上海振華產(chǎn)學研三結(jié)合工作室　管彤賢

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滑輪的技術(shù)進步和創(chuàng)新

上海振華產(chǎn)學研三結(jié)合工作室管彤賢

摘要：回顧了滑輪的發(fā)展歷史，闡述了滑輪的技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問題及解決問題的辦法，介紹了創(chuàng)新設(shè)計的具有世界首創(chuàng)意義的冷軋薄壁重載輕型滑輪的結(jié)構(gòu)和性能特點。

關(guān)鍵詞：滑輪； 創(chuàng)新； 免維護

1前言

在起重運輸機械、礦山機械、建筑機械、車間行車、深海工程等需采用鋼絲繩的地方，均用到滑輪(見圖1)。每只滑輪要承受從幾千克到幾百噸的載荷、摩擦和磨損(與鋼繩間發(fā)生滑動)、旋轉(zhuǎn)(幾轉(zhuǎn)到數(shù)百轉(zhuǎn)/分)、戶外嚴酷自然環(huán)境等的考驗。隨著鋼繩的速度和載荷不斷提高，如何設(shè)計實用可靠便于制造的滑輪,是多年來困擾機械設(shè)計工程師的難課題。

30年前，上海港機廠鄔顯達總工成功創(chuàng)制了熱軋滑輪，用其代替了傳統(tǒng)的鑄造、厚板焊接滑輪。隨之,適用于輕載荷的高分子塑料滑輪也在國內(nèi)研制成功,各種滑輪專業(yè)廠應(yīng)時應(yīng)運而生。目前,國內(nèi)有近百家滑輪的專業(yè)或兼營的生產(chǎn)廠，為中國和世界各行各業(yè)提供成批量、各種規(guī)格、安全可靠的滑輪。中國已經(jīng)是世界首屈一指的滑輪生產(chǎn)大國。

圖1　滑輪

2滑輪的歷史發(fā)展

在解放初期，國內(nèi)既無制作鋼絲繩的工廠,更沒有生產(chǎn)滑輪的專業(yè)廠,直到改革開放初期，滑輪仍由國外進口,之后逐步由主機廠用鑄造方法或厚鋼板壓成弧槽焊接加工制造。當年每年需千余只滑輪的上海港機廠,力求自力更生自主生產(chǎn)滑輪,但仍未擺脫傳統(tǒng)的用鑄鐵、鑄鋼和焊接方式生產(chǎn)。在學習國外的生產(chǎn)經(jīng)驗后，20世記80年代該廠曾采用軋制繩槽鋼制造滑輪。這個工藝進步,改進了滑輪質(zhì)量，提高了生產(chǎn)率,但繩槽鋼需進口，日本方面要價極高,變相不肯出售。在此激勵下,該廠加速研究,終于成功地制出了熱軋滑輪,并轉(zhuǎn)而向國外出口。用熱軋園形厚板制作滑輪,因制造工藝簡單,一時風靡全國，先后出現(xiàn)十幾家以熱軋滑輪為制造工藝的專業(yè)生產(chǎn)廠。與此同時,國內(nèi)成功研發(fā)了用高分子塑料制造的各種滑輪(或者是在鋼滑輪的繩槽里貼上可更換的塑料套)，由于質(zhì)量輕，多用于安裝性貭的流動起重機，或者塔吊的端部等要求質(zhì)量輕,工作頻率不高的部位。對于裝卸用的如集裝箱起重機,因貭量和可靠性要求極高,則必須用鋼制滑輪。

從技術(shù)層面看，近30年來，滑輪進步明顯，但始終離不開以熱加工為主(鑄造、熱鍛、熱軋)的生產(chǎn)方式,特別是因工藝設(shè)備簡單而被大量采用的熱軋滑輪,采用乙炔氧槍在開敞空間加熱,能源利用率極低。傳統(tǒng)滑輪因自重較大，轉(zhuǎn)動慣量大,繩槽硬度偏低,抗磨損能力不強以及繩槽精度不高等缺點,日益跟不上生產(chǎn)需要，尤其是工業(yè)生產(chǎn)正進入4.0時代，為適應(yīng)當前生產(chǎn)的高速、高效和自動化、智能化的需要，開發(fā)耐重載、耐磨損、耐高速、質(zhì)量輕、可靠性高的滑輪，特別是減少甚至取消其日常維護工作量的滑輪(4～5年不必加油保養(yǎng))，具有十分重要的意義。

