新型起重机用可变阻尼钢丝绳扭转力释放装置

韩中成 谢宛朋 肖利涛 吴作价

青岛海西重机有限责任公司技术中心 青岛 266530

0 引言

钢丝绳作为起重机的重要组成部分，需具有较高的破断拉力和良好的阻旋转性能，主要考虑钢丝绳的阻旋转性能以避免吊装过程中钢丝绳产生旋转。起重机在吊装风电/石油炼化设备时作业高度达百米，当钢丝绳多倍率、轻负荷或空载时，阻旋转钢丝绳偶尔会出现扭绞的状况，使钢丝绳无法上下运行，现场操作工人往往需要通过摆正吊钩滑车的方法临时解决问题，或采用给钢丝绳懈劲的方法进行调整[1]。阻旋转钢丝绳绳由若干根钢丝螺旋捻制而成，钢丝绳自身必然会存在着扭矩，且钢丝绳在生产过程中捻制应力不可能完全消除，虽然阻旋转钢丝绳自身产生的扭矩较小，但是阻旋转钢丝绳并非绝对意义上的不会发生旋转。对于自然悬挂状态下的钢丝绳，由于钢丝绳的自重，悬挂钢丝绳上端承受的拉力比下端大，随着悬挂钢丝绳的高度增加而增加的应力称为高度应力，因为钢丝绳的扭矩在长度方向上必须是恒定的，上端和下端固定不旋转的钢丝绳两端间会产生扭转［2］。并且不旋转钢丝绳价格较高，港口装卸起重机多采用可旋转钢丝绳。使用过程中，钢丝绳在收放过程中绳末端受到扭转力，长期往复作用如不能释放将影响钢丝绳使用寿命。通常行业内采用钢丝绳防转套解决该问题，但安装于钢丝绳末端和吊具之间的传统装置，由于旋转释放速度过快，造成了旋转力释放后由于旋转惯性力而产生进一步反向过渡旋转，形成了逆绳股方向的拆解力，可造成钢丝绳频繁发生散股现象。钢丝绳散股及绳芯外漏都属于钢丝绳报废的一种形式，继续使用将会造成极大的安全隐患[3]。过度旋转释放大大降低了钢丝绳的使用寿命及力学性能，多发生钢丝绳散股、断丝等损坏现象。日常工程中，首先将钢丝绳自由端打开(钢丝绳自由端一般采用快速索节或楔形接头连接)，根据现场钢丝绳捻向及扭绞方向进行调整，以右捻钢丝绳为例，右捻钢丝绳出现S 形(左向)扭绞1.5 圈，应沿着钢丝绳捻向相反的方向(懈劲)放3 圈；右捻钢丝绳出现Z 形(右向)扭绞1.5 圈，应沿着钢丝绳捻向相同的方向(加劲)上3 圈。而左捻钢丝绳出现上述扭绞现象，调整方向正好相反。然后再将钢丝绳重新安装，轻负荷运行后，视改善情况再做进一步调整，而过度调整容易造成钢丝绳的结构变形。

综合以上叙述，阻旋转钢丝绳在实际使用中亦不能避免工作中旋转，且阻旋转钢丝绳实际生产使用、采购成本均较贵。普通的旋转钢丝绳更应该考虑这一关键问题，合理地控制钢丝绳扭转力的释放及速度是目前亟待解决的问题。

为经济、合理地解决上述提及的问题，本文设计一种可变阻尼的钢丝绳扭转力释放装置，该装置安装于工作钢丝绳末端或中间部位，可以及时、稳定地释放绳子工作过程中产生的扭转作用力，简单、易行、可靠，改善了钢丝绳的工作时载荷状态，提高了钢丝绳的使用寿命和安全性。为起重机钢丝绳的形式提供了新的选择，可将价格较高的阻旋转钢丝绳更换为成本更低的普通钢丝绳。

1 方案设计

如图1 所示，新型起重机用可变阻尼的钢丝绳扭转力释放装置，包括上腔罩壳、下腔罩壳和上下腔连接组件及阻尼调节机构；上腔罩壳和下腔罩壳上下相对呈圆筒状，上腔罩壳和下腔罩壳通过上下腔连接组件相连，上腔罩壳和下腔罩壳用于连接钢丝绳端；阻尼调节机构安装于上腔罩壳内且位于上、下腔连接组件与上腔罩壳之间，用于调整钢丝绳扭力释放时的旋转速度。阻尼调节机构由旋转阻尼器、上支座、下支座等组成；上下腔连接组件由限位底盘、支撑连接环、阶梯连接轴等组成。

