吊運熔融金屬起重機異型滑輪的研制及應用

楊金輝 徐勇鋼 張慶豐 夏 杰寧波市特種設備檢驗研究院 寧波 315048

摘 要：在最新的起重機械安全規(guī)程要求下，依據(jù)起重機械設計規(guī)范理論，設計了一種結構合理、安全經(jīng)濟性價比更高、安裝便捷的異型滑輪代替吊運熔融金屬起重機起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中的平衡滑輪，使其滿足單吊點至少采用兩根獨立鋼絲繩的安全要求，同時降低企業(yè)生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)作業(yè)的安全性。

關鍵詞：吊運熔融金屬起重機；起升系統(tǒng)；異型滑輪；設計與應用

中圖分類號:TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）13-0045-05

0 引言吊運熔融金屬起重機主要應用于吊運高溫液態(tài)金屬和熾熱金屬，作業(yè)環(huán)境惡劣、滿載率高、吊裝動作復雜及安全要求高，所以其本身的設計安全系數(shù)和部件配置要求也明顯高于其他同類型的起重機械[1]。在現(xiàn)行GB6067.5—2014《起重機械安全規(guī)程第5 部分：橋式和門式起重機》中詳細規(guī)定了吊運熔融金屬起重機設計與制造等方面的基本安全要求，其中4.2.4 條規(guī)定了主起升機構鋼絲繩應滿足：1）雙吊點應當采用四根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)；2）單吊點至少采用兩根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)；

3）鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中，不應當采用平衡滑輪[2]。新修訂的TSGQ7015 － 2016《起重機械定期檢驗規(guī)則》也明確了所有在用吊運熔融金屬起重機的主起升機構（電動葫蘆除外）鋼絲繩系統(tǒng)應符合以上要求[3]，保證在一根鋼絲繩斷裂的情況下，另一根鋼絲繩仍能支撐重物，從而避免由于鋼絲繩斷裂后直接造成鋼包墜落傾翻的事故發(fā)生。

對比相關標準和檢規(guī)未對吊運熔融金屬起重機（Q＜ 75t）的起升鋼絲繩需要分開設置作出強制性規(guī)定，工廠中在用吊運融熔金屬起重機基本按一根鋼絲繩纏繞形式設計，所以新檢規(guī)實施后，大多數(shù)在用吊運熔融金屬起重機的起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)將面臨安全整改。根據(jù)檢驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，浙江省將有1 000 余臺吊運熔融金屬起重機的定期檢驗不合格，其中寧波市約為300 余臺。根據(jù)整改費用測算，更換一臺20 t 吊運熔融金屬起升小車的價格為20 余萬，如果更換整機其費用會更高，高額的整改費用勢必將給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟負擔，所以制定一套簡捷、有效且安全可靠的整改措施是廣大冶金企業(yè)急切迫需的。

1 異型滑輪的設計1.1 設計理念在用吊運熔融金屬起重機整改的技術難點主要是由單吊點單根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)如何便捷有效轉(zhuǎn)變?yōu)閱蔚觞c雙根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，同時考慮到雙根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)可能存在著雙側鋼絲繩受力不均、雙側鋼絲繩拉伸長度不一致等因素，所以在不使用平衡滑輪的前提下如何在裝置設計中充分考慮平衡的特點也尤其重要。本文在此研究背景下，提出了一種經(jīng)濟實用并且能夠調(diào)整兩根獨立起升鋼絲繩因長短不一而造成受力不均轉(zhuǎn)動幅度過大的異型滑輪, 其主要設計理念為：

