钢丝绳受力计算公式
钢丝绳是起重机上应用最广泛的挠性构件,也是起重机械安全生产三大重要构件
(制动器、钢丝绳和吊钩)之一。钢丝绳具有重量轻、挠性好、使用灵活、韧性好、能承受冲击载荷、高速运行中没有噪音、破断前有断丝预兆等优点。但起重钢丝绳频繁用于各种作业场所,因此易磨损、易腐蚀等。如果钢丝绳的选择、维护、保养和使用不当,容易发生钢丝绳断裂,造成伤亡事故或重大险情。因此正确掌握使用钢丝绳的方法是十分重要的。
一、钢丝绳的种类
钢丝绳是把很多根直径为～3mm的高强度碳素钢钢丝先拧成股,再把若干股围
绕着绳芯拧成绳的。钢丝绳种类很多,按绕捻方法不同可分为左同向捻、右同向捻、左交互捻、右交互捻四种,起重作业中常用右交互捻钢丝绳。
按钢丝绳芯材料不同可分为麻芯、石棉芯和金属绳芯三种,起重作业中常采用麻
芯钢丝绳,麻芯中浸有润滑油,起减小绳股及钢丝之间的摩擦和防腐蚀的作用。
按钢丝绳绳股及丝数不同可分为6×19、6×37和6×61三种,起重作业中最常
用的是6×19和6×37钢丝绳。
按钢丝表面处理不同又可分为光面和镀钵两种,起重作业中常用光面钢丝绳。 按钢丝绳股结构分类,又可分为点接触绳、线接触绳和面接触绳。
点接触绳的各层钢丝直径相同,但各层螺距不等,所以钢丝互相交叉形成点接触,
在工作中接触应力很高,钢丝易磨损折断,但其制造工艺简单。
线接触绳的股内钢丝粗细不同,将细钢丝置于粗钢丝的沟槽内,粗细钢丝间成线
接触状态。由于线接触钢丝绳接触应力较小,钢绳寿命长,同时挠性增加。由于线接触钢丝绳较为密实,所以相同直径的钢丝绳,线接触绳破断拉力大些。绳股内钢丝直径相同的同向捻钢丝绳也属线接触绳。
面接触绳的股内钢丝形状特殊,采用异形断面钢丝,钢丝间呈面状接触。其优点是
外表光滑,抗腐蚀和耐磨性好,能承受较大的横向力;但价格昂贵,故只能在特殊场合下使用。
二、钢丝绳的规格参数
一般起重作业可采用GB/T18-1996《钢丝绳》中6×19和6×37钢丝绳,其规格参数见表 1和表2。
表1 钢丝绳的破断拉力
直径 钢丝绳 钢丝 /mm 钢丝绳的抗拉强度/MPa 1400 1550 1700 1850 2000 /mm 钢丝破断拉力总和/kN 21150 — — — 表 2 钢丝绳的破断拉力
直径 钢丝绳 钢丝 /mm /mm 1400 钢丝绳的抗拉强度/MPa 1550 1700 1850 2000 钢丝破断拉力总和/kN 三、钢丝绳的标记
— — — 目前在起重机上所采用的钢丝绳主要是普通型结构钢丝绳,绳6×19和绳6×37。按照国家标准《圆股钢丝绳》(GB1102一74)的规定,钢丝绳的标记方法如下: 如,钢丝绳6×一甲一镀一右交GB1102-74
这表示该圆股钢丝绳由6股捻制,股的结构形式为点接触,每股有37根钢丝,纤维绳芯, 钢丝绳直径,由公称抗拉强度1700MPa的I号甲组镀钵钢丝制成,钢丝绳的捻向为右交互捻。
四、钢丝绳的选用
钢丝绳在同直径时公称抗拉强度越低,每股绳内钢丝越多,钢丝直径越细,则绳的挠性越好,但钢丝绳易磨损。反之,每股绳内钢丝直径越粗,则钢丝绳挠性越差,钢丝绳耐磨损。因此,不同型号的钢丝绳,它的使用范围也不同。根据起重吊装作业的实际需要,一般情况下,钢丝绳的选用可考虑以下原则:
(1)6×19钢丝绳用做缆风绳、拉索及制作起重索具,一般用于受弯曲载荷较小或遭受磨损的地方。
