一种可降低滚简挠度的支撑装置设计及应用

引言

在日常工作或工业生产中经常能看到滚筒回转机构,如电动幕布、升降卷帘等,如果滚筒的长度较短,一般可通过选择合适的滚筒材料来提高其刚度,从而降低其挠度。但是实际应用中滚筒长度往往达到几米甚至数十米,这个时候仅仅通过材料选择往往解决不了挠度过大的问题,在适当位置增加一定数量的支撑装置就变成切实可行的解决办法,因滚筒在回转过程中直径是个变量,所以支撑装置中的托银除了提供足够的支撑力外,还要具备上下滑移的功能,且支撑力的大小应该方便调节。

本文以某客户设备的定制要求作为设计输入,通过设计思路的阐述,介绍该支撑装置的设计过程,利用其工作原理可解决类似项目施工问题。

1设备要求

某客户要求设计一套跨度为30m的电动橡胶幕布升降机构,以墙体为支点安装面,要求滚筒直径不超过38cm,橡胶幕布长、宽、厚分别为30m、3.5m、0.6cm,滚筒最大挠度不得超过5cm,设备整体结构示意图如图1所示。

2建立模型

2.1受力分析

滚筒在电机作用下做滚转运动,竖直方向受力主要为滚筒自重和橡胶幕布自重。从支点的形式判断,滚筒可简化为简支梁,滚筒和橡胶幕布重力之和就是均布载荷,其集度为g。因竖直方向无其他外力作用,所以滚筒的变形就是由均布载荷g引起的,其弯曲变形如图2所示。

2.2支点设计

根据客户提出滚筒外径不超过38cm的定制要求,设计选用外径32.5cm、厚度6mm的普通钢管,由质量计算公式m=pV分别算出钢管质量m1=1426.2kg和橡胶幕布质量m2=844.8kg,得到滚筒的均布载荷g=0.757kN/m。

假设滚筒以图2的方式设置A和B两个支点,根据均布载荷简支梁的最大挠度计算公式:

计算出最大挠度omax=49.7cm。

这显然不符合客户提出的最大挠度为5cm的要求,因此,在A和B两支点间必须设置一定数量的其他支点,下面通过逆推法计算出相邻两支点的跨度距离。

假设最大挠度omax=5cm时两相邻支点跨度为11,根据均布载荷的挠度方程求出:11=16.89m,则增加的支点数量p=30/16.89≈1.78,取整数2,即至少应在支点A和B间增加一个支点C,方能满足滚筒最大挠度不超过5cm的要求。

2.3支撑装置设计分析

由于滚筒外径为32.5cm,橡胶幕布绕其第1圈周长为32.5m,第2圈为(32.5+1.2)m,第3圈为(32.5+2.4)m,…,第n圈为[32.5+(n-1)×1.2]m。

因幕布宽3.5m,由公式:

推导出n=3,因橡胶幕布厚度为0.6cm,所以滚筒携带幕布上升过程中从开始位到停止位,其直径增量由0变化为3×1.2=3.6cm,则半径变化为1.8cm,在不考虑橡胶幕布弹性变形的情况下,托银在滚转过程中向下滑移了1.8cm的距离。橡胶幕布刚开始上升时,托银支撑力最小,随着滚筒直径的增大,托银支撑力也在增加,为保证滚筒最大挠度不超过5cm,托银实际安装位置可高于理论位置。

为使托银能够上下滑移,且摩擦阻力越小越好、成本越低越好,现选用市场上成熟可靠、性价比高的"sB型直线滑动单元"作为滑动支座。为满足支撑力度大小可调要求,应采取简单有效的方法加以实现。常用的储能器件中,压缩弹簧不仅可以提供合适的预紧力,还能够起到减震作用,可降低滚筒在回转过程中的冲击,确保转动平稳。根据上述分析,设计的支撑装置结构如图3所示。

结合以往工程经验,托银最大滑移距离(本例中等同于弹簧最大工作行程)设计为滚筒最大允许挠度的2倍,即10cm,保证托银在滑移过程中有足够的冗余量。

2.4弹簧的设计选型

由图3可以看出托银上的支撑力是由四只压缩弹簧产生的,所以弹簧的设计输入应以滚筒和橡胶幕布的总重量为参考,本例中共有A、B、C三个支点,理论上平均每个支点所承载重量为(1426.2＋844.8)/3=757kg,每只弹簧约提供757/4×9.8≈1.85kN的力。

由弹簧公式:

式中,F为弹簧所受的载荷;k为弹簧弹性系数:x为弹簧变形量,设计取值10cm。

及弹性系数公式:

式中,G为切变模量:d为弹簧丝直径:n为弹簧有效圈数:D为弹簧中心直径:c为弹簧的旋绕比,c=D/d。

计算出弹簧的旋绕比c,结合工况条件及支撑轨外径尺寸计算出弹簧丝直径d,为降低制造成本,可在市场上直接采购相近尺寸的成品弹簧。

3安装实施

利用激光水平仪水平光线作基准安装标示,选用指定规格的膨胀螺丝将支点A和B处的滚筒支架(1-2)固定安装在墙面上,再用吊装机械将滚筒吊至指定位置并安装固定两端,保持吊绳受力不变,此时支撑装置的压缩弹簧应处于自由状态,使托银和滚筒水平接触后,用膨胀螺栓通过孔T将安装支架(3-4)固定在墙面上(C点处),通过收紧调节螺栓I(2只)和调节螺栓Ⅱ(4只),逐步增加弹簧预紧力,直到弹簧压缩到理论尺寸,此时再将吊绳撤去,观察滚筒轴线与激光水平线偏移量,再次拧动调节螺栓I(3-1)和Ⅱ(3-8),使得滚筒轴线与激光水平线偏移量控制在5cm内。转动滚筒并观察支撑轨(3-5)能否在托银的带动下向下滑移,反之操作几遍,确保支撑轨滑移灵活,无阻滞,安装即完成,如图4所示。

实际安装时考虑到墙体承载能力、滚筒支架变形等因素,设计安全系数往往会选择偏大一点,通常在理论测算基础上增加1~2套支撑装置,推荐采用等距布置。

4应用效果

项目实施完成后,项目组及时跟踪该升降机构实际使用情况,在客户每天早晚升降各一次的使用频率下,安装1个月后实测滚筒轴线比初始位置下降了0.5cm,然后调整到初始位置:3个月后第二次测量比初始位置下降了0.2cm,再次调整到初始位置:半年后第三次测量与初始位置相比几乎无变化,说明在当前环境下各零部件应力基本处于平衡状态,此次无需调整:一年后根据实际检查情况做最后一次调整。

5结语

该支撑装置的设计并运用,成功解决了大跨度滚筒运转过程中挠度过大的问题,也为今后类似机构的设计提供了参考经验,该机构经过简单的变形设计可广泛应用于其他工程领域,以扩大经济效益。该装置材料的设计选型都以市场常规材料及成品件为主,采购成本低,装置结构简单、工作可靠,项目整体风险可控。