多层钢丝绳的乱绳问题.doc

钢丝绳乱绳问题的解决方法

　　钢丝绳或许是任何提升设备最重要的元件，必须正确无误地卷绕到绞车卷筒上，才能顺利地进行作业。带有绳槽的卷筒有助于将钢丝绳整齐地卷绕，避免钢丝绳乱绳。钢丝绳的卷绕，要尽量平滑，这样才能发挥钢丝绳的性能，延长使用寿命。
　　钢丝绳卷绕在卷筒上的理想形式是一定要开始于卷筒的一端，每当卷筒旋转一圈时，新卷绕的钢丝绳恰好落在下面一层钢丝绳的绳股之间。当钢丝绳卷绕到卷筒的另一端（或法兰）时，钢丝绳开始卷绕第二层，然后再整齐地卷绕到它最先开始的法兰处。
　　当卷筒上有几层钢丝绳时，上层钢丝绳有可能挤压下层钢丝绳。若上层绳股与下层绳股成一定角度，问题尤其严重。
　　卷筒上若有为钢丝绳导向的绳槽，将有助于卷绕顺利进行。绞车卷筒基本有两种绳槽形式，一是螺旋式的，一是折线式的。
　　螺旋式绳槽就像一条螺旋线，或者像螺栓的螺纹线。螺旋式绳槽有助于引导钢丝绳整齐地卷绕在卷筒上，避免钢丝绳的损坏。然而，这种几何形状绳槽的问题是，当钢丝绳到达卷筒的一端时，虽然第一层能够整齐地卷绕在整个卷筒上，但不能引导第二层钢丝绳沿着卷筒整齐地绕回，相反，第二钢丝绳自然地按一定的角度压在下面一层钢丝绳上。解决这一问题的办法是在端部法兰上增加一个凸台。即使这样，螺旋式绳槽也不适用于两层以上钢丝绳的卷绕方式。早在上世纪50年代，Frank LeBus就设计了解决这个老问题的方案。Frank LeBus是一位向油田提供设备的美国人，1937年他利用一根绳槽导杆解决了提升卷筒卷绕钢丝绳的问题，并获得了专利。后来他对这个专利进行了改进，称为LeBus双折线卷绕系统。该系统的几何形状与众不同，除了两处是折线外，绳槽与卷筒的法兰（边缘）平行。
　　折线绳槽意味着第二层钢丝绳没有与第一层钢丝绳交叉，它大部分卧在下面一层钢丝绳所形成的绳槽中。它把卷绕钢丝绳交叉的长度减少到卷筒圆周长度的20%左右，而剩下的80%则与内层钢丝绳一样平行于卷筒的法兰。
　　折线绳槽使各层之间的负荷均匀分布，实践证明大大延长了钢丝绳的寿命。事实上，试验表面可延长钢丝绳寿命500%以上。减少钢丝绳的损坏就是提高安全性，并且减少了机械的停工时间。
　　折线绳槽卷筒一般常称之为Lebus卷筒，这种几何形状的绳槽则称之为Lebus绳槽，是以它的发明人命名的。从技术角度上来讲，这种称谓是不正确的，因为Frank的孙子Charles拥有的Lebus国际公司今天仍然存在，并一直生产绞车卷筒和相关卷绕钢丝绳的设备。它的总部设在美国得克萨斯州的longview市，在德国、英国和日本均有姊妹公司。Lebus国际公司今天仍然生产与其名称相同的设备，而其他的公司也生产自己的折线绳槽卷筒。称呼这些卷筒为Lebus卷筒就像称呼所有的履带挖掘机为卡特彼勒挖掘机一样，是不合适的。
　　折线绳槽卷筒的缺点在于，它比较复杂，所以比螺旋绳槽卷筒的价格贵一点。然而，这额外的费用因节省钢丝绳而很快地得到补偿，因为钢丝绳价格很贵，并且更换新的钢丝绳也占用了生产时间。
折线绳槽卷筒也需要一定的作业条件。这些条件中最重要的一个条件是钢丝绳的偏角，它是钢丝绳从卷筒到第一个固定滑轮之间的角度，一般来讲，这个偏角不应大于1.5°，并且不应小于0.5°。虽然有些公司稍有差异（大约有0.25°的变化），但记住这个通用的数据是有好处的。最佳的偏角还取决于负荷、钢丝绳结构和提升速度。这一偏角表明，卷筒距离滑轮每10m，钢丝绳距离卷筒中点的距离不应大于260mm（两法兰之间为520mm)。
　　应用螺旋绳槽的卷筒，偏角可达3o，因为绳槽与法兰就有一个角度，只卷绕一层钢丝绳问题不大。如果第二层有这样大的一个偏角，那么钢丝绳将会因折弯过大而留下间隙，这会损坏钢丝绳。对于在卷筒上只有一层钢丝绳的作业来讲，螺旋绳槽通常是最好的选择。在多层钢丝绳作业方面，折线绳槽具有更高的效率。
　　对于折线绳槽卷筒来说，若其偏角超过推荐的范围，可以利用一个称之为角度补偿器的特殊装置进行补偿。
　　对于多层卷绕的钢丝绳作业，重要的是第一层钢丝绳的卷绕应在拉力下进行，避免内层钢丝绳松弛，被外层钢丝绳挤压或捻压到槽壁上而损坏。
　　一般钢丝绳拉得愈紧，卷绕得愈好。据LeBus推荐，钢丝绳应承受至少2%的破坏载荷或10%的作业载荷。当然对于安全系数和钢丝绳的设计来说，必须做好承受破坏载荷的准备工作。但是向专家咨询，决不是一个坏主意。
　　折线绳槽卷筒的设计和制造，要满足提升作业的特殊要求，绳槽的型式要适应钢丝绳的长度、直径和结构类型。
　　在某些作业方面，省钱的办法是采用一台光卷筒和一个带有折线绳槽的外衬套，将衬套横向切成两部分，用螺栓或焊接将其固定到或焊到光卷筒上。如果将来采用不同类型或规格的钢丝绳的话，可将衬套取下，用为新钢丝绳设计的衬套取代旧衬套。

