趙 瑛 顧玉婷 周 侃

上海振華重工(集團)股份有限公司

1 引言

滑輪是起重機中必不可少的重要零部件，用以支撐鋼絲繩、改變鋼絲繩的走向、平衡鋼絲繩分支的拉力，同時可以組成滑輪組以實現省力或增速。

近年來，隨著海工市場的復蘇，越來越多的重大海工項目相繼投入市場，特別是海上風電平臺項目，使得大噸位重型海上起重機的需求越來越大。大噸位起重機所配備的滑輪，已超出了原有設計手冊的規(guī)定標準，需通過特種設備來檢測其安全性和可靠性。本文介紹的滑輪試驗裝置，基于龍源振華六號海上風電安裝平臺上的2 500 t風電安裝起重機滑輪而進行設計試驗。

2 滑輪試驗的需求和驗證要求

2.1 試驗需求

滑輪作為可拆卸的起重機重要零部件，其安全性和可靠性都要經過國家相關檢驗部門或者相關船級社的現場試驗見證并頒證后才能使用?；喌闹饕叽缡腔喼睆紻、輪轂寬度B和繩槽半徑r(見圖1)。其中，滑輪直徑D≥ed，e為滑輪與鋼絲繩直徑比系數，與機構工作級別和鋼絲繩結構有關，d為鋼絲繩直徑。根據《起重機設計手冊》，一般起重機的鋼絲繩直徑d最大為58～60.5 mm[1]。

圖1 滑輪典型結構圖

龍源振華2 500 t風電安裝起重機吊載能力為主鉤2 500 t，主鉤倍率為32，主鉤鋼絲繩的繩徑為62 mm，超出了《起重機設計手冊》規(guī)定的最大繩徑范圍，而大繩徑所對應的滑輪也隨之增大，必須對這些大型滑輪進行安全性和可靠性方面的試驗，以驗證其是否可靠耐用。但是傳統(tǒng)的滑輪試驗臺已經不能滿足滑輪試驗的要求，需要用一種新型滑輪試驗裝置來進行試驗。

滑輪型式一般分為鑄造滑輪、焊接滑輪、尼龍滑輪、雙幅板壓制滑輪等型式[2]。傳統(tǒng)的海工項目中的滑輪型式多采用鍛造加焊接形式或者鑄造滑輪，而龍源振華2 500 t風電安裝起重機中的滑輪創(chuàng)新地采用了冷軋薄壁重載滑輪(見圖2)，繩槽經淬火硬度可達HRC55左右，抗磨損，可終身不更換。為了確保這種新型的滑輪的安全使用，在使用前就必須驗證其強度和壽命方面的安全可靠。

圖2 冷軋薄壁重載滑輪

2.2 驗證要求

2.2.1 強度驗證

對于大尺寸焊接滑輪，在設計時必須對其進行理論上的強度驗算。以龍源振華2 500 t風電安裝起重機上的?62 mm的滑輪為例，當給滑輪施加了260 t的拉力，偏角為5°時，通過有限元分析可以得出，最大應力出現在輪輻上的筋板和輪轂的交界處，即標識MX處(見圖3)，此處為滑輪最容易出現變形的地方，也是滑輪試驗后需要著重檢查的地方。

圖3 有限元應力計算分析

滑輪的安全性主要從強度方面進行約束和限制，按照船級社規(guī)范中關于可拆卸零部件的相關規(guī)定，根據滑輪的屬性和功能，對照其所需要的驗證負荷以驗證其安全性(見表1)。此外，加載在滑輪上的力還要考慮其方向性，此處有徑向力和軸向力[3]。

表1 船級社規(guī)定的可拆卸零部件的驗證負荷

在起重機行業(yè)中，通常將鋼絲繩的偏角限度在5°以內。如果繞過滑輪的鋼絲繩呈零度角度布置，此時設定鋼絲繩額定拉力為P，則作用在滑輪上的徑向力為2Pcos5°，作用在滑輪上的軸向力為2Psin5°。

而當滑輪在進行拉力試驗時，設定滑輪為多餅滑車且SWL≤245 kN，則作用在滑輪上的鋼絲繩拉力為2P，相應的，作用在滑輪上的徑向力為4Pcos5°，作用在滑輪上的軸向力為4Psin5°(見圖4)。

圖4 滑輪拉力試驗方案

2.2.2 壽命驗證

滑輪的可靠性主要從壽命上對其進行驗證。根據F.E.M(歐洲起重機械設計規(guī)范)中工作級別的規(guī)定(見表2)，T5等級下最大使用時間為6 300 h，重型起重機械的利用等級一般在T5以下[4]。設定滑輪工作轉速為n(r/min)，試驗時間為ti(h)，則滑輪須驗證的運轉循環(huán)為60tin轉。

表2 歐洲起重機械設計規(guī)范中規(guī)定的利用等級

3 滑輪試驗裝置的組成及工作原理

3.1 試驗裝置的組成

滑輪試驗裝置由驅動端、從動端、中間段及其附件組成(見圖5)。其中，驅動端包含驅動機構和驅動端滑輪；中間段包含中間桁架、推力油缸；件7為從動端；附件包括鋼絲繩、鋼絲繩總跟及行程限位等。

