桅桿式起重機(jī)頂部滑輪組定位尺寸設(shè)計(jì)

黃瑋東 張 弘 馬善宇

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海200125)

1 桅桿式起重機(jī)形式及工作原理

桅桿式起重機(jī)組成部件如圖1所示，其中吊機(jī)桅桿為整體焊接的下方上圓形式，下口與船體甲板焊接?；剞D(zhuǎn)支撐環(huán)及臂架組件通過下部回轉(zhuǎn)軸承套在桅桿外側(cè)。頂部滑輪組通過上部回轉(zhuǎn)軸承與桅桿頂部連接。變幅鋼絲繩纏繞兩端為臂架頭部滑輪組和桅桿頂部滑輪組，經(jīng)過滑輪纏繞后，通過桅桿內(nèi)部進(jìn)入底部絞車房卷筒。

吊機(jī)吊載時(shí)，貨物及吊機(jī)產(chǎn)生的傾覆力矩由整體結(jié)構(gòu)件桅桿承受，不同于常規(guī)A架起重機(jī)由件2回轉(zhuǎn)軸承承擔(dān)。由此產(chǎn)生優(yōu)點(diǎn)為：件5承受傾覆力矩能力大大優(yōu)于件2，故回轉(zhuǎn)軸承選直徑相比于常規(guī)吊機(jī)大大縮小，使得整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊；同時(shí)取消了常規(guī)吊機(jī)所需的配重箱，使整機(jī)重量輕，吊機(jī)尾部對于船體甲板凈空要求小，便于船體布置，提高甲板利用率。

吊機(jī)回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐環(huán)及臂架旋轉(zhuǎn)，其繞桅桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。同時(shí)桅桿頂部滑輪組件由于不安裝驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其回轉(zhuǎn)動作由吊機(jī)變幅鋼絲繩帶動。其優(yōu)點(diǎn)是保證吊機(jī)受力桅桿的整體性，同時(shí)只在下部軸承安裝回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，上部用變幅繩牽引，降低了吊機(jī)生產(chǎn)維護(hù)成本，避免了由于桅桿頂部滑輪位置布置不當(dāng)而使件1與件6回轉(zhuǎn)不同步，從而引發(fā)變幅鋼絲繩從滑輪出槽的事故。

1—回轉(zhuǎn)支撐環(huán)及臂架組件 2—下部回轉(zhuǎn)軸承 3—回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4—絞車房 5—吊機(jī)桅桿 6—桅桿頂部滑輪組件 7—上部回轉(zhuǎn)軸承 8—變幅鋼絲繩

2 桅桿頂部滑輪組布置

如圖2所示，桅桿頂部滑輪組布置由4個主要部分組成，吊機(jī)變幅力通過滑輪組支架和回轉(zhuǎn)軸承向吊機(jī)桅桿傳遞。整個頂部組件不設(shè)置動力源，回轉(zhuǎn)動作由變幅繩牽引完成。在變幅滑輪組中間和組件兩側(cè)可以設(shè)置相關(guān)吊鉤鋼絲繩改向滑輪，使相關(guān)吊鉤絞車也可以布置于機(jī)房內(nèi)，從而使主要絞車機(jī)構(gòu)安裝于起重機(jī)內(nèi)部空間，與外界海洋環(huán)境隔離，減少鹽霧腐蝕，降低了維護(hù)工作量。

3 滑輪布置和設(shè)計(jì)計(jì)算

如圖3所示，吊機(jī)變幅鋼絲繩受力為F，變幅鋼絲繩與水平面夾角為α，變幅滑輪組距離吊機(jī)回轉(zhuǎn)中心距離為L，上部回轉(zhuǎn)軸承滾道直徑為D。

將變幅鋼絲繩力進(jìn)行水平和豎直方向分解得到水平分力F′和豎直分力F1為：

F1=Fsinα

(1)

F′=Fcosα

(2)

