起重機鋼絲繩與卷筒的匹配分析

王金剛，李新凱

（河南衛華重型機械股份有限公司，河南新鄉 453400）

0 引言

起重機工作時，重物通過鋼絲繩將鋼絲拉力傳遞給卷筒，重物升降過程中，卷筒還需將鋼絲繩整齊地排列在卷筒繩槽中，卷筒與鋼絲繩的匹配狀況決定了起重機使用性能的好壞。起重機使用頻率高、起升高度大時，鋼絲繩在卷筒的繞繩速度非常快，卷筒容繩量也會特別大。鋼絲繩在多層卷筒且繩速非常快的工況下，鋼絲繩磨損的加快導致起重機意外損壞的可能性增加，造成項目誤工、停工將帶來巨大的經濟損失。卷筒繩槽類型的選擇和繩槽節距的設計，卷筒上鋼絲繩中心相對卷筒繩槽中心偏角大小的設計，鋼絲繩結構類型的選擇，多層纏繞時擋環引導繩槽的設計，卷筒繩圈間過渡形式等鋼絲繩與卷筒匹配等諸多問題需特別注意。

1 鋼絲繩卷繞中常見問題及解決措施

當起升高度超過GB/T 790—1995 電動橋式起重機跨度和起升高度系列標準范圍時，起升卷筒要特殊考慮。起升高度特別大時，會造成鋼絲繩進出卷筒和滑輪時與繩槽間的偏斜角增大，加快鋼絲繩的磨損，導致滑輪或卷筒繩槽的破壞，甚至引起鋼絲繩跳槽。常用的螺旋槽卷筒方案在多層卷繞時，鋼絲繩亂繩現象特別明顯，鋼絲繩磨損嚴重，鋼絲繩使用壽命大大縮短。卷筒與鋼絲配匹配問題對應措施:

（1）增加卷筒鋼絲繩容繩量。簡單增大卷筒直徑或長度，將會導致起重機尺寸過大。隨意加長卷筒長度，還可能導致鋼絲繩偏角增大，鋼絲繩出入滑輪的偏角≤5°,鋼絲繩進出卷筒的偏角應≤3.5°。偏角過大還可能導致繩槽的破壞、跳槽等問題，通常此方案適合起升高度增加不多的情況。

（2）雙層卷繞。鋼絲繩固定在卷筒中間，繩由中間向兩側纏繞。由于卷筒端部設置有擋環和鋼絲繩爬繩導向裝置，鋼絲繩纏繞到卷筒端部時，由于鋼絲繩偏斜力的水平分力指向卷筒中間，因為卷筒擋環的阻擋，鋼絲繩第二層向卷筒中間纏繞。鋼絲繩的卷筒繩槽偏角≤3°，否則很可能致使第二層鋼絲繩排列混亂，鋼絲繩在卷筒中部堆集。此方案多于不頻繁使用的水電站啟閉機等場合。

（3）鋼絲繩多層卷繞時在卷筒中間堆集。鋼絲繩第二層爬升過程中無導向裝置，鋼絲繩偏角設計不合理，所選鋼絲繩旋向錯誤，使用過程中鋼絲繩捻力無法釋放，容易松散打結。解決這些問題，可采取以下措施:①合理加裝排繩器。排繩器種類結構形式較多，要根據設計方案合理加裝排繩器，避免畫蛇添足，因為增加排繩器容易出現鋼絲繩頻繁卡死現象；②卷筒繩槽設計為不易亂繩的平行折線繩槽，在卷筒端部擋環上設置便于鋼繩爬升到第二層的裝置[1]，為了使鋼繩對卷筒的偏角≤3°，應合理設計卷筒長度和卷筒直徑。

（4）卷筒作業時產生的軸向力導致卷筒軸向竄動，卷筒加工直徑誤差大或鋼繩纏繞不對稱，卷筒上鋼絲繩偏角不同產生的水平分力無法抵消軸向力；由于起升高度大，鋼絲下降過程中吊點兩側鋼絲繩彈性變形量不同導致吊具不水平，產生軸向力。對此，可采取以下措施:卷筒上鋼繩纏繞量安裝時盡量保持對稱；大起升高度起重機使用一段時間后檢查卷筒兩側鋼絲繩纏繞長度是否一致，不能發生吊具傾斜造成卷筒單邊受力過大；起升高度特別大時，鋼絲繩出廠前進行預拉伸處理，將鋼絲繩彈性變形量降到最小。

2 鋼絲繩的選擇

2.1 選擇合適的高強度鋼絲繩

保證安全的情況下，采用經過特殊設計和生產的高強度鋼絲繩，可有效減小鋼絲繩直徑，滿足鋼絲繩、卷筒的繩徑比。通過減小滑輪和卷筒的尺寸、卷筒和減速箱的尺寸提高卷筒容繩量。高強度鋼絲繩有較長的使用壽命，較短的誤工期和較低的維護成本，可降低用戶使用總成本，提高產品競爭力。

