缆索起重机
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缆索起重机(Cable Crane)
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缆索起重机是指挂有取物装置的起重小车沿着架空的承载索运行的一类工程起重机。同其他起重机械相比，它具有跨度大、速度快、效率高、总体结构简单、造价低廉、施工周期短等突出优点，并且不受气候和地形条件的限制，在特定的条件下能发挥其他起重机械和起重技术所不能发挥的作用。因而它被广泛应用于采矿工业、森林工业、工业原料场、码头、渡口以及桥梁、水电建筑工程的起重和施工作业中。
在采矿工业中的露天矿场，应用缆索起重机进行起重和搬运作业，可以减少许多运输线路，并合理地利用空间位置，扩大了作业范围，简化了工艺组织，且拆卸方便，因此与其他起重设备相比，具有较好的经济性。
在森林工业集材作业中，应用缆索起重机，因其结构简单，架设、拆卸方便，既能提高生产率，降低成本，又可保护地表，有利于水土保持及水源涵养，由此克服了其他起重运输设备在高山陡坡、深沟峡谷等复杂地形难以发挥优势的弱点，可见它是高山林区比较合理的集材工具。在森林工业中，缆索起重机称为集材架空索道，可根据不同的地形和条件构成100多种索系，在应用中具有极为独特的优势。
在储木场、木材厂、人造板厂、造纸厂等生产现场，可用缆索起重机进行原材料的起重、归装作业，在有的原料储场、废材及垃圾作业场中，采用缆索起重机进行堆高作业，生产率可达150m^3／h以上，堆高度可达到100m以上，长度可根据需要达到几千米以上，在码头和渡口中可应用缆索起重机进行货物出河、推河、装卸、储存作业以及特种货物和交通车辆的过渡，在造船工业中，应用缆索起重机来制造和安装施工。
在建筑工程中利用缆索起重机进行施工，安装大型构件、大型设备，既提高了作业生产率和安装质量，又缩短了施工周期；在桥梁工程施工中用缆索起重机取代施工支架，可提高安装施工的质量和效率，降低了成本，也简化了工艺组织，因而得到了极为普遍的应用。
在水利建设中应用缆索起重机建造水坝水库、船坞、自来水厂、运河水闸、堤道等，利用缆索起重机进行河道整治、疏浚和挖掘也是比较普遍采用的方式。
当今，缆索起重机几乎应用于所有工业建设和工程领域，它的作用和服务面是任何一种起重运输机械都无法相比的。
缆索起重机的分类[1]
标准中对缆索起重机的分类比较简单，而实际上缆索起重机的种类比较复杂，这里从如下几个方面进行分类。
(1)按支架方式
可分为：简易支架式、钢塔支架式和无支架式3种。
①简易支架式缆索起重机
以原木或以原木制成的塔架为支架，支架高度多在20m以内，提升高度为15m以内，以工厂和森林工业中应用最多，有时工程建设也有采用，该种结构的缆索起重机占的比重比较大，如图(a)所示。
②钢塔支架式缆索起重机
以桅杆钢结构或塔架钢结构为支架，支架高度多在50m以内，通常以桅杆钢结构为主，在工程建设中应用最多，工业生产应用较少，如图(b)、图(c)所示。
③无支架式缆索起重机
依据地形特征架设，索两端分别固接于两岸的适当位置，该种方式在矿山工业和森林工业应用比较多，如图(d)所示。
(2)按其服务功能
可分为：装卸式和归集储运式两种。
①装卸式缆索起重机
主要用于装卸作业，相对来说起重量比较大、跨度比较小，该种结构往往以固定式出现，多为双索或多索结构。
②归集储运式缆索起重机
以归堆、集料、储货、短途运移为主要功能，相对来说起重量较小、跨度较大。该种结构还做成双联式、移动式等形式。
(3)按承载索跨的数目
可分为：单跨和多跨两种。
①单跨缆索起重机
应用最广，形式最多，并且有多种功能。
②多跨缆索起重机