资料：
　　Lebus钢丝绳卷筒
　　在1937年，油田设备供应商Frank LeBus在提升卷筒上用了一个绳槽导杆解决了卷绕钢丝绳的导向问题，并获得了专利。在上个世纪50年代他改进了绳槽的几何形状，终于发明了Lebus双折线卷绕系统，该系统至今仍是最有效和最完美的方法，能够确保卷筒上的多层卷绕钢丝绳完全平滑地卷入和卷出卷筒，并且可极大地延长钢丝绳的寿命。试验已经表明，采用与钢丝绳规格相匹配的绳槽，Lebus卷筒可延长钢丝绳寿命500%以上。
　　今天，Lebus这个词常常被不正确地用来指所有折线绳槽的卷筒。实际上，只有Lebus生产的卷筒或衬套才能真正称得上是Lebus卷筒

国外折线绳槽卷绕技术的发展和应用现状

[摘要] 主要介绍折线绳槽卷绕技术的起源、发展和在国外某些领域的应用现状与水平。文中还列出了日本部分水电工程上应用折线绳槽卷绕技术的一些实例以及Lebus国际有限公司对使用折线绳槽卷绕技术的一些限制条件，如钢丝绳的偏角、钢丝绳的最小拉力以及对卷筒法兰的要求等，可供国内从事起重机或水工启闭机设计的技术人员参考。

