先根据爬台高度理论公式(2)，获取多个满足上述公式的数值点(比如取55个)，再通过编写三次多项式函数拟合程序来近似拟合这55个点的曲线图形，最后求出三次多项式的未知系数从而得到三次多项式近似函数，即为圆心角在0°～54°这一范围内，爬台高度所满足的第一关系式。

但是在上述过程中，在拟合后，验证拟合结果时发现0°到2°的拟合误差较大，因此可以将0°到2°这一范围细划分成更小的度数范围进行再次拟合，拟合结果如图5(b)所示，最终得到爬台高度H的分段拟合公式：

上述式(3)，即为圆心角在第一范围(即0°～54°)内时，爬台高度所满足的第一关系式，该式对应的爬台曲线如图5中(b)所示，可以看出其与通过爬台高度理论公式绘制的曲线较为吻合，且更易于编程设计。

可选地，当圆心角处于第二范围(即54°～180°)时，爬台宽度b等于钢丝绳直径的一半，即

此时根据式(1)，可以得到爬台高度H的函数式

可选地，可以将钢丝绳直径设置为34mm，此时，整个爬台的高度曲线如图5中(c)所示。

合适的入绳口角度可以减小钢丝绳的弯折进而减小钢丝绳的摩擦损耗，延长钢丝绳的使用寿命，可选地，如图6所示，在本发明中，将入绳口偏角∠D设置为8°以减小钢丝绳的摩擦损耗，延长钢丝绳的使用寿命。

当圆心角在0°到180°范围时，第二层的钢丝绳可以依靠第一层钢丝绳和卷筒挡盘得到很好地三点定位，但是在180°到234°范围内，如若仍旧按照之前设计，会出现跳绳等情况，因此需在180°到234°区域设计与圆心角在一、二范围内所对应的爬台结构不同的爬台以实现对钢丝绳爬上第三层进行有效定位。本发明中，圆心角在180°到234°范围内时，将爬台结构设置为两层，即该区域内的爬台包括设置于第1、2层之间的爬台和设置于第2、3层之间的爬台。图7为卷筒进绳端折线段钢丝绳与挡盘间隙，在以下计算过程中，为简化计算过程和表达式，可以在计算时将圆心角α进行简化，具体地，另θ＝α-180°，在计算过程中以θ代替α，即将圆心角由180°～234°简化为0°～54°。

第1层见图7中左边的一幅图，此处间隙范围为p/2≤b≤p，根据三角形相似定理，可知

对此式进行求解，可以得到第一层钢丝绳与挡盘之间的间隙为

第2层见图7中右边的一幅图，此处间隙范围为p≥b≥p/2，同样地，根据三角形相似定理，可知

对此式进行求解，可以得到第一层钢丝绳与挡盘之间的间隙为

其中，p为绳槽节距。

在计算过程中，一般会将p理想化为与钢丝绳直径d相等，比如在参考文献《卷筒折线绳槽爬台的理论尺寸分析》、《卷筒上钢丝绳爬台的理论尺寸》等论文中即均将绳槽节距p取为d的理想情况。但是将p取为d时，往往会忽略工程中钢丝绳排布的实际情况，从而会使得钢丝绳在实际使用过程中受到挤压时的磨损增大。另一方面，p的取值也不能过大，否则钢丝绳在绳槽里不能被有效定位，会引起乱绳现象。本发明根据钢丝绳堆叠的几何关系，同时结合实际工程情况，通过几何特征进行分析计算，将p的取值范围设置在在1.03d～1.05d之间，即将绳槽节距与钢丝绳直径的比值设置为1.03～1.05，优选比值为1.04，即p＝1.04d。这样可以使得钢丝绳能够在绳槽中有效定位的同时，还可以避免钢丝绳在实际使用过程中受到挤压时的磨损增大，一定程度上延长了钢丝绳的使用寿命。

