關于π型上部結構岸橋提升工藝的研究

錢豪佳 胡冬春

摘 要：岸橋常規形式提升的鋼絲繩無法穿越π型上部結構的局限性，導致無法滿足π型上部結構的提升的要求，通過對于鋼絲繩偏角、軸承選型等的分析研究及受力計算，從經濟性和可操作性的角度出發，提出由“單片滑輪偏置”、“兩組頂輪接力”相結合的一種針對當前新型上部結構（π型）岸邊集裝箱起重機的提升工藝。

關鍵詞：減重;岸橋;提升;π型結構;工藝

中圖分類號：U653? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）03-0064-03

1引言

岸橋的整機運輸市場前景廣闊，但有時也不免碰到限高的情況，如通過橋梁、高壓電纜等障礙時，一般采用降低上部結構的高度來解決。隨著市場的發展，岸橋伴隨著集裝箱運輸船舶大型化的蓬勃發展和技術進步而不斷更新換代，科技含量越來越高;在輕量化的大環境下，起重高度越來越高，自身重量卻維持較低的增長甚至負增長狀態。為了適應市場需求，岸橋的設計不斷優化，其結構形式也發生了很大的變化，為了減重以及降低上部結構高度，一種特殊的“π型”上部結構應運而生，因此研究一種針對此種新型岸橋的上部結構（π型）的提升工藝變得尤為重要。本文就以美國WBCT岸橋為例，闡述這套針對此種機型的新型提升工藝。

2 鋼絲繩穿越

卷揚機上的跑繩從上滑輪座纏繞到最后一片滑輪之后需要穿越上橫梁，岸橋常規上部結構提升：把上滑輪座置于立柱頂部，頂推滾輪置于上橫梁端部，鋼絲繩可以輕松穿越上部結構（見圖1），然而π型上部結構的提升卻截然不同，由于π型結構的特殊性，按照常規滑輪緊密排布的方式，該繩無法穿越上橫梁結構（見圖2）。

針對這個問題，著重研究了以下幾個解決方案：

（1）把上滑輪座加高，這里直接加高上滑輪座底部墊梁，使其跨過上橫梁結構，從而使得鋼絲繩達到穿越目的（見圖3、4）。美國WBCT項目經過計算，需要加高近2m，才能滿足要求。上滑輪座的重量即便在不加高的情況下也已經超過10t，該結構布置于立柱頂端，如果加高，對于現場拆裝非常不利，且原本就因為限高，需要降低上部結構，加高上滑輪座，對于限高無疑是不利的。

（2）在上滑輪座的上平面，設置3組導向定滑輪，導向鋼絲繩繞開上部結構，從而達到穿越的目的（見圖5、6）。該方案把最靠近立柱的單片滑輪斜置45°，在上滑輪座的頂面設置單片水平滑輪，從而達到繞開上橫梁的目的，但該方案缺點是加入3片導向滑輪之后，滑輪組的效率下降，同時也需要制作一部分額外結構安置導向滑輪。

（3）把上部穿越鋼絲繩轉移到下部，使得穿越鋼絲繩從下滑輪座和上橫梁之間穿越。該方案在下滑輪座上做文章，在下滑輪座的頂面做一個凸臺，鋼絲繩在最后一組滑輪片上反向纏繞，跑繩纏繞過最后一片下滑輪片之后穿越凸臺，從而從底部穿越上橫梁（見圖7、8）。該方案從理論上講也是可行的，但需要注意是，在提升過程中需要隨時關注鋼絲繩動態，一旦出現狀況，可以及時采取措施。該方案缺點是：當鋼絲繩從底部穿越，部分鋼絲繩在遮蔽狀態下工作會造成觀察的盲點，留有安全隱患，顯然也不是一個好的解決方案。

（4）通過偏移單片滑輪來達到目的。該方案偏移上滑輪組最靠近立柱側的單片滑輪，使得跑繩偏移上橫梁提升的活動區域（見圖9），該方案在幾乎維持原有滑輪效率的同時，有效解決了跑繩穿越的問題。

以上幾種方式皆能滿足偏置鋼絲繩的條件，但從經濟性出發，第四種方案更節省成本。

3 允許偏角

鋼絲繩相較于滑輪的允許偏角，在國標和德標里都有一定的要求。在GB/T 3811-2008里規定：為保證鋼絲繩正常運行，鋼絲繩繞進或繞出的最大偏角（即鋼絲繩中心線和滑輪軸垂直平面之間的夾角）不應大于5°，而此標準在DIN標準里被限制在了4°，大于這個限定角度之后，脫槽的風險增加，同時加劇鋼絲繩磨損。但是這些標準僅僅是定性的判斷，如何定量的分析鋼絲繩的受損程度？我們知道由于滑輪和鋼絲繩的偏角的存在，導致鋼絲繩不能順利的“滾”入槽底，運行時的鋼絲繩與滑輪槽側壁之間必然存在著摩擦力，偏角越大，鋼絲繩受到滑輪槽口的擠壓就越嚴重，這樣磨損就越嚴重，同時摩擦力的切向力促使繩股分離，從而使得其有散股的傾向。久而久之，在這些力的作用下，鋼絲繩的損傷就不可避免了。因此，在考慮滑輪偏離距離的時候要充分考慮出繩偏角，本項目的最終偏角定格在3.3°。

