基于主吊繩與平衡梁摩擦力的吊索精細(xì)選型技術(shù)

鄺小娟，吳宇鵬，賈金廷

(中核機(jī)械工程有限公司，上海 201702)

0 引言

在核電、石化、冶金等工程建設(shè)中，存在較多的設(shè)備安裝工作，在設(shè)備安裝過程中，吊裝作業(yè)是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

針對(duì)需翻身的立式設(shè)備吊裝作業(yè)，需采用輔助工裝——平衡梁，將2根由主吊繩組成的吊索(用于連接設(shè)備與吊鉤、承載設(shè)施等起吊裝置柔性元件)分開至略大于設(shè)備最外部尺寸的寬度，以保證立式設(shè)備翻身過程中主吊繩不損傷設(shè)備本體及保溫層，且平衡梁可順利繞吊耳轉(zhuǎn)到設(shè)備頂部，從而使立式設(shè)備豎直，最后吊裝就位。因此，在立式設(shè)備吊裝過程中，平衡梁是必不可少的輔助工裝。

設(shè)備吊裝的關(guān)鍵要素包括起重機(jī)械、吊索、吊具、輔助工裝等，吊索選型直接影響吊裝過程的安全性。針對(duì)吊索選型及受力計(jì)算，多位學(xué)者進(jìn)行了研究，如唐興華對(duì)四分支兜捆式的吊索受力進(jìn)行了近似計(jì)算與通用計(jì)算對(duì)比分析；劉文華等針對(duì)吊物重心與吊鉤節(jié)點(diǎn)在及不在同一豎直線上的2種情況下兜捆式吊索進(jìn)行了研究；袁元等對(duì)特種集裝箱吊索受力及選型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，但僅對(duì)兜捆式吊裝作業(yè)的吊索進(jìn)行了受力分析，未對(duì)使用平衡梁吊裝的吊索進(jìn)行分析；針對(duì)支撐式平衡梁，焦公琦等進(jìn)行了受力分析與計(jì)算，但未計(jì)入摩擦力的影響。因此，將主吊繩與平衡梁摩擦力影響計(jì)算在內(nèi)的吊索選型和分析的相關(guān)研究較少。

1 支撐式無(wú)彎矩平衡梁索具掛設(shè)形式

常用的平衡梁有板孔式有彎矩平衡梁、板孔式無(wú)彎矩平衡梁、滑輪式無(wú)彎矩平衡梁、支撐式無(wú)彎矩平衡梁等，工程中根據(jù)被吊設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力狀態(tài)、吊裝質(zhì)量、吊裝工藝等因素確定平衡梁結(jié)構(gòu)形式和尺寸。隨著大型起重機(jī)的投入使用，起重機(jī)的超大吊裝能力推動(dòng)了石化、冶金等裝置產(chǎn)能的擴(kuò)大，使單臺(tái)設(shè)備質(zhì)量越來(lái)越大。支撐式無(wú)彎矩平衡梁因吊裝能力大、制作相對(duì)簡(jiǎn)單，成為立式設(shè)備吊裝作業(yè)中最常用的輔助工裝。

支撐式無(wú)彎矩平衡梁使用時(shí)呈水平狀態(tài)，需2種不同用途的吊索(主吊繩和吊梁繩)相互配合，如圖1所示。

主吊繩是繞過支撐式無(wú)彎矩平衡梁兩端的支撐件，上端與起重機(jī)械吊鉤連接，下端與被吊設(shè)備或構(gòu)件上吊耳連接的吊索。

吊梁繩是上端與起重機(jī)械吊鉤連接，下端與支撐式無(wú)彎矩平衡梁吊耳連接，用于吊裝平衡梁，防止其在吊裝中下滑，使其處于相對(duì)固定位置的吊索。

平衡梁、主吊繩、吊梁繩(包含連接卸扣)整體成為被吊設(shè)備(含保溫、梯子、平臺(tái)、附塔管線等)承擔(dān)自重的主體。其中，主吊繩承擔(dān)了被吊設(shè)備的全部自重，吊梁繩承擔(dān)了平衡梁自重及主吊繩傳至平衡梁后分配給吊梁繩的力。

