起重机钢丝绳的计算

钢丝绳在起重机上使用的非常普遍,由许多高强度钢丝编绕而成。它首先由单根钢丝绕在一起形成股,然后将其中一些股绕成绳芯,再由其它股组成的外股围绕绳芯绕成钢丝绳。


第一、钢丝绳结构
钢丝绳在起重机上使用的非常普遍,由许多高强度钢丝编绕而成。它首先由单根钢丝绕在一起形成股,然后将其中一些股绕成绳芯,再由其它股组成的外股围绕绳芯绕成钢丝绳。
第二、起重机钢丝绳选用标准
在起重机用钢丝绳标准选择时,应按照现行相关规范、标准来选择,如果选择钢丝绳标准出现问题,将会造成重大的安全事故和不必要的经济损失。起重机行业钢丝绳优先选用GB 8918-2006《重要用途钢丝绳》规定的钢丝绳。
(1)起重机钢丝绳的选择应遵循TSG Q0002一2008《起重机械安全技术监察规程一桥式起重机》的有关规定。规程指出:钢丝绳应当符合GB 8918-2006《重要用途钢丝绳》和GB 6067-2010《起重机械安全规程》的要求。
不过2024年1月1日,TSG51-2023《起重机安全技术规程》实施后,该监察规程作废,而新的安全技术规程,没有对起重机钢丝绳的参考标准进行相应要求。
2)GB 6067--2010《起重机械安全规程》中指出,吊运熔融金属或炽热金属的钢丝绳,应选用性能不低于GB 8918-2006《重要用途钢丝绳》规定的钢丝绳;
3)起重机钢丝绳的选择应遵循GB/T 3811-2008《起重机设计规范》中的有关规定。标准指出:起重机用钢丝绳应符合GB/T 20118-2006《一般用途钢丝绳》的要求,优先采用线接触型钢丝绳。当起重机进行危险物品装卸作业(如吊运液态熔融金属、高放射性或高腐蚀性物品等),或吊运大件物品、重要设备,且起重机的使用对人身安全及可靠性有较高要求时,应采用GB 8918-2006《重要用途钢丝绳》规定的钢丝绳;
从前述例举的标准可以看出,国家在制定相关起重机规范、标准时,大多选用了GB 8918-2006《重要用途钢丝绳》规定的钢丝绳,说明起重机用钢丝绳的重要性。
其中TSG Q0002一2008《起重机械安全技术监察规程一桥式起重机》引用了GB 8918-2006《重要用途钢丝绳》标准,而被TSG引用后的标准(条款)构成了TSG的组成部分,都是强制性要求。
至于另一个标准,GB/T 34198-2017《起重机用钢丝绳》,虽然声称使用于《起重机械分类》(GB/T 20776-2006)中界定的桥架型起重机和臂架型起重机用钢丝绳。但TSG标准系列中没有引用。

第三、起重机钢丝绳的正确标记

钢丝绳的公称标记示例:
18 NAT  6×19S+NF  1770  SS GB8918
说明:
1、18:钢丝绳公称直径为18mm
2、NAT:钢丝表面为光面钢丝,表明钢丝的表面状态,还有:

ZAA:A级镀锌钢丝;

ZAB:AB级镀锌钢丝;

ZBB:B级镀锌钢丝。

镀锌钢丝绳按照国家标准分为A、AB、B类三种,A类镀锌钢丝绳锌层最厚,耐腐蚀能力强,AB类锌层较薄,耐腐蚀一般,B类镀锌层最薄,一般先镀锌后拉拔。
3、6×19S    6股每股19芯西鲁式钢丝绳。

基本绳股结构可分为三种:西鲁式结构(Seale)、瓦林吞式结构(Warrington)、填充式结构(Filler):

(1)西鲁式(Seale)结构(股结构:1+9+9)是电梯用钢丝绳中最普遍采用的一种结构,因该结构中外层钢丝较粗,在使用过程中能经受更长时间的磨损。

(2)瓦林吞(Warrington)结构(股结构:1+6+6/6)的疲劳弯曲寿命相对比西鲁式结构的高,这是因为瓦林吞式结构的钢丝绳每股中具有较多较细的钢丝。对使用寿命的影响因素不仅仅是磨损,还有弯曲疲劳。


(3)填充式(Filler)结构的钢丝绳是一种具有较高的抗疲劳性能的钢丝绳。如8x25Fi+FC(股结构:1+6+6F+12),这种结构的钢丝绳不足之处在于较低的抗磨损性能,钢丝绳中的集合缺陷会严重降低钢丝绳的寿命。直径较小的钢丝绳较难制造,常用于直径较粗的钢丝绳。


