第2B记 不查表如何快速选择出合适直径的钢丝绳

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作为一名机械工程师,从事起重机械设计多年,常常有朋友、销售同事咨询到:现在我要吊装xx吨的物件,用多大的钢丝绳合适呢?xx米钢丝绳大约有多重呢?为了在不方便查询或者无法查询标准表格的情况下,快速地选择出合适规格的钢丝绳,故成此文。

第2B记    不查表如何快速选择出合适直径的钢丝绳

1、确定钢丝绳的使用安全系数

对于一般用途钢丝绳,安全系数的选择很重要。安全系数是指钢丝绳最小破断拉力与全部工作载荷的比。在静态牵拉场合,如固定物体的长期拉索等,安全系数一般不低于3;用于手动起重设备时,安全系数通常不低于4;如果是机动起重设备,安全系数一般不低于5 - 6。这些安全系数的设定是为了确保在正常工作以及可能出现的一些意外情况下(如稍微过载、冲击等),钢丝绳能够安全可靠地工作,防止出现断裂等危险情况。起重机设计过程中,常按照表1进行选择钢丝绳的安全系数。

第2B记    不查表如何快速选择出合适直径的钢丝绳

表1  起重机设计钢丝绳安全系数选择表

2、承重系数k=0.06,倍数0.003及倍数1.08
系数主要针对以下常用a类钢丝绳类型:

a类(线接触):6x19类,6x36类。承受交变载荷时,应力能更均匀地分布在接触面上,耐疲劳性能更好,更适合用于需要频繁起吊或牵引的设备,起升机构常采用此类钢丝绳;

a类典型结构有6x19S-FC,6x19S-IWRC,6x36WS-FC,6x36WS-IWRC。另外典型结构还有6x17S,6x21S,6x21F,6x126WS,6x19W,6x25F,6x31WS,6x29F,6x37FS,6x41WS,6x46WS,6x49SWS,6x55SWS。

说明:W表示瓦林吞式,又称粗细式,挠性好;S表示西鲁式,又称外粗式,耐磨性好; F表示填充式;WS表示瓦林吞-西鲁复合式,柔韧性好、抗疲劳性好,起重机常采用;FC表示纤维芯,IWRC表示独立钢丝绳芯。

纤维芯绳级1770承重系数k0.06(a类)
纤维芯质量系数w1:0.38(a类)
钢芯质量系数w2:0.418(a类)
2.1  钢丝绳公称直径快速计算

考虑到安全系数(吊装推荐4~6),假如已知每根钢丝绳需要安全承受最大载荷T,载荷T的单位吨(t),常用的a类(6*19类、6*37类)及绳级1770的纤维芯钢丝绳直径计算公式为

d≥sqrt(T÷k),k=0.06

直径d的单位毫米(mm),换言之,即d*d=T÷0.06a钢丝绳公称直径系列有(6,7,)8,9,10,11,12,13,14,15,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,40,42,44,46,48,50,52,54,56(58,60)( )内的钢丝绳系列与结构有关系。

那其它绳级的钢丝绳直径怎么快速计算呢?只需计算出相应的承重系数即可。

a 类其它绳级纤维钢丝绳承重系数计算:钢丝绳绳级强度增加i个等级,承重系数加大0.003*i,减小i个等级,承重系数减小0.003*i+0.001,即:

ki=0.06+0.003*iki=0.06-0.003*i+0.001

i为等级数,默认绳级强度1770时i=0。绳级强度按照一级90~100MPa递增或者递减。钢丝绳绳级(公称抗拉强度MPa)系列有1570,1670,1770,1870,1960,2160;

a绳级1870的纤维钢丝绳承重系数为0.06+0.003*1,即0.063;a绳级1570的纤维钢丝绳承重系数为0.06-(0.003*2+0.001),即0.053。注意,有个特例a绳级2160的纤维钢丝绳承重系数为0.073(即计算所得需要+0.001)。

同型号的钢芯承重系数是纤维芯承重系数的1.08倍,换言之,同参数的钢丝绳(如公称直径相同,绳级强度相同)钢芯的承载能力是纤维芯的1.08倍a钢丝绳各承重系数见表2。

钢丝绳绳级 1570 1670 1770
1870 1960 2160
纤维芯承重系数 0.053 0.056 0.06
0.063 0.066 0.073
钢芯维性承重系数 0.057 0.061 0.064 0.068 0.071 0.079

表2  a钢丝绳各承重系数

2.2  钢丝绳质量估算

选择了钢丝绳直径后,那其质量大概是多少呢?可以采用质量系数w计算,即100米钢丝绳大约质量计算公式为

m1=w1*d*d或者m2=w2*d*d

纤维芯钢丝绳质量系数w1:0.38(a类);钢芯钢丝绳质量系数w2:0.418(a)式中质量m的单位为千克(kg),直径d为单位毫米(mm)。质量系数不考虑钢丝绳绳级强度。

2.3  钢丝绳强度核算

另外,如果已知钢丝绳直径,如现场已有钢丝绳了,缺乏铭牌也可快速核算出其最大安全承载能力F,即采用公式

F=0.06*d*d

F的单位是吨(t),钢丝绳实测公称直径d的单位是mm,假如默认是绳级强度1770的a类纤维芯钢丝绳。

3、钢丝绳的结尾固定方法

钢丝绳结尾固定常采用方法:编结法、绳卡固定法、铝合金压头法、楔形套筒法、锥形套筒灌铅法等,如图1所示。

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图1  钢丝绳结尾固定常采用方法图示

A、其中绳卡固定法标准个数为:钢丝绳公称直径d≤16,3个;16<d≤20,4个;20<d≤26,5个;26<d,6个;绳夹距离L=(5~6)d

B、楔形套筒法是否需要绳夹呢,GB/T5793《钢丝绳用楔形接头》等国标要求缠绕紧实,注意尾绳位置(图2),并无明确要求用绳夹,如要增加,安装可参照美标(图3)。

