第4章-钢丝绳及其卷绕装置

第四章钢丝绳及其卷绕装置4-1钢丝绳钢丝绳具有强度高、自重轻、挠性好和运行平稳，高速运动无噪音，很少出现突然断折，安全性可靠性较高等优点。因此是起重机应用最广泛的挠性构件。钢丝绳是起重机的重要构件之一，在起升机构、变幅机构中作为承载绳(如图4-1a)，有时也用于回旋机构、运行机构中，作为牵引绳(如图4-1b)、c))。此外，钢丝绳还用作桅杆起重机的张紧绳、缆索起重机承载绳。系扎物品也多采用钢丝绳。图4-1钢丝绳在起重机中的应用一、钢丝绳的构造和种类钢丝绳是由多根钢丝围绕绳芯按一定规律捻制而成。捻制钢丝绳的钢丝其抗拉强度为1400~2000N/mm2，钢丝的表面一般为光面，为适应潮湿环境以及具有腐蚀性环境条件下工作，可采用镀锌钢丝。根据许用弯曲次数，钢丝分为三级：特级，用于安全性要求较高的载客电梯；I级，用于一般起重机；II级，用于系扎、张紧绳等。绳芯用以充填钢丝绳的中央断面，增加挠性。绳芯根据其材料不同，主要有以下几种：1)有机芯：用浸透润滑油的麻绳做成，工作时可起润滑作用。有机芯钢丝绳挠性较好，承受横向压力的能力较差。2)石棉芯：用石棉绳做成，石棉芯钢丝绳的性能和有机芯钢丝绳相似，但能耐高温。3)金属芯：用软钢丝做成，可耐高温，能承受较大的横向压力，但润滑性差。近年来也有用储有润滑油的螺旋金属管做绳芯。钢丝绳的种类繁多，有多种分类方法。根据捻绕次数，钢丝绳分为单、双绕及三绕组三种。(1)单绕绳：由若干层钢丝一次捻制而成。这种钢丝绳僵性最大，不能承受横向压力，适用于作为不运动的拉索。(2)双绕绳：先由钢丝制成股，再由股围绕绳芯捻制成绳。这种绳挠性较好，承载能力大，制造工艺也不复杂，因此在起重机上广泛应用。(3)三绕绳：以双绕绳作为绳股，围绕绳芯绕制成绳。它的挠性最好，但制造工艺复杂，成本高，外层钢丝细，易磨损，存起重机上极少采用。根据钢丝绳的捻制方向可分：同向捻(顺绕)、交互捻(交绕)和混合捻。(1)同向捻(顺绕)；由钢丝捻制成股，股捻制成绳的捻向相同(如图4-2a)。这种绳挠性好，使用寿命长，但容易松散、扭转和打结，适用于经常保持张紧状态的牵引绳。图4-2钢丝绳的捻向a)同向捻(顺绕)；b)交互捻(交绕)；c)混合捻(2)交互捻(交绕)：如图4-2b)所示，这种钢丝绳，股和绳的捻向相反。在这种绳中，由于钢丝间的接触较差，挠性较差，使用寿命较低。但由于没有扭转，克服了顺绕钢丝绳容易松散的缺点，因而是常用的型式，普通用于起升机构中。(3)混合捻钢丝绳：这种钢丝绳由两种相反绕向的股捻成的钢丝绳。如图4-2c)所示。半数股为左旋，半数股为右旋，绳的性能介于上述二考之间，但制造复杂，很少应用。钢丝绳根据绳的捻制方向，有右捻(绕)绳(标记为“右”或不标记)和左捻(绕)绳(标记为“左”)，其特性无差别。如无特殊要求，一般用右捻绳。无论是同向捻钢丝绳还是交互捻钢丝绳，当用作起升高度大的起升绳时，特别是悬挂钢丝绳分支较少时，经常由于钢丝绳旋转而出现起升绳扭缠现象。这种场合宜采用多层股不旋转钢丝绳(如图4-3)。这种钢丝绳的相邻层绳股的捻向向反，受载时，相邻层股的旋转力矩相反，其自由悬端不会发生旋转。图4-3多层股不旋转钢丝绳a)多层圆型股不旋转钢丝绳；b)多层异型股不旋转钢丝绳根据股中钢丝间的接触情况，钢丝绳可分为点接触、线接触和面接触三种。(1)点接触(D型)钢丝绳：这种钢丝绳股中钢丝直径相同(如图4-4a))为使各层钢丝受力均匀，各层钢丝的螺旋升角近似相等，但内外层钢丝的捻距不同、互相交叉，在交叉点上接触。故称点接触。这种钢丝绳在反复弯曲时容易磨损折断，但制造工艺简单、价廉。过去我国起重机上多用此种钢丝绳，用得较多的是6股19丝和37丝钢丝绳，如图4-5。图4-4点、线、面接触钢丝绳图4-5点接触钢丝绳a)6股19丝；b)6股37丝(2)线接触钢丝绳：这种钢丝绳股内钢丝直径不同，但每层钢丝的节距相同，外层钢丝位于里层钢丝间的沟槽里，钢丝间呈线接触(见图4-4b))。