[关键词] 折线绳槽 Lebus绳槽
卷筒
起重机 启闭机

1 折线绳槽卷绕技术的起源
目前在我国起重行业流行的“折线绳槽”一词，是指从国外引进的一种适合钢丝绳多层卷绕的绳槽形式。由于这种绳槽在卷筒周向的大部分区段上保持与法兰端面平行，只在很小的区段上与法兰端面相交，因此绳槽必然出现拐折现象，故而得名“折线绳槽”。
折线绳槽起源于美国，是由美国Lebus国际有限公司(Lebus International Inc. )的创始人Frank.L.Lebus先生发明的，故国外一般称这种绳槽为“Lebus Grooves” ，即Lebus绳槽。
早在1900年，Lebus先生就已涉足美国的油田工业界，并通过为迅速发展的德克萨斯州西部油田提供钻探设备的专用工具和配件开始了他的创业史。那时，Lebus先生开办的企业还只是一家铁器作坊。后来，Lebus先生通过对石油钻探设备的观察，发现这些设备上的钢丝绳常常不能在卷筒上均匀缠绕，致使钢丝绳严重磨损并很快报废。这引起了他的浓厚兴趣，于是，他开始了对钢丝绳缠绕方式及绳槽形式的研究，终于发明了折线绳槽，并使之成为一种专门的绳索卷绕技术。

2 折线绳槽卷绕技术的发展阶段
折线绳槽技术的发展，按时间划分大体上可分为两个阶段，即1937～1949年为第一阶段，1950年以后为第二阶段。

1937年，Lebus先生在美国德克萨斯州东北部的郎维尤城(Longview)创建了Lebus国际有限公司。也就是在这一年，他发明了“Lebus绳槽”，并将世界上第一个带有“Lebus绳槽”的卷筒应用于油田的钻井设备，获得了成功。在此之后，随着世界各国特别是欧美和日本等国陆地和海上石油开采工业以及其它工业的快速发展，“Lebus绳槽”的应用也随之扩大。特别在1945年以后，这一技术在不同领域的卷扬机构上得到了大量应用。不过，这时的“Lebus绳槽”在一圈内只有一个斜旋段(相对于法兰)，即在多层缠时，上下层的钢丝绳在卷筒上仅有一个交叉过渡区。
与此同时，Lebus先生根据在不同领域实际使用的情况，对最初的绳槽形式也进行了不断的改进。至1950年，他又发明了带有两个斜线段的“Lebus绳槽”槽形(见图1)和“Lebus绳槽偏角补偿器”，使这种绳槽的卷绕性能更趋完善，而这种带有两个斜线段的绳槽槽形也一直保持至今。从此，Lebus绳槽不仅在石油钻井和采矿工业，而且在建筑施工、航空吊运、深海探测、起重工业等领域都得到更为广泛的应用。

3 国外折线绳槽的应用现状

3.1 绳槽槽形与卷筒法兰

如上所述，折线绳槽的槽形有两种形式，一种是单折线绳槽，一种是双折线绳槽。前者为最初的绳槽形式，后者为改进的绳槽形式，目前应用较多的是后一种形式。双折线绳槽的斜绳槽和直绳槽交替出现，这样在卷筒表面上就出现了两个斜绳槽区和两个直绳槽区。所谓斜绳槽，是指与卷筒母线斜交的绳槽，直绳槽是指与卷筒母线直交或与法兰平行的绳槽。斜绳槽约占圆周长的20%，直绳槽约占80%。

折线绳槽已被Lebus公司注册为一种产品。它既可以直接在卷筒上加工成型，也可以制成带有这种绳槽的套，并且做成分体式的。安装时包裹在光面卷筒上，通过螺栓或焊接与卷筒连接成一体。目前，国外以这种方式使用折线绳槽的卷筒居多。

绳槽套的材料可为碳钢、不锈钢、合金钢、铝或玻璃纤维等。

卷筒的法兰多为平板型，结构简单，便于加工制造。不论缠多少层，只需在卷筒的第一层加垫块，这样，每一层钢丝绳的圈数都相等。

3.2 缠绕层数、速度、钢丝绳直径、卷筒直径及容绳量

Lebus公司声称采用折线绳槽的钢丝绳直径可以从1mm到100mm，层数可以到50层，卷筒直径最大可以到5m，而钢丝绳的线速度则无限制。以下是根据现有资料整理的一些应用实例。

