起重机钢丝绳与卷筒的匹配分析

王金刚，李新凯

（河南卫华重型机械股份有限公司，河南新乡 453400）

0 引言

起重机工作时，重物通过钢丝绳将钢丝拉力传递给卷筒，重物升降过程中，卷筒还需将钢丝绳整齐地排列在卷筒绳槽中，卷筒与钢丝绳的匹配状况决定了起重机使用性能的好坏。起重机使用频率高、起升高度大时，钢丝绳在卷筒的绕绳速度非常快，卷筒容绳量也会特别大。钢丝绳在多层卷筒且绳速非常快的工况下，钢丝绳磨损的加快导致起重机意外损坏的可能性增加，造成项目误工、停工将带来巨大的经济损失。卷筒绳槽类型的选择和绳槽节距的设计，卷筒上钢丝绳中心相对卷筒绳槽中心偏角大小的设计，钢丝绳结构类型的选择，多层缠绕时挡环引导绳槽的设计，卷筒绳圈间过渡形式等钢丝绳与卷筒匹配等诸多问题需特别注意。

1 钢丝绳卷绕中常见问题及解决措施

当起升高度超过GB/T 790—1995 电动桥式起重机跨度和起升高度系列标准范围时，起升卷筒要特殊考虑。起升高度特别大时，会造成钢丝绳进出卷筒和滑轮时与绳槽间的偏斜角增大，加快钢丝绳的磨损，导致滑轮或卷筒绳槽的破坏，甚至引起钢丝绳跳槽。常用的螺旋槽卷筒方案在多层卷绕时，钢丝绳乱绳现象特别明显，钢丝绳磨损严重，钢丝绳使用寿命大大缩短。卷筒与钢丝配匹配问题对应措施:

（1）增加卷筒钢丝绳容绳量。简单增大卷筒直径或长度，将会导致起重机尺寸过大。随意加长卷筒长度，还可能导致钢丝绳偏角增大，钢丝绳出入滑轮的偏角≤5°,钢丝绳进出卷筒的偏角应≤3.5°。偏角过大还可能导致绳槽的破坏、跳槽等问题，通常此方案适合起升高度增加不多的情况。

（2）双层卷绕。钢丝绳固定在卷筒中间，绳由中间向两侧缠绕。由于卷筒端部设置有挡环和钢丝绳爬绳导向装置，钢丝绳缠绕到卷筒端部时，由于钢丝绳偏斜力的水平分力指向卷筒中间，因为卷筒挡环的阻挡，钢丝绳第二层向卷筒中间缠绕。钢丝绳的卷筒绳槽偏角≤3°，否则很可能致使第二层钢丝绳排列混乱，钢丝绳在卷筒中部堆集。此方案多于不频繁使用的水电站启闭机等场合。

（3）钢丝绳多层卷绕时在卷筒中间堆集。钢丝绳第二层爬升过程中无导向装置，钢丝绳偏角设计不合理，所选钢丝绳旋向错误，使用过程中钢丝绳捻力无法释放，容易松散打结。解决这些问题，可采取以下措施:①合理加装排绳器。排绳器种类结构形式较多，要根据设计方案合理加装排绳器，避免画蛇添足，因为增加排绳器容易出现钢丝绳频繁卡死现象；②卷筒绳槽设计为不易乱绳的平行折线绳槽，在卷筒端部挡环上设置便于钢绳爬升到第二层的装置[1]，为了使钢绳对卷筒的偏角≤3°，应合理设计卷筒长度和卷筒直径。

（4）卷筒作业时产生的轴向力导致卷筒轴向窜动，卷筒加工直径误差大或钢绳缠绕不对称，卷筒上钢丝绳偏角不同产生的水平分力无法抵消轴向力；由于起升高度大，钢丝下降过程中吊点两侧钢丝绳弹性变形量不同导致吊具不水平，产生轴向力。对此，可采取以下措施:卷筒上钢绳缠绕量安装时尽量保持对称；大起升高度起重机使用一段时间后检查卷筒两侧钢丝绳缠绕长度是否一致，不能发生吊具倾斜造成卷筒单边受力过大；起升高度特别大时，钢丝绳出厂前进行预拉伸处理，将钢丝绳弹性变形量降到最小。

2 钢丝绳的选择

2.1 选择合适的高强度钢丝绳

保证安全的情况下，采用经过特殊设计和生产的高强度钢丝绳，可有效减小钢丝绳直径，满足钢丝绳、卷筒的绳径比。通过减小滑轮和卷筒的尺寸、卷筒和减速箱的尺寸提高卷筒容绳量。高强度钢丝绳有较长的使用寿命，较短的误工期和较低的维护成本，可降低用户使用总成本，提高产品竞争力。

