一种无水平漂移的卷扬小车起升机构设计

张 强，陈志源

(中冶南方工程技术有限公司上海分公司，上海 201900)

0 前言

桥、门式起重机(行车)具有起重量大、结构紧凑、性价比高等优点，被广泛应用于吊装作业中，尤其在起吊大重量工件时更具有优势，例如造船厂、电站、重型设备组装等[1]。由于桥、门式起重机通常采用卷扬小车起升机构，吊钩在起升和下降过程中会发生水平漂移，所以，有精确定位要求的吊装作业，或者吊装作业空间小的场合，吊钩随着起升和下降高度的不断变化，吊装工人需要不断反复地调整起重机的位置，以抵消吊钩的水平漂移，使工件处于定位要求的位置。由于钢丝绳具有柔性、整个系统(包括起重机和吊重)的惯性、起重机每次点动控制运行时的最小位移、吊装工人的操作技术水平等多种因素，每次调整起重机位置时，吊重(包括吊装工件和吊钩组自身的重量)将做类似于钟摆式的往复摆动。吊重的位置越低(即卷筒绕出的钢丝绳越长)，对应的摆动幅度越大，并且这种摆动通常是不可控制的，主要通过钢丝绳与卷筒、滑轮之间的摩擦阻力慢慢地减小摆动幅度，直至吊重停止摆动[2-6]。因此，整个吊装作业需要耗费大量的调整时间和等待时间，吊钩的水平漂移可能导致碰撞事故，损坏工件或者厂房的其它设备，甚至发生人身安全事故。因此，设计一种无水平漂移的起升机构至关重要，可以避免发生以上情况。

1 典型的卷扬小车起升机构设计及“水平漂移”分析

卷扬小车起升机构由电动机、减速器、制动器、卷筒、定滑轮组、钢丝绳、吊钩组(包括动滑轮组)等组成，如图1所示。卷筒通常采用双联卷筒，从卷筒绕出的两根钢丝绳可以有效地平衡吊重通过钢丝绳传递给卷筒的轴向分力。典型的卷扬小车起升机构在起吊重物时，钢丝绳与卷筒绳槽、滑轮绳槽的摩擦力相对于钢丝绳的拉力很小，分析时可以忽略不计，因此，整根钢丝绳的拉力相等。设吊钩组有n个动滑轮，则有2n根钢丝绳承担吊重，则吊钩组动滑轮左侧和右侧的钢丝绳数目都是n。由理论力学静力学知识可知：所有钢丝绳竖直方向的合力大小等于吊重，方向相反；所有左侧钢丝绳水平方向的合力和所有右侧钢丝绳水平方向的合力，大小相等，方向相反。所以，分析适用于双联卷筒的起升机构和滑轮数量无关[7-14]。

图1 典型卷扬小车起升机构布置示意图

为了使卷扬小车结构紧凑，卷扬小车起升机构的滑轮直径通常比卷筒直径小，并且定滑轮组安装在小车架内部，典型的2倍率卷扬小车起升机构卷筒和滑轮布置示意图如图2所示。图3为典型3倍率卷扬小车起升机构卷筒和滑轮布置示意图，虚线表示动滑轮位于位置2时的钢丝绳，从图中可以看出吊钩动滑轮位于不同高度时，轴心的水平位置发生了变化。大于等于4倍率的卷扬小车，卷筒和滑轮的布置方式与3倍率卷扬小车相似，所有动滑轮和定滑轮分别安装在一根轴上。由图可见，典型的卷扬小车起升机构总是存在一根钢丝绳与动滑轮和定滑轮相内切，其余钢丝绳与卷筒和动滑轮、动滑轮和定滑轮相外切。根据理论力学静力学知识，通过作图统计出图2和图3典型的卷扬小车起升机构在起升高度5 m范围内的动滑轮轴心水平坐标值(以卷筒轴心为原点，向右为正)，分别见表1和表2。表1和表2中，钢丝绳竖直偏角以逆时针为正，顺时针为负。通过表1和表2可见，2倍率卷扬小车起升机构在5 m起升高度范围内动滑轮轴心水平坐标最大差值为23.5 mm，3倍率卷扬小车起升机构在5 m起升高度范围内动滑轮轴心水平坐标最大差值为28 mm。即，当卷扬小车起吊作业时，吊钩会随着起升高度的变化发生水平位移，称为“水平漂移”。

图2 典型2倍率卷扬小车起升机构卷筒和滑轮布置示意图

图3 典型3倍率卷扬小车起升机构卷筒和滑轮布置示意图

表1 2倍率卷扬小车起升机构在不同起升高度时钢丝绳竖直偏角和动滑轮轴心水平坐标值表

表2 3倍率卷扬小车起升机构在不同起升高度时钢丝绳竖直偏角和动滑轮轴心水平坐标值表

2 无水平漂移的卷扬小车起升机构设计

通过以上分析，得出典型卷扬小车起升机构的吊钩在起升和下降过程中产生水平漂移有以下两个原因：(1) 定滑轮和卷筒直径不相等，高度不同，导致在起升和下降过程中，动滑轮左侧和右侧的钢丝绳竖直偏角变化值不相同；(2) 动滑轮和定滑轮总是存在1条内切钢丝绳，在起升和下降过程中，其竖直偏角变化值与其它外切钢丝绳竖直偏角变化值不相等。

根据以上分析，卷扬小车起升机构的组成不变，重新设计卷筒和滑轮的布置：(1)两个定滑轮直径等于卷筒直径，轴心线位于同一水平面；(2)增加1个转向定滑轮，将动滑轮和定滑轮之间的内切钢丝绳变为外切钢丝绳。同时满足以下条件的设计可以保证在起升和下降过程中，吊钩组动滑轮轴心线始终在卷筒轴心线和定滑轮轴心线连线的垂直平分面内，吊钩无水平漂移：(1)当吊钩组动滑轮为2倍率时，卷筒及滑轮布置见示意图4；(2)当吊钩组动滑轮为3倍率时，卷筒及滑轮布置见示意图5；(3)当吊钩组动滑轮为大于或等于4倍率时，卷筒及滑轮布置见示意图6。

图4 无水平漂移的2倍率卷扬小车起升机构卷筒和滑轮布置示意图

图5 无水平漂移的3倍率卷扬小车起升机构卷筒和滑轮布置示意图

图6 无水平漂移的4及以上倍率卷扬小车起升机构卷筒和滑轮布置示意图

3 结束语

典型的卷扬小车起升机构的吊钩在起升和下降过程中会产生水平漂移，规律是：在起升过程中，吊钩组动滑轮轴心线与卷筒轴心线的水平距离越来越大，与定滑轮轴心的水平距离越来越小；在下降过程中，变化趋势相反。当满足本文所述设计条件时，卷扬小车起升机构的吊钩在起升和下降过程中不产生水平漂移，吊钩组动滑轮轴心线始终在卷筒轴心线和定滑轮轴心线连线的垂直平分面内。根据以上理论某新能源有限公司制作了1台2倍率10 t桥式起重机，卷筒直径400 mm，滑轮直径200 mm，钢丝绳直径10 mm，起升高度3 m，用于安装连接两个真空腔体的气动门阀，借助于激光定位装置，首先确定吊钩位置，然后操控起重机吊装气动阀门，安全、顺利一次性安装成功，取得了理想的使用效果。

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