李今朝 張 峰 辛?xí)粤?王 歡 劉 倩

中廣核工程有限公司核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 深圳 518172

0 引言

橋式起重機(jī)（以下簡稱橋機(jī)）是核電站在建造和運(yùn)行階段，為反應(yīng)堆廠房內(nèi)的重型設(shè)備安裝、維修提供吊運(yùn)服務(wù)的特種重型橋式起重機(jī)，包括吊裝蒸汽發(fā)生器（SG）、壓力容器（RPV）、穩(wěn)壓器（PZR）等大件設(shè)備。由于核電站設(shè)備閘門的限制，大件設(shè)備必須水平運(yùn)輸?shù)椒磻?yīng)堆廠房內(nèi)，通過橋機(jī)翻轉(zhuǎn)直立后再吊裝到指定位置。

某核電站橋機(jī)在現(xiàn)場進(jìn)行起吊試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩與動滑輪上的罩子發(fā)生摩擦（見圖1）。

鋼絲繩在使用過程中會頻繁繞入繞出滑輪槽和卷筒槽，異常摩擦?xí)?dǎo)致其使用壽命大幅度減少，嚴(yán)重時甚至?xí)苯佑绊懙跹b安全[2]。為盡快解決該問題，需要對異常摩擦的原因進(jìn)行詳細(xì)分析。本文采用魚骨圖的分析方法（見圖2），分析該異?，F(xiàn)象的原因。

1 鋼絲繩偏角分析

由于設(shè)備均已安裝就位，且現(xiàn)場無可靠參照物，本文采用模型放樣分析的方法，確定了吊裝過程中各階段的鋼絲繩偏角大小，并對比了常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》[3]的要求，分析確定了鋼絲繩異常摩擦的原因。該安裝小車的基本參數(shù)為：鋼絲繩直徑d＝34 mm，卷筒槽底直徑D＝1 600 mm，卷筒計算直徑D0＝1 634 mm，卷筒上繩槽節(jié)距P＝38 mm，總起升高度H0＝35.5 m，卷筒中部無繩槽部分長度L1＝92 mm，吊環(huán)滑輪組中間2滑輪間距L2＝225 mm，滑輪倍率m＝12。鋼絲繩纏繞卷筒及動滑輪的示意如圖3所示。

由圖3分析可知，當(dāng)鋼絲繩向繩圈方向偏斜時，偏角為

式中：α為與卷筒軸垂直平面之間的偏角，β為鋼絲繩中心線與卷筒繩槽中心線之間的偏角，ε為卷筒螺旋槽傾斜角度，H為卷筒中心線距動滑輪中心線的高度，L為某標(biāo)高時卷筒上2組鋼絲繩之間的間距，L2為吊環(huán)滑輪組中間2滑輪間距，P為卷筒上繩槽節(jié)距，D0為卷筒計算直徑，m為滑輪倍率。

當(dāng)鋼絲繩向空槽方向偏斜時，偏角按式（1）～式（3）、式（5）計算。經(jīng)過計算，詳細(xì)的偏角計算結(jié)果如表1所示。

表1 典型設(shè)備的偏角計算值

GB/T 3811—2008要求：鋼絲繩繞進(jìn)（出）卷筒時，鋼絲繩中心線偏離螺旋槽中心線兩側(cè)的角度不應(yīng)大于3.5°。由上表可知，對于不同設(shè)備的實(shí)際吊裝，均出現(xiàn)了鋼絲繩偏角超出規(guī)范要求的情況，鋼絲繩異常摩擦確定是由于偏角超標(biāo)導(dǎo)致。

2 偏角超標(biāo)后果及原因分析

鋼絲繩偏角增大可能會出現(xiàn)鋼絲繩跳槽的事故，也不可避免地會對起升機(jī)構(gòu)的各個部件造成一定的損害，包括鋼絲繩、卷筒、滑輪組等[4]。本文采用故障樹分析對偏角超標(biāo)的可能后果及原因依次開展了分析，如圖4所示。

