起重機卷筒端鋼絲繩位置限制技術

王岳軒 勾 通 郝鵬飛 王正勇 陳立新

北京起重運輸機械設計研究院有限公司 北京 100007

0 引言

起重設備廣泛應用于國民經濟的眾多領域執行物料搬運任務，其中的起升機構主要由電動機、聯軸器、減速器、制動器、卷筒及鋼絲繩等零部件組成。電動機通過中間傳動部件驅動卷筒纏繞鋼絲繩完成吊重的升降作業。鋼絲繩在卷筒進行卷繞排布過程當中，由于外載荷作用容易發生脫槽現象，特別是在智能化起重機急速發展的現階段，該問題的合理處置尤為重要，為此開發了多種導繩裝置。本文在總結現有主要裝置的同時介紹一種改進技術，為固繩技術的提升提供參考。

1 鋼絲繩跳槽原因及后果

引發起升卷筒端鋼絲繩跳槽的原因較復雜，主要有：1）取物裝置落地后鋼絲繩松繩，鋼絲繩由于自身僵性導致其松脫卷筒繩槽，若有平移機構動作，則會使其滑脫原有繩槽發生跳槽；2）起重機空中卸載后由于機體沖擊顫動引發鋼絲繩躍起，疊加大車平移機構動作，導致跳槽故障發生；3）取物裝置取物狀態下姿態不正牽引鋼絲繩歪拉斜拽（見圖1），引起鋼絲繩跳槽，該現象在抓斗起重機當中尤為突出；4）操作人員操作不當導致抓斗等取物裝置傾倒，停機不及時拖拽鋼絲繩跳槽。

圖1 取物裝置姿態不正牽引鋼絲繩歪拉斜拽

鋼絲繩跳槽后不及時糾正將會引發嚴重后果：1）起升動作精準度下降，吊具傾斜；2）跳槽段鋼絲繩和臨近鋼絲繩在大車動作引起的滑動摩擦使所有涉事鋼絲繩磨損程度急劇加重，導致鋼絲繩報廢期提前；3）鋼絲繩跳槽后復位滯后，大車運行和吊具旋轉導致起升鋼絲繩相互纏繞為麻花狀態（見圖2）；4）鋼絲繩直接滑脫卷筒，繼續起升，損壞軸承座等毗鄰部件引發吊具墜地等事故（見圖3）；5）多繩結構中部分繩系跳槽導致整體繩系載荷分配不均，鋼絲繩斷繩導致吊具墜地。

圖2 起升鋼絲繩相互纏繞為麻花狀態

圖3 鋼絲繩直接滑脫卷筒

關于鋼絲繩跳槽的應對，有關設計資料主要由鋼絲繩卷筒槽深和鋼絲繩進出卷筒的出繩偏角確定。JB/T 9006—2013《起重機 卷筒》規定，針對有跳槽危險的卷筒，宜采用加深槽，2013版將槽深H由固定值調整為最小值，與DIN標準保持一致。鋼絲繩繞進或繞出卷筒時鋼絲繩中心線偏離螺旋槽中心線兩側的角度不應大于3.5°。對大起升高度及D/d值較大的卷筒，其鋼絲繩偏離螺旋槽中心線的允許偏斜角應由計算確定。

2 現有防跳槽裝置狀態

針對鋼絲繩跳槽引發嚴重后果影響設備運行，行業相繼開發了多種類型的鋼絲繩卷筒防跳槽裝置用以抑制鋼絲繩跳槽和鋼絲繩亂繩等系列跳槽故障。

2.1 導繩器

導繩器（排繩器）應用時間較長，在鋼絲繩電動葫蘆中廣泛采用。其采用圓環結構形式，整體卡箍于卷筒筒體，隨著鋼絲繩進出卷筒，導繩器在卷筒軸向方向進行協同平移動作，導繩器能夠保證鋼絲繩順利進出繩槽，并將其進行壓緊，使其不跳離卷筒，實現了鋼絲繩流暢排繩目標。目前主要種類有：1）CD型葫蘆用導繩器，導繩器本體采用鑄鐵材質；2）整體型導繩器（見圖4）考慮耐磨性，本體采用鑄鐵材質；3）工程塑料材質導繩器（見圖5），具有結構輕巧耐磨等優點；4)鏈式導繩器，該類結構拆裝較為方便，與繩槽之間設計有滾輪裝置，摩擦阻力更小，動作更為輕便。

