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输送。这种位移输送，不受地形条件的限制，跨河流越沟谷; 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机多用的问题(施特雷尔克，1987), 我国机械工业部也提出“提高农用拖拉机利用率”的发展方向，尔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，并取得一定效益(冯建祥，1997; 四川省林科所轻型索道组，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 技术关键 1.1 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/T 1289-2006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，当需要作为拖拉机使用时，能较快恢复成原机。对于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个工作环节过程。理论研究表明，为了发挥最大驱动功率，应尽可能实现全程动力平衡，回空速度与起重速度之比应为6.5，即为最佳经济速比(东北林业大学，1985)。由于手扶拖拉机倒档速度过低(仅为0.99 m·s^-1)，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，使倒档速度达3.25 m·s^-1，与起重速度0.5 m·s^-1之比恰为最佳经济速比。

1.3 缠绕卷筒

LY/T 1521-1999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全运行、卷筒有效工作长度、牵引索排列、整机尺寸、整机质量有很大关联。综合大量调查研究(罗才英等，2001)，本设计卷筒工作长度为550 mm，容绳量为Φ12.5 mm×700 m，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、牵引速度恒定，驱动机功率恒定。但是，与摩擦传动伴生的牵引索磨损问题一直难以解决。因此，JS3-2绞盘机的摩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停机怠速空转的待机方法，导致燃油消耗增加。此外，手扶拖拉机的排气管较短、距离机手较近，耳旁噪声高达100 dB; 由于绞盘机是定位运转，所排废气不能有效散发，也影响机手的健康。JS3-2绞盘机采用轮式拖拉机的电起动方式，既能免除费力的手摇起动，又可实现熄火待机，节约燃油。排气管采用新型的汽车排气柔性管，使废气沿机外地表排出，有效控制噪声在85 dB以下，废气也得到稀释，有利于机手的健康，实现人性化操作。

2 JS3-2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，形成不同的工作环节。因此，其总体动力学特性与单轴拖拉机有所不同。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。

2.1 起重拉力T_q(N)

起重拉力的计算公式如下：

(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，其中k₁=2(增力倍率)，q为钢索单位长度重力(N·m^-1)，H为地面至吊钩高程(m)，t为非松弛状态起重索张力(N); f为滑轮总阻力系数，f=1.02(滚动轴承); a为有效绳数，a=2;K为线路滑轮数，K=3;μ为滑轮省力系数(查μ值表，μ=0.53)。

单个游动滑车起重倍率是建立在起重索对其包角180°条件下的，随着重物提升，包角减小，起重倍率降低，起重索拉力增大; 随着起重过程起重索越接近外层，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：

(2)

式中：T_q为卷筒中层钢索最不利条件下的起重拉力(N); Δt_J为卷筒自身转动阻力(N)：，其中μ₁为轴摩擦系数，μ₁=0.005~0.010，D为卷筒底槽直径(mm)，d为轴径(mm)，G为卷筒重力(N); ν为起重索运行速度(m·s^-1); η为效率系数，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：

(3)

式中：T₀为引索安装拉力(N)，，其中S₀为无荷中挠系数，l₀为跨距(m); T_Q为由线路坡度及荷重产生的拉力(N)，T_Q=Qsinγ+f₀cosγ)，其中γ为跑车运行最大升角，f₀为载重跑车运行阻力系数，取f₀=0.01，Q=Q₁+Q₂，Q₁为有效荷重(N)，Q₂为跑车重力(N); ，其中α为弦倾角; x为跑车至上支架距离(m); H_x为承重点承载索水平拉力(N)，，其中n为荷重比，，l′为承载索曲线长(m)，; k为荷重所在位置系数，; T_R1为牵引索运行综合阻力(N)，T_R1=(T_Q+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;T_q1为牵引索自重分力(N)，T_q1=ql₀tanα; T_a1为牵引索运行惯性阻力(N)，T_a1=0.1a₁(Q+W₁)，其中a₁为加(减)速度，取a₁=1 m·s^-2。

2.4 牵引索松边张力T₂(N)

牵引索松边张力的计算公式如下：

(4)

式中：T_q2=T_q1，其余意义与紧边相同。T_R2=W₂f₂，其中，取W₂=W₁，f₂=0.12。T_a2=0.1a₂W₂，取a₂=1 m·s^-2。

2.5 重车运行功率N(kW)

重车运行功率的计算公式如下：

(5)

式中：Δt_J^′为摩擦卷筒自身转动阻力(N)，Δt_J^′= ，其中f₃为摩擦卷筒阻力系数，取f₃=0.06;d₂为摩擦卷筒轮轴直径(mm); D₂为绳槽直径(mm); G₂为摩擦卷筒重力(N)。

2.6 免滑条件

钢索在摩擦卷筒上不打滑条件由欧拉公式确定：

(6)

式中：e为自然对数底，e=2.718;μ为钢索与卷筒摩擦系数，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为免滑安全系数，k=1.2。

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

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。

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=600 m，弦倾角α=12°，承载索安装挠度系数S₀=0.025，防磨段x=30 m，承载索直径为26.5 mm，起重索、牵引索直径为12.5 mm，设计载荷15 000 N，吊钩及部分起重索800 N，跑车800 N。

经计算，起重提升牵引力T_q=7 879 N，跑车运行牵引力T=9 492 N，根据功率选择原则，计算出跑车运行功率N=10.4 kW，以此选择常通-15型手扶拖拉机(额定功率11.3 kW)作为JS3-2绞盘机的主机。

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。

操纵左、右离合拉手18，17，可以切断或接合发动机9至右、左驱动半轴的动力，左离合拉手18接合(此时右离合拉手17置分离)，摩擦卷筒12单独工作; 右离合拉手17接合(此时左离合拉手18置分离)，双联齿轮6及从动大齿轮27转动，分别操纵起重或回空卷筒3，29的离合拉手24，25接合或分离，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11 kW，档位进6倒2，额定牵引力18 kN，额定牵引速度0.50 m·s^-1，缠绕卷筒牵引力1.2~18 kN，牵引速度7.6~ 0.50 m·s^-1，摩擦卷筒牵引力1.8~18 kN，牵引速度5.0~ 0.50 m·s^-1，卷筒容绳量Φ12.5 mm×700 m，整机质量680 kg，外形尺寸2 150 mm×1 530 mm×1 050 mm。

JS3-2绞盘机实物，见图 3。

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(罗才英等，2001)，表中1, 2, 3均为简单的“拖拉机+卷筒”形式，4, 5, 6为轮式或履带式小集材绞盘机。7, 8则为技术性能类似传统绞盘机的机型，但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应能力较小，研制后未见有推广应用报导。JS3-1.5在上述方面比前7种机型有提高，但存在功率偏小及未实现操作人性化的问题。JS3-2则吸取我国手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，进行主机及功率选型，真实反映工程实践所需动力，并充分考虑：一机多用、速度和经济速比、卷筒容绳量、新型摩擦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余台在闽赣2省应用，范围涉及顺坡和逆坡集运材及楞场装车、水电大坝建材吊装、导流管逆坡铺设、高速路大桥吊装、景区建材逆坡双跨吊运和受限地段过河吊运等(陈勇，2000; 简本华，2003; 周新年，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景下，JS3-2绞盘机不仅在木材采运上得到应用，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。