塔式起重機鋼絲繩的計算與應(yīng)用

胡虎娟，楊少秀，暢兵展，雷 海，朱 毅，趙 劍

（陜西建設(shè)機械股份有限公司，陜西 西安 710032）

鋼絲繩在塔式起重機上的應(yīng)用主要集中在卷揚起升系統(tǒng)和變幅系統(tǒng)，以卷揚起升為例，對塔式起重機上應(yīng)用的鋼絲繩進(jìn)行計算，以選擇合適的起升鋼絲繩，這是塔式起重機設(shè)計時經(jīng)常要解決的問題。

在進(jìn)行鋼絲繩直徑計算時，一般采用以下方法。

1 鋼絲繩直徑的計算（計算法）

鋼絲繩直徑的公式如下：

式（1）中：d為鋼絲繩直徑，mm；C為鋼絲繩選擇系數(shù)；S為最大工作靜拉力。

1.1 最大靜拉力的計算

最大靜拉力計算應(yīng)分為單聯(lián)滑輪組和雙聯(lián)滑輪組2 種情況，當(dāng)為雙聯(lián)滑輪組時應(yīng)除以2，具體公式如下：

式（2）中：Q為起升載荷，Q=Q0+q，Q0為額定起升載荷，q為取物裝置載荷，當(dāng)塔式起重機起升高度大于50 m 時，應(yīng)將鋼絲繩質(zhì)量計入其中；m為滑輪組的倍率；ηz為滑輪組效率；η1、η2…ηk為導(dǎo)向滑輪效率。

1.2 鋼絲繩選擇系數(shù)C 的計算

計算鋼絲繩選擇系數(shù)C的公式如下：

式（3）中：Kn為鋼絲繩的安全系數(shù)，即鋼絲繩的最小破斷力與鋼絲繩最大靜拉力之比；Kb為給定的鋼絲繩結(jié)構(gòu)最小破斷拉力試驗系數(shù)；δb為鋼絲繩中鋼絲的公稱抗拉強度，MPa。

鋼絲繩的安全系數(shù)Kn與機構(gòu)工作級別關(guān)系如表1所示。

表1 鋼絲繩的安全系數(shù)Kn 與機構(gòu)工作級別關(guān)系

部分鋼絲繩結(jié)構(gòu)最小破斷拉力試驗系數(shù)如表2所示。

表2 部分鋼絲繩結(jié)構(gòu)最小破斷拉力試驗系數(shù)

通過計算得出C后，代入式（1）即可求出鋼絲繩的直徑。

計算出鋼絲繩直徑后，可以對照標(biāo)準(zhǔn)查找出相應(yīng)的鋼絲繩形式。

2 鋼絲滑輪及輪槽的尺寸設(shè)計（以鑄造滑輪為例）[1-2]

鋼絲繩的正常使用離不開與之相適應(yīng)的滑輪及滑輪槽。根據(jù)式（1）—式（3）可計算出鋼絲繩直徑，也可按照查表法《機械設(shè)計手冊》滑輪直徑與鋼絲繩直徑的匹配關(guān)系方便地查出滑輪直徑。

2.1 鋼絲滑輪的尺寸設(shè)計

2.1.1 滑輪最小直徑計算

計算滑輪最小直徑的公式如下：

式（4）中：DOmin為滑輪最小直徑，mm；h為卷筒、滑輪、平衡滑輪的卷繞直徑，mm；d為鋼絲繩的直徑，mm。

系數(shù)h如表3 所示。

表3 系數(shù)h

2.1.2 查表法

鋼絲繩直徑與滑輪直徑表如圖1 所示。

圖1 鋼絲繩直徑與滑輪直徑

2.2 輪槽尺寸的設(shè)計（以鑄鐵輪槽為例）

輪槽表面精度一般分為2 級，1 級粗糙度為6.3 μm；2 級粗糙度為12.5 μm。冶金行業(yè)起重機一般取1 級精度。

以鑄鐵滑輪為例，輪槽開角為40°～45°，繩槽半徑R=（0.53～0.6）d，R為繩槽半徑，mm；d為鋼絲繩直徑，mm。平衡滑輪R取0.6。鋼絲繩進(jìn)出滑輪槽時偏斜的最大角度不大于4°，阻扭轉(zhuǎn)鋼絲繩進(jìn)出滑輪槽時偏斜的最大角度不大于2°，如圖2 所示。

圖2 鑄鐵滑輪示意圖

3 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)及類型[3-5]

3.1 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)

鋼絲繩是由多層鋼絲捻成股，再以繩芯為中心，按一定數(shù)量股捻成螺旋狀的繩。繩芯一般由有機纖維、合成纖維、軟金屬、石棉芯等材質(zhì)構(gòu)成，其作用是增加鋼絲繩的彈性和韌性，潤滑鋼絲，減輕摩擦，提高其使用壽命。

3.2 鋼絲繩的分類

鋼絲繩的分類方法較多，可按照鋼絲接觸狀態(tài)進(jìn)行分類，也可按照鋼絲繩捻向進(jìn)行分類，現(xiàn)以鋼絲繩捻向分類為例，進(jìn)行重點闡述。

按照鋼絲繩捻向分類，可分為交互捻鋼絲繩、同向捻鋼絲繩、不扭轉(zhuǎn)鋼絲繩3 類，具體如表4 所示。

表4 鋼絲繩捻向分類

3.3 塔機鋼絲繩的選取

從鋼絲繩自行扭轉(zhuǎn)的程度劃分，分為扭轉(zhuǎn)松散鋼絲繩、輕微扭轉(zhuǎn)鋼絲繩和不扭轉(zhuǎn)鋼絲繩。其中不扭轉(zhuǎn)鋼絲繩內(nèi)應(yīng)力小、不扭轉(zhuǎn)打結(jié)、撓性好、壽命長，是塔式起重機的首選類型。