应用较少，只在架设长距离桥梁和特殊地形的工业建设中应用，多跨缆索起重机功能比较单一，基本上与架空索道相类似。
(4)按其结构形式
可以分为：固定式和移动式两大类。
①固定式缆索起重机
根据其服务特性又可分为固定式、三点式、附加吊臂式、支架摆动式、双联式和桁架梁式等几种，如图所示。
a．固定式
固定式缆索起重机根据其作业货物的特性不同又可分为单索、双索及多索式。双索和多索具有作业的定位功能，运行比较平稳。固定式缆索起重机的主要弱点是只能在承载索下面的狭窄地带进行作业，为了改善服务范围，通常可用人力将其吊钩拉向横向位置曳引货物，但对于双索和多索结构不宜采用此种操作方法。
b．三点式
三点式缆索起重机是为改变固定式结构作业上的弱点而提出来的，在结构上三组独立起重机的承载索头端彼此连接于中心接头上，而承载索的尾端则用复式滑车拉紧，调节复式滑车的牵引索即可使中心接头在较大的范围内做相对于工作场地的移动。由于牵引不太灵活，没有得到推广。
c．附加吊臂式
附加吊臂式缆索起重机为了增大服务面积，在固定式缆索起重机的基础上采用特殊的吊重系统——旋转槽式输送机，通过吊臂的旋转使服务面积大大增宽。
d．支架摆动式
支架摆动式缆索起重机也是为了增宽服务面积而提出的，在固定式缆索起重机的基础上略有改进，即支架可以径向摆动，以此来改变其结构性能，增加服务面积，支架的摆动依靠牵索来控制，该种方案具有一定的应用价值。
e．双联式
双联式缆索起重机是为改变作业范围而提出的另一种形式，60年代初期首先在我国储木场中提出并很快得到推广。该种形式的吊钩可以在一定宽度和跨度内做空间运行，结构科学，作业方便，但不宜起吊大吨货物和不宜用于大跨度的场合。
f．桁架梁式
桁架梁式缆索起重机是联动式的又一种形式，以钢桁架做横梁可在一定的跨度和宽度内做空间运行，由于桁架自重大，不适宜于大吨位和大跨度的场合。
②移动式缆索起重机
根据其结构形式又可分为：平行移动式和径向移动式（辐射式），平行移动式以之家移动式和桥梁移动式为主，径向移动式以定心移动式和同心移动式为主，如图所示。
a．支架移动式
支架移动式缆索起重机，两支架同时沿着各自的运行轨道平行移动，以扩大其服务面积，各支架分别装设驱动装置，设计中需考虑同步运行。
b．桥架移动式
桥架移动式缆索起重机，如同装卸桥或龙门起重机的桥架，当跨距小于100m时可以采用这种结构，该结构依靠桁架来承受缆索所引起的压力，使桁架的下弦受到压缩，并使其上弦受到拉伸，而桁架之自重则促使其上弦受到压缩和下弦受到拉伸，这样能抵消一部分水平负荷，从而使桥架结构的重量减少。
c．定心移动式
定心移动式缆索起重机亦可称为径向起重机，其工作范围为一扇形面积或一圆形面积[如图(h)、(i)所示]，当同时具有几个径向起重机时，它们的固定塔架做成公共的。用径向起重机可以节省起重机的运行轨道，并可在全部面积中以比较短的区段将货物吊运到固定塔架附近。
d．同心移动式
同心移动式缆索起重机亦是径向起重机的一种，其工作运行至这样的区段范围如图(i)所示，对于该种结构，驱动装置的速度应该与轨道的曲率半径成比例，以便承载索可以保持径向位置。
当起重机轨道的支线形区段与曲线形区段相连接时，缆索起重机运行至这样的区段可能会产生歪斜现象，必须在一个支架的驱动机构中考虑设置可变速的传动装置。
不同结构形式工作范围示意图如图所示。其中图(a)-(e)为固定式类缆索起重机；(f)-(j)为移动式缆索起重机。
(5)按承载索的张紧方式
可分为：承载索刚性地固结于支架或地锚之上、承载索拉力由摆动支架产生、重锤张紧式和承载索可收放式四种，如图所示。
①承载索刚性固结式
