新型起重機械吊鉤組滑輪保持裝置

趙 東 賈文清

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0 引言

大型起重機械的吊鉤組由多組滑輪與軸承組成，在實際運行工況中，隨著吊鉤組的上升或下降，其鋼絲繩進出滑輪的夾角隨之變化，進而產生滑輪與軸承之間的軸向竄動。為減少或消除此類竄動，當前吊鉤組設計多采用彈性擋圈用于保持滑輪與軸承之間的相對位置。隨著起升額定載荷的增大，彈性擋圈尺寸增大，裝配與拆卸難度隨之增大，且內側彈性擋圈出現缺陷后需要解體吊鉤組，維修成本較高。為解決這一生產實際中的問題，通過對滑輪與軸承的機械結構進行分析創新，采用全新機械結構形式的起重機械吊鉤組滑輪保持裝置（以下簡稱新型保持裝置）來保持兩者之間的相對位置，消除彈性擋圈裝配難、更換難的問題。

1 機械結構對比

1.1 彈性擋圈的機械結構

彈性擋圈主要用于軸上（孔內）零件或部件的位置固定，其可承受零件或部件竄動所產生的軸向力，見圖1。在安裝拆卸彈性擋圈通常使用內/外彈簧卡鉗進行，因其固有的結構外形，一旦發生彈性擋圈斷裂，更換拆卸工作異常困難。

圖1 彈性擋圈機械結構與缺陷示例

1.2 新型保持裝置的機械結構

新型保持裝置（見圖2）是基于滑輪與軸承的機械結構，根據軸承的配裝溝槽形式與尺寸，及滑輪裝配的尺寸，對應制作兩塊半圓式卡環抱箍，并在端部設置螺栓孔，使用螺栓進行組合裝配。選用防松型螺栓，按照標準力矩進行緊固，另可根據實際情況制定相應的防松動措施。實現以螺栓緊固的方式替代彈性夾持。

圖2 新型保持裝置示意圖

新型保持裝置為克服現有技術的不足，保證起重機關鍵部件安全運行，提供一種新方法、新工藝，其包括滑輪抱箍（包括上、下滑輪抱箍，滑輪抱箍上設有凸臺和過渡導角）和螺栓連接組件（其設置螺栓、螺母）。

2 新型保持裝置的機械性能分析

2.1 材料性能對比

常用彈性擋圈多為標準件，參考GB/T 894—2017《軸用彈性擋圈》和德國DIN 471標準，彈性擋圈多選用C67S、C75S彈簧鋼制作。新型保持裝置選用成分與之相近65Mn彈簧鋼進行制作。

依據GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》標準，對待加工的65Mn板材進行熱處理。熱處理淬火溫度為830℃，保溫時間2 h；回火溫度為540℃，保溫時間3 h。然后以上述板材為原材料，制作四套新型保持裝置，并從中選取兩套進行性能檢驗。

受新型保持裝置尺寸限制，實驗測試沿擋圈周向取非標準拉伸及沖擊試樣。選取相同內徑尺寸的彈性擋圈成品（所購試驗彈性擋圈標準件加工及熱處理工藝不詳），按照相同方式進行取樣（見圖3），對彈性擋圈與新型保持裝置進行材料性能比較。

圖3 取樣部位

新型保持裝置拉伸試驗結果如表1所示，拉伸曲線見圖4所示。結果表明，新型保持裝置各處拉伸性能基本一致，抗拉強度、延伸率指標均滿足GB/T 1222—2016要求（由于取樣尺寸限制，試驗所用試樣為非標準試樣，無法測量斷面收縮率），新型保持裝置材料屈服強度略低于規范要求（低5.86%），材料屈強比較低，延伸率指標明顯高于規范要求。

圖4 拉伸曲線

表1 拉伸試驗結果

新型保持裝置和彈性擋圈相同位置取非標準拉伸試樣，測量其拉伸性能，試驗結果表明，彈性擋圈材料數據分散性較大，材料強度高于標準要求；但與新型保持裝置選材相比，其材料延伸率較低，屈強比較高，表明新型保持裝置選材有著比彈性擋圈更為良好的韌性。

夏比沖擊試驗結果如表2所示，測量結果表明，新型保持裝置選材在熱處理后不同位置處沖擊性能基本一致，沖擊功遠高于彈性擋圈（以平均值計算，沖擊功分別高于原失效擋圈6.4倍，高于原擋圈備件4.4倍），表明其韌性遠好于彈性擋圈。新型保持裝置的選材在熱處理后，其斷裂韌性明顯優于彈性擋圈。

表2 夏比沖擊試驗結果

與新型保持裝置相比，彈性擋圈材料韌性較差，且性能數據分散性較大，不同位置材料性能分布不均。新型保持裝置選材可明顯提升抗斷裂的性能；在保證材料具有足夠強度的同時，新型保持裝置選材的韌性得到大大提高，可以有效降低失效風險。

綜合上述試驗結果，新型保持裝置在選用與彈性擋圈常用材料成分相近的材料時，熱處理后新型保持裝置不同位置處沖擊性能基本一致，沖擊功分別高于彈性擋圈4.4倍，表明其韌性遠好于彈性擋圈材料。熱處理后新型保持裝置不同位置處拉伸性能基本一致，抗拉強度、延伸率、斷面收縮率指標均滿足GB/T 1222—2016 《彈簧鋼》要求，屈服強度略低于規范要求。

2.2 機械結構承載性能對比

基于Ansys有限元軟件，按照相同內徑尺寸分別建立新型保持裝置和彈性擋圈的有限元模型，并建議相應的待溝槽軸有限元模型。考慮到模型的對稱性，只建立了1/2的彈簧擋圈模型，見圖5。

圖5 有限元模型

采用的Ansys分析單元類型為Solid 185，在彈簧擋圈和軸承接觸面處細化單元網格。有限元分析的邊界條件如圖6所示。

圖6 力學分析邊界條件

1)在新型保持裝置和彈性擋圈外側面（露出軸承的面）施加均勻壓力載荷P； 2)新型保持裝置和彈性擋圈與軸承溝槽接觸面之間定義面面接觸； 3)約束軸承端面的位移。

新型保持裝置和彈性擋圈計算結果如圖7所示。分析結果表明，新型保持裝置力學響應性能數值分析結果優于彈性擋圈，在同樣的10 MPa橫向載荷作用下，結構的最大集中應力可降低33%左右（彈性擋圈的最大應力為500 MPa，新型保持裝置的最大應力為333 MPa），新型保持裝置能夠有效抑制彎曲變形，降低應力集中。

圖7 應力云圖

3 總結

新型保持裝置可利用簡單的機械加工完成制作，且選材不必局限于彈簧鋼，可選用多種類型的鋼材。其結構形式提升了安裝與更換時的便捷性，并能提供更高的抗剪切強度；通過螺栓力矩緊固，可對夾持力度進行量化管理。

新型保持裝置設計巧妙合理，能夠在避免解體起升機構吊鉤組的情況下對吊鉤組進行部件替代更換，降低維修成本和工期，通過結構優化和合理選材，顯著提高了現有結構部件的承載力，降低失效風險。且可在起重機械吊鉤組初始設計中應用，具有廣泛的應用前景，推廣價值較高。