塔式起重機鋼絲繩的計算與應用

胡虎娟，楊少秀，暢兵展，雷 海，朱 毅，趙 劍

（陜西建設機械股份有限公司，陜西 西安 710032）

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

在進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；S為最大工作靜拉力。

1.1 最大靜拉力的計算

最大靜拉力計算應分為單聯滑輪組和雙聯滑輪組2 種情況，當為雙聯滑輪組時應除以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，當塔式起重機起升高度大于50 m 時，應將鋼絲繩質量計入其中；m為滑輪組的倍率；ηz為滑輪組效率；η1、η2…ηk為導向滑輪效率。

1.2 鋼絲繩選擇系數C 的計算

計算鋼絲繩選擇系數C的公式如下：

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

鋼絲繩的安全系數Kn與機構工作級別關系如表1所示。

表1 鋼絲繩的安全系數Kn 與機構工作級別關系

部分鋼絲繩結構最小破斷拉力試驗系數如表2所示。

表2 部分鋼絲繩結構最小破斷拉力試驗系數

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，可以對照標準查找出相應的鋼絲繩形式。

2 鋼絲滑輪及輪槽的尺寸設計（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的滑輪及滑輪槽。根據式（1）—式（3）可計算出鋼絲繩直徑，也可按照查表法《機械設計手冊》滑輪直徑與鋼絲繩直徑的匹配關系方便地查出滑輪直徑。

2.1 鋼絲滑輪的尺寸設計

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h如表3 所示。

表3 系數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。鋼絲繩進出滑輪槽時偏斜的最大角度不大于4°，阻扭轉鋼絲繩進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 鋼絲繩的結構及類型[3-5]

3.1 鋼絲繩的結構

鋼絲繩是由多層鋼絲捻成股，再以繩芯為中心，按一定數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、石棉芯等材質構成，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進行分類，也可按照鋼絲繩捻向進行分類，現以鋼絲繩捻向分類為例，進行重點闡述。

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

從鋼絲繩自行扭轉的程度劃分，分為扭轉松散鋼絲繩、輕微扭轉鋼絲繩和不扭轉鋼絲繩。其中不扭轉鋼絲繩內應力小、不扭轉打結、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 鋼絲繩直徑的準確測量

測量鋼絲繩直徑時不能用普通游標卡尺測量，要采用寬鉗口游標卡尺進行測量。

測量條件：應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 兩端截面進行，并在同一截面相互垂直方向測量2 組數值。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，游標卡尺的最小分度值不應超過0.02 mm；直徑大于26 mm 的鋼絲繩，游標卡尺的最小分度值不應超出0.05 mm。

測量數據的處理要求：測量出4 組數據結果的算術平均值，作為鋼絲繩的實際數據測量直徑，但應符合表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

鋼絲繩應按照供貨長度供貨，但應在供貨允許的誤差范圍之內。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安全，使用塔式起重機鋼絲繩達到一定周期后就要報廢更新。為此，出現以下情況時，就應該對鋼絲繩進行報廢更新：①鋼絲繩直徑因繩芯損壞而減小。若阻旋轉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，也應報廢鋼絲繩。②超負荷使用。一般情況下鋼絲繩不允許超負荷使用，若出現超負荷使用后，必須對鋼絲繩進行破斷拉力試驗，根據情況降級使用。③表面腐蝕。經過長期使用后，鋼絲繩會受到化學腐蝕，表面出現麻點，當整根鋼絲繩表面出現麻點后且肉眼可見，則應報廢鋼絲繩。④鋼絲繩結構破壞。在使用鋼絲繩的過程中，往往會出現鋼絲繩整股斷裂或鋼絲繩芯被擠出情況，這時應報廢鋼絲繩。⑤鋼絲繩斷絲。當鋼絲繩在一個節距內斷絲根數超過規定時，應報廢鋼絲繩。

鋼絲繩出現其他應報廢的現象時，按照國標GB/T 5792—2009《起重機 鋼絲繩保養、維護、安裝和報廢》的要求，鋼絲繩應遵守其標準詳細例舉的20種情況，逐一對照執行報廢。

6 應用鋼絲繩的注意事項

為保證塔式起重機安全作業，不允許超負荷使用鋼絲繩，使用時不允許發生鋼絲繩扭轉現象，鋼絲繩應緩慢受力，不允許急劇改變升降運行速度，啟動制動要緩慢平穩。要對塔式起重機上的鋼絲繩進行定期涂油，生銹或塵垢時可用鋼絲刷刷凈，涂上油脂，油脂應為同型號油脂。穿鋼絲繩的滑輪邊緣不允許有破裂現象，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，各股鋼絲繩間出現散股現象，容易吸收潮氣而產生腐蝕，同時也會使各股鋼絲繩之間受力不平均，導致鋼絲繩強度降低，甚至出現斷繩現象。

7 小結

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用及其注意事項和報廢標準，為今后塔式起重機的安全運行奠定了安全基礎。