3創(chuàng)新開發(fā)新型滑輪

在一些工程中,鋼繩速度高達400～600 m/min甚至更大,滑輪每分鐘轉(zhuǎn)幾百轉(zhuǎn)已不鮮見,而且頻繁起制動,因而傳統(tǒng)滑輪已難滿足現(xiàn)代生產(chǎn)高效、高質(zhì)量、高可靠的需要，研發(fā)滿足如下需要的新一代滑輪的任務(wù)日益迫切。

(1)輕的自重。即小的轉(zhuǎn)動慣量，以適應(yīng)頻繁起制動、減少繩槽磨損和節(jié)能。

(2)承載能力大。由于鋼繩的技術(shù)進步,同直徑繩的許用承載能力比老標號提高約15%～20%,如?26的鋼繩現(xiàn)許用載荷至少為80 kg,因而要求滑輪也相應(yīng)提高承載能力。至于繩徑?100 mm、滑輪直徑3 000 mm、承載數(shù)百噸的滑輪,己在海工等工程中使用。

(3)繩槽適應(yīng)高速運行。少磨損,以延長滑輪和鋼繩的使用壽命。

(4)最小或取消日常保養(yǎng)工作量。傳統(tǒng)裝卸用起重機,必須按規(guī)程定期向各滑輪加油(雖有自動加油裝置，因受氣候寒暖和滑輪位置影響,可靠性很差),因而常需停機用人工加油,既影響生產(chǎn),又由于不少滑輪處于戶外高端，滑輪保養(yǎng)危險性高。對于正在興起的無人自動化碼頭，人工完成保養(yǎng)作業(yè),與自動化不相稱,更必須用新技術(shù)實現(xiàn)零保養(yǎng)工作。

近年來,寧波偉隆公司在本小組的指導下，設(shè)計制造了具有世界首創(chuàng)意義的冷軋薄壁重載輕型滑輪(見圖2),它的一個特點是繩槽用冷軋完成，其二是采用薄壁雙幅版，其三是封閉的滾動軸承潤滑措施(可以4～5年不必加油)。它在滑輪動態(tài)實驗臺上(見圖3)按超載2倍且運行速度達240 m/min進行動載實驗,效果良好。經(jīng)實際應(yīng)用，效果也非常好。例如該廠供場橋用的鋼繩直徑為?26 mm，繩槽直徑為?710 mm的滑輪，自重僅有70 kg。其他規(guī)格冷軋滑輪也比同型的熱軋滑輪輕30%左右。

圖2　冷軋薄壁重載輕型滑輪

圖3　滑輪動態(tài)實驗臺

4繩槽磨損分析及改進對策

滑輪報廢的主要原因是繩槽磨損超限,可以說,繩槽的壽命就是滑輪的壽命。因此提高繩槽抗磨損能力,對于延長滑輪壽命具有重大意義。不少滑輪安裝部位處于高空或吊臂端部,拆卸不便,用戶更希望制造廠提供高可靠的滑輪，最好終生只安裝1次。鋼繩與滑輪繩槽間的滑動,是繩槽磨損的主要原因。

(1)滑輪的包角θ偏小(見圖4),致使滑輪運行中鋼繩與槽產(chǎn)生滑動,此為繩槽超常磨損的主要原因之一。在頻繁起制動的工況下,若出現(xiàn)鋼繩與繩槽間滑動,則會加速繩槽磨損。其值隨繩對滑輪的包角θ值、滑輪轉(zhuǎn)動慣量大小、起制動加速時間、繩對滑輪的壓力諸多因素而變化。特別是鑄造或厚壁滑輪,因滑輪本身轉(zhuǎn)動慣量大,起動時必須施加較大的力矩使它轉(zhuǎn)動,當包角θ偏小,加之上述諸因素造成磨擦力偏小,鋼繩與滑輪槽之間產(chǎn)生滑動而磨損。對于轉(zhuǎn)動慣量較大的鑄造或厚壁滑輪,當鋼繩載荷較小時，繩對滑輪之間壓力亦小。頻繁起制動環(huán)境下，包角在設(shè)計時應(yīng)大于60°為宜,否則,易使繩槽加劇磨損。

圖4　滑輪的包角θ偏小

(2)鋼繩進出滑輪垂直平面的偏角φ過大(見圖5), 是導致繩槽磨損的另一個主要原因。各國技術(shù)規(guī)范對φ角允許的最大值有不同的規(guī)定。我國GB3811規(guī)定不得大于5°,而歐州有些國家規(guī)定較嚴,不得大于2°,在某些特定場所甚至不得大于1°。由于滑輪組合用途各異,從設(shè)計上取消φ角幾乎是不可能的。

