夏常福

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210017）

淺析多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)在大起升高度起重機(jī)上的應(yīng)用

夏常福

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210017）

隨著大起升高度起重機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用增多，多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)已成為起重機(jī)領(lǐng)域的新研究熱點(diǎn)。本文在對多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和研究進(jìn)展進(jìn)行整理和分析的基礎(chǔ)上，從鋼絲繩特性、入槽偏角、仿真數(shù)據(jù)累計(jì)等角度分析了目前對多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)研究不充分的原因，最后給出了卷筒本體優(yōu)化、張緊裝置設(shè)計(jì)和導(dǎo)繩裝置研發(fā)等新的研究方向。

起重機(jī)；多層鋼絲繩纏繞；雙折線卷筒

起重機(jī)作為一種生產(chǎn)型特種設(shè)備在大型工程施工，在高層建筑建設(shè)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。隨著起重機(jī)起升高度的加大和起升重量的增加，起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩纏系統(tǒng)的繞繩量和復(fù)雜程度增加。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是加大卷筒直徑或長度和改變繩系的倍率，但這種設(shè)計(jì)方法已無法完全滿足用戶對起重機(jī)的使用要求。因?yàn)榧哟蠛蟮木硗矊⒁馕吨龃蟮闹亓亢娃D(zhuǎn)動(dòng)慣量，這就需要更大的電機(jī)容量和使用空間，增大倍率意味著降低起升效率，在設(shè)計(jì)上多半采用鋼絲繩在卷筒上的多層纏繞方式來解決這一難題。在起重機(jī)的使用過程中，要求鋼絲繩能夠整齊的卷繞，避免出現(xiàn)亂繩現(xiàn)象。因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)了亂繩現(xiàn)象，會造成鋼絲繩或卷筒等主要零部件的過快磨損。對于大起升高度起重機(jī)來說，更換一次鋼絲繩不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會造成過多的經(jīng)濟(jì)損失。目前，用于大起升高度起重機(jī)的多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究已成為國內(nèi)起重機(jī)行業(yè)的新熱點(diǎn)。

1 研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

在不能無限度提高卷筒直徑或長度，并不降低起升效率的情況下，多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)成為大起升高度起重機(jī)的首選。纏繞系統(tǒng)包括鋼絲繩、卷筒、導(dǎo)繩裝置、滑輪等多個(gè)零部件，同時(shí)纏繞系統(tǒng)的工作狀況又與鋼絲繩尺寸、纏繞速度、纏繞層數(shù)和系統(tǒng)布置等因素有關(guān)。其中卷筒是卷繞和容納鋼絲繩的部件，通過對鋼絲繩的收放，可把原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力傳遞給鋼絲繩，并將原動(dòng)機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。目前市面上，最常見的多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)按照繩槽排列形狀的不同進(jìn)行分類，主要分為無繩槽卷筒、螺旋線式卷筒、折線式卷筒。其中折線式卷筒由于其適用于多層纏繞，被越來越被廣泛地使用。

我國于20世紀(jì)80年代引進(jìn)了折線卷筒，主要用于礦山挖掘、石油開發(fā)、港口起重機(jī)械上，對幾十米到上百米的高揚(yáng)程大重物的大型起重機(jī)的需求上，雙折線式卷筒應(yīng)用愈加廣泛。例如在三峽水利樞紐工程的左岸電站尾水部分雙向門式起閉機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，在東風(fēng)水電站瀉洪系統(tǒng)、揚(yáng)程、斜拉10°的固定式啟閉機(jī)上的應(yīng)用等等。這些新應(yīng)用的卷筒的共同特點(diǎn)是可以多層纏繞鋼絲繩，避免了傳統(tǒng)卷筒只纏繞一層鋼絲繩的缺點(diǎn)，而且縮短了卷筒長度，簡化了結(jié)構(gòu)。

