戰(zhàn)蓉潔 周 洋 沈艷祥 姚春玲

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

1 核用起升裝置的設(shè)計(jì)要求

核能作為一種清潔能源，技術(shù)成熟，供應(yīng)能力強(qiáng)，與火電、 水電一起構(gòu)成了當(dāng)今世界電力的三大支柱。起重設(shè)備雖不是核電站的核心設(shè)備，但也是必不可少的重要設(shè)備之一。 由于核電站工作環(huán)境的特殊性，吊運(yùn)如燃料組件等， 帶有高放射性物質(zhì)的危險(xiǎn)載荷，會(huì)對(duì)起重設(shè)備的起升裝置有較高的要求[1]。 在起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，為了能夠在復(fù)雜的使用環(huán)境中保證機(jī)構(gòu)的安全性，專(zhuān)用起升裝置會(huì)采用單一故障保護(hù)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，如在鋼絲繩纏繞設(shè)計(jì)上采用雙鋼絲繩纏繞的結(jié)構(gòu)形式，這樣能夠保證在一根鋼絲繩斷裂后，另一根鋼絲繩仍然能夠保持住載荷并能夠?qū)⑵涞踹\(yùn)至安全的場(chǎng)所。 由于被吊設(shè)備為危險(xiǎn)載荷，因此，對(duì)起升裝置的要求會(huì)更高一些， 除了采用雙鋼絲繩纏繞的形式外，還需保證在一根鋼絲繩斷裂后，維持住載荷的穩(wěn)定性，不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)或者傾斜，并且能夠降低鋼絲繩脫離滑輪的危險(xiǎn)。

2 鋼絲繩的纏繞設(shè)計(jì)

對(duì)比鋼絲繩并聯(lián)纏繞形式，如圖1 所示，即兩根鋼絲繩分別繞過(guò)一個(gè)滑輪后， 通過(guò)楔形接頭和繩夾，分別固定在同側(cè)的平衡梁上，雖然并聯(lián)纏繞的形式也能夠保證在一根鋼絲繩斷裂后， 保持住危險(xiǎn)載荷，但不能完全保證危險(xiǎn)載荷的穩(wěn)定性，有可能在一根鋼絲繩斷裂的瞬間，吊鉤帶著危險(xiǎn)載荷會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)或者傾斜的情況，嚴(yán)重時(shí)還有可能造成鋼絲繩脫離滑輪的危險(xiǎn)。 因此，為了能夠保證危險(xiǎn)載荷的穩(wěn)定性[2]，鋼絲繩的纏繞形式采用交叉纏繞的形式。 即吊鉤組件采用4個(gè)動(dòng)滑輪組成，一根鋼絲繩從卷筒一側(cè)繞出后，繞過(guò)兩個(gè)平行的滑輪組，通過(guò)楔形接頭和繩夾固定在平衡梁上。 同樣，另一根鋼絲繩從卷通過(guò)的另一側(cè)繞出后，經(jīng)過(guò)另外兩個(gè)平行的滑輪組，通過(guò)楔形接頭和繩夾固定在平衡梁上。 將滑輪組投影到卷筒平面時(shí)， 繞在4個(gè)滑輪組的鋼絲繩處于交叉形式，因此，簡(jiǎn)稱(chēng)為雙聯(lián)滑輪組鋼絲繩交叉纏繞形式。

圖1 雙聯(lián)滑輪組鋼絲繩并聯(lián)纏繞和交叉纏繞對(duì)比

3 鋼絲繩交叉纏繞的偏斜角設(shè)計(jì)

當(dāng)鋼絲繩從卷筒的一側(cè)繞出后進(jìn)入動(dòng)滑輪時(shí)，由于吊鉤組件的外形尺寸和卷筒的尺寸設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩不會(huì)垂直卷筒軸線進(jìn)入滑輪組，或者當(dāng)鋼絲繩繞過(guò)滑輪組時(shí)， 也有可能不會(huì)垂直卷筒軸線進(jìn)入平衡梁。 若在吊鉤最低點(diǎn)時(shí)，鋼絲繩垂直卷筒進(jìn)入了滑輪組，或者鋼絲繩繞出滑輪組后垂直進(jìn)入平衡梁，但當(dāng)?shù)蹉^處于最高點(diǎn)時(shí)，也有可能在繞進(jìn)和繞出滑輪組的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)角度，此角度為鋼絲繩的偏斜角。 為了保證鋼絲繩在繞進(jìn)和繞出滑輪時(shí)，能夠在滑輪槽內(nèi)運(yùn)行順暢，并且不會(huì)脫離繩槽，鋼絲繩繞進(jìn)滑輪和繞出滑輪的偏斜角最大不應(yīng)超過(guò)5°[3]。

設(shè)定滑輪組的交叉角度為37.5°時(shí)， 由圖2 可以看出，當(dāng)鋼絲繩從卷筒繞出，進(jìn)入滑輪組，此時(shí)為滑輪組的入繩端，為保證鋼絲繩能夠順利進(jìn)入滑輪，應(yīng)計(jì)算鋼絲繩繞進(jìn)滑輪的偏斜角。 根據(jù)偏斜角的定義，此時(shí)，需將鋼絲繩投影到垂直于滑輪軸的平面上，并且由于鋼絲繩滑輪組采用交叉纏繞的形式，因此，在兩組滑輪的設(shè)計(jì)上， 應(yīng)有一個(gè)容許鋼絲繩穿過(guò)的高度差， 即兩根鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪的高度是不一樣的。

