多层缠绕卷筒在双小车岸桥上的研究与应用

李传浩，张 卫，王延春

（青岛新前湾集装箱码头有限责任公司，山东青岛 266500）

引言

随着世界港口物流的快速发展，超大型集装箱船逐渐变为海洋物流运输的主要船型[1-2]。船舶大型化带动港口岸边装卸设备向更高、更大的方向发展，高扬程及大起重量的设备导致驱动卷筒的直径和长度加大，从而导致重量与转动惯量增加，在此背景下，必须配置更大功率型号的电机以及更大的空间[3-5]。在自动化集装箱码头，岸边装卸设备大都采用的是装卸效率高、方便与水平运输设备实现自动交互的双小车岸桥[6-7]，根据码头作业模式，双小车岸桥机械房垂直对应的地面区域属于设备维保区域，为确保在维保工作时不影响码头整体的正常运行且能够保持岸桥平衡，需要将岸桥的机械房转移至大车轨距内对应大梁上，这样便缩短了机房内俯仰卷筒与梯形架滑轮组的水平距离，加大了钢丝进出滑轮和卷筒的偏角，从而对滑轮和卷筒的位置布置等提出了更严格的要求。

本文以青岛港自动化集装箱码头的双小车岸桥俯仰机构为研究对象，提出一种多层缠绕卷筒（又称篱笆式卷筒）控制方式，在合理布局岸桥机械房卷筒及滑轮的前提下，设计了一套符合国标规范的缠绕系统，并对钢丝绳的受力进行仿真研究，同时结合实际生产作业统计多层缠绕卷筒出现的问题，并针对问题提出相应的解决方案，最终证明了多层缠绕卷筒控制方式在自动化集装箱码头双小车岸桥上的应用具有可行性。

1 多层缠绕式卷筒介绍

1.1 多层缠绕式卷筒特点

相对于单层缠绕式卷筒而言，多层缠绕卷筒缠绕及实现方式较为复杂，图1 为多层缠绕卷筒钢丝绳系统卷绕方式。

图1 多层缠绕卷筒钢丝卷绕方式

钢丝绳在多层缠绕卷筒上每卷绕一圈可以分成四段，四部分中又包含折线段（Crossover-section）以及直线段（Parallel-section）两大部分[8-10]。

1.2 多层缠绕卷筒使用要求

多层缠绕式卷筒占用较小的空间便可解决俯仰机构起升高度问题，但在使用条件上，如钢丝预紧力、卷筒绳槽、钢丝偏角、钢丝形式及直径公差等方面有着比常规卷筒更高的制造要求[11]。一般有如下规定：

1）无论哪种工况下，卷筒法兰都应和卷筒壁呈现垂直状态；

2）在钢丝绳拉力F拉与破断载荷F破断关系上，德国规范规定F拉≥ 0.02F破断，日本规范规定F拉≥0.017F破断；

3）钢丝绳与卷筒之间偏角η必须满足如下条件：0.25° ≤η≤ 1.5°；

4）当钢丝绳自多层缠绕卷筒向定滑轮进行卷绕时，定滑轮的中心应该和卷筒法兰宽度始终呈对中状态；

5）钢丝绳必须保持不松散和直径公差要求。

2 多层缠绕卷筒数学建模及设计

2.1 多层缠绕卷筒数学建模

多层缠绕卷筒可以实现多层缠绕，并且具有自动排缆的功能，其卷数及层数计算模型如图2 所示。

图2 多层缠绕卷筒模型

依据钢丝绳在缠绕时体积不变的原理，有等式（1）。

式（1）中，r-卷筒半径，d-钢丝绳直径，s-钢丝绳总长，p-卷筒每层可绕圈数。整理可得式（2）。

式（2）中，L 为可以卷绕的层数（取整数部分），L 小数部分乘以p 为可以缠绕的圈数。即

2.2 多层缠绕卷筒的控制方式

多层缠绕卷筒的控制方式共有两种[12]：

1）卷筒线速度一定；

2）钢丝绳受力一定。

以上两种控制方式皆未在自动化集装箱码头双小车岸桥中有实际应用，且钢丝绳受力一定的控制方式实现较为复杂，故而在对卷筒进行设计时采用线速度一定的控制方式。图3 为线速度一定的卷筒控制方式模型。

