一種新型的滑輪試驗裝置及其工作原理

趙 瑛 顧玉婷 周 侃

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

滑輪是起重機(jī)中必不可少的重要零部件，用以支撐鋼絲繩、改變鋼絲繩的走向、平衡鋼絲繩分支的拉力，同時可以組成滑輪組以實現(xiàn)省力或增速。

近年來，隨著海工市場的復(fù)蘇，越來越多的重大海工項目相繼投入市場，特別是海上風(fēng)電平臺項目，使得大噸位重型海上起重機(jī)的需求越來越大。大噸位起重機(jī)所配備的滑輪，已超出了原有設(shè)計手冊的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，需通過特種設(shè)備來檢測其安全性和可靠性。本文介紹的滑輪試驗裝置，基于龍源振華六號海上風(fēng)電安裝平臺上的2 500 t風(fēng)電安裝起重機(jī)滑輪而進(jìn)行設(shè)計試驗。

2 滑輪試驗的需求和驗證要求

2.1 試驗需求

滑輪作為可拆卸的起重機(jī)重要零部件，其安全性和可靠性都要經(jīng)過國家相關(guān)檢驗部門或者相關(guān)船級社的現(xiàn)場試驗見證并頒證后才能使用?；喌闹饕叽缡腔喼睆紻、輪轂寬度B和繩槽半徑r(見圖1)。其中，滑輪直徑D≥ed，e為滑輪與鋼絲繩直徑比系數(shù)，與機(jī)構(gòu)工作級別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)，d為鋼絲繩直徑。根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計手冊》，一般起重機(jī)的鋼絲繩直徑d最大為58～60.5 mm[1]。

圖1 滑輪典型結(jié)構(gòu)圖

龍源振華2 500 t風(fēng)電安裝起重機(jī)吊載能力為主鉤2 500 t，主鉤倍率為32，主鉤鋼絲繩的繩徑為62 mm，超出了《起重機(jī)設(shè)計手冊》規(guī)定的最大繩徑范圍，而大繩徑所對應(yīng)的滑輪也隨之增大，必須對這些大型滑輪進(jìn)行安全性和可靠性方面的試驗，以驗證其是否可靠耐用。但是傳統(tǒng)的滑輪試驗臺已經(jīng)不能滿足滑輪試驗的要求，需要用一種新型滑輪試驗裝置來進(jìn)行試驗。

滑輪型式一般分為鑄造滑輪、焊接滑輪、尼龍滑輪、雙幅板壓制滑輪等型式[2]。傳統(tǒng)的海工項目中的滑輪型式多采用鍛造加焊接形式或者鑄造滑輪，而龍源振華2 500 t風(fēng)電安裝起重機(jī)中的滑輪創(chuàng)新地采用了冷軋薄壁重載滑輪(見圖2)，繩槽經(jīng)淬火硬度可達(dá)HRC55左右，抗磨損，可終身不更換。為了確保這種新型的滑輪的安全使用，在使用前就必須驗證其強(qiáng)度和壽命方面的安全可靠。

圖2 冷軋薄壁重載滑輪

2.2 驗證要求

2.2.1 強(qiáng)度驗證

對于大尺寸焊接滑輪，在設(shè)計時必須對其進(jìn)行理論上的強(qiáng)度驗算。以龍源振華2 500 t風(fēng)電安裝起重機(jī)上的?62 mm的滑輪為例，當(dāng)給滑輪施加了260 t的拉力，偏角為5°時，通過有限元分析可以得出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪輻上的筋板和輪轂的交界處，即標(biāo)識MX處(見圖3)，此處為滑輪最容易出現(xiàn)變形的地方，也是滑輪試驗后需要著重檢查的地方。

圖3 有限元應(yīng)力計算分析

滑輪的安全性主要從強(qiáng)度方面進(jìn)行約束和限制，按照船級社規(guī)范中關(guān)于可拆卸零部件的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)滑輪的屬性和功能，對照其所需要的驗證負(fù)荷以驗證其安全性(見表1)。此外，加載在滑輪上的力還要考慮其方向性，此處有徑向力和軸向力[3]。