塔式起重機鋼絲繩常用類型如表5 所示。

表5 塔式起重機鋼絲繩常用類型

4 鋼絲繩的測量方法

4.1 鋼絲繩直徑的準(zhǔn)確測量

測量鋼絲繩直徑時不能用普通游標(biāo)卡尺測量，要采用寬鉗口游標(biāo)卡尺進(jìn)行測量。

測量條件：應(yīng)在無張力的情況下測量鋼絲繩直徑，在鋼絲繩端頭15 m 外的直線部位，相距至少1 m 兩端截面進(jìn)行，并在同一截面相互垂直方向測量2 組數(shù)值。鋼絲繩的測量如圖3 所示。

圖3 鋼絲繩的測量

測量儀器的要求：對于直徑小于等于26 mm 的鋼絲繩，游標(biāo)卡尺的最小分度值不應(yīng)超過0.02 mm；直徑大于26 mm 的鋼絲繩，游標(biāo)卡尺的最小分度值不應(yīng)超出0.05 mm。

測量數(shù)據(jù)的處理要求：測量出4 組數(shù)據(jù)結(jié)果的算術(shù)平均值，作為鋼絲繩的實際數(shù)據(jù)測量直徑，但應(yīng)符合表6 中的要求。

表6 鋼絲繩直徑允許偏差和不圓度

4.2 鋼絲繩的長度及允許的誤差

鋼絲繩應(yīng)按照供貨長度供貨，但應(yīng)在供貨允許的誤差范圍之內(nèi)。鋼絲繩的長度及允許的誤差如表7所示。

表7 鋼絲繩的長度及允許的誤差

5 鋼絲繩的磨損及報廢

為保證塔式起重機作業(yè)安全，使用塔式起重機鋼絲繩達(dá)到一定周期后就要報廢更新。為此，出現(xiàn)以下情況時，就應(yīng)該對鋼絲繩進(jìn)行報廢更新：①鋼絲繩直徑因繩芯損壞而減小。若阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩實測直徑減少3%，或其他類型鋼絲繩減小10%，即使沒有斷絲，也應(yīng)報廢鋼絲繩。②超負(fù)荷使用。一般情況下鋼絲繩不允許超負(fù)荷使用，若出現(xiàn)超負(fù)荷使用后，必須對鋼絲繩進(jìn)行破斷拉力試驗，根據(jù)情況降級使用。③表面腐蝕。經(jīng)過長期使用后，鋼絲繩會受到化學(xué)腐蝕，表面出現(xiàn)麻點，當(dāng)整根鋼絲繩表面出現(xiàn)麻點后且肉眼可見，則應(yīng)報廢鋼絲繩。④鋼絲繩結(jié)構(gòu)破壞。在使用鋼絲繩的過程中，往往會出現(xiàn)鋼絲繩整股斷裂或鋼絲繩芯被擠出情況，這時應(yīng)報廢鋼絲繩。⑤鋼絲繩斷絲。當(dāng)鋼絲繩在一個節(jié)距內(nèi)斷絲根數(shù)超過規(guī)定時，應(yīng)報廢鋼絲繩。

鋼絲繩出現(xiàn)其他應(yīng)報廢的現(xiàn)象時，按照國標(biāo)GB/T 5792—2009《起重機 鋼絲繩保養(yǎng)、維護、安裝和報廢》的要求，鋼絲繩應(yīng)遵守其標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)例舉的20種情況，逐一對照執(zhí)行報廢。

6 應(yīng)用鋼絲繩的注意事項

為保證塔式起重機安全作業(yè)，不允許超負(fù)荷使用鋼絲繩，使用時不允許發(fā)生鋼絲繩扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，鋼絲繩應(yīng)緩慢受力，不允許急劇改變升降運行速度，啟動制動要緩慢平穩(wěn)。要對塔式起重機上的鋼絲繩進(jìn)行定期涂油，生銹或塵垢時可用鋼絲刷刷凈，涂上油脂，油脂應(yīng)為同型號油脂。穿鋼絲繩的滑輪邊緣不允許有破裂現(xiàn)象，不允許鋼絲繩與塔臂斜腹桿、下弦桿摩擦，以免損壞鋼絲繩。鋼絲繩穿過滑輪時，滑輪槽應(yīng)與鋼絲繩相匹配，輪槽過大時鋼絲繩易被壓扁，輪槽過小則鋼絲繩易磨損。不允許過度彎曲鋼絲繩，過度彎曲會使鋼絲繩變形，繩芯外露，各股鋼絲繩間出現(xiàn)散股現(xiàn)象，容易吸收潮氣而產(chǎn)生腐蝕，同時也會使各股鋼絲繩之間受力不平均，導(dǎo)致鋼絲繩強度降低，甚至出現(xiàn)斷繩現(xiàn)象。

7 小結(jié)

鋼絲繩是塔式起重機上的一個重要零件，通過對鋼絲繩的正確計算和應(yīng)用的深入分析，使得塔式起重機使用單位更好掌握塔式起重機鋼絲繩的應(yīng)用及其注意事項和報廢標(biāo)準(zhǔn)，為今后塔式起重機的安全運行奠定了安全基礎(chǔ)。