-
第四章
钢丝绳及其卷绕装置
4-1
钢丝绳
钢丝绳
具有强度高、
自重轻、
挠性好和运行平稳，
高速运动无噪音，
很少出现突然断折，
安全性可靠性较高等
优点。因此是起重机应用最广泛的挠性构件。
钢丝绳
是起重机的重要构件之一，在起升机构、变幅机构中作为承载绳
(
如图
4-1a)
，有
时也用于回旋机
构、运行机构中，作为牵引绳
(
如图
4
-1b)
、
c))
。此外，钢丝绳还用
作桅杆起
重机的张紧绳、缆索起重机承载绳。系扎物品也多采用钢丝绳。
图
4-1
钢丝绳在起重机中的应用
一、钢丝绳的构造和种类
钢丝绳
是由多根钢丝围绕绳芯按一定规律捻制而成。捻制钢丝绳的钢丝其抗拉强度为
1400~
2000N/mm
2
，钢丝的表面一般为光面，为适应
潮湿环境以及具有腐蚀性环境条件
下工
作，可采
用
镀锌钢丝
。根据许用弯曲次数，钢丝分为三级：特级，用于安
全性要求较高的载
客电梯；
I
级，用于
一般起重机；
II
级，用于系扎、张紧绳等。
< br>
绳芯用以充填钢丝绳的中央断面，增加挠性。绳芯根据其材料
不同，主要有以下几种：
1)
有机
芯：用浸透润滑油的麻绳做成，工作时可起润滑作用。有机芯钢丝绳挠性较好，
承受横向
压力的能力较差。
2)
石棉
芯：用石棉绳做成，石棉芯钢丝绳的性能和有机芯钢丝绳相似，但能耐高温。
3)
金属芯：用软钢丝做成，可耐高温，能承受较大的横向压力，但
润滑性差。近年来也
有用储有润滑油的螺旋金属管做绳芯。
钢丝绳的种类繁多，有多种分类方法。
根据捻绕次数，钢丝绳分为单、双绕及三绕组三种。
(1)
单绕绳：由若干层钢丝一次捻制而成。这种钢丝绳僵性最大，
不能承受横向压力，
适用于作为不运动的拉索。
(2)
双绕绳：先由钢丝制成股，再由股围绕绳芯捻制成绳。这种绳
挠性较好，承载能力
大，制造工艺也不复杂，因此在起重机上广泛应用。
(3)
三绕绳：以双绕绳作为绳股，
围绕绳芯绕制成绳。它的挠性最好，但制造工艺复杂，
成本高，外层钢丝细，易磨损，存
起重机上极少采用。
根据钢丝绳的捻制方向可分：同向
捻
(
顺绕
)
、
交互捻
(
交绕
)
和混合捻。
(1)
同
向捻
(
顺绕
)
；
由钢丝捻制成股，
股捻制成绳的捻向相同
(
如图
4-2a)
。
这种绳挠性好，
使用寿命长，但容易松散、扭转和打结，适用于经常保持张
紧状态的牵引绳。
图
4-2
钢丝绳的捻向
a)
< br>同向捻
(
顺绕
)
；
b)
交互捻
(
交绕
)
；
c)
混合捻
(2)
交
互捻
(
交绕
)
：如图
4-2b)
所示，这种钢丝绳，股和绳的捻向相反。在这
种绳中，由
于钢丝间的接触较差，挠性较差，使用寿命较低。
但
由于没有扭转，克服了顺绕钢丝绳容易
松散的缺点，因而是常用的型式，普通用于起升机
构中。
(3)
混合捻钢丝绳：这种钢丝绳由
两种相反绕向的股捻成的钢丝绳。如图
4-2c)
所示。半
数股为左旋，半数股为右旋，绳的性能介于上述二考之间，但制造复杂，很少应用。
钢丝绳根据绳的捻制方向，有右捻
(
绕
)
绳
(
标记为“右”或不标记
)
和左捻
(
绕
)
绳
(
标记为
“左”
)
，其特性无差别。如无特殊要求，一般用右捻绳。
无论是同向捻钢丝绳还是交互捻钢丝绳，当用作
起升高度大
的
起升绳时，特别是悬挂
钢丝绳分支较少时，
经常由于钢丝绳旋转
而出现
起升绳扭缠
现象。
这种场合宜采
用多层股不
旋转钢丝绳
(
如图
4-3)
