八绳防摇钢丝绳缠绕系统基于进出绳角度的优化设计

杨晓杰

摘 要：钢丝绳缠绕系统是集装箱起重机中的重要部件，钢丝绳经过滑轮时的进出绳角度过大是造成钢丝绳早期磨损的主要原因之一，钢丝绳损伤后，不但影响正常生产，造成安全隐患，同时也提高企业的维修成本。本文就以如何控制钢丝绳进出绳角度为中心，对如何合理设计钢丝绳缠绕机构滑轮位置展开讨论。

关键词：钢丝绳缠绕系统;滑轮位置;进出绳角度

集装箱运输是铁路货物运输的重要方式和发展方向。铁路车站装卸集装箱所采用的起重机，其性能优劣对确保集装箱运输安全、提高铁路运输效率至关重要。起重机起升机构的钢丝绳在经过滑轮、卷筒时，必然存在一定的出绳角度问题，偏斜角必须控制在一定范围内。

钢丝绳绕进和绕出卷筒或滑轮时的偏斜角是指起重机起升机构中的卷筒在卷取或释放钢丝绳的过程中，或钢丝绳经过滑轮的过程中，卷筒上钢丝绳端与卷筒螺旋槽中心线的夹角或钢丝绳进入滑轮时与滑轮绳槽的夹角。起重机设计规范（GB/T3811-2008）中规定钢丝绳偏离绳槽中心线两侧的角度不应大于3.5°。若偏角过大，钢丝绳不可避免地会与滑轮、卷筒的槽边相互磨损，且偏角越大造成的磨损越严重，极大地影响钢丝绳的使用寿命。钢丝绳的损坏会导致严重的后果，造成伤害事故或重大险情，给国家和人民带来重大的损失。所以钢丝绳既是起重机械的重要零件之一，也是保证起重作业安全的关键环节。实践证明，许多情况下的钢丝绳早期破坏是由于受到摩擦或挤压造成的。所以在设计起重机钢丝绳缠绕系统时，设计者需要严格控制该夹角的大小。

1八绳防摇机构的钢丝绳缠绕系统

起重机现有防摇装置一般分为几类：力矩电机加辅助钢丝绳防摇、八绳防摇、十六绳防摇以及电气防摇等。根据近年来集装箱专用起重机的具体使用情况发现，在不显著增加设备采购成本的前提下，八绳防摇是最稳定有效的防摇方式。

八绳防摇机构的主要原理是在起重机大车、小车两个行走方向形成空间倒三角形，在起升、下降的同时通过钢丝绳的水平分力实现双向防摇。如图1所示，八根钢丝绳缠绕在卷筒上，下面用连接器连接在吊具上架上。八绳防摇机构共有12个滑轮组，分别为8个垂直滑轮组，2个水平滑轮组，2个倾斜滑轮组。

2钢丝绳进入滑轮偏角的计算

D——卷筒直径

H——起重机起升高度

L——钢丝绳绕出卷筒至绕进滑轮的切线距离

n——吊具在极限位置时钢丝绳的使用圈数

p——卷筒绳槽节距

X——吊具起升时卷筒出绳端的水平位移距离

如图2所示，钢丝绳绕进滑轮时的偏斜角α=arctan

其中X=p×n

n的最大值为吊具达到起升高度要求时所需的钢丝绳圈数即

当设计者在设计钢丝绳缠绕系统时，针对具体的集装箱起重机，以上公式中的H是一个确定的数值，既起升高度。在实际应用中，根据集装箱起重机要求的额定起重量和吊具及上架自重，钢丝绳的型号可根据下列计算过程得出的最小破断拉力在手册中选出，选出型号后钢丝绳的直径d即为定数。