圖5　鋼繩進出滑輪垂直平面的偏角φ過大

φ角改變了鋼繩在繩槽中速度的方向。如果鋼繩偏離其垂直平面某個φ角度進入滑輪時，鋼繩的線速度V可視為v3與v4兩分量之合(如圖6所示)。v3進入滑輪旋轉(zhuǎn)平面,與繩槽底徑同速無滑動，其余遠離底徑各點依上述與繩槽亦無滑動。而v4則因與繩槽各點速度不在同一平面,當鋼繩受滑輪槽制約由斜變直,即強制令鋼繩扭過φ角而進入滑輪時,與繩槽面發(fā)生激烈滑動而發(fā)生磨損,此滑動值與φ角呈正比。顯然，φ角愈大滑動分量v4愈大,則磨損愈嚴重。

另外，為什么偏角φ大會造成滑輪加劇磨損？到底偏角多大合宜呢？下面略述這個常被人忽略的問題。

鋼繩在滑輪槽中的速度對繩槽磨損也產(chǎn)生直接影響。 鋼繩未入滑輪繩槽前，繩上各點只有一個直線速度v(見圖6),當滑輪被鋼繩拖動無φ角旋轉(zhuǎn)時,繩槽底徑的線速度即鋼繩直線運動時的線速度。但繩槽內(nèi)沿半徑幅射方向各點切線速度皆不相同(如圖6所示的v1、v2等),愈遠則切線速度愈大。顯然, 當鋼繩無偏斜的進入滑輪時,鋼繩在滑輪槽所形成的平面內(nèi),將由直變彎,遠離園心各點將增加因旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的園周速度,此時,鋼繩速度為其直線運動與瞬時旋轉(zhuǎn)運動之合。由計算和圖面均可知,如繩槽半徑基本與鋼繩半徑相符(規(guī)范規(guī)定繩槽半徑為0.53～0.6d,此d為鋼繩直徑)這時鋼繩與滑輪槽接觸各點的速度基本相同,二者間無顯著滑動。當鋼繩出滑輪時,由彎變直,其速度恢復為原直線速度。

圖6　鋼繩在滑輪槽中的速度分析

(3)提高繩槽硬度的措施.由于防止變形和降低成本的原因,過去傳統(tǒng)滑輪大多不單獨作熱處理,如熱軋滑輪繩槽成型后激水冷卻，繩槽可達HB220-260的調(diào)質(zhì)硬度,對于無過大偏角φ的滑輪是適用的。但對于偏角φ較大時,因上述的v4值較大,必須采取熱處理等技術(shù)措施,提高硬度,以減少繩槽磨損。加強潤滑也可減少繩槽磨損,但是由于滑輪多裸露于外,很難對它單獨潤滑(它大多依靠鋼繩所粘的油脂而得到潤滑)。因此,提高滑輪槽硬度是減少滑輪磨損的主要途徑。需要關(guān)注的是,傳統(tǒng)的鑄鋼滑輪,組織并不致密(比重只有7.5左右),熱處理后硬度雖有所增加,但抗磨損能力遜于冷軋滑輪的繩槽,據(jù)知,寧波偉隆傳動機械公司創(chuàng)新制作的冷軋薄壁重載輕型滑輪,其繩槽用Q345材料,因冷軋后鋼材組織應(yīng)變硬化極致密,不必滲炭,熱處理后硬度可達HRC50-55,對于抗繩槽磨損是極其有利的。

5滑輪生產(chǎn)存在的問題和改進建議

5.1要繼續(xù)開發(fā)免維護即零保養(yǎng)滑輪

(1)為什么滑輪需要定期加油保養(yǎng)？從金屬滑輪誕生以來，無一處的滑輪不是定期(每周或每月)加注潤滑脂，原因之一是認為滑輪裡的滾動軸承運轉(zhuǎn)時有滑動，必須施加潤滑。其二是常用的鈣基潤滑脂抗氧化能力差，易老化,必須定期更換。其三是用以防塵，由于不少滑輪安裝于戶外，鹽霧雨水的侵蝕是不可避免的，而滑輪的防護裝置比較簡單，只好用厚油脂輔助防塵。其四是某些特定條件如浸入水中甚至是海水中作業(yè)的滑輪(如浮吊的吊鉤)，每次浸水后，必須徹底換油或加油，重新潤滑。