。这种钢丝绳的相邻层绳股的捻向向反，受载时，相邻层股的旋
转力
矩相反，其自由悬端不会发生旋转。
图
4-3
多层股不旋转钢丝绳
a)
多层圆型股不旋转钢丝绳；
b)
多层异型股不旋转
钢丝绳
根据股中钢丝间的接触情况，钢丝绳可分为点接触、线接触和
面接触三种。
(1)
点
接触
(
D
型
)
钢丝绳：这种钢丝绳股中钢丝直径相同
(
如图
4-4a))
为使各层钢丝受力
均匀，
各层钢丝的螺旋升角近似相等，但内外层钢丝的捻距不同
、
互相交叉，在交叉点上接
触。故称点接触。这种钢丝绳在反复
弯曲时容易磨损折断，但制造工艺简单、价廉。过去我
国起重机上多用此种钢丝绳，用得
较多的是
6
股
19
丝和
37
丝钢丝绳，如图
4-5<
/p>
。
图
4-4
点、线、面接触钢丝绳
图
4-5
点接触钢丝绳
a)6
股
19
丝；
b)6
股
37
丝
(2)
线接触钢丝绳：这种钢丝绳股内钢丝直径不同，但每层钢丝的节距相同
，外层钢丝
位于里层钢丝间的沟槽里，钢丝间呈线接触
(
见图
4-4b))
。因此，在钢丝绳中，钢丝
接触应
力小，磨损小，寿命小，且挠性好，断面充填系数高，承载能力强，广泛应用于各
种起重机
中。
根据断面构造，线接触钢丝绳有西尔型、瓦杯吞及充填型。
<
/p>
西尔型
：用“
X
”表示。这种绳的股中，同一层钢丝直径相同，而不同层钢丝直径不同，
内层钢丝较细，
外层较粗，又称
外粗式绳
。其结构如图
4-6a)
所示。西尔型钢丝绳由于外层
钢丝较粗，
因而挠性较差，需选用较大直径的滑轮和卷筒。但这种钢丝绳耐磨，适用于磨损
较严重的场合。
图
4-6
线接触钢丝绳
a
)
西尔型；
b)
瓦林吞型；
c)
充填型
瓦林吞
型
：又称
粗细式
，用“
W
”表示．其结构如图
4-4b)
所示。外层采用两种不同直
径的钢丝，
粗钢丝位于内层钢丝
的沟槽中，
而外层的细钢丝位于粗钢丝之间。
因而绳股截面
的充填系数较高，且钢丝直径较西尔型均匀，
挠性较好，
承载能力相应较大，是起重机常用
的型式。
充填型
钢丝绳：用“
T
”表示，其结构如图
4-6c)
所示。绳股中外层钢丝不是
布置于内层
钢丝间的沟槽，内外层每相邻四根钢丝成正方形排列，在形成的空隙中，充填
一根细钢丝。
细钢丝既起着稳定几何位置的作用，
同时提高钢丝
绳的金属充填系数，
从而提高了钢丝绳的
承载能力。
(3)
面接触钢丝绳
：面接触绳是用异型断面钢丝绕制成密封型结构，绳中钢丝间呈面接
触如图
4-4c)
所示。这种钢丝绳表面光滑，强度高，耐磨蚀，但制造工
艺复杂，成本高。多
用于特殊场合，如缆索起重机的承载绳。
根据股的形状，钢丝绳分为圆股绳和异形股绳。圆股钢丝绳，制造方便，最常用。异形<
/p>
股钢丝绳，有三角股、椭圆股及扁股等
(
见图
4-7)
。异形股绳在绕过滑轮和卷绕在卷筒上时，
与绳槽的接触良好，使用寿命长。但制造复杂，目前起重机上较少采用。
图
4-7
异形股钢丝绳
a)
三角股钢丝绳；
b)
椭圆股钢丝绳；
c)
扁股钢丝绳
二、钢丝绳直径的计算与选取
1
、钢丝绳直径的计算与选取
钢丝绳中的钢丝在工作状态中的受力十分复杂，
应力精确计算较困难
，
工程中一般按钢
丝绳在工作状态下的最大静拉力计算选取，步
骤如下：
(1)
根
据起重机的使用要求，工作条件及使用场合等，确定合适的钢丝绳结构型式。
(2)
根据钢丝绳所受最大工作静拉力，按下式计算钢丝绳的最小直
径。
d
?