3 偏角異常影響分析

3.1 鋼絲繩是否跳槽分析

鋼絲繩在繩槽內(nèi)運(yùn)動時，會同時受到拉力和摩擦力的作用，當(dāng)脫離繩槽方向的分力和力矩分別小于壓向繩槽方向的分力和力矩時，可認(rèn)為鋼絲繩不會出現(xiàn)跳槽。通過鋼絲繩在最不利工作狀態(tài)下的受力分析，包括力矩平衡分析及受力平衡分析，可以判斷鋼絲繩是否跳槽。

當(dāng)鋼絲繩與卷筒螺旋槽中心線之間的偏角β最大時，鋼絲繩處于最不利位置。將鋼絲繩卷入卷筒的切點(diǎn)位置放樣如圖5所示。圖中α2指切點(diǎn)處切線與鋼絲繩中心線之間的夾角，S指鋼絲繩所受拉力。

鋼絲繩受力分析示意如圖6所示。圖中α3為鋼絲繩處于最不利位置時鋼絲繩中心到接觸點(diǎn)連線與水平分力的夾角，F(xiàn)1指鋼絲繩水平分力，F(xiàn)2指阻止鋼絲繩跳槽的分力，F(xiàn)3指F2對接觸點(diǎn)的正壓力，F(xiàn)4指F2對接觸點(diǎn)的正壓力，L1指鋼絲繩跳槽的力臂，L2指阻止鋼絲繩跳槽的力臂，B點(diǎn)為鋼絲繩所處的最不利位置。

3.1.1 力矩平衡分析

鋼絲繩在卷入繩槽過程中，由于偏角原因產(chǎn)生的水平力矩使鋼絲繩有跳出繩槽頂部的趨勢，鋼絲繩拉力產(chǎn)生的繞進(jìn)繩槽的力矩有克服其翻轉(zhuǎn)跳槽的趨勢。其中，跳槽力矩為

克服跳槽的力矩為

3.1.2 力平衡分析

鋼絲繩在槽頂處產(chǎn)生的切向摩擦力有使鋼絲繩向外跳槽的趨勢，在該處的切向分力有使鋼絲繩向卷筒卷入的趨勢。其中，跳槽力為

克服跳槽的力為

根據(jù)計算分析可得表2，由表2可知，鋼絲繩出現(xiàn)跳槽的風(fēng)險較小。

表2 鋼絲繩是否跳槽分析

3.2 對卷筒的影響分析

3.2.1 卷筒繩槽磨損增大的影響

由于鋼絲繩偏斜過大，不可避免地增大了對卷筒螺旋槽側(cè)面的磨損，長期使用下會出現(xiàn)卷筒強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低的風(fēng)險。卷筒材料為Q345C，厚度為60 mm，根據(jù)GB/T 3811—2008計算其合成應(yīng)力和臨界壓應(yīng)力，筒體強(qiáng)度的安全系數(shù)和穩(wěn)定系數(shù)分別為2.5和1.64，繩槽側(cè)面的磨損對于卷筒的強(qiáng)度和穩(wěn)定性影響較小，可以接受。

3.2.2 鋼絲繩水平作用力增大對卷筒的影響

鋼絲繩與卷筒螺旋槽中心線之間的夾角增大會使卷筒所受水平分力增大，由于卷筒形式為雙聯(lián)卷筒，兩側(cè)鋼絲繩作用在卷筒上的水平作用力相互抵消，故水平作用力增大對卷筒幾乎無影響。

3.3 對滑輪組的影響分析

根據(jù)上述分析，鋼絲繩與動滑輪軸垂直平面間的最大偏角為4.5°，符合GB/T 3811—2008中不大于5°的要求。通過對最大偏角時滑輪繩槽側(cè)面的擠壓應(yīng)力及軸承所受水平力的計算，軸承許用載荷及滑輪許用應(yīng)力均遠(yuǎn)大于計算值，鋼絲繩斜偏角的增大對滑輪組的影響可以接受。