圖4 整體型導繩器

圖5 工程塑料材質導繩器

導繩器雖然優點顯著，但使用時仍需注意相關事項，使用不當造成損壞現象較多。除導繩器材質不達標等原因外，主要是由于起吊過程當中被吊物品姿態不正造成鋼絲繩斜向拉力偏大，且方向超過容許偏斜角度對導繩器的損壞較為突出。導繩器的使用壽命較短，該現象在抓斗葫蘆當中較為常見，究其原因主要為過大的次生斜向拉力破壞了導繩器與卷筒匹配進行平移的機理，特別對于工作繁忙的場合問題更為明顯，抓斗葫蘆當中采用輥式壓繩器效果良好。

2.2 卷筒鋼絲繩防脫端板

參考多層纏繞卷筒擋繩結構的特點，卷筒端板設計凸緣結構形式（見圖6），鋼絲繩發生跳槽現象后以2層卷繞形式攀爬至臨近鋼絲繩頂部后，若起重機大車運行將導致其沿鋼絲繩軸線進行運動，待其抵達卷筒端部后可通過凸緣端板對其進行阻擋，防止其滑脫卷筒本體，凸緣高度設計需要考慮疊加鋼絲繩高度因素。該方案的缺點在于僅能起到限制鋼絲繩不滑脫卷筒體的作用，而不能阻止鋼絲繩跳槽后在卷筒上的跳竄擰轉成麻花狀。

圖6 卷筒鋼絲繩防脫端板

2.3 小車架護擋

與鋼絲繩防脫端板原理相似，為防止鋼絲繩滑脫卷筒后纏裹至卷筒軸、卷筒聯軸器、軸承座等，損壞這些毗鄰部件，在小車架面板過繩孔端部設置鋼絲繩護擋，護擋采用圓鋼管、圓鋼等圓滑結構形式，一定程度上可以起到脫槽鋼絲繩繼續滑脫卷筒本體的保護作用（見圖7）。作為一種簡易的破壞減輕裝置，在一定時期內應用，可對鋼絲繩跳槽引起的卷筒軸、軸承座變形、鋼絲繩卡死擠斷起到積極的保護作用。

圖7 小車架護擋

2.4 對輪組導繩器

1）齒輪齒條結構 與傳統導繩器原理不同，該技術通過在卷筒側面設置獨立的導繩軌道和導繩對輪，該類型導繩器2根鋼絲繩分別穿過1組導繩對輪，對輪包絡形成的圓形空隙恰能使鋼絲繩順利通過，但不容許鋼絲繩跳槽。2組對輪關聯至2塊導繩板，2塊導繩板通過螺釘安裝至各自齒條，2組齒條通過中間齒輪進行運動連鎖，整套導繩系統精準程度較高。圖8為其主視圖和俯視圖。

圖8 齒輪齒條結構

2）滑塊結構 與齒輪齒條方案類似，將齒條和齒輪直接調整為滑塊和卡槽軌道（見圖9），對輪組連接至導繩板，導繩板栓接至滑塊，鋼絲繩牽引對輪組帶動滑塊在卡槽軌道做往復運動。卡槽軌道對滑塊極其關聯的導繩板、對輪組扭轉加以限制，保證鋼絲繩不發生跳槽。

圖9 滑塊結構

對輪組導繩器導繩原理新穎，但結構較復雜，對輪組沿固定軌跡隨鋼絲繩進行靈活運動，一旦對輪卡阻容易阻礙鋼絲繩的卷繞，損壞鋼絲繩或導繩器。特別是在潮濕、多塵等惡劣工作環境下，該導繩機構的適用情況很大程度上取決于設備運維狀態。

