杨李梁 穆芳娟

摘 要：起升机构是起重机的核心部件，合理选择起升机构中的各个参数（包括卷筒直径、滑轮倍率、电机和减速机型号等）是设计工作的重点，也关乎起重机的使用寿命和可靠性。本文就以如何控制钢丝绳绕进和绕出卷筒时的最大偏斜角为中心，对如何合理设计起升机构展开讨论。

关键词：起重机；起升机构；卷筒；绳槽；钢丝绳最大偏斜角

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.030

0 引言

钢丝绳绕进和绕出卷筒时的偏斜角是指起重机起升机构中的卷筒在卷取或释放钢丝绳的过程中，卷筒上钢丝绳端与卷筒螺旋槽中心线的夹角。起重机设计规范（GB/T3811-2008）中规定钢丝绳偏离卷筒螺旋槽中心线两侧的角度不应大于3.5°。因为该夹角过大，会导致钢丝绳在绕进和绕出卷筒时与钢丝绳两边的卷筒绳槽摩擦，磨损钢丝绳，严重降低钢丝绳的使用寿命。所以在设计起重机卷扬起升机构时，设计者需要严格控制该夹角的大小。本文从设计人员的角度，就如何通过控制起升机构中的其他因素来保证钢丝绳绕进和绕出卷筒时的最大偏斜角不大于3.5°做出如下探讨。

1 钢丝绳绕进和绕出卷筒最大偏斜角计算公式的推导

如图1中所示，起重机卷扬起升机构中涉及到的参数有：起升高度——H、卷筒直径——D、滑轮倍率——n、钢丝绳直径——d、卷筒绳槽节距——P、随着吊钩组下降卷筒出绳端的水平位移距离——x、吊钩组在上极限时定滑轮与动滑轮中心的垂直距离——h、吊钩组在上极限时卷筒上两个绳端的水平距离——c、吊钩组动滑轮上两个绳端的水平距离——b。

2 减小钢丝绳绕进和绕出卷筒时最大偏斜角的方法

从图1中容易看出，吊钩组动滑轮在起升机构的上极限时，钢丝绳与卷筒铅垂线的夹角（β）为最小值。在卷筒释放钢丝绳的过程中，卷筒出绳端的水平位移距离（x）逐渐增大，当吊钩组下放到下极限时，钢丝绳与卷筒中心线的夹角（β）达到最大值。所以，我们在验算钢丝绳绕进和绕出卷筒时的最大偏斜角时，只需要验算吊钩组在起升机构的下极限时，钢丝绳绕进和绕出卷筒时的最大偏斜角是否小于3.5°即可。

当设计者在设计起升机构时，以上公式中的H是一个确定的数值，即起升高度。我们可以控制的变量有滑轮倍率n、卷筒直径D、绳槽节距P和吊钩组在上极限时定滑轮与动滑轮中心的垂直距离h。由于卷筒绳槽螺旋角α比较小，对钢丝绳偏离卷筒螺旋槽的夹角θ影响也较小，所以我们只对钢丝绳与卷筒铅垂线的夹角β进行研究。根据公式（6）可知，角β越小则θ也越小。

通过如图2中反正切函数可知，在0～+∞范围内，函数值，而且变量越小，函数值越小。

所以我们应该让以上公式（5）中的“”做到尽量小。因此，我们可以得出以下几种方法来控制钢丝绳绕进和绕出卷筒时的最大偏斜角。

（1）减小起升机构的滑轮倍率n。在卷扬起升机构其他参数都不变的情况下，减小起升机构的滑轮倍率，可以使卷筒在釋放相同圈数的钢丝绳时，增大吊钩组动滑轮下降的距离。如公式（3）所示，x和h不变，H增大，使得整体减小，从而使arctan减小，即钢丝绳与卷筒铅垂线的夹角β减小。