(2)6×37钢丝绳用于起重作业中捆扎各种物件、设备及穿绕滑车组和制作起重用索具。适用于绳索受弯曲时。
(3)6×61钢丝绳用于绑扎各类物件。绳刚性较小,易于弯曲,用于受不大的地方。 同向捻的钢丝绳,表面较平整、柔软,具有良好的抗弯曲疲劳性能,比较耐用;其缺点是绳
头断开处绳股易松散,悬吊重物时容易出现旋转,易卷曲扭结,因此在吊装中不宜单独采用。起重吊装作业常用存交互捻钢丝绳。 五、钢丝绳的受力计算
某一规格的钢丝绳允许承受的最大拉力是有一定限度的,超过这个限度,钢丝绳就会被破坏或拉断,因此在工作中需对钢丝绳的受力进行计算。 (一) 钢丝绳的破断控力
钢丝绳的破断拉力可由表1、2中查出,考虑钢丝绳捻制使每根钢丝受力不均匀,整根钢丝绳的破断拉力应按下式计算: SP =ΨΣSi
式中SP ——钢丝绳的破断拉力,kN;
ΣSi——钢丝丝绳规格表中提供的钢丝破断拉力的总和, kN;
Ψ——钢丝捻制不均折减系数,对6×19绳,Ψ=;对6×37绳,Ψ=;对6×61 绳, Ψ=。 但在工作现场,一般缺少图表资料,同时也不要求精确计算,此时可采用下式(仅为数据估算用,非规范公式)估算钢丝绳的破断拉力: SP =500d2
式中SP ——钢丝绳的破断拉力,N; d——钢丝绳的直径 ,mm。 (二)钢丝绳的安全系数
为了保证起重作业的安全,钢丝绳许用拉力只是其破断拉力的几分之一。破断拉力与许用拉力之比为安全系数。下表列出了不同用途钢丝绳的安全系数。 表为 钢丝绳的安全系数
使用情况 安全系数 使用情况 安全系数 用做缆风绳、拖 拉绳 人力驱动起重 设备 用做捆绑吊索 (三)钢丝绳的许用扭力 P = SP / K
式中 P——钢丝绳的许用拉力,N; SP——钢丝绳的破断拉力,N; K——钢丝绳的安全系数。
例 : 型号6×37-26的钢丝绳,用做捆绑绳时其许用拉力为多大 解: SP =500d2=500×262=338000(N) 用做捆绑绳时,取K=10,则
P = SP / K =338000 / 10=33800（N） 六、钢丝绳报废标准
钢丝绳使用到一定的损坏程度时,必须按规定报废,其报废标准如下:
①每一节距(也称捻距,指钢丝绳中的任何一股缠绕一周的轴向长度)内钢丝断裂的数目超过表规定的数目时应报废。钢丝绳断丝数量不多,但断丝增加很快时也应报废。 ②钢丝绳的钢丝磨损或腐蚀达到或超过原来钢丝直径的40%以上时,即应报废。在40%以内者应按表降级使用。当整根钢丝绳的外表面受腐蚀而形成的麻面达到肉眼很容易看出的程度时,应予报废。
表为 折减系数
曲) 8～10 用做载人升降机 14 备 用做吊索(无弯6-7 机械驱动起重设5-6 钢丝表面磨折减系数损或腐蚀量(%) (%) 10 15 20 85 75 70 钢丝表面磨折减系数损或腐蚀盘(%) (%) 25 30-40 大于40 60 50 O ③钢丝绳受过火烧或局部电弧作用应报废。
④钢丝绳压扁变形、有绳股或钢丝挤出、笼形畸变、绳径局部增大、扭结、弯折时应报废。
⑤钢丝绳绳芯损坏而造成绳径显着减少(达7%)时应报废。
⑥吊运炽热金属或危险品的钢丝绳,报废断丝数取通用起重机钢丝绳断丝数的一半,其中包括钢丝绳表面磨损或腐蚀的折减。
七、钢丝绳使用、维护与保养
①钢丝绳要正确开卷。钢丝绳开卷时,要避免钢丝绳扭结,强度降低以致损坏。钢丝绳切断时要扎紧防止松散。
②钢丝绳不得超负荷使用,不能在冲击载荷下工作,工作时速度应平稳。
