劉 彬 李 靖 李鵬舉

山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司 濟(jì)南 250102

0 引言

桅桿起重機(jī)是一種臂架俯仰變幅的起重機(jī)，通常布置在海岸港口、河道碼頭，用于船上貨物的裝卸作業(yè)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)包括人字架、臂架和變幅系統(tǒng)，人字架和臂架的下端通過銷軸固定在地面基礎(chǔ)上，人字架和臂架的上端通過變幅系統(tǒng)連接，通過變幅系統(tǒng)帶動臂架俯仰變幅實(shí)現(xiàn)貨物的裝卸作業(yè)。

圖1 桅桿起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

隨著海上風(fēng)電工程的發(fā)展，對大型起重機(jī)械的需求量增大，風(fēng)電塔筒、葉片和主機(jī)等都是超大體型部件，需要從岸邊裝船運(yùn)輸，單體質(zhì)量達(dá)數(shù)百噸，且外形尺寸、重心結(jié)構(gòu)不規(guī)則，對搬運(yùn)海上風(fēng)電設(shè)備的桅桿起重機(jī)要求較高。

大型桅桿起重機(jī)（以下簡稱起重機(jī)）的起重量在千噸以上，遠(yuǎn)端的起升高度在60 m以上，起重機(jī)滿載作業(yè)使用情況相對較少，一般為半載荷吊重作業(yè)。為滿足輕載高速的吊裝需求，通常設(shè)置有副臂和副鉤，質(zhì)量較輕的貨物通過副鉤來裝卸，如圖2所示。主臂頭部設(shè)置2組主鉤，副臂頭部設(shè)置1組副鉤，副臂根部通過4組銷軸剛性連接在主臂頭部，變幅拉板帶動主臂和副臂同時(shí)變幅作業(yè)。

圖2 帶副鉤的桅桿起重機(jī)

副鉤額定起重量是主鉤額定起重量的20%～30%，即質(zhì)量在30%主鉤額定起重量以上的貨物無法通過副鉤來吊裝。為提高碼頭貨物的裝卸效率，對于非滿載作業(yè)的工況，需要增大升降速度進(jìn)而達(dá)到重載低速、輕載高速的目的。

滑輪組的倍率即滑輪組省力的倍數(shù)，是鋼絲繩繞入卷筒的線速度與重物起升速度的比值。起升滑輪組變倍率設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)在重載低速和輕載高速之間轉(zhuǎn)換的最有效方法之一。

變倍率繞繩系統(tǒng)有重新纏繞鋼絲繩、固定部分動滑輪或釋放部分定滑輪等方法，改變繞繩倍率的組成系統(tǒng)。因此，滑輪組倍率的變換方法有2類，一類是需要重新穿裝起升繩；另一類則是無需重新穿裝起升繩，采用動、定滑輪變換的方法變換倍率。

1 換繩的變倍率方法

需要重新穿裝起升繩的變倍率方法如圖3、圖4所示，圖3為起升繩順向纏繞，起升繩朝一個(gè)方向按順序纏繞，能夠?qū)崿F(xiàn)18/14/10倍率的變換。最大倍率使用時(shí)起升繩穿過所有滑輪，如果降倍率使用，就需要將起升繩從滑輪上拆下，并重新穿裝，使起升繩穿過較少數(shù)量的滑輪，穿繩時(shí)需要跳過個(gè)別滑輪進(jìn)行纏繞，需要的倍率越少，跳過的滑輪數(shù)量越多。

圖3 起升繩順向纏繞

圖4 起升繩折返纏繞

圖4為一種折返纏繞的繞繩方法，能夠?qū)崿F(xiàn)18/14/11倍率的變換。起升繩在滑輪組上纏繞時(shí)依次跳過一個(gè)滑輪，繞到另一端后再折返繞回，按順序纏繞在空的滑輪上，最后固定在繞入的一端。這樣纏繞使滑輪組的兩側(cè)受力均衡，不會出現(xiàn)因?yàn)榛喗M效率的損失導(dǎo)致滑輪組偏斜，起升繩受力更好。小倍率使用時(shí)，穿繩中使起升繩提前折返纏繞，滑輪組另一側(cè)的部分滑輪空余出來。

由于起升繩跳過一個(gè)滑輪纏繞，動滑輪組在上限位置時(shí)，起升繩繞入和繞出滑輪的偏斜角可能會出現(xiàn)超限的問題，如圖5所示。

圖5 換繩纏繞效果圖

2 不換繩的變倍率方法

無需重新穿繩的變倍率方法通常為起升繩順向纏繞，設(shè)置變倍率滑輪或變倍率滑輪組，當(dāng)變倍率滑輪與定滑輪組連接時(shí)為一種倍率；當(dāng)變倍率滑輪與動滑輪組連接時(shí)為另一種倍率，通過變倍率滑輪在定滑輪組和動滑輪組之間來回切換實(shí)現(xiàn)倍率的變換。