（2）增大卷筒的直径D。在卷扬起升机构其他参数都不变的情况下，当吊钩组动滑轮下降相同的距离时，卷筒直径越大的起升机构，所需要释放的钢丝绳圈数越少。如公式（3）所示，H和h不变，x减小，使得整体减小，从而使arctan减小，即钢丝绳与卷筒铅垂线的夹角β减小。

（3）增大吊钩组在上极限时定滑轮与动滑轮中心的垂直距离h。在卷扬起升机构其他参数都不变（H和x不变）的情况下，增大吊钩组在上极限时定滑轮与动滑轮中心的垂直距离h，使得整体减小，从而使arctan减小，即钢丝绳与卷筒铅垂线的夹角β减小。

以上就是我们根据钢丝绳绕进和绕出卷筒时最大偏斜角的计算公式总结出来的三种方法。

（4）除了以上三种外还有一种方法是增大吊钩组上两组动滑轮组的水平距离，即增大图1中b的尺寸，使起升机构的吊钩组在上极限时，钢丝绳处于“八”字的形态，而不是垂直与卷筒轴。这样在卷筒释放钢丝绳，吊钩组动滑轮逐渐下降的过程中，钢丝绳先从“八”字形过渡到垂直于卷筒轴心，然后再从垂直于卷筒轴心过渡到如图1中所示上宽下窄的形态。

在增大吊钩组上两组动滑轮组的水平距离（增大b）时要注意，该尺寸不能太大，该尺寸过大会导致“八”字的角度过大，使得钢丝绳与卷筒上已经缠绕好的相邻的钢丝绳造成干涉，最终磨损钢丝绳，减少钢丝绳的使用寿命。

该方法原理上与以上提到的方法（3）其实是相同的，因为在钢丝绳从“八”字形态过渡到垂直于卷筒轴心的过程中也就是增大了起升机构中的定滑轮中心和动滑轮中心的距离，即增大公式（3）中的h值。

3 实际应用

在卷扬起升机构的实际设计应用中，受制于用户对起重机起升高度的要求，以上方法（3）——增大吊钩组在上极限时定滑轮组与动滑轮组中心的垂直距离，意味着会减少起升机构的净起升高度。所以在设计卷扬起升机构时，我们应该根据所设计起重机的桥架结构，结合实际情况，在满足用户要求起升高度的前提下，尽可能增大吊钩组在上极限时定滑轮组与动滑轮组中心的垂直距离。

日常的设计应用中，不难发现以上方法（1）和（2）是三种方法中最直接有效的。然而起升机构的滑轮倍率不能太小，卷筒直径也不能无限增大。因为受制于起升机构起升速度的限制，滑轮倍率太小、卷筒直径太大都会使相应的减速机速比增大。而大直径卷筒和大速比减速机都不仅会增大起升小车的外形尺寸，也会增加减速机的采购或制造成本。所以，设计人员在设计中应该零活应用以上提出的四种方法，然后再权衡机构中电机、减速机等的成本，设计出一个经济可行的起升机构方案。

4 结束语

文中推导出的公式（7）可以让设计人员在设计起重机起升机构时，很快的验算出某个起升机构中钢丝绳的最大偏斜角是否超过设计规范的要求。如果验算出偏斜角过大，可以根据情况选择利用以上总结出来的四种方法，对起升机构中的参数做出调整，直到验算出的偏斜角小于3.5°即可。这样不仅大大提高了设计工作的工作效率，让设计人员在设计过程中能够有方法可循，也使我们设计的起重机产品更具安全性和可靠性。

参考文献：

[1]GB/T3811-2008.起重机设计规范[S].

[2]文豪.起重机械[M].北京：机械工业出版社，2013：166-178.

[3]张质文，虞和谦，王金诺等.起重机设计手册[M].北京：铁道出版社，2008.

[4]JB/T9006-2013.机械行业标准[S].

作者简介：杨李梁（1986-），男，山西孝义人，本科，助理工程师，机械设计工程师，研究方向：起重机械。