新型起重機用可變阻尼鋼絲繩扭轉力釋放裝置

韓中成 謝宛朋 肖利濤 吳作價

青島海西重機有限責任公司技術中心 青島 266530

0 引言

鋼絲繩作為起重機的重要組成部分，需具有較高的破斷拉力和良好的阻旋轉性能，主要考慮鋼絲繩的阻旋轉性能以避免吊裝過程中鋼絲繩產生旋轉。起重機在吊裝風電/石油煉化設備時作業高度達百米，當鋼絲繩多倍率、輕負荷或空載時，阻旋轉鋼絲繩偶爾會出現扭絞的狀況，使鋼絲繩無法上下運行，現場操作工人往往需要通過擺正吊鉤滑車的方法臨時解決問題，或采用給鋼絲繩懈勁的方法進行調整[1]。阻旋轉鋼絲繩繩由若干根鋼絲螺旋捻制而成，鋼絲繩自身必然會存在著扭矩，且鋼絲繩在生產過程中捻制應力不可能完全消除，雖然阻旋轉鋼絲繩自身產生的扭矩較小，但是阻旋轉鋼絲繩并非絕對意義上的不會發生旋轉。對于自然懸掛狀態下的鋼絲繩，由于鋼絲繩的自重，懸掛鋼絲繩上端承受的拉力比下端大，隨著懸掛鋼絲繩的高度增加而增加的應力稱為高度應力，因為鋼絲繩的扭矩在長度方向上必須是恒定的，上端和下端固定不旋轉的鋼絲繩兩端間會產生扭轉［2］。并且不旋轉鋼絲繩價格較高，港口裝卸起重機多采用可旋轉鋼絲繩。使用過程中，鋼絲繩在收放過程中繩末端受到扭轉力，長期往復作用如不能釋放將影響鋼絲繩使用壽命。通常行業內采用鋼絲繩防轉套解決該問題，但安裝于鋼絲繩末端和吊具之間的傳統裝置，由于旋轉釋放速度過快，造成了旋轉力釋放后由于旋轉慣性力而產生進一步反向過渡旋轉，形成了逆繩股方向的拆解力，可造成鋼絲繩頻繁發生散股現象。鋼絲繩散股及繩芯外漏都屬于鋼絲繩報廢的一種形式，繼續使用將會造成極大的安全隱患[3]。過度旋轉釋放大大降低了鋼絲繩的使用壽命及力學性能，多發生鋼絲繩散股、斷絲等損壞現象。日常工程中，首先將鋼絲繩自由端打開(鋼絲繩自由端一般采用快速索節或楔形接頭連接)，根據現場鋼絲繩捻向及扭絞方向進行調整，以右捻鋼絲繩為例，右捻鋼絲繩出現S 形(左向)扭絞1.5 圈，應沿著鋼絲繩捻向相反的方向(懈勁)放3 圈；右捻鋼絲繩出現Z 形(右向)扭絞1.5 圈，應沿著鋼絲繩捻向相同的方向(加勁)上3 圈。而左捻鋼絲繩出現上述扭絞現象，調整方向正好相反。然后再將鋼絲繩重新安裝，輕負荷運行后，視改善情況再做進一步調整，而過度調整容易造成鋼絲繩的結構變形。

綜合以上敘述，阻旋轉鋼絲繩在實際使用中亦不能避免工作中旋轉，且阻旋轉鋼絲繩實際生產使用、采購成本均較貴。普通的旋轉鋼絲繩更應該考慮這一關鍵問題，合理地控制鋼絲繩扭轉力的釋放及速度是目前亟待解決的問題。

為經濟、合理地解決上述提及的問題，本文設計一種可變阻尼的鋼絲繩扭轉力釋放裝置，該裝置安裝于工作鋼絲繩末端或中間部位，可以及時、穩定地釋放繩子工作過程中產生的扭轉作用力，簡單、易行、可靠，改善了鋼絲繩的工作時載荷狀態，提高了鋼絲繩的使用壽命和安全性。為起重機鋼絲繩的形式提供了新的選擇，可將價格較高的阻旋轉鋼絲繩更換為成本更低的普通鋼絲繩。

1 方案設計

如圖1 所示，新型起重機用可變阻尼的鋼絲繩扭轉力釋放裝置，包括上腔罩殼、下腔罩殼和上下腔連接組件及阻尼調節機構；上腔罩殼和下腔罩殼上下相對呈圓筒狀，上腔罩殼和下腔罩殼通過上下腔連接組件相連，上腔罩殼和下腔罩殼用于連接鋼絲繩端；阻尼調節機構安裝于上腔罩殼內且位于上、下腔連接組件與上腔罩殼之間，用于調整鋼絲繩扭力釋放時的旋轉速度。阻尼調節機構由旋轉阻尼器、上支座、下支座等組成；上下腔連接組件由限位底盤、支撐連接環、階梯連接軸等組成。

