塔式起重机钢丝绳的计算与应用

胡虎娟，杨少秀，畅兵展，雷 海，朱 毅，赵 剑

（陕西建设机械股份有限公司，陕西 西安 710032）

钢丝绳在塔式起重机上的应用主要集中在卷扬起升系统和变幅系统，以卷扬起升为例，对塔式起重机上应用的钢丝绳进行计算，以选择合适的起升钢丝绳，这是塔式起重机设计时经常要解决的问题。

在进行钢丝绳直径计算时，一般采用以下方法。

1 钢丝绳直径的计算（计算法）

钢丝绳直径的公式如下：

式（1）中：d为钢丝绳直径，mm；C为钢丝绳选择系数；S为最大工作静拉力。

1.1 最大静拉力的计算

最大静拉力计算应分为单联滑轮组和双联滑轮组2 种情况，当为双联滑轮组时应除以2，具体公式如下：

式（2）中：Q为起升载荷，Q=Q0+q，Q0为额定起升载荷，q为取物装置载荷，当塔式起重机起升高度大于50 m 时，应将钢丝绳质量计入其中；m为滑轮组的倍率；ηz为滑轮组效率；η1、η2…ηk为导向滑轮效率。

1.2 钢丝绳选择系数C 的计算

计算钢丝绳选择系数C的公式如下：

式（3）中：Kn为钢丝绳的安全系数，即钢丝绳的最小破断力与钢丝绳最大静拉力之比；Kb为给定的钢丝绳结构最小破断拉力试验系数；δb为钢丝绳中钢丝的公称抗拉强度，MPa。

钢丝绳的安全系数Kn与机构工作级别关系如表1所示。

表1 钢丝绳的安全系数Kn 与机构工作级别关系

部分钢丝绳结构最小破断拉力试验系数如表2所示。

表2 部分钢丝绳结构最小破断拉力试验系数

通过计算得出C后，代入式（1）即可求出钢丝绳的直径。

计算出钢丝绳直径后，可以对照标准查找出相应的钢丝绳形式。

2 钢丝滑轮及轮槽的尺寸设计（以铸造滑轮为例）[1-2]

钢丝绳的正常使用离不开与之相适应的滑轮及滑轮槽。根据式（1）—式（3）可计算出钢丝绳直径，也可按照查表法《机械设计手册》滑轮直径与钢丝绳直径的匹配关系方便地查出滑轮直径。

2.1 钢丝滑轮的尺寸设计

2.1.1 滑轮最小直径计算

计算滑轮最小直径的公式如下：

式（4）中：DOmin为滑轮最小直径，mm；h为卷筒、滑轮、平衡滑轮的卷绕直径，mm；d为钢丝绳的直径，mm。

系数h如表3 所示。

表3 系数h

2.1.2 查表法

钢丝绳直径与滑轮直径表如图1 所示。

图1 钢丝绳直径与滑轮直径

2.2 轮槽尺寸的设计（以铸铁轮槽为例）

轮槽表面精度一般分为2 级，1 级粗糙度为6.3 μm；2 级粗糙度为12.5 μm。冶金行业起重机一般取1 级精度。

以铸铁滑轮为例，轮槽开角为40°～45°，绳槽半径R=（0.53～0.6）d，R为绳槽半径，mm；d为钢丝绳直径，mm。平衡滑轮R取0.6。钢丝绳进出滑轮槽时偏斜的最大角度不大于4°，阻扭转钢丝绳进出滑轮槽时偏斜的最大角度不大于2°，如图2 所示。

图2 铸铁滑轮示意图

3 钢丝绳的结构及类型[3-5]

3.1 钢丝绳的结构

钢丝绳是由多层钢丝捻成股，再以绳芯为中心，按一定数量股捻成螺旋状的绳。绳芯一般由有机纤维、合成纤维、软金属、石棉芯等材质构成，其作用是增加钢丝绳的弹性和韧性，润滑钢丝，减轻摩擦，提高其使用寿命。