图1 新型装置示意图

上下腔连接组件包括阶梯连接轴和支撑连接环；支撑连接环嵌套在上腔罩壳内且支撑连接环上端与上腔罩壳上内壁抵接，支撑连接环周向侧壁与上腔罩壳周向侧壁通过定位销相互固定，阶梯连接轴嵌套支撑在支撑连接环内；阶梯连接轴从上往下的台阶段1、台阶段2、台阶段3、台阶段4 依次设置轴向受力轴承、径向受力轴承1 和径向受力轴承2；轴向受力轴承嵌套在阶梯连接轴的台阶段1 上且紧贴支撑连接环周向内壁；径向受力轴承1 嵌套在阶梯连接轴的台阶段2 上且紧贴轴向受力轴承；径向受力轴承1 的外周也是轴向受力轴承的下端设置有紧贴上腔罩壳周向内壁的轴承定位油路环；径向受力轴承1 和轴承定位油路环支撑于支撑连接环下内端壁上；径向受力轴承2 嵌套在阶梯连接轴的台阶段3上且紧贴支撑连接环的下外端壁，径向受力轴承2 的外周设置定位环，径向受力轴承2 和定位环的下端均与下腔罩壳上内壁抵接；阶梯连接轴的台阶段4 为螺纹端，与下腔罩壳周向内壁螺纹嵌套连接。

阻尼调节机构包括上下支座和设置在上下支座之间的旋转阻尼器，上支座为左右2 个盲底半圆槽状结构，左右2 个盲底半圆槽状结构之间通过弹性连接件连接，左右2 个盲底半圆槽状结构对应弹性连接件的两侧对称设置有与弹性连接件伸缩方向一致的腰形孔，左右2个盲底半圆槽状结构的外周中部配有与弹性连接件伸缩方向一致的一对呈对称设置的阻尼调整螺杆，阻尼调整螺杆从上腔罩壳外周壁对称穿入与上支座的左右2个盲底半圆槽状结构旋入相抵接，上支座通过在腰形孔中配以螺钉与上腔罩壳的顶部内壁固定，下支座相对上支座固定于阶梯连接轴的台阶段1 的顶部，旋转阻尼器位于上支座的左右2 个盲底半圆槽状结构的槽腔内，旋转阻尼器与左右2 个盲底半圆槽状结构的槽腔的配合面为锯齿结构，旋转阻尼器与下支座的上端为轴向防转孔轴连接。

下腔罩壳的周向外侧壁上均匀设置多个扳手插入六角孔1，阶梯连接轴的台阶段4 的底部中间设置有扳手插入六角孔2。阶梯连接轴的台阶段4 的底部与下腔罩壳的底部相平，且台阶段4 的底部连接有限位底盘。

限位底盘的半径大于阶梯连接轴的台阶段4 的直径，限位底盘通过螺钉与阶梯连接轴的台阶段4 的底部连接且相抵接于下腔罩壳的底部。

支撑连接环和上腔罩壳上对应轴承定位油路环的油道设置有连通油孔，连通油孔的外端与内沉安装在上腔罩壳外侧壁中的油嘴连接。下支座的上端部呈D 形或矩形或菱形轴截面结构，旋转阻尼器的中间安装孔对应呈D 形或矩形或菱形轴孔。弹性连接件为弹簧，上腔罩壳的上端设置有上绳端连接孔，下腔罩壳的下端设置有下绳端连接孔，上绳端连接孔和下绳端连接孔分别通过卸扣与绳端连接。

2 工作原理

本装置通过阻尼调整螺杆从上腔罩壳外周壁对称穿入与上支座的左右2 个盲底半圆槽状结构旋入相抵接进而压紧上支座的左右2 个盲底半圆槽状结构，同时弹簧被压紧从而使得上支座与旋转阻尼器的摩擦力增大；反之，通过对称旋出阻尼调整螺杆，弹簧顶开上支座的左右2 个盲底半圆槽状结构从而使得上支座与旋转阻尼器摩擦力减小。

