以手扶拖拉机为主机的 JS3-2 绞盘机研制

第46卷第3期2010年3月

林

SCIENTIA

业科

SILVAE

学

SINICAE

Vol.46，No.3Mar.，2010

2绞盘机研制以手扶拖拉机为主机的JS3-罗才英

（福建农林大学交通学院

福州350002）

摘要：论述手扶拖拉机改制绞盘机的技术关键，对绞盘机进行总体动力学分析，提出真实反映绞盘机功率的计

即按最不利工作条件计算起重提升功率和重车上行功率，择其大者并有一定过载能力的计算方法，以此作为算法，

JS3-2绞盘机主机———手扶拖拉机选型的依据。介绍JS3-2绞盘机整机构造、工作原理及其主要技术参数，并进行2绞盘机具有合理的功率匹配、性能分析，阐述其在生产中的应用。实践证明：JS3-优越的性能、人性化的操作，在路桥和水利电力工程等领域得到广泛应用。木材采运、关键词：

绞盘机；技术关键；动力学分析；技术参数；应用分析

文献标识码：A

文章编号：1001－7488（2010）03－0122－06

中图分类号：S776.02

DevelopmentofJS3-2WinchMadeMainframeatWalkingTractor

LuoCaiying

（TrafficCollege，FujianAgricultureandForestryUniversity

Fuzhou350002）

Abstract：Thekeytechnologiesofwinchstrypped-downofwalkingtractorwerediscussed.Thecollectivitykineticsof

winchwasanalyzed.Amethodforcalculatingpowersofwinchwasproposed.Accordingtotheworstworkingcondition，thehoistpowerandtheloaduppowerwerecalculated，thelargerpowerwitchhaddefiniteoverloadingcapacitybetweentwoworkingpowerswasselected.ThelargerpowerwasusedtobegisttoselectthemainframeofJS3-2winch.Theconstitution，principleandmaintechnicalparametersofJS3-2winchwereintroduced.PerformanceofJS3-2winchwasanalyzed.TheapplicationofJS3-2winchinproductionwasexpounded.PracticeprovesthatJS3-2winchhasadvantagesoflogicalpowerexcellentperformanceandhumanitymanipulation.JS3-2winchisappliedwidelyinmanydisciplines，suchasmatching，

roadandbridge，irrigationworkandelectricpowerengineering，andsoon.loggingandtransportofwood，Keywords：

winch；keytechnology；kineticsanalysis；technicalparameter；applyanalysis

绞盘机是工程索道的主要设备，在它的驱动下，工程索道完成对荷载沿缆索方向的水平和垂直位移不受地形条件的限制，跨河流输送。这种位移输送，

越沟谷；不受荷重条件的限制，从物料吊装到人员载运；比起常规的物流运输，它具有投资少、效率高和安全可靠的特点。因此，广泛应用于林业、矿业、客运和各种土建工程的无支架施工作业。

20世纪初一些发达国家就提出农用拖拉机一1987），机多用的问题（施特雷尔克，我国机械工业“提高农用拖拉机利用率”的发展方向，尔部也提出

后出现多种以手扶拖拉机为主机改制的绞盘机，应用于林业、矿山、路桥和水利电力工程，并取得一定1997；四川省林科所轻型索道组，效益（冯建祥，

1983；广东木材运输公司，1978；刘勤等，1993）。但是，由于手扶拖拉机单轴结构的特殊性，同时，由

于应用于缆索起重运输机作业的绞盘机的特殊性，在设计理论和应用技术上多有不完善之处。现结合JS3-2型绞盘机设计，对上述问题进行研讨。

1

1.1

技术关键

一机两用与性能要求

一机两用的含义是指，改制成的绞盘机技术性

能满足LY/T1289－2006的要求，是一台真正意义上的绞盘机，但这种改制在结构上变动不能太大，当能较快恢复成原机。对于需要作为拖拉机使用时，

单轴结构手扶拖拉机而言，确实是一个技术难题，国内外有关手扶拖拉机改制绞盘机的实例已经证明了这点。

本设计在分析研究手扶拖拉机传动系统结构和工作原理的基础上，利用其左、右半轴的特殊传动结

收稿日期：2009－03－31。

）。

构，分别向绞盘机的缠绕卷筒和摩擦卷筒传递动力，从而解决这一技术难题，即左半轴驱动下卷筒传动齿轮及与下卷筒传动齿轮常啮合的上卷筒传动齿轮；右半轴直接驱动摩擦卷筒。一台高性能绞盘机（三卷筒绞盘机）的基本结构就形成了，而对于原机（手扶拖拉机）构造上却没有大的改变，易于复原。1.2

