大型桅杆起重机起升变倍率方法及其应用

刘 彬 李 靖 李鹏举

山东丰汇设备技术有限公司 济南 250102

0 引言

桅杆起重机是一种臂架俯仰变幅的起重机，通常布置在海岸港口、河道码头，用于船上货物的装卸作业，其结构简图如图1所示，整体结构包括人字架、臂架和变幅系统，人字架和臂架的下端通过销轴固定在地面基础上，人字架和臂架的上端通过变幅系统连接，通过变幅系统带动臂架俯仰变幅实现货物的装卸作业。

图1 桅杆起重机结构简图

随着海上风电工程的发展，对大型起重机械的需求量增大，风电塔筒、叶片和主机等都是超大体型部件，需要从岸边装船运输，单体质量达数百吨，且外形尺寸、重心结构不规则，对搬运海上风电设备的桅杆起重机要求较高。

大型桅杆起重机（以下简称起重机）的起重量在千吨以上，远端的起升高度在60 m以上，起重机满载作业使用情况相对较少，一般为半载荷吊重作业。为满足轻载高速的吊装需求，通常设置有副臂和副钩，质量较轻的货物通过副钩来装卸，如图2所示。主臂头部设置2组主钩，副臂头部设置1组副钩，副臂根部通过4组销轴刚性连接在主臂头部，变幅拉板带动主臂和副臂同时变幅作业。

图2 带副钩的桅杆起重机

副钩额定起重量是主钩额定起重量的20%～30%，即质量在30%主钩额定起重量以上的货物无法通过副钩来吊装。为提高码头货物的装卸效率，对于非满载作业的工况，需要增大升降速度进而达到重载低速、轻载高速的目的。

滑轮组的倍率即滑轮组省力的倍数，是钢丝绳绕入卷筒的线速度与重物起升速度的比值。起升滑轮组变倍率设计是实现起重机在重载低速和轻载高速之间转换的最有效方法之一。

变倍率绕绳系统有重新缠绕钢丝绳、固定部分动滑轮或释放部分定滑轮等方法，改变绕绳倍率的组成系统。因此，滑轮组倍率的变换方法有2类，一类是需要重新穿装起升绳；另一类则是无需重新穿装起升绳，采用动、定滑轮变换的方法变换倍率。

1 换绳的变倍率方法

需要重新穿装起升绳的变倍率方法如图3、图4所示，图3为起升绳顺向缠绕，起升绳朝一个方向按顺序缠绕，能够实现18/14/10倍率的变换。最大倍率使用时起升绳穿过所有滑轮，如果降倍率使用，就需要将起升绳从滑轮上拆下，并重新穿装，使起升绳穿过较少数量的滑轮，穿绳时需要跳过个别滑轮进行缠绕，需要的倍率越少，跳过的滑轮数量越多。

图3 起升绳顺向缠绕

图4 起升绳折返缠绕

图4为一种折返缠绕的绕绳方法，能够实现18/14/11倍率的变换。起升绳在滑轮组上缠绕时依次跳过一个滑轮，绕到另一端后再折返绕回，按顺序缠绕在空的滑轮上，最后固定在绕入的一端。这样缠绕使滑轮组的两侧受力均衡，不会出现因为滑轮组效率的损失导致滑轮组偏斜，起升绳受力更好。小倍率使用时，穿绳中使起升绳提前折返缠绕，滑轮组另一侧的部分滑轮空余出来。

由于起升绳跳过一个滑轮缠绕，动滑轮组在上限位置时，起升绳绕入和绕出滑轮的偏斜角可能会出现超限的问题，如图5所示。

图5 换绳缠绕效果图

2 不换绳的变倍率方法

无需重新穿绳的变倍率方法通常为起升绳顺向缠绕，设置变倍率滑轮或变倍率滑轮组，当变倍率滑轮与定滑轮组连接时为一种倍率；当变倍率滑轮与动滑轮组连接时为另一种倍率，通过变倍率滑轮在定滑轮组和动滑轮组之间来回切换实现倍率的变换。

