竖井用超大起升高度起重机设计

王金刚 侯永强
河南卫华重型机械股份有限公司 新乡 453400

摘 要：水电建设、矿产采掘等项目需开挖直径几米到几十米不等，深几十米到几百米不等的竖井，竖井分为引水压力竖井、出线竖井、通风竖井、调压竖井等。竖井从开挖到支护，以及井内设备、材料、器具的吊运都需起重设备来完成。起重设备在狭小的空间内使用，还需考虑起重设备的安装等因素。当桥架类起重机起升高度超过20 m、臂架类型起重机起升高度超过40 m 时，钢丝绳卷绕系统一般要特殊考虑，在设计这些大起升高度的起重机时，发现传统的螺旋型卷筒布置已不能满足需要。结合国内外诸多设计方案，文中提出了一种可有效减小起重设备尺寸，适合大容绳量的超大起升高度起重机方案，解决了钢丝绳扭转打结、自行松散，导致吊点不同步的问题。

关键词：超大起升高度；起重机；折线卷筒；设计

中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）11-0038-05

0 引言
一般起重机在超大起升高度使用时，钢丝绳卷绕系统将会出现诸多问题，传统的起升机构布置已不能满足超大起升高度起重机的要求。

起升高度过大时，将会造成钢丝绳进出滑轮和卷筒致滑轮或卷筒绳槽的破坏，甚至引起钢丝绳跳槽。起升高度增大将会造成卷筒上的钢丝绳缠绕圈数数增多，最常使用的螺旋槽卷筒方案在多层卷绕时，钢丝绳乱绳现象特别明显，钢丝绳磨损特别严重，钢丝绳使用寿命大大缩短。吊具在升降过程中钢绳捻力释放会导致钢丝绳扭转打结、自行松散，进而导致吊点不同步的问题[1]。

由于普通的起重机械不能满足超大起升高度重物吊装的工作要求，故需要设计研究出用于既能满足超大起升高度的要求，又要避免上述因起升高度大造成的钢丝绳缠绕问题的新方案。

1 国内外研究现状与发展动态
德国LEBUS 公司在上世纪60 年代就发明了平行折线卷筒，又称双折线绳槽卷筒，多年实际使用证明，这种特殊绳槽结构的卷筒，能很好的解决多层卷绕难题。利勃海尔公司推出的160C 型塔式起重机，起升卷筒卷绕直径为26 mm、长度为400 m 的钢丝绳共8 层。目前我国正处在大力发展水电、跨海大桥等超级工程的时期，超高扬程起重机也有应用。

中铁大桥局2002 年制造的2 500 t 起重船的卷扬机构选用ZHP4.32 卷筒组，采用平行折线卷筒结构型式，卷筒直径仅920 mm 却可卷绕6 层，钢丝绳直径φ 38mm，卷筒容绳量达600 m。

武汉理工大学2000 年为三峡左岸电站大坝设计的双向门式启闭机（龙门起重机），起重量2 ×125 t、扬程60 m，平行折线卷筒结构，双联卷筒直径1 920 mm，容绳量480 m，卷绕4 层，钢丝绳直径40 mm [2]。结合现有的国内外先进的起重机设计理念、通过卷筒多层缠绕，增加卷筒容绳量，优化起升机构布置是解决超大起升高度起重机的一种有效方案。

2 大起升高度起重机的特点
当起重机起升高度大于40 m 时，超过GB/T 790—1995 常规高度系类的范围[3]，起升高度30 ～ 100 m 为大起升高度起重机，起升高度＞ 100 m 称超大起升高度起重机。

超大起升高度起重机起升机构布置国内外研究提出许多解决方案。由于钢丝绳卷绕量大，导致卷筒直径过大或长度过长，减速器中心距增大、进而减速器选型增大，最终导致起重机成本大幅增加。超大起升高度起重机还有以下诸多难点。

1）滑轮组缠绕倍率大，钢丝绳长度长，钢丝绳磨损快、寿命短，造成钢丝绳更换、安装困难。
2）由于起升高度大钢丝绳频繁通过滑轮后容易被碾松，导致自行松散容或扭转打结。
3）钢丝绳偏角大，在升降过程中捻绕力释放进而导致钢丝绳扭转打结、自行松散。
4）升降过程中多个吊点无法保证同步。
5）传统螺旋型卷筒多层卷绕时，钢丝绳易容易产生乱绳、爬绳、咬绳等问题，有时需安装排绳装置，排绳装置结构复杂、导向功能不灵活时，容易造成卡死现象。

