鋼絲繩自動托盤系統

覃文龍

【摘 要】鋼絲繩作為工程承載的關鍵構件，應用廣泛，在其長期作業過程中會出現損傷，需要更換。論文結合筆者多年工作經驗提出了幾點問題以及應對措施，以供借鑒。

【Abstract】As a key component of the engineering load， the steel wire rope is widely used ，and it needs to be replaced when it is damaged during the long-term operation .Based on years of experiences， the author puts forward a few problems and countermeasures， for reference.

【關鍵詞】鋼絲繩；自動托盤 ；系統

【Keywords】wire rope；automatic tray； system

【中圖分類號】TG333.3 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0168-02

1 設計背景

石湖山碼頭為散貨碼頭，擁有多臺大型起重機，而大型起重機在使用過程中需要定期更換鋼絲繩，所以我們每年要進行大量的鋼絲繩更換作業。現有的更換工藝為：把一卷待換的新鋼絲繩豎直放于地上，再將新鋼絲繩與舊鋼絲繩對接焊好，最后利用舊鋼絲繩把卷筒上的新繩從纏繞的軸線方向拉出，并依次替換舊的鋼絲繩。

在多年的作業過程中，我們發現并總結了如下問題：

①作業的危險系數大，特別是負責放繩的作業人員很容易受傷。

②受更換工藝和輔助設備的限制，鋼絲繩只能從纏繞的軸線方向拉出，致使鋼絲繩纏繞的殘余扭轉應力隨著拉出長度的增加而逐步累積，并頻繁地造成鋼絲繩的扭曲變形，甚至發生打結等情況，這樣既增加了作業的危險性，又對鋼絲繩的使用壽命產生了不良影響。

③負責放繩的作業人員與起重機司機難以協調一致。

④為了照顧放繩人員，新鋼絲繩的拉出速度被限制在了極低的范圍內，作業效率大大降低。

⑤一旦發生鋼絲繩打結事件，更換作業將被迫終止，并需要花費大量的時間和人力進行修復，有時甚至需要近10個人花費半天的時間才能修復完畢。

⑥一旦新舊鋼絲繩的對接焊縫出現問題，鋼絲繩將極有可能從起重機上滑落，而負責放繩的人員就會面臨被高空滑落的鋼絲繩砸傷的危險（此事故發生過一次，若下方作業人員逃跑不及時，那么后果將不堪設想，所以下方作業需盡力實現無人化、自動化）。

通過對以上問題的論證分析，我們提出了以下設想，即通過改進現有工藝，設計一款可以實現自動放繩的新型工具系統。此系統需達到如下要求：

①在結構強度和受力方面要能滿足最大工況下的使用條件，即在新鋼絲繩最重為7.5噸以及起重機最大拉出速度為55米/分鐘時要工作穩定。

②增加一個可以自由轉動的轉盤來釋放新鋼絲繩纏繞的殘余應力。

③增設剎車系統，并要滿足從最大速度到完全剎住的行程不超過1米。

④托盤占位位置的容錯率要大，避免出現角度過大而卡死的現象。

⑤整套系統盡量實現無人化、自動化。在鋼絲繩拉出時能自動打開剎車放繩，停止拉出時能迅速抱緊剎車，避免因慣性而放出過量繩子。

⑥盡量使用現有的材料和設備加工，降低制造和維護費用。

基于以上要求，我們經過反復計算與修改，最終設計出了此套鋼絲繩自動托盤系統。

2 原理及主要技術細節

此鋼絲繩自動托盤系統由兩大部分構成，即旋轉托盤和剎車系統。其主要設計難點為卷盤強度和制造成本的平衡，易維護制造，易操作性的設計以及剎車系統自動化設計。

2.1 旋轉托盤

顧名思義，此部分原理為在原固定底座上增加一個可以自由轉動的托盤，當鋼絲繩拉出時，可以通過托盤的自由轉動來消除鋼絲繩纏繞的殘余應力。同時，為了節約成本，我們在設計時采用了大量成熟的技術和工業產品，并輔以小細節的創新來大幅提高其使用和維護的方便性，其主要技術細節有：

①以使用公司的現有材料為原則，通過反復計算校核，確定了下底座采用250mm工字鋼，上托盤采用180mm槽鋼，從而焊接成型的總體方案，并在關鍵部位加焊加強筋來保證使用強度，這樣就在制造成本和設計強度上取得了比較理想的平衡。

②考慮到實際使用時，轉軸不可避免地會承受偏心力矩和翻轉力矩，所以我們采用兩個圓錐滾子軸承對裝的形式來改善其受力情況，從而提高運行穩定性。

③為保護高成本，難加工的底座結構，在軸承與底座腔體中間增設一個材料強度介于兩者之間的隔套作為易損件。

④以易維護為目標，把底座設計成通腔的形式，并在易損件上設置維修槽、頂升階梯等，以方便更換易損件。

⑤上托盤邊上增設帶螺紋孔的簡易調節板，通過調節螺栓來對鋼絲繩卷筒進行對中和固定。

2.2 剎車系統

剎車系統是該系統設計的重點，要求其既要簡單耐用，又要實現自動化、無人化。在對整個更換工藝進行分析后，我們發現鋼絲繩拉出后會由水平改為垂直，此時拉力會產生向上的分力，我們可以利用這個特點，即用鋼絲繩自己的拉力驅動剎車，從而實現剎車的自動化。其主要的技術細節有：

①在鋼絲繩轉彎處設置小滑輪作為取力機構，把鋼絲繩拉力變為剎車打開力矩。

②通過對最高工況計算可知，要實現1米內剎住托盤，最惡劣情況下需要4000N剎車力矩，這已經超過鋼絲繩的許用彎折應力，所以我們在剎車片與取力機構間增設一個1：6的杠桿，從而使剎車的打開力矩控制在700N之內，這樣既滿足了許用彎折應力的要求，又降低了對剎車彈簧的要求。

③在取力小滑輪與剎車杠桿之間增設柔性連接段，以實現在較大角度偏差的情況下仍可以可靠取力，這就大幅提高了托盤占位位置的容錯率。

④剎車彈簧采用彈簧與花籃螺絲串聯的結構形式，既簡單可靠，大幅降低了制造成本，又調節簡便，可以在現場根據需要快速調節剎車力矩。

綜上所述，該鋼絲繩自動托盤的總體原理示意圖如下：

3 使用效果及存在的問題

這套設備已經在我司投入使用，并取得了良好的使用效果。與老工藝相比，使用托盤系統更換鋼絲繩時，首先可以減少30%的操作人員，最重要的是把人從高危工況中解放出來，大大提高了更換作業的安全性；其次由于實現了自動放繩，鋼絲繩拉出的速度可以大幅提高，最終使得更換鋼絲繩的總時間減少20%～30%，效率提升明顯；最后，托盤的旋轉有效釋放了鋼絲繩纏繞的殘余應力，這也相應地提高了新更換鋼絲繩的使用壽命。