引言

在日常工作或工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常能看到滾筒回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),如電動幕布、升降卷簾等,如果滾筒的長度較短,一般可通過選擇合適的滾筒材料來提高其剛度,從而降低其撓度。但是實(shí)際應(yīng)用中滾筒長度往往達(dá)到幾米甚至數(shù)十米,這個時候僅僅通過材料選擇往往解決不了撓度過大的問題,在適當(dāng)位置增加一定數(shù)量的支撐裝置就變成切實(shí)可行的解決辦法,因滾筒在回轉(zhuǎn)過程中直徑是個變量,所以支撐裝置中的托銀除了提供足夠的支撐力外,還要具備上下滑移的功能,且支撐力的大小應(yīng)該方便調(diào)節(jié)。

本文以某客戶設(shè)備的定制要求作為設(shè)計(jì)輸入,通過設(shè)計(jì)思路的闡述,介紹該支撐裝置的設(shè)計(jì)過程,利用其工作原理可解決類似項(xiàng)目施工問題。

1設(shè)備要求

某客戶要求設(shè)計(jì)一套跨度為30m的電動橡膠幕布升降機(jī)構(gòu),以墻體為支點(diǎn)安裝面,要求滾筒直徑不超過38cm,橡膠幕布長、寬、厚分別為30m、3.5m、0.6cm,滾筒最大撓度不得超過5cm,設(shè)備整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2建立模型

2.1受力分析

滾筒在電機(jī)作用下做滾轉(zhuǎn)運(yùn)動,豎直方向受力主要為滾筒自重和橡膠幕布自重。從支點(diǎn)的形式判斷,滾筒可簡化為簡支梁,滾筒和橡膠幕布重力之和就是均布載荷,其集度為g。因豎直方向無其他外力作用,所以滾筒的變形就是由均布載荷g引起的,其彎曲變形如圖2所示。

2.2支點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)客戶提出滾筒外徑不超過38cm的定制要求,設(shè)計(jì)選用外徑32.5cm、厚度6mm的普通鋼管,由質(zhì)量計(jì)算公式m=pV分別算出鋼管質(zhì)量m1=1426.2kg和橡膠幕布質(zhì)量m2=844.8kg,得到滾筒的均布載荷g=0.757kN/m。

假設(shè)滾筒以圖2的方式設(shè)置A和B兩個支點(diǎn),根據(jù)均布載荷簡支梁的最大撓度計(jì)算公式:

計(jì)算出最大撓度omax=49.7cm。

這顯然不符合客戶提出的最大撓度為5cm的要求,因此,在A和B兩支點(diǎn)間必須設(shè)置一定數(shù)量的其他支點(diǎn),下面通過逆推法計(jì)算出相鄰兩支點(diǎn)的跨度距離。

假設(shè)最大撓度omax=5cm時兩相鄰支點(diǎn)跨度為11,根據(jù)均布載荷的撓度方程求出:11=16.89m,則增加的支點(diǎn)數(shù)量p=30/16.89≈1.78,取整數(shù)2,即至少應(yīng)在支點(diǎn)A和B間增加一個支點(diǎn)C,方能滿足滾筒最大撓度不超過5cm的要求。

2.3支撐裝置設(shè)計(jì)分析

由于滾筒外徑為32.5cm,橡膠幕布繞其第1圈周長為32.5m,第2圈為(32.5+1.2)m,第3圈為(32.5+2.4)m,…,第n圈為[32.5+(n-1)×1.2]m。

因幕布寬3.5m,由公式:

推導(dǎo)出n=3,因橡膠幕布厚度為0.6cm,所以滾筒攜帶幕布上升過程中從開始位到停止位,其直徑增量由0變化為3×1.2=3.6cm,則半徑變化為1.8cm,在不考慮橡膠幕布彈性變形的情況下,托銀在滾轉(zhuǎn)過程中向下滑移了1.8cm的距離。橡膠幕布剛開始上升時,托銀支撐力最小,隨著滾筒直徑的增大,托銀支撐力也在增加,為保證滾筒最大撓度不超過5cm,托銀實(shí)際安裝位置可高于理論位置。