圖1 新型裝置示意圖

上下腔連接組件包括階梯連接軸和支撐連接環；支撐連接環嵌套在上腔罩殼內且支撐連接環上端與上腔罩殼上內壁抵接，支撐連接環周向側壁與上腔罩殼周向側壁通過定位銷相互固定，階梯連接軸嵌套支撐在支撐連接環內；階梯連接軸從上往下的臺階段1、臺階段2、臺階段3、臺階段4 依次設置軸向受力軸承、徑向受力軸承1 和徑向受力軸承2；軸向受力軸承嵌套在階梯連接軸的臺階段1 上且緊貼支撐連接環周向內壁；徑向受力軸承1 嵌套在階梯連接軸的臺階段2 上且緊貼軸向受力軸承；徑向受力軸承1 的外周也是軸向受力軸承的下端設置有緊貼上腔罩殼周向內壁的軸承定位油路環；徑向受力軸承1 和軸承定位油路環支撐于支撐連接環下內端壁上；徑向受力軸承2 嵌套在階梯連接軸的臺階段3上且緊貼支撐連接環的下外端壁，徑向受力軸承2 的外周設置定位環，徑向受力軸承2 和定位環的下端均與下腔罩殼上內壁抵接；階梯連接軸的臺階段4 為螺紋端，與下腔罩殼周向內壁螺紋嵌套連接。

阻尼調節機構包括上下支座和設置在上下支座之間的旋轉阻尼器，上支座為左右2 個盲底半圓槽狀結構，左右2 個盲底半圓槽狀結構之間通過彈性連接件連接，左右2 個盲底半圓槽狀結構對應彈性連接件的兩側對稱設置有與彈性連接件伸縮方向一致的腰形孔，左右2個盲底半圓槽狀結構的外周中部配有與彈性連接件伸縮方向一致的一對呈對稱設置的阻尼調整螺桿，阻尼調整螺桿從上腔罩殼外周壁對稱穿入與上支座的左右2個盲底半圓槽狀結構旋入相抵接，上支座通過在腰形孔中配以螺釘與上腔罩殼的頂部內壁固定，下支座相對上支座固定于階梯連接軸的臺階段1 的頂部，旋轉阻尼器位于上支座的左右2 個盲底半圓槽狀結構的槽腔內，旋轉阻尼器與左右2 個盲底半圓槽狀結構的槽腔的配合面為鋸齒結構，旋轉阻尼器與下支座的上端為軸向防轉孔軸連接。

下腔罩殼的周向外側壁上均勻設置多個扳手插入六角孔1，階梯連接軸的臺階段4 的底部中間設置有扳手插入六角孔2。階梯連接軸的臺階段4 的底部與下腔罩殼的底部相平，且臺階段4 的底部連接有限位底盤。

限位底盤的半徑大于階梯連接軸的臺階段4 的直徑，限位底盤通過螺釘與階梯連接軸的臺階段4 的底部連接且相抵接于下腔罩殼的底部。

支撐連接環和上腔罩殼上對應軸承定位油路環的油道設置有連通油孔，連通油孔的外端與內沉安裝在上腔罩殼外側壁中的油嘴連接。下支座的上端部呈D 形或矩形或菱形軸截面結構，旋轉阻尼器的中間安裝孔對應呈D 形或矩形或菱形軸孔。彈性連接件為彈簧，上腔罩殼的上端設置有上繩端連接孔，下腔罩殼的下端設置有下繩端連接孔，上繩端連接孔和下繩端連接孔分別通過卸扣與繩端連接。

2 工作原理

本裝置通過阻尼調整螺桿從上腔罩殼外周壁對稱穿入與上支座的左右2 個盲底半圓槽狀結構旋入相抵接進而壓緊上支座的左右2 個盲底半圓槽狀結構，同時彈簧被壓緊從而使得上支座與旋轉阻尼器的摩擦力增大；反之，通過對稱旋出阻尼調整螺桿，彈簧頂開上支座的左右2 個盲底半圓槽狀結構從而使得上支座與旋轉阻尼器摩擦力減小。

