黄河规划设计

国外折线绳槽卷绕技术的发展和应用现状

孙鲁安王国栋耿鹏举(工程设计院) [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。图1 双折线绳槽(Lebus绳槽)展开示意图至20世纪60年代以来，美国Lebus国际有限公司相继在日本、英国、德国、澳大利亚、挪威、南非和新加坡等国建立了下属的子公司或代理销售、服务公司。Lebus技术已享誉整个世界。目前，Lebus国际有限公司正在第三代继任人、现任首席执行官Charls Lebus(1978年继任)的带领下，继续着它的成功的故事和辉煌，这是在20世纪初还是个铁匠师傅的老Lebus先生始料不及的。 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。根据表1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。 5 结束语有关国外折线绳槽卷绕技术的报道在国内并不多见，笔者也是在修编《水利水电工程启闭机设计规范》(SL 41-93)的过程中搜集了一些这方面的资料，且多为外文资料。因资料有限，文中所列与折线绳槽卷绕技术有关的一些“最大”参数用例，有可能在现今已不一定是真正的最大，但总体上还是能反映出国外对这一技术的应用水平，供参考。与国外折线绳槽卷绕技术的应用水平相比，不论是在应用的钢丝绳的直径上，还是在卷绕的层数上，国内起重行业还存在一定的差距。