钢丝绳的最小破断拉力

m ——由集装箱起重机工作等级决定的安全系数。

——钢丝绳最大静拉力。

——集装箱起重机起升荷载。

a ——滑轮组的倍率。

η——钢丝绳传送效率。

卷筒绳槽节距p=d+i（10mm≦d≦20mm时，i=2mm;21mm≦d≦27mm时，i=3mm……）

3实际应用

集装箱起重机八绳防摇机构的钢丝绳缠绕系统中共有三种滑轮组，分别如图3、图4、图5所示。

由上图可以看出，不同的滑轮组，钢丝绳绕出卷筒至绕进滑轮的切线距离即L值也不同。设计者在设计钢丝绳缠绕系统时应该对不同滑轮组产生的钢丝绳进出绳角度分别验算。

根据钢丝绳绕进滑轮偏斜角的计算公式可以得出，在起升高度H为定数，钢丝绳选定后卷筒绳槽节距为定数的情况下。可以通过以下几种方式控制钢丝绳绕进滑轮的偏角：

3.1增加卷筒直径D，根据公式，当卷筒的直径D增大，则吊具达到要求起升高度时所需的钢丝绳圈数n则相应变小，吊具起升时卷筒出绳端的水平位移距离X变小，钢丝绳绕进滑轮时的偏角α=arctan自然可以受到控制。

3.2增大滑轮组与卷筒之间的直线距离，如图3、图4、图5所示，三种滑轮组，无论是哪一种，增大滑轮组与卷筒之间的直线距离，自然可以使钢丝绳绕出卷筒到绕进滑轮的切线长度即L值增大，根据α=arctan，钢丝绳绕进滑轮时的偏角α便可以减小。

3.3改变滑轮组的安装位置，对于钢丝绳圈数n，最极端的情况是，滑轮组安装的位置对应吊具在最高点或最低点时卷筒的出绳槽，此时所需的钢丝绳圈数n则为最大值;但如果调整滑轮组的安装位置，使其对应所需钢丝绳圈数的中间绳槽，例如：某额定起重量40.5t、起升高度12.2米的集装箱起重机，根据，经计算所需钢丝绳圈数为4圈。调整滑轮组安装位置对应第二个绳槽，此时所需最大钢丝绳圈数为2圈，减小了公式α=arctan中的X值，控制了钢丝绳绕进滑轮时的偏角α。

针对以上三种方法分别分析：

3.3.1增大卷筒直径是直接有效的，但是受制于集装箱起重机起升速度的限制，卷筒直径太大会使相应的减速机减速比增大。过大的卷筒直径和大速比的减速机都会增加小车的外形尺寸，增加了起重机自重的同时，也会增加减速机的采购成本，所以卷筒直径需在经济可行的前提下选择合理的数值。

3.3.2增大卷筒与滑轮组之间的直线距离，也是直接有效的方法，但是该尺寸不能过大，否则八绳防摇的倒三角的角度过大，使得钢丝绳与卷筒上已经缠绕好的相邻的钢丝绳造成干涉，最终磨损钢丝绳，减少钢丝绳的使用寿命。

3.3.3改变滑轮组的安装位置，使其对应所需钢丝绳总圈数的中间，可有效的减少极限位置产生的钢丝绳移动圈数，从而控制钢丝绳进入滑轮偏角的大小。此种方法既不会增加集装箱起重机的设计成本，也不会影响八绳防摇系统的工作效果，是即可简单实现又有效果的方法。

4结束语

本文从介绍集装箱起重机八绳防摇钢丝绳缠绕系统入手，详细研究钢丝绳绕进滑轮时的入绳偏角的计算过程，推导出计算公式。设计者可以据此公式很快的验算出某个集装箱起重机的钢丝绳进入滑轮时的最大偏角是否超出设计规范的要求。如果验算结果超出范围，可以适当调整滑轮组的安装位置，重新验算，知道偏角大小符合设计规范要求為止。此种方法便捷有效，既不增加设计成本，也不会造成八绳防摇系统的倒三角角度过大引起的钢丝绳磨损。

参考文献：

[1]GB/T 3811-2008.起重机设计规范[S].

[2]雷宽成，李金华.钢丝绳经过滑轮时允许偏角的计算分析[J].河南石油，1998，12（5）：38-40

[3]张质文，虞和谦，王金诺等，起重机设计手册[M].北京：铁道出版社，2008

（中铁工业山桥集团，河北 秦皇岛 066200）