江 輝，張 雷，楊 智，鄭京鳳

（1. 武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司，武漢 430084；2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

船用吊機(jī)（shipboard c rane），又稱(chēng)克令吊、甲板吊機(jī)（deck crane）或船用起重機(jī)（marine crane），是指一種安裝在船舶上，用于在港口條件下或遮蔽水域進(jìn)行裝卸貨物和集裝箱的起重機(jī)，可使用在包括普通貨船、散貨船、集裝箱船以及各類(lèi)特種運(yùn)輸船舶上進(jìn)行有效和安全地裝卸貨物[1]。船用吊機(jī)作為船舶裝卸貨物的重要工具之一，隨著安裝船舶來(lái)往于全球主要航線和各大港口。

圖1 船用吊機(jī)（示例）

滑輪是船用吊機(jī)能夠正常工作的一種重要零部件之一，是船用吊機(jī)上可卸零部件的重要組成部分。船用吊機(jī)工作原理正是在船用吊機(jī)上各個(gè)不同相應(yīng)位置設(shè)置的滑輪或滑輪組，在通過(guò)鋼絲繩在滑輪間的穿繩繞繩配合來(lái)實(shí)現(xiàn)力的傳送，通過(guò)吊機(jī)上絞車(chē) 對(duì)鋼絲繩的收繩和放繩，來(lái)實(shí)現(xiàn)船用吊機(jī)的貨物升降和臂架的變幅動(dòng)作。目前，主流的船用吊機(jī)上用的滑輪或滑輪組仍然是整體鋼制滑輪為主，但是鋼制滑輪普遍有重量較重、磨損鋼絲繩、更換不易、維護(hù)不便等缺點(diǎn)。也有少部分輕型船用吊機(jī)上采用了非鋼制材質(zhì)滑輪，如整體樹(shù)脂滑輪等。本文通過(guò)分析船用吊機(jī)滑輪的工作特點(diǎn)，通過(guò)船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪構(gòu)成設(shè)計(jì)和其與傳統(tǒng)滑輪傳統(tǒng)的對(duì)比，提出并闡述分析船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪的性能和特點(diǎn)，并簡(jiǎn)述了通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪的性能過(guò)程和結(jié)果。

1 傳統(tǒng)整體式鋼制滑輪和樹(shù)脂滑輪的分析

船用吊機(jī)的滑輪屬于起重機(jī)械用滑輪[2]，目前主流的船用吊機(jī)上用的滑輪仍然是以整體鋼制滑輪為主。見(jiàn)圖2。

鋼制滑輪具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）由于滑輪本體材質(zhì)為鑄鋼或鍛鋼件，因此滑輪的強(qiáng)度較好；2）滑輪繩槽可鑄鍛成型或機(jī)加工成型，尺寸可控，繩槽可熱處理加強(qiáng)硬度，因此滑輪繩槽耐磨損。

但是鋼制滑輪缺點(diǎn)也較明顯：因材質(zhì)緣故鋼制滑輪較重；由于鋼制滑輪繩槽較硬，因此吊機(jī)工作是鋼絲繩與滑輪接觸優(yōu)先磨損鋼絲繩，因此對(duì)鋼絲繩疲勞壽命影響較大。

圖2 傳統(tǒng)鋼制滑輪示例

目前也有少部分輕型船用吊機(jī)上采用整體樹(shù)脂滑輪，見(jiàn)圖3。

整體式樹(shù)脂滑輪同鋼制滑輪相比，因?yàn)槭褂昧藰?shù)脂這一比較柔性和彈性的滑輪材質(zhì)，因此具備一些鋼制滑輪沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。首先樹(shù)脂滑輪自身重量比較輕；其次樹(shù)脂滑輪制造可通過(guò)模具吹塑等方法制造，易成型；由于樹(shù)脂滑輪繩槽硬度較低，工作時(shí)鋼絲繩將優(yōu)先磨損樹(shù)脂滑輪繩槽面，隨時(shí)間繩槽接觸面積變大，接觸面壓力減小，能夠延長(zhǎng)鋼絲繩的疲勞壽命。由于具有這些鋼制滑輪沒(méi)有的特點(diǎn)，因此樹(shù)脂滑輪主要使用在工程車(chē)輛起重機(jī)、行車(chē)、立體停車(chē)場(chǎng)等處。