一种偶数动滑轮的倍率变换方法如图6所示，设置有2个变倍率滑轮，能够实现滑轮组在16倍率和12倍率之间变换。变倍率滑轮作为活动可变的滑轮，可作为定滑轮使用，也可作为动滑轮使用，变倍率滑轮与定滑轮组连接时为定滑轮，与动滑轮组连接时为动滑轮，通常采用销轴进行连接。

图6 偶数动滑轮的变倍率绕绳

换绳的变倍率方法需要在高空重新拆装钢丝绳，高空作业不安全且作业效率不高，影响起重机的使用。相对换绳的变倍率方法，不换绳的变倍率方法操作更加方便，作业效率高，应用更加广泛。

不换绳的变倍率方法高效实用，但带来的问题是变倍率滑轮切换过程中，由于上下滑轮之间的距离减小，起升绳绕入滑轮的偏斜角增大。

3 起升变倍率装置

起升变倍率装置由起升绳、动滑轮组、变倍率滑轮和动滑轮组等组成，如图7所示，起升滑轮组能够实现16/12倍率变换，设置有2组变倍率滑轮，当变倍率滑轮与定滑轮组连接时为16倍率，当变倍率滑轮与动滑轮组连接时为12倍率，倍率变换过程中，起升绳不需重新缠绕。

图7 滑轮组16/12倍率变换

定滑轮组由定滑轮架、定滑轮、定滑轮轴和拉板等组成，如图8所示，变倍率滑轮通过销轴与定滑轮组的2组拉板连接。每个定滑轮和2组拉板通过定滑轮轴固定在定滑轮架上面。

图8 定滑轮组

如图9所示，动滑轮组由支承板、动滑轮、动滑轮轴、动滑轮架和吊钩等组成，变倍率滑轮通过螺栓固定在动滑轮组的支承板上。每个动滑轮、支承板通过动滑轮轴固定在动滑轮架上面，动滑轮组架下面挂接吊钩。

图9 动滑轮组

变倍率滑轮切换过程中，起升绳绕入每个滑轮的偏斜角如何满足规范要求，是设计变倍率装置的关键。相关规范的要求有GB/T 3811—2008《起重机设计规范》要求：钢丝绳绕进或绕出滑轮槽时的最大偏斜角（即钢丝绳中心线和滑轮轴垂直的平面之间的夹角）不应大于5°。GB/T 13752—2017《塔式起重机设计规范》要求：钢丝绳绕进或绕出滑轮槽时的最大偏斜角（即钢丝绳中心线和垂直滑轮轴平面之间的夹角）不应大于4°；对阻旋转钢丝绳不应大于2°。

变倍率滑轮由销轴、销轴拉板、变倍率滑轮架、变倍率滑轮轴和变倍率滑轮等组成，如图10所示。变倍率滑轮通过变倍率滑轮轴固定在变倍率滑轮架上，销轴拉板焊接在变倍率滑轮架上方，两侧的销轴拉板通过销轴连接。

图10 变倍率滑轮组

销轴拉板与变倍率滑轮架焊接为一体，两者平面成一定角度，约为6°～10°，进而使变倍率滑轮与动滑轮之间始终成一个夹角布置，这样起升绳绕入或绕出变倍率滑轮和动滑轮时就不会有偏斜角，不受变倍率滑轮和动滑轮轴线间距的影响，同时有效减小了起升绳的磨损，如图11所示。

图11 变倍率滑轮的布置

起升滑轮组16/12倍率变换效果图如图12所示，起升绳绕入或绕出变倍率滑轮、动滑轮和定滑轮的偏斜角均小于2°。2个变倍率滑轮通过销轴连接在定滑轮组上时为16倍率，2个变倍率滑轮通过支承板和螺栓连接在动滑轮组上时为12倍率。

图12 滑轮组16/12倍率变换效果图

4 更大倍率变换

该绕绳方法能够实现更大倍率的变换，如图13和图14所示，一种奇数动滑轮的倍率变换绕绳方法及装置，该装置的中部设置变倍率滑轮组，包含2组变倍率滑轮，实现18/14倍率变换。

