浅析差动开闭四绳抓斗系统

摘 要：文章论述了常用四绳抓斗存在的缺点，针对需在渣浆池捞渣作业的四绳抓斗存在的维修工作量大、备件材料消耗高的问题，提出了差动开闭四绳抓斗的具体方案，并对控制系统的改造提出基本要求。

关键词：四绳抓斗；滑轮组；钢丝绳；差速器

引言

抓斗作为搬运散料的吊具，在车站、港口、冶金工厂、水利、电站等都有广泛的应用。抓斗的类型很多，按照驱动抓斗颚板摆转开闭的方式可分为自带动力式抓斗、绳索抓斗和不自带动力非绳索抓斗三种。其中绳索式抓斗的颚板开闭是利用起重机上起升机构的钢绳索来驱动抓斗内部部件达到的，具有结构简单、自重较小、制造成本较低、工作效率较高的特点，应用最为广泛，目前绳索式抓斗最常用的是四绳抓斗。

四绳抓斗有以下四部分组成：安装着上滑轮组的上承梁、安装着下滑轮组的下承梁、斗体（颚板）和连杆，上承梁、下承梁、斗体和连杆之间通过铰轴连接。从起重机垂下的起升支持绳与上承梁相连接，开闭绳穿过上承梁的孔道绕入分别安装在上、下承梁的滑轮组，形成减速增力滑轮组，可使上、下承梁之间的闭合力数倍于起升机构钢丝绳的拉力，同时起到降低颚板开闭速度的作用。

由于四绳抓斗系统传动、控制系统存在固有缺陷，使其不可避免的存在以下缺点：

（1）由于支持与闭合机构之间没有固定的联系，抓斗工作的开闭、起升协调主要靠司机的熟练程度，在抓斗工作时司机劳动强度大，容易疲劳，易产生误操作。

（2）在抓斗沉抓之后，起升的瞬间，司机稍有疏忽会造成闭合电动机单独受力，闭合电动机容易过载，甚至烧毁。

（3）抓斗上升和下降极限位置不易控制，下降时抓斗易与料堆强烈碰撞。

（4）打开、闭合抓斗时，开度控制靠司机的熟练程度，准确性不易掌握，开度小时，影响抓斗的工作量，开度过大时，下降时抓斗易与料堆碰撞，闭合绳容易从滑轮组中脱槽跳出，致使闭合绳过早的报废。

（5）抓斗穿钢丝绳时，司机和钳工协调困难，极易出现工伤事故。

（6）为实现合适的抓斗工况，司机经常点动操作或打回车，电器元件或电动机经常处于过渡过程，降低了电器元件的使用寿命。

（7）对于需在渣浆池捞渣作业的四绳抓斗，由于其开闭钢丝绳、滑轮组经常浸泡在浆液中，钢丝绳、滑轮组轴承的状态不能维持，产生磨损、腐蚀是必然的，进一步发展就会引发事故或故障，导致设备作业率降低，维修工作量、消耗增大。

新兴铸管股份有限公司第二炼铁部两座高炉都采用水冲渣处理系统，水渣到冲渣池后，通过抓斗天车捞渣、装车，抓斗天车为24小时工作制。在使用过程中，上述问题均有出现，但最突出的影响主要体现在以下两方面：一是开闭钢丝绳使用寿命短，平均更换周期在20天左右；二是上、下滑轮组轴承损坏频繁，平均使用寿命在25天左右。是造成工人劳动强度加大和维修成本增加的主要因素。

1 直连开闭抓斗的试用

为了提高开闭钢丝绳和上、下滑轮组轴承的使用寿命，我们试用了直连开闭抓斗，直连开闭抓斗（如图1所示）就是拆除上、下承梁上安装的滑轮组，在上承梁上开一圆孔，拉杆穿过圆孔连接在下承梁上，开闭绳直接连在拉杆的上端。捞渣作业时，天车司机操作方法不变，升降绳和开闭绳同向运动时，抓斗升或降；开闭绳单独运动时，抓斗开或闭。

试用效果：直连抓斗达到了预期的目的：一是取消滑轮组杜绝了滑轮组的频繁更换；二是开闭钢丝绳不需进入水中，寿命大大延长。但是由于取消滑轮组导致抓斗开闭速度成倍增加，又带来了新的问题：在渣池中抓渣时，抓斗闭合速度过快，颚板推动水快速流动，部分渣随水流又从抓斗上部溢出，明显降低了工作效率；在装车时，开斗速度过快，大量水渣集中下落，对运输车辆造成强烈冲击。因此此方法仅试用了20余天就又恢复了常规四绳抓斗使用。

2 差动开闭四绳抓斗

为了解决开闭钢丝绳使用寿命短和上、下滑轮组轴承损坏频繁的问题，在后续的使用中，又实施了滑轮组轴承密封改进、滑轮组轴承改为滑动轴承、钢丝绳改用镀锌钢丝绳等改进措施，但效果都不明显。