图3 线速度计算模型

图3 各个参数代表含义与图2 相同，本节不重述。根据角速度及线速度之间的关系，有式（5）。

式（5）中，n 为卷筒的转速，ω 为卷筒的角速度。

根据图3 所建立的线速度模型，可得式（2-6）

式（6）各参数代表含义与式2-1 相同，在这里不再重述。

联立式（5）及式（6）可得式（7）及式（8）：

在岸桥俯仰机构动作时，线速度一定的多层缠绕卷筒控制方式可根据卷筒上钢丝绳实时层数改变钢丝绳线速度。

基于以上条件公式，多层缠绕卷筒结构相关的参数值见表1。

表1 多层缠绕卷筒参数

2.3 自动化码头俯仰钢丝绳导绕系统参数设计

为保证出绳角符合国标规范，主要对俯仰卷筒-大梁铰点-梯形架及梯形架滑轮组间距-俯仰卷筒单侧间距进行尺寸布局设计。

1）俯仰卷筒-大梁铰点-梯形架相关布置见图4。

图4 俯仰卷筒-大梁铰点-梯形架布置

图4 中，l1-机房俯仰卷筒和岸桥前大梁铰点之间的水平距离，计16.2 m；l2-卷筒与梯形架滑轮之间的垂直距离，计27.9 m。则卷筒至滑轮的距离计算可用式（9）进行计算

将l1及l2的数值代入，得卷筒与滑轮之间的直线距离为32.3 m。

2）梯形架-梯形架滑轮组间距-俯仰卷筒单侧间距布置如图5 所示。

图5 梯形架-梯形架滑轮组-俯仰卷筒布置

图5 中，l1为梯形架滑轮组间距，计2.2 m，l2为俯仰卷筒单侧长，计1.4 m，则出绳角计算可以式（10）进行表示。

将相关数据代入式（8）可得α=1.24°，出绳角符合国标要求。

3 基于Workbench 的钢丝绳受力分析

3.1 滑轮尺寸设计

在对钢丝绳进行缠绕设计时，为了提高其寿命，必须保证滑轮包角处于合理规格范围内，滑轮包角与钢丝绳疲劳寿命之间的关系见表2[13]。

表2 滑轮包角与钢丝绳疲劳寿命关系

绳槽尺寸也会对钢丝疲劳寿命产生影响，具体如下所示：

1）绳槽过大。此时钢丝绳与滑轮之间的接触形式由面转换为线，单位面积受力变大，从而磨损增大；

2）绳槽过小。此时会对对钢丝绳产生挤压，若长期处于这种情况，则钢丝绳容易产生变形甚至是断丝。

在对滑轮绳槽尺寸进行设计时，主要遵循表3所示规定：

表3 滑轮绳槽尺寸

根据现场相关调试经验，在使用多层缠绕卷筒时，滑轮绳槽直径最好为1.05 倍钢丝绳直径，除滑轮尺寸相关规定外，还应保证钢丝绳侧边开角在30°～60°之间，本课题使用 Ø34 mm(6×WS(36))+IWRC1960 级别/1 740 m 型钢丝绳，根据上述规定，设计滑轮尺寸见图6。

图6 滑轮槽尺寸

3.2 钢丝绳受力计算

图7 为钢丝绳及滑轮布置图。

图7 钢丝绳及滑轮系统布置

图7 中，l1=31.7 m，l2=18.3 m，l3=25.9 m，l4=37 m，l5=59 m，l6=26.5 m，从左至右钢丝绳分别受力为F、2F 及8F。根据三角函数相关计算，有式（11）及式（12）。

