門式起重機起升鋼絲繩托輪斷裂故障分析

黃 琦

（海南八所港務有限責任公司，海南海口 572600）

0 引言

鋼絲繩托輪作用是鋼絲繩在自身重力作用下發生下垂時支撐住鋼絲繩來回運動，確保不與臂架結構件表面直接產生剛性摩擦。如果鋼絲繩托輪安裝出問題，輕則門機無法正常使用，重則會造成鋼絲繩加劇磨損，最終導致鋼絲繩發生斷裂，引發生產安全事故。

海南八所港務有限責任公司于2008年購置2 臺MQ2533門座式起重機，在使用過程中發現起升鋼絲繩托輪經常損壞，主要表現在托輪被磨穿斷裂，維修更換頻率比較高，鋼絲繩使用壽命也比其他門機要短的多。針對這一問題，組織相關技術人員進行深入研究和分析，發現托輪磨穿及鋼絲繩使用壽命短的主要原因是維修人員在安裝托輪時安裝過高，造成鋼絲繩來回運動時托輪受到鋼絲繩頻繁摩擦和擠壓，加速托輪磨損而發生斷裂，同時也加劇鋼絲繩的磨損，通過技術改造后，托輪磨穿問題得到徹底解決，連續使用6年時間，未再發生托輪被磨穿斷裂問題，同時延長鋼絲繩使用壽命。

1 工作原理

鋼絲繩托輪主要安裝位置是在象鼻梁上表面和大拉桿兩側，主要作用是當鋼絲繩不帶載荷時來回運動時，依靠鋼絲繩自身重量產生下垂并與托輪表面接觸，在摩擦力作用下帶動托輪自由旋轉，形成鋼絲繩與托輪滾動摩擦，有效降低鋼絲繩磨損，延長鋼絲繩使用壽命，確保鋼絲繩不與臂架結構件表面直接產生剛性摩擦而設置。當鋼絲繩帶載荷情況下，鋼絲繩受到拉力作用克服自身重量而被拉直時，鋼絲繩離開托輪表面，避免鋼絲繩受力后直接作用在托輪及上壓輪表面上（圖1）。鋼絲繩托輪及上壓輪本身在回轉中心兩側裝有軸承，在軸承支撐下具有自由旋轉作用；鋼絲繩上壓輪的主要作用是防止鋼絲繩在工作過程中跳出托輪座外。鋼絲繩托輪如果安裝過高，輕則托輪會受到鋼絲繩的擠壓，長時間繼續使用，將造成鋼絲繩將托輪磨穿、造成鋼絲繩卡死，設備將無法正常作業；重則鋼絲繩加劇磨損。如果檢查不及時，作業過程中容易造成鋼絲繩斷裂，引發生產安全事故。

2 受力分析

2.1 受力分析

鋼絲繩帶載荷受力F 時，鋼絲繩會處于被拉緊、繃直狀態，如果托輪頂面安裝高度超過鋼絲繩底部位置基準線時，托輪會受到來自鋼絲繩產生一個向下的壓力F合，當鋼絲繩來回運動時，托輪兩側軸承需要承載來自鋼絲繩產生的F合的力，長時間運轉容易造成軸承過早損壞，同時托輪旋轉表面承受較大的擠壓，長時間容易造成托輪表面磨損，直至托輪斷裂，同時也加劇鋼絲繩磨損，縮短鋼絲繩壽命（圖2、圖3）。

下面對這種情況下托輪受力情況進行力學分析（圖4）。

圖1 鋼絲繩托輪結構及工作原理

圖2 托輪受鋼絲繩擠壓

根據三角函數公式計算：cosθ=F合/F（0°＜θ≤90°），從公式可以看出，鋼絲繩載荷F 不變情況下，托輪安裝的高低與F合關系：當托輪安裝高度越高，即θ 越小，F合就越大；安裝高度越低，即θ 越大，F合就越小。

圖3 鋼絲繩磨損托輪

圖4 托輪受力分析

2.2 受力核算

門機鋼絲繩托輪使用的軸承型號為6304 軸承，經查閱手冊，該型號軸承徑向基本額定動載荷：15.8 kN，一個鋼絲繩托輪以2 個軸承載荷進行核算，托輪額定徑向承載T徑為31.6 kN（近似3.16 t）；一個托輪支撐2 條鋼絲繩，當貨物載荷為40 t，每條鋼絲繩承擔40/4=10 t。從圖5 可知，F=20 t，不同角度θ 受力對比如下：當θ 為30°時，cos30°=0.866，F合=0.866×20 t=17.32 t＞T徑；當θ 為45°時，cos30°=0.707，F合=0.707×20 t=14.14 t＞T徑；當θ為90°時（圖5），F合=0＜T徑。

綜上述分析，可以看出托輪頂面安裝高度不允許超過鋼絲繩底部位置基準線。

3 技術改造方案

重新對所有托輪安裝高度進行一一復測，對安裝過高的托輪采取降低處理，確保鋼絲繩帶載荷時，鋼絲繩底面與托輪上表面保留10～15 mm 間隙（圖5）。

經過技術維修后，目前已使用將近6年時間，未出現更換托輪的問題，有效延長了鋼絲繩的使用壽命。

圖5 鋼絲繩托輪安裝示意

4 結束語

任何一臺設備故障的產生，都會有其背后產生的根源，只要每位技術管理人員認真地研究和分析，一定能找到徹底解決問題的辦法。