吊具扭轉(zhuǎn)原因分析與解決方案

王宏偉， 顧紅澤

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

吊具扭轉(zhuǎn)原因分析與解決方案

王宏偉， 顧紅澤

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

通過對某地下水電站回轉(zhuǎn)起升機(jī)構(gòu)吊具扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象的原因進(jìn)行理論分析，并提出改進(jìn)意見和實施措施，為大揚程起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

鋼絲繩纏繞 吊具扭轉(zhuǎn) 打扭現(xiàn)象 抗旋轉(zhuǎn)

水電站啟閉機(jī)廣泛用于各種水電工程中，通常采用鋼絲繩滑輪組做吊具與閘門相連接，通過起升機(jī)構(gòu)使卷筒卷、放鋼絲繩從而帶動閘門升降實現(xiàn)閘門的啟閉，是防洪、抗旱、蓄水、發(fā)電等進(jìn)水吐水閘的配套裝備。隨著水電站的日益開發(fā)，水電站啟閉機(jī)的安全運行對發(fā)電工作的正常運行尤為重要，本文通過對某地下水電站門式啟閉機(jī)回轉(zhuǎn)起升機(jī)構(gòu)吊具扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象的原因進(jìn)行理論分析，并針對其設(shè)計缺陷提出改進(jìn)意見和實施措施，為大揚程起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

1 設(shè)備概況

某地下電站壩頂3 500/1 000/100 kN門式啟閉機(jī)是由某設(shè)計研究所2007年設(shè)計制造，1 000 kN起升機(jī)構(gòu)用于3 500 kN門式啟閉機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，工作級別為M4，起升高度為96 m（-84—12 m），采用型號為D32 ZABCFRC17FiX36-1870ZS的鋼絲繩進(jìn)行纏繞。

1 000 kN起升機(jī)構(gòu)布置及鋼絲繩纏繞結(jié)構(gòu)如圖1、圖 2所示。

2 起升機(jī)構(gòu)的現(xiàn)狀

1 000 kN起升機(jī)構(gòu)在運行使用一段時間后，出現(xiàn)鋼絲繩打扭現(xiàn)象，導(dǎo)致無法正常工作。對此，用戶將鋼絲繩拆下充分釋放鋼絲繩內(nèi)勁后重新穿上使用，打扭現(xiàn)象仍未消除。用戶又將起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩的纏繞方式改變?yōu)橄马搱D3所示形式，鋼絲繩打扭現(xiàn)狀在更改纏繞方式后使用初期有所改善，但設(shè)備運行一段時間后出現(xiàn)如下現(xiàn)象：吊具空載在地面以上出現(xiàn)大約45°的旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩之間出現(xiàn)摩擦，在吊具帶重物進(jìn)入地面以下（排污格柵入水）后吊具至少旋轉(zhuǎn)一周。

圖1 3 500/1 000/100 kN門式啟閉機(jī)1 000 kN起升機(jī)構(gòu)布置圖

圖2 3 500/1 000/100 kN門式啟閉機(jī)1 000 kN起升機(jī)構(gòu)纏繞圖

3 起升機(jī)構(gòu)的問題原因分析

3500/1000/100kN門式啟閉機(jī)，起升高度為96m屬大揚程起升機(jī)構(gòu)，采用的鋼絲繩為常規(guī)交互捻鋼絲繩俗稱旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，由中間一股纖維或者鋼芯，周圍多根鋼絲股組成。

圖3 3 500/1 000/100 kN門式啟閉機(jī)1000 kN起升機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀鋼絲繩纏繞圖

以右旋鋼絲繩為例，交互捻鋼絲繩結(jié)構(gòu)大致可以理解為：多根鋼絲繞成股時的繞向為左旋，多股鋼絲繞成繩的繞向為與其相反的右旋。也就是說交互捻鋼絲繩由鋼絲捻成股的捻制螺旋方向與由股捻成繩的方向相反。由于鋼絲捻成股和由股捻成繩的方向相反，鋼絲繩不易自行松散。

