起重機鋼絲繩與卷筒的匹配分析

王金剛，李新凱

（河南衛(wèi)華重型機械股份有限公司，河南新鄉(xiāng) 453400）

0 引言

起重機工作時，重物通過鋼絲繩將鋼絲拉力傳遞給卷筒，重物升降過程中，卷筒還需將鋼絲繩整齊地排列在卷筒繩槽中，卷筒與鋼絲繩的匹配狀況決定了起重機使用性能的好壞。起重機使用頻率高、起升高度大時，鋼絲繩在卷筒的繞繩速度非?？欤硗踩堇K量也會特別大。鋼絲繩在多層卷筒且繩速非?？斓墓r下，鋼絲繩磨損的加快導致起重機意外損壞的可能性增加，造成項目誤工、停工將帶來巨大的經(jīng)濟損失。卷筒繩槽類型的選擇和繩槽節(jié)距的設(shè)計，卷筒上鋼絲繩中心相對卷筒繩槽中心偏角大小的設(shè)計，鋼絲繩結(jié)構(gòu)類型的選擇，多層纏繞時擋環(huán)引導繩槽的設(shè)計，卷筒繩圈間過渡形式等鋼絲繩與卷筒匹配等諸多問題需特別注意。

1 鋼絲繩卷繞中常見問題及解決措施

當起升高度超過GB/T 790—1995 電動橋式起重機跨度和起升高度系列標準范圍時，起升卷筒要特殊考慮。起升高度特別大時，會造成鋼絲繩進出卷筒和滑輪時與繩槽間的偏斜角增大，加快鋼絲繩的磨損，導致滑輪或卷筒繩槽的破壞，甚至引起鋼絲繩跳槽。常用的螺旋槽卷筒方案在多層卷繞時，鋼絲繩亂繩現(xiàn)象特別明顯，鋼絲繩磨損嚴重，鋼絲繩使用壽命大大縮短。卷筒與鋼絲配匹配問題對應措施:

（1）增加卷筒鋼絲繩容繩量。簡單增大卷筒直徑或長度，將會導致起重機尺寸過大。隨意加長卷筒長度，還可能導致鋼絲繩偏角增大，鋼絲繩出入滑輪的偏角≤5°,鋼絲繩進出卷筒的偏角應≤3.5°。偏角過大還可能導致繩槽的破壞、跳槽等問題，通常此方案適合起升高度增加不多的情況。

（2）雙層卷繞。鋼絲繩固定在卷筒中間，繩由中間向兩側(cè)纏繞。由于卷筒端部設(shè)置有擋環(huán)和鋼絲繩爬繩導向裝置，鋼絲繩纏繞到卷筒端部時，由于鋼絲繩偏斜力的水平分力指向卷筒中間，因為卷筒擋環(huán)的阻擋，鋼絲繩第二層向卷筒中間纏繞。鋼絲繩的卷筒繩槽偏角≤3°，否則很可能致使第二層鋼絲繩排列混亂，鋼絲繩在卷筒中部堆集。此方案多于不頻繁使用的水電站啟閉機等場合。

（3）鋼絲繩多層卷繞時在卷筒中間堆集。鋼絲繩第二層爬升過程中無導向裝置，鋼絲繩偏角設(shè)計不合理，所選鋼絲繩旋向錯誤，使用過程中鋼絲繩捻力無法釋放，容易松散打結(jié)。解決這些問題，可采取以下措施:①合理加裝排繩器。排繩器種類結(jié)構(gòu)形式較多，要根據(jù)設(shè)計方案合理加裝排繩器，避免畫蛇添足，因為增加排繩器容易出現(xiàn)鋼絲繩頻繁卡死現(xiàn)象；②卷筒繩槽設(shè)計為不易亂繩的平行折線繩槽，在卷筒端部擋環(huán)上設(shè)置便于鋼繩爬升到第二層的裝置[1]，為了使鋼繩對卷筒的偏角≤3°，應合理設(shè)計卷筒長度和卷筒直徑。

（4）卷筒作業(yè)時產(chǎn)生的軸向力導致卷筒軸向竄動，卷筒加工直徑誤差大或鋼繩纏繞不對稱，卷筒上鋼絲繩偏角不同產(chǎn)生的水平分力無法抵消軸向力；由于起升高度大，鋼絲下降過程中吊點兩側(cè)鋼絲繩彈性變形量不同導致吊具不水平，產(chǎn)生軸向力。對此，可采取以下措施:卷筒上鋼繩纏繞量安裝時盡量保持對稱；大起升高度起重機使用一段時間后檢查卷筒兩側(cè)鋼絲繩纏繞長度是否一致，不能發(fā)生吊具傾斜造成卷筒單邊受力過大；起升高度特別大時，鋼絲繩出廠前進行預拉伸處理，將鋼絲繩彈性變形量降到最小。

2 鋼絲繩的選擇

2.1 選擇合適的高強度鋼絲繩

保證安全的情況下，采用經(jīng)過特殊設(shè)計和生產(chǎn)的高強度鋼絲繩，可有效減小鋼絲繩直徑，滿足鋼絲繩、卷筒的繩徑比。通過減小滑輪和卷筒的尺寸、卷筒和減速箱的尺寸提高卷筒容繩量。高強度鋼絲繩有較長的使用壽命，較短的誤工期和較低的維護成本，可降低用戶使用總成本，提高產(chǎn)品競爭力。

2.2 鋼絲繩結(jié)構(gòu)型式的選擇

正確選擇鋼絲繩非常重要。鋼絲繩選擇不當會縮短鋼絲繩的使用壽命，引起鋼絲繩結(jié)構(gòu)的變化，如產(chǎn)生鳥籠現(xiàn)象、滑輪和載荷旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象等。