4、FC:中间一股为纤维芯。

FC:纤维芯(天然或合成)

NF:天然纤维芯

SF:合成纤维芯

IWR:金属丝绳芯

IWS:金属丝股芯

5、1770:钢丝绳公称抗拉强度为1770 MPa
钢丝绳的抗拉强度 
所谓的抗拉强度=最小破断拉力/钢丝绳的面积
6、SS:钢丝绳捻向为左同向捻
按捻法分:右交互捻、左交互捻、右同向捻和左同向捻四种。

ZZ:右同向捻

SS:左同向捻

ZS:右交互捻

SZ:左交互捻

7、钢丝绳的产品标准编号为:GB8918《重要用途钢丝绳》
第四、起重机钢丝绳选用计算
1、破断拉力的计算

钢丝绳的破断拉力与钢丝绳的直径,结构及钢丝的强度有关。

钢丝绳破断拉力=换算系数×钢丝破断拉力总和:

理论计算钢丝绳破断拉力最小值用下式表示:

F=KD²R/1000

式中:

F—钢丝绳的最小破断拉力,kN

D—钢丝绳的公称直径,mm

K—某一指定结构的钢丝绳的最小破断拉力系数,值见相关钢丝绳资料,一般取值在0.3~0.4之间。

R—钢丝绳公称抗拉强度,MPa

2、钢丝绳的选型计算

钢丝绳的选用计算有两种方法:
(1)C系数法;
(2)最小安全系数法。
C系数法使用于运动绳,最小安全系数法对运动绳和静态绳都使用,此文仅讲解最常用的最小安全系数法。
n=F/S≥[n]
F—钢丝绳的最小破断拉力,kN
S—钢丝绳的最大工作静拉力,kN
[n]—钢丝绳的许用安全系数,也称最小安全系数,用在不同位置,不同场所,取值不同,可参考3811表44。
在起重吊装中,钢丝绳用作缆风绳,安全系数不小于3.5;作滑轮组跑绳,安全系数不小于5;作吊索的安全系数一般不小于8;如果用于载人,则安全系数不小于10~12。

3、钢丝绳许用拉力的计算

(1)查表法
实际工作中,人们要把钢丝绳的技术数据背熟是相当困难的。依据查表法能获得较准确的数据,但不太方便,尤其在现场查找数据困难较多,这是查表法的不便之处(引用特检行业相关培训教材,但本文作者不认同该说法)。
(2)估算法
选取钢丝绳抗拉强度1400N/mm²作为近似破断拉力计算的依据,以此破断拉力除安全系数,便得出钢丝绳的近似许用拉力。
此方法偏于安全,未考虑钢丝绳的破损情况。一般情况钢丝绳的安全系数n>5,为计算方便,我们取[n]=5。
第一步计算破断拉力(单位为N,不用除以1000):
F=KD²R=0.35×D²×1400=490D² N
第二步计算许用拉力
[F]=F/[n]=490D²/5=98D²≈100D²
所以,最前面的图片,算题答案应该选C,只是给的答案少写了一个0。

第五、小结

破断拉力有很多影响因素,与钢丝绳的结构、捻距、捻制质量等有着密切的关系。目前国内外重要用途钢丝绳标准都明确规定,因此,作为设计人员或者检验人员,无需去探究破断拉力具体是如何计算的,只需要会查相关标准就行。
另外,在起重机设计、标准件选用和校核过程中,从来不用估值法,因此,这道题没有实际应用价值,真正搞起重机设计的人员,不屑于采用这种估值法,也不愿意去掌握这种技巧,更不会去牢记估值法的公式,没有一点实际意义和应用价值。
所以,该考题是一帮搞起重机检验的人,耍一些小聪明,故弄玄虚,倒腾出来的一个公式,然后拿来去考核检验人员。做起重机设计和检验,需要精确的去计算受力,合理的选择标准件。对钢丝绳计算而言,特检行业需要掌握钢丝绳安全系数的校核计算方法。破断拉力不需要去求解,相关标准中给出了具体值,另外检验人员也无需去查标准,只需查验钢丝绳的合格证书,上面会清楚的标注破断拉力的具体数值(如上图),乘以吊挂重物钢丝绳的总条数轮组的倍率,乘以绳端固定效率,除以钢丝绳下重物的总重量(或最大起重量),就是具体的安全系数,和该起重机的许用安全系数比较,只要大于许用安全系数,就表明钢丝绳满足设计要求。 
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