浙江省特种设备检验研究院 浙江省杭州市 310020
摘要：升机构是用来实现物料的垂直升降，是起重机最主要、最根基的机构。通常来讲大多数的起重机起升机构都会选择使用卷扬机与钢丝绳组成的提升系统，因为钢丝绳结构是旋转捻制的，在负载作用下钢丝绳将会有旋转力矩，该旋转力矩如过无法有效释放或抵消，就会引起吊钩、吊具或起重物在负载状态下的旋转并在圆周方向摆动，对吊装精度、施工效率有直接影响。基于此，下面就塔机起升机构绕绳问题展开详细的分析和探讨。
关键词：塔机；起升机构；绕绳问题；解决措施
引言
塔机是工程建设中不可或缺的起重设备。随着工程项目对施工进度要求的加快，以及施工工艺的变化，塔机使用越来越频繁，利用率大为提高，这就对塔机各部件（元器件）特别是塔机起升机构的可靠性提出了更高要求。而起升机构钢丝绳绕绳的可靠性直接影响到塔机的安全、施工效率和使用成本，这是广大塔机用户越来越关心的问题。在塔机的故障中，起升机构的绕绳问题也是困扰行业已久的难题，各生产厂家也在积极探索中。
1起升机构概述
1.1起升机构组成
典型的起升机构包括以下装置：
（1）驱动装置。桥式起重机一般采用电动机驱动，能够很方便的进行布置、安装和检修工作；
（2）传动装置。有减速器、联轴器和传动轴等；
（3）卷绕体系。有卷筒、钢丝绳、滑轮组等；
（4）取物装置。根据被吊物料的种类、形态不同，采用不同种类的取物装置；
（5）制动器及平安装皿。制动器既是机构工作的控制装盆，又是平安装置，因是平安检查的重点。
此外，起升机构还装备超载限制器、上升极限位置限制器等平安装置。
1.2起升机构的工作原理
在塔机起升机构中，大多是以电动机作为动力源。电动机一般都是通过联轴器与减速器的高速轴相连，减速器的低速轴带动卷简，钢丝绳缠绕在卷筒上，并通过滑轮组与吊具装置相连。电动机将正反两个方向的活动传送给卷筒时，通过卷筒不同方向的旋转将钢丝绳卷人或放出，从而使吊具与吊重实现升降活动。钢丝绳使用过程中，应防止出现钢丝绳过载使用及剧烈冲击和振动，钢丝绳跳槽，钢丝绳挤压变形，运行的钢丝绳和外界物体刮擦，钢丝绳排列散乱等影响其使用寿命的情况。
1.3钢丝绳
在实际应用中，常用于塔式起重机的钢丝绳结构有6×37M类、18×7类、35W×7类、4V×39S类等。6×37M类属于旋转类钢丝绳，不适宜用于高扬程塔式起重机。起升用钢丝绳应优先采用不旋转钢丝绳；在腐蚀较大的环境采用镀锌钢丝绳。
钢丝绳工作过程中，当其上端固定，下端承受张拉载荷时，钢丝绳要围绕自身的中心线旋转，开始提升重物时，钢丝绳转动方向首先与捻制方向相反，然后与捻制方向相同，这样反复旋转将加速钢丝绳的损坏，并产生“拧扣”或“打扭”，以致无法工作，甚至可能发生突然折断。
2钢丝绳的旋转特性与自转特性
根据钢丝绳的直径、绳股捻向、捻制结构以及捻角的不同，钢丝绳会反映出不同的扭转特性。钢丝绳的扭转力矩在小范围变化时，扭矩与扭转角度的关系遵循式（1）。
（1）
式中，M为扭转力矩（N·m）；Jr为断面极惯性矩（N·m）；Gr为扭转刚性弹性系数；φ为钢丝绳扭转角度（°）；l为钢丝绳长度（m）。
对于给定直径的钢丝绳，Gr主要受钢丝绳捻制规格与捻制方式的影响。主要影响因素有两点：一是捻角越大，钢绳越难旋转，即Gr越大；二是同捻向扭转时的Gr比逆捻向扭转时的大。钢丝绳的自转特性是指钢丝绳在张力作用下绕自身轴线的自旋转特性，钢丝绳自转性能主要有以下两种度量方式。
2.1扭矩系数K