超大起升高度起重设备工作环境多为水电站、矿业、跨海工程、超高建筑等场合，工作环境湿度大，粉尘多、因而对起重设备要求能耐湿热。由于起升高度大，此类型起重机需具备很高的可靠性、安全性、平稳性等特点。

3 常用大起升高度卷绕解决方案
当起升高度超过GB/T790—1995 起重机常规起升高度系类的范围时，起升机构一般要特殊考虑，采用合适的方案。
1）增加卷筒直径或卷筒长度
此方案简单的增大卷筒直径或长度，将会导致起重机尺寸过大。随意加长卷筒长度还可能导致钢丝绳偏角增大，钢丝绳出入滑轮的偏角不应大于5° , 钢丝绳进出卷筒的偏角不宜大于3.5°。偏角过大还可能导致绳槽的破坏、跳槽等问题。通常此方案适合起升高度增加不多的情况。

2）减小滑轮组倍率
此方案简单可行，但减小绳系倍率将导致钢绳的工作拉力加大、起升速度加快。工作拉力的增大又引起钢绳直径的增大，进而引起卷筒和滑轮直径相应增大。适当把滑轮组倍率减小，可以减少卷筒上钢丝绳的缠绕量，起升机构外形尺寸无需增大，此方案可应用在空间尺寸有限制的使用场地。

3）普通双层卷绕
如图1 所示，钢丝绳固定在卷筒中间，绳由中间向两侧缠绕。由于卷筒端部设置有挡环和钢丝绳爬绳导向装置。钢丝绳缠绕到卷筒端部时，钢丝绳偏斜力的水平分力指向卷筒中间，因为卷筒挡环的阻挡，钢丝绳在第二层就向卷筒中间缠绕。此起升机构方案结构简单，钢丝绳的卷筒绳槽偏角不能大于3°，否则很可能致使第二层钢丝绳排列混乱，钢丝绳在卷筒中部造成堆集。此种起升方案多于不频繁使用的水电站启闭机等场合[4]。

( a）钢丝绳全部放出图 (b）钢丝绳绕第二层
图1 普通双层卷筒方案

4）双卷筒起升机构
如图2 所示双卷筒起升机构布置不需改变原有的滑轮组倍率，原来一个卷筒的载荷量由两个卷筒分别承担，倍率变为原来滑轮的1/2，可使起升高度增加到原卷筒起升高度的2 倍。图2 双卷筒起升机构为两套卷筒平行布置，电机轴平行布置在两个卷筒中间，电动机的两侧用联轴器通过传动轴刚性连接电动机。另一端分别布置一个与对应卷筒连接的减速器，该双卷筒起升机构布置结构紧凑但需要两个减速器实现传动，成本增加，结构复杂。

图2 双卷筒起升机构

4 竖井用超高扬程起重机方案
起重机额定起重量为16 t，为保证多吊点平衡使用了平衡吊具，此起重机可在370 m 起升高度内实现起吊重物的功能。

4.1 总体结构设计
如图3 所示，起重机起升高度H=370 m、遥控操作、整机变频调速，采用双平行折线卷筒加开式齿轮传动布置，吊具为防扭转的四点平衡吊具。主要组成部分有：起升机构、四点平衡防扭转吊具、大、小车运行机构、金属结构及其附件、电气控制等部分。

图3 起重机整机布置

4.2 起升机构
起升机构布置见图4，两个平行折线卷筒通过开式齿轮保证同步，这种方案是解决超大起升高度问题的一种比较合理、科学的方法，体现在以下方面：
1）平行折线型卷筒理论上最高可缠绕14 层，卷筒的缠绕量可达千米以上，多层缠绕的折线卷筒直径不需太大，进而整个起升机构的几何尺寸可减小，整机自重可减轻。折线卷筒不需要额外增加排绳装置，钢丝绳磨损小避免经常更换钢丝绳。减少零部件，方便安装、调试和后期维护。
2）减速器为直交轴，电机中心和卷筒中心垂直，整个布置更加紧凑，吊具距大车轨道左右极限更小，吊具工作范围更大，在卷筒上增设安全制动器保证低速轴传动安全，电机、减速器侧设置两套块式液压常闭制动器保证高速轴安全传动，防止意外事故发生。
3）高度综合显示仪加装在卷筒轴端部，可实时监控显示吊物的高度，吊物的实际重量，还可根据现在实际情况，在不同起升高度设置控制节点保护起重机在超大起升过程中的安全。有效避免了传统起升机构在超大起升高度起重机使用中出现的诸多问题。