最终的改造方案还是回到了使用直连式四绳抓斗，但前提条件是抓斗开闭的速度降下来，即开闭卷筒要具有高低两种速度输出，高速用于抓斗升降，低速用于抓斗开闭。

实现多速输出的方法有：变频器多速控制输出、齿轮变速机构、差速器等，综合考虑可靠性、可维修性、易于操作和调整等方面因素，选择使用差速器来实现开闭卷筒的双速输出。

图2 普通圆锥齿轮差速器示意图

差速器是一种能使旋转运动自一根轴传至两根轴，并使后者相互间能以不同转速旋转的差动机构，反之，两种不同转速旋转通过差速器，也可以得到合成后的转速，改变任意一个输入的旋转速度，就可改变输出的转速。图2为普通圆锥齿轮差速器示意图，当给圆锥齿轮1、4输入不同的旋转速度？棕1、？棕2时根据运动分析可得：

心轴3的旋转速度为：？棕0=（？棕1+？棕2）/2

当？棕1=0时，？棕0=2/2，同样当？棕2=0时，？棕0=1/2，这样通过输入不同的？棕1、？棕2，就可以得到需要的不同的？棕0的转速输出，差动开闭四绳抓斗就是利用差速器的特性来实现开闭卷筒输出不同转速的。

图3 抓斗传动结构示意图

1、电机 2、开闭卷筒 3、提升卷筒 4、减速机 5、齿轮 6齿轮 7、圆锥齿轮 8、行星圆锥齿轮 9、圆锥齿轮 10、电机 11、电机 12、减速机 13、开闭行程控制器 14、心轴 15、行星轮轴

差动开闭四绳抓斗驱动机构如图3所示：开闭卷筒3由电机10、11通过差速器传动，两台电机分别工作时，开闭卷筒3可实现两种不同的转速输出。升降抓斗时，电机1、10同时工作，电机1通过减速机12驱动升降卷筒，电机10通过圆柱齿轮6驱动与行星齿轮7为一体并套装在心轴14上的圆柱齿轮5，由于此时圆锥齿轮9固定不动，所以行星圆锥齿轮7驱动行星齿轮8带动行星轮轴15和心轴14转动，再通过减速机4驱动开闭卷筒，电机1和电机11采用相同规格，由前面差速器运动分析知：？棕0=1/2，要保证开闭卷筒和升降卷筒同速转动，齿轮6与齿轮5的速比应为2。开闭抓斗时，电机1、10不工作，电机11通过套装在心轴13上的圆锥齿轮9驱动行星齿轮8，由于圆锥齿轮7、圆柱齿轮5固定不动，所以行星圆锥齿轮带动行星轮轴15和心轴14转动，再通过减速机4驱动开闭卷筒，实现抓斗的开闭，同样由差速器运动分析：？棕0=？棕2/2，在电机10、电机11规格型号相同的情况下，即可实现抓斗开闭速度降低一半，如果要求抓斗开闭速度进一步降低，还可采用增加电机级数或采用变频控制等方法。

图4 为差动减速器结构示意图

3 差动开闭四绳抓斗的优点

采用了这种传动形式，就可以使用直连式四绳抓斗。由于抓斗开闭由电机11单独控制，并速度可调，开闭钢丝绳可直接连接在下横梁上，去掉上、下横梁上的滑轮组，可大大的降低维修工作量、降低备件、材料消耗。

由于抓斗开闭动作和电机11单独相关，还为抓斗开闭的精确控制创造了条件。在开闭电机11的轴上连接抓斗开闭行程控制器，就可以控制抓斗的闭合点和抓斗的最大开度，可以避免由于天车司机操作不熟练造成的开斗时钢丝绳松弛和闭斗时开闭绳单独承受负荷的情况，降低钢丝绳脱槽、开闭电机烧损等故障。

4 差动四绳抓斗的控制与操作

采用差动开闭抓斗后，电器控制系统要做相应改造，基本要求是：电机1、电机10共同承担抓斗的起升和下降，由一个操作手柄控制两台电机同时启动、停止、反转等；抓斗的开闭由电机11驱动，其启动、停止、反控制由另一个操作手柄转等。

相应的天车司机的操作大为简化，抓斗的上升、下降只需操作一个手柄，而另一个手柄控制抓斗的开闭，两个手柄配合操作还可实现在抓斗上升、下降过程中对抓斗吊开闭操作。

5 结束语

文章引言中叙述的普通四绳抓斗存在的多个问题，在差动四绳抓斗上有的得到了彻底解决，如上下滑轮组、开闭钢丝绳使用寿命短的问题，有的得到了极大的改善，如因司机操作不熟练导致钢丝绳松弛、脱槽和开闭电机易过载等。

实践证明差动四绳抓斗用于在泥浆池中捞渣作业是可行的，它易于操作，可显著降低维修工作量，但因其简化了抓斗结构，去掉了安装在上、下承梁的滑轮组，没有了可使上、下承梁之间的作用力数倍于起升机构钢丝绳的机构，在装卸较硬的、比重较大的或块度较大的物料场合使用，还需论证。另差速机构相对比较复杂，其设计、制造和使用维护等环节不得存在疏忽，否则因差速机构产生的故障而增加的维修工作量，可能会部分抵消使用差动开闭抓斗带来的降低维修工作量的效果。

参考文献

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[3]李铮.起重运输机械[J].冶金工业出版社，2008.

[4]吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册[J].高等教育出版社，2006.

作者简介：王素新（1963-），男，民族：汉，籍贯：河北省容城县，学历：大学，职称：工程师，研究方向：设备管理与维修。