鋼絲繩由于繩芯材料、繞制方法、鋼絲接觸狀態(tài)和繩股斷面形狀不同，導致使用效果差別大。非旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和旋轉(zhuǎn)鋼絲繩的適用條件:非旋轉(zhuǎn)型鋼絲繩適用于提升高度大的多滑輪系統(tǒng)和單索提升系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)鋼型絲繩適用于提升高度小和多滑輪系統(tǒng)左、右旋鋼絲繩配對的提升系統(tǒng)。非旋轉(zhuǎn)的鋼絲繩應和應力釋放器一起使用，而旋轉(zhuǎn)的鋼絲繩不能和應力釋放器一起使用。

2.3 鋼絲繩最佳捻向的選擇

圖1 為鋼絲繩捻向示意。提升繩在受載荷的情況下都會產(chǎn)生扭矩（圖2），此扭矩由鋼絲繩的構(gòu)造（捻距長度，捻層類型和方向）以及拉力決定，扭矩的作用是造成鋼絲繩松散。

使用相同捻向的兩根鋼絲繩，其旋轉(zhuǎn)將使兩根繩子在卷筒上移動，明顯的是在卷筒的左端鋼絲繩將盡可能地遠離前一圈[3]。

因為鋼絲繩扭矩和卷筒螺旋繩槽的作用，右側(cè)鋼絲繩排列的緊密，左側(cè)鋼絲繩排列松散。不同旋向鋼絲繩和卷筒繩槽的配合，會使鋼絲繩在使用中出現(xiàn)不同的效果。

這種原則尤其適用于平滑卷筒和多層纏繞的情況下。對于單層纏繞的有繩槽的卷筒，此種應用并不一定采用，原因在于繩槽會把繩子向正確的位置驅(qū)動?；趯︿摻z繩使用壽命產(chǎn)生的積極效果，應提倡使用對稱（左旋和右旋捻向）的鋼絲繩。左旋的鋼絲繩適用于右旋的卷筒，右旋的鋼絲繩適用于左旋的卷筒。

圖1 鋼絲繩捻向

圖2 鋼絲繩在卷筒上的扭矩

3 平行折線卷筒的應用

德國利巴斯公司于20 世紀60 年代發(fā)明了平行折線卷筒，又稱雙折線繩槽卷筒，多年實際使用證明，這種特殊繩槽結(jié)構(gòu)的卷筒，能解決多層卷繞難題。

采用傳統(tǒng)單層螺線繩槽纏繞的卷筒已能滿足超高起升高度起重機的使用要求，平行折線繩槽卷筒的多年實踐及現(xiàn)場使用效果證明，這種特殊繩槽結(jié)構(gòu)的卷筒，能很好地解決多層卷繞的諸多難題，還可以省去排繩裝置，起升機構(gòu)尺寸無需增大太多，在空間尺寸有限制的場合更適合使用平行折線卷筒。

圖3 平行折線卷筒結(jié)構(gòu)

平行折線卷筒和普通卷筒的最大區(qū)別在于繩槽的結(jié)構(gòu)形式，如圖3 所示，平行折線卷筒每圈繩槽由2 段平行繩槽和2段螺旋繩槽組成。常規(guī)起重機用的卷筒多為螺線型繩槽或光面無繩槽卷筒。折線卷筒有2 個過渡的折線繩槽，其余都是平行于卷筒徑向的直線繩槽（每圈繩槽，平行繩槽占2/3，過渡折線繩槽占1/3），每段折線繩槽恰好跨越1/2 繩槽節(jié)距，2段折線繩槽使鋼絲繩纏繞一周跨越一個繩槽節(jié)距[4]。當鋼絲繩在第一層纏繞完后，繩圈之間的間隙形成了與卷筒繩槽相同的平行折線槽型，第二層、第三層……鋼絲繩就可以在每層平行折線繩槽上整齊地排列，避免了亂繩現(xiàn)象。平行折線卷筒還有一個特點，其卷筒端部法蘭底部設(shè)計有鋼絲繩引導爬升裝置，可以保證鋼絲繩整齊平穩(wěn)地爬升到上一層，繼續(xù)在下一層有序排列。

國內(nèi)起重機企業(yè)從德國引進利巴斯卷筒，消化吸收后進行改進。其中對折線卷筒擋環(huán)結(jié)構(gòu)進行的改進，是在平行折線卷筒擋環(huán)上增加引導繩槽，保證鋼絲繩在卷筒各層過渡時整齊有序地排列，不會出現(xiàn)普通卷筒多層纏繞的亂繩現(xiàn)象，避免了傳統(tǒng)螺旋型繩槽卷筒多層纏繞時的諸多問題。折線卷筒多層纏繞大大增加了鋼絲繩的容繩量，解決了大起升高度起重機使用中的諸多技術(shù)難題。減小了起升機構(gòu)的尺寸，便于起升機構(gòu)減速機的選型，不必擔心卷筒直徑增大過多，造成減速機中心距不夠。減速機無需增大就可以解決大起升高度起升機構(gòu)的布置問題，保證起重機整車成本可以控制在合理范圍。

4 結(jié)語

起重機工作時卷筒與鋼絲繩相互影響，設(shè)計選型卷筒與鋼絲繩的匹配需要注意:①卷筒繩槽類型的選擇和繩槽節(jié)距的設(shè)計是否合理；②多層纏繞時擋環(huán)引導繩槽的設(shè)計是否合理；③卷筒繩圈間過渡形式；④卷筒上鋼絲繩中心相對卷筒繩槽中心偏角的大??；⑤鋼絲繩結(jié)構(gòu)類型的選擇。結(jié)合理論分析與實踐經(jīng)驗，合理選擇鋼絲繩和卷筒，可以提高起重機的使用性能，消除安全隱患。