吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)異型滑輪的研制及應(yīng)用

楊金輝 徐勇鋼 張慶豐 夏 杰寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048

摘 要：在最新的起重機(jī)械安全規(guī)程要求下，依據(jù)起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范理論，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)合理、安全經(jīng)濟(jì)性價(jià)比更高、安裝便捷的異型滑輪代替吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中的平衡滑輪，使其滿足單吊點(diǎn)至少采用兩根獨(dú)立鋼絲繩的安全要求，同時(shí)降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)作業(yè)的安全性。

關(guān)鍵詞：吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)；起升系統(tǒng)；異型滑輪；設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào):TH218 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-0785（2020）13-0045-05

0 引言吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)主要應(yīng)用于吊運(yùn)高溫液態(tài)金屬和熾熱金屬，作業(yè)環(huán)境惡劣、滿載率高、吊裝動(dòng)作復(fù)雜及安全要求高，所以其本身的設(shè)計(jì)安全系數(shù)和部件配置要求也明顯高于其他同類(lèi)型的起重機(jī)械[1]。在現(xiàn)行GB6067.5—2014《起重機(jī)械安全規(guī)程第5 部分：橋式和門(mén)式起重機(jī)》中詳細(xì)規(guī)定了吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)設(shè)計(jì)與制造等方面的基本安全要求，其中4.2.4 條規(guī)定了主起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩應(yīng)滿足：1）雙吊點(diǎn)應(yīng)當(dāng)采用四根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)；2）單吊點(diǎn)至少采用兩根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)；

3）鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中，不應(yīng)當(dāng)采用平衡滑輪[2]。新修訂的TSGQ7015 － 2016《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》也明確了所有在用吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的主起升機(jī)構(gòu)（電動(dòng)葫蘆除外）鋼絲繩系統(tǒng)應(yīng)符合以上要求[3]，保證在一根鋼絲繩斷裂的情況下，另一根鋼絲繩仍能支撐重物，從而避免由于鋼絲繩斷裂后直接造成鋼包墜落傾翻的事故發(fā)生。

對(duì)比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和檢規(guī)未對(duì)吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)（Q＜ 75t）的起升鋼絲繩需要分開(kāi)設(shè)置作出強(qiáng)制性規(guī)定，工廠中在用吊運(yùn)融熔金屬起重機(jī)基本按一根鋼絲繩纏繞形式設(shè)計(jì)，所以新檢規(guī)實(shí)施后，大多數(shù)在用吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)將面臨安全整改。根據(jù)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，浙江省將有1 000 余臺(tái)吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的定期檢驗(yàn)不合格，其中寧波市約為300 余臺(tái)。根據(jù)整改費(fèi)用測(cè)算，更換一臺(tái)20 t 吊運(yùn)熔融金屬起升小車(chē)的價(jià)格為20 余萬(wàn)，如果更換整機(jī)其費(fèi)用會(huì)更高，高額的整改費(fèi)用勢(shì)必將給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，所以制定一套簡(jiǎn)捷、有效且安全可靠的整改措施是廣大冶金企業(yè)急切迫需的。

1 異型滑輪的設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)理念在用吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)整改的技術(shù)難點(diǎn)主要是由單吊點(diǎn)單根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)如何便捷有效轉(zhuǎn)變?yōu)閱蔚觞c(diǎn)雙根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，同時(shí)考慮到雙根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)可能存在著雙側(cè)鋼絲繩受力不均、雙側(cè)鋼絲繩拉伸長(zhǎng)度不一致等因素，所以在不使用平衡滑輪的前提下如何在裝置設(shè)計(jì)中充分考慮平衡的特點(diǎn)也尤其重要。本文在此研究背景下，提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用并且能夠調(diào)整兩根獨(dú)立起升鋼絲繩因長(zhǎng)短不一而造成受力不均轉(zhuǎn)動(dòng)幅度過(guò)大的異型滑輪, 其主要設(shè)計(jì)理念為：

1）將原平衡滑輪處鋼絲繩一分為二，兩組繩頭單獨(dú)設(shè)置，從而滿足單吊點(diǎn)兩根鋼絲繩纏繞方式，確保一側(cè)鋼絲繩發(fā)生斷裂時(shí)，另一側(cè)也能保證支撐住吊鉤下的載荷；