對于起重機(jī)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，國內(nèi)已經(jīng)有很多學(xué)者對其進(jìn)行了研究，并用有限元分析的方法進(jìn)行了一定程度的分析研究，對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了一部分有價(jià)值的建議。華東交通大學(xué)的余志良等人根據(jù)物體材料的受力變性分析，對卷筒進(jìn)行有限元屈曲分析，為卷筒強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校核提供了理論依據(jù)。武漢理工大學(xué)的肖漢斌考慮了深槽對穩(wěn)定性的影響，用有限元軟件Algor把繩槽當(dāng)做梁加到繩槽上，分析了卷筒繩槽對穩(wěn)定性影響的規(guī)律，對卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算中繩槽凸筋的考慮方法進(jìn)行了簡化，提出了切合工程實(shí)際要求的實(shí)用化的卷筒設(shè)計(jì)計(jì)算方法。西南交通大學(xué)的洪浩等人用Ansys Workbench作為工具對起重機(jī)多層卷繞卷筒進(jìn)行有限元分析，在綜合考慮卷筒端側(cè)板對卷筒承載能力的影響下,根據(jù)分析的結(jié)果對卷筒壁厚δ和端側(cè)板厚度h進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較,獲得傳統(tǒng)方法難以分析的局部區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)。為大起重量、大起升高度吊裝起重機(jī)多層卷筒的結(jié)構(gòu)研究與構(gòu)造的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。同課題組的王悅等人對卷筒的壁厚、直徑、擋邊與卷筒轂位置各方面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效減輕了卷筒的重量。中國礦業(yè)大學(xué)的李婷等人通過建立IWRCI?7單股鋼絲繩三維模型，基于Workbench仿真平臺對鋼絲繩進(jìn)行靜力分析和疲勞分析，得到鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布以及交變載荷下鋼絲繩疲勞壽命云圖，得到其常見疲勞破壞點(diǎn)位置。廣州起重機(jī)械有限公司的羅健康等人通過COSMOSWorks對卷筒模型進(jìn)行有限元分析，揭示了卷筒的應(yīng)力、位移和安全系數(shù)的分布規(guī)律，最后進(jìn)行了卷筒壁厚的優(yōu)化。

實(shí)際中我們一般根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊中傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，雖然在整體上都滿足了實(shí)際的使用需求，但是缺少了局部細(xì)節(jié)分析，因此在設(shè)計(jì)過程中采用最安全的參數(shù)，但這又無疑對材料造成了較大的浪費(fèi)。從參考文獻(xiàn)中看出國內(nèi)學(xué)者雖已對鋼絲繩纏繞系統(tǒng)及其部件進(jìn)行了一定程度的研究，但其中仍有不完善的地方。首先分析的卷筒類型大部分為光面卷筒以及螺旋繩槽卷筒，其次國內(nèi)學(xué)者對于鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的研究大部分側(cè)重于卷筒的優(yōu)化，而沒有將纏繞系統(tǒng)視為一個(gè)整體來研究。再者雖有學(xué)者對于螺旋繩槽卷筒的鋼絲繩纏繞系統(tǒng)進(jìn)行研究，其模擬鋼絲繩纏繞的層數(shù)也僅僅為三層，而實(shí)際情況中存在著許多四層以上的情況。

2 研究不完善的原因

綜合近年來國內(nèi)對起重機(jī)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)，可發(fā)現(xiàn)雖然研究者們在多層鋼絲繩纏繞有了大量的研究分析工作，但與實(shí)際應(yīng)用狀況的需求仍有較大的差距，主要原因有以下幾點(diǎn)。

（1）在鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的分析中，由于鋼絲繩自身的復(fù)雜性，對于鋼絲繩的實(shí)際捻向繞制上的模擬很難做到真實(shí)。在纏繞系統(tǒng)的仿真中，很少有很詳細(xì)有效的模擬鋼絲繩在換層時(shí)導(dǎo)向抬升墊塊的建模，這是由于大部分廠家的墊塊無法完全按照圖紙進(jìn)行生產(chǎn)，但這又給導(dǎo)向抬升墊塊的優(yōu)化造成了困難。目前還沒有一套比較符合實(shí)際的卷筒、鋼絲繩以及導(dǎo)向抬升墊塊以及它們相互之間的接觸的仿真模擬方法。

（2）工程師和設(shè)計(jì)者們針對此類卷筒已經(jīng)設(shè)計(jì)出了各種類型的雙折線式卷筒，得出相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式對參數(shù)的選用形成了一定的規(guī)范，但目前針對雙折線卷筒折線段的偏角以及鋼絲繩入槽角的相應(yīng)研究幾乎沒有，或許是大部分研究者和設(shè)計(jì)者認(rèn)為有些少許的偏角影響不值得深究，但其實(shí)雙折線式卷筒纏繞系統(tǒng)的偏角問題，對纏繞穩(wěn)定性有極大的影響。