C
S
m
a
x
(mm)
(4-1)
式中：
S
max
—绳最大工作静拉力
(N)
，
C
—钢丝绳的选择系数，其取
值与机构工作级别和钢丝的抗拉强度有关，按下式确定
C
?
K
W
n
?
4
(4-2)
?
b
式中，
n
——安全系数，按表
4-
1
选取；
K
——钢丝绳捻制折减系数，
K
＝
0.8~0.9
；
W
——钢丝绳充满系数，
W
=
钢丝断面面积之和
/
钢丝绳横断面毛面积
σ
b
——钢丝的公称抗拉强度
(N/mm
2
)
。
表
4-1
C
和
n
值
机构
工作
级别
M
1
~
M
3
M
4
M
5
选择系数
C
值
钢丝公称抗拉强度
σ
b
(N/mm
2
)
1550
1700
1850
0.093
0.089
0.085
0.099
0.095
0.091
0.104
0.100
0.096
安全
系数
n
4
4.5
5
机构
工作
级别
M
6
M
7
M
8
选择系数
C
值
钢丝公称抗拉强度
σ
b
(N/mm
2
)
1550
1700
1850
0.114
0.109
0.106
0.123
0.118
0.113
0.140
0.134
0.128
安全
系数
n
6
7
9
注：表中
C
值
ω
=0.40
ω
< br>=0.82
时的取值。
在设计
计算中，也可以根据
S
max
及安全系
数
n
计算选钢丝绳，即所选取钢丝绳应满足：
< br>
S
p
≥
S
max
·
n
(4-3)
式中，
S
p
——钢丝绳的破断拉力
和
(N)
。
S
p
=
K
·<
/p>
Σ
S
i
(4-4)
式中，
Σ
S
i
——绳中钢丝破断拉力
和
(N)
。
其值可在钢丝绳规格表查取。
2
、钢丝绳的标记
钢丝绳常用的标记方法如下：
例如结构型式为
6
股瓦林吞型，
直径为
27mm
．
由抗拉
强度为
1700N/mm
的光面
I
级钢
丝绕制而成，右旋交互捻钢丝绳，标记为，
< br>6
W
(19)
—
27.0
—
1700
一
I
一光一右交
(GB1102-74)
三、钢丝绳绳尾的联接固定
钢丝绳
在使用时，
需和其他承载零件联接固定，
以承受并传递载荷。<
/p>
在起重机上常用的
方法有以下几种：
1
、编结法
编结法如图
4-8
a
)
所示。将钢丝绳绕过索具套环，绳尾各股分别编插于承载分支各股之
间，每股编
插
4~5
次，然后用软钢丝扎紧，捆扎长度
l
＝
(20~25)
d
(
d
为钢丝绳直径
)
，但不应
小于
300mm
< br>。
2
图
4-8
钢丝绳绳尾的联接固定
2
、绳卡固定法
绳卡固定如图
4-8b)
，此固定方法简单
、可靠，故广泛被采用。绳卡的数量和型号与钢
丝绳直径有关，但不应少于
3
个。通常
d
≤
16mm
可用
3
个；
16<
d
≤
20<
/p>
时，用
4
个；
2
0
＜
d
≤
26
时，用
5
个；
d
＞
26
时，用
6
个。绳卡方位应按图示方法，以免圆钢卡圈将钢丝绳工作分支
压伤。绳卡的间距要布置适当。
3
、铝合金压套法
铝合金压套法如图
4-8c)
所示。将绳尾
与工作分支套入一个圆形的铝合金套管中，用压
力机压紧即可。
4
、楔形套筒固定法
套筒固定如图
4-8d)
所示，
将钢丝绳尾端绕过楔块，
利用楔块自动锁紧作用固定钢丝绳。
这种方法简单，装拆方便。
四、钢丝绳的破坏与寿命标准
钢丝绳
工作时应力状态是很复杂的，
实验研究和使用实践证明，
在正常
使用条件下，
引
起钢丝绳破坏主要原因是，
在长期使用中，
钢丝绳绕过滑轮和卷筒时，
钢丝在拉力作用
下反
复弯曲和反复挤压，
外层钢丝由于磨损和疲劳先开始断折，
随着断丝数的增多，
破坏速度逐
渐加快
，
当断丝数达到一定限度时，
钢丝绳应报废，
< br>若继续使用，
就会引起钢丝绳突然断裂。
1
、为了提高钢丝绳的使用寿命，在设计选用时应注意以下几点
(1)
在设计卷绕系统时，应尽量减
少钢丝的弯曲次数，尤其要避免反向弯曲。实验表明，
反向弯曲所引起的金属疲劳效果为
