大型桅桿起重機起升變倍率方法及其應用

劉 彬 李 靖 李鵬舉

山東豐匯設備技術有限公司 濟南 250102

0 引言

桅桿起重機是一種臂架俯仰變幅的起重機，通常布置在海岸港口、河道碼頭，用于船上貨物的裝卸作業，其結構簡圖如圖1所示，整體結構包括人字架、臂架和變幅系統，人字架和臂架的下端通過銷軸固定在地面基礎上，人字架和臂架的上端通過變幅系統連接，通過變幅系統帶動臂架俯仰變幅實現貨物的裝卸作業。

圖1 桅桿起重機結構簡圖

隨著海上風電工程的發展，對大型起重機械的需求量增大，風電塔筒、葉片和主機等都是超大體型部件，需要從岸邊裝船運輸，單體質量達數百噸，且外形尺寸、重心結構不規則，對搬運海上風電設備的桅桿起重機要求較高。

大型桅桿起重機（以下簡稱起重機）的起重量在千噸以上，遠端的起升高度在60 m以上，起重機滿載作業使用情況相對較少，一般為半載荷吊重作業。為滿足輕載高速的吊裝需求，通常設置有副臂和副鉤，質量較輕的貨物通過副鉤來裝卸，如圖2所示。主臂頭部設置2組主鉤，副臂頭部設置1組副鉤，副臂根部通過4組銷軸剛性連接在主臂頭部，變幅拉板帶動主臂和副臂同時變幅作業。

圖2 帶副鉤的桅桿起重機

副鉤額定起重量是主鉤額定起重量的20%～30%，即質量在30%主鉤額定起重量以上的貨物無法通過副鉤來吊裝。為提高碼頭貨物的裝卸效率，對于非滿載作業的工況，需要增大升降速度進而達到重載低速、輕載高速的目的。

滑輪組的倍率即滑輪組省力的倍數，是鋼絲繩繞入卷筒的線速度與重物起升速度的比值。起升滑輪組變倍率設計是實現起重機在重載低速和輕載高速之間轉換的最有效方法之一。

變倍率繞繩系統有重新纏繞鋼絲繩、固定部分動滑輪或釋放部分定滑輪等方法，改變繞繩倍率的組成系統。因此，滑輪組倍率的變換方法有2類，一類是需要重新穿裝起升繩；另一類則是無需重新穿裝起升繩，采用動、定滑輪變換的方法變換倍率。

1 換繩的變倍率方法

需要重新穿裝起升繩的變倍率方法如圖3、圖4所示，圖3為起升繩順向纏繞，起升繩朝一個方向按順序纏繞，能夠實現18/14/10倍率的變換。最大倍率使用時起升繩穿過所有滑輪，如果降倍率使用，就需要將起升繩從滑輪上拆下，并重新穿裝，使起升繩穿過較少數量的滑輪，穿繩時需要跳過個別滑輪進行纏繞，需要的倍率越少，跳過的滑輪數量越多。

圖3 起升繩順向纏繞

圖4 起升繩折返纏繞

圖4為一種折返纏繞的繞繩方法，能夠實現18/14/11倍率的變換。起升繩在滑輪組上纏繞時依次跳過一個滑輪，繞到另一端后再折返繞回，按順序纏繞在空的滑輪上，最后固定在繞入的一端。這樣纏繞使滑輪組的兩側受力均衡，不會出現因為滑輪組效率的損失導致滑輪組偏斜，起升繩受力更好。小倍率使用時，穿繩中使起升繩提前折返纏繞，滑輪組另一側的部分滑輪空余出來。

由于起升繩跳過一個滑輪纏繞，動滑輪組在上限位置時，起升繩繞入和繞出滑輪的偏斜角可能會出現超限的問題，如圖5所示。

圖5 換繩纏繞效果圖

2 不換繩的變倍率方法

無需重新穿繩的變倍率方法通常為起升繩順向纏繞，設置變倍率滑輪或變倍率滑輪組，當變倍率滑輪與定滑輪組連接時為一種倍率；當變倍率滑輪與動滑輪組連接時為另一種倍率，通過變倍率滑輪在定滑輪組和動滑輪組之間來回切換實現倍率的變換。

