船用吊机用树脂衬垫式滑轮的研究

江 辉，张 雷，杨 智，郑京凤

（1. 武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084；2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

船用吊机（shipboard c rane），又称克令吊、甲板吊机（deck crane）或船用起重机（marine crane），是指一种安装在船舶上，用于在港口条件下或遮蔽水域进行装卸货物和集装箱的起重机，可使用在包括普通货船、散货船、集装箱船以及各类特种运输船舶上进行有效和安全地装卸货物[1]。船用吊机作为船舶装卸货物的重要工具之一，随着安装船舶来往于全球主要航线和各大港口。

图1 船用吊机（示例）

滑轮是船用吊机能够正常工作的一种重要零部件之一，是船用吊机上可卸零部件的重要组成部分。船用吊机工作原理正是在船用吊机上各个不同相应位置设置的滑轮或滑轮组，在通过钢丝绳在滑轮间的穿绳绕绳配合来实现力的传送，通过吊机上绞车 对钢丝绳的收绳和放绳，来实现船用吊机的货物升降和臂架的变幅动作。目前，主流的船用吊机上用的滑轮或滑轮组仍然是整体钢制滑轮为主，但是钢制滑轮普遍有重量较重、磨损钢丝绳、更换不易、维护不便等缺点。也有少部分轻型船用吊机上采用了非钢制材质滑轮，如整体树脂滑轮等。本文通过分析船用吊机滑轮的工作特点，通过船用吊机用树脂衬垫式滑轮构成设计和其与传统滑轮传统的对比，提出并阐述分析船用吊机用树脂衬垫式滑轮的性能和特点，并简述了通过试验验证船用吊机用树脂衬垫式滑轮的性能过程和结果。

1 传统整体式钢制滑轮和树脂滑轮的分析

船用吊机的滑轮属于起重机械用滑轮[2]，目前主流的船用吊机上用的滑轮仍然是以整体钢制滑轮为主。见图2。

钢制滑轮具有以下优点：1）由于滑轮本体材质为铸钢或锻钢件，因此滑轮的强度较好；2）滑轮绳槽可铸锻成型或机加工成型，尺寸可控，绳槽可热处理加强硬度，因此滑轮绳槽耐磨损。

但是钢制滑轮缺点也较明显：因材质缘故钢制滑轮较重；由于钢制滑轮绳槽较硬，因此吊机工作是钢丝绳与滑轮接触优先磨损钢丝绳，因此对钢丝绳疲劳寿命影响较大。

图2 传统钢制滑轮示例

目前也有少部分轻型船用吊机上采用整体树脂滑轮，见图3。

整体式树脂滑轮同钢制滑轮相比，因为使用了树脂这一比较柔性和弹性的滑轮材质，因此具备一些钢制滑轮没有的优点。首先树脂滑轮自身重量比较轻；其次树脂滑轮制造可通过模具吹塑等方法制造，易成型；由于树脂滑轮绳槽硬度较低，工作时钢丝绳将优先磨损树脂滑轮绳槽面，随时间绳槽接触面积变大，接触面压力减小，能够延长钢丝绳的疲劳寿命。由于具有这些钢制滑轮没有的特点，因此树脂滑轮主要使用在工程车辆起重机、行车、立体停车场等处。

图3 整体式树脂滑轮示意

但是相对钢制滑轮而言，树脂整体滑轮并没有成为船用吊机上大规模使用为主流滑轮产品，主要原因有：

1）树脂整体滑轮的整体刚度和强度不够，树脂材料的特性决定了无法在机械性能上与钢制滑轮相匹敌，过程中如使用不当易出现滑轮本体损坏；

2）使用树脂滑轮虽然能够延长钢丝绳的疲劳寿命，但是同钢制滑轮相比树脂滑轮的绳槽将会磨损得比较快，意味着已磨损的树脂滑轮必须要经常更换；

3）船用吊机是安装在克令吊基柱上的，因此在更换滑轮时需要搭建脚手架或台架，需在高处进行大规模高空更换作业。因此从维修的便利性看，不管是钢制滑轮还是树脂滑轮，使用整体式滑轮时，更换作业均并不容易。只不过钢制滑轮刚性好强度高磨损低，因此更换周期更长，维护成本更低。见图4。

图4 船用吊机更换滑轮作业示例

2 船用吊机用树脂衬垫式滑轮的构成

为了使船用吊机的滑轮既能兼顾原有整体钢制滑轮的刚性特点，又具备树脂滑轮柔性优点，同时又能使滑轮的更换维护作业变得更为容易便捷，本次论文研究了一种船用吊机用树脂衬垫式滑轮。船用吊机用树脂衬垫式滑轮构造示例请见图5。