2）保證中間兩側(cè)繩頭起到上下位置調(diào)整的作用，從而避免由于兩根獨(dú)立鋼絲繩拉伸不一致或載荷的偏斜而造成兩側(cè)鋼絲繩受力不均；

3）裝置結(jié)構(gòu)及形式的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能考慮各結(jié)構(gòu)部件應(yīng)力的優(yōu)化，并考慮鋼絲繩和裝置更換、檢查的便利性。

將該新型異型滑輪替代原起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中吊鉤滑輪上的平衡滑輪，巧妙地實(shí)現(xiàn)了起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)形式由單吊點(diǎn)單根鋼絲繩轉(zhuǎn)化為單吊點(diǎn)雙根鋼絲繩，整改前后起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)形式對(duì)比如圖1 所示。并且異型滑輪的扇形結(jié)構(gòu)受力均勻，能夠自動(dòng)平衡兩根獨(dú)立作用鋼絲繩的受力不均現(xiàn)象，使整改后的起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)滿足最新標(biāo)準(zhǔn)和檢規(guī)的要求，且該異型滑輪加工制造簡(jiǎn)單方便，成本低廉，安裝便捷，具有很好的實(shí)施效果和推廣意義。

圖 1 整改前后起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)形式對(duì)比圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文中所述異型滑輪結(jié)構(gòu)形狀為扇形吊板，如圖2 所示。該裝置主要由上下兩部分組成：裝置上部為繩頭聯(lián)接部分，分別在扇形吊板的上寬兩側(cè)開(kāi)孔，孔的大小應(yīng)與鋼絲繩楔套的吊孔大小保持一致，楔套與扇形吊板的聯(lián)接采用間隙配合，在兩孔中間安裝軸套與固定軸，并在固定軸一側(cè)安裝擋板和開(kāi)口銷(xiāo)（防止竄動(dòng)）。間隙配合目的主要確保鋼絲繩繩頭有一定的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)空間，滿足當(dāng)扇形吊板由于兩側(cè)鋼絲繩長(zhǎng)短偏差發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其兩邊楔套繩頭也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而確保繩頭的拉力始終保持在垂直的位置；裝置下部為鉸座板，上寬下窄，底部為半圓形，上部為長(zhǎng)方形，這種結(jié)構(gòu)便于三點(diǎn)受力的合理分配和制造工藝便利性。鉸座板的材料為Q345B，板底部的中央開(kāi)孔安裝軸承室鋼套，鋼套與鉸座板采用焊接聯(lián)接，鋼套中再安裝深溝球軸承，軸承與鋼套采取過(guò)盈配合聯(lián)接，軸承室內(nèi)孔的直徑大小則與原吊鉤滑輪組軸直徑大小保持一致，整個(gè)異型滑輪固定方式按照原吊鉤平衡滑輪固定即可。

1. 鋼絲繩繩頭楔套組件 2. 鉸座板 3. 軸承室4. 擋塵板 5. 軸承 6. 楔套固定軸圖 2 異型滑輪結(jié)構(gòu)圖

1.3 性能分析1）異型滑輪不是單純的平衡梁裝置，其結(jié)構(gòu)為扇形結(jié)構(gòu)，它綜合了圓形滑輪均勻受力和桿件平衡梁的平衡作用等因素；

2）該滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度較大，從而可調(diào)整兩側(cè)鋼絲繩由于長(zhǎng)短不一造成受力不均的幅度范圍較大的問(wèn)題；

3）該滑輪的扇形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為了滿足不同重載工況下其結(jié)構(gòu)件受力的均勻性，確保在重載調(diào)整狀態(tài)下，其平衡結(jié)構(gòu)件不降低受力強(qiáng)度，而一般平衡梁傾斜至一定角度時(shí)，其桿件的垂直受力強(qiáng)度會(huì)大幅度降低；

4）該滑輪安裝位置較方便，位置一般固定于原吊鉤滑輪組中間平衡滑輪位置處，改造時(shí)，只需拆除吊鉤滑輪組上平衡滑輪后，再安裝軸孔大小與原滑輪一致的異型滑輪即可。另外，異型滑輪的整體大小不會(huì)超出原吊鉤滑輪組的直徑范圍，不會(huì)影響吊鉤滑輪組的運(yùn)行空間和起重機(jī)整體的提升高度。

1.4 強(qiáng)度校核異型滑輪裝置中鉸座板的大小、厚度、鋼絲繩楔套大小及各開(kāi)孔的大小均應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)起重機(jī)額定起重量和吊鉤滑輪組的大小計(jì)算得出。