承载索刚性固结于支架上或支架以外的地锚上，在装配时获得初张力，但随着工作时间的增长，工作过程中承载索将被拉长，这时初张力可用螺旋拉紧装置来调整。这种方式的缆索起重机，缆索张力随小车位置、货重和温差的变化而变化，最大张力发生于跨中央。当满载小车运行至支架处时，承载索张力会大大地减小，使承载索弯曲应力增大，磨损加剧，同时也使小车在支架附近处升角的增大，从而增大牵引索的张力。采用具有牵引索的桅杆支架，如图(c)所示，牵引索的弹性变形可以减少缆索张力的变动。
②承载索由摆动塔架固结
具有摆动塔架的承载索依靠装着对重的塔架重量来获得张力，当运行小车沿着绳索移动时和货重变动时，摆动塔架的倾斜度和小车作用于此塔架上的压力将略有变动，承载索的张力也随着变动。缆索最大张力发生于满载小车位于摆动塔架的附近时，最小张力发生于满载小车接近于跨度中央时。缆索张力的变动一般约为10％～15％，该种锚结系统的主要缺点是：当小车急剧制动或卸载时，承载索将在垂直方向内摆动，特别是当工作繁忙时，摆动现象更为敏感，这种现象将引起承载索和塔架内的动力载荷。主要优点是：节省轨道，张力变动不大，小车接近塔架时的升角极小等。图(e)为具有悬臂的摆动塔架，当小车行出承载索而进入悬臂时，由于其自重而使相对于塔架转轴的力矩大为增加，使缆索张力的变动增大，因而这种结构不宜提倡。
③重锤张紧式
这种张紧系统具有恒定的张力，基本上与小车的重量和小车在跨内的位置无关，由于挠性索在滑轮上的高速磨损和塔架结构的复杂性，这种结构应用得比较少，而且与摆动塔架一样，承载索在垂直平面内有极大的摆动，如图(f)所示。
④承载索可收方式
在这种方式中，承载索的一端借助于收放滑轮组与塔架连接[如图(g)所示]或直接固结于地面[如图(h)所示]，滑轮组的收放可变更承载索的长度和挠度，达到升降货物的目的，这种结构方式的重物可沿任意轨迹运动，多用于桥梁施工或河流的渡口。
缆索起重机的典型结构[1]
缆索起重机具有多种类型和结构。从国内外的应用情况来看，目前的缆索起重机可以归纳为四大结构，即：固定式结构、移动式结构、无支架结构和联动式结构。这四大类结构也基本上代表了以上分类中的所有结构方案，有的虽然结构略有区别，但原理是相近的，下面分述这四类典型结构。
(1)固定式缆索起重机
固定式结构的缆索起重机是最古老的一种结构形式，虽然其服务面较小，设备潜力得不到充分的发挥，但因其构造简单，造价低廉，施工周期短，上马快，各工业部门比较乐意采用，特别是对于野外作业的施工单位，作为临时工具之用更具有比其他大型设备优越的性能，因此推广面大，在缆索起重机的比重中占着大部分的分量。下图是木支架双索式缆索起重机结构图，主要由门型木支架4、承载索2、运行小车7、钢索导绕系统和绞盘机等组成。承载索2由门型支架顶端的索鞍支承，两端固定在地面上，采用钢索调紧装置1调节承载索的张力大小和因非弹性伸长所引起的挠度。两根起重索6的一端固结在支架的顶端，另一端经过运行小车上的转向滑轮与起重滑车后，再绕进另一架杆顶端上的滑轮，经过下滑轮后，两根起重索并入绞盘机卷筒上。牵引索5一端的两分支分别与两个运行小车相固结，另一端经过支架上下滑轮绕入绞盘机卷筒上。回空索8一端的两分支分别与运行小车相连，一端绕过另一支架经过转向滑车与配重滑轮组及配重9相连。
当捆挂货物后启动起升卷筒，货物上升到一定位置后制动，启动牵引卷筒，由牵引索5拉着运行小车7至所需要的位置后制动，松开起升卷筒，货物下降到场堆或车厢内，卸载后再启动，上升到适当位置制动，松开牵引卷筒靠自动回空系统将吊重系统拉到所需要的位置制动，起升松动由吊重系统的自重下落到所需的场地位置上，完成一次循环。
这种结构是最简单的形式，支架高度在20m以内，跨度多在100～150m以内，起重量多为3～5t，在森林工业、储木场、人造板厂等工厂和仓库中应用最广泛，一般作为长期生产设备用。有的工厂将木支架改为钢管支架或钢塔架，塔高一般为25m以内。