扭矩系数K的测定是在钢丝绳梁段两端固定不能自由旋转的情况下测定的，与钢丝绳长度无关。
（2）
其中：K为扭矩系数（10-3）；M为扭矩（N·m）；P为钢丝绳张力（kN）；Dr为钢丝绳公称直径（mm）。
2.2自转角Δφ
自转角是在一端固定、另一端可自由旋转的情况下，在受到钢丝绳最小破断拉力20%的作用力下单位绳长内钢丝绳自由旋转的角度，此参数与钢丝绳绳径无关，只受钢丝绳结构影响。
2.3扭矩系数K与扭转角度Δφ的关系
经试验测定，在一定拉力下，钢丝绳扭转刚性弹性系数Gr没有较大变化，能够看成定值。也就是说一定拉力状态下，钢丝绳自转扭矩与相对于最远位置的转角Δφ存在着比例关系，定义该比值为k。
3塔机起升机构绕绳问题案例分析
在进行故障分析、采取针对性改进措施方面，坚持分析——纠正——试验验证的方法。从实际的塔机起升机构钢丝绳乱绳的情况来看，乱绳没有很强的规律性，有某种型号塔机排绳不规则乱绳的；有某种型号塔机大多数台份排绳较好，偶尔出现一两例故障的；有轻载时正常，重载时嵌绳的，这说明影响排绳的因素较多。从排绳的效果来看，当起升机构绕绳出现如下情况时，即判断为绕绳出现故障（模式）：
（1）排绳出现堆积、单边情况；
（2）排绳出现嵌绳情况。
针对这些故障模式，对影响塔机起升机构绕绳效果的因素进行分析研究，包括：
（1）对绕绳系统、折线绳槽卷筒进行优化设计研究；
（2）对卷筒、绕绳系统加工工艺进行研究；
（3）试验验证。
根据市场调研和已有的故障处理方法，将不同的故障模式产生的原因可以归纳为6种主要的“故障因素”，如钢丝绳偏角、卷筒、排绳轴与卷筒平行度等因素产生的不同故障。
对在使用和试验过程中起升机构绕绳的故障统计情况，对不同故障因素造成的故障模式进行分析，形成故障模式和影响分析FMEA表。
影响排绳效果的6大因素所产生的不同故障模式是相互交织、错综复杂的。为较好地解决排绳问题，验证改进措施的有效性，按2种情况来加以区别对待：一种是以往用户在使用过程中有效处理绕绳乱绳的方案（如钢丝绳偏角、卷筒、排绳轴与卷筒平行度等因素），这已从用户使用情况得到了验证，表明所采取的改进措施是行之有效的，绕绳故障也得到了解决；另外就是在公司厂内进行的塔机相关验证试验，也取得了较好的试验结果，达到了解决绕绳故障的目的。
结语
目前，行业中普遍采用设置排绳装置或导向轮等方式来改善绕绳效果。在验证试验中，针对排绳装置的设置问题也进行了试验，在保证钢丝绳入绳角的情况下，取消排绳装置，绕绳更为紧密。因此，在钢丝绳入绳角得到保证、钢丝绳运行较平稳（如采用变频调速方式、操作时不越挡）的情况下，不必设置排绳装置或导向轮。如果结构上无法解决钢丝绳入绳角的问题，钢丝绳运行也不平稳（如采用三速电机等挡级速差较大、钢丝绳入卷筒时跳荡较为严重的机构，或操作时频繁越挡），可设置排绳装置或导向轮来解决入绳角和钢丝绳跳荡的问题。
参考文献：
[1]张彦.桥机起升机构主要零部件实时寿命评估方法研究[D].太原科技大学，2015.
[2]李丽，赵爽，张纪鹏.影响起升机构钢丝绳使用寿命的因素分析[J].工程机械，2004（10）：45-47+2.
论文作者:周海栋
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第22期
论文发表时间:2018/11/3
标签：钢丝绳论文; 机构论文; 卷筒论文; 塔机论文; 装置论文; 故障论文; 扭矩论文; 《建筑模拟》2018年第22期论文;