1）將原平衡滑輪處鋼絲繩一分為二，兩組繩頭單獨設置，從而滿足單吊點兩根鋼絲繩纏繞方式，確保一側鋼絲繩發(fā)生斷裂時，另一側也能保證支撐住吊鉤下的載荷；

2）保證中間兩側繩頭起到上下位置調(diào)整的作用，從而避免由于兩根獨立鋼絲繩拉伸不一致或載荷的偏斜而造成兩側鋼絲繩受力不均；

3）裝置結構及形式的設計應盡可能考慮各結構部件應力的優(yōu)化，并考慮鋼絲繩和裝置更換、檢查的便利性。

將該新型異型滑輪替代原起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中吊鉤滑輪上的平衡滑輪，巧妙地實現(xiàn)了起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)形式由單吊點單根鋼絲繩轉(zhuǎn)化為單吊點雙根鋼絲繩，整改前后起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)形式對比如圖1 所示。并且異型滑輪的扇形結構受力均勻，能夠自動平衡兩根獨立作用鋼絲繩的受力不均現(xiàn)象，使整改后的起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)滿足最新標準和檢規(guī)的要求，且該異型滑輪加工制造簡單方便，成本低廉，安裝便捷，具有很好的實施效果和推廣意義。

圖 1 整改前后起升鋼絲繩纏繞系統(tǒng)形式對比圖

1.2 結構設計文中所述異型滑輪結構形狀為扇形吊板，如圖2 所示。該裝置主要由上下兩部分組成：裝置上部為繩頭聯(lián)接部分，分別在扇形吊板的上寬兩側開孔，孔的大小應與鋼絲繩楔套的吊孔大小保持一致，楔套與扇形吊板的聯(lián)接采用間隙配合，在兩孔中間安裝軸套與固定軸，并在固定軸一側安裝擋板和開口銷（防止竄動）。間隙配合目的主要確保鋼絲繩繩頭有一定的相對轉(zhuǎn)動空間，滿足當扇形吊板由于兩側鋼絲繩長短偏差發(fā)生轉(zhuǎn)動時，其兩邊楔套繩頭也隨之轉(zhuǎn)動，從而確保繩頭的拉力始終保持在垂直的位置；裝置下部為鉸座板，上寬下窄，底部為半圓形，上部為長方形，這種結構便于三點受力的合理分配和制造工藝便利性。鉸座板的材料為Q345B，板底部的中央開孔安裝軸承室鋼套，鋼套與鉸座板采用焊接聯(lián)接，鋼套中再安裝深溝球軸承，軸承與鋼套采取過盈配合聯(lián)接，軸承室內(nèi)孔的直徑大小則與原吊鉤滑輪組軸直徑大小保持一致，整個異型滑輪固定方式按照原吊鉤平衡滑輪固定即可。

1. 鋼絲繩繩頭楔套組件 2. 鉸座板 3. 軸承室4. 擋塵板 5. 軸承 6. 楔套固定軸圖 2 異型滑輪結構圖

1.3 性能分析1）異型滑輪不是單純的平衡梁裝置，其結構為扇形結構，它綜合了圓形滑輪均勻受力和桿件平衡梁的平衡作用等因素；

2）該滑輪轉(zhuǎn)動角度較大，從而可調(diào)整兩側鋼絲繩由于長短不一造成受力不均的幅度范圍較大的問題；

3）該滑輪的扇形結構設計是為了滿足不同重載工況下其結構件受力的均勻性，確保在重載調(diào)整狀態(tài)下，其平衡結構件不降低受力強度，而一般平衡梁傾斜至一定角度時，其桿件的垂直受力強度會大幅度降低；

4）該滑輪安裝位置較方便，位置一般固定于原吊鉤滑輪組中間平衡滑輪位置處，改造時，只需拆除吊鉤滑輪組上平衡滑輪后，再安裝軸孔大小與原滑輪一致的異型滑輪即可。另外，異型滑輪的整體大小不會超出原吊鉤滑輪組的直徑范圍，不會影響吊鉤滑輪組的運行空間和起重機整體的提升高度。