速度与经济速比

林业索道和缆索起重运输机作业工艺为起重提升、重车运行、空车回空和空钩落钩4个工作环节过为了发挥最大驱动功率，应尽可程。理论研究表明，

能实现全程动力平衡，回空速度与起重速度之比应1985）。为6.5，即为最佳经济速比（东北林业大学，·s－1），由于手扶拖拉机倒档速度过低（仅为0.99m这也是以前同类改制机效率不高的原因之一，本设计通过对Ⅰ倒档齿和倒档双联齿的改造，使倒档速

－1－1

与起重速度0.5m·s之比恰度达3.25m·s，

摇起动，又可实现熄火待机，节约燃油。排气管采用使废气沿机外地表排出，有新型的汽车排气柔性管，

效控制噪声在85dB以下，废气也得到稀释，有利于实现人性化操作。机手的健康，

2JS3-2绞盘机总体动力学分析

缆索起重运输机是由承载索、牵引索、跑车和绞

盘机组成的机械系统。由于作业目的和地形条件的不同，工程上形成多种索系及其配置，形成不同的工其总体动力学特性与单轴拖拉机有作环节。因此，

所不同。绞盘机的动力学特性十分复杂，现仅以典型的缆机增力式索道为例进行分析，见图1。

为最佳经济速比。1.3

缠绕卷筒

LY/T1521－1999规定卷筒中层钢索牵引力为额定牵引力；卷筒的容绳量、几何尺寸与牵引索安卷筒有效工作长度、牵引索排列、整机尺寸、全运行、

整机质量有很大关联。综合大量调查研究（罗才英2001），本设计卷筒工作长度为550mm，容绳量等，

为Φ12.5mm×700m，使整机达到轻型化的目的。1.4

摩擦卷筒

缠绕卷筒的固有缺点为：工作长度受容绳量限制；绞盘机安装地点可选择性差；随着卷筒运转，钢索位于绕绳不同层次，导致牵引力、牵引速度不断变化，驱动机功率不断变化，无法实现全程动力平衡。而摩擦卷筒的运用克服了上述缺点。理论上索道可以无限伸长，绞盘机可以在任何方便地点安装；大部分线路（索道中段）上的牵引力、牵引速度恒驱动机功率恒定。但是，与摩擦传动伴生的牵引定，

JS3-2绞盘机的摩索磨损问题一直难以解决。因此，

擦卷筒采用双环槽结构加导向轮的传动方式，可以有效地减小牵引索的磨损。1.5

人性化操作

缆索起重机作业过程是由多工作环节组成，各工作环节的衔接需要一定的待机时间。由于手扶拖拉机手摇起动费力且不安全，机手往往采用不熄火导致燃油消耗增加。此停机怠速空转的待机方法，

外，手扶拖拉机的排气管较短、距离机手较近，耳旁噪声高达100dB；由于绞盘机是定位运转，所排废

2绞盘机，。2.1

图1

Fig.1

JS3-2绞盘机总体受力

SketchofforceofJS3-2winch

起重拉力Tq（N）

起重拉力的计算公式如下：

Tq=

f－1a+K

fQ－W=μQ－W。fa－1

（1）

式中：Q为重物（含吊钩、游动滑车和部分起重索）引起的重力（N）；W为吊钩落地的最小重力（N），W=k1qH+t，q为钢索单位其中k1=2（增力倍率），长度重力（N·m

－1

），H为地面至吊钩高程（m），t为

f非松弛状态起重索张力（N）；f为滑轮总阻力系数，=1.02（滚动轴承）；a为有效绳数，a=2；K为线路K=3；μ为滑轮省力系数（查μ值表，滑轮数，μ=0.53）。