表1 船級社規(guī)定的可拆卸零部件的驗證負(fù)荷

在起重機(jī)行業(yè)中，通常將鋼絲繩的偏角限度在5°以內(nèi)。如果繞過滑輪的鋼絲繩呈零度角度布置，此時設(shè)定鋼絲繩額定拉力為P，則作用在滑輪上的徑向力為2Pcos5°，作用在滑輪上的軸向力為2Psin5°。

而當(dāng)滑輪在進(jìn)行拉力試驗時，設(shè)定滑輪為多餅滑車且SWL≤245 kN，則作用在滑輪上的鋼絲繩拉力為2P，相應(yīng)的，作用在滑輪上的徑向力為4Pcos5°，作用在滑輪上的軸向力為4Psin5°(見圖4)。

圖4 滑輪拉力試驗方案

2.2.2 壽命驗證

滑輪的可靠性主要從壽命上對其進(jìn)行驗證。根據(jù)F.E.M(歐洲起重機(jī)械設(shè)計規(guī)范)中工作級別的規(guī)定(見表2)，T5等級下最大使用時間為6 300 h，重型起重機(jī)械的利用等級一般在T5以下[4]。設(shè)定滑輪工作轉(zhuǎn)速為n(r/min)，試驗時間為ti(h)，則滑輪須驗證的運轉(zhuǎn)循環(huán)為60tin轉(zhuǎn)。

表2 歐洲起重機(jī)械設(shè)計規(guī)范中規(guī)定的利用等級

3 滑輪試驗裝置的組成及工作原理

3.1 試驗裝置的組成

滑輪試驗裝置由驅(qū)動端、從動端、中間段及其附件組成(見圖5)。其中，驅(qū)動端包含驅(qū)動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動端滑輪；中間段包含中間桁架、推力油缸；件7為從動端；附件包括鋼絲繩、鋼絲繩總跟及行程限位等。

1.驅(qū)動機(jī)構(gòu) 2.驅(qū)動端滑輪 3.鋼絲繩 4.中間桁架 5.鋼絲繩總跟 6.推力油缸 7.從動端滑輪圖5 滑輪試驗臺組成

3.2 工作原理

試驗開始前，驅(qū)動端滑輪和從動端滑輪偏斜布置，和中間桁架中心線呈5°角，滿足鋼絲繩正常纏繞最大5°偏角要求。試驗時，驅(qū)動端滑輪逆時針運動，鋼絲繩總跟由從動端運行至驅(qū)動端(不得過滑輪)。而后，驅(qū)動機(jī)構(gòu)改向，鋼絲繩總跟再由驅(qū)動端運行至從動端(不得過滑輪)。至此，試驗臺完成一次循環(huán)。

鋼絲繩總跟每次循環(huán)中的起始位置和終止位置，通過行程限位控制，鋼絲繩總跟觸碰到限位開關(guān)后，限位開關(guān)發(fā)信號給PLC，PLC控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向切換。

試驗中，鋼絲繩張力通過推力油缸進(jìn)行控制，從動端滑輪裝配布置在可以縱向滑動的框架內(nèi)，在推力油缸和鋼絲繩的作用下，沿桁架中心線做縱向運動。

設(shè)定單側(cè)鋼絲繩長度為L，試驗鋼絲繩拉力為2P，滑輪直徑為D，傳遞到滑輪上轉(zhuǎn)速為n驅(qū)，桁架截面面積為A，截面慣性矩為I；則試驗臺工作時，需滿足以下條件：

(1)桁架正應(yīng)力：σ=4P/A≤[σ]。

(2)桁架長細(xì)比：λ=L/sqrt(I/A)≤[λ]。

(3)工作臺每循環(huán)行程：2L。

(4)工作臺每循環(huán)相對于滑輪循環(huán)次數(shù)：2L/(3.14D)。

(5)工作臺每循環(huán)時間：2L/(3.14Dn驅(qū))。

此時，設(shè)定LS為滑輪額定最小載荷，LL為滑輪額定最大載荷，i為載荷序號，F(xiàn)為所選用的載荷值，F(xiàn)′為載荷比率，n(r/min)為滑輪轉(zhuǎn)速，t(h)為載荷對應(yīng)載荷譜的所占時間，w為滑輪循環(huán)次數(shù)，Km為載荷譜系數(shù)。