頂部滑輪組旋轉(zhuǎn)所受到阻力矩T為：

T=0.5ωF1D=0.5ωDFsinα

(3)

式中，ω為回轉(zhuǎn)軸承摩擦因數(shù)，取ω=0.015。

在起重機(jī)設(shè)計(jì)過程中，為了避免臂架在吊載受力過程中受到額外扭矩，往往將變幅鋼絲繩力設(shè)計(jì)為左右對稱。故可以假設(shè)吊機(jī)桅桿頂滑輪組沿中心線左右兩側(cè)變幅鋼絲繩力合力點(diǎn)為A點(diǎn)和B點(diǎn)，其到吊機(jī)中心線距離均為E。

則可以得出A、B兩點(diǎn)所受水平力大小Fa和Fb：

Fa=Fb=0.5F′=0.5Fcosα

(4)

在吊機(jī)剛剛開始旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于桅桿頂部滑輪組回轉(zhuǎn)為變幅鋼絲繩拖拽，同時(shí)加上鋼絲繩的柔性特性，會使桅桿頂部滑輪組和臂架回轉(zhuǎn)之間產(chǎn)生一個延時(shí)，使變幅鋼絲繩與變幅滑輪之間產(chǎn)生一個夾角。

假設(shè)吊機(jī)做逆時(shí)針回轉(zhuǎn)，此時(shí)變幅鋼絲繩與滑輪之間夾角為β。則Fa和Fb沿x軸和y軸分力為Fax、Fbx、Fay、Fby：

Fax=Fbx=0.5F′cosβ=0.5Fcosαcosβ

(5)

Fay=Fby=0.5F′sinβ=0.5Fcosαsinβ

(6)

可以得出A、B兩點(diǎn)對于回轉(zhuǎn)中心O的轉(zhuǎn)矩Ma和Mb為：

Ma=FayL-FaxE

(7)

Mb=FbyL+FbxE

(8)

整個桅桿頂部滑輪組由于變幅鋼絲繩產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M為：

M=Ma+Mb=FLcosαsinβ

(9)

由公式(3)和公式(9)得知，桅桿頂部滑輪組順利旋轉(zhuǎn)的前提為MT>1。

(10)

常用的起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中，滑輪上鋼絲繩夾角β往往要求不大于3°，故得出：

sinβmax=sin3°=0.052336

(11)

目前，根據(jù)國內(nèi)自主設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造的兩臺桅桿吊(H3044和H3083)的情況分析，在吊機(jī)臂架最大工作角度時(shí)，變幅鋼絲繩與水平面夾角α均不超過70°，故得出：

tanαmax=tan70°=2.747477

(12)

將公式(11)和公式(12)代入公式(10)得出：

(13)

由公式(13)變換得出L取值要求：L>0.4D。

1—變幅滑輪組 2—滑輪組支架 3—頂部回轉(zhuǎn)軸承 4—吊機(jī)桅桿

圖3 頂部滑輪組布置計(jì)算示意圖

Figure 3 Calculation of top sheaves arrangement

4 結(jié)論

由L>0.4D得出：常規(guī)桅桿式起重機(jī)設(shè)計(jì)過程中，為了保證從動回轉(zhuǎn)桅桿頂部滑輪組轉(zhuǎn)動順暢，與主動回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)底盤臂架延時(shí)符合要求，變幅鋼絲繩與滑輪夾角小于3°。布置變幅滑輪組位置時(shí)，滑輪軸與吊機(jī)回轉(zhuǎn)中心垂直距離不小于回轉(zhuǎn)軸承滾道名義直徑的0.4倍。在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中，由于考慮到鋼絲繩壽命；臂架安放于擱架拖航工況時(shí)，鋼絲繩垂擋和桅桿頂部滑輪組周圍平臺不干涉情況，建議取L=0.5D，可以有效保障整機(jī)回轉(zhuǎn)工況順利進(jìn)行。