2.5 跳槽檢測裝置

除上述防跳槽裝置外，部分設備配備了鋼絲繩跳槽檢測裝置（見圖10），用以進行鋼絲繩跳槽故障監測。主要原理為在卷筒頂部設置活動檢測桿，其可靈活繞銷軸轉動，檢測桿根部安裝有微動開關，鋼絲繩未跳槽時檢測桿按壓螺栓按壓微動開關按鈕，鋼絲繩跳槽后將抬高檢測桿，檢測桿攜帶的按壓螺栓脫離微動開關按鈕，觸發信號發出，告知鋼絲繩發生跳槽故障。該方案優點為檢測原理明確、檢測機構簡單、檢測效果良好。缺點是不能阻止鋼絲繩跳槽，只能檢測跳槽，對于抓斗吊等抓具斜拉外拽經常有跳槽傾向的設備，仍需配備有效防跳槽裝置，否則起重機生產效率無法保障。

圖10 鋼絲繩跳槽檢測裝置

2.6 輥式壓繩器

1）彈簧形式 彈簧式壓輥壓繩器（見圖11）主要由壓輥、壓式彈簧及附屬支架等部分構成。主要原理為在卷筒周圍設置壓輥，將鋼絲繩固定在卷筒繩槽附近，鋼絲繩受斜拉力情況后擠壓托輥壓縮彈簧，彈簧設計需考慮合理承載力，保證鋼絲繩既不被擠斷又不能跳槽。

圖11 彈簧式壓輥壓繩器

2）拉絲形式 如圖12所示，支架通過焊接連接至卷筒附近區域的小車架面板，用于固定檢測杠桿、側面托輥、頂面托輥、拉絲及銷軸；卷筒為特殊深槽結構；側面托輥和頂面托輥預留與卷筒繩槽頂部合理間隙，防止鋼絲繩出槽；托輥為轉動結構，鋼絲繩與托輥相對運動可能接觸狀態下的滑動摩擦；側面托輥和頂面托輥分別設置3段，兩端用于限制卷筒鋼絲繩的入槽工作狀態，中間用于限制電纜的入槽工作狀態；檢測杠桿在鋼絲繩輕微跳槽載荷狀態下通過銷軸和拉絲保持正常的工作狀態，拉絲未被拉斷，此時撥桿與檢測開關不接觸；當鋼絲繩受特殊重載時，拉絲被拉斷，撥桿撞擊檢測開關，發送急停信號至起重機控制系統停止起重機作業動作。

圖12 拉絲形式示意圖

需要注意的是，輥式壓繩器為保證鋼絲繩不卡滯在卷筒繩槽槽頂和輥面之間，卷筒的繩槽深度宜加深。

3）絲杠形式 如圖13所示，絲杠形式主要部分由鏈條、軸承座、絲杠、螺母、軸承座、擋管、壓板等組成。工作過程為絲杠通過軸承座固定于小車面板上，由鏈條帶動絲杠轉動，絲杠的轉向與卷筒的轉向同步，絲杠上的2個螺母會做直線往復運動，在螺母上安裝有2個擋管，用于限制鋼絲繩偏移范圍，擋管的運動范圍與鋼絲繩水平移動范圍一致。正常工作情況下，擋管會始終處于鋼絲繩兩側，當出現鋼絲繩偏移或跳槽時，擋管會阻擋鋼絲繩發生水平方向的偏移，從而起到防止跳槽的作用。

圖13 絲杠形式示意圖

此裝置在鋼絲繩水平偏移方面起到一定程度的防跳槽作用，但在垂直于卷筒方向的鋼絲繩跑偏的限制上作用較小。

3 結語

鋼絲繩防跳槽裝置類型眾多，應針對應用場合匹配合理方案。針對取物裝置姿態能夠保證且工作級別不高、工作環境尚佳的起重機械，可選用圓環式導繩器或對輪組導繩器；對于取物裝置姿態不能保證，且工作頻繁的起重設備，如抓斗起重機，宜選擇輥式壓繩器。由于其結構較為簡單，鋼絲繩斜拉力承載性能較強，對該工作場合有較好的適應性，設計時應對壓輥和繩槽槽頂之間的間隙嚴格控制，壓輥受鋼絲繩斜拉作用后變形值須在較小范圍，杜絕鋼絲繩擠壓壓輥后夾滯在壓輥和卷筒繩槽槽頂之間。

此外，針對抓斗起重機應配備對應的起升電氣控制裝置和程序，對于抓斗斜抓時角度進行干預，杜絕抓斗過大角度抓料，以免加重防跳槽裝置的破壞程度。