基于核用起升装置钢丝绳交叉缠绕偏斜角的设计研究

战蓉洁 周 洋 沈艳祥 姚春玲

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

1 核用起升装置的设计要求

核能作为一种清洁能源，技术成熟，供应能力强，与火电、 水电一起构成了当今世界电力的三大支柱。起重设备虽不是核电站的核心设备，但也是必不可少的重要设备之一。 由于核电站工作环境的特殊性，吊运如燃料组件等， 带有高放射性物质的危险载荷，会对起重设备的起升装置有较高的要求[1]。 在起升机构的设计上，为了能够在复杂的使用环境中保证机构的安全性，专用起升装置会采用单一故障保护原则进行设计，如在钢丝绳缠绕设计上采用双钢丝绳缠绕的结构形式，这样能够保证在一根钢丝绳断裂后，另一根钢丝绳仍然能够保持住载荷并能够将其吊运至安全的场所。 由于被吊设备为危险载荷，因此，对起升装置的要求会更高一些， 除了采用双钢丝绳缠绕的形式外，还需保证在一根钢丝绳断裂后，维持住载荷的稳定性，不会产生晃动或者倾斜，并且能够降低钢丝绳脱离滑轮的危险。

2 钢丝绳的缠绕设计

对比钢丝绳并联缠绕形式，如图1 所示，即两根钢丝绳分别绕过一个滑轮后， 通过楔形接头和绳夹，分别固定在同侧的平衡梁上，虽然并联缠绕的形式也能够保证在一根钢丝绳断裂后， 保持住危险载荷，但不能完全保证危险载荷的稳定性，有可能在一根钢丝绳断裂的瞬间，吊钩带着危险载荷会产生晃动或者倾斜的情况，严重时还有可能造成钢丝绳脱离滑轮的危险。 因此，为了能够保证危险载荷的稳定性[2]，钢丝绳的缠绕形式采用交叉缠绕的形式。 即吊钩组件采用4个动滑轮组成，一根钢丝绳从卷筒一侧绕出后，绕过两个平行的滑轮组，通过楔形接头和绳夹固定在平衡梁上。 同样，另一根钢丝绳从卷通过的另一侧绕出后，经过另外两个平行的滑轮组，通过楔形接头和绳夹固定在平衡梁上。 将滑轮组投影到卷筒平面时， 绕在4个滑轮组的钢丝绳处于交叉形式，因此，简称为双联滑轮组钢丝绳交叉缠绕形式。

图1 双联滑轮组钢丝绳并联缠绕和交叉缠绕对比

3 钢丝绳交叉缠绕的偏斜角设计

当钢丝绳从卷筒的一侧绕出后进入动滑轮时，由于吊钩组件的外形尺寸和卷筒的尺寸设计，会导致钢丝绳不会垂直卷筒轴线进入滑轮组，或者当钢丝绳绕过滑轮组时， 也有可能不会垂直卷筒轴线进入平衡梁。 若在吊钩最低点时，钢丝绳垂直卷筒进入了滑轮组，或者钢丝绳绕出滑轮组后垂直进入平衡梁，但当吊钩处于最高点时，也有可能在绕进和绕出滑轮组的时候产生一个角度，此角度为钢丝绳的偏斜角。 为了保证钢丝绳在绕进和绕出滑轮时，能够在滑轮槽内运行顺畅，并且不会脱离绳槽，钢丝绳绕进滑轮和绕出滑轮的偏斜角最大不应超过5°[3]。

设定滑轮组的交叉角度为37.5°时， 由图2 可以看出，当钢丝绳从卷筒绕出，进入滑轮组，此时为滑轮组的入绳端，为保证钢丝绳能够顺利进入滑轮，应计算钢丝绳绕进滑轮的偏斜角。 根据偏斜角的定义，此时，需将钢丝绳投影到垂直于滑轮轴的平面上，并且由于钢丝绳滑轮组采用交叉缠绕的形式，因此，在两组滑轮的设计上， 应有一个容许钢丝绳穿过的高度差， 即两根钢丝绳绕进或绕出滑轮的高度是不一样的。