4 軸承選型

軸承作為此系統內的重要承重部件，滑輪選用的軸承也是需要重點考慮的問題。以往常規上部結構提升的項目中，滑輪的偏角往往被控制在3°甚至更小。但π型上部結構提升時，由于滑輪偏角增大，對于滑輪的軸承也是一大考驗。通過受力分析，我們不難發現由于滑輪偏角的存在，滑輪內部的軸承不僅需要承受很大的徑向力，而且還需要承擔由于偏角而造成的軸向力。經查，原滑輪組所采用的軸承為N228E型圓柱滾子軸承，其外徑為250mm，內徑為140mm，厚度為42mm。

無論任何工況，帶擋邊的圓柱滾子軸承所能承受的軸向載荷首先取決于擋邊強度。為防止擋邊斷裂，其承受的軸向載荷不能超過CAmax1，對于2系列軸承：CAmax1=0.0045D1.5=0.0045×2501.5=17.79KN=1.815t

其中CAmax1為防止擋邊斷裂所能承受的最大軸向載荷KN，D為軸承外徑mm。

同時，軸承所能承受的軸向載荷還受限于軸承允許的最大動態軸向載荷CAmax2，AR（軸承表面熱損失）=πB（D+d）

當AR≤50000mm2時，

當AR>50000mm2時，

其中f為載荷系數，連續載荷時取1.0，間歇載荷時取2.0，沖擊載荷時取3.0;k1為潤滑系數，油潤滑時取1.5，脂潤滑時取1.0;C0為基本額定靜載荷，kN;n為轉速（根據卷揚機鋼絲繩最大速度7m/min推出n為3.71），r/min;d為軸承內徑，mm;B為軸承寬度，mm;k2為潤滑系數，油潤滑時取1.5，脂潤滑時取1.0;Fr為軸承實際徑向載荷，kN，根據所選軸承規格，AR=πB（D+d）=3.14×42×（250+140）=51433.2>50000mm2

-0.1×274]=344t >> CAmax1=1.815t，因此CAmax1作為最大軸向載荷。

我們再來分析一下整個滑輪組的偏載所造成的軸向分力：

滑輪效率=0.8232

跑繩拉力=14.0t

滑輪軸向分力Fx= 2×Frope×sin3.3° = 1.61t

綜上所述，該類型軸承所承受軸向為1.815t>1.61t。

因此，上述工況滿足軸承設計要求。

5 雙組頂輪

岸橋提升一般上、下滑輪座安裝需要有一定錯位，目的是為了讓門框立柱獲得一個向外的分力，保證門框撐開同時在一定程度上抵消立柱的形變。除此之外還需依靠頂輪，確保立柱不會與上部結構在提升的過程中發生觸碰。

非π型上部結構岸橋提升（見圖10）的頂輪一般設置在立柱頂部，雖然上橫梁和立柱法蘭面有一定的斜率，但頂輪的行程一般可以控制在100-200mm之內，而π型上部結構岸橋的提升（見圖11）由于有π型的2個支腿的關系，且往往此類橋吊由于減重，立柱法蘭面也有很長的一段斜坡，在提升過程中頂輪很早就需要介入，行程往往也很長。

如果單獨設置一組頂輪在立柱頂部，那么當提升到危險截面的時候，立柱上的頂輪還沒開始作用，而如果把頂輪設置在上橫梁箱體之內，那么，箱體內部的頂輪在后半段無法跨過立柱法蘭面缺口（見圖12）。

為了解決上述問題，WBCT項目設置了2組頂輪，分別安裝在立柱頂部和上橫梁結構內部，前半段利用上橫梁結構內部的頂輪作用（介入早），后半段通過立柱頂部的頂輪作用（無需跨過法蘭面），2組頂輪接力，分別在前、后半段完成各自的頂推作用，確保π型支腿結構不與立柱發生接觸。

6 結語

該項目首次成功實施于美國洛杉磯碼頭，在此之前從未采用此類技術。實踐證明，對于新的π型上部結構的岸橋提升，單偏滑輪是相對簡單、高效的一種解決方案。通過對滑輪偏角和滑輪軸承的受力情況的校核，證明該方案可以滿足提升工況。考慮立柱變形的影響，合理設置頂輪用以抵消形變，是針對π型結構又一新的突破，該項目的成功實施為后續類似項目的實施奠定了理論基礎。

參考文獻：

[1]《岸邊集裝箱起重機》.湖北科學技術出版社， 2007

[2]《起重機設計規范》GB/T 3811-2008

[3]《Lifting appliances; groove profiles for wire rope sheaves》 DIN15061–1：1977