2 采用支撐式無(wú)彎矩平衡梁時(shí)的吊索選型技術(shù)及計(jì)算方法

使用支撐式無(wú)彎矩平衡梁進(jìn)行吊裝作業(yè)時(shí)，主吊繩選型時(shí)通?？紤]被吊設(shè)備吊裝質(zhì)量、起重機(jī)械在選定工況下的有效高度及作業(yè)半徑、翻身及立直過程中被吊設(shè)備(包括頂部接管)高度、被吊設(shè)備吊耳高度。吊梁繩選型時(shí)通?？紤]被吊設(shè)備吊裝質(zhì)量、平衡梁自重、主吊繩長(zhǎng)度、主吊繩和吊梁繩掛設(shè)完成后與水平面的夾角，通?？紤]要素中不包含主吊繩與平衡梁的摩擦力，但在實(shí)際吊裝過程中，隨著主吊繩受力逐漸增大，主吊繩相對(duì)于平衡梁產(chǎn)生位移，主吊繩與平衡梁端頭接觸處會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力。本文基于靜力學(xué)分析計(jì)算，研究主吊繩與支撐式無(wú)彎矩平衡梁間摩擦力對(duì)主吊繩與吊梁繩選型的影響。

2.1 主吊繩與吊梁繩常規(guī)受力計(jì)算方法

在不計(jì)主吊繩與支撐式無(wú)彎矩平衡梁間摩擦力的情況下，建立平衡梁整體受力分析模型 (見圖2)，假設(shè)被吊設(shè)備總自重為G，平衡梁上部主吊繩受力為FS，平衡梁下部主吊繩受力為FX，吊梁繩受力為Fd，因平衡梁上端和下端的主吊繩為同根吊繩，因此，平衡梁上、下端的主吊繩拉力FS=FX=G/2。

取平衡梁左側(cè)端部半圓管圓心O為受力點(diǎn)進(jìn)行受力分析(見圖3)。因梁上主吊繩受力FS=梁下主吊繩受力FX=G/2，根據(jù)平行四邊形求合力法則及角平分線定理，則FS，F(xiàn)X合力P通過平衡梁半圓管圓心，因此將二力的作用點(diǎn)平移至圓心。選擇吊梁繩時(shí)，選擇合理的長(zhǎng)度使吊梁繩受力作用線通過平衡梁端頭的中心，與吊梁繩拉力Fd形成平面匯交力系。

根據(jù)靜力平衡，得到以下方程組：

(1)

FSsinβ+Fdsinα=FX

(2)

式中：α為吊梁繩與水平面的夾角；β為支撐式無(wú)彎矩平衡梁上部主吊繩與水平面的夾角。

2.2 計(jì)入摩擦力影響時(shí)的主吊繩與吊梁繩受力計(jì)算方法

事實(shí)上，在立式設(shè)備翻轉(zhuǎn)豎直過程中，由于主吊繩受力不斷增大，主吊繩在彈性范圍內(nèi)不斷伸長(zhǎng)，因此主吊繩一直存在相對(duì)平衡梁向下運(yùn)動(dòng)的位移，從而在主吊繩與平衡梁間形成滑動(dòng)摩擦力F。

當(dāng)?shù)跹b開始時(shí)，主吊繩、吊梁繩均處于松軟狀態(tài)(見圖4)。

將主吊繩、吊梁繩、平衡梁吊起后，因平衡梁、主吊繩質(zhì)量施加于吊梁繩上，吊梁繩受力后拉直(見圖5)。

隨著吊鉤繼續(xù)起升，主吊繩在設(shè)備自重作用下受力逐漸增大，主吊繩逐漸拉直(見圖6)。

在主吊繩拉直過程中，主吊繩受力由0增至G/2。拉直過程中梁下主吊繩拉力G/2與梁上主吊繩拉力FS的合力對(duì)平衡梁形成壓力P，因此在吊梁繩逐漸拉直的過程中，主吊繩與平衡梁之間一直存在摩擦力，且隨著主吊繩受力的逐漸增大，摩擦力逐漸增大，直至設(shè)備被整體吊起立直，主吊繩不再相對(duì)平衡梁運(yùn)動(dòng)。

