淺析多層鋼絲繩纏繞系統在大起升高度起重機上的應用

夏常福

（南京市特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210017）

淺析多層鋼絲繩纏繞系統在大起升高度起重機上的應用

夏常福

（南京市特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210017）

隨著大起升高度起重機在各領域的應用增多，多層鋼絲繩纏繞系統已成為起重機領域的新研究熱點。本文在對多層鋼絲繩纏繞系統的應用現狀和研究進展進行整理和分析的基礎上，從鋼絲繩特性、入槽偏角、仿真數據累計等角度分析了目前對多層鋼絲繩纏繞系統研究不充分的原因，最后給出了卷筒本體優化、張緊裝置設計和導繩裝置研發等新的研究方向。

起重機；多層鋼絲繩纏繞；雙折線卷筒

起重機作為一種生產型特種設備在大型工程施工，在高層建筑建設等領域都有廣泛應用。隨著起重機起升高度的加大和起升重量的增加，起升機構鋼絲繩纏系統的繞繩量和復雜程度增加。

傳統的設計方法是加大卷筒直徑或長度和改變繩系的倍率，但這種設計方法已無法完全滿足用戶對起重機的使用要求。因為加大后的卷筒將意味著增大的重量和轉動慣量，這就需要更大的電機容量和使用空間，增大倍率意味著降低起升效率，在設計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。在起重機的使用過程中，要求鋼絲繩能夠整齊的卷繞，避免出現亂繩現象。因為一旦出現了亂繩現象，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來說，更換一次鋼絲繩不僅費時費力，還會造成過多的經濟損失。目前，用于大起升高度起重機的多層鋼絲繩纏繞系統的設計研究已成為國內起重機行業的新熱點。

1 研究和應用現狀

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成為大起升高度起重機的首選。纏繞系統包括鋼絲繩、卷筒、導繩裝置、滑輪等多個零部件，同時纏繞系統的工作狀況又與鋼絲繩尺寸、纏繞速度、纏繞層數和系統布置等因素有關。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，可把原動機的驅動力傳遞給鋼絲繩，并將原動機的回轉運動變為直線運動。目前市面上，最常見的多層鋼絲繩纏繞系統按照繩槽排列形狀的不同進行分類，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80年代引進了折線卷筒，主要用于礦山挖掘、石油開發、港口起重機械上，對幾十米到上百米的高揚程大重物的大型起重機的需求上，雙折線式卷筒應用愈加廣泛。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的主起升機構的應用，在東風水電站瀉洪系統、揚程、斜拉10°的固定式啟閉機上的應用等等。這些新應用的卷筒的共同特點是可以多層纏繞鋼絲繩，避免了傳統卷筒只纏繞一層鋼絲繩的缺點，而且縮短了卷筒長度，簡化了結構。

對于起重機鋼絲繩纏繞系統，國內已經有很多學者對其進行了研究，并用有限元分析的方法進行了一定程度的分析研究，對其結構優化提出了一部分有價值的建議。華東交通大學的余志良等人根據物體材料的受力變性分析，對卷筒進行有限元屈曲分析，為卷筒強度計算和穩定性校核提供了理論依據。武漢理工大學的肖漢斌考慮了深槽對穩定性的影響，用有限元軟件Algor把繩槽當做梁加到繩槽上，分析了卷筒繩槽對穩定性影響的規律，對卷筒設計計算中繩槽凸筋的考慮方法進行了簡化，提出了切合工程實際要求的實用化的卷筒設計計算方法。西南交通大學的洪浩等人用Ansys Workbench作為工具對起重機多層卷繞卷筒進行有限元分析，在綜合考慮卷筒端側板對卷筒承載能力的影響下,根據分析的結果對卷筒壁厚δ和端側板厚度h進行整體結構的優化,并與傳統方法進行比較,獲得傳統方法難以分析的局部區域應力狀態。為大起重量、大起升高度吊裝起重機多層卷筒的結構研究與構造的優化改進提供參考。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構參數進行優化，有效減輕了卷筒的重量。中國礦業大學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行靜力分析和疲勞分析，得到鋼絲繩內部應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位置。廣州起重機械有限公司的羅健康等人通過COSMOSWorks對卷筒模型進行有限元分析，揭示了卷筒的應力、位移和安全系數的分布規律，最后進行了卷筒壁厚的優化。