一種偶數動滑輪的倍率變換方法如圖6所示，設置有2個變倍率滑輪，能夠實現滑輪組在16倍率和12倍率之間變換。變倍率滑輪作為活動可變的滑輪，可作為定滑輪使用，也可作為動滑輪使用，變倍率滑輪與定滑輪組連接時為定滑輪，與動滑輪組連接時為動滑輪，通常采用銷軸進行連接。

圖6 偶數動滑輪的變倍率繞繩

換繩的變倍率方法需要在高空重新拆裝鋼絲繩，高空作業不安全且作業效率不高，影響起重機的使用。相對換繩的變倍率方法，不換繩的變倍率方法操作更加方便，作業效率高，應用更加廣泛。

不換繩的變倍率方法高效實用，但帶來的問題是變倍率滑輪切換過程中，由于上下滑輪之間的距離減小，起升繩繞入滑輪的偏斜角增大。

3 起升變倍率裝置

起升變倍率裝置由起升繩、動滑輪組、變倍率滑輪和動滑輪組等組成，如圖7所示，起升滑輪組能夠實現16/12倍率變換，設置有2組變倍率滑輪，當變倍率滑輪與定滑輪組連接時為16倍率，當變倍率滑輪與動滑輪組連接時為12倍率，倍率變換過程中，起升繩不需重新纏繞。

圖7 滑輪組16/12倍率變換

定滑輪組由定滑輪架、定滑輪、定滑輪軸和拉板等組成，如圖8所示，變倍率滑輪通過銷軸與定滑輪組的2組拉板連接。每個定滑輪和2組拉板通過定滑輪軸固定在定滑輪架上面。

圖8 定滑輪組

如圖9所示，動滑輪組由支承板、動滑輪、動滑輪軸、動滑輪架和吊鉤等組成，變倍率滑輪通過螺栓固定在動滑輪組的支承板上。每個動滑輪、支承板通過動滑輪軸固定在動滑輪架上面，動滑輪組架下面掛接吊鉤。

圖9 動滑輪組

變倍率滑輪切換過程中，起升繩繞入每個滑輪的偏斜角如何滿足規范要求，是設計變倍率裝置的關鍵。相關規范的要求有GB/T 3811—2008《起重機設計規范》要求：鋼絲繩繞進或繞出滑輪槽時的最大偏斜角（即鋼絲繩中心線和滑輪軸垂直的平面之間的夾角）不應大于5°。GB/T 13752—2017《塔式起重機設計規范》要求：鋼絲繩繞進或繞出滑輪槽時的最大偏斜角（即鋼絲繩中心線和垂直滑輪軸平面之間的夾角）不應大于4°；對阻旋轉鋼絲繩不應大于2°。

變倍率滑輪由銷軸、銷軸拉板、變倍率滑輪架、變倍率滑輪軸和變倍率滑輪等組成，如圖10所示。變倍率滑輪通過變倍率滑輪軸固定在變倍率滑輪架上，銷軸拉板焊接在變倍率滑輪架上方，兩側的銷軸拉板通過銷軸連接。

圖10 變倍率滑輪組

銷軸拉板與變倍率滑輪架焊接為一體，兩者平面成一定角度，約為6°～10°，進而使變倍率滑輪與動滑輪之間始終成一個夾角布置，這樣起升繩繞入或繞出變倍率滑輪和動滑輪時就不會有偏斜角，不受變倍率滑輪和動滑輪軸線間距的影響，同時有效減小了起升繩的磨損，如圖11所示。

圖11 變倍率滑輪的布置

起升滑輪組16/12倍率變換效果圖如圖12所示，起升繩繞入或繞出變倍率滑輪、動滑輪和定滑輪的偏斜角均小于2°。2個變倍率滑輪通過銷軸連接在定滑輪組上時為16倍率，2個變倍率滑輪通過支承板和螺栓連接在動滑輪組上時為12倍率。

圖12 滑輪組16/12倍率變換效果圖

4 更大倍率變換

該繞繩方法能夠實現更大倍率的變換，如圖13和圖14所示，一種奇數動滑輪的倍率變換繞繩方法及裝置，該裝置的中部設置變倍率滑輪組，包含2組變倍率滑輪，實現18/14倍率變換。

