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摘  要：针对不同规范对起重机多层缠绕卷筒筒体壁厚的设计计算进行了分析和研究，选择经济的卷筒筒体壁厚计算方式和结果；结合多层缠绕卷筒上的绕绳技术特征，提供了一种卷筒侧板受力的计算方法，通过有限元对卷筒筒体和侧板进行了分析和验证，分析结果显示理论计算与仿真分析结果相符。

关键词：多层缠绕卷筒；  壁厚计算  ；侧板设计 ； 有限元法

多层缠绕卷筒是起重机钢丝绳缠绕的重要组成零部件，在钢丝绳承受载荷条件下，卷筒实现钢丝绳5层及以上多层缠绕。多层缠绕卷筒包含卷筒结构和篱笆皮两部分，卷筒结构主要由筒体和侧板组成。卷筒结构的设计质量直接影响钢丝绳多层缠绕的效果。

1.0、起重机卷筒筒体壁厚计算

对于起重机卷筒筒体设计，主要设计规范有 《起重机设计手册》、《港口起重运输机械设计手册》、《ABS GUIDE FOR CERTIFICATION OF LIFTING APPLIANCES》CHARTER 2  “GUIDER FOR CERTIFICATION OF CRANE》、《BV RULES FOR THE CLASSIFICATION AND CERTIFICATION OF LIFTING APPLLIANCES OF SHIPS AND OFFSHORE UNITS》、《DNV  RULES FOR CERTIFICATION OF LIFTING APPLIANCES》等。其基本公式如下：

A1-应力减小系数。在绳圈拉力作用下，筒壁产生径向弹性变形，使绳圈紧密降低，钢丝绳拉力减小，一般取A1=0.75；

A2-多层卷绕系数。多层卷绕时，卷筒外层绳圈的箍紧力压缩下层钢丝绳，使各层绳圈的紧密度降低，钢丝绳拉力减小，筒壁压应力不与卷绕层数成正比。不同规范下，主要区别在于安全系数的选取及多层缠绕系数不同。

-卷筒设计累计系数，累计系数越高，其安全系数越高，设计的卷筒就越厚、也越偏于保守。不同规范下卷筒的缠绕系数及安全系数

下面以某起升机构卷筒侧板计算为例（具体参数建表2），不同规范下其筒体厚度计算如表3。

可以看出，采用不同规范设计的卷筒臂厚有着明显的差异，因此在设计时尤其需要注意，根据起重机不同的入级要求选取不同的系数。

2.0起重机起升卷筒侧板设计

起重机卷筒的侧板主要承受钢丝绳挤压产生的侧向载荷。卷筒侧板受到钢丝绳的挤压载荷产生的侧向弯矩，进而在侧板与卷筒焊接处产生弯曲应力。

这里值得注意的是因为钢丝绳奇数层和偶数层不同时和侧板接触，因此在计算弯矩时候除以了2。

卷筒侧壁此时可以看成单位宽度，厚度为侧板厚度的截面梁，受到钢丝绳侧向载荷产生的弯矩进而产生弯曲应力，对于没有侧向筋板支撑的卷筒侧板，惯性矩计算如下：

从而算得侧板应力如下：

仍以上述筒体为例，其理论计算结果如下：

3.0起升卷筒有限元校核

实际上，起重机起升机构或变幅机构除承受钢丝绳对筒体侧板的压力外，还承受着钢丝绳对筒体的扭矩，以及侧向载荷对侧板的剪力以及钢丝绳对筒体的弯矩。因此在卷筒设计时，还需要对筒体进行有限元分析，以评估在复杂受力状态下，结构强度性能。

基于上述表3中对比，选取依据港口起重机设计手册设计计算的卷筒筒体厚度，其计算值相对较小，可减少卷筒自重和制造成本。

在有限元分析中，钢丝绳对筒体的内径载荷、对侧板的压力主要以面压力的形式进行施加：

由于钢丝绳出绳处产生的弯矩，根据经验，在中间出绳时产生的弯曲应力较为恶劣，因此在卷筒中间选取一个绳槽进行加载。同时在此处施加由于钢丝绳出绳产生的扭矩。

从计算结果可以看出，筒体的最大应力为230.33MPa（理论计算223.6MPa），侧板的最大应力为188.49MPa（理论计算188MPa）。满足相应规范要求。

4、结论

1、虽然不同规范对卷筒筒体壁厚设计方式不同，按照港口起重机设计手册设计计算值相对较小，且有限元分析结果与理论计算一致，可以满足要求，在无指定规范要求下，可按照港口起重机设计手册设计计算。

2、采用等效载荷方式可以模拟钢丝绳缠绕过程，且等效载荷的加载与选取的缠绕系数有关系，选用卷筒壁厚理论计算公式时，有限元分析应选取公式对应的缠绕系数。

3、卷筒侧板内径力和强度计算结合钢丝绳缠绕的实际过程，与实际钢丝绳缠绕比较接近，且理论计算过程与有分析元分析结果相符，故上述卷筒侧板载荷计算方式合理。

4、对于长度与直径比小于3的卷筒，弯曲应力对卷筒强度的影响很小，基本可以忽略。

参考文献：

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[2] 美国船级社.Guide for Certification of Lifting Appliances[S] Housiton.ABS.（2014）

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[4] BV船级社.Rules for the Certification of Lifting Appliances Onboard Ships and Offshore Units[S].BV.

[5] 王贵彪，王伟，谢永和.120t起重船扒杆结构强度及稳定性分析[J].船海工程，2015，44（1）：33-36