新型雙幅板壓制滑輪及其制造技術(shù)

陳創(chuàng)業(yè) 朱國和

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司長興分公司 上海 201913

0 引言

滑輪作為承載部件之一，廣泛應(yīng)用在各種起重運(yùn)輸機(jī)械中。在滑輪繩槽中纏繞著鋼絲繩，通過卷筒的驅(qū)動將力傳遞到鋼絲繩上，實(shí)現(xiàn)升降或使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)等運(yùn)動，從而搬動重物，在力的傳遞過程中，鋼絲繩與滑輪槽內(nèi)壁發(fā)生相互擠壓和摩擦[1，2]。隨著鋼絲繩的速度和載荷不斷提高，如何設(shè)計(jì)實(shí)用可靠便于制造的滑輪是多年來的難題。

在解放初期，國內(nèi)沒有生產(chǎn)滑輪的專業(yè)廠，直到改革開放初期，滑輪主要仍由國外進(jìn)口，之后國內(nèi)廠家逐步用鑄造方法生產(chǎn)。從技術(shù)層面看，近30 a 來滑輪技術(shù)進(jìn)步明顯，但始終離不開以熱加工為主(鑄造、鍛造、熱軋)的生產(chǎn)方式[3-5]。

傳統(tǒng)鑄造和鍛造滑輪因自重較大、轉(zhuǎn)動慣量大、交貨周期長和成本高等缺點(diǎn)日益跟不上用戶需要，且生產(chǎn)成本高、產(chǎn)品價(jià)格昂貴，許多用戶不愿采用[6-8]。市場上常規(guī)滑輪主要為鑄造滑輪或熱軋滑輪，鑄造滑輪采用整體實(shí)型、砂型和熔模鑄造，但組織致密度差，不可避免地會存在疏松、氣孔、粘砂等鑄造缺陷，需要對工件進(jìn)行修補(bǔ)，且滑輪自重大，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動阻力也大[9-11]。

后來發(fā)展的熱軋滑輪繩槽精度差，產(chǎn)品一致性不佳。熱軋滑輪的幅板與輪緣由一塊鋼板熱軋成型，只能采用單幅板結(jié)構(gòu)，幅板厚度受到輪緣厚度制約無法自由調(diào)整，總體幅板厚度偏厚，熱軋成型工藝導(dǎo)致滑輪繩槽精度差，圓周方向繩槽厚度不均勻，滑輪高速轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生跳動和異響，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生變形。由于熱軋滑輪采用輪緣整體熱軋方式生產(chǎn)，輪緣內(nèi)部的硫化物、氧化物、硅酸鹽等非金屬夾雜物被壓成薄片狀，導(dǎo)致滑輪材質(zhì)出現(xiàn)分層。而分層使鋼件力學(xué)性能大幅惡化，嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)層間撕裂，對滑輪質(zhì)量影響很大，所以，熱軋滑輪輪緣精度差，使用壽命短。此外，軋制時(shí)表面氧化較嚴(yán)重，滑輪表面會產(chǎn)生脫碳，脫碳后滑輪硬度降低，耐磨性和壽命都會大幅下降。熱軋過程中滑輪表面會有氧化鐵皮脫落，對后續(xù)加工造成不利影響，故熱軋滑輪廢品率高。

近年來，國內(nèi)有廠家研發(fā)了采用高分子材料制造的各種滑輪，或在鋼滑輪的繩槽里貼上可更換的塑料套[12，13]，但只能用于有輕量需求、工作頻率不高的部位，對于承受重載的起重機(jī)（如集裝箱起重機(jī)），對滑輪的質(zhì)量和可靠性要求極高，則必須用鋼制滑輪。

隨著起重機(jī)械等行業(yè)高速、高效以及自動化、智能化的發(fā)展需要，鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)速度高達(dá)400 ～600 m/min甚至更大，且吊運(yùn)節(jié)拍很快，滑輪需要頻繁起制動，對滑輪性能要求較高，主要包括：

1）自重輕 較輕的自重意味著轉(zhuǎn)動阻力和轉(zhuǎn)動慣量小。為減少繩槽磨損，需減輕滑輪自重以適應(yīng)頻繁起制動和高速運(yùn)行，同時(shí)延長滑輪和鋼絲繩的使用壽命；