单个游动滑车起重倍率是建立在起重索对其包随着重物提升，包角减小，起重倍角180°条件下的，

起重索拉力增大；随着起重过程起重索越率降低，

接近外层，起重速度越大，绞盘机所耗功率增大。2.2

起重提升功率N（kW）起重提升功率的计算公式如下：

式中：Tq为卷筒中层钢索最不利条件下的起重拉力（N）；ΔtJ为卷筒自身转动阻力（N）：ΔtJ=μ1

d

G，D

为绳槽直径（mm）；G2为摩擦卷筒重力（N）。2.6确定：

T2=

T1－T2eμβ－1

k。

（6）

免滑条件

钢索在摩擦卷筒上不打滑条件由欧拉公式

D为卷其中μ1为轴摩擦系数，μ1=0.005～0.010，d为轴径（mm），G为卷筒重力筒底槽直径（mm），

（N）；ν为起重索运行速度（m·s数，取η=0.80～0.85。2.3

牵引索紧边张力T1（N）

牵引索紧边张力的计算公式如下：

T1=T0+TQ+TR1+Tq1+Ta1。

T0=式中：T0为引索安装拉力（N），

（3）

ql0

，其中S0为8S0

－1

）；η为效率系

e=2.718；μ为钢索与卷筒式中：e为自然对数底，

摩擦系数，由润滑至干燥取μ=0.1～0.3；β为钢索在摩擦卷筒上的缠绕包角（rad）；k为免滑安全系k=1.2。数，

因卷筒上牵引索产生的力矩导致绞盘机头上1980）。仰，其力学机制见有关理论（翁家昌，

必须指出，由于起重索在卷筒的缠绕层次变化，在起重提升过程中，起重索的运行速度也相应变化；由于跑车运行升角是由负变正，越接近上支架升角越大，故而牵引索所受的力也变大，导致跑车运行速度变慢。

l0为跨距（m）；TQ为由线路坡度及无荷中挠系数，

TQ=Q（sinγ+f0cosγ），其中γ荷重产生的拉力（N），

f0为载重跑车运行阻力系数，为跑车运行最大升角，

Q=Q1+Q2，Q1为有效荷重（N），Q2为取f0=0.01，

跑车重力（N）；tanγ=tanα+

l0－2xqQ

+，其

2Hxcosαl0

()

中α为弦倾角；x为跑车至上支架距离（m）；Hx为Hx=承重点承载索水平拉力（N），

1

3功率选择与计算

确立绞盘机功率的原则是：在最不利工况（跑

ql0

1+12（n+8s0

Q

n2）（k1－k2n=，l′为承载其中n为荷重比，1），ql′l0

l′=；k为荷重所在位置系数，索曲线长（m），

cosαk1=

x

；TR1为牵引索运行综合阻力（N），TR1=l0

车接近上支点时，升角最大工况）下，分别计算起重提升功率和重载运行功率，两者中取数值大者，同时留有一定的过载功率。

以典型缆索起重运输机为例：已知索道跨距l0

=600m，弦倾角α=12°，承载索安装挠度系数S0=0.025，防磨段x=30m，承载索直径为26.5mm，起重索、牵引索直径为12.5mm，设计载荷15000N，吊钩及部分起重索800N，跑车800N。

经计算，起重提升牵引力Tq=7879N，跑车运行牵引力T=9492N，根据功率选择原则，计算出跑车运行功率N=10.4kW，以此选择常通－15型手2绞盘机的扶拖拉机（额定功率11.3kW）作为JS3-主机。

（TQ+W1）f1，其中W1为紧边索重（N），W1=ql0secα；f1为牵引索运行综合阻力系数，取f1=0.06；Tq1为牵引索自重分力（N），Tq1=ql0tanα；Ta1Ta1=0.1a1（Q+W1），为牵引索运行惯性阻力（N），