根據(jù)異型滑輪的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行受力分析，首先均衡板與鋼絲繩的楔形接頭銷(xiāo)軸連接處存在局部應(yīng)力，需驗(yàn)算校核；其次，把均衡板與鋼絲繩楔形接頭兩個(gè)鉸點(diǎn)看做支點(diǎn)，滑輪軸作用處看做集中載荷作用，均衡板按簡(jiǎn)支梁計(jì)算，均衡板滑輪軸作用處存在最大彎矩，并且在滑輪軸處作用的軸承座存在局部應(yīng)力，需校核驗(yàn)算[4]。以額定起重量50 t 的吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)為例，相關(guān)計(jì)算如下：1）鋼絲繩楔形接頭銷(xiāo)軸處局部應(yīng)力校核銷(xiāo)軸校核

式中:Q為銷(xiāo)軸所受剪力，Q = 0.5×5 000 = 2.5×104N；d 為銷(xiāo)軸直徑，d =50 mm；銷(xiāo)軸材料為40Cr，許用應(yīng)力[τ 1]=232 MPa。銷(xiāo)軸孔處平均擠壓應(yīng)力

式中:[σ bs] 為軸孔的擠壓許用應(yīng)力，考慮工作受力時(shí)和銷(xiāo)軸無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，主要用于冶金起重，取[σ bs]=σs/6=45.83 MPa。

2）各危險(xiǎn)斷面最大拉應(yīng)力計(jì)算圖3 中軸孔A-A、B-B、C-C 截面為危險(xiǎn)截面，對(duì)危險(xiǎn)截面的應(yīng)力計(jì)算如下：A-A 截面應(yīng)力為

式中：b 為鉸孔中心至左邊緣距離，b =60 mm；α 為應(yīng)力集中系數(shù)，取α =2.2。驗(yàn)算通過(guò)。B-B 截面應(yīng)力為

式中：h 1 為鉸孔中心至上邊緣距離，h 1=60 mm。驗(yàn)算通過(guò)。C-C 截面處為直接危險(xiǎn)截面, 其截面應(yīng)力為

式中：δ 0 為軸承孔厚度，δ 0=102 mm；d 1 為軸承孔直徑，d 1=230 mm。驗(yàn)算通過(guò)。

圖 3 異型滑輪危險(xiǎn)斷面分析

3）均衡板最大彎矩處應(yīng)力計(jì)算均衡板截面圖如圖4 所示，軸孔平均擠壓應(yīng)力為

滑輪軸處均衡板的最大彎曲應(yīng)力為

式中：M 為跨中彎矩, M=F l/2=100 00N·m；Wx 為均衡板中間截面抗彎彎矩，驗(yàn)算通過(guò)。

圖 4 均衡板截面圖

2 異型滑輪的制造及安裝2.1 制造工序通過(guò)對(duì)所設(shè)計(jì)的異型平衡滑輪各組件強(qiáng)度校核通過(guò)后，其制造工序流程如圖5 所示：

圖 5 異型滑輪制造工序

2.2 安裝工序?qū)τ谝呀?jīng)投入使用的吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)吊鉤組更換異形平衡滑輪的安裝步驟為：1）拆除卷筒上的鋼絲繩壓板，使鋼絲繩和起重機(jī)分離；2）將鋼絲繩從吊鉤組中抽出后整體拆分原吊鉤組；3）拆分吊鉤組后取出中間定滑輪并安裝上配套的異形滑輪；4）安裝好另外的滑輪及滑輪罩等部件使吊鉤組復(fù)原；5）將原先拆除的一根鋼絲繩分成兩根一樣長(zhǎng)的鋼絲繩；6）將兩根鋼絲繩分別繞過(guò)卷筒、定滑輪、和吊鉤組滑輪最后固定在異形滑輪兩端的鋼絲繩繩頭楔套組件中；7）安裝完畢后檢查各緊固件是否緊固可靠，異形滑輪兩端是否保持相對(duì)平衡。若兩端未平衡應(yīng)進(jìn)行調(diào)整以保證異形滑輪受力均勻。