4）起升机构没有动、定滑轮组，整个机构受力都在小车端梁位置，端梁受力为简支梁结构，使小车架重量可以大大减轻。

图4 起升机构布置

4.3 折线卷筒的设计要点
1）绳槽节距t
平行折线卷筒为多层钢丝绳缠绕，绳槽节距选取一般比起重机设计手册上规定的小一些。d 为钢丝绳名义直径，一般卷筒节距 t ＝ d +（2~4），折线卷筒 t ＝（1.04 ～ 1.05）d。
2）折线卷筒折线段绳槽所对角度与卷筒圆周角度的比值QQ值常在0.2 ～ 0.3 之间选取，一般可选取Q＝ 0.25。Q 值选取的越小，折线卷筒平行段绳槽对应的中心角越大，钢丝绳在卷筒上的导向性、稳定性就会越好。由于卷筒制造的圆度误差造成钢丝绳的周期性振动。若振动发生时钢丝绳正好处于卷筒的两端爬升或折返，在折线过渡区钢丝绳交叉会形成对称的双凸起状态，进而其产生的振动和以上的振动重叠，系统就会产生共振现象[5]。
3）钢丝绳折线段绳槽升角β
为了使折线卷筒上钢丝绳从平行段绳槽平稳的缠绕到折线段绳槽，一般在l°～ 1°30′之间选折线段绳槽升角。此参数确定后，即可确定出折线卷筒的直径

4）钢丝绳垫块的高度
折线卷筒挡环上引导钢丝绳爬升到上一层，此过渡引导部分所需高度的计算。第一过渡区

式中：ε 为绳圈间隙，ds 钢丝绳实际直径，ψ 为卷筒直径，φ 为挡环过渡部分对应的弧长。

如图5 所示，根据折线卷筒实际使用状况看，从GH 位置开始钢丝绳才抬高高度，过渡部分的角度会增大。为了保证过渡平缓，从E 点向HK 圆弧过渡，相交HK 之间的某一位置B，可使用几何计算的方法求出切线方程。

设计时，可将b 改为等宽，有利于挡环加工。在第二过渡区

b 呈线性变化。
5）平行折线卷筒的参数计算

图5 垫环上的过渡部分

几何参数见图6：d 为钢丝绳直径，D 为卷筒直径，Lo 为卷筒绳槽长度，n 卷筒绳槽圈数，h 相邻钢丝绳中心距离。

利用绳总长L=L1+L2 +L3+L4>H·m，确定n 的值。卷筒上绳槽的长度L0 ＝ n·t，n0 为安全圈数，t 为绳槽节距。

图6 几何参数

4.4 四点平衡防扭转吊具
如图7 所示，四点平衡防扭转吊具通过上下三组平衡梁实现钢丝绳在空间四个吊点的平衡。钢丝绳通过防转套和吊具连接，防止钢丝绳在超大起升高度起升中因钢丝绳捻绕力释放在空中扭转打结、自行松散。四点平衡防扭转吊具有2 个小平衡梁，可以实现钢丝绳上下调节1 m，大平衡也可补偿钢丝绳下降过程中钢丝绳吊点不同步。吊钩通过吊轴可以在大平衡梁中自由旋转。钢丝绳安装前先做预拉伸处理。减小其弹性变形量。防止其扭转打结造成的不同步。其整体配合使用可以满足在超高扬程使用环境下的作业要求。门架支腿采用内宽外窄的结构，可以满足在水电隧洞使用中极限尺寸限制。

图7 四点平衡防扭转吊具

5 总结
根据起升高度的不同，可因地制宜采用不同的解决方案，竖井用超大起升高度起重机解决大起升高度产生的一系列钢丝绳缠绕问题的方案，平行折线卷筒的应用能够很好实现多层缠绕，是解决大吨位、超大起升高度问题的一种比较科学和经济的技术方法。起升机构双平行折线卷筒、减速器与卷筒直交布置，减速器不受卷筒直径限制，可有效减小起重设备的几何尺寸满足隧洞空间尺寸的限制要求，起重机自重随之大大减小。折线卷筒有效改善了钢丝绳在层间过渡造成的一系列问题，延长其使用寿命。

参考文献
[1] 张全福. 折线卷筒设计及制造研究[ J ] . 机械工程师，2009（4）：25-27.
[2] 胡志辉，胡吉全，胡勇，等. 多层卷绕钢丝绳疲劳磨损实验装置的研制[ J ]. 机械科学与技术，2014，33（10）：1 531-1 535.
[3] 唐连生，程文明. 多层螺旋卷绕过渡块设计方法[J]. 起重运输机械，2011（4）：57-59.
[4] 辜全生. 超高扬程起重机的绕绳问题[J]. 起重运输机械,1988（7）：62-64.
[5] 张质文. 起重机设计手册[M]. 北京：中国铁道出版社，1998.

来源：起重运输机械