多層纏繞卷筒在雙小車岸橋上的研究與應用

李傳浩，張 衛，王延春

（青島新前灣集裝箱碼頭有限責任公司，山東青島 266500）

引言

隨著世界港口物流的快速發展，超大型集裝箱船逐漸變為海洋物流運輸的主要船型[1-2]。船舶大型化帶動港口岸邊裝卸設備向更高、更大的方向發展，高揚程及大起重量的設備導致驅動卷筒的直徑和長度加大，從而導致重量與轉動慣量增加，在此背景下，必須配置更大功率型號的電機以及更大的空間[3-5]。在自動化集裝箱碼頭，岸邊裝卸設備大都采用的是裝卸效率高、方便與水平運輸設備實現自動交互的雙小車岸橋[6-7]，根據碼頭作業模式，雙小車岸橋機械房垂直對應的地面區域屬于設備維保區域，為確保在維保工作時不影響碼頭整體的正常運行且能夠保持岸橋平衡，需要將岸橋的機械房轉移至大車軌距內對應大梁上，這樣便縮短了機房內俯仰卷筒與梯形架滑輪組的水平距離，加大了鋼絲進出滑輪和卷筒的偏角，從而對滑輪和卷筒的位置布置等提出了更嚴格的要求。

本文以青島港自動化集裝箱碼頭的雙小車岸橋俯仰機構為研究對象，提出一種多層纏繞卷筒（又稱籬笆式卷筒）控制方式，在合理布局岸橋機械房卷筒及滑輪的前提下，設計了一套符合國標規范的纏繞系統，并對鋼絲繩的受力進行仿真研究，同時結合實際生產作業統計多層纏繞卷筒出現的問題，并針對問題提出相應的解決方案，最終證明了多層纏繞卷筒控制方式在自動化集裝箱碼頭雙小車岸橋上的應用具有可行性。

1 多層纏繞式卷筒介紹

1.1 多層纏繞式卷筒特點

相對于單層纏繞式卷筒而言，多層纏繞卷筒纏繞及實現方式較為復雜，圖1 為多層纏繞卷筒鋼絲繩系統卷繞方式。

圖1 多層纏繞卷筒鋼絲卷繞方式

鋼絲繩在多層纏繞卷筒上每卷繞一圈可以分成四段，四部分中又包含折線段（Crossover-section）以及直線段（Parallel-section）兩大部分[8-10]。

1.2 多層纏繞卷筒使用要求

多層纏繞式卷筒占用較小的空間便可解決俯仰機構起升高度問題，但在使用條件上，如鋼絲預緊力、卷筒繩槽、鋼絲偏角、鋼絲形式及直徑公差等方面有著比常規卷筒更高的制造要求[11]。一般有如下規定：

1）無論哪種工況下，卷筒法蘭都應和卷筒壁呈現垂直狀態；

2）在鋼絲繩拉力F拉與破斷載荷F破斷關系上，德國規范規定F拉≥ 0.02F破斷，日本規范規定F拉≥0.017F破斷；

3）鋼絲繩與卷筒之間偏角η必須滿足如下條件：0.25° ≤η≤ 1.5°；

4）當鋼絲繩自多層纏繞卷筒向定滑輪進行卷繞時，定滑輪的中心應該和卷筒法蘭寬度始終呈對中狀態；

5）鋼絲繩必須保持不松散和直徑公差要求。

2 多層纏繞卷筒數學建模及設計

2.1 多層纏繞卷筒數學建模

多層纏繞卷筒可以實現多層纏繞，并且具有自動排纜的功能，其卷數及層數計算模型如圖2 所示。

圖2 多層纏繞卷筒模型

依據鋼絲繩在纏繞時體積不變的原理，有等式（1）。

式（1）中，r-卷筒半徑，d-鋼絲繩直徑，s-鋼絲繩總長，p-卷筒每層可繞圈數。整理可得式（2）。

式（2）中，L 為可以卷繞的層數（取整數部分），L 小數部分乘以p 為可以纏繞的圈數。即

2.2 多層纏繞卷筒的控制方式

多層纏繞卷筒的控制方式共有兩種[12]：

1）卷筒線速度一定；

2）鋼絲繩受力一定。

以上兩種控制方式皆未在自動化集裝箱碼頭雙小車岸橋中有實際應用，且鋼絲繩受力一定的控制方式實現較為復雜，故而在對卷筒進行設計時采用線速度一定的控制方式。圖3 為線速度一定的卷筒控制方式模型。