本文選取3 倍率異形滑輪吊鉤組實(shí)物圖為例，其最終安裝更換后的吊鉤組實(shí)物圖如圖6 所示。

圖 6 3 倍率異形滑輪鋼絲繩起升系統(tǒng)吊鉤組

3 應(yīng)用實(shí)例3.1 實(shí)例背景某鑄造廠一臺(tái)在用吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的型號(hào)為QDY50-21A7S, 設(shè)備額定起重量為50 t；跨度為21 m；起升高度9 m；起升倍率為5。其起升機(jī)構(gòu)繞繩方式為平衡滑輪位于吊鉤組的中間滑輪位置，且是單吊點(diǎn)單根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，不符合參考文獻(xiàn)[2]、[3] 中相關(guān)規(guī)定要求，存在由于起升鋼絲繩的突然斷裂，導(dǎo)致重物急劇下墜的安全隱患。

3.2 實(shí)例應(yīng)用分析根據(jù)最新起重機(jī)械定期檢規(guī)要求，該起重機(jī)遇到了定期檢驗(yàn)不合格、停止使用的局面，這對(duì)企業(yè)的正常生產(chǎn)運(yùn)行造成巨大的困難。該類(lèi)起重機(jī)必須進(jìn)行相應(yīng)整改，才能達(dá)到要求，如整機(jī)重新設(shè)計(jì)制造，存在周期長(zhǎng)、投入成本大等不利因素。因此從吊鉤組入手選用異形滑輪來(lái)代替動(dòng)滑輪組中的中間滑輪其結(jié)構(gòu)，如圖7 所示，5倍率異型滑輪鋼絲繩起升系統(tǒng)。整改完成的起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，符合相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范中提出的單吊點(diǎn)兩根獨(dú)立鋼絲繩的要求，確保吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，即使一側(cè)鋼絲繩發(fā)生斷裂，另一側(cè)也能支持住吊鉤下的載荷，避免事故的發(fā)生，同時(shí)也滿足了不能使用平衡滑輪這一要求。順利通過(guò)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的監(jiān)督檢驗(yàn)。在各項(xiàng)載荷試驗(yàn)時(shí)未出現(xiàn)兩根鋼絲繩受力不均、異型滑輪受力變形等不利現(xiàn)象。通過(guò)改變吊鉤組平衡滑輪為異型滑輪這個(gè)整改方法大大縮短了整改時(shí)間也降低了企業(yè)的整改費(fèi)用。

圖7 5 倍率異型滑輪鋼絲繩起升系統(tǒng)

4 結(jié)論1）本文所設(shè)計(jì)的異型滑輪與兩根獨(dú)立起升鋼絲繩繩頭的楔套聯(lián)接采用插銷(xiāo)形式，便于鋼絲繩的更換，而獨(dú)特的扇形結(jié)構(gòu)使平衡滑輪受力更為均勻，扇形結(jié)構(gòu)與吊鉤滑輪軸采用的深溝球軸承聯(lián)接能自動(dòng)平衡兩個(gè)獨(dú)立鋼絲繩由于長(zhǎng)短不一而引起的受力不均，使兩根鋼絲繩受力一致。從而解決了原鋼絲繩纏繞系統(tǒng)形式由單吊點(diǎn)單鋼絲繩向單吊點(diǎn)雙鋼絲繩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變和兩根鋼絲繩受力動(dòng)態(tài)平衡性這兩大吊點(diǎn)整改技術(shù)難點(diǎn)。

2）異型滑輪制造安裝方便、安全可靠，只需替換原吊鉤滑輪組中的平衡滑輪，不需對(duì)小車(chē)架進(jìn)行額外的整改，故可方便快捷滿足在用吊運(yùn)融熔起重機(jī)械的整改工作，在確保符合安全技術(shù)要求的條件下，大幅度地降低了整改費(fèi)用，減少了企業(yè)成本。根據(jù)一臺(tái)額定起重量為50 t 吊運(yùn)熔融起重機(jī)的整改費(fèi)用測(cè)算，如更換整個(gè)小車(chē)費(fèi)用約為35 萬(wàn)，如增加鋼絲繩纏繞圈數(shù)（高度允許）+ 加裝小車(chē)架平衡梁+ 更換吊鉤滑輪組約為15 萬(wàn)，而加裝異型滑輪裝置只需2 萬(wàn)左右。

3）對(duì)部分噸位的新制造吊運(yùn)熔融起重機(jī)提供了設(shè)計(jì)優(yōu)化手段，如原設(shè)計(jì)為3、5 倍率的起升鋼絲繩纏繞方式，可不必改為4 和6 倍率，從而減少鋼絲繩和卷筒的長(zhǎng)度，有利小車(chē)架及整機(jī)的布局。

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