同向弯曲的
2
倍。
(2)
钢丝绳的结构型式选择得当，优先选用连接触绳。
(3)
降低工作应力。
(4)
在设计中应选用较大直径的卷筒和滑轮，以提高
D
/
d
的比值。
(5)
合理确定卷筒、滑轮的材料及绳槽尺寸。
(6)
合理选择钢丝的公称抗拉强度
。钢丝绳的强度不宜过高，一般不超过
1850N/mm
2
。
(7)
钢丝线
应保持清洁，加强维护保养。
2
、钢丝绳的寿命标准
钢丝绳的报废标准主要由每一捻距内的断丝数决定。一根钢丝绳在任何部位的一个捻
< br>距内断丝数达到标准值，
就应报废。
报废的断丝数比例标
准是：
交互捻为
10
％，
同向捻为
5
％。
计算时，对于外层钢丝直径不同的钢丝绳，每根细丝按
1
计算，粗丝按
1.7
计算。
对于送人或危险物品的钢丝绳，报废断丝数减半。
此外，钢丝绳其中有一股断裂，或外层钢丝直径磨损腐蚀达
40
％时，不论断丝数
多少，均应报废。如果外层钢丝严重磨损但尚未达
到
40
％时，应根据磨损程度，适当降低
报废断丝数标准
(
见表
4-2)
。
表
4-2
钢丝绳报废断丝数标准的折减
钢丝直径磨损％
10
15
20
报废断丝数标准折减％
85
75
70
钢丝直径磨损％
25
30
40
报废断丝数标准折减％
60
50
报废
4-2
滑轮与滑轮组
滑轮的
主要作用是导向和文承，以改变钢丝绳的走向。从而改变所传递拉力的方向
*
也
可
用来平杨钢丝绳分
文的拉力，
或组成滑轮组达到省力或增违的目的。
根据治轮的轴
线是否运
动，有定滑轮和动滑轮之分。只利用滑轮的转动来均
衡钢丝绳拉力的滑轮叫做均杨滑轮。
一、滑轮的构造、材料和种类
滑轮由
轮毂、轮辐和有绳槽的轮缘所组成，如图
4-9
所示。
起重机滑轮一般支承在心轴上，
大多
采用滚动轴承，
低速滑轮或均衡滑轮也可采用滑动
轴承。
根据制造方法，滑轮有铸造滑轮、焊接滑轮、热轧滑轮等。
1
、铸造滑轮
(
图
4-9a))
，有铸铁和铸钢两类。承受负荷不大的小尺寸滑轮
(
D
＜
350
mm)
，
一般制成实体的滑轮，其材料为
HT150
铸铁，铸铁滑轮工艺性好，价廉；承受负荷大的大
尺寸滑轮一般采用球铁
(
如
QT42-
10)
或铸钢
(
如
ZG230-450
、
ZG270-500
或
ZG35Mn
等
)
，铸
成带筋、孔和带轮辐的结构。这种滑轮具有较高的强度和冲击韧性。
图
4-9
滑轮的构造和分类
a)
铸造滑轮；
b)
焊接滑轮；
c)
热轧滑轮；
d)
双辐板压制滑轮
2
、焊接滑轮
(
见图
4-9b))
，目前多数焊接滑轮是先将钢板压制成绳槽形状，由数块压制
成型的钢板拼成一个整圆后再与辐板焊接而成。
另一种是轧制绳槽钢焊接滑轮
，
先由热轧机
轧制出各种规格的条状绳槽钢，然后将其卷制成圆
环形，再与辐板
(
或辐条
)
，轮毂焊接制成
滑轮。这种滑轮结构简单，强度高，抗冲击性能好，材料利
用率高，重量轻
(
比同规格的铸
钢滑轮
轻约
40
％
)
，特别是轧制绳槽钢滑轮，绳槽几何精度高，硬度适中，可提高钢丝绳使
用寿命。
3
、热轧滑轮
(
见图
4-9c))
是国外八十年代
中期出现的一种新型滑轮。热轧滑轮是在旋转
的圆形钢板上用火焰将其边缘加热，然后使
用特殊的工艺将钢板外缘直接轧制出滑轮的绳
槽，和轮毂焊接制成滑轮。热轧滑轮重量轻
、强度好、精度高，绳槽表面硬度较高。热轧滑
轮已在我国港口起重机中大量使用，已有
系列产品。
4
、带尼
龙绳槽衬垫双辐板压制滑轮
(
见图
4-
9d))
，这种滑轮的两片辐板采用
4~6rnm
的
普通碳素钢钢板压制成型，
并用胀铆和过盈配合工
艺使之与滑轮轮毂连成一体而成，
滑轮轮
组绳槽镶装有可装拆的
由尼龙制成的绳槽衬垫。其优点自重轻，绳槽耐磨性好，无噪音。
此外，在工程起重机中，为降低臂架头部重量，铝合金滑轮，
MC
< br>尼龙滑轮等有一定应
用。
二、滑轮直径和绳槽
1
、滑轮的直径
为提高钢丝绳的使用寿命，滑轮的卷绕直径应满足
D
0min
≥
h<
/p>
?