一種偶數(shù)動滑輪的倍率變換方法如圖6所示，設(shè)置有2個(gè)變倍率滑輪，能夠?qū)崿F(xiàn)滑輪組在16倍率和12倍率之間變換。變倍率滑輪作為活動可變的滑輪，可作為定滑輪使用，也可作為動滑輪使用，變倍率滑輪與定滑輪組連接時(shí)為定滑輪，與動滑輪組連接時(shí)為動滑輪，通常采用銷軸進(jìn)行連接。

圖6 偶數(shù)動滑輪的變倍率繞繩

換繩的變倍率方法需要在高空重新拆裝鋼絲繩，高空作業(yè)不安全且作業(yè)效率不高，影響起重機(jī)的使用。相對換繩的變倍率方法，不換繩的變倍率方法操作更加方便，作業(yè)效率高，應(yīng)用更加廣泛。

不換繩的變倍率方法高效實(shí)用，但帶來的問題是變倍率滑輪切換過程中，由于上下滑輪之間的距離減小，起升繩繞入滑輪的偏斜角增大。

3 起升變倍率裝置

起升變倍率裝置由起升繩、動滑輪組、變倍率滑輪和動滑輪組等組成，如圖7所示，起升滑輪組能夠?qū)崿F(xiàn)16/12倍率變換，設(shè)置有2組變倍率滑輪，當(dāng)變倍率滑輪與定滑輪組連接時(shí)為16倍率，當(dāng)變倍率滑輪與動滑輪組連接時(shí)為12倍率，倍率變換過程中，起升繩不需重新纏繞。

圖7 滑輪組16/12倍率變換

定滑輪組由定滑輪架、定滑輪、定滑輪軸和拉板等組成，如圖8所示，變倍率滑輪通過銷軸與定滑輪組的2組拉板連接。每個(gè)定滑輪和2組拉板通過定滑輪軸固定在定滑輪架上面。

圖8 定滑輪組

如圖9所示，動滑輪組由支承板、動滑輪、動滑輪軸、動滑輪架和吊鉤等組成，變倍率滑輪通過螺栓固定在動滑輪組的支承板上。每個(gè)動滑輪、支承板通過動滑輪軸固定在動滑輪架上面，動滑輪組架下面掛接吊鉤。

圖9 動滑輪組

變倍率滑輪切換過程中，起升繩繞入每個(gè)滑輪的偏斜角如何滿足規(guī)范要求，是設(shè)計(jì)變倍率裝置的關(guān)鍵。相關(guān)規(guī)范的要求有GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽時(shí)的最大偏斜角（即鋼絲繩中心線和滑輪軸垂直的平面之間的夾角）不應(yīng)大于5°。GB/T 13752—2017《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：鋼絲繩繞進(jìn)或繞出滑輪槽時(shí)的最大偏斜角（即鋼絲繩中心線和垂直滑輪軸平面之間的夾角）不應(yīng)大于4°；對阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩不應(yīng)大于2°。

變倍率滑輪由銷軸、銷軸拉板、變倍率滑輪架、變倍率滑輪軸和變倍率滑輪等組成，如圖10所示。變倍率滑輪通過變倍率滑輪軸固定在變倍率滑輪架上，銷軸拉板焊接在變倍率滑輪架上方，兩側(cè)的銷軸拉板通過銷軸連接。

圖10 變倍率滑輪組

銷軸拉板與變倍率滑輪架焊接為一體，兩者平面成一定角度，約為6°～10°，進(jìn)而使變倍率滑輪與動滑輪之間始終成一個(gè)夾角布置，這樣起升繩繞入或繞出變倍率滑輪和動滑輪時(shí)就不會有偏斜角，不受變倍率滑輪和動滑輪軸線間距的影響，同時(shí)有效減小了起升繩的磨損，如圖11所示。

圖11 變倍率滑輪的布置

起升滑輪組16/12倍率變換效果圖如圖12所示，起升繩繞入或繞出變倍率滑輪、動滑輪和定滑輪的偏斜角均小于2°。2個(gè)變倍率滑輪通過銷軸連接在定滑輪組上時(shí)為16倍率，2個(gè)變倍率滑輪通過支承板和螺栓連接在動滑輪組上時(shí)為12倍率。

圖12 滑輪組16/12倍率變換效果圖

4 更大倍率變換

該繞繩方法能夠?qū)崿F(xiàn)更大倍率的變換，如圖13和圖14所示，一種奇數(shù)動滑輪的倍率變換繞繩方法及裝置，該裝置的中部設(shè)置變倍率滑輪組，包含2組變倍率滑輪，實(shí)現(xiàn)18/14倍率變換。

圖13 奇數(shù)動滑輪的變倍率繞繩

圖14 滑輪組18/14倍率變換效果圖

變倍率滑輪組通過銷軸連接在定滑輪組上時(shí)為18倍率，變倍率滑輪組通過支承板和螺栓連接在動滑輪組上時(shí)為14倍率。

為實(shí)現(xiàn)更小倍率的變換，可以將更多的動滑輪設(shè)置成變倍率滑輪，如圖15所示，可以實(shí)現(xiàn)18/14/6倍率之間的變換。