下图为桅杆钢支架缆索起重机结构图。桅杆高度一般为30～50m，在工程建设中还可根据地形情况增大高度，当高度增大时，绷索也应考虑加层绷固。
下图为钢塔架缆索起重机结构图。支架采用直立式塔架，承载索可收可放，依靠收放滑轮组8来调节。承载索可根据作业面的需要做平面调整，增大其服务面积，如图14—29所示虚线为第一种状态的情形，这种结构适合于桥梁建筑工程。
(2)移动式缆索起重机
下图是移动式缆索起重机的标准形式，主要由两个移动塔架3、承载索6、运行小车5、钢索导绕系统，绞盘机和塔架驱动装置所组成。移动塔架3沿着平行布设的起重机轨道同步运行。这种结构主要在储场和建筑施工中应用得多，大型水电站亦采用。
(3)无支架缆索起重机
无支架缆索起重机不需设置专用的支架，根据地形特征架设，两支点分别锚固于两岸或两山顶上，索端可用地锚锚固，也可用活立木固结，这种结构除支架不同外，其他结构与以上两种结构类似，主要用于森林工业、采矿工业和野外工程建设等，一般结构形式如图所示。
(4)联动式缆索起重机
联动式缆索起重机按分类应归属于固定式类，但因其吊重系统具有可空间运移、服务面广的特征，其原理比较特殊，作用功能也有别于固定式结构，因此这里单独论述。联动式结构目前有两种方式，即双联式和桁架梁式。
图为双联式缆索起重机结构图，它由一台3筒绞盘机、一组钢索导绕系统、挂重系统、两个运行小车、两根承载索和4个支架组成。挂重系统可在一定的范围内做空间运行。
①纵向移动制动横向移动卷筒17和起升卷筒18，开动牵引回空卷筒16，正反绕入卷筒16的牵引索7和回空索2，一索进，一索出，达到挂重系统纵向移动的目的。
②横向移动制动牵引回空卷筒16和起升卷筒18，开动横移卷筒17，正反绕入卷筒17上的两根起重横移索6，一索进，一索出，使挂重系统做横向移动。
③上下移动制动牵引回空卷筒16起升横移卷筒17，开动起升卷筒18、移动滑轮组12，同时带动起重横移索6移动，使挂重系统实现上下运动。
图为桁架梁式缆索起重机结构图，它由一台3筒绞盘机或3台单筒绞盘机、一个桁架横梁、一组钢索导绕系统、运行小车、挂重系统、3根承载索和6根支架组成。与双联式缆索起重机一样，也可在一定的范围内做空间运行，其原理如下。
①纵向移动纵向移动实际上是牵引和回空运行。制动横移和起重卷筒，开动牵引卷筒，绕入卷筒的牵引索，经过一系列的导绕后与桁架两点固结，拉着桁架横梁以及挂重系统一道牵引运行，松开卷筒，回空索经过一系列的导绕后与桁架的两端点相固结，在重锤的作用下自动回空。
②横向移动制动牵引和起重卷筒，开动横向移动卷筒，正反绕人横移卷筒上的两根起重横移索，一索进，一索出，使挂重系统在桁架下的钢索上横向移动。
③上下移动制动横移和牵引卷筒，开动起升卷筒，移动滑轮组移动，同时带动起重横移索移动，使挂重系统上下移动。以上为一台3筒绞盘机的作用原理，若为3台单筒绞盘机时，3个动作还可以同时进行。
缆索起重机的使用注意事项[2]
(1)缆索强度及塔架或扒杆高度应满足最大起吊和高度要求，操作中必须严格掌握。
(2)如果桥在曲线上，缆索不位于拼装梁的中线而须进行偏吊时，应在相反方向加设缆风绳。此时，缆索及塔架或扒杆应考虑由于偏吊而增加的应力。
(3)塔架基础必须稳固可靠，塔架较高时其顶部应设缆风绳。
(4)牵引索索夹间距应以牵引索下垂的最低点不影响钢梁最高一层的操作为限，索夹不宜过少。
(5)如利用桥梁墩台施工，用缆索进行吊拼钢梁，除应按上述各条进行检查外，必要时还应进行加固，符合要求后才可利用。
对于桥位拼梁，杆件从桥头场地纵向运送至拼装位置。
两组缆索的轨索各设在一片主桁上方，拼装主桁。拼装桥面系及连接系杆件时，用两组缆索间的扁担梁共同起吊安装。
采用缆索起重机拼装曲弦桁梁有其特殊优越性。