圖13 奇數動滑輪的變倍率繞繩

圖14 滑輪組18/14倍率變換效果圖

變倍率滑輪組通過銷軸連接在定滑輪組上時為18倍率，變倍率滑輪組通過支承板和螺栓連接在動滑輪組上時為14倍率。

為實現更小倍率的變換，可以將更多的動滑輪設置成變倍率滑輪，如圖15所示，可以實現18/14/6倍率之間的變換。

圖15 滑輪組18/14/6倍率變換

3個變倍率滑輪通過銷軸連接在定滑輪組上時為18倍率；兩側的2個變倍率滑輪通過銷軸連接在定滑輪組上，中間的1個變倍率滑輪通過支承板和螺栓固定在動滑輪組上時為14倍率；3個變倍率滑輪通過支承板和螺栓連接在動滑輪組上時為6倍率。

當所有變倍率與動滑輪組連接時應保證組合體的重心在動滑輪組軸線的下方，以避免動滑輪組出現翻轉進而影響使用，如圖16所示。

圖16 滑輪組18/14/6倍率變換效果圖

獨立的動滑輪組需要扭轉，1根鋼絲繩的入滑輪角度不會孤立存在，會受到其他鋼絲繩的牽制，直到滑輪兩端的入繩角度均衡。因此，不能單獨測量1根鋼絲繩與豎直線的夾角作為角度超差的依據，應測量1個滑輪上的2根鋼絲繩的夾角。通常情況下，桅桿起重機設置有雙鉤，2個單鉤對稱布置，單鉤之間設置連桿，這樣可以有效阻止動滑輪組的扭轉。

5 實例

某系列桅桿起重機，起升機構的工作級別為M4，起升卷筒出繩線速度50 m/min，起升繩選用阻旋轉壓實股鋼絲繩35W×K7-1 870-50 mm，單繩最大許用拉力48 t，桅桿式起重機的最大額定起重量為1 400 t?？紤]鉤重、繩重和滑輪組效率后，不同倍率下對應的起重量和起升速度參數如表1所示。

表1 起升機構參數表

由表1可知，采用單一規格的起升繩，通過選擇6～18不同的滑輪組倍率，使桅桿起重機在單鉤下實現250～700 t的額定起重量，在雙鉤下實現500～1 400 t的額定起重量。

5.1 滑輪組16/12倍率變換

某風電設備單體質量約830 t（含吊具），單鉤額定起重量約為430 t，根據此額定起重量，為提升工作效率，采用滑輪組16倍率變12倍率的倍率變換方法，分別將2個吊鉤的變倍率滑輪從定滑輪移到吊鉤動滑輪上，從而實現16倍率變為12倍率，使額定起升速度從原來的3.1 m/min提高到4.2 m/min。實際吊裝循環過程中，節省時間約30 min，桅桿式起重機起升機構的工作效率明顯提升。

5.2 滑輪組18/14倍率變換

某儲油灌注滿油后總質量約1 050 t，單鉤額定起重量約為525 t，根據此額定起重量，對應表1，為提升工作效率，采用同5.1類似的方法，通過繞繩和定/動滑輪的變換，實現18倍率變為14倍率，從而使額定起升速度從原來的2.8 m/min提高到3.6 m/min，提速效果明顯。

對于單臺桅桿起重機，通過起升滑輪組的變倍率設計，使起升機構具有多種額定起重量，進而滿足重載低速、輕載高速的吊裝作業要求。

6 結語

1）針對大型桅桿起重機，提出換繩和不換繩2類起升滑輪組的倍率變換方法。相對換繩的變倍率方法，不換繩的變倍率方法，操作更加方便，作業效率高，應用更加廣泛。

2）闡述了不換繩的變倍率方法及其原理、零部件的組成、連接方式和功能，通過奇數動滑輪和偶數動滑輪等不同的滑輪組類型，闡明其各自的倍率變換過程。

3）給出多種起升滑輪組的倍率變換裝置，通過變倍率滑輪與動滑輪形成一定夾角布置，實現起升繩繞入或繞出滑輪的偏斜角滿足規范要求。單鉤使用時，起升繩末端應固定在臂架頭部，以減小和抵消動滑輪組的扭轉。

4）不換繩的變倍率方法，臂架擺至最大幅度，吊鉤放置地面后，可實現空中換倍率，起重機一次安裝后能夠進行多種工況使用，進而實現主、副起升機構的大范圍變速，該方法有利于起升機構的模塊化設計和產品的系列化開發。