钢丝绳卷扬式装船机平衡梁故障分析及改进

汪列文 徐玉澎

秦皇岛港股份有限公司第九港务分公司

摘 要：针对装船机实际故障，对卷扬式装船机平衡梁结构，结合设备工况及力学计算校核结构稳定性，优化了设备结构，降低了设备维修难度。

关键词：装船机； 平衡梁； 优化； 稳定性

1 引言

秦皇岛港煤五期SL10装船机臂架俯仰采用钢丝绳卷扬方式，通过电机、减速机驱动齿轮副机构带动钢丝绳卷筒运动达到臂架俯仰的目的。SL10装船机臂架俯仰机构在门架A字梁结构处有1根平衡梁，该平衡梁的作用主要是调节2根卷扬钢丝绳受力情况。平衡梁位置距离地面有近50 m的高度。在实际生产过程中由于作业量较大，大臂经常做俯仰运动，平衡梁出现运转不灵活、异响声音较大的情况，达不到平衡左右两组钢丝绳的作用，严重影响到生产的正常运行。

2 平衡梁故障原因及存在问题

装船机平衡梁为整段式结构，通过2根定滑轮轴与主梁连接，滑轮轴与平衡梁间有一段类似石墨结构材质的隔套，由于长时间的超负荷运行导致润滑隔套被压溃，平衡梁与滑轮轴咬死，导致平衡梁和钢丝绳梨形绳套铰点处出现运转不灵活、卡死等现象，在运行过程中异响较大。

另外，由于平衡梁为整段式结构，每次拆卸时需要将滑轮轴拆卸顶出才能将平衡梁退出，非常麻烦，此次维修更换过程中考虑将平衡梁换成分段式结构。

3 平衡梁的结构优化

3.1 平衡梁的优化设计

考虑到拆卸维修方便，将原来整体式的平衡梁分割设计成3段，见图1。

1.原平衡梁 2.连接法兰 3.4.5.铰制孔螺栓、弹垫及螺母

图1 三段式平衡梁结构

平衡梁各段之间采用绞制孔螺栓连接，其中法兰采用Q345B，保证与原平衡梁的材质一致，铰制孔螺栓材质采用40Cr。当平衡梁其中一部分出现异响或损坏时，可以单独拆卸平衡梁的一端进行维修，大大降低了维修难度。

3.2 平衡梁结构受力分析

在设计时给定臂架俯仰范围在-12°～65°之间(见图2)，根据重心及力臂的变化可知，当臂架到达最低点时，钢丝绳的受力最大，即在-12°时，钢丝绳受力最大，故通过此处来校核平衡梁的受力情况。

图2 装船机俯仰工作角度

装船机上使用直径为44 mm，6×25Fi，钢芯，镀锌钢丝绳，低应力表面抗拉强度为1 960 MPa，符合钢丝绳第二组6×19(a)类的规格，但此类别中最大直径为40 mm，选取6×19(b)类的规格进行比对，按GB/T8918-1996，直径44 mm，6×25Fi，钢芯，镀锌钢丝绳，选择最大的抗拉强度1 870 MPa，钢丝绳最小破断力为1 200 kN，最小钢丝绳破断拉力总和为1 200×1.287=1 544.4 kN。考虑到平衡梁与钢丝绳连接部位为曲臂结构，平衡梁长度L1=2 685 mm；-12°时钢丝绳工作长度L2=40 830 mm，L1∶L2=0.066，因此可以认为钢丝绳拉力与平衡梁基本垂直。

在钢丝绳作用下平衡梁所受的扭力为：

式中，Fmin为钢丝绳最小破断力，取值1 544.4 kN；L3为钢丝绳作用在平衡梁上的力矩臂，取值0.45 m。计算得：M0=6.95×105 Nm。

平衡梁在工作过程中受到钢丝绳拉力作用产生的弯矩和平衡力矩作用的扭曲作用的组合，该工作条件下，扭矩作用产生的剪切应力和挤压应力远大于弯曲拉压应力。 因此需要对法兰连接螺栓进行弯曲强度校核。

由设计图纸中，平衡梁法兰连接部位为8个绞制孔螺栓承受扭矩作用下的剪应力和挤压应力(见图3)，假设8个螺栓受相同的横向载荷作用，则有：

式中，F为绞制孔螺栓受横向载荷；D0为绞制孔螺栓分布直径，取0.375 m。计算得：F=4.63×105 Nm。

绞制孔螺栓受横向载荷挤压强度校核：

图3 铰制孔螺栓受力

式中，d0为铰制孔螺栓直径，取值32 mm；Lmin为铰制孔螺栓挤压高度，取34 mm；计算得挤压强度σp=425.5 MPa。

绞制孔螺栓选用10.9级高强螺栓，则螺栓屈服强度σs=900 MPa,平衡梁受动载荷作用，取螺栓挤压安全系数

;计算得到螺栓许用压应力：

[σp]=0.75(900/1.25)=540 MPa

σp<>σp]，σp小于许用压应力[σp]，挤压强度满足要求。

绞制孔螺栓受剪切载荷强度校核：

式中，i为绞制孔螺栓杆受剪切面数目，取i=2。

计算得到螺栓剪切应力：

τ=120.6 MPa

绞制孔螺栓选用10.9级高强螺栓，则螺栓屈服强度σs=900 MPa，平衡梁工作过程中为动载荷,

,计算得到螺栓许用压应力：

[τ]=(900/4)=225 MPa

τ<>τ], τ远小于[τ]，满足剪切强度要求。

4 结语

在确保三段式平衡梁的稳定性之后，制作了优化后的平衡梁结构，按计划顺利完成了对SL10平衡梁的更换工作，解决了平衡梁异响问题，运行情况良好。实践证明，优化后的三段式平衡梁能满足装船机使用要求，并且能有效降低设备维修难度，为卷扬式装船机的整体设计提供了改进依据。

汪列文：066000，河北省秦皇岛市海港区河北大街东段24号

Fault Analysis and Improvement of Balance Beam of Steel Wire Boom Luffing Winch Ship-loader

Wang Liewen Xu Yupeng

9th port Branch of Qinhuangdao Port Co.，Ltd.

Abstract：Based on the actual fault of the ship loader, the structure of balance beam in the boom luffing winch ship loader is reconstructed. Combined with the equipment working condition and mechanical calculation, the stability of the structure is derived, and the structure of the equipment is optimized, through which the equipment maintenance difficulty is reduced.

Key words：ship loader; balance beam; optimization; stability

收稿日期：2016-12-16

DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.02.009