圖15 滑輪組18/14/6倍率變換

3個(gè)變倍率滑輪通過銷軸連接在定滑輪組上時(shí)為18倍率；兩側(cè)的2個(gè)變倍率滑輪通過銷軸連接在定滑輪組上，中間的1個(gè)變倍率滑輪通過支承板和螺栓固定在動滑輪組上時(shí)為14倍率；3個(gè)變倍率滑輪通過支承板和螺栓連接在動滑輪組上時(shí)為6倍率。

當(dāng)所有變倍率與動滑輪組連接時(shí)應(yīng)保證組合體的重心在動滑輪組軸線的下方，以避免動滑輪組出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)進(jìn)而影響使用，如圖16所示。

圖16 滑輪組18/14/6倍率變換效果圖

獨(dú)立的動滑輪組需要扭轉(zhuǎn)，1根鋼絲繩的入滑輪角度不會孤立存在，會受到其他鋼絲繩的牽制，直到滑輪兩端的入繩角度均衡。因此，不能單獨(dú)測量1根鋼絲繩與豎直線的夾角作為角度超差的依據(jù)，應(yīng)測量1個(gè)滑輪上的2根鋼絲繩的夾角。通常情況下，桅桿起重機(jī)設(shè)置有雙鉤，2個(gè)單鉤對稱布置，單鉤之間設(shè)置連桿，這樣可以有效阻止動滑輪組的扭轉(zhuǎn)。

5 實(shí)例

某系列桅桿起重機(jī)，起升機(jī)構(gòu)的工作級別為M4，起升卷筒出繩線速度50 m/min，起升繩選用阻旋轉(zhuǎn)壓實(shí)股鋼絲繩35W×K7-1 870-50 mm，單繩最大許用拉力48 t，桅桿式起重機(jī)的最大額定起重量為1 400 t。考慮鉤重、繩重和滑輪組效率后，不同倍率下對應(yīng)的起重量和起升速度參數(shù)如表1所示。

表1 起升機(jī)構(gòu)參數(shù)表

由表1可知，采用單一規(guī)格的起升繩，通過選擇6～18不同的滑輪組倍率，使桅桿起重機(jī)在單鉤下實(shí)現(xiàn)250～700 t的額定起重量，在雙鉤下實(shí)現(xiàn)500～1 400 t的額定起重量。

5.1 滑輪組16/12倍率變換

某風(fēng)電設(shè)備單體質(zhì)量約830 t（含吊具），單鉤額定起重量約為430 t，根據(jù)此額定起重量，為提升工作效率，采用滑輪組16倍率變12倍率的倍率變換方法，分別將2個(gè)吊鉤的變倍率滑輪從定滑輪移到吊鉤動滑輪上，從而實(shí)現(xiàn)16倍率變?yōu)?2倍率，使額定起升速度從原來的3.1 m/min提高到4.2 m/min。實(shí)際吊裝循環(huán)過程中，節(jié)省時(shí)間約30 min，桅桿式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工作效率明顯提升。

5.2 滑輪組18/14倍率變換

某儲油灌注滿油后總質(zhì)量約1 050 t，單鉤額定起重量約為525 t，根據(jù)此額定起重量，對應(yīng)表1，為提升工作效率，采用同5.1類似的方法，通過繞繩和定/動滑輪的變換，實(shí)現(xiàn)18倍率變?yōu)?4倍率，從而使額定起升速度從原來的2.8 m/min提高到3.6 m/min，提速效果明顯。

對于單臺桅桿起重機(jī)，通過起升滑輪組的變倍率設(shè)計(jì)，使起升機(jī)構(gòu)具有多種額定起重量，進(jìn)而滿足重載低速、輕載高速的吊裝作業(yè)要求。

6 結(jié)語

1）針對大型桅桿起重機(jī)，提出換繩和不換繩2類起升滑輪組的倍率變換方法。相對換繩的變倍率方法，不換繩的變倍率方法，操作更加方便，作業(yè)效率高，應(yīng)用更加廣泛。

2）闡述了不換繩的變倍率方法及其原理、零部件的組成、連接方式和功能，通過奇數(shù)動滑輪和偶數(shù)動滑輪等不同的滑輪組類型，闡明其各自的倍率變換過程。

3）給出多種起升滑輪組的倍率變換裝置，通過變倍率滑輪與動滑輪形成一定夾角布置，實(shí)現(xiàn)起升繩繞入或繞出滑輪的偏斜角滿足規(guī)范要求。單鉤使用時(shí)，起升繩末端應(yīng)固定在臂架頭部，以減小和抵消動滑輪組的扭轉(zhuǎn)。

4）不換繩的變倍率方法，臂架擺至最大幅度，吊鉤放置地面后，可實(shí)現(xiàn)空中換倍率，起重機(jī)一次安裝后能夠進(jìn)行多種工況使用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)主、副起升機(jī)構(gòu)的大范圍變速，該方法有利于起升機(jī)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的系列化開發(fā)。