2）承載能力好 隨著鋼絲繩的技術(shù)進(jìn)步，同直徑鋼絲繩的許用承載能力比舊標(biāo)號提高約15%～20%，故要求滑輪也相應(yīng)提高承載能力。繩徑100 mm、滑輪直徑3 000 mm、承載數(shù)百噸的滑輪已在海工等工程中使用；

3）輪緣可個(gè)性化定制 輪緣參數(shù)（如繩槽角度）個(gè)性化定制以適用于不同使用場合的不同需要。

因此，研究、開發(fā)一種自重輕、承載能力好、輪緣可定制的新型滑輪是非常必要和迫切的。

1 新型雙幅板壓制滑輪

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本文提出一種鋼質(zhì)減重型雙幅板壓制滑輪及其制造方法，其具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、強(qiáng)度和剛度高、自重輕、輪槽耐磨、使用壽命長等特點(diǎn)，能完全替代常規(guī)的熱軋滑輪。雙幅板壓制滑輪的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，滑輪包括輪轂、連于輪轂上的幅板及連于幅板上的輪緣。輪轂采用20 鋼材質(zhì)鋼管，設(shè)置為管狀結(jié)構(gòu)；幅板采用Q355 或Q345 材質(zhì)鋼板，共有2 塊，均為空心圓環(huán)形板狀，并設(shè)置為八字支撐框架結(jié)構(gòu)連于輪轂上；輪緣采用35 鋼材質(zhì)的角鋼，為U 形截面圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，輪緣外側(cè)面連于幅板上，輪緣內(nèi)側(cè)面為繩槽；2 塊幅板連于輪轂上，輪緣連于幅板上，輪轂、2 塊幅板與輪緣之間構(gòu)成一梯形截面。2 塊幅板上均設(shè)有2 ～10 個(gè)對稱的減輕孔。減輕孔內(nèi)均設(shè)有支撐管，支撐管采用20 鋼無縫管。

圖1 雙幅板壓制滑輪的結(jié)構(gòu)示意圖

新型雙幅板壓制滑輪的制備包括以下步驟：制作輪轂、制作幅板、制作輪緣、焊接、檢驗(yàn)、交付。

新型雙幅板壓制滑輪具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、強(qiáng)度和剛度好、自重輕、美觀而簡潔、輪槽耐磨使用壽命較長等特點(diǎn)，完全可以替代市場常規(guī)熱軋滑輪，且制造更加靈活，繩槽角度等還可根據(jù)客戶需要進(jìn)行定制，以滿足不同用戶的需求。壓制滑輪的輪緣采用冷加工方式成型,避免了熱加工成型如鑄造、鍛造和熱軋成型中表面氧化和脫碳問題，而表面氧化和脫碳會直接影響滑輪的表面硬度和服役壽命，且加工方式簡單，制造成本低。

2 新型雙幅板壓制滑輪制造的具體步驟

繩槽可由1 條角鋼/板材卷圓對接，或是2 條角鋼/板材半圓對接后焊接成型。為簡化制作工序并增加可靠性，推薦繩槽由1 條90°角鋼卷圓對接后焊接制作而成。輪緣壓制成型后可直接使用，為提高滑輪的耐磨性和服役壽命，輪緣還可經(jīng)過表面淬火處理后使用。繩槽角度α可根據(jù)用戶需要靈活定制，通過調(diào)整和選用不同的壓制模具實(shí)現(xiàn)繩槽角度可調(diào)節(jié)，范圍明顯大于同規(guī)格的整體鍛造滑輪、焊接滑輪和軋制滑輪。繩槽角度α常規(guī)有35°、45°或52°可供選擇。2 塊幅板焊接在輪轂上，輪緣焊接在幅板上，輪轂、2 塊幅板與輪緣之間形成一個(gè)梯形截面。滑輪全部由鋼質(zhì)材料制作，輪轂為鋼管，幅板為鋼板，輪緣為鋼板或型鋼制作而成。具體材料可根據(jù)用戶需要和滑輪具體服役工況選用碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼。2 塊幅板上可根據(jù)需要不設(shè)或設(shè)置減輕孔，減輕孔內(nèi)可以根據(jù)需要不設(shè)或設(shè)置支撐管，幅板表面無需設(shè)置加強(qiáng)筋。幅板上設(shè)置減輕孔時(shí)，在2 塊幅板上對稱設(shè)置2 ～10 個(gè)減輕孔，每個(gè)減輕孔內(nèi)推薦采用支撐管以提高滑輪剛度，支撐管推薦選用20 鋼無縫管。雙幅板壓制滑輪的制備方法主要步驟有：