(2)新的潤滑脂和小轎車的零保養(yǎng)。由于技術(shù)進步，目前在負荷較輕的家用電器(電扇、空調(diào)、洗衣機等)的旋轉(zhuǎn)部件上，早已實現(xiàn)了零保養(yǎng)，終生(10～20年)不加任何潤滑，也出現(xiàn)了新的抗氧化能力極強的鋰基潤滑脂，10年甚至更長時間保持油性不發(fā)生變化，為一次潤滑不再加油創(chuàng)造了條件。在轎車制造中，許多裝有滾動軸承的部位(前后輪的輪轂、傳動軸等)采取嚴密的保護隔離措施后，長周期(8～10年)不再加油。所有這些都給我們啟發(fā)，只要措施得當，在滑輪上完全可以實現(xiàn)零維護保養(yǎng)。

(3)免維護是一個系統(tǒng)工程。必須指出：免維護不只是延長加油周期(5～10年不必對滑輪進行加油脂保養(yǎng))，同時，對滑輪的各部件以及涂裝油漆的質(zhì)量均要升級，使它們均能適應(yīng)在惡劣工況下長期工作。總之，對滑輪實現(xiàn)零維護是個極有意義的課題，本文提出它，期望有更多專家共同研究，令我國滑輪免維護技術(shù)走在世界最前列。因此，免維護即零保養(yǎng)滑輪技術(shù)研發(fā)漸成趨勢。

5.2要研究改進熱軋滑輪的節(jié)能生產(chǎn)工藝

熱軋滑輪是一種極有生命力的制造滑輪方式。它需要的設(shè)備簡單：1部專用的供熱軋切入的小型專用機床，1臺通用車床(中心高視滑輪大小而定)和幾把加熱氣焊槍,用人不多,效率不低,有良好的市場競爭力。目前,幾乎無一種新的加工手段能代替它。熱軋滑輪產(chǎn)品已被運行速度不高、載荷不大的國內(nèi)外用戶普遍接受,每年有近20萬只的市場份額。它的主要缺點如前已敘：尺寸精度不高,生產(chǎn)所需能耗大(雖然成本可以接受)。若能改用電加熱(中頻或工頻)為主,輔以乙炔槍助熱,將會大大降低能耗。至于提高繩槽硬度和尺寸精度，只要有需要，從技術(shù)層面上看極易解決。

5.3解決滑輪繩槽的壓痕問題

滑輪繩槽的壓痕多出現(xiàn)在岸邊集裝箱起重機等重載高速的滑輪上(見圖7),這個問題，多年困擾國內(nèi)外的集裝箱制造商和從事滑輪研發(fā)的專家。對它的產(chǎn)生原因有不同意見。從圖片上看,它不像因滑動而磨損,而且只出現(xiàn)在特定部位的滑輪上。

圖7　滑輪壓痕

通過大量觀察可以發(fā)現(xiàn)，滑輪壓痕多出現(xiàn)在重載或有彈動沖擊的滑輪繩槽上，那么它出現(xiàn)后對鋼繩有何影響？會不會延深或發(fā)展？添加潤滑脂有益它的防范嗎？它與繩的節(jié)距有否共扼關(guān)系等等，都是困擾滑輪專業(yè)人士和制造廠的老問題。一個令人不解的現(xiàn)象：用麻芯的鋼絲繩會比鋼芯的鋼絲繩少壓痕,甚至無壓痕。由此看來，似乎更證實滑輪壓痕不是因為滑動磨損引起的，而是一種敲擊現(xiàn)象。所以，避免突然啟動(如稍加長起重機的起動時間，由目前的2 s改為3 s)、提高繩槽硬度，或選用直徑較大的鋼絲繩(繩槽也相應(yīng)變大，減小單位面積沖擊壓應(yīng)力)等均可減小壓痕。根據(jù)多年經(jīng)驗已總結(jié)出幾條解決它的技術(shù)措施,但如何在生產(chǎn)中有效實施，從根本上消除滑輪壓痕，仍是至今未能很好解決的課題。

Technological Progress and Innovation of the Pulley

ZPMC Industry-University-Research CooperationGuan Tongxian

Abstract:The development history of pulleys were reviewed in this paper. The technical status of pulley, the existence problem and the solutions to the problems were stated. Introducing the structures and performance characteristics of the pulleys which were cold rolled, thin walled and overloading light that was the innovative and the first design in the word.

Key words:pulley; innovation; free maintenance

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2016.02.001

收稿日期：2016-04-26

管彤賢： 200125， 上海市浦東新區(qū)東方路3261號