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图2  GB/T5793-2006《钢丝绳用楔形接头》示意图

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图3  楔形接头固定钢丝绳+绳夹示意图(美标B30.5,图片来源太科大校友分享)
4、钢丝绳的种类选择简介

钢丝绳种类丰富,分类多样,日常使用及设计密切相关的主要按照用途、绳芯、外部质量、内部质量四种分类,另外还有按股中每层钢丝之间的接触状态、拧绕的层次、钢丝绳捻制的相互方向、股的数目等分类。

A、按照用途分类:包括一般用途钢丝绳、起重用钢丝绳、电梯用钢丝绳、架空索道及缆车用钢丝绳、矿井提升用钢丝绳、航空用钢丝绳。 

B、按绳芯分类:纤维芯(FC)、钢芯(WC)、复合芯(CC)、固态聚合物芯(SPC)钢丝绳。

 ①纤维芯(FC):包括合成纤维芯(SFC)和天然纤维芯(NFC),具有储油多、柔软弯曲性能好的特点,但破断拉力相对较小,常用于对破断拉力要求不高、需要较好柔韧性的场合。

 ②钢芯(WC):分为独立钢丝绳芯(IWRC)和钢丝股芯(WSC),具有破断 拉力大、抗挤压、耐高温、耐磨等优点,在高温、重载等恶劣环境下使用多。

复合芯(CC):兼具金属芯和纤维芯的优点,具有较高的耐磨性、承载力,同时又能保证钢丝绳芯内的储油功能,适用于一些对钢丝绳综合性能要求较高的场合。

C、按照外部质量分类:光面钢丝绳(NAT)、镀锌钢丝绳(严重腐蚀条件ZAA,一般腐蚀条件ZAB,较轻腐蚀ZBB)、不锈钢钢丝绳(SUS)、涂塑钢丝绳、磷化涂层钢丝绳。

D、按照内部质量分为特级(载客电梯)、一级(起重机)、二级(次要用途)。

5、结后语

a类、b类及其它结构钢丝绳详细准确的数据可查询GB/T 20118-2017《钢丝绳通用技术条件》,本文方法主要适用于此标准里起重机常用的6x19、6x36类钢丝绳,误差率基本在2%内,非理论研究,仅作为实用参考。

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参考资料:
GB/T 20118-2017《钢丝绳通用技术条件》
GB/T 20118-2006《钢丝绳通用技术条件》(废止)
GB/T5793-2006《钢丝绳用楔形接头》
《起重机械》/文豪主编
部分图片来源AI
 
附录:下列是b类钢丝绳承重系数

b类(点接触):6x19M类,6x37M类;反复受力过程中,钢丝绳触点的应力集中相对明显,耐疲劳性相对较弱,使用情况较少,可用于一般拉索等。典型结构6x19M-FC,6x19M-IWRC,6x37M-FC,6x37M-IWRC

纤维芯绳级1770承重系数ki0.053(b)
纤维芯质量系数w10.35(b)
钢芯质量系数w2:0.4(b类)
附.1  钢丝绳公称直径快速计算

考虑到安全系数(一般吊装推荐5~6),假如已知每根钢丝绳需要安全承受最大载荷T,载荷T的单位吨(t),常用的b类(6*19M类、6*37M类)及绳级1770纤维钢丝绳直径计算公式为

d≥sqrt(T÷ki),ki=0.053

直径d的单位毫米(mm),换言之,即d*d=T÷0.053。钢丝绳公称直径系列有(3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,40,42,44,46,48,50,52,54,56,(58,60)( )内的钢丝绳系列与结构有关系。

那其它绳级的钢丝绳直径怎么快速计算呢?计算出相应的承重系数即可。

b类其它绳级纤维钢丝绳拉力系数计算:钢丝绳级增加i个等级,承重系数加大0.003*i,减小i个等级,承重系数减小0.003*i;

ki=0.053±0.003*i

i为等级数,默认绳级强度1770时i=0。绳级强度按照一级90~100MPa递增或者递减。钢丝绳绳级(公称抗拉强度MPa)系列有1570,1670,1770,1870,1960,2160;如b类1570的纤维钢丝绳公称抗拉强度比1770低2级,承重系数为0.053-0.003*2,即0.047。

附.2  钢丝绳质量估算

选择了直径后,那其质量大概是多少呢?可以采用质量系数w计算,即100米钢丝绳大约质量计算公式为

m1=w1*d*d或者m2=w2*d*d

纤维芯钢丝绳质量系数w1:0.35(b)钢芯钢丝绳质量系数w2:0.4(b类)式中质量m的单位为千克(kg),直径d为单位毫米(mm)。质量系数不考虑钢丝绳绳级强度。

附.3  钢丝绳强度核算

同型号的钢芯承重系数是纤维芯承重系数的1.08倍,换言之,同型号的钢丝绳(如直径相同,抗拉强度相同)钢芯的承载能力是纤维芯的1.08倍。

另外,如果已知钢丝绳直径,如现场已有钢丝绳了,缺乏铭牌也可快速核算出其最大安全承载能力F,即采用公式

F=0.053*d*d

F的单位是吨(t),钢丝绳实测公称直径d的单位是mm,假如默认是绳级强度1770的b类纤维钢丝绳。

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