因此，在钢丝绳中，钢丝接触应力小，磨损小，寿命小，且挠性好，断面充填系数高，承载能力强，广泛应用于各种起重机中。根据断面构造，线接触钢丝绳有西尔型、瓦杯吞及充填型。西尔型：用“X”表示。这种绳的股中，同一层钢丝直径相同，而不同层钢丝直径不同，内层钢丝较细，外层较粗，又称外粗式绳。其结构如图4-6a)所示。西尔型钢丝绳由于外层钢丝较粗，因而挠性较差，需选用较大直径的滑轮和卷筒。但这种钢丝绳耐磨，适用于磨损较严重的场合。图4-6线接触钢丝绳a)西尔型；b)瓦林吞型；c)充填型瓦林吞型：又称粗细式，用“W”表示．其结构如图4-4b)所示。外层采用两种不同直径的钢丝，粗钢丝位于内层钢丝的沟槽中，而外层的细钢丝位于粗钢丝之间。因而绳股截面的充填系数较高，且钢丝直径较西尔型均匀，挠性较好，承载能力相应较大，是起重机常用的型式。充填型钢丝绳：用“T”表示，其结构如图4-6c)所示。绳股中外层钢丝不是布置于内层钢丝间的沟槽，内外层每相邻四根钢丝成正方形排列，在形成的空隙中，充填一根细钢丝。细钢丝既起着稳定几何位置的作用，同时提高钢丝绳的金属充填系数，从而提高了钢丝绳的承载能力。(3)面接触钢丝绳：面接触绳是用异型断面钢丝绕制成密封型结构，绳中钢丝间呈面接触如图4-4c)所示。这种钢丝绳表面光滑，强度高，耐磨蚀，但制造工艺复杂，成本高。多用于特殊场合，如缆索起重机的承载绳。根据股的形状，钢丝绳分为圆股绳和异形股绳。圆股钢丝绳，制造方便，最常用。异形股钢丝绳，有三角股、椭圆股及扁股等(见图4-7)。异形股绳在绕过滑轮和卷绕在卷筒上时，与绳槽的接触良好，使用寿命长。但制造复杂，目前起重机上较少采用。图4-7异形股钢丝绳a)三角股钢丝绳；b)椭圆股钢丝绳；c)扁股钢丝绳二、钢丝绳直径的计算与选取1、钢丝绳直径的计算与选取钢丝绳中的钢丝在工作状态中的受力十分复杂，应力精确计算较困难，工程中一般按钢丝绳在工作状态下的最大静拉力计算选取，步骤如下：(1)根据起重机的使用要求，工作条件及使用场合等，确定合适的钢丝绳结构型式。(2)根据钢丝绳所受最大工作静拉力，按下式计算钢丝绳的最小直径。maxdCS(mm)(4-1)式中：Smax—绳最大工作静拉力(N)，C—钢丝绳的选择系数，其取值与机构工作级别和钢丝的抗拉强度有关，按下式确定4bnCKW(4-2)式中，n——安全系数，按表4-1选取；K——钢丝绳捻制折减系数，K＝0.8~0.9；W——钢丝绳充满系数，W=钢丝断面面积之和/钢丝绳横断面毛面积σb——钢丝的公称抗拉强度(N/mm2)。表4-1C和n值机构工作级别选择系数C值安全系数n机构工作级别选择系数C值安全系数n钢丝公称抗拉强度σb(N/mm2)钢丝公称抗拉强度σb(N/mm2)155017001850155017001850M1~M30.0930.0890.0854M60.1140.1090.1066M40.0990.0950.0914.5M70.1230.1180.1137M50.1040.1000.0965M80.1400.1340.1289注：表中C值ω=0.40ω=0.82时的取值。在设计计算中，也可以根据Smax及安全系数n计算选钢丝绳，即所选取钢丝绳应满足：Sp≥Smax·n(4-3)式中，Sp——钢丝绳的破断拉力和(N)。Sp=K·ΣSi(4-4)式中，ΣSi——绳中钢丝破断拉力和(N)。其值可在钢丝绳规格表查取。2、钢丝绳的标记钢丝绳常用的标记方法如下：例如结构型式为6股瓦林吞型，直径为27mm．由抗拉强度为1700N/mm2的光面I级钢丝绕制而成，右旋交互捻钢丝绳，标记为，6W(19)—27.0—1700一I一光一右交(GB1102-74)三、钢丝绳绳尾的联接固定钢丝绳在使用时，需和其他承载零件联接固定，以承受并传递载荷。在起重机上常用的方法有以下几种：1、编结法编结法如图4-8a)所示。将钢丝绳绕过索具套环，绳尾各股分别编插于承载分支各股之间，每股编插4~5次，然后用软钢丝扎紧，捆扎长度l＝(20~25)d(d为钢丝绳直径)，但不应小于300mm。