選取4種載荷譜，確定所對應(yīng)的的載荷值，根據(jù)F.E.M規(guī)范，驗證載荷譜系數(shù)在0.25～0.5之間(見表3)。如果載荷譜系數(shù)在區(qū)間內(nèi)，則證明所取用的載荷譜合理；反之則再次選取，直至載荷譜系數(shù)在范圍內(nèi)，再根據(jù)所選取載荷進(jìn)行試驗。

表3 不同載荷對應(yīng)的試驗臺試驗時間

4 實際應(yīng)用

以龍源振華2 500 t風(fēng)電安裝起重機(jī)的主鉤纏繞中的臂架改向滑輪為例，該滑輪直徑為62 mm，單側(cè)鋼絲繩長度為15 m，屬于單餅滑車，鋼絲繩的額定負(fù)荷為115 t，查表1經(jīng)計算得出強(qiáng)度試驗時，作用在試驗滑輪上的鋼絲繩拉力為300 t。主鉤的工作級別為T3，查表2得出滑輪的最大使用時間為1 600 h。

正式開始試驗前，先將裝置中的驅(qū)動端和從動端的2個待試驗滑輪設(shè)置為與桁架中心線呈5°角布置(見圖6)。然后啟動驅(qū)動端的電機(jī)，調(diào)節(jié)推力油缸給鋼絲繩施加300 t的拉力，先進(jìn)行強(qiáng)度試驗。按照CCS規(guī)范要求，驗證時間不少于5 min，實際驗證時間為10 min。

圖6 驅(qū)動端和從動端滑輪布置

強(qiáng)度驗證完成后，再進(jìn)行滑輪的壽命驗證。經(jīng)計算滑輪額定最小載荷LS為18.4 t，額定最大載荷LL為242 t，根據(jù)表4的載荷譜確定載荷值，此時設(shè)定滑輪轉(zhuǎn)速為7.25 r/min，驅(qū)動端傳遞的轉(zhuǎn)速為750 r/min，選取所占時間為320 h和640 h。此時，可以根據(jù)表3得出載荷譜系數(shù)Km為0.275，在0.25～0.5的范圍內(nèi)，則證明選取的載荷譜數(shù)值合理，可以繼續(xù)計算每次載荷所對應(yīng)的試驗臺試驗時間，最后根據(jù)表4中的4組載荷數(shù)據(jù)分別進(jìn)行4組試驗。

表4 實際試驗中載荷值和試驗時間

4組載荷試驗都完成以后，即壽命驗證完成，將滑輪從試驗臺上拆下，根據(jù)CCS規(guī)范對滑輪進(jìn)行全面檢查，不允許存在殘余變形、裂紋或者其他缺陷。檢查合格后，整個滑輪試驗結(jié)束。

5 與傳統(tǒng)試驗臺的對比分析

傳統(tǒng)的滑輪試驗臺是做成兩片式，即主動端和從動端分開，分別用拉力油缸固定，拉力油缸錨定在固定的水泥地基上。如果用傳統(tǒng)的設(shè)備來對龍源振華2 500 t風(fēng)電安裝起重機(jī)上的大型滑輪進(jìn)行試驗，由于實驗時滑輪所受的拉力巨大，會導(dǎo)致澆鑄于試驗臺上的水泥地基整體拉碎或者拉飛等危險狀況出現(xiàn)，極具安全隱患。此外，傳統(tǒng)的試驗臺對地基要求嚴(yán)格，適用性差，不適合移動使用，成本也較高。

而本文所述的滑輪試驗臺，工作時只需將橫向2個端面用擋塊固定即可，無須其他額外裝備配合。和傳統(tǒng)的試驗臺相比，此種新型的滑輪試驗臺可以不受地基限制，設(shè)備所受拉力均為內(nèi)力，安全性大大提高；其次，新型試驗臺移動方便，對場地的適應(yīng)性強(qiáng)，綜合成本也低。

6 結(jié)語

隨著起重機(jī)技術(shù)的推陳出新和設(shè)備的更新?lián)Q代，必然需要相應(yīng)的技術(shù)對其安全性進(jìn)行支持。新型滑輪試驗臺已經(jīng)成功為多種大型、新型滑輪進(jìn)行了強(qiáng)度和可靠性試驗，為大型和新型滑輪的安全使用提供了重要的技術(shù)支持，適合在行業(yè)中推廣和普及，也為起重機(jī)技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。