一種鋼絲繩變幅門座機水平補償方式的探討

李慎帥

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海200063)

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一種鋼絲繩變幅門座機水平補償方式的探討

李慎帥

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海200063)

摘要：介紹水平位移補償系統(tǒng)的三種方式，探討通過設置起升機構與變幅機構電氣聯(lián)鎖來保證吊重位移水平性。通過分析改善后起重機的結構和機構，驗證了此設想的可行性。

目前，門座起重機由于其靈活性、盲區(qū)小及造價低等優(yōu)點，在船廠得到了廣泛應用。尤其是單臂架型門座機，因其結構簡單、造價相對低，需求量越來越大。筆者對近年來設計的一些單臂架俯仰變幅的船廠門座機的變幅過程中吊重水平補償系統(tǒng)進行探討。

1　常用水平補償方式介紹

船廠門座機多為安裝類型，變幅過程中吊重位移水平性是一項重要指標。當今船廠使用的單臂架門座機吊重水平位移補償系統(tǒng)主要有以下三種方式：滑輪組補償、杠桿滑輪(平衡滑輪)補償和變幅卷筒補償。

1.1　滑輪組補償

滑輪組補償工作原理為：在變幅過程中，利用起升繩總長度不變，而局部可變，自動補償由于臂架擺動引起的吊重升降。如圖1所示：當臂架從位置I擺動到位置I+1時，臂架頭部升高△Hi，而與此同時，補償滑輪組中心距從Li變化為Li+1。如果起升滑輪組倍率為mq，補償滑輪組倍率為mb，則補償滑輪組放出的繩長為：

臂架頭部升高而引起吊重升高所需的繩長△Himq，那么只需△Limb=△Himq，即

式中，C是常數。這樣便可實現(xiàn)I和I+1位置吊

重高度一致，從而實現(xiàn)吊重水平位移。實際設計中，一般只選2～3個幅度位置來確定mb/mq,故難以實現(xiàn)全程水平變化。

圖1　滑輪組補償方案示意圖

一般情況下，△Hi遠大于△Li。如圖1所示方案中，△Li= Li-Li+1=65 400-52 200=13 200mm，△Hi=39 400 mm，△Hi/△Li=2.985≈3=mb/mq。mq取值不宜過大，否則臂架頭部至人字架上部纏繞鋼絲繩太多，經濟性和鋼絲繩受力都不好。此設計中mq=2，mb=6。

滑輪組補償方案的主要優(yōu)點是：構造簡單，臂架只承受軸向力。缺點是：鋼絲繩纏繞滑輪數目多，增加了鋼絲繩長度，且彎曲次數太多，降低了鋼絲繩壽命；吊重端mq取值不宜大，故一般只適用于小起重量起重機。

1.2　杠桿滑輪(導向滑輪)補償

杠桿滑輪補償原理與滑輪組補償類似，也是利用變幅過程中起升繩總長度保持不變來實現(xiàn)吊重水平性，一般用于帶有活配重的平衡系統(tǒng)中，較適用于大起重量、大幅度的門座機。如圖2所示。

當臂架從位置I擺動到位置I+1時，則

由圖2可知，此種形式優(yōu)點是：結構簡單；與滑輪組補償形式相比，減少了鋼絲繩纏繞量，改善了鋼絲繩受力；mq取值可以較大，可用于大起重量。缺點是：與滑輪組補償形式相比，臂架承受的彎矩加大，需加大中間截面；若要起到較好的補償效果，圖中導向滑輪B和卷筒C之間需足夠大的距離，有時為了增加補償效果，還要在機房上方加一組導向滑輪，增加B、C之間的鋼絲繩長度。

1.3　變幅卷筒補償

它與滑輪組補償的區(qū)別是：變幅系統(tǒng)中增加了補償卷筒，變幅卷筒與補償卷筒機械聯(lián)接，起升繩一端繞入補償卷筒，當變幅卷筒收、放鋼絲繩時，帶動補償卷筒放、收起升繩，以補償起升吊鉤在變幅過程中的水平落差。

補償卷筒有直卷筒和錐卷筒兩種形式。錐形卷筒采取分段式補償的方式，補償性能較好，但錐形卷筒加工困難，在維修更換起升繩后較難定位。所以目前大都采用直卷筒的方案。隨著技術進步，現(xiàn)已將變幅卷筒與補償卷筒合二為一，如圖3所示。變幅機構利用放出或收進變幅鋼絲繩使臂架俯仰動作，同時收進或者放出固定在卷筒上的起升鋼絲繩，使吊重近似水平運動。

此種設計需要綜合考慮起升機構與變幅機構的鋼絲繩纏繞，使變幅繩與起升繩最大拉力盡量接近，或采用不同破斷拉力的鋼絲繩，使其選用相同直徑的鋼絲繩，從而共用繩槽。

這種形式機構布置緊湊，補償鋼絲繩(也就是起升鋼絲繩)和變幅鋼絲繩共用一個卷筒，鋼絲繩直徑相同，維護更方便。但變幅過程中，變幅卷筒上的補償繩拉力可以輔助變幅卷筒旋轉，降低了變幅功率?？捎糜诖笃鹬亓?。