2.2.1主吊繩與平衡梁端部的摩擦力

由于主吊繩繞過平衡梁兩端支撐件的圓弧面改變了方向，主吊繩與支撐件產(chǎn)生一段接觸弧度，該弧度對(duì)應(yīng)的角為包角。

因平衡梁上端主吊繩與水平面的夾角為β,則主吊繩與平衡梁間包角θ為：

θ=π/2-β

(3)

根據(jù)歐拉韁繩理論，得到：

FX=FS1efθ

(4)

式中：f為鋼絲繩與平衡梁之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.15；FS1為計(jì)入摩擦力后主吊繩上部的受力。

2.2.2主吊繩與平衡梁端部摩擦力對(duì)主吊繩、吊梁繩受力的影響

在不考慮吊梁自重的情況下，得到以下公式：

FX=FS1efθ=G/2

(5)

FS1sinβ+Fd1sinα=FX

(6)

式中：Fd1為計(jì)入摩擦力后吊梁繩的受力。

由于efθ>1，計(jì)入摩擦力后，平衡梁上端主吊繩受力FS1減小，下端主吊繩受力FX保持不變，進(jìn)行主吊繩選型時(shí)仍以最大受力FX為依據(jù)。因此，主吊繩選型不受平衡梁與主吊繩之間摩擦力的影響。

根據(jù)式(1)～式(6)可得：

(7)

2.3 計(jì)算方式對(duì)比

根據(jù)吊裝規(guī)范，鋼絲繩作為被吊設(shè)備的起重吊索時(shí)，安全系數(shù)≥5，本文按安全系數(shù)為5進(jìn)行分析。同時(shí)，為更簡(jiǎn)要說明主吊繩與平衡梁端頭構(gòu)件摩擦力對(duì)吊梁繩的影響，計(jì)算時(shí)不考慮吊裝動(dòng)載系數(shù)、不均衡系數(shù)及平衡梁質(zhì)量。

將平衡梁梁上主吊繩與水平面的夾角固定為60°，吊梁繩與水平面的夾角固定為62°，此時(shí)主吊繩與平衡梁包角為30°，當(dāng)?shù)踔夭煌瑫r(shí)，計(jì)算并比較計(jì)入和不計(jì)主吊繩與平衡梁摩擦力的情況下主吊繩上端、下端及吊梁繩受力，結(jié)果如表1所示。

表2 吊索角度變化時(shí)主吊繩、吊梁繩受力及安全系數(shù)

將被吊設(shè)備質(zhì)量固定為1 500t，改變平衡梁上主吊繩、吊梁繩與水平面夾角，如圖7～10所示，計(jì)算并比較計(jì)入和不計(jì)主吊繩與平衡梁摩擦力的情況下主吊繩上端、下端及吊梁繩受力，結(jié)果如表2所示。

由表1，2可知，主吊繩與平衡梁之間摩擦力對(duì)吊梁繩的影響較大，當(dāng)不計(jì)該摩擦力時(shí)，對(duì)于滿足規(guī)范要求安全系數(shù)為5的吊梁繩，在實(shí)際使用過程中因受該摩擦力影響，其實(shí)際安全系數(shù)減小，低于規(guī)范要求，存在吊裝風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，由表2可知，主吊繩與水平面的夾角越大，包角越小，吊梁繩實(shí)際安全系數(shù)越小，越不安全，吊裝風(fēng)險(xiǎn)越大。