图4-8钢丝绳绳尾的联接固定2、绳卡固定法绳卡固定如图4-8b)，此固定方法简单、可靠，故广泛被采用。绳卡的数量和型号与钢丝绳直径有关，但不应少于3个。通常d≤16mm可用3个；16d≤20时，用4个；20＜d≤26时，用5个；d＞26时，用6个。绳卡方位应按图示方法，以免圆钢卡圈将钢丝绳工作分支压伤。绳卡的间距要布置适当。3、铝合金压套法铝合金压套法如图4-8c)所示。将绳尾与工作分支套入一个圆形的铝合金套管中，用压力机压紧即可。4、楔形套筒固定法套筒固定如图4-8d)所示，将钢丝绳尾端绕过楔块，利用楔块自动锁紧作用固定钢丝绳。这种方法简单，装拆方便。四、钢丝绳的破坏与寿命标准钢丝绳工作时应力状态是很复杂的，实验研究和使用实践证明，在正常使用条件下，引起钢丝绳破坏主要原因是，在长期使用中，钢丝绳绕过滑轮和卷筒时，钢丝在拉力作用下反复弯曲和反复挤压，外层钢丝由于磨损和疲劳先开始断折，随着断丝数的增多，破坏速度逐渐加快，当断丝数达到一定限度时，钢丝绳应报废，若继续使用，就会引起钢丝绳突然断裂。1、为了提高钢丝绳的使用寿命，在设计选用时应注意以下几点(1)在设计卷绕系统时，应尽量减少钢丝的弯曲次数，尤其要避免反向弯曲。实验表明，反向弯曲所引起的金属疲劳效果为同向弯曲的2倍。(2)钢丝绳的结构型式选择得当，优先选用连接触绳。(3)降低工作应力。(4)在设计中应选用较大直径的卷筒和滑轮，以提高D/d的比值。(5)合理确定卷筒、滑轮的材料及绳槽尺寸。(6)合理选择钢丝的公称抗拉强度。钢丝绳的强度不宜过高，一般不超过1850N/mm2。(7)钢丝线应保持清洁，加强维护保养。2、钢丝绳的寿命标准钢丝绳的报废标准主要由每一捻距内的断丝数决定。一根钢丝绳在任何部位的一个捻距内断丝数达到标准值，就应报废。报废的断丝数比例标准是：交互捻为10％，同向捻为5％。计算时，对于外层钢丝直径不同的钢丝绳，每根细丝按1计算，粗丝按1.7计算。对于送人或危险物品的钢丝绳，报废断丝数减半。此外，钢丝绳其中有一股断裂，或外层钢丝直径磨损腐蚀达40％时，不论断丝数多少，均应报废。如果外层钢丝严重磨损但尚未达到40％时，应根据磨损程度，适当降低报废断丝数标准(见表4-2)。表4-2钢丝绳报废断丝数标准的折减钢丝直径磨损％报废断丝数标准折减％钢丝直径磨损％报废断丝数标准折减％1085256015753050207040报废4-2滑轮与滑轮组滑轮的主要作用是导向和文承，以改变钢丝绳的走向。从而改变所传递拉力的方向*也可用来平杨钢丝绳分文的拉力，或组成滑轮组达到省力或增违的目的。根据治轮的轴线是否运动，有定滑轮和动滑轮之分。只利用滑轮的转动来均衡钢丝绳拉力的滑轮叫做均杨滑轮。一、滑轮的构造、材料和种类滑轮由轮毂、轮辐和有绳槽的轮缘所组成，如图4-9所示。起重机滑轮一般支承在心轴上，大多采用滚动轴承，低速滑轮或均衡滑轮也可采用滑动轴承。根据制造方法，滑轮有铸造滑轮、焊接滑轮、热轧滑轮等。1、铸造滑轮(图4-9a))，有铸铁和铸钢两类。承受负荷不大的小尺寸滑轮(D＜350mm)，一般制成实体的滑轮，其材料为HT150铸铁，铸铁滑轮工艺性好，价廉；承受负荷大的大尺寸滑轮一般采用球铁(如QT42-10)或铸钢(如ZG230-450、ZG270-500或ZG35Mn等)，铸成带筋、孔和带轮辐的结构。这种滑轮具有较高的强度和冲击韧性。图4-9滑轮的构造和分类a)铸造滑轮；b)焊接滑轮；c)热轧滑轮；d)双辐板压制滑轮2、焊接滑轮(见图4-9b))，目前多数焊接滑轮是先将钢板压制成绳槽形状，由数块压制成型的钢板拼成一个整圆后再与辐板焊接而成。另一种是轧制绳槽钢焊接滑轮，先由热轧机轧制出各种规格的条状绳槽钢，然后将其卷制成圆环形，再与辐板(或辐条)，轮毂焊接制成滑轮。这种滑轮结构简单，强度高，抗冲击性能好，材料利用率高，重量轻(比同规格的铸钢滑轮轻约40％)，特别是轧制绳槽钢