上下腔連接組件中階梯連接軸下方小端與下腔罩殼相對螺紋連接固定在一起，并和下腔罩殼一起轉動；阻尼調節機構中下支座與上下腔連接組件中階梯連接軸通過螺釘固定后與上下腔連接組件一起轉動；旋轉阻尼器中間安裝孔為軸向防轉孔，配合安裝于下支座的中間防轉軸上，并與下支座一起轉動；經過傳遞，旋轉阻尼器與下腔罩殼一起轉動，阻尼調節機構中上支座與上腔罩殼通過螺釘連接并和上腔罩殼一起轉動；經過以上傳遞，繩的轉動最終轉化到旋轉阻尼器與上支座之間的相對轉動；在此通過調節上支座的左右2個盲底半圓槽狀結構兩側的阻尼調整螺桿并配以彈簧，可以實現上支座與旋轉阻尼器之間的壓緊力，從而控制上支座與旋轉阻尼器之間的摩擦力，而上支座與旋轉阻尼器之間的摩擦力的大小可以控制上支座與旋轉阻尼器之間的相對旋轉速度。

3 使用方法

如圖2a 所示，使用繩具（如卸扣、套環等）在繩中段連接可變阻尼的鋼絲繩扭轉力釋放裝置，其中裝置上下兩端的繩可以互相反向旋轉，通過調節阻尼調整螺桿相對上支座的左右2 個盲底半圓槽狀結構的旋入旋出量配合彈簧被壓緊或放松從而控制上支座與旋轉阻尼器之間的摩擦力，而上支座與旋轉阻尼器之間的摩擦力的大小可以控制上支座與旋轉阻尼器之間的相對旋轉速度，釋放工作過程中繩產生的扭轉力。

圖2 裝置安裝于鋼絲繩的使用方式

如圖2b 所示，使用繩具（如卸扣、套環等）在繩端部（即繩下端）連接可變阻尼的鋼絲繩扭轉力釋放裝置，其中裝置上端的繩可以順（逆）時針旋轉，通過調節阻尼調整螺桿相對上支座的左右2 個盲底半圓槽狀結構的旋入旋出量配合彈簧被壓緊或放松，從而控制上支座與旋轉阻尼器之間的摩擦力，而上支座與旋轉阻尼器之間摩擦力的大小可以控制上支座與旋轉阻尼器之間的相對旋轉速度，釋放工作過程中繩產生的扭轉力。

4 性能特點

依靠旋轉阻尼實現繩扭轉力及時、穩定的釋放，既釋放了繩扭轉力又不會因釋放速度過快而反轉進而使繩破股。

該阻尼式繩類防轉裝置安裝于繩中部或一端，執行動作無需其他外力，簡單、易行、可靠、安全；可安裝在工作中無阻擋的繩中間位置或繩的端點，只需將該可變阻尼的鋼絲繩扭轉力釋放裝置使用卸扣、套環等繩具與繩連接，解決了一般繩類附屬裝置安裝不便等弊端，解決了可變阻尼的鋼絲繩扭轉力釋放裝置安裝位置的局限性，提高了安全性；自重輕、成本低；結構受力合理，采用雙向軸承轉動，提高了本裝置承受載荷的能力和扭轉力釋放的靈活性；各部件受力明確，強度滿足使用工況要求，在滿足安全性的前提下實現了繩扭轉力及時、穩定釋放功能，提高了轉動釋放的可靠性、安全性。

5 使用效果

1）由于鋼絲繩型號、使用長度及工況不同，使用中根據釋放裝置的旋轉速度調整阻尼，使得每個工作循環中裝置最終為緩慢旋轉釋放且不反轉為最佳，現實起重機工作中，可以根據設備載荷、工作速度等自身特性調整；

2）因裝置兩端都設置有連接裝置，可與卸扣、重型套環等零件組裝，本裝置可位于鋼絲繩端或連接與鋼絲繩中段，操作工人在調整阻尼時比較方便，只需要落下繩端或者中段，人員旋入和旋出阻尼調整螺桿即可；

3）因旋轉方向添加了阻尼，裝置內核心部件軸承、阻尼器均在較合理速度范圍內工作，大大提高了裝置的使用壽命；

4）與傳統的防轉套相比，該裝置成本未有太大提高，最大程度節約了成本，對制造廠和起重機使用者均較為經濟地解決了實際問題，老舊起重機可添加該裝置改善鋼絲繩工作環境，特別是對于港口裝卸用起重機，新鋼絲繩不再受必須采用阻旋轉鋼絲繩的限制。

6 結語

本文詳細介紹了一種新型起重機用可變阻尼的鋼絲繩扭轉力釋放裝置，可直接安裝于工作繩上，及時、穩定地釋放繩在工作過程中產生的扭轉作用力，簡單、易行、可靠。解決了繩在工作過程中扭轉作用力無法釋放或釋放速度過快造成反轉破股等弊端，解決了鋼絲繩工作狀況差的問題，提高了繩的使用壽命和使用的安全性。

本裝置適用于頻繁裝卸使用的鋼絲繩，既降低了起重機使用者鋼絲繩采購成本（若選用不旋轉鋼絲繩成本較高），又保證了使用性能，延長使用時間，提高了起重機的整體操作性能和鋼絲繩的安全性、可靠性。