(1)钢丝绳直径

最大为94mm，用在日本[响声丸]号船的500t起重机上，卷筒的名义直径为2 094mm，卷筒法兰间距为1 953mm，共缠绕7层；其次是日本现代造船使用的[ODECO]型起重机，钢丝绳直径最大为88.9mm，卷筒的名义直径为1 511mm，卷筒法兰间距为2 096mm，共缠绕11层；还有三菱重工业株式会社下关造船所使用的[ODECO]和[SEDECO]起重机，钢丝绳直径分别为82.6mm和76.2mm。前者卷筒直径1 363mm，法兰间距1 487mm，共卷绕14层；后者卷筒直径1 422mm，法兰间距1 152mm，共卷绕16层。

(2)钢丝绳层数

最多为49层，用在日本[百凤丸]号海洋研究船的3号起重机上。钢丝绳直径6mm，卷筒直径450mm，法兰间距698mm；其次为英国的WDA.10.40型深海探测绞车，缠绕钢丝绳48层，线速度为172m/min，但钢丝绳较细，直径只有6.45mm。

(3)线速度

折线卷筒的最大线速度为190m/min，用于南非海军使用的水文勘察绞车，该绞车卷筒的容绳量达10 000m，但钢丝绳直径只有4mm；其次为英国的深海重型单卷筒钻探绞车，最后一层钢丝绳线速度为180m/min，折线绳槽卷筒容纳9 096m长的镀锌变截面钢丝绳，缠绕36层，钢丝绳直径从13mm变到11mm。还有英国的WDA.10.40型深海探测绞车，最后一层钢丝绳的线速度为172m/min。

(4)卷筒直径、容绳量

卷筒的容绳量最大为10 000m，用在南非海军水文勘察绞车上。另外，日本某设备的电缆卷取装置也达到了10 000m的容绳量，且电缆直径44mm，卷筒的名义直径4 525mm，法兰间距4 500mm，是已知的折线卷筒中卷筒尺寸最大的。

3.3 在水电工程上的应用

Lebus公司的折线绳槽卷绕技术虽然在诸多领域广泛应用，但在欧美诸国水工启闭机械领域内尚难觅其例。这同这些国家的水工布置特点和机械工程师在水工闸门启闭机的选型上大多宁可选用液压启闭机的选型指导思想有关。所以，在西方的水电站建设中很少见有采用大吨位高扬程卷扬启闭机的工程实例。在日本，则能找到一些应用实例，见表1（略）。

根据表1（略）可以看出，在日本的水工起重机械上，折线绳槽卷筒的钢丝绳最粗为60mm，卷筒直径最大到2 400mm，卷绕的层数最多达到了10层，而卷筒的长度普遍较短。

4 Lebus公司对折线绳槽使用条件的限制

Lebus公司对折线绳槽的使用条件做出了如下规定：

(1)卷筒的法兰必须在任何条件下都保持与卷筒壁垂直，即使在有荷载作用时也一样；

(2)为避免钢丝绳出现“跳槽”或“越轨”现象，钢丝绳必须保持足够的拉力，以使钢丝绳能始终紧贴绳槽表面。当不满足此条件时，应加设钢丝绳压辊。

在这方面， Lebus公司的一些分公司规定了具体数值，但稍有差异：Lebus德国分公司规定钢丝绳上的拉力应不小于钢丝绳破断荷载的2%(或工作荷载的10%)，而日本分公司则规定应不小于钢丝绳破断荷载的1.7%。

(3)绳索偏角最好保持在0.25°～1.25°内，最大不超过1.5°，如不能满足此条件，则必须使用Lebus钢丝绳偏角补偿器(Fleet angle compensator)来进行纠正。

关于绳索的最小偏角，Lebus公司的一些分公司之间稍有差异，如：美国和日本规定为不小于0.25°，而德国规定为不小于0.5°。

(4)从卷筒上放出的钢丝绳绕向定滑轮时，定滑轮的中心必须与卷筒法兰间的宽度对中。

(5)绳索必须保持它的不松散性和圆的形状，即使在最大荷载下也一样。

Lebus公司认为，当满足以上条件时，使用折线绳槽卷筒可安全地进行多层卷绕而不会出现任何问题。