圖3 線速度計算模型

圖3 各個參數代表含義與圖2 相同，本節不重述。根據角速度及線速度之間的關系，有式（5）。

式（5）中，n 為卷筒的轉速，ω 為卷筒的角速度。

根據圖3 所建立的線速度模型，可得式（2-6）

式（6）各參數代表含義與式2-1 相同，在這里不再重述。

聯立式（5）及式（6）可得式（7）及式（8）：

在岸橋俯仰機構動作時，線速度一定的多層纏繞卷筒控制方式可根據卷筒上鋼絲繩實時層數改變鋼絲繩線速度。

基于以上條件公式，多層纏繞卷筒結構相關的參數值見表1。

表1 多層纏繞卷筒參數

2.3 自動化碼頭俯仰鋼絲繩導繞系統參數設計

為保證出繩角符合國標規范，主要對俯仰卷筒-大梁鉸點-梯形架及梯形架滑輪組間距-俯仰卷筒單側間距進行尺寸布局設計。

1）俯仰卷筒-大梁鉸點-梯形架相關布置見圖4。

圖4 俯仰卷筒-大梁鉸點-梯形架布置

圖4 中，l1-機房俯仰卷筒和岸橋前大梁鉸點之間的水平距離，計16.2 m；l2-卷筒與梯形架滑輪之間的垂直距離，計27.9 m。則卷筒至滑輪的距離計算可用式（9）進行計算

將l1及l2的數值代入，得卷筒與滑輪之間的直線距離為32.3 m。

2）梯形架-梯形架滑輪組間距-俯仰卷筒單側間距布置如圖5 所示。

圖5 梯形架-梯形架滑輪組-俯仰卷筒布置

圖5 中，l1為梯形架滑輪組間距，計2.2 m，l2為俯仰卷筒單側長，計1.4 m，則出繩角計算可以式（10）進行表示。

將相關數據代入式（8）可得α=1.24°，出繩角符合國標要求。

3 基于Workbench 的鋼絲繩受力分析

3.1 滑輪尺寸設計

在對鋼絲繩進行纏繞設計時，為了提高其壽命，必須保證滑輪包角處于合理規格范圍內，滑輪包角與鋼絲繩疲勞壽命之間的關系見表2[13]。

表2 滑輪包角與鋼絲繩疲勞壽命關系

繩槽尺寸也會對鋼絲疲勞壽命產生影響，具體如下所示：

1）繩槽過大。此時鋼絲繩與滑輪之間的接觸形式由面轉換為線，單位面積受力變大，從而磨損增大；

2）繩槽過小。此時會對對鋼絲繩產生擠壓，若長期處于這種情況，則鋼絲繩容易產生變形甚至是斷絲。

在對滑輪繩槽尺寸進行設計時，主要遵循表3所示規定：

表3 滑輪繩槽尺寸

根據現場相關調試經驗，在使用多層纏繞卷筒時，滑輪繩槽直徑最好為1.05 倍鋼絲繩直徑，除滑輪尺寸相關規定外，還應保證鋼絲繩側邊開角在30°～60°之間，本課題使用 ?34 mm(6×WS(36))+IWRC1960 級別/1 740 m 型鋼絲繩，根據上述規定，設計滑輪尺寸見圖6。

圖6 滑輪槽尺寸

3.2 鋼絲繩受力計算

圖7 為鋼絲繩及滑輪布置圖。

圖7 鋼絲繩及滑輪系統布置

圖7 中，l1=31.7 m，l2=18.3 m，l3=25.9 m，l4=37 m，l5=59 m，l6=26.5 m，從左至右鋼絲繩分別受力為F、2F 及8F。根據三角函數相關計算，有式（11）及式（12）。

代入數據可得α=44.33°，β= 65.77°。

當前大梁從水平剛抬起的時刻，此時鋼絲繩承受的力最大，依據力及力矩的平衡原理得式（13）、（14）及式（15）。

計算可得鋼絲繩受力的最大值為 1.8×105N。

3.3 基于workbench 的鋼絲繩有限元仿真

采用 ?34mm(6×WS(36))+IWRC1960 級別/1 740 m 型鋼絲繩，該鋼絲繩由6 股鋼絲繩與1 股繩芯構成，捻距 250 mm，采用鋼芯鋼絲，使用Solidworks 軟件對6 股鋼絲繩與1 股繩芯進行建模并進行裝配（36 絲予以簡化），股與股之間設置緊密連接方式[13]，導入Workbench 后的模型如圖8 所示。