进一步地，第1层间隙从小到大，第2层间隙从大到小，通过比较计算b₁、b₂可知，在θ＝27°处b₁、b₂有交点，为了便于后面计算，分段计算两层间隙的差值Δb：

在0≤θ≤27°处，

在27°≤θ≤54°处，

图8为圆心角α在180°到234°范围内爬台高度的示意图。图中第2层钢丝绳最底部的高度H1。按几何关系可知

由H₁的表达式可知，相比于将绳槽节距q取为钢丝绳直径d的理想情况，本发明将q取为1.04d，降低了多层钢丝绳的排布高度，更符合实际工程情况。

以第2层钢丝绳底部作为起点，则第2层钢丝绳向第3层爬升时的爬台高度H2：

第2层钢丝绳向第3层爬升时的垫块总高度H为H＝H₁+H₂，即

当p＝1.04d时，上述式子变为：

进一步地，当圆心角α在第三范围(即180°～234°)内，爬台宽度b可以为：

其中，b代表爬台宽度，p代表绳槽节距，θ＝α-180°。

图9为本发明进绳端180°～234°之间5个位置钢丝绳和爬台的剖视图，图中钢丝绳中的箭头表示随着卷筒转动将钢丝绳卷入时该钢丝绳的移动方向，将从第2层向第3层爬升过程中的钢丝绳定义为第2.5层(即图9的b图中12位置所在层)，5个位置剖面图中阴影区域为以前常用的等高折线爬台结构。从图9中8、9、10位置可以看出，当只有阴影线部分等高折线爬台时，第2层钢丝绳与挡盘间有较大间隙，此时钢丝绳没有被三点定位，可以在任意位置，这样钢丝绳在第2层向第3层爬升时，由于第2层钢丝绳没有定位，在爬升钢丝绳的挤压下容易引起错动从而引起钢丝绳乱绳。为了解决图9c、d、e处钢丝绳定位问题，对爬台进行结构设计，添加部分见图9中无阴影线的区域。

进一步地，为了使钢丝绳和垫块有更加良好的接触，使钢丝绳的载荷可以均匀分布在接触面上，从207°到234°，第二层钢丝绳和爬台侧面的接触面采用圆弧曲面形式，为了便于加工制造，曲面半径定为d/2，如图9的d、e所示，且从d、e可知曲面中心为与之接合的钢丝绳的中心，结合图8可知：H＝H1+d/2，即，当圆心角在207°～234°范围内时，爬台高度所满足的关系式为：

当p＝1.04d时，上述式子变为：

本发明提供的爬台结构的设计方法，可以根据钢丝绳在不同圆心角对应的位置处爬坡情况的不同，将爬台分段设计，从而可以有效避免钢丝绳在爬升缠绕过程中出现的跳绳、摞绳等失效情况。

虽然通过参照本发明的某些优选实施方式，已经对本发明进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (11)

1.一种双折线卷筒爬台结构的设计方法，所述卷筒包括筒体、设于所述筒体上的线槽以及设于所述筒体两端的挡盘，所述线槽上缠绕有钢丝绳，所述爬台结构设置于所述挡盘上，其特征在于，所述双折线卷筒爬台结构的设计方法包括：

设定爬台参数，所述爬台参数包括爬台高度和爬台宽度；

设定单个折线段对应的圆心角为圆心角α，分别计算所述圆心角α处于不同范围时，所述爬台参数所满足的关系式；其中，

当所述圆心角α处于第一范围内，根据所述圆心角α和钢丝绳直径，利用多项式拟合获得所述爬台高度所满足的第一关系式；

当所述圆心角α处于第二范围内，利用所述爬台高度和所述爬台宽度之间的三角关系，获得所述爬台高度和所述爬台宽度所满足的第二关系式；

当所述圆心角α处于第三范围内，分别计算第一层折线段钢丝绳与所述挡盘之间的第一间隙和第二层折线段钢丝绳与所述挡盘之间的第二间隙，并计算所述第一间隙与所述第二间隙之间的差值，根据所述差值获得所述爬台高度所满足的第三关系式。

2.如权利要求1所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，所述利用多项式拟合获得所述爬台高度所满足的第一关系式包括：

根据爬台高度理论公式，选取多个满足所述爬台高度理论公式的数值点，针对所述数值点利用三次多项式函数拟合出相应的爬台高度函数；

计算所述爬台高度函数在各范围的拟合误差；

对所述拟合误差超过预设值的范围进行细化，以在该范围内再次选取满足所述爬台高度理论公式的数值点；

根据细化选取后的所述数值点，对所述拟合误差超过平预设值的范围内的爬台高度理论公式进行拟合，获得所述第一关系式。

3.如权利要求2所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，所述第一范围为0°～54°，所述第一关系式为：

其中，α代表所述圆心角，H代表所述爬台高度，d代表所述钢丝绳直径。

4.如权利要求3所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，当所述圆心角α在第一范围内，所述爬台宽度为

其中，b代表爬台宽度，d代表钢丝绳直径。

5.如权利要求1所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，所述第三范围为180°～234°，所述第三关系式为：

其中，d代表所述钢丝绳直径，p代表绳槽节距，H代表所述爬台高度，θ＝α-180°。

6.如权利要求5所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，还包括：

当所述圆心角在207°～234°之间时，将所述钢丝绳与所述爬台之间的接触面设置为圆弧曲面，将207°～234°范围内的圆心角所对应的所述爬台高度的关系式更新为：

其中，d为所述钢丝绳的直径，p为绳槽节距，H为爬台高度，θ＝α-180°。

7.如权利要求5所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，当圆心角α在第三范围内，所述爬台宽度为

其中，b代表爬台宽度，p代表绳槽节距，θ＝α-180°。

8.如权利要求5至7任一项所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，所述绳槽节距与所述钢丝绳直径的比值为1.03～1.05。

9.如权利要求8所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，所述比值为1.04。

10.如权利要求1所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，所述钢丝绳的入绳口偏角为8°。

11.如权利要求1所述的双折线卷筒爬台结构的设计方法，其特征在于，所述第二范围为54°～180°，所述第二关系式为：

其中，H代表所述爬台高度，b代表所述爬台宽度，d代表所述钢丝绳直径。

Images