1.4 強度校核異型滑輪裝置中鉸座板的大小、厚度、鋼絲繩楔套大小及各開孔的大小均應根據(jù)現(xiàn)場起重機額定起重量和吊鉤滑輪組的大小計算得出。

根據(jù)異型滑輪的結構組成進行受力分析，首先均衡板與鋼絲繩的楔形接頭銷軸連接處存在局部應力，需驗算校核；其次，把均衡板與鋼絲繩楔形接頭兩個鉸點看做支點，滑輪軸作用處看做集中載荷作用，均衡板按簡支梁計算，均衡板滑輪軸作用處存在最大彎矩，并且在滑輪軸處作用的軸承座存在局部應力，需校核驗算[4]。以額定起重量50 t 的吊運熔融金屬起重機為例，相關計算如下：1）鋼絲繩楔形接頭銷軸處局部應力校核銷軸校核

式中:Q為銷軸所受剪力，Q = 0.5×5 000 = 2.5×104N；d 為銷軸直徑，d =50 mm；銷軸材料為40Cr，許用應力[τ 1]=232 MPa。銷軸孔處平均擠壓應力

式中:[σ bs] 為軸孔的擠壓許用應力，考慮工作受力時和銷軸無相對轉(zhuǎn)動，主要用于冶金起重，取[σ bs]=σs/6=45.83 MPa。

2）各危險斷面最大拉應力計算圖3 中軸孔A-A、B-B、C-C 截面為危險截面，對危險截面的應力計算如下：A-A 截面應力為

式中：b 為鉸孔中心至左邊緣距離，b =60 mm；α 為應力集中系數(shù)，取α =2.2。驗算通過。B-B 截面應力為

式中：h 1 為鉸孔中心至上邊緣距離，h 1=60 mm。驗算通過。C-C 截面處為直接危險截面, 其截面應力為

式中：δ 0 為軸承孔厚度，δ 0=102 mm；d 1 為軸承孔直徑，d 1=230 mm。驗算通過。

圖 3 異型滑輪危險斷面分析

3）均衡板最大彎矩處應力計算均衡板截面圖如圖4 所示，軸孔平均擠壓應力為

滑輪軸處均衡板的最大彎曲應力為

式中：M 為跨中彎矩, M=F l/2=100 00N·m；Wx 為均衡板中間截面抗彎彎矩，驗算通過。

圖 4 均衡板截面圖

2 異型滑輪的制造及安裝2.1 制造工序通過對所設計的異型平衡滑輪各組件強度校核通過后，其制造工序流程如圖5 所示：

圖 5 異型滑輪制造工序

2.2 安裝工序?qū)τ谝呀?jīng)投入使用的吊運熔融金屬起重機吊鉤組更換異形平衡滑輪的安裝步驟為：1）拆除卷筒上的鋼絲繩壓板，使鋼絲繩和起重機分離；2）將鋼絲繩從吊鉤組中抽出后整體拆分原吊鉤組；3）拆分吊鉤組后取出中間定滑輪并安裝上配套的異形滑輪；4）安裝好另外的滑輪及滑輪罩等部件使吊鉤組復原；5）將原先拆除的一根鋼絲繩分成兩根一樣長的鋼絲繩；6）將兩根鋼絲繩分別繞過卷筒、定滑輪、和吊鉤組滑輪最后固定在異形滑輪兩端的鋼絲繩繩頭楔套組件中；7）安裝完畢后檢查各緊固件是否緊固可靠，異形滑輪兩端是否保持相對平衡。若兩端未平衡應進行調(diào)整以保證異形滑輪受力均勻。

本文選取3 倍率異形滑輪吊鉤組實物圖為例，其最終安裝更換后的吊鉤組實物圖如圖6 所示。

圖 6 3 倍率異形滑輪鋼絲繩起升系統(tǒng)吊鉤組

3 應用實例3.1 實例背景某鑄造廠一臺在用吊運熔融金屬起重機的型號為QDY50-21A7S, 設備額定起重量為50 t；跨度為21 m；起升高度9 m；起升倍率為5。其起升機構繞繩方式為平衡滑輪位于吊鉤組的中間滑輪位置，且是單吊點單根鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，不符合參考文獻[2]、[3] 中相關規(guī)定要求，存在由于起升鋼絲繩的突然斷裂，導致重物急劇下墜的安全隱患。