實際中我們一般根據起重機設計手冊中傳統設計方法設計結構，雖然在整體上都滿足了實際的使用需求，但是缺少了局部細節分析，因此在設計過程中采用最安全的參數，但這又無疑對材料造成了較大的浪費。從參考文獻中看出國內學者雖已對鋼絲繩纏繞系統及其部件進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，其次國內學者對于鋼絲繩纏繞系統的研究大部分側重于卷筒的優化，而沒有將纏繞系統視為一個整體來研究。再者雖有學者對于螺旋繩槽卷筒的鋼絲繩纏繞系統進行研究，其模擬鋼絲繩纏繞的層數也僅僅為三層，而實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

綜合近年來國內對起重機鋼絲繩纏繞系統的研究文獻，可發現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，但與實際應用狀況的需求仍有較大的差距，主要原因有以下幾點。

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

（2）工程師和設計者們針對此類卷筒已經設計出了各種類型的雙折線式卷筒，得出相關經驗公式對參數的選用形成了一定的規范，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研究幾乎沒有，或許是大部分研究者和設計者認為有些少許的偏角影響不值得深究，但其實雙折線式卷筒纏繞系統的偏角問題，對纏繞穩定性有極大的影響。

（3）在國內對于虛擬樣機的動力學仿真分析研究應用范圍雖然比較廣，但是在起重機的大型起重機分析上面，國內學者都是針對起重機中的起升機構和抬升機構的宏觀上的分析。由于國內的卷筒目前較多都停留在仿制國外卷筒的階段，無法針對實際的需求設定符合實際工況的卷筒，且設計這類卷筒的廠家很少，尚難以創新開發新產品。同時機械系統虛擬樣機技術中包含大量機械系統及其力學特性的數據，這些存儲的數據與實際數據的符合性，以及這些數據是否適應于實際機械系統結構，都需要進行進一步的驗證。

3 研究方向的建議

整體來說，鋼絲繩纏繞系統是由鋼絲繩、卷筒、張緊裝置、導繩裝置和滑輪組幾個主要部分組成的，針對當前大起升高度起重機鋼絲繩纏繞系統應用中存在的問題，可對組成系統的各個部分分別進行分析和優化設計。研究中應當結合微分幾何理論、理論力學、彈性力學等基礎知識，可采用有限元優化設計、虛擬仿真等技術手段。

（1）多層鋼絲繩纏繞卷筒的優化設計。目前在多層鋼絲繩纏繞系統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尺寸均沒有進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的模型、鋼絲繩爬升時的模型等，采用靜態和動態的方法研究鋼絲繩纏繞系統的力學性能，對卷筒進行優化設計，獲得最佳卷筒形式。

（2）鋼絲繩張緊裝置的設計。在多層鋼絲繩纏繞系統中要求鋼絲繩在使用過程中必須預拉伸，在纏繞過程中保證每層鋼絲繩整齊排列。可通過分析預拉力對纏繞系統的影響，獲得最佳預拉力數值范圍，并通過分析多層纏繞鋼絲繩系統的實際結構，設計出適用于多層纏繞系統的預緊裝置，并通過實驗對張緊裝置進行改進。

（3）導繩裝置的分析設計。為了更好的獲得纏繞效果，需要在纏繞系統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均未設置導繩裝置，可根據不同的鋼絲繩尺寸和系統的布置方式，設計出一種行之有效的導繩裝置，并通過實驗對設計的導繩裝置進行驗證和改進。

[1]余志良．大型焊接卷筒強度及穩定性分析[D]．華東交通大學，2013．

[2]肖漢斌．起重機卷筒強度和穩定性理論分析與試驗研究[D]．武漢理工大學，2002．

[3]洪浩，許志沛，高海濤．基于Ansys Workbench起重機多層卷繞卷筒結構研究[J]．起重運輸機械，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化設計[J]．機械設計與制造，2012（8）：4-5．

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

[6]羅健康，印波．起重機卷筒有限元分析及結構優化[J]．機械設計與制造，2010（11）：185-186．

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1671-0711（2017）10（下）-0152-02