·s－2。其中a1为加（减）速度，取a1=1m2.4

牵引索松边张力T2（N）

牵引索松边张力的计算公式如下：

T2=T0－TR2+Tq2－Ta2。

（4）

式中：Tq2=Tq1，其余意义与紧边相同。TR2=W2f2，其中，取W2=W1，f2=0.12。Ta2=0.1a2W2，

－2

取a2=1m·s。

4构造及工作原理

JS3-2绞盘机，由主机、工作卷筒和爬犁式底架

以及操纵机构组成，见图2。2个缠绕卷筒均采用锥盘式离合器和外带式制动器。摩擦卷筒为双环槽式内置内涨蹄式制动器。动力经以下路线传递：左驱

（5）

动半轴→主动齿轮→双联齿轮→锥形离合器→起重卷筒；双联齿轮→从动大齿轮→锥形离合器→回空卷筒；右驱动半轴→摩擦卷筒。

17，操纵左、右离合拉手18，可以切断或接合发9至右，18接）2.5重车运行功率N（kW）重车运行功率的计算公式如下：

［（T1－T2）+Δt′νJ］

N=。

1000η

式中：Δt′Δt′J为摩擦卷筒自身转动阻力（N），J=d21

（T1+T2）3f3+μG2，其中f3为摩擦卷筒阻力系2D2数322

分离），双联齿轮6及从动大齿轮27转动，分别操纵29的离合拉手24，25接合或分起重或回空卷筒3，

离，可使起重或回空卷筒独立工作。

5技术参数

JS3-2绞盘机的性能参数如下：额定功率

11kW，档位进6倒2，额定牵引力18kN，额定牵引

－1

速度0.50m·s，缠绕卷筒牵引力1.2～18kN，牵－1

引速度7.6～0.50m·s，摩擦卷筒牵引力1.8～－118kN，牵引速度5.0～0.50m·s，卷筒容绳量

Φ12.5mm×700m，整机质量680kg，外形尺寸

图2

Fig.2

JS3-2绞盘机结构示意

SchemeofJS3-2winch

2150mm×1530mm×1050mm。

JS3-2绞盘机实物，见图3。

1：螺套Turnbuckle；2：外带式驱动器Beltdriver；3，29：卷28：锥型离合器Conical筒Reel；4：主动齿轮Drivinggear；5，

clutch；6：双联齿轮Double-linkedgears；7：带轮Beltpulley；8，11：牙嵌式离合器Jawclutch；9：发动机Engine；10：电动机Electromotor；12：摩擦卷筒Frictionreel；13：内涨蹄式制动器Internalexpandingshoebrake；14：主离合器Mainclutch；15：变速箱Gearbox；16：油门Accelerograph；17，22：前置离合拉手Frontendclutchlever；18：主离合拉手Mainclutchlever；19，23，26：脚制动踏板Brakepedal；20：变速杆Gearlever；21：转向轮Turningwheel；24，25：卷筒离合拉手Reelclutchlever；27：从动大齿轮Drivengear.

图3

Fig.3

JS3-2绞盘机

PhotoofJS3-2winch

工作；右离合拉手17接合（此时左离合拉手18置

表1

Tab.1

序号

Ordinalnumber123456789

型号ModeltypeJS2-1.0JS2-0.4JS2-0.8JSX2-0.4JJX-2.5JJX-1.5JS3-0.8JS3-1.5JS3-2

功率Power/kW7.53.75.94.98.87.48.88.811

4/0.725/0.4～0.715/0.48/0.614/0.51.2～17/

国内以手扶拖拉机为主机的绞盘机

WinchmademainframeatwalkingtractorinChina

牵引力/速度

－1

Tractiveforce/kN/speed/（m·s起重Lifting10/0.5

回空Returnidler

）

摩擦Friction10/0.51.3～5.8/3.3～0.82.0～9.3/3.3～0.7

卷筒数Reelnumber222211

档位Shiftleverposition正6倒2D6，R2正4倒2D4，R2正4倒2D4，R2正6倒2D6，R2正2倒1D2，R1正2倒1D2，R1正6倒2D6，R2正6倒2

R2D6，正6倒2容绳量

Amountofrope（Φmm×m）

起动方式Startmode手动Manual手动Manual手动Manual

整机质量Operatingmass/kg

230230340700300850650680

9.3×7010.5×1009.3×809.3×5009.3×80012.5×700

手动Manual手动Manual手动Manual手动Manual手动Manual电动5/1.0

14/0.51.2～17/3～8/3.2～0.41.8～18/333

6分析比较

我国以手扶拖拉机为主机改制的绞盘机见表1

传动及人性化操作等技术关键。

7生产应用

JS3-2绞盘机经数年完善，技术成熟。现有10

（罗才英等，2001），2，3均为简单的“拖拉机表中1，+卷筒”4，5，6为轮式或履带式小集材绞盘形式，8则为技术性能类似传统绞盘机的机型，但机。7，

JS3-0.8照搬手扶拖拉机的变速系，未考虑生产工艺中全程动力平衡及经济速比，技术指标落后，其传动结构不甚合理；整机布置上，发动机与操作位相邻，振动及噪声干扰大，功率偏小，对各种作业要求的适1.5应能力较小，研制后未见有推广应用报导。JS3-在上述方面比前7种机型有提高，但存在功率偏小2则吸取我国手及未实现操作人性化的问题。JS3-扶拖拉机改制绞盘机及工程实践的经验，在典型索道绞盘机总体动力学分析的基础上，进行主机及功真实反映工程实践所需动力，并充分考虑：率选型，