③在捆绑或吊运物件时,钢丝绳应避免和物体的尖角棱边直接接触,应在接触处垫以木块、麻布或其他衬垫物。
④严禁钢丝绳与电线接触,以免被打坏或发生触电。靠近高温物体时,要采取隔热措施。
⑤钢丝绳在使用中应避免扭结,一旦扭结,应立即抖直。使用中应尽量减少弯折次数,并尽量避免反向弯折。
⑥钢丝绳与卷筒或滑车配用时,卷筒或滑轮的直径至少比钢丝绳直径大16倍。不能穿过已经破损的滑轮,以免磨损钢丝绳或使绳脱出滑轮,造成事故。
⑦钢丝绳穿过滑轮时,滑轮槽的直径应比钢丝绳的直径大1～。如滑轮槽的直径过大,则绳易被压扁;过小,则绳易磨损。
⑧钢丝绳应防止磨损、腐蚀或其他物理条件、化学条件造成的性能降低。吊运熔化及灼热金属的钢丝绳,要有防止高温损坏的措施。
⑨使用前要根据使用情况选择合适直径的钢丝绳;在使用过程中,要经常检查其负荷能力及破损情况;使用后及时保养,正确存放。
八、钢丝绳的安全检查
钢丝绳的检查可分为日常检验、定期检验和特殊检验,日常检验就是自检;定期检验根据装置形式、使用率、环境以及上次检验的结果,可确定采用月检还是年检。钢丝绳的检查内容及要求见下表。
具体检验方法如下:
(1)断丝 在一个捻距统计断丝数,包括外部和内部的断丝。即使在同一根钢丝上有2处断丝,统计时也应按2根断丝数统计。钢丝断裂部分超过本身半径者,应以断丝处理。
①检验时应注 ' 意断丝的位置 ( 如距末端多远 ) 和断丝的集 中程度 , 以决定处理方法。
②注意断丝的部位和形态,即断丝发生在绳股的凸出部位,还是凹谷部位。根据断丝的形态,可以判断出断丝的原因。 钢丝绳检验部位
项目 起重机起 部 升、变幅、 钢丝绳,特别注意牵引用钢 下 丝绳 动 列部位: 别注意 下列部位: ①在卷筒上的固接部位 ②绕在卷筒上的绳 日常检验 定期检验与特殊检验 微速运转观察全微速运转作全面检验外,特绳 缆索起重机钢丝绳 ①末端固定部位 ③通过滑轮的钢丝绳 ②通过滑轮的部④平衡轮处钢丝绳 分 除通常能观察到的 部分外,特别注意末 端固定部位 除通常能观察到全长仔细检验 ⑤其他固定连接部位 静 绳 捆绑绳 的 缆风绳 部分外,特别注意末 端固定部位 除全长观察外,特别注意下列部位: ①编结部分 ②与吊具连接部分 全长仔细检验 (2)磨损 磨损检验主要是磨损状态和直径的测量。
磨损的状态有两种:一种是同心磨损,另一种是偏心磨损。偏心磨损的钢丝绳多数发生在绳索移动量不大、吊具较重、拉力变化较大的场合。例如,电磁吸盘起重机的起升绳易发生这种磨损。偏心磨损和同心磨损同样使钢丝绳强度降低。
(3)腐蚀 腐蚀有外部腐蚀和内部腐蚀两种。
内部腐外部腐蚀的检验:目视钢丝绳生锈、点蚀,钢丝松弛状态。蚀不易检验。 内部腐蚀不易检验。如果是直径较细的钢丝绳(≤20mm),可以用手把钢丝绳弄弯进行检验;如果直径较大,可用钢丝绳插接纤子进行内部检验,检验后要把钢丝绳恢复原状,
注意不要损伤绳芯,并加涂润滑油脂。
(4)变形对钢丝绳的打结、波浪、扁平等进行目检。钢丝绳不应打结,也不应有较大的波浪变形。
(5)电弧及火烤的影响目视钢丝绳,不应有回火包,也不应有焊伤。有焊伤应按断丝处理。
(6)钢丝绳的润滑检验钢丝绳应处于良好的润滑状态。根据试验,润滑良好的钢丝绳在一个捻距内断丝达总丝数的10%,用疲劳试验和反复弯曲可达48500次,而没有润滑的相同规格的钢丝绳仅为22500次,可见润滑的重要性。