代入数据可得α=44.33°，β= 65.77°。

当前大梁从水平刚抬起的时刻，此时钢丝绳承受的力最大，依据力及力矩的平衡原理得式（13）、（14）及式（15）。

计算可得钢丝绳受力的最大值为 1.8×105N。

3.3 基于workbench 的钢丝绳有限元仿真

采用 Ø34mm(6×WS(36))+IWRC1960 级别/1 740 m 型钢丝绳，该钢丝绳由6 股钢丝绳与1 股绳芯构成，捻距 250 mm，采用钢芯钢丝，使用Solidworks 软件对6 股钢丝绳与1 股绳芯进行建模并进行装配（36 丝予以简化），股与股之间设置紧密连接方式[13]，导入Workbench 后的模型如图8 所示。

图8 6×34 钢丝绳模型

在ANSYS Workbench 中，采用static structure模块对钢丝绳进行静力学分析。一端设置为固定约束，另一端施加载荷，使用自由网格命令划分[14-15]，得到网格如图9 所示。

图9 钢丝绳模型网格划分

施加压力载荷为50 MPa，得到等效应力云图，如图10 及图11 所示：

图10 钢丝绳等效应力云图

图11 钢丝绳截面等效应力云图

通过图10 以及图11 可知，最大应力位于相邻两个绳股的接触区域，绳芯所受压力最小，其中最大应力为182.34 MPa。

通Workbench模拟计算得到钢丝绳等效应变云图如图12 及图13 所示。

图12 钢丝绳等效应变云图

图13 钢丝绳截面等效应变云图

从等效应变云图中可以看出，最小应变约为0.0009 mm。

4 多层缠绕卷筒的应用

4.1 多层缠绕卷筒应用中存在的问题

俯仰机构为港口岸桥上非常重要的机构，一旦发生危险，将造成无法挽回的事故。本节分析青岛港自动化集装箱码头双小车岸桥俯仰机构采用多层缠绕卷筒后出现的问题并制定合理建议，为其他双小车岸桥应用多层缠绕卷筒提供借鉴，图14 及图15 为应用过程中出现的问题。

图14 左侧卷筒距离满层第六圈断丝

图15 右侧卷筒第二层断丝

根据相关数据统计，钢丝绳在两处位置磨损严重：第一处为钢丝卷到第二层过卷筒中心线进入折线段，随着钢丝与卷筒夹角逐渐变大，造成受力较大，钢丝磨损越来越严重，断丝80 %集中在此区域；第二处为卷筒在卷绕过程中，第一与第二层或第二与第三层导向换层及其相邻区域钢丝绳，由于承受的损伤较为严重产生的断丝约占20 %。

4.2 改进方法及建议

因多层缠绕式卷筒在自动化码头双小车岸桥并没有成熟的案例，亦无成熟的理论计算方法以减少钢丝绳的磨损，故在实际应用过程中主要根据维修保养人员的经验进行调试以减少钢丝绳磨损，主要有如下建议:

1）对钢丝进行加强润滑；

2）将钢丝与卷筒之间的入绳角调小；

3）卷筒换层导向垫块、篱笆皮节距需严格按多层缠绕卷筒的工艺要求机加工制作；

4）使用合适的直径的钢丝绳，对其直径公差进行严格控制；

5）预留备用钢丝置于卷筒，综合考虑钢丝绳的磨损情况和预期寿命，在桥吊维修或保养时，剪掉一小段钢丝串动钢丝绳，使得原交叉区已磨损钢丝绳转移至平行区域内，从而达到延长钢丝的使用寿命的目的，其中，剪掉钢丝绳的长度应为卷筒上第一层钢丝绳周长的1/6。

根据上述建议进行俯仰机构的维护保养，目前自动化集装箱岸桥俯仰机构钢丝绳卷绕系统运行良好，断丝现象大大减少。

5 结语

本文以青岛港全自动化集装箱码头双小车岸桥俯仰机构为研究对象，使用了一种新型多层缠绕式卷筒，首先对多层缠绕式卷筒进行数学建模，确定了卷筒线速度一定的钢丝绳控制方式，为保证钢丝绳出绳角在规定范围内，合理布置了大梁卷筒及滑轮的位置并对钢丝绳进行了有限元受力分析，给出了多层缠绕卷筒在实际应用过程中出现的问题，结合调试经验，提出合理化建议，为多层缠绕卷筒在其他双小车岸桥上的应用提供了借鉴与经验。