上下腔连接组件中阶梯连接轴下方小端与下腔罩壳相对螺纹连接固定在一起，并和下腔罩壳一起转动；阻尼调节机构中下支座与上下腔连接组件中阶梯连接轴通过螺钉固定后与上下腔连接组件一起转动；旋转阻尼器中间安装孔为轴向防转孔，配合安装于下支座的中间防转轴上，并与下支座一起转动；经过传递，旋转阻尼器与下腔罩壳一起转动，阻尼调节机构中上支座与上腔罩壳通过螺钉连接并和上腔罩壳一起转动；经过以上传递，绳的转动最终转化到旋转阻尼器与上支座之间的相对转动；在此通过调节上支座的左右2个盲底半圆槽状结构两侧的阻尼调整螺杆并配以弹簧，可以实现上支座与旋转阻尼器之间的压紧力，从而控制上支座与旋转阻尼器之间的摩擦力，而上支座与旋转阻尼器之间的摩擦力的大小可以控制上支座与旋转阻尼器之间的相对旋转速度。

3 使用方法

如图2a 所示，使用绳具（如卸扣、套环等）在绳中段连接可变阻尼的钢丝绳扭转力释放装置，其中装置上下两端的绳可以互相反向旋转，通过调节阻尼调整螺杆相对上支座的左右2 个盲底半圆槽状结构的旋入旋出量配合弹簧被压紧或放松从而控制上支座与旋转阻尼器之间的摩擦力，而上支座与旋转阻尼器之间的摩擦力的大小可以控制上支座与旋转阻尼器之间的相对旋转速度，释放工作过程中绳产生的扭转力。

图2 装置安装于钢丝绳的使用方式

如图2b 所示，使用绳具（如卸扣、套环等）在绳端部（即绳下端）连接可变阻尼的钢丝绳扭转力释放装置，其中装置上端的绳可以顺（逆）时针旋转，通过调节阻尼调整螺杆相对上支座的左右2 个盲底半圆槽状结构的旋入旋出量配合弹簧被压紧或放松，从而控制上支座与旋转阻尼器之间的摩擦力，而上支座与旋转阻尼器之间摩擦力的大小可以控制上支座与旋转阻尼器之间的相对旋转速度，释放工作过程中绳产生的扭转力。

4 性能特点

依靠旋转阻尼实现绳扭转力及时、稳定的释放，既释放了绳扭转力又不会因释放速度过快而反转进而使绳破股。

该阻尼式绳类防转装置安装于绳中部或一端，执行动作无需其他外力，简单、易行、可靠、安全；可安装在工作中无阻挡的绳中间位置或绳的端点，只需将该可变阻尼的钢丝绳扭转力释放装置使用卸扣、套环等绳具与绳连接，解决了一般绳类附属装置安装不便等弊端，解决了可变阻尼的钢丝绳扭转力释放装置安装位置的局限性，提高了安全性；自重轻、成本低；结构受力合理，采用双向轴承转动，提高了本装置承受载荷的能力和扭转力释放的灵活性；各部件受力明确，强度满足使用工况要求，在满足安全性的前提下实现了绳扭转力及时、稳定释放功能，提高了转动释放的可靠性、安全性。

5 使用效果

1）由于钢丝绳型号、使用长度及工况不同，使用中根据释放装置的旋转速度调整阻尼，使得每个工作循环中装置最终为缓慢旋转释放且不反转为最佳，现实起重机工作中，可以根据设备载荷、工作速度等自身特性调整；

2）因装置两端都设置有连接装置，可与卸扣、重型套环等零件组装，本装置可位于钢丝绳端或连接与钢丝绳中段，操作工人在调整阻尼时比较方便，只需要落下绳端或者中段，人员旋入和旋出阻尼调整螺杆即可；

3）因旋转方向添加了阻尼，装置内核心部件轴承、阻尼器均在较合理速度范围内工作，大大提高了装置的使用寿命；

4）与传统的防转套相比，该装置成本未有太大提高，最大程度节约了成本，对制造厂和起重机使用者均较为经济地解决了实际问题，老旧起重机可添加该装置改善钢丝绳工作环境，特别是对于港口装卸用起重机，新钢丝绳不再受必须采用阻旋转钢丝绳的限制。

6 结语

本文详细介绍了一种新型起重机用可变阻尼的钢丝绳扭转力释放装置，可直接安装于工作绳上，及时、稳定地释放绳在工作过程中产生的扭转作用力，简单、易行、可靠。解决了绳在工作过程中扭转作用力无法释放或释放速度过快造成反转破股等弊端，解决了钢丝绳工作状况差的问题，提高了绳的使用寿命和使用的安全性。

本装置适用于频繁装卸使用的钢丝绳，既降低了起重机使用者钢丝绳采购成本（若选用不旋转钢丝绳成本较高），又保证了使用性能，延长使用时间，提高了起重机的整体操作性能和钢丝绳的安全性、可靠性。