當(dāng)鋼絲繩承受拉力時，鋼絲繩的多個股有沿著其繞成繩的旋轉(zhuǎn)方向松脫的傾向，每一股的多根鋼絲有沿著其繞成股的旋轉(zhuǎn)方向松脫的傾向，這兩種旋轉(zhuǎn)傾向僅能相互抵消部分。一般來說鋼絲繩沿著多股鋼絲纏繞的方向旋轉(zhuǎn)的傾向大一些。所以此類鋼絲繩在單根使用時，都有沿著鋼絲繩繞向旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。

鋼絲繩提升重物時主要承受拉力，但要實現(xiàn)重物的上下運動和水平移動等，鋼絲繩必須繞過滑輪和卷筒，此時鋼絲繩將承受附加壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。在交捻繩中，鋼絲和繩股的自旋方向相反，如果兩者的旋轉(zhuǎn)方向達(dá)不到平衡，鋼絲繩在受載時會出現(xiàn)扭矩，鋼絲繩存在扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，再加上鋼絲繩成型過程中還有制造的殘余應(yīng)力。

卷筒上的螺旋構(gòu)造的繩槽使鋼絲繩在纏繞過程中產(chǎn)生一個繞本身軸線旋轉(zhuǎn)的內(nèi)應(yīng)力，而且該內(nèi)應(yīng)力隨著起升高度的增加，應(yīng)力也會越來越大。當(dāng)起升高度較低時，因為鋼絲繩不斷地環(huán)繞和放松，這一應(yīng)力得到周期性的釋放，但起升高度過高時鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)內(nèi)力就會逐漸累積，當(dāng)其到達(dá)一定高度時，鋼絲繩就會出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因為鋼絲繩的上端纏繞定在卷筒上，該自轉(zhuǎn)就會帶動下方吊鉤在空中打轉(zhuǎn)。

根據(jù)以上分析可以判定原因如下：

1）設(shè)計缺陷。1 000 kN起升機(jī)構(gòu)揚程較大，鋼絲繩出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的概率較高。原設(shè)計采用單根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，卷筒采用雙聯(lián)卷筒，使用過程中鋼絲繩只能與卷筒的一半繩槽旋向匹配，無法平衡鋼絲繩使用過程中的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象反而會增加鋼絲繩打扭趨勢。

2）鋼絲繩選型不合理。1 000 kN起升機(jī)構(gòu)所選用的鋼絲繩型號為32 ZABCFRC17FiX36-1870ZS，這種鋼絲繩是旋轉(zhuǎn)型鋼絲繩，抗扭性差，使用一段時間后需要將鋼絲繩從卷筒上拆卸下來，捋直進(jìn)行“放勁”處理。

4 解決方案

根據(jù)分析提出以下兩種解決方案。

4.1 方案1

將單根鋼絲繩纏繞方式改為兩根鋼絲繩纏繞（見圖4），同時采用抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，徹底解決鋼絲繩打扭現(xiàn)象。

此方案將原有的平衡滑輪改成平衡臂裝置（見圖5），改成平衡臂后鋼絲繩纏繞系統(tǒng)發(fā)生改變，將一根鋼絲繩纏繞改成兩根鋼絲繩纏繞，該纏繞系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

