桅杆式起重机顶部滑轮组定位尺寸设计

黄玮东 张 弘 马善宇

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海200125)

1 桅杆式起重机形式及工作原理

桅杆式起重机组成部件如图1所示，其中吊机桅杆为整体焊接的下方上圆形式，下口与船体甲板焊接。回转支撑环及臂架组件通过下部回转轴承套在桅杆外侧。顶部滑轮组通过上部回转轴承与桅杆顶部连接。变幅钢丝绳缠绕两端为臂架头部滑轮组和桅杆顶部滑轮组，经过滑轮缠绕后，通过桅杆内部进入底部绞车房卷筒。

吊机吊载时，货物及吊机产生的倾覆力矩由整体结构件桅杆承受，不同于常规A架起重机由件2回转轴承承担。由此产生优点为：件5承受倾覆力矩能力大大优于件2，故回转轴承选直径相比于常规吊机大大缩小，使得整机结构紧凑；同时取消了常规吊机所需的配重箱，使整机重量轻，吊机尾部对于船体甲板净空要求小，便于船体布置，提高甲板利用率。

吊机回转时，回转机构驱动回转支撑环及臂架旋转，其绕桅杆做回转运动。同时桅杆顶部滑轮组件由于不安装驱动机构，其回转动作由吊机变幅钢丝绳带动。其优点是保证吊机受力桅杆的整体性，同时只在下部轴承安装回转机构，上部用变幅绳牵引，降低了吊机生产维护成本，避免了由于桅杆顶部滑轮位置布置不当而使件1与件6回转不同步，从而引发变幅钢丝绳从滑轮出槽的事故。

1—回转支撑环及臂架组件 2—下部回转轴承 3—回转机构 4—绞车房 5—吊机桅杆 6—桅杆顶部滑轮组件 7—上部回转轴承 8—变幅钢丝绳

2 桅杆顶部滑轮组布置

如图2所示，桅杆顶部滑轮组布置由4个主要部分组成，吊机变幅力通过滑轮组支架和回转轴承向吊机桅杆传递。整个顶部组件不设置动力源，回转动作由变幅绳牵引完成。在变幅滑轮组中间和组件两侧可以设置相关吊钩钢丝绳改向滑轮，使相关吊钩绞车也可以布置于机房内，从而使主要绞车机构安装于起重机内部空间，与外界海洋环境隔离，减少盐雾腐蚀，降低了维护工作量。

3 滑轮布置和设计计算

如图3所示，吊机变幅钢丝绳受力为F，变幅钢丝绳与水平面夹角为α，变幅滑轮组距离吊机回转中心距离为L，上部回转轴承滚道直径为D。

将变幅钢丝绳力进行水平和竖直方向分解得到水平分力F′和竖直分力F1为：

F1=Fsinα

(1)

F′=Fcosα

(2)

顶部滑轮组旋转所受到阻力矩T为：

T=0.5ωF1D=0.5ωDFsinα

(3)

式中，ω为回转轴承摩擦因数，取ω=0.015。

在起重机设计过程中，为了避免臂架在吊载受力过程中受到额外扭矩，往往将变幅钢丝绳力设计为左右对称。故可以假设吊机桅杆顶滑轮组沿中心线左右两侧变幅钢丝绳力合力点为A点和B点，其到吊机中心线距离均为E。

则可以得出A、B两点所受水平力大小Fa和Fb：

Fa=Fb=0.5F′=0.5Fcosα

(4)

在吊机刚刚开始旋转时，由于桅杆顶部滑轮组回转为变幅钢丝绳拖拽，同时加上钢丝绳的柔性特性，会使桅杆顶部滑轮组和臂架回转之间产生一个延时，使变幅钢丝绳与变幅滑轮之间产生一个夹角。

假设吊机做逆时针回转，此时变幅钢丝绳与滑轮之间夹角为β。则Fa和Fb沿x轴和y轴分力为Fax、Fbx、Fay、Fby：

Fax=Fbx=0.5F′cosβ=0.5Fcosαcosβ

(5)

Fay=Fby=0.5F′sinβ=0.5Fcosαsinβ

(6)

可以得出A、B两点对于回转中心O的转矩Ma和Mb为：

Ma=FayL-FaxE

(7)

Mb=FbyL+FbxE

(8)

整个桅杆顶部滑轮组由于变幅钢丝绳产生的转矩M为：

M=Ma+Mb=FLcosαsinβ

(9)

由公式(3)和公式(9)得知，桅杆顶部滑轮组顺利旋转的前提为MT>1。

(10)

常用的起重机设计规范中，滑轮上钢丝绳夹角β往往要求不大于3°，故得出：

sinβmax=sin3°=0.052336

(11)

目前，根据国内自主设计生产制造的两台桅杆吊(H3044和H3083)的情况分析，在吊机臂架最大工作角度时，变幅钢丝绳与水平面夹角α均不超过70°，故得出：

tanαmax=tan70°=2.747477

(12)

将公式(11)和公式(12)代入公式(10)得出：

(13)

由公式(13)变换得出L取值要求：L>0.4D。

1—变幅滑轮组 2—滑轮组支架 3—顶部回转轴承 4—吊机桅杆

图3 顶部滑轮组布置计算示意图

Figure 3 Calculation of top sheaves arrangement

4 结论

由L>0.4D得出：常规桅杆式起重机设计过程中，为了保证从动回转桅杆顶部滑轮组转动顺畅，与主动回转的回转底盘臂架延时符合要求，变幅钢丝绳与滑轮夹角小于3°。布置变幅滑轮组位置时，滑轮轴与吊机回转中心垂直距离不小于回转轴承滚道名义直径的0.4倍。在实际设计工作中，由于考虑到钢丝绳寿命；臂架安放于搁架拖航工况时，钢丝绳垂挡和桅杆顶部滑轮组周围平台不干涉情况，建议取L=0.5D，可以有效保障整机回转工况顺利进行。