根据放样计算后，可以得到，钢丝绳绕进滑轮组的偏斜角分别为3.87°和4.04°， 两组偏斜角均小于5°，因此，可以满足设计要求。

图2 滑轮组钢丝绳交叉缠绕设计结构

同样的，当钢丝绳绕过滑轮后，经过楔形接头和绳夹后固定在平衡梁上时， 为了保证钢丝绳的出绳端不会从滑轮中脱出， 此时也应计算钢丝绳的偏斜角，通过放样计算后可以得到，偏斜角分别为0.74°和0.77°，两组钢丝绳的偏斜角均小于5°，满足设计要求。

在实际使用过程中，钢丝绳除了在吊钩处于最上方时，应满足偏斜角小于5°外，还应校核当吊钩下降到吊钩下极限时的钢丝绳偏斜角， 经过放样计算后，也均小于5°，满足设计要求。

4 滑轮组的交叉角对钢丝绳偏斜角的影响

当双钢丝绳交叉缠绕投射到卷筒轴线所在平面时，两根绕过滑轮组的钢丝绳与平行于卷筒轴线所形成的夹角定义为交叉角， 交叉角的理论变化范围0°～90°，当滑轮的尺寸型号确定后，交叉角除了对吊钩组件的外形尺寸造成一定影响以外，还对钢丝绳的偏斜角有一定的影响。

当其余参数确定后，通过计算吊钩处于上极限标高时， 不同交叉角变动后得到的钢丝绳的偏斜角，详见图3。

图3 交叉角度与吊钩偏斜角的关系

通过计算， 交叉角的变化范围从20°到60°时，左右两侧绕进和绕出滑轮组的钢丝绳的偏斜角，可以发现，偏斜角呈现一个先减小后增大的趋势。 在实际的设计过程中，偏斜角最大取值不能超过5°，否则钢丝绳将会从滑轮中脱出。 因此，此设计方案当中，交叉角最佳 的变化范围在30°～52.5°， 只要滑轮组的交叉角在此范围内取值，均能够满足设计要求。

通过研究可以发现，绕进滑轮组和绕出滑轮组的滑轮组交叉角最小角度分别为45°和35°，不在同一角度。 之所以会这样是因为偏斜角还受到另外两个因素的影响，一个是卷筒出绳点与吊钩中心点的连线与平行卷筒轴线的夹角，定义为出绳角，当滑轮组的交叉角确定时，它影响了绕进滑轮组的偏斜角大小。 另一个因素是平衡梁的入绳点和吊钩中心点连线与平行卷筒轴线的夹角，定义为入绳角，当滑轮组的交叉角确定时，它影响了绕出滑轮组的偏斜角大小。

当交叉角角度为37.5°时， 通过计算可以得到出绳角和入绳角角度变化范围对偏斜角的影响，具体如图4 所示。

可以看出，当滑轮组的交叉角固定为37.5°，出绳角和入绳角在27°到50°之间变化时，钢丝绳的偏斜角先减小在增大，最小值在37°到39°。由此可以得到，当出绳角和入绳角与滑轮组的交叉角角度越接近，钢丝绳的偏斜角越小，越有利于设计。

5 结语

图4 出绳角和入绳角与偏斜角的关系

本文基于核用起升装置的设计，对钢丝绳交叉缠绕的形式进行了设计，通过研究钢丝绳绕出和绕进滑轮组的偏斜角得出，偏斜角受到滑轮组的交叉角的影响，通过既定的结构设计，交叉角的变化在30°～52.5°时，钢丝绳的偏斜角取值最小，满足设计的要求。 同时分析了出绳角和入绳角对绕进和绕出滑轮组的偏斜角影响，可以发现，当出绳角和入绳角与滑轮组的交叉角角度越接近， 钢丝绳绕进和绕出滑轮的偏斜角越小。 因此，在实际设计中，在满足整体结构布置的前提下，应保证出绳角，入绳角和滑轮组的交叉角趋于一致， 这样钢丝绳绕进和绕出滑轮组的偏斜角越小，越能够保证钢丝绳在运行过程中，不会脱离滑轮组的绳槽。