一種無水平漂移的卷揚小車起升機構設計

張 強，陳志源

(中冶南方工程技術有限公司上海分公司，上海 201900)

0 前言

橋、門式起重機(行車)具有起重量大、結構緊湊、性價比高等優點，被廣泛應用于吊裝作業中，尤其在起吊大重量工件時更具有優勢，例如造船廠、電站、重型設備組裝等[1]。由于橋、門式起重機通常采用卷揚小車起升機構，吊鉤在起升和下降過程中會發生水平漂移，所以，有精確定位要求的吊裝作業，或者吊裝作業空間小的場合，吊鉤隨著起升和下降高度的不斷變化，吊裝工人需要不斷反復地調整起重機的位置，以抵消吊鉤的水平漂移，使工件處于定位要求的位置。由于鋼絲繩具有柔性、整個系統(包括起重機和吊重)的慣性、起重機每次點動控制運行時的最小位移、吊裝工人的操作技術水平等多種因素，每次調整起重機位置時，吊重(包括吊裝工件和吊鉤組自身的重量)將做類似于鐘擺式的往復擺動。吊重的位置越低(即卷筒繞出的鋼絲繩越長)，對應的擺動幅度越大，并且這種擺動通常是不可控制的，主要通過鋼絲繩與卷筒、滑輪之間的摩擦阻力慢慢地減小擺動幅度，直至吊重停止擺動[2-6]。因此，整個吊裝作業需要耗費大量的調整時間和等待時間，吊鉤的水平漂移可能導致碰撞事故，損壞工件或者廠房的其它設備，甚至發生人身安全事故。因此，設計一種無水平漂移的起升機構至關重要，可以避免發生以上情況。

1 典型的卷揚小車起升機構設計及“水平漂移”分析

卷揚小車起升機構由電動機、減速器、制動器、卷筒、定滑輪組、鋼絲繩、吊鉤組(包括動滑輪組)等組成，如圖1所示。卷筒通常采用雙聯卷筒，從卷筒繞出的兩根鋼絲繩可以有效地平衡吊重通過鋼絲繩傳遞給卷筒的軸向分力。典型的卷揚小車起升機構在起吊重物時，鋼絲繩與卷筒繩槽、滑輪繩槽的摩擦力相對于鋼絲繩的拉力很小，分析時可以忽略不計，因此，整根鋼絲繩的拉力相等。設吊鉤組有n個動滑輪，則有2n根鋼絲繩承擔吊重，則吊鉤組動滑輪左側和右側的鋼絲繩數目都是n。由理論力學靜力學知識可知：所有鋼絲繩豎直方向的合力大小等于吊重，方向相反；所有左側鋼絲繩水平方向的合力和所有右側鋼絲繩水平方向的合力，大小相等，方向相反。所以，分析適用于雙聯卷筒的起升機構和滑輪數量無關[7-14]。

圖1 典型卷揚小車起升機構布置示意圖

為了使卷揚小車結構緊湊，卷揚小車起升機構的滑輪直徑通常比卷筒直徑小，并且定滑輪組安裝在小車架內部，典型的2倍率卷揚小車起升機構卷筒和滑輪布置示意圖如圖2所示。圖3為典型3倍率卷揚小車起升機構卷筒和滑輪布置示意圖，虛線表示動滑輪位于位置2時的鋼絲繩，從圖中可以看出吊鉤動滑輪位于不同高度時，軸心的水平位置發生了變化。大于等于4倍率的卷揚小車，卷筒和滑輪的布置方式與3倍率卷揚小車相似，所有動滑輪和定滑輪分別安裝在一根軸上。由圖可見，典型的卷揚小車起升機構總是存在一根鋼絲繩與動滑輪和定滑輪相內切，其余鋼絲繩與卷筒和動滑輪、動滑輪和定滑輪相外切。根據理論力學靜力學知識，通過作圖統計出圖2和圖3典型的卷揚小車起升機構在起升高度5 m范圍內的動滑輪軸心水平坐標值(以卷筒軸心為原點，向右為正)，分別見表1和表2。表1和表2中，鋼絲繩豎直偏角以逆時針為正，順時針為負。通過表1和表2可見，2倍率卷揚小車起升機構在5 m起升高度范圍內動滑輪軸心水平坐標最大差值為23.5 mm，3倍率卷揚小車起升機構在5 m起升高度范圍內動滑輪軸心水平坐標最大差值為28 mm。即，當卷揚小車起吊作業時，吊鉤會隨著起升高度的變化發生水平位移，稱為“水平漂移”。

圖2 典型2倍率卷揚小車起升機構卷筒和滑輪布置示意圖

圖3 典型3倍率卷揚小車起升機構卷筒和滑輪布置示意圖

表1 2倍率卷揚小車起升機構在不同起升高度時鋼絲繩豎直偏角和動滑輪軸心水平坐標值表

表2 3倍率卷揚小車起升機構在不同起升高度時鋼絲繩豎直偏角和動滑輪軸心水平坐標值表

2 無水平漂移的卷揚小車起升機構設計

通過以上分析，得出典型卷揚小車起升機構的吊鉤在起升和下降過程中產生水平漂移有以下兩個原因：(1) 定滑輪和卷筒直徑不相等，高度不同，導致在起升和下降過程中，動滑輪左側和右側的鋼絲繩豎直偏角變化值不相同；(2) 動滑輪和定滑輪總是存在1條內切鋼絲繩，在起升和下降過程中，其豎直偏角變化值與其它外切鋼絲繩豎直偏角變化值不相等。

根據以上分析，卷揚小車起升機構的組成不變，重新設計卷筒和滑輪的布置：(1)兩個定滑輪直徑等于卷筒直徑，軸心線位于同一水平面；(2)增加1個轉向定滑輪，將動滑輪和定滑輪之間的內切鋼絲繩變為外切鋼絲繩。同時滿足以下條件的設計可以保證在起升和下降過程中，吊鉤組動滑輪軸心線始終在卷筒軸心線和定滑輪軸心線連線的垂直平分面內，吊鉤無水平漂移：(1)當吊鉤組動滑輪為2倍率時，卷筒及滑輪布置見示意圖4；(2)當吊鉤組動滑輪為3倍率時，卷筒及滑輪布置見示意圖5；(3)當吊鉤組動滑輪為大于或等于4倍率時，卷筒及滑輪布置見示意圖6。

圖4 無水平漂移的2倍率卷揚小車起升機構卷筒和滑輪布置示意圖

圖5 無水平漂移的3倍率卷揚小車起升機構卷筒和滑輪布置示意圖

圖6 無水平漂移的4及以上倍率卷揚小車起升機構卷筒和滑輪布置示意圖

3 結束語

典型的卷揚小車起升機構的吊鉤在起升和下降過程中會產生水平漂移，規律是：在起升過程中，吊鉤組動滑輪軸心線與卷筒軸心線的水平距離越來越大，與定滑輪軸心的水平距離越來越小；在下降過程中，變化趨勢相反。當滿足本文所述設計條件時，卷揚小車起升機構的吊鉤在起升和下降過程中不產生水平漂移，吊鉤組動滑輪軸心線始終在卷筒軸心線和定滑輪軸心線連線的垂直平分面內。根據以上理論某新能源有限公司制作了1臺2倍率10 t橋式起重機，卷筒直徑400 mm，滑輪直徑200 mm，鋼絲繩直徑10 mm，起升高度3 m，用于安裝連接兩個真空腔體的氣動門閥，借助于激光定位裝置，首先確定吊鉤位置，然后操控起重機吊裝氣動閥門，安全、順利一次性安裝成功，取得了理想的使用效果。

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