一种新型的滑轮试验装置及其工作原理

赵 瑛 顾玉婷 周 侃

上海振华重工(集团)股份有限公司

1 引言

滑轮是起重机中必不可少的重要零部件，用以支撑钢丝绳、改变钢丝绳的走向、平衡钢丝绳分支的拉力，同时可以组成滑轮组以实现省力或增速。

近年来，随着海工市场的复苏，越来越多的重大海工项目相继投入市场，特别是海上风电平台项目，使得大吨位重型海上起重机的需求越来越大。大吨位起重机所配备的滑轮，已超出了原有设计手册的规定标准，需通过特种设备来检测其安全性和可靠性。本文介绍的滑轮试验装置，基于龙源振华六号海上风电安装平台上的2 500 t风电安装起重机滑轮而进行设计试验。

2 滑轮试验的需求和验证要求

2.1 试验需求

滑轮作为可拆卸的起重机重要零部件，其安全性和可靠性都要经过国家相关检验部门或者相关船级社的现场试验见证并颁证后才能使用。滑轮的主要尺寸是滑轮直径D、轮毂宽度B和绳槽半径r(见图1)。其中，滑轮直径D≥ed，e为滑轮与钢丝绳直径比系数，与机构工作级别和钢丝绳结构有关，d为钢丝绳直径。根据《起重机设计手册》，一般起重机的钢丝绳直径d最大为58～60.5 mm[1]。

图1 滑轮典型结构图

龙源振华2 500 t风电安装起重机吊载能力为主钩2 500 t，主钩倍率为32，主钩钢丝绳的绳径为62 mm，超出了《起重机设计手册》规定的最大绳径范围，而大绳径所对应的滑轮也随之增大，必须对这些大型滑轮进行安全性和可靠性方面的试验，以验证其是否可靠耐用。但是传统的滑轮试验台已经不能满足滑轮试验的要求，需要用一种新型滑轮试验装置来进行试验。

滑轮型式一般分为铸造滑轮、焊接滑轮、尼龙滑轮、双幅板压制滑轮等型式[2]。传统的海工项目中的滑轮型式多采用锻造加焊接形式或者铸造滑轮，而龙源振华2 500 t风电安装起重机中的滑轮创新地采用了冷轧薄壁重载滑轮(见图2)，绳槽经淬火硬度可达HRC55左右，抗磨损，可终身不更换。为了确保这种新型的滑轮的安全使用，在使用前就必须验证其强度和寿命方面的安全可靠。

图2 冷轧薄壁重载滑轮

2.2 验证要求

2.2.1 强度验证

对于大尺寸焊接滑轮，在设计时必须对其进行理论上的强度验算。以龙源振华2 500 t风电安装起重机上的∅62 mm的滑轮为例，当给滑轮施加了260 t的拉力，偏角为5°时，通过有限元分析可以得出，最大应力出现在轮辐上的筋板和轮毂的交界处，即标识MX处(见图3)，此处为滑轮最容易出现变形的地方，也是滑轮试验后需要着重检查的地方。

图3 有限元应力计算分析

滑轮的安全性主要从强度方面进行约束和限制，按照船级社规范中关于可拆卸零部件的相关规定，根据滑轮的属性和功能，对照其所需要的验证负荷以验证其安全性(见表1)。此外，加载在滑轮上的力还要考虑其方向性，此处有径向力和轴向力[3]。

表1 船级社规定的可拆卸零部件的验证负荷

在起重机行业中，通常将钢丝绳的偏角限度在5°以内。如果绕过滑轮的钢丝绳呈零度角度布置，此时设定钢丝绳额定拉力为P，则作用在滑轮上的径向力为2Pcos5°，作用在滑轮上的轴向力为2Psin5°。

而当滑轮在进行拉力试验时，设定滑轮为多饼滑车且SWL≤245 kN，则作用在滑轮上的钢丝绳拉力为2P，相应的，作用在滑轮上的径向力为4Pcos5°，作用在滑轮上的轴向力为4Psin5°(见图4)。

图4 滑轮拉力试验方案

2.2.2 寿命验证

滑轮的可靠性主要从寿命上对其进行验证。根据F.E.M(欧洲起重机械设计规范)中工作级别的规定(见表2)，T5等级下最大使用时间为6 300 h，重型起重机械的利用等级一般在T5以下[4]。设定滑轮工作转速为n(r/min)，试验时间为ti(h)，则滑轮须验证的运转循环为60tin转。

表2 欧洲起重机械设计规范中规定的利用等级

3 滑轮试验装置的组成及工作原理

3.1 试验装置的组成

滑轮试验装置由驱动端、从动端、中间段及其附件组成(见图5)。其中，驱动端包含驱动机构和驱动端滑轮；中间段包含中间桁架、推力油缸；件7为从动端；附件包括钢丝绳、钢丝绳总跟及行程限位等。