1.驅動機構 2.驅動端滑輪 3.鋼絲繩 4.中間桁架 5.鋼絲繩總跟 6.推力油缸 7.從動端滑輪圖5 滑輪試驗臺組成

3.2 工作原理

試驗開始前，驅動端滑輪和從動端滑輪偏斜布置，和中間桁架中心線呈5°角，滿足鋼絲繩正常纏繞最大5°偏角要求。試驗時，驅動端滑輪逆時針運動，鋼絲繩總跟由從動端運行至驅動端(不得過滑輪)。而后，驅動機構改向，鋼絲繩總跟再由驅動端運行至從動端(不得過滑輪)。至此，試驗臺完成一次循環(huán)。

鋼絲繩總跟每次循環(huán)中的起始位置和終止位置，通過行程限位控制，鋼絲繩總跟觸碰到限位開關后，限位開關發(fā)信號給PLC，PLC控制驅動機構進行方向切換。

試驗中，鋼絲繩張力通過推力油缸進行控制，從動端滑輪裝配布置在可以縱向滑動的框架內，在推力油缸和鋼絲繩的作用下，沿桁架中心線做縱向運動。

設定單側鋼絲繩長度為L，試驗鋼絲繩拉力為2P，滑輪直徑為D，傳遞到滑輪上轉速為n驅，桁架截面面積為A，截面慣性矩為I；則試驗臺工作時，需滿足以下條件：

(1)桁架正應力：σ=4P/A≤[σ]。

(2)桁架長細比：λ=L/sqrt(I/A)≤[λ]。

(3)工作臺每循環(huán)行程：2L。

(4)工作臺每循環(huán)相對于滑輪循環(huán)次數：2L/(3.14D)。

(5)工作臺每循環(huán)時間：2L/(3.14Dn驅)。

此時，設定LS為滑輪額定最小載荷，LL為滑輪額定最大載荷，i為載荷序號，F為所選用的載荷值，F′為載荷比率，n(r/min)為滑輪轉速，t(h)為載荷對應載荷譜的所占時間，w為滑輪循環(huán)次數，Km為載荷譜系數。

選取4種載荷譜，確定所對應的的載荷值，根據F.E.M規(guī)范，驗證載荷譜系數在0.25～0.5之間(見表3)。如果載荷譜系數在區(qū)間內，則證明所取用的載荷譜合理；反之則再次選取，直至載荷譜系數在范圍內，再根據所選取載荷進行試驗。

表3 不同載荷對應的試驗臺試驗時間

4 實際應用

以龍源振華2 500 t風電安裝起重機的主鉤纏繞中的臂架改向滑輪為例，該滑輪直徑為62 mm，單側鋼絲繩長度為15 m，屬于單餅滑車，鋼絲繩的額定負荷為115 t，查表1經計算得出強度試驗時，作用在試驗滑輪上的鋼絲繩拉力為300 t。主鉤的工作級別為T3，查表2得出滑輪的最大使用時間為1 600 h。

正式開始試驗前，先將裝置中的驅動端和從動端的2個待試驗滑輪設置為與桁架中心線呈5°角布置(見圖6)。然后啟動驅動端的電機，調節(jié)推力油缸給鋼絲繩施加300 t的拉力，先進行強度試驗。按照CCS規(guī)范要求，驗證時間不少于5 min，實際驗證時間為10 min。

圖6 驅動端和從動端滑輪布置

強度驗證完成后，再進行滑輪的壽命驗證。經計算滑輪額定最小載荷LS為18.4 t，額定最大載荷LL為242 t，根據表4的載荷譜確定載荷值，此時設定滑輪轉速為7.25 r/min，驅動端傳遞的轉速為750 r/min，選取所占時間為320 h和640 h。此時，可以根據表3得出載荷譜系數Km為0.275，在0.25～0.5的范圍內，則證明選取的載荷譜數值合理，可以繼續(xù)計算每次載荷所對應的試驗臺試驗時間，最后根據表4中的4組載荷數據分別進行4組試驗。

表4 實際試驗中載荷值和試驗時間

4組載荷試驗都完成以后，即壽命驗證完成，將滑輪從試驗臺上拆下，根據CCS規(guī)范對滑輪進行全面檢查，不允許存在殘余變形、裂紋或者其他缺陷。檢查合格后，整個滑輪試驗結束。

5 與傳統(tǒng)試驗臺的對比分析

傳統(tǒng)的滑輪試驗臺是做成兩片式，即主動端和從動端分開，分別用拉力油缸固定，拉力油缸錨定在固定的水泥地基上。如果用傳統(tǒng)的設備來對龍源振華2 500 t風電安裝起重機上的大型滑輪進行試驗，由于實驗時滑輪所受的拉力巨大，會導致澆鑄于試驗臺上的水泥地基整體拉碎或者拉飛等危險狀況出現，極具安全隱患。此外，傳統(tǒng)的試驗臺對地基要求嚴格，適用性差，不適合移動使用，成本也較高。

而本文所述的滑輪試驗臺，工作時只需將橫向2個端面用擋塊固定即可，無須其他額外裝備配合。和傳統(tǒng)的試驗臺相比，此種新型的滑輪試驗臺可以不受地基限制，設備所受拉力均為內力，安全性大大提高；其次，新型試驗臺移動方便，對場地的適應性強，綜合成本也低。

6 結語

隨著起重機技術的推陳出新和設備的更新?lián)Q代，必然需要相應的技術對其安全性進行支持。新型滑輪試驗臺已經成功為多種大型、新型滑輪進行了強度和可靠性試驗，為大型和新型滑輪的安全使用提供了重要的技術支持，適合在行業(yè)中推廣和普及，也為起重機技術的發(fā)展提供了有力支持。