2.2 钢丝绳结构型式的选择

正确选择钢丝绳非常重要。钢丝绳选择不当会缩短钢丝绳的使用寿命，引起钢丝绳结构的变化，如产生鸟笼现象、滑轮和载荷旋转现象等。

钢丝绳由于绳芯材料、绕制方法、钢丝接触状态和绳股断面形状不同，导致使用效果差别大。非旋转钢丝绳和旋转钢丝绳的适用条件:非旋转型钢丝绳适用于提升高度大的多滑轮系统和单索提升系统。旋转钢型丝绳适用于提升高度小和多滑轮系统左、右旋钢丝绳配对的提升系统。非旋转的钢丝绳应和应力释放器一起使用，而旋转的钢丝绳不能和应力释放器一起使用。

2.3 钢丝绳最佳捻向的选择

图1 为钢丝绳捻向示意。提升绳在受载荷的情况下都会产生扭矩（图2），此扭矩由钢丝绳的构造（捻距长度，捻层类型和方向）以及拉力决定，扭矩的作用是造成钢丝绳松散。

使用相同捻向的两根钢丝绳，其旋转将使两根绳子在卷筒上移动，明显的是在卷筒的左端钢丝绳将尽可能地远离前一圈[3]。

因为钢丝绳扭矩和卷筒螺旋绳槽的作用，右侧钢丝绳排列的紧密，左侧钢丝绳排列松散。不同旋向钢丝绳和卷筒绳槽的配合，会使钢丝绳在使用中出现不同的效果。

这种原则尤其适用于平滑卷筒和多层缠绕的情况下。对于单层缠绕的有绳槽的卷筒，此种应用并不一定采用，原因在于绳槽会把绳子向正确的位置驱动。基于对钢丝绳使用寿命产生的积极效果，应提倡使用对称（左旋和右旋捻向）的钢丝绳。左旋的钢丝绳适用于右旋的卷筒，右旋的钢丝绳适用于左旋的卷筒。

图1 钢丝绳捻向

图2 钢丝绳在卷筒上的扭矩

3 平行折线卷筒的应用

德国利巴斯公司于20 世纪60 年代发明了平行折线卷筒，又称双折线绳槽卷筒，多年实际使用证明，这种特殊绳槽结构的卷筒，能解决多层卷绕难题。

采用传统单层螺线绳槽缠绕的卷筒已能满足超高起升高度起重机的使用要求，平行折线绳槽卷筒的多年实践及现场使用效果证明，这种特殊绳槽结构的卷筒，能很好地解决多层卷绕的诸多难题，还可以省去排绳装置，起升机构尺寸无需增大太多，在空间尺寸有限制的场合更适合使用平行折线卷筒。

图3 平行折线卷筒结构

平行折线卷筒和普通卷筒的最大区别在于绳槽的结构形式，如图3 所示，平行折线卷筒每圈绳槽由2 段平行绳槽和2段螺旋绳槽组成。常规起重机用的卷筒多为螺线型绳槽或光面无绳槽卷筒。折线卷筒有2 个过渡的折线绳槽，其余都是平行于卷筒径向的直线绳槽（每圈绳槽，平行绳槽占2/3，过渡折线绳槽占1/3），每段折线绳槽恰好跨越1/2 绳槽节距，2段折线绳槽使钢丝绳缠绕一周跨越一个绳槽节距[4]。当钢丝绳在第一层缠绕完后，绳圈之间的间隙形成了与卷筒绳槽相同的平行折线槽型，第二层、第三层……钢丝绳就可以在每层平行折线绳槽上整齐地排列，避免了乱绳现象。平行折线卷筒还有一个特点，其卷筒端部法兰底部设计有钢丝绳引导爬升装置，可以保证钢丝绳整齐平稳地爬升到上一层，继续在下一层有序排列。

国内起重机企业从德国引进利巴斯卷筒，消化吸收后进行改进。其中对折线卷筒挡环结构进行的改进，是在平行折线卷筒挡环上增加引导绳槽，保证钢丝绳在卷筒各层过渡时整齐有序地排列，不会出现普通卷筒多层缠绕的乱绳现象，避免了传统螺旋型绳槽卷筒多层缠绕时的诸多问题。折线卷筒多层缠绕大大增加了钢丝绳的容绳量，解决了大起升高度起重机使用中的诸多技术难题。减小了起升机构的尺寸，便于起升机构减速机的选型，不必担心卷筒直径增大过多，造成减速机中心距不够。减速机无需增大就可以解决大起升高度起升机构的布置问题，保证起重机整车成本可以控制在合理范围。

4 结语

起重机工作时卷筒与钢丝绳相互影响，设计选型卷筒与钢丝绳的匹配需要注意:①卷筒绳槽类型的选择和绳槽节距的设计是否合理；②多层缠绕时挡环引导绳槽的设计是否合理；③卷筒绳圈间过渡形式；④卷筒上钢丝绳中心相对卷筒绳槽中心偏角的大小；⑤钢丝绳结构类型的选择。结合理论分析与实践经验，合理选择钢丝绳和卷筒，可以提高起重机的使用性能，消除安全隐患。