1）制作輪轂 選用碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼鋼管，按所需規(guī)格加工出滑輪的輪轂，輪轂可優(yōu)選20 鋼；

2）制作幅板 選用碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼鋼板，按所需規(guī)格加工出2 塊滑輪的幅板，幅板為2 塊經(jīng)落料后沖壓成型的圓形鋼板，幅板采用Q355 鋼板，幅板上可根據(jù)需要設(shè)置減輕孔，減輕孔內(nèi)部可增加支撐管，支撐管5 選用20 鋼無縫管；

3）制作輪緣 選用碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼角鋼或板材，繩槽由角鋼或板材折彎后，由1 條卷圓對接或2 條卷圓對接后焊接成型，輪緣優(yōu)選35 號角鋼制作，繩槽角度α可根據(jù)用戶需要靈活定制，通過調(diào)整和選用不同的壓制模具實(shí)現(xiàn)，繩槽角度α常規(guī)有35°、45°、52°可選；

4）焊接 將2 塊幅板設(shè)置呈梯形支撐框架結(jié)構(gòu)，其大口端焊接在輪轂上，將輪緣焊接在2 塊幅板小口端，2 塊幅板與輪轂、輪緣之間構(gòu)成梯形截面；

5）檢驗(yàn)、交付 對經(jīng)步驟1）～步驟4）完成的滑輪進(jìn)行噴砂、表面噴漆，之后進(jìn)行打碼、激光刻印防偽標(biāo)志和序列號，再經(jīng)檢驗(yàn)（探傷檢驗(yàn)、涂裝檢驗(yàn)）合格后，即可發(fā)貨。

步驟4）中焊接成型的滑輪可直接使用，還可經(jīng)表面淬火處理，滑輪經(jīng)表面中頻率感應(yīng)淬火后使用，淬火后進(jìn)行低溫消應(yīng)力處理，使滑輪繩槽的表面硬度可達(dá)HB280 ～HB330，淬硬層深度≥2 mm，2 mm 處深處硬度≥HB250。探傷檢驗(yàn)方式選用超聲+磁粉探傷。主體結(jié)構(gòu)焊接完工的雙腹板壓制滑輪實(shí)物如圖2 所示。裝配涂裝完工的雙腹板壓制滑輪如圖3 所示。

圖2 主體結(jié)構(gòu)焊接完工的雙腹板壓制滑輪

圖3 裝配涂裝完工的雙腹板壓制滑輪

制作完成后的滑輪質(zhì)量顯著輕于同規(guī)格的整體鍛造滑輪、焊接滑輪和熱軋滑輪，減重比例為10%～45%。底徑810 mm 的壓制滑輪實(shí)測質(zhì)量為111 kg，底徑810 mm 的整體鍛造滑輪質(zhì)量為200 kg；底徑810 mm 的焊接滑輪質(zhì)量為153 kg，底徑810 mm 的熱軋滑輪質(zhì)量為124 kg，按照減重比例折算，底徑810 mm 的熱軋滑輪比同規(guī)格整體鍛造滑輪減重約45%，比同規(guī)格焊接滑輪減重約27%，比同規(guī)格熱軋滑輪減重約10%。該新型滑輪已獲批國家專利授權(quán)。

3 結(jié)語

雙幅板壓制滑輪應(yīng)用范圍寬廣，適用于港口碼頭的起重裝備（如岸邊集裝箱起重機(jī)、抓斗卸船機(jī)、輪胎式集裝箱起重機(jī)、門式起重機(jī)、抓斗和集裝箱吊具附件等）、大型浮式起重機(jī)、船舶工程起重機(jī)、石油鉆機(jī)平臺起重機(jī)、工廠礦區(qū)的各類起重機(jī)、水利（水閘）起重裝備、工程履帶起重機(jī)等，有良好的實(shí)用性和市場前景。使用該技術(shù)制造的滑輪已在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用和驗(yàn)證，截至目前無不良反饋，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。展望未來，新型雙幅板壓制滑輪發(fā)展前景良好，市場前景廣闊。