（3）在國內(nèi)對于虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真分析研究應(yīng)用范圍雖然比較廣，但是在起重機(jī)的大型起重機(jī)分析上面，國內(nèi)學(xué)者都是針對起重機(jī)中的起升機(jī)構(gòu)和抬升機(jī)構(gòu)的宏觀上的分析。由于國內(nèi)的卷筒目前較多都停留在仿制國外卷筒的階段，無法針對實(shí)際的需求設(shè)定符合實(shí)際工況的卷筒，且設(shè)計(jì)這類卷筒的廠家很少，尚難以創(chuàng)新開發(fā)新產(chǎn)品。同時(shí)機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)中包含大量機(jī)械系統(tǒng)及其力學(xué)特性的數(shù)據(jù)，這些存儲的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的符合性，以及這些數(shù)據(jù)是否適應(yīng)于實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，都需要進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3 研究方向的建議

整體來說，鋼絲繩纏繞系統(tǒng)是由鋼絲繩、卷筒、張緊裝置、導(dǎo)繩裝置和滑輪組幾個(gè)主要部分組成的，針對當(dāng)前大起升高度起重機(jī)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，可對組成系統(tǒng)的各個(gè)部分分別進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究中應(yīng)當(dāng)結(jié)合微分幾何理論、理論力學(xué)、彈性力學(xué)等基礎(chǔ)知識，可采用有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)、虛擬仿真等技術(shù)手段。

（1）多層鋼絲繩纏繞卷筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前在多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中所用的多為雙折線卷筒，但對此類卷筒的折線角度和折現(xiàn)尺寸均沒有進(jìn)行定量的分析和研究。可通過有限元虛擬仿真的方法建立多層纏繞卷筒的模型、鋼絲繩在卷筒中換向時(shí)的模型、鋼絲繩爬升時(shí)的模型等，采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的方法研究鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的力學(xué)性能，對卷筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得最佳卷筒形式。

（2）鋼絲繩張緊裝置的設(shè)計(jì)。在多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中要求鋼絲繩在使用過程中必須預(yù)拉伸，在纏繞過程中保證每層鋼絲繩整齊排列?？赏ㄟ^分析預(yù)拉力對纏繞系統(tǒng)的影響，獲得最佳預(yù)拉力數(shù)值范圍，并通過分析多層纏繞鋼絲繩系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出適用于多層纏繞系統(tǒng)的預(yù)緊裝置，并通過實(shí)驗(yàn)對張緊裝置進(jìn)行改進(jìn)。

（3）導(dǎo)繩裝置的分析設(shè)計(jì)。為了更好的獲得纏繞效果，需要在纏繞系統(tǒng)中盡可能的控制鋼絲繩的繞入偏角，使之盡可能小，目前的多層鋼絲繩纏繞系統(tǒng)均未設(shè)置導(dǎo)繩裝置，可根據(jù)不同的鋼絲繩尺寸和系統(tǒng)的布置方式，設(shè)計(jì)出一種行之有效的導(dǎo)繩裝置，并通過實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)的導(dǎo)繩裝置進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)。

[1]余志良．大型焊接卷筒強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析[D]．華東交通大學(xué)，2013．

[2]肖漢斌．起重機(jī)卷筒強(qiáng)度和穩(wěn)定性理論分析與試驗(yàn)研究[D]．武漢理工大學(xué)，2002．

[3]洪浩，許志沛，高海濤．基于Ansys Workbench起重機(jī)多層卷繞卷筒結(jié)構(gòu)研究[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2012（12）：56-59．

[4]王悅，張仲鵬，申士林，等．基于ANSYS卷筒單層卷繞與多層卷繞的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（8）：4-5．

[5]李婷，苗運(yùn)江．基于Workbench的鋼絲繩疲勞壽命分析[J]．煤礦機(jī)械，2011，32（5）：53-55．

[6]羅健康，印波．起重機(jī)卷筒有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（11）：185-186．

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1671-0711（2017）10（下）-0152-02