3 工程應(yīng)用

某化工工程典型設(shè)備預(yù)脫甲烷塔屬于立式設(shè)備，直徑3.4，5.5m，高73.2m，設(shè)備凈重718.0t，該設(shè)備呈臥式狀態(tài)運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，塔內(nèi)安裝構(gòu)件、梯子、平臺(tái)等重130t，設(shè)備總重848.0t，需翻身后吊裝至就位位置，主吊耳設(shè)置2個(gè)管軸式吊耳，距封頭切線22.0m。為避免吊裝過程中設(shè)備本體因受主吊繩擠壓而損壞及設(shè)備平臺(tái)、接管等附件與主吊繩發(fā)生干涉導(dǎo)致無(wú)法順利翻身的現(xiàn)象，需使用支撐式無(wú)彎矩平衡梁輔以吊裝。

3.1 主吊繩與吊梁繩選型

在專業(yè)繪圖軟件中建立起重機(jī)、被吊設(shè)備模型，進(jìn)行1∶1模擬索具掛設(shè)，掛設(shè)后經(jīng)測(cè)量，平衡梁上端主吊繩與水平面的夾角為64°。主吊繩下端受力為4 240kN，吊梁繩在不計(jì)摩擦力和計(jì)入摩擦力情況下的受力分別為1 104，1 693kN。

鋼絲繩承受荷載小于其許用拉力，根據(jù)GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》要求，對(duì)于主吊繩，取安全系數(shù)為5時(shí)需要的最小破斷拉力為21 200kN，因此，選擇高性能無(wú)接頭繩圈，型號(hào)為GJT180，鋼絲繩直徑為180mm，最小破斷拉力為23 138kN?？紤]頂部接管翻身過程的影響，預(yù)留接管頂部至平衡梁下端的距離為1.7m，因此，選擇單根繩圈長(zhǎng)度為70m。對(duì)于吊梁繩，按照計(jì)入摩擦力后的1 693kN受力進(jìn)行選型，需要的最小破斷拉力為8 465kN，選擇WBW142型鋼絲繩，直徑為142mm，最小破斷拉力為1 017kN，單根長(zhǎng)度為19m。

3.2 吊索、吊具掛設(shè)

將預(yù)脫甲烷塔吊裝施工機(jī)具運(yùn)輸至吊裝現(xiàn)場(chǎng)，使用小型起重機(jī)配合，將吊梁繩、卸扣、平衡梁主吊繩連接，索具應(yīng)自上而下連接，連接完成后，每根主吊繩圈在距吊耳中心上方2m處掛設(shè)2根直徑12mm、長(zhǎng)100m的設(shè)備，設(shè)備就位后摘主吊繩用麻繩。

軸式吊耳索具連接時(shí)，鋼絲繩下端應(yīng)兜吊于管軸式吊耳上，上端與起重機(jī)吊鉤連接。索具連接完成后，檢查索具與設(shè)備本體、設(shè)備管嘴、梯子平臺(tái)等之間的位置關(guān)系。

吊索、吊具掛設(shè)完成后，分別記錄其質(zhì)量。

3.3 設(shè)備吊裝

經(jīng)主吊索具及溜尾索具掛設(shè)、吊裝前先決條件檢查、試吊、正式吊裝、設(shè)備翻身立直、設(shè)備就位等關(guān)鍵步驟，預(yù)脫甲烷塔安全順利吊裝，如圖11所示。

4 結(jié)語(yǔ)

1)依據(jù)不計(jì)主吊繩與平衡梁間摩擦力計(jì)算數(shù)據(jù)按吊裝規(guī)范規(guī)定的吊索安全系數(shù)下限選擇主吊繩、吊梁繩、平衡梁連接卸扣等，主吊繩、平衡梁滿足安全要求，但據(jù)此受力值選擇的吊梁繩(包括平衡梁連接卸扣)實(shí)際安全系數(shù)低于吊裝規(guī)范的規(guī)定，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)實(shí)際吊裝過程中，平衡梁上端主吊繩與水平面的夾角越大，依據(jù)不計(jì)主吊繩與平衡梁間摩擦力計(jì)算數(shù)據(jù)選擇的吊梁繩與卸扣實(shí)際安全系數(shù)越小，安全風(fēng)險(xiǎn)越大。