3.4 對鋼絲繩的影響分析

鋼絲繩的基本參數(shù)為：額定起升載荷QA=550 000 kg，吊環(huán)滑輪組質(zhì)量QD＝10 865 kg，鋼絲繩質(zhì)量Qg＝6 000 kg，滑輪倍率m＝12，滑輪組效率η1＝0.9，重力加速度g＝9.8 m/s2。

鋼絲繩的最大靜拉力為

根據(jù)用戶手冊可知鋼絲繩最小破斷力為1 055 000 N，安全系數(shù)為4.1。

考慮到鋼絲繩偏角最大時的摩擦，鋼絲繩中心線與滑輪軸垂直平面之間的最大偏角為4.5°，鋼絲繩中心線與卷筒螺旋槽中心線之間的最大偏角為4.08°，滑動摩擦系數(shù)取0.14（不考慮潤滑影響）。保守分析，鋼絲繩同時受到卷筒和滑輪之間的摩擦力之和，疊加后計算得實(shí)際拉力為1.02SA，實(shí)際安全系數(shù)為4.02。根據(jù)GB/T 3811—2008的要求，工作級別為M3的該類型鋼絲繩安全系數(shù)應(yīng)大于3.55，滿足規(guī)范要求。

3.5 鋼絲繩壽命分析

根據(jù)Klaus Feyrer的理論計算模型[4]，鋼絲繩入繩傾角對其彎曲疲勞壽命的影響為

式中：D為鋼絲繩彎曲計算半徑，d為鋼絲繩公稱直徑，ψ為鋼絲繩入繩傾角，Dψ為鋼絲繩剩余彎曲疲勞壽命，N0為鋼絲繩原始壽命。

根據(jù)計算結(jié)果，實(shí)際吊裝時鋼絲繩傾角最大值為4.5°，此時Dψ＝0.41。對于12倍率的起升系統(tǒng)，在1個起升循環(huán)中，鋼絲繩局部承受最多彎曲疲勞周次的數(shù)量是23次，而核電站建造階段安裝小車需要完成的起升循環(huán)次數(shù)在10余次左右。所選鋼絲繩的彎曲疲勞壽命約為13～16萬次，對于僅需吊裝主設(shè)備的安裝小車來說，完全可以滿足使用需求。

4 優(yōu)化方案和解決措施

由式（1）～式（5）可知，當(dāng)卷筒中心線距動滑輪中心線的高度H越小時，鋼絲繩的偏角越小，故在吊裝時減小吊鉤下降的高度即可減小鋼絲繩偏角。結(jié)合吊裝主設(shè)備時吊鉤所處的最低高度，分別設(shè)計不同長度的連接工具，即可保證在吊裝過程中鋼絲繩的偏角滿足規(guī)范要求。連接工具的示意如圖7所示。

在項目現(xiàn)場實(shí)際翻轉(zhuǎn)過程中，該安裝小車順利完成吊裝任務(wù)，證明了理論分析的合理性，基于特定條件下的鋼絲繩偏角分析過程為后續(xù)類似情況的影響分析提供了一定的指導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文以國內(nèi)某項目橋機(jī)為例，提出了鋼絲繩偏角的理論計算方法，在斜偏角不滿足規(guī)范的情況下，通過對卷筒、滑輪組、鋼絲繩的影響分析。

1）通過模型放樣計算偏角的方法，解決了無法實(shí)測的問題，并發(fā)現(xiàn)了在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)鋼絲繩異常摩擦的現(xiàn)象是由于鋼絲繩偏角過大造成的。

2）基于故障樹分析、最不利情況受力分析及鋼絲繩疲勞壽命理論給出了偏角超標(biāo)是否可接受的驗(yàn)收評價準(zhǔn)則。

3）在安裝小車鋼絲繩偏角不滿足規(guī)范要求的情況下，通過連接工具的設(shè)計可以有效減小實(shí)際吊裝過程中的鋼絲繩偏角。

4）基于特定條件下的鋼絲繩偏角分析，給后續(xù)研究不同情況下偏角的限值及可靠度提供了一定的指導(dǎo)。