2.2 鋼絲繩結構型式的選擇

正確選擇鋼絲繩非常重要。鋼絲繩選擇不當會縮短鋼絲繩的使用壽命，引起鋼絲繩結構的變化，如產生鳥籠現象、滑輪和載荷旋轉現象等。

鋼絲繩由于繩芯材料、繞制方法、鋼絲接觸狀態和繩股斷面形狀不同，導致使用效果差別大。非旋轉鋼絲繩和旋轉鋼絲繩的適用條件:非旋轉型鋼絲繩適用于提升高度大的多滑輪系統和單索提升系統。旋轉鋼型絲繩適用于提升高度小和多滑輪系統左、右旋鋼絲繩配對的提升系統。非旋轉的鋼絲繩應和應力釋放器一起使用，而旋轉的鋼絲繩不能和應力釋放器一起使用。

2.3 鋼絲繩最佳捻向的選擇

圖1 為鋼絲繩捻向示意。提升繩在受載荷的情況下都會產生扭矩（圖2），此扭矩由鋼絲繩的構造（捻距長度，捻層類型和方向）以及拉力決定，扭矩的作用是造成鋼絲繩松散。

使用相同捻向的兩根鋼絲繩，其旋轉將使兩根繩子在卷筒上移動，明顯的是在卷筒的左端鋼絲繩將盡可能地遠離前一圈[3]。

因為鋼絲繩扭矩和卷筒螺旋繩槽的作用，右側鋼絲繩排列的緊密，左側鋼絲繩排列松散。不同旋向鋼絲繩和卷筒繩槽的配合，會使鋼絲繩在使用中出現不同的效果。

這種原則尤其適用于平滑卷筒和多層纏繞的情況下。對于單層纏繞的有繩槽的卷筒，此種應用并不一定采用，原因在于繩槽會把繩子向正確的位置驅動?；趯︿摻z繩使用壽命產生的積極效果，應提倡使用對稱（左旋和右旋捻向）的鋼絲繩。左旋的鋼絲繩適用于右旋的卷筒，右旋的鋼絲繩適用于左旋的卷筒。

圖1 鋼絲繩捻向

圖2 鋼絲繩在卷筒上的扭矩

3 平行折線卷筒的應用

德國利巴斯公司于20 世紀60 年代發明了平行折線卷筒，又稱雙折線繩槽卷筒，多年實際使用證明，這種特殊繩槽結構的卷筒，能解決多層卷繞難題。

采用傳統單層螺線繩槽纏繞的卷筒已能滿足超高起升高度起重機的使用要求，平行折線繩槽卷筒的多年實踐及現場使用效果證明，這種特殊繩槽結構的卷筒，能很好地解決多層卷繞的諸多難題，還可以省去排繩裝置，起升機構尺寸無需增大太多，在空間尺寸有限制的場合更適合使用平行折線卷筒。

圖3 平行折線卷筒結構

平行折線卷筒和普通卷筒的最大區別在于繩槽的結構形式，如圖3 所示，平行折線卷筒每圈繩槽由2 段平行繩槽和2段螺旋繩槽組成。常規起重機用的卷筒多為螺線型繩槽或光面無繩槽卷筒。折線卷筒有2 個過渡的折線繩槽，其余都是平行于卷筒徑向的直線繩槽（每圈繩槽，平行繩槽占2/3，過渡折線繩槽占1/3），每段折線繩槽恰好跨越1/2 繩槽節距，2段折線繩槽使鋼絲繩纏繞一周跨越一個繩槽節距[4]。當鋼絲繩在第一層纏繞完后，繩圈之間的間隙形成了與卷筒繩槽相同的平行折線槽型，第二層、第三層……鋼絲繩就可以在每層平行折線繩槽上整齊地排列，避免了亂繩現象。平行折線卷筒還有一個特點，其卷筒端部法蘭底部設計有鋼絲繩引導爬升裝置，可以保證鋼絲繩整齊平穩地爬升到上一層，繼續在下一層有序排列。

國內起重機企業從德國引進利巴斯卷筒，消化吸收后進行改進。其中對折線卷筒擋環結構進行的改進，是在平行折線卷筒擋環上增加引導繩槽，保證鋼絲繩在卷筒各層過渡時整齊有序地排列，不會出現普通卷筒多層纏繞的亂繩現象，避免了傳統螺旋型繩槽卷筒多層纏繞時的諸多問題。折線卷筒多層纏繞大大增加了鋼絲繩的容繩量，解決了大起升高度起重機使用中的諸多技術難題。減小了起升機構的尺寸，便于起升機構減速機的選型，不必擔心卷筒直徑增大過多，造成減速機中心距不夠。減速機無需增大就可以解決大起升高度起升機構的布置問題，保證起重機整車成本可以控制在合理范圍。

4 結語

起重機工作時卷筒與鋼絲繩相互影響，設計選型卷筒與鋼絲繩的匹配需要注意:①卷筒繩槽類型的選擇和繩槽節距的設計是否合理；②多層纏繞時擋環引導繩槽的設計是否合理；③卷筒繩圈間過渡形式；④卷筒上鋼絲繩中心相對卷筒繩槽中心偏角的大小；⑤鋼絲繩結構類型的選擇。結合理論分析與實踐經驗，合理選擇鋼絲繩和卷筒，可以提高起重機的使用性能，消除安全隱患。