请注意，本文中树脂衬垫式滑轮的图片仅供做示例参考使用，因滑轮制造商的不同，树脂衬垫式滑轮产品的构造形式、外观等可能皆不相同。

船用吊机用树脂衬垫式滑轮上的树脂衬垫示例见图6。树脂衬垫的安装方式请见图7。

图5 树脂衬垫式滑轮示例

图6 树脂衬垫示例

图7 树脂衬垫安装方式示例

船用吊机用树脂衬垫式滑轮的构造见表1，构造有如下特点：

1）因树脂衬垫式滑轮同钢丝绳接触的绳槽部分安装了树脂衬垫，因此使用该滑轮的船用吊机的钢丝绳疲劳寿命理论上可以与使用整体式树脂滑轮的船用吊机的钢丝绳疲劳寿命相同。

表1 树脂衬垫式滑轮零部件构成

2）树脂衬垫式滑轮的支撑基础为零件，滑轮本体（钢制）具有与原来整体钢制滑轮相同的强度。此外，因为树脂衬垫滑轮在滑轮本体钢制部分的树脂衬垫安装面设计成为与原来的钢制滑轮具有一样尺寸的滑轮绳槽，因此在一定的特殊应急情况下，本身也可以作为钢制滑轮使用。

注意滑轮本体（钢制）的绳槽部分尺寸需实行高精度的机加工，不能采用常规滑轮的铸锻成型。只有这样钢丝绳的接触压力才能通过树脂衬垫更好地传递到滑轮本体上。否则如果树脂衬垫只是覆盖了钢制滑轮的绳槽构造。

3）当树脂衬垫使用一段时间磨损后，只需要拆卸螺栓等紧固件再重新更换一个新的树脂衬垫部件进行替换即可；由于是树脂衬垫本身很轻，因此维修更换起来非常容易方便。

3 滑轮比较分析

为了能够更直观了解树脂衬垫式滑轮构造特性，将文中的3 种滑轮的优缺点比较分析，见表2。

表2 钢制滑轮、整体式树脂滑轮、树脂衬垫式滑轮对比

4 树脂衬垫式滑轮的钢丝绳疲劳寿命试验

为了验证树脂衬垫式滑轮具有减轻钢丝绳接触面压力并延长钢丝绳疲劳寿命的效果，对用整体钢制滑轮条件和用树脂衬垫式滑轮条件下的钢丝绳，分别进行了钢丝绳弯曲疲劳试验对比。试验条件见表3。

试验结果统计见图7，试验现场示例见图8。（注：本试验数据仅供参考，不代表实际使用情况）

表3 钢丝绳弯曲疲劳试验条件

图7 试验结果统计

图8 试验现场示例

参考合作单位提供的相关试验数据统计，使用树脂衬垫式滑轮的钢丝绳疲劳寿命可能会比相同条件的钢制滑轮的钢丝绳疲劳寿命延长3 倍以上。

5 树脂衬垫式滑轮的强度试验

为了验证树脂衬垫式滑轮具有同整体钢制滑轮同等的强度，能够满足船用吊机日常工作的载荷需求，采用同整体钢制滑轮相同的拉伸试验负载条件，对树脂衬垫式滑轮进行强度试验。

试验现场示例见图9。试验后树脂衬垫见图10。试验条件和试验结果见表4。（注：本试验数据仅供参考，不代表实际使用情况）。

参考合作单位提供的相关试验数据，树脂衬垫式滑轮强度是能够满足船用吊机日常工作使用的强度要求。

图9 试验现场示例

图10 试验后树脂衬垫示例

表4 滑轮强度试验条件和试验结果要求

6 树脂衬垫式滑轮的使用维护

整体钢制滑轮虽磨损较慢，但年时间久了也需要更换，因滑轮较重，维修更换不便；整体式树脂滑轮在树脂磨损后，也必须更换滑轮本体，维修更换也不便捷。整体式树脂滑轮实船使用见图11。

图14 吊机上的整体式树脂滑轮示例

树脂衬垫式滑轮日常维护与其他滑轮一样涂刷加钢丝绳润滑油脂即可；树脂衬垫式滑轮在树脂磨损后，用螺栓进行拆卸和安装，只要更换树脂衬垫这一个部件就可以。因树脂衬垫很轻，所以操作安全维修方面比较容易。特殊情况下，树脂衬垫式滑轮本体钢制部分也可以作为钢制滑轮使用。树脂衬垫式滑轮在船用吊机上实船使用参考见图12。

图12 吊机上树脂衬垫式滑轮示例

7 结论

本文研究了一种船用吊机用树脂衬垫式滑轮，并对通过相应滑轮构成分析和与传统滑轮的性能对比，阐述了该种船用吊机用树脂衬垫式滑轮的性能和特点，并简述了其相应试验验证过程和结果。作为一种新型的滑轮形式，船用吊机用树脂衬垫式滑轮具有重量轻、强度高、钢丝绳寿命长、更换维修方便安全等特点，甚至可以推广应用到其他一些相关的起重工程领域进行应用，因此它具有更广泛的用途和广阔的市场前景。但是目前船用吊机用树脂衬垫式滑轮在实际实船运用的情况仍然非常少，未得到大幅推广使用。望该种滑轮能够有更多的实船应用的同时，也能对船用吊机滑轮的设计和使用维护提供一种新的解决思路与办法。