d
(4-5)
式中：
D
0min
——滑轮的最小卷绕直径
(mm)
；
D
0
＝
D
+
d
h
——与
机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，见表
4-3
；
d
——钢丝绳直径
(mm)
；
D
——滑轮槽底直径
(mm)
。
表
4-3
系数
h
机构工作级别
卷筒
h
1
滑轮
h
2
机构工作级别
卷筒
h
1
M
1
~
M
3
14
16
M
6
20
M
4
16
18
M
7
22.4
M
5
18
20
M
8
25
注：①当采用不旋转钢丝绳时，按此机构工作级别高一级
的值选取。
②对于流动式起重机，建议
h
1
=16
，
h
2
=18
，与工作级别无关。
滑轮
h
2
22.4
25
28
均衡滑轮的直径，
对桥式类型起重机取与
D
0min
相同，
对于臂架起重机应不小于
0.6
D
0min
。
2
、滑轮的绳槽形状和尺寸
滑轮绳槽的形状和尺寸在很大程度上影响着钢丝绳的使用寿命，
应满
足：
钢丝绳与绳槽
有足够的接触面积；
钢丝绳在绕进绕出滑轮时，能顺利通过而不会卡住，也不会脱出，
钢丝
< br>绳相对绳槽有一偏角
(
≤
4
?
)
时，不脱槽、不磨边，能正常工作。<
/p>
三、滑轮的效率
1
、钢丝绳绕速滑轮时的阻力
钢丝绳绕过滑轮时，产生僵性阻力和轴承摩擦阻力，从而增加功的消耗。
当钢丝绳绕上滑轮时，由于曲率的改变，绳股间及钢丝间
发生相对滑移，产生摩擦，加之钢丝绳的弹性，这些都阻碍着
它不能
立刻适应滑轮绳槽的曲率，且向外偏移一定量。同样，
当钢丝绳绕出滑轮时也不能立刻恢
复直线状态，而是向里产生
一偏离值，如图
4-10
所示。这就使绕入分支的力臂增大，绕出
分支的力臂减小。要使滑轮转动，
必须增大绕出分支的拉力，
这样的阻力称为僵性阻力
W
1
。
W
1
＝
λ
?
A
(4-6)
式中：
λ
——僵性系数，与钢丝绳直径、结构、材料及滑轮直径
有关。一般用实验的方法确定。
在一般条件下取
λ
＝
0.01
；
图
4-1
0
钢丝绳绕过滑轮的僵性阻力
S
——钢丝绳绕入边的拉力。
由于钢丝绳拉力对轴承产生压力，当滑轮转动时产生摩擦阻力矩
(
见图
4-11)
，钢丝绳绕
过滑轮运动所需克服的摩擦阻力
W
2
< br>为
W
2
?
?
式中：
μ
——轴承的摩擦系数；
d
——轴承的名义直径；
D
——滑轮直径；
θ
——钢丝绳的包角。
因此，总阻力为
d
< br>d
?
N
?
2
?
S
sin
D
D
2
W
?
W
1
?
W
2
?
(
?
?
2
?
d
?
sin
)
S
?
e
S
< br>
D
2
式中：
< br>e
——阻力系数，
e
≈
0.02(
滚动轴承
)
；
e
≈
0.05(
滑动轴承
)
。
图
4-11
滑轮轴承摩擦阻力
图
4-12
滑轮的效率
2
、滑轮的效率
1)
定滑轮的效率