圖8 6×34 鋼絲繩模型

在ANSYS Workbench 中，采用static structure模塊對鋼絲繩進行靜力學分析。一端設置為固定約束，另一端施加載荷，使用自由網格命令劃分[14-15]，得到網格如圖9 所示。

圖9 鋼絲繩模型網格劃分

施加壓力載荷為50 MPa，得到等效應力云圖，如圖10 及圖11 所示：

圖10 鋼絲繩等效應力云圖

圖11 鋼絲繩截面等效應力云圖

通過圖10 以及圖11 可知，最大應力位于相鄰兩個繩股的接觸區域，繩芯所受壓力最小，其中最大應力為182.34 MPa。

通Workbench模擬計算得到鋼絲繩等效應變云圖如圖12 及圖13 所示。

圖12 鋼絲繩等效應變云圖

圖13 鋼絲繩截面等效應變云圖

從等效應變云圖中可以看出，最小應變約為0.0009 mm。

4 多層纏繞卷筒的應用

4.1 多層纏繞卷筒應用中存在的問題

俯仰機構為港口岸橋上非常重要的機構，一旦發生危險，將造成無法挽回的事故。本節分析青島港自動化集裝箱碼頭雙小車岸橋俯仰機構采用多層纏繞卷筒后出現的問題并制定合理建議，為其他雙小車岸橋應用多層纏繞卷筒提供借鑒，圖14 及圖15 為應用過程中出現的問題。

圖14 左側卷筒距離滿層第六圈斷絲

圖15 右側卷筒第二層斷絲

根據相關數據統計，鋼絲繩在兩處位置磨損嚴重：第一處為鋼絲卷到第二層過卷筒中心線進入折線段，隨著鋼絲與卷筒夾角逐漸變大，造成受力較大，鋼絲磨損越來越嚴重，斷絲80 %集中在此區域；第二處為卷筒在卷繞過程中，第一與第二層或第二與第三層導向換層及其相鄰區域鋼絲繩，由于承受的損傷較為嚴重產生的斷絲約占20 %。

4.2 改進方法及建議

因多層纏繞式卷筒在自動化碼頭雙小車岸橋并沒有成熟的案例，亦無成熟的理論計算方法以減少鋼絲繩的磨損，故在實際應用過程中主要根據維修保養人員的經驗進行調試以減少鋼絲繩磨損，主要有如下建議:

1）對鋼絲進行加強潤滑；

2）將鋼絲與卷筒之間的入繩角調小；

3）卷筒換層導向墊塊、籬笆皮節距需嚴格按多層纏繞卷筒的工藝要求機加工制作；

4）使用合適的直徑的鋼絲繩，對其直徑公差進行嚴格控制；

5）預留備用鋼絲置于卷筒，綜合考慮鋼絲繩的磨損情況和預期壽命，在橋吊維修或保養時，剪掉一小段鋼絲串動鋼絲繩，使得原交叉區已磨損鋼絲繩轉移至平行區域內，從而達到延長鋼絲的使用壽命的目的，其中，剪掉鋼絲繩的長度應為卷筒上第一層鋼絲繩周長的1/6。

根據上述建議進行俯仰機構的維護保養，目前自動化集裝箱岸橋俯仰機構鋼絲繩卷繞系統運行良好，斷絲現象大大減少。

5 結語

本文以青島港全自動化集裝箱碼頭雙小車岸橋俯仰機構為研究對象，使用了一種新型多層纏繞式卷筒，首先對多層纏繞式卷筒進行數學建模，確定了卷筒線速度一定的鋼絲繩控制方式，為保證鋼絲繩出繩角在規定范圍內，合理布置了大梁卷筒及滑輪的位置并對鋼絲繩進行了有限元受力分析，給出了多層纏繞卷筒在實際應用過程中出現的問題，結合調試經驗，提出合理化建議，為多層纏繞卷筒在其他雙小車岸橋上的應用提供了借鑒與經驗。