1.驱动机构 2.驱动端滑轮 3.钢丝绳 4.中间桁架 5.钢丝绳总跟 6.推力油缸 7.从动端滑轮图5 滑轮试验台组成

3.2 工作原理

试验开始前，驱动端滑轮和从动端滑轮偏斜布置，和中间桁架中心线呈5°角，满足钢丝绳正常缠绕最大5°偏角要求。试验时，驱动端滑轮逆时针运动，钢丝绳总跟由从动端运行至驱动端(不得过滑轮)。而后，驱动机构改向，钢丝绳总跟再由驱动端运行至从动端(不得过滑轮)。至此，试验台完成一次循环。

钢丝绳总跟每次循环中的起始位置和终止位置，通过行程限位控制，钢丝绳总跟触碰到限位开关后，限位开关发信号给PLC，PLC控制驱动机构进行方向切换。

试验中，钢丝绳张力通过推力油缸进行控制，从动端滑轮装配布置在可以纵向滑动的框架内，在推力油缸和钢丝绳的作用下，沿桁架中心线做纵向运动。

设定单侧钢丝绳长度为L，试验钢丝绳拉力为2P，滑轮直径为D，传递到滑轮上转速为n驱，桁架截面面积为A，截面惯性矩为I；则试验台工作时，需满足以下条件：

(1)桁架正应力：σ=4P/A≤[σ]。

(2)桁架长细比：λ=L/sqrt(I/A)≤[λ]。

(3)工作台每循环行程：2L。

(4)工作台每循环相对于滑轮循环次数：2L/(3.14D)。

(5)工作台每循环时间：2L/(3.14Dn驱)。

此时，设定LS为滑轮额定最小载荷，LL为滑轮额定最大载荷，i为载荷序号，F为所选用的载荷值，F′为载荷比率，n(r/min)为滑轮转速，t(h)为载荷对应载荷谱的所占时间，w为滑轮循环次数，Km为载荷谱系数。

选取4种载荷谱，确定所对应的的载荷值，根据F.E.M规范，验证载荷谱系数在0.25～0.5之间(见表3)。如果载荷谱系数在区间内，则证明所取用的载荷谱合理；反之则再次选取，直至载荷谱系数在范围内，再根据所选取载荷进行试验。

表3 不同载荷对应的试验台试验时间

4 实际应用

以龙源振华2 500 t风电安装起重机的主钩缠绕中的臂架改向滑轮为例，该滑轮直径为62 mm，单侧钢丝绳长度为15 m，属于单饼滑车，钢丝绳的额定负荷为115 t，查表1经计算得出强度试验时，作用在试验滑轮上的钢丝绳拉力为300 t。主钩的工作级别为T3，查表2得出滑轮的最大使用时间为1 600 h。

正式开始试验前，先将装置中的驱动端和从动端的2个待试验滑轮设置为与桁架中心线呈5°角布置(见图6)。然后启动驱动端的电机，调节推力油缸给钢丝绳施加300 t的拉力，先进行强度试验。按照CCS规范要求，验证时间不少于5 min，实际验证时间为10 min。

图6 驱动端和从动端滑轮布置

强度验证完成后，再进行滑轮的寿命验证。经计算滑轮额定最小载荷LS为18.4 t，额定最大载荷LL为242 t，根据表4的载荷谱确定载荷值，此时设定滑轮转速为7.25 r/min，驱动端传递的转速为750 r/min，选取所占时间为320 h和640 h。此时，可以根据表3得出载荷谱系数Km为0.275，在0.25～0.5的范围内，则证明选取的载荷谱数值合理，可以继续计算每次载荷所对应的试验台试验时间，最后根据表4中的4组载荷数据分别进行4组试验。

表4 实际试验中载荷值和试验时间

4组载荷试验都完成以后，即寿命验证完成，将滑轮从试验台上拆下，根据CCS规范对滑轮进行全面检查，不允许存在残余变形、裂纹或者其他缺陷。检查合格后，整个滑轮试验结束。

5 与传统试验台的对比分析

传统的滑轮试验台是做成两片式，即主动端和从动端分开，分别用拉力油缸固定，拉力油缸锚定在固定的水泥地基上。如果用传统的设备来对龙源振华2 500 t风电安装起重机上的大型滑轮进行试验，由于实验时滑轮所受的拉力巨大，会导致浇铸于试验台上的水泥地基整体拉碎或者拉飞等危险状况出现，极具安全隐患。此外，传统的试验台对地基要求严格，适用性差，不适合移动使用，成本也较高。

而本文所述的滑轮试验台，工作时只需将横向2个端面用挡块固定即可，无须其他额外装备配合。和传统的试验台相比，此种新型的滑轮试验台可以不受地基限制，设备所受拉力均为内力，安全性大大提高；其次，新型试验台移动方便，对场地的适应性强，综合成本也低。

6 结语

随着起重机技术的推陈出新和设备的更新换代，必然需要相应的技术对其安全性进行支持。新型滑轮试验台已经成功为多种大型、新型滑轮进行了强度和可靠性试验，为大型和新型滑轮的安全使用提供了重要的技术支持，适合在行业中推广和普及，也为起重机技术的发展提供了有力支持。