圖3 整體式樹(shù)脂滑輪示意

但是相對(duì)鋼制滑輪而言，樹(shù)脂整體滑輪并沒(méi)有成為船用吊機(jī)上大規(guī)模使用為主流滑輪產(chǎn)品，主要原因有：

1）樹(shù)脂整體滑輪的整體剛度和強(qiáng)度不夠，樹(shù)脂材料的特性決定了無(wú)法在機(jī)械性能上與鋼制滑輪相匹敵，過(guò)程中如使用不當(dāng)易出現(xiàn)滑輪本體損壞；

2）使用樹(shù)脂滑輪雖然能夠延長(zhǎng)鋼絲繩的疲勞壽命，但是同鋼制滑輪相比樹(shù)脂滑輪的繩槽將會(huì)磨損得比較快，意味著已磨損的樹(shù)脂滑輪必須要經(jīng)常更換；

3）船用吊機(jī)是安裝在克令吊基柱上的，因此在更換滑輪時(shí)需要搭建腳手架或臺(tái)架，需在高處進(jìn)行大規(guī)模高空更換作業(yè)。因此從維修的便利性看，不管是鋼制滑輪還是樹(shù)脂滑輪，使用整體式滑輪時(shí)，更換作業(yè)均并不容易。只不過(guò)鋼制滑輪剛性好強(qiáng)度高磨損低，因此更換周期更長(zhǎng)，維護(hù)成本更低。見(jiàn)圖4。

圖4 船用吊機(jī)更換滑輪作業(yè)示例

2 船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪的構(gòu)成

為了使船用吊機(jī)的滑輪既能兼顧原有整體鋼制滑輪的剛性特點(diǎn)，又具備樹(shù)脂滑輪柔性優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能使滑輪的更換維護(hù)作業(yè)變得更為容易便捷，本次論文研究了一種船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪。船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪構(gòu)造示例請(qǐng)見(jiàn)圖5。

請(qǐng)注意，本文中樹(shù)脂襯墊式滑輪的圖片僅供做示例參考使用，因滑輪制造商的不同，樹(shù)脂襯墊式滑輪產(chǎn)品的構(gòu)造形式、外觀等可能皆不相同。

船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪上的樹(shù)脂襯墊示例見(jiàn)圖6。樹(shù)脂襯墊的安裝方式請(qǐng)見(jiàn)圖7。

圖5 樹(shù)脂襯墊式滑輪示例

圖6 樹(shù)脂襯墊示例

圖7 樹(shù)脂襯墊安裝方式示例

船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪的構(gòu)造見(jiàn)表1，構(gòu)造有如下特點(diǎn)：

1）因樹(shù)脂襯墊式滑輪同鋼絲繩接觸的繩槽部分安裝了樹(shù)脂襯墊，因此使用該滑輪的船用吊機(jī)的鋼絲繩疲勞壽命理論上可以與使用整體式樹(shù)脂滑輪的船用吊機(jī)的鋼絲繩疲勞壽命相同。

表1 樹(shù)脂襯墊式滑輪零部件構(gòu)成

2）樹(shù)脂襯墊式滑輪的支撐基礎(chǔ)為零件，滑輪本體（鋼制）具有與原來(lái)整體鋼制滑輪相同的強(qiáng)度。此外，因?yàn)闃?shù)脂襯墊滑輪在滑輪本體鋼制部分的樹(shù)脂襯墊安裝面設(shè)計(jì)成為與原來(lái)的鋼制滑輪具有一樣尺寸的滑輪繩槽，因此在一定的特殊應(yīng)急情況下，本身也可以作為鋼制滑輪使用。

注意滑輪本體（鋼制）的繩槽部分尺寸需實(shí)行高精度的機(jī)加工，不能采用常規(guī)滑輪的鑄鍛成型。只有這樣鋼絲繩的接觸壓力才能通過(guò)樹(shù)脂襯墊更好地傳遞到滑輪本體上。否則如果樹(shù)脂襯墊只是覆蓋了鋼制滑輪的繩槽構(gòu)造。

3）當(dāng)樹(shù)脂襯墊使用一段時(shí)間磨損后，只需要拆卸螺栓等緊固件再重新更換一個(gè)新的樹(shù)脂襯墊部件進(jìn)行替換即可；由于是樹(shù)脂襯墊本身很輕，因此維修更換起來(lái)非常容易方便。