图13 奇数动滑轮的变倍率绕绳

图14 滑轮组18/14倍率变换效果图

变倍率滑轮组通过销轴连接在定滑轮组上时为18倍率，变倍率滑轮组通过支承板和螺栓连接在动滑轮组上时为14倍率。

为实现更小倍率的变换，可以将更多的动滑轮设置成变倍率滑轮，如图15所示，可以实现18/14/6倍率之间的变换。

图15 滑轮组18/14/6倍率变换

3个变倍率滑轮通过销轴连接在定滑轮组上时为18倍率；两侧的2个变倍率滑轮通过销轴连接在定滑轮组上，中间的1个变倍率滑轮通过支承板和螺栓固定在动滑轮组上时为14倍率；3个变倍率滑轮通过支承板和螺栓连接在动滑轮组上时为6倍率。

当所有变倍率与动滑轮组连接时应保证组合体的重心在动滑轮组轴线的下方，以避免动滑轮组出现翻转进而影响使用，如图16所示。

图16 滑轮组18/14/6倍率变换效果图

独立的动滑轮组需要扭转，1根钢丝绳的入滑轮角度不会孤立存在，会受到其他钢丝绳的牵制，直到滑轮两端的入绳角度均衡。因此，不能单独测量1根钢丝绳与竖直线的夹角作为角度超差的依据，应测量1个滑轮上的2根钢丝绳的夹角。通常情况下，桅杆起重机设置有双钩，2个单钩对称布置，单钩之间设置连杆，这样可以有效阻止动滑轮组的扭转。

5 实例

某系列桅杆起重机，起升机构的工作级别为M4，起升卷筒出绳线速度50 m/min，起升绳选用阻旋转压实股钢丝绳35W×K7-1 870-50 mm，单绳最大许用拉力48 t，桅杆式起重机的最大额定起重量为1 400 t。考虑钩重、绳重和滑轮组效率后，不同倍率下对应的起重量和起升速度参数如表1所示。

表1 起升机构参数表

由表1可知，采用单一规格的起升绳，通过选择6～18不同的滑轮组倍率，使桅杆起重机在单钩下实现250～700 t的额定起重量，在双钩下实现500～1 400 t的额定起重量。

5.1 滑轮组16/12倍率变换

某风电设备单体质量约830 t（含吊具），单钩额定起重量约为430 t，根据此额定起重量，为提升工作效率，采用滑轮组16倍率变12倍率的倍率变换方法，分别将2个吊钩的变倍率滑轮从定滑轮移到吊钩动滑轮上，从而实现16倍率变为12倍率，使额定起升速度从原来的3.1 m/min提高到4.2 m/min。实际吊装循环过程中，节省时间约30 min，桅杆式起重机起升机构的工作效率明显提升。

5.2 滑轮组18/14倍率变换

某储油灌注满油后总质量约1 050 t，单钩额定起重量约为525 t，根据此额定起重量，对应表1，为提升工作效率，采用同5.1类似的方法，通过绕绳和定/动滑轮的变换，实现18倍率变为14倍率，从而使额定起升速度从原来的2.8 m/min提高到3.6 m/min，提速效果明显。

对于单台桅杆起重机，通过起升滑轮组的变倍率设计，使起升机构具有多种额定起重量，进而满足重载低速、轻载高速的吊装作业要求。

6 结语

1）针对大型桅杆起重机，提出换绳和不换绳2类起升滑轮组的倍率变换方法。相对换绳的变倍率方法，不换绳的变倍率方法，操作更加方便，作业效率高，应用更加广泛。

2）阐述了不换绳的变倍率方法及其原理、零部件的组成、连接方式和功能，通过奇数动滑轮和偶数动滑轮等不同的滑轮组类型，阐明其各自的倍率变换过程。

3）给出多种起升滑轮组的倍率变换装置，通过变倍率滑轮与动滑轮形成一定夹角布置，实现起升绳绕入或绕出滑轮的偏斜角满足规范要求。单钩使用时，起升绳末端应固定在臂架头部，以减小和抵消动滑轮组的扭转。

4）不换绳的变倍率方法，臂架摆至最大幅度，吊钩放置地面后，可实现空中换倍率，起重机一次安装后能够进行多种工况使用，进而实现主、副起升机构的大范围变速，该方法有利于起升机构的模块化设计和产品的系列化开发。