3.2 實例應用分析根據(jù)最新起重機械定期檢規(guī)要求，該起重機遇到了定期檢驗不合格、停止使用的局面，這對企業(yè)的正常生產(chǎn)運行造成巨大的困難。該類起重機必須進行相應整改，才能達到要求，如整機重新設計制造，存在周期長、投入成本大等不利因素。因此從吊鉤組入手選用異形滑輪來代替動滑輪組中的中間滑輪其結構，如圖7 所示，5倍率異型滑輪鋼絲繩起升系統(tǒng)。整改完成的起升機構鋼絲繩纏繞系統(tǒng)，符合相關安全技術規(guī)范中提出的單吊點兩根獨立鋼絲繩的要求，確保吊運熔融金屬的起重機在作業(yè)過程中，即使一側鋼絲繩發(fā)生斷裂，另一側也能支持住吊鉤下的載荷，避免事故的發(fā)生，同時也滿足了不能使用平衡滑輪這一要求。順利通過檢驗機構的監(jiān)督檢驗。在各項載荷試驗時未出現(xiàn)兩根鋼絲繩受力不均、異型滑輪受力變形等不利現(xiàn)象。通過改變吊鉤組平衡滑輪為異型滑輪這個整改方法大大縮短了整改時間也降低了企業(yè)的整改費用。

圖7 5 倍率異型滑輪鋼絲繩起升系統(tǒng)

4 結論1）本文所設計的異型滑輪與兩根獨立起升鋼絲繩繩頭的楔套聯(lián)接采用插銷形式，便于鋼絲繩的更換，而獨特的扇形結構使平衡滑輪受力更為均勻，扇形結構與吊鉤滑輪軸采用的深溝球軸承聯(lián)接能自動平衡兩個獨立鋼絲繩由于長短不一而引起的受力不均，使兩根鋼絲繩受力一致。從而解決了原鋼絲繩纏繞系統(tǒng)形式由單吊點單鋼絲繩向單吊點雙鋼絲繩系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變和兩根鋼絲繩受力動態(tài)平衡性這兩大吊點整改技術難點。

2）異型滑輪制造安裝方便、安全可靠，只需替換原吊鉤滑輪組中的平衡滑輪，不需對小車架進行額外的整改，故可方便快捷滿足在用吊運融熔起重機械的整改工作，在確保符合安全技術要求的條件下，大幅度地降低了整改費用，減少了企業(yè)成本。根據(jù)一臺額定起重量為50 t 吊運熔融起重機的整改費用測算，如更換整個小車費用約為35 萬，如增加鋼絲繩纏繞圈數(shù)（高度允許）+ 加裝小車架平衡梁+ 更換吊鉤滑輪組約為15 萬，而加裝異型滑輪裝置只需2 萬左右。

3）對部分噸位的新制造吊運熔融起重機提供了設計優(yōu)化手段，如原設計為3、5 倍率的起升鋼絲繩纏繞方式，可不必改為4 和6 倍率，從而減少鋼絲繩和卷筒的長度，有利小車架及整機的布局。

參考文獻[1] 胡靜波, 吳祥生, 周前飛. 對2016 版檢規(guī)中吊運熔融金屬起重機檢驗項目的探討[J]. 中國特種設備安，2017（1）：12-15.[2] GB 6067.5—2014 起重機械安全規(guī)程第5 部分：橋式和門式起重機[S].[3] TSGQ 7015—2016 起重機械定期檢驗規(guī)則[S].[4] 徐灝. 機械設計手冊 [M]. 北京: 機械工業(yè)出版社,1991.

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