3 滑輪比較分析

為了能夠更直觀了解樹(shù)脂襯墊式滑輪構(gòu)造特性，將文中的3 種滑輪的優(yōu)缺點(diǎn)比較分析，見(jiàn)表2。

表2 鋼制滑輪、整體式樹(shù)脂滑輪、樹(shù)脂襯墊式滑輪對(duì)比

4 樹(shù)脂襯墊式滑輪的鋼絲繩疲勞壽命試驗(yàn)

為了驗(yàn)證樹(shù)脂襯墊式滑輪具有減輕鋼絲繩接觸面壓力并延長(zhǎng)鋼絲繩疲勞壽命的效果，對(duì)用整體鋼制滑輪條件和用樹(shù)脂襯墊式滑輪條件下的鋼絲繩，分別進(jìn)行了鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)對(duì)比。試驗(yàn)條件見(jiàn)表3。

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖7，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示例見(jiàn)圖8。（注：本試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供參考，不代表實(shí)際使用情況）

表3 鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)條件

圖7 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖8 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示例

參考合作單位提供的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用樹(shù)脂襯墊式滑輪的鋼絲繩疲勞壽命可能會(huì)比相同條件的鋼制滑輪的鋼絲繩疲勞壽命延長(zhǎng)3 倍以上。

5 樹(shù)脂襯墊式滑輪的強(qiáng)度試驗(yàn)

為了驗(yàn)證樹(shù)脂襯墊式滑輪具有同整體鋼制滑輪同等的強(qiáng)度，能夠滿足船用吊機(jī)日常工作的載荷需求，采用同整體鋼制滑輪相同的拉伸試驗(yàn)負(fù)載條件，對(duì)樹(shù)脂襯墊式滑輪進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示例見(jiàn)圖9。試驗(yàn)后樹(shù)脂襯墊見(jiàn)圖10。試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。（注：本試驗(yàn)數(shù)據(jù)僅供參考，不代表實(shí)際使用情況）。

參考合作單位提供的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，樹(shù)脂襯墊式滑輪強(qiáng)度是能夠滿足船用吊機(jī)日常工作使用的強(qiáng)度要求。

圖9 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示例

圖10 試驗(yàn)后樹(shù)脂襯墊示例

表4 滑輪強(qiáng)度試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果要求

6 樹(shù)脂襯墊式滑輪的使用維護(hù)

整體鋼制滑輪雖磨損較慢，但年時(shí)間久了也需要更換，因滑輪較重，維修更換不便；整體式樹(shù)脂滑輪在樹(shù)脂磨損后，也必須更換滑輪本體，維修更換也不便捷。整體式樹(shù)脂滑輪實(shí)船使用見(jiàn)圖11。

圖14 吊機(jī)上的整體式樹(shù)脂滑輪示例

樹(shù)脂襯墊式滑輪日常維護(hù)與其他滑輪一樣涂刷加鋼絲繩潤(rùn)滑油脂即可；樹(shù)脂襯墊式滑輪在樹(shù)脂磨損后，用螺栓進(jìn)行拆卸和安裝，只要更換樹(shù)脂襯墊這一個(gè)部件就可以。因樹(shù)脂襯墊很輕，所以操作安全維修方面比較容易。特殊情況下，樹(shù)脂襯墊式滑輪本體鋼制部分也可以作為鋼制滑輪使用。樹(shù)脂襯墊式滑輪在船用吊機(jī)上實(shí)船使用參考見(jiàn)圖12。

圖12 吊機(jī)上樹(shù)脂襯墊式滑輪示例

7 結(jié)論

本文研究了一種船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪，并對(duì)通過(guò)相應(yīng)滑輪構(gòu)成分析和與傳統(tǒng)滑輪的性能對(duì)比，闡述了該種船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪的性能和特點(diǎn)，并簡(jiǎn)述了其相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程和結(jié)果。作為一種新型的滑輪形式，船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪具有重量輕、強(qiáng)度高、鋼絲繩壽命長(zhǎng)、更換維修方便安全等特點(diǎn)，甚至可以推廣應(yīng)用到其他一些相關(guān)的起重工程領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，因此它具有更廣泛的用途和廣闊的市場(chǎng)前景。但是目前船用吊機(jī)用樹(shù)脂襯墊式滑輪在實(shí)際實(shí)船運(yùn)用的情況仍然非常少，未得到大幅推廣使用。望該種滑輪能夠有更多的實(shí)船應(yīng)用的同時(shí)，也能對(duì)船用吊機(jī)滑輪的設(shè)計(jì)和使用維護(hù)提供一種新的解決思路與辦法。