3.2 钢丝绳的分类

钢丝绳的分类方法较多，可按照钢丝接触状态进行分类，也可按照钢丝绳捻向进行分类，现以钢丝绳捻向分类为例，进行重点阐述。

按照钢丝绳捻向分类，可分为交互捻钢丝绳、同向捻钢丝绳、不扭转钢丝绳3 类，具体如表4 所示。

表4 钢丝绳捻向分类

3.3 塔机钢丝绳的选取

从钢丝绳自行扭转的程度划分，分为扭转松散钢丝绳、轻微扭转钢丝绳和不扭转钢丝绳。其中不扭转钢丝绳内应力小、不扭转打结、挠性好、寿命长，是塔式起重机的首选类型。

塔式起重机钢丝绳常用类型如表5 所示。

表5 塔式起重机钢丝绳常用类型

4 钢丝绳的测量方法

4.1 钢丝绳直径的准确测量

测量钢丝绳直径时不能用普通游标卡尺测量，要采用宽钳口游标卡尺进行测量。

测量条件：应在无张力的情况下测量钢丝绳直径，在钢丝绳端头15 m 外的直线部位，相距至少1 m 两端截面进行，并在同一截面相互垂直方向测量2 组数值。钢丝绳的测量如图3 所示。

图3 钢丝绳的测量

测量仪器的要求：对于直径小于等于26 mm 的钢丝绳，游标卡尺的最小分度值不应超过0.02 mm；直径大于26 mm 的钢丝绳，游标卡尺的最小分度值不应超出0.05 mm。

测量数据的处理要求：测量出4 组数据结果的算术平均值，作为钢丝绳的实际数据测量直径，但应符合表6 中的要求。

表6 钢丝绳直径允许偏差和不圆度

4.2 钢丝绳的长度及允许的误差

钢丝绳应按照供货长度供货，但应在供货允许的误差范围之内。钢丝绳的长度及允许的误差如表7所示。

表7 钢丝绳的长度及允许的误差

5 钢丝绳的磨损及报废

为保证塔式起重机作业安全，使用塔式起重机钢丝绳达到一定周期后就要报废更新。为此，出现以下情况时，就应该对钢丝绳进行报废更新：①钢丝绳直径因绳芯损坏而减小。若阻旋转钢丝绳实测直径减少3%，或其他类型钢丝绳减小10%，即使没有断丝，也应报废钢丝绳。②超负荷使用。一般情况下钢丝绳不允许超负荷使用，若出现超负荷使用后，必须对钢丝绳进行破断拉力试验，根据情况降级使用。③表面腐蚀。经过长期使用后，钢丝绳会受到化学腐蚀，表面出现麻点，当整根钢丝绳表面出现麻点后且肉眼可见，则应报废钢丝绳。④钢丝绳结构破坏。在使用钢丝绳的过程中，往往会出现钢丝绳整股断裂或钢丝绳芯被挤出情况，这时应报废钢丝绳。⑤钢丝绳断丝。当钢丝绳在一个节距内断丝根数超过规定时，应报废钢丝绳。

钢丝绳出现其他应报废的现象时，按照国标GB/T 5792—2009《起重机 钢丝绳保养、维护、安装和报废》的要求，钢丝绳应遵守其标准详细例举的20种情况，逐一对照执行报废。

6 应用钢丝绳的注意事项

为保证塔式起重机安全作业，不允许超负荷使用钢丝绳，使用时不允许发生钢丝绳扭转现象，钢丝绳应缓慢受力，不允许急剧改变升降运行速度，启动制动要缓慢平稳。要对塔式起重机上的钢丝绳进行定期涂油，生锈或尘垢时可用钢丝刷刷净，涂上油脂，油脂应为同型号油脂。穿钢丝绳的滑轮边缘不允许有破裂现象，不允许钢丝绳与塔臂斜腹杆、下弦杆摩擦，以免损坏钢丝绳。钢丝绳穿过滑轮时，滑轮槽应与钢丝绳相匹配，轮槽过大时钢丝绳易被压扁，轮槽过小则钢丝绳易磨损。不允许过度弯曲钢丝绳，过度弯曲会使钢丝绳变形，绳芯外露，各股钢丝绳间出现散股现象，容易吸收潮气而产生腐蚀，同时也会使各股钢丝绳之间受力不平均，导致钢丝绳强度降低，甚至出现断绳现象。

7 小结

钢丝绳是塔式起重机上的一个重要零件，通过对钢丝绳的正确计算和应用的深入分析，使得塔式起重机使用单位更好掌握塔式起重机钢丝绳的应用及其注意事项和报废标准，为今后塔式起重机的安全运行奠定了安全基础。