2　起升、變幅機構電氣聯(lián)動水平補償

這種形式只需在變幅過程中，使起升機構與變幅機構電氣聯(lián)鎖：變幅機構動作時，起升機構以一定的速度隨動，補償由于幅度變化引起的吊重高度差，而起升機構可獨立動作。此種補償方式可近似實現(xiàn)吊重水平位移，理論上適用于各種柔>性變幅(鋼絲繩變幅)和剛性變幅(齒輪齒條、螺桿螺母、液壓推桿變幅)的水平補償系統(tǒng)，可視為前三種水平補償形式上的改進。

圖2　杠桿滑輪補償方案示意圖

圖3　變幅卷筒鋼絲繩纏繞點布置圖

以一臺采用變幅卷筒補償的門座機為例，闡述此種補償方式。原設計起升、變幅機構的機構布置如圖3、圖4所示，主要參數為：起升載荷為120 t；起升速度為5 m/min；起升倍率為4；變幅范圍為12 m～28 m；變幅速度為8 m/min。

改進后機構布置如圖5所示。

2.1　起升隨動驗證

以臂架下鉸點D為原點，取

式中，L起升是起升鋼絲繩總長度；mq、mb、ma如圖3，分別是臂架頭部懸垂段起升繩根數、臂架頭部至上轉柱頭部起升繩根數、上轉柱頭部至起升卷筒的起升繩根數；Ay是臂架頭部相對于臂架下鉸點高度；LAC、LCJ如圖3，分別是臂架頭部鉸點A至上轉柱頭部鉸點C之間的距離、C至起升卷筒卷入點J之間的距離。

變幅全程鋼絲繩長度變化如表1所示。

圖4　變幅卷筒補償鋼絲繩穿繞示意圖

圖5　改進后起升、變幅機構鋼絲繩穿繞示意圖

幅度R/m282624222018161412L起升/m283.2296.8307.4315.8322.5327.7331.7334.5336.4

從表1可看出,當幅度逐漸變小時，若要保持吊重水平，則需逐漸放出起升繩；反之亦然。故可以設置成起升機構隨動于變幅機構。

全程變幅時間為

式中，Rmax是臂架最大幅度；Rmin是臂架最小幅度。

則起升繩平均變化速度為

式中，L起升max是起升鋼絲繩總長度最大值；L起升min是起升鋼絲繩總長度最小值。

換算成吊重起升速度V起=V起繩/mq=3.325 m/minV額=5 m/min

可見不影響原起升機構。同時可得，以額定變幅速度變幅時，變幅機構變頻器輸出頻率H額=50 Hz，起升機構做隨動，只需同時起升機構變頻器輸出頻率為

臂架收、放時，對應起升機構放、收鋼絲繩，對應好電動機轉向。

2.2　改進前后變幅功率比較

考慮滑輪組效率等因素，滿載時，起升繩拉力F起=155 kN。

改進前，滿載變幅過程中，鋼絲繩拉力F變變化如表2所示。

表2　各幅度變幅鋼絲繩拉力值F變Table 2　Tension values of luff wire rope at various range

變幅繩速V變繩=20 m/min，機構效率η=0.9，卷筒補償形式電動機功率

故變幅電動機選擇功率110kW。

改進后，帶載變幅過程中，變幅鋼絲繩最大拉力F變′=148kN，電動機功率P2=2F變′V變繩/η=109.6kW。

變幅功率略變大，但仍可選擇變幅電動機功率110kW,電動機不變。

相對于改進前，此形式有以下優(yōu)點：

(1)節(jié)省了鋼絲繩和滑輪組：由圖4、圖5對比可知，改進后節(jié)省了2(LAC+LCH)段的鋼絲繩；同時，臂架頭部及人字架頂部省去了幾組滑輪組，不僅節(jié)省了成本，還改善了結構本身的受力情況。

(2)起升、變幅卷筒取消機械關聯(lián)，不需要再考慮起升、變幅鋼絲繩直徑相同，可根據需要設定鋼絲繩纏繞方式。

(3)實現(xiàn)簡單：只需通過電氣編程控制實現(xiàn)即可。

3　結論

4種水平補償形式在不同使用場合各有優(yōu)劣，本文提供了一種水平補償的可行形式，此形式可用于大多數原繩索補償的門座機，相對于卷筒補償，可能會略增加變幅功率，故需綜合考慮技術可行性和經濟可行性。

參考文獻

[1]張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊.北京：中國鐵道出版社.

[2]程文明，鄭益民，等. 門座起重機直卷筒補償變幅系統(tǒng)的優(yōu)化. 北京：起重運輸機械，2003.

[3]劉劍波.單臂架門座起重機卷筒補償變幅系統(tǒng)設計研究.北京：起重運輸機械，2012.

編輯傅冬梅

關鍵詞：俯仰臂架式門座機；聯(lián)鎖；水平性；可行性

DiscussiononaLevelCompensationMethodofWireRopeLuffingPortalCrane

LiShenshuai

Abstract：Three methods of level displacement compensation system for luffing jib portal crane have been described, electric interlock of lifting mechanism and luffing mechanism has been discussed to ensure load displacement level. Feasibiltiy of the design has been proved by analyzing upgraded structure and mechnism of crane.

Key words：luffing jib portal crane; interlock; level; feasibility

作者簡介：李慎帥(1983—)，男，工程師，主要從事機械設計。

收稿日期：2014—12—16

中圖分類號：TG156.3

文獻標志碼：B