為使托銀能夠上下滑移,且摩擦阻力越小越好、成本越低越好,現(xiàn)選用市場上成熟可靠、性價(jià)比高的"sB型直線滑動單元"作為滑動支座。為滿足支撐力度大小可調(diào)要求,應(yīng)采取簡單有效的方法加以實(shí)現(xiàn)。常用的儲能器件中,壓縮彈簧不僅可以提供合適的預(yù)緊力,還能夠起到減震作用,可降低滾筒在回轉(zhuǎn)過程中的沖擊,確保轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。根據(jù)上述分析,設(shè)計(jì)的支撐裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),托銀最大滑移距離(本例中等同于彈簧最大工作行程)設(shè)計(jì)為滾筒最大允許撓度的2倍,即10cm,保證托銀在滑移過程中有足夠的冗余量。

2.4彈簧的設(shè)計(jì)選型

由圖3可以看出托銀上的支撐力是由四只壓縮彈簧產(chǎn)生的,所以彈簧的設(shè)計(jì)輸入應(yīng)以滾筒和橡膠幕布的總重量為參考,本例中共有A、B、C三個支點(diǎn),理論上平均每個支點(diǎn)所承載重量為(1426.2＋844.8)/3=757kg,每只彈簧約提供757/4×9.8≈1.85kN的力。

由彈簧公式:

式中,F為彈簧所受的載荷;k為彈簧彈性系數(shù):x為彈簧變形量,設(shè)計(jì)取值10cm。

及彈性系數(shù)公式:

式中,G為切變模量:d為彈簧絲直徑:n為彈簧有效圈數(shù):D為彈簧中心直徑:c為彈簧的旋繞比,c=D/d。

計(jì)算出彈簧的旋繞比c,結(jié)合工況條件及支撐軌外徑尺寸計(jì)算出彈簧絲直徑d,為降低制造成本,可在市場上直接采購相近尺寸的成品彈簧。

3安裝實(shí)施

利用激光水平儀水平光線作基準(zhǔn)安裝標(biāo)示,選用指定規(guī)格的膨脹螺絲將支點(diǎn)A和B處的滾筒支架(1-2)固定安裝在墻面上,再用吊裝機(jī)械將滾筒吊至指定位置并安裝固定兩端,保持吊繩受力不變,此時支撐裝置的壓縮彈簧應(yīng)處于自由狀態(tài),使托銀和滾筒水平接觸后,用膨脹螺栓通過孔T將安裝支架(3-4)固定在墻面上(C點(diǎn)處),通過收緊調(diào)節(jié)螺栓I(2只)和調(diào)節(jié)螺栓Ⅱ(4只),逐步增加彈簧預(yù)緊力,直到彈簧壓縮到理論尺寸,此時再將吊繩撤去,觀察滾筒軸線與激光水平線偏移量,再次擰動調(diào)節(jié)螺栓I(3-1)和Ⅱ(3-8),使得滾筒軸線與激光水平線偏移量控制在5cm內(nèi)。轉(zhuǎn)動滾筒并觀察支撐軌(3-5)能否在托銀的帶動下向下滑移,反之操作幾遍,確保支撐軌滑移靈活,無阻滯,安裝即完成,如圖4所示。

實(shí)際安裝時考慮到墻體承載能力、滾筒支架變形等因素,設(shè)計(jì)安全系數(shù)往往會選擇偏大一點(diǎn),通常在理論測算基礎(chǔ)上增加1~2套支撐裝置,推薦采用等距布置。

4應(yīng)用效果

項(xiàng)目實(shí)施完成后,項(xiàng)目組及時跟蹤該升降機(jī)構(gòu)實(shí)際使用情況,在客戶每天早晚升降各一次的使用頻率下,安裝1個月后實(shí)測滾筒軸線比初始位置下降了0.5cm,然后調(diào)整到初始位置:3個月后第二次測量比初始位置下降了0.2cm,再次調(diào)整到初始位置:半年后第三次測量與初始位置相比幾乎無變化,說明在當(dāng)前環(huán)境下各零部件應(yīng)力基本處于平衡狀態(tài),此次無需調(diào)整:一年后根據(jù)實(shí)際檢查情況做最后一次調(diào)整。

5結(jié)語

該支撐裝置的設(shè)計(jì)并運(yùn)用,成功解決了大跨度滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)過程中撓度過大的問題,也為今后類似機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考經(jīng)驗(yàn),該機(jī)構(gòu)經(jīng)過簡單的變形設(shè)計(jì)可廣泛應(yīng)用于其他工程領(lǐng)域,以擴(kuò)大經(jīng)濟(jì)效益。該裝置材料的設(shè)計(jì)選型都以市場常規(guī)材料及成品件為主,采購成本低,裝置結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,項(xiàng)目整體風(fēng)險(xiǎn)可控。