一机多用、速度和经济速比、卷筒容绳量、新型摩擦

表2

Tab.2

示图Instance

余台在闽赣2省应用，范围涉及顺坡和逆坡集运材水电大坝建材吊装、导流管逆坡铺设、及楞场装车、

高速路大桥吊装、景区建材逆坡双跨吊运和受限地2000；简本华，2003；周新年，段过河吊运等（陈勇，

2008）。表2为其中几个典型应用实例（示图略去绞盘机及工作索系布置）。在我国木材采运技术基本上回到手工作业状态，传统绞盘机被淘汰的大背JS3-2绞盘机不仅在木材采运上得到应用，景下，在国民经济其它领域也得到认同。工程实践证明：JS3-2绞盘机具有结构紧凑、通用性好、操作人性化、节能和价廉等优点；与传统绞盘机相比，其整机结构和工作性能均得到优化。

JS3－2绞盘机应用实例及分析

应用分析Application

analysis

京福高速南平土地洋大桥吊装，单车混凝土2t，总吊量1.2万t。比塔吊效率提

成本降低10%。LiftonNanpingTudiyangbridgeonBeijing-Fuzhou高0.2倍，

motorway，eachliftingconcreteweightis2t，totalliftingweightare1.2×104t.

Efficiencyisimproved0.2timesandcostisreduced10%thanthatoftower

crane.

ApplyexampleandanalysisofJS3-2winch

福建莆田市壁院水电站Φ800mm×6000mm×9m导流管逆坡铺设，单车载量1t，200t，，。Biyuanhydraulicpower总吊装量人工或其他机械无法吊装效益显著

plant，Putiancity，FujianProvince，duckisuphilllaid，eachliftingweightis1t，totalliftingweightis200t，handworkandothermachinecannotlifton，benefitis

obvious.

福建南平王台采育场9号林班原木顺坡集材、装车，单车载量2m3，总吊装量360m3。比手工作业效率提高2倍，成本降低26%。Compartment9，WangtaiforestrycuttingandplantingfarminNanpingcity，FujianProvince，eachliftingvolumeis2m3andtotalliftingvolumeis360m3whenclearlogaredownhillskiddedandloadedtruck.Efficiencyisimproved2timesandcostisreduced26%thanthatofhand

work.

福建三明市莘口水电站大坝建筑材料及安装电机吊装，单车载量1.5～2.5t，总

1.8t，1.5，30%。Xinkouhydraulic吊装量万工效比塔吊或人工提高倍成本降低

powerplant，Sanmingcity，FujianProvince，inliftingonconstructionalmaterialsofdamandsettingelectricmachine，eachliftingweightis1.5～2.5t，totalliftingweightis1.8×104t，workefficiencyisimproved1.5timesandcostisreduced30%thantatoftowercraneorhand

work.

江西省瑞昌市青山林场8号林班，杉木原条逆坡集材，单车载量1m3，总集材量150m3。工效比手工提高2.5倍，成本降低30%，为该省首次应用机械逆坡集材。Compartment8，Qingshanforestfarm，Ruichangcity，Jiangxi，eachliftingvolumeis1m3andtotalliftingvolumeis150m3whenfirclearlogareuphillskidded，workefficiencyisimproved2.5timesandcostisreduced30%thanthatofhandwork.This

罗才英，周新年，冯建祥，等.2001.以手扶拖拉机为原型机的集材

参考文献

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广东木材运输公司.1978.改制简易绞盘机.森工科技通讯.刘

勤，黄晓山，刘易善.1993.自行式双卷筒小集中轻型绞盘机的29（6）：515－520.研究.林业科学，

82－84.东北林业大学.1985.林业索道.北京：中国林业出版社，

（责任编辑石红青）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o9hq.html