根據(jù)放樣計(jì)算后，可以得到，鋼絲繩繞進(jìn)滑輪組的偏斜角分別為3.87°和4.04°， 兩組偏斜角均小于5°，因此，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 滑輪組鋼絲繩交叉纏繞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

同樣的，當(dāng)鋼絲繩繞過(guò)滑輪后，經(jīng)過(guò)楔形接頭和繩夾后固定在平衡梁上時(shí)， 為了保證鋼絲繩的出繩端不會(huì)從滑輪中脫出， 此時(shí)也應(yīng)計(jì)算鋼絲繩的偏斜角，通過(guò)放樣計(jì)算后可以得到，偏斜角分別為0.74°和0.77°，兩組鋼絲繩的偏斜角均小于5°，滿足設(shè)計(jì)要求。

在實(shí)際使用過(guò)程中，鋼絲繩除了在吊鉤處于最上方時(shí)，應(yīng)滿足偏斜角小于5°外，還應(yīng)校核當(dāng)?shù)蹉^下降到吊鉤下極限時(shí)的鋼絲繩偏斜角， 經(jīng)過(guò)放樣計(jì)算后，也均小于5°，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 滑輪組的交叉角對(duì)鋼絲繩偏斜角的影響

當(dāng)雙鋼絲繩交叉纏繞投射到卷筒軸線所在平面時(shí)，兩根繞過(guò)滑輪組的鋼絲繩與平行于卷筒軸線所形成的夾角定義為交叉角， 交叉角的理論變化范圍0°～90°，當(dāng)滑輪的尺寸型號(hào)確定后，交叉角除了對(duì)吊鉤組件的外形尺寸造成一定影響以外，還對(duì)鋼絲繩的偏斜角有一定的影響。

當(dāng)其余參數(shù)確定后，通過(guò)計(jì)算吊鉤處于上極限標(biāo)高時(shí)， 不同交叉角變動(dòng)后得到的鋼絲繩的偏斜角，詳見(jiàn)圖3。

圖3 交叉角度與吊鉤偏斜角的關(guān)系

通過(guò)計(jì)算， 交叉角的變化范圍從20°到60°時(shí)，左右兩側(cè)繞進(jìn)和繞出滑輪組的鋼絲繩的偏斜角，可以發(fā)現(xiàn)，偏斜角呈現(xiàn)一個(gè)先減小后增大的趨勢(shì)。 在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，偏斜角最大取值不能超過(guò)5°，否則鋼絲繩將會(huì)從滑輪中脫出。 因此，此設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，交叉角最佳 的變化范圍在30°～52.5°， 只要滑輪組的交叉角在此范圍內(nèi)取值，均能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，繞進(jìn)滑輪組和繞出滑輪組的滑輪組交叉角最小角度分別為45°和35°，不在同一角度。 之所以會(huì)這樣是因?yàn)槠苯沁€受到另外兩個(gè)因素的影響，一個(gè)是卷筒出繩點(diǎn)與吊鉤中心點(diǎn)的連線與平行卷筒軸線的夾角，定義為出繩角，當(dāng)滑輪組的交叉角確定時(shí)，它影響了繞進(jìn)滑輪組的偏斜角大小。 另一個(gè)因素是平衡梁的入繩點(diǎn)和吊鉤中心點(diǎn)連線與平行卷筒軸線的夾角，定義為入繩角，當(dāng)滑輪組的交叉角確定時(shí)，它影響了繞出滑輪組的偏斜角大小。

當(dāng)交叉角角度為37.5°時(shí)， 通過(guò)計(jì)算可以得到出繩角和入繩角角度變化范圍對(duì)偏斜角的影響，具體如圖4 所示。

可以看出，當(dāng)滑輪組的交叉角固定為37.5°，出繩角和入繩角在27°到50°之間變化時(shí)，鋼絲繩的偏斜角先減小在增大，最小值在37°到39°。由此可以得到，當(dāng)出繩角和入繩角與滑輪組的交叉角角度越接近，鋼絲繩的偏斜角越小，越有利于設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

圖4 出繩角和入繩角與偏斜角的關(guān)系

本文基于核用起升裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)鋼絲繩交叉纏繞的形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，通過(guò)研究鋼絲繩繞出和繞進(jìn)滑輪組的偏斜角得出，偏斜角受到滑輪組的交叉角的影響，通過(guò)既定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，交叉角的變化在30°～52.5°時(shí)，鋼絲繩的偏斜角取值最小，滿足設(shè)計(jì)的要求。 同時(shí)分析了出繩角和入繩角對(duì)繞進(jìn)和繞出滑輪組的偏斜角影響，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)出繩角和入繩角與滑輪組的交叉角角度越接近， 鋼絲繩繞進(jìn)和繞出滑輪的偏斜角越小。 因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，在滿足整體結(jié)構(gòu)布置的前提下，應(yīng)保證出繩角，入繩角和滑輪組的交叉角趨于一致， 這樣鋼絲繩繞進(jìn)和繞出滑輪組的偏斜角越小，越能夠保證鋼絲繩在運(yùn)行過(guò)程中，不會(huì)脫離滑輪組的繩槽。