圖4 3 500/1 000/100 kN門式啟閉機(jī)1000 kN起升機(jī)構(gòu)兩根鋼絲繩纏繞圖

圖5 3 500/1 000/100 kN門式啟閉機(jī)1 000 kN起升機(jī)構(gòu)纏繞改善圖

1）兩根鋼絲繩纏繞型式在其中一根鋼絲繩斷裂后吊具仍能懸掛空中不至于墜落，有效地避免了危險隱患，安全性強(qiáng)。

2）采用兩根鋼絲繩纏繞后，卷筒繩槽旋向與鋼絲繩旋向合理搭配，可避免鋼絲繩在卷筒上的跳槽現(xiàn)象。

3）兩根鋼絲繩在卷筒上纏繞時出繩方向與卷筒纏繞方向一致可卸掉鋼絲繩的多數(shù)內(nèi)勁，能有效防止鋼絲繩打扭現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4）采用兩根抗旋轉(zhuǎn)型鋼絲繩進(jìn)行纏繞，充分利用抗旋轉(zhuǎn)型鋼絲繩的特點：鋼絲繩的密度系數(shù)大，因此比同直徑同強(qiáng)度的鋼絲繩破斷拉力高；與普通圓股鋼絲繩相比，多層股鋼絲繩在使用時與卷筒、滑輪的接觸面積大，耐疲勞性強(qiáng)；多層股鋼絲繩由于結(jié)構(gòu)的特殊性，自轉(zhuǎn)性小，掛繩使用后幾乎不旋轉(zhuǎn)，有利于高揚程起吊；多層股鋼絲繩俗稱低旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，制作時各相鄰層股的捻向相反，大大抵消鋼絲繩的內(nèi)在應(yīng)力。

平衡臂裝置為太原重工股份有限公司成熟技術(shù)，多年來已經(jīng)廣泛使用在各大鋼廠、水電站制造的門機(jī)、橋機(jī)、鑄造吊等多種起重設(shè)備上，均未出現(xiàn)鋼絲繩打扭現(xiàn)象。例如某工程50/32 t橋機(jī)，起升高度為85 m；32/16 t橋機(jī)，起升高度為82 m；某鋼廠鋼20 t橋機(jī)，起升高度為65 m；某水電站320 t門機(jī)，起升高度69 m，均采用此平衡臂裝置，設(shè)備運行狀況良好。

4.2 方案2

更改鋼絲繩類型及纏繞方式，緩解鋼絲繩打扭現(xiàn)象。

更換鋼絲繩類型采用抗旋轉(zhuǎn)型鋼絲繩，根據(jù)太原重工股份有限公司在工程起重機(jī)上的使用經(jīng)驗推薦采用英國布頓鋼絲繩，型號為：DYFORM34LR34X7-D32-1870的鍍鋅抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩；將鋼絲繩纏繞改為順纏型式，減小動、定滑輪組之間鋼絲繩纏繞的傾斜角度，盡量保證直上直下降低水平分力,纏繞方式見圖5。

增加吊具自身質(zhì)量，使鋼絲繩拉力遠(yuǎn)大于鋼絲繩承受的水平分力，緩解鋼絲繩打扭現(xiàn)象的發(fā)生，這種做法只能起到一定的輔助作用并不能有效防止鋼絲繩打扭。在滿足現(xiàn)有使用要求基礎(chǔ)上，將1 000 kN吊具滑輪軸加長，在吊具每側(cè)滑輪外側(cè)加配重塊，見圖6。

圖6 3 500/1 000/100 kN門式啟閉機(jī)1000 kN起升吊具滑輪組改造圖

該方案是在不改動原有結(jié)構(gòu)情況下的補(bǔ)救措施，只能在一定程度上緩解鋼絲繩打扭現(xiàn)象。

5 結(jié)語

當(dāng)啟閉機(jī)揚程較大時，鋼絲繩出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象的概率較高。采用雙聯(lián)卷筒加平衡臂裝置的纏繞方式，可以有效平衡鋼絲繩使用過程中的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象及打扭趨勢，宜作為大揚程啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)的首選方案。

（編輯：苗運平）

Causal Analysis and Resolution for the Reversing of Lifting Device

Wang Hongwei,Gu Hongze
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.,Ltd.,Taiyuan Shanxi 030024）

Theoretical analysis for the lifting device rotation phenomenon of the rotating hoist of the hydropower station is conducted in this paper.Improvement and implementation measures are proposed based on the revealing design defects,providing consultative suggestions for the designing of wire rope winding system of high-lift hoist system.

wire rope winding,rotation of lifting device,torsion phenomenon,anti-rotation

TH211

A

1672-1152（2017）04-0091-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2017.04.34

2017-07-25

王宏偉（1979—），男，畢業(yè)于太原科技大學(xué)機(jī)械工程及自動化，現(xiàn)就職于太原重工股份有限公司技術(shù)中心起重所，從事起重機(jī)機(jī)械設(shè)計，工程師。