起重吊装基本知识.doc

起重吊装基本知识、基本理论讲座

一. 起重吊装用绳索
（一）麻绳
1. 麻绳的种类、特点和用途
（1） 麻绳种类：麻绳用大麻纤维编织成，按使用的原料不同分为印尼棕绳、白棕绳、混合绳和线麻绳四种。
麻绳又分浸油和不浸油两种。浸油的麻绳有耐腐蚀和防潮的特点，但由于浸油后，麻绳的重量增大，质地较硬，不易弯曲，强度降低20%左右。在吊装作业中，一般不采用浸油麻绳。
麻绳按照拧成的股数可分三股、四股、九股三种。见图1
（2） 麻绳的特点：麻绳具有质地柔软、携带方便、容易绑扎等特点，但其强度较低，一般麻绳的拉力强度仅为同直径钢丝绳的10%左右，而且易磨损。
（3） 麻绳的主要用途：绑扎轻型构件或抬吊轻型物品；吊装轻型构件；当提升或吊装构件或重物时，用以拉紧，作溜绳用，以保证被吊构或重物的稳定和在设计规定的位置上，防止碰、撞，有利于就位。
2. 麻绳的拉力计算
在吊装作业中使用麻绳时，必须对其强度进行验算，看其是否符合安全要求。验算公式如下：
P≤Sb/k
式中p——允许起吊重量，N；
Sb——麻绳破断拉力，N；
K——安全系数，见表
【例题】在重钢一厂有一直径为20㎜国产鱼旗牌白综绳，用作千斤绳，允许吊重为多少？
【解】：应用以上公式 P≤Sb/K 查表Sb=16KN K=8
P=16/8=2KN
答：允许吊重为2KN。
在安装施工现场，一般只知道被起吊构件或物体的重量，而需求得用多大直径的麻绳时，可用如下公式进行计算。
P=A·【б】
因为麻绳为圆形直径，其截面面积A=лｄ2/4
所以P=（л·d2/4）·【б】
所求麻绳直径为 d=√4P/（л·【б】
式中A—麻绳截面积，㎡；
d—麻绳直径，m；
【б】—麻绳允许应力，Pa。
麻绳的安全系数与许用抗拉力见表。
【例题】用一根三股白棕绳吊装3KN的构件，需用多大直径的绳
【解】：按表选取【б】=10MPa=10000KPa代入上式
d=√4·P/（л【б】）=√4×3/（3.14×10000）
=0.0196m=19.6㎜
答：按一般起重作业按表选用20㎜白棕绳即可，其破断拉力为
16KN，构件为3KN，有5倍以上安全系数。为快捷知道麻绳的破断拉力，在安装施工现场安全使用麻绳，有如下经验公式可应用。
当麻绳d≤15㎜时 Sb≈5d2
15㎜﹤d≤25㎜时 Sb≈4d2
d›25㎜时 Sb≈2.3d2
得出的单位为kg，化算为N。
3. 麻绳的正确使用和保养
（1） 麻绳要存放左干燥的木板上和通风良好的地方，不能受潮或高温烘烤。
（2） 麻绳不能在有酸碱的地方使用，并防止沾染酸碱后降低强度后报废。
（3） 麻绳与滑轮和滑轮组组合使用时，绳轮比为1：10以上。
（4） 麻绳用于吊装有棱角的构件或设备时，应该用麻袋或其它软物包垫完善，以免伤割麻绳。
（5） 断丝的麻绳禁止用于起吊作业，旧麻绳根据新旧程度按新绳的40～60%破断拉力使用。
（6） 麻绳在轮槽中的偏角控制在3度范围内，否则脱槽割伤、割断麻绳发生事故。
（7） 打结的麻绳禁止在滑轮中使用。
（8） 麻绳应用特制油涂抹保护，油的成份如下：工业凡士林83%，
石蜡4%，松香10%，石墨3%。
（二）尼龙绳及涤纶绳
1.用途及性能
在吊装表面光洁的构件、零部件，磨光的销轴，软金属制品，或其它表面不允许磨损的设备时，必须使用尼龙绳、涤纶绳等非金属绳索。
尼龙绳和涤纶绳具有轻、柔软、耐腐蚀、具有弹性，当额定满载时，最大伸长率可达40%～36%。减少冲击的优点。还具有耐油、不怕虫蛀、细菌不能繁殖。吸水率只有4%，抗水性能达99.6%，耐有机酸和无机酸的腐蚀。
为便于吊装设备，用尼龙帆布制成带状的吊具，见图。具有单层～八层的尼龙帆布，其抗拉强度可达2140N/㎝·层。
（三）钢丝绳
1.钢丝绳的特性：钢丝绳是用优质高强度碳素钢丝捻制成的，它具有截面相等、抗拉强度高、耐磨损、弹性好，在高速运转时，运动平稳，没有噪音，自重轻、工作安全、可靠。能承受冲击性载荷，破断前有断丝预兆，整根钢丝绳不会立即折断。
2.钢丝绳的缺点：钢丝绳由于具有柔性【能弯曲】、还具有僵性【反抗弯曲】，按规范要求，在起重吊装机索具中具有一定的绳轮比，必然增大卷筒和滑轮的直径，相应地增大了其尺寸和重量。使用不当时，易发生疲劳破坏和磨损。
3.钢丝绳的技术规范
国产标准钢丝绳中，针对我们起重吊装作业常用的钢丝绳有：
6×19＋1【其中6为六股钢索，19为每股钢索中有十九根0.4～3㎜的钢丝捻制而成，1为中间的一根麻芯，麻芯油浸过的。当钢丝绳受力后，油从缝隙中挤出，起到减小摩擦保护钢丝绳使用寿命】。
一般用作缆风绳和拖拉绳。
6×37＋1【其中6为六股钢索，37为每股钢索中有三十七根0.4～3㎜的钢丝捻制而成，1为一根中间的油浸麻芯】。一般用作滑轮组与卷筒起重跑绳用。
6×61＋1【其中6为六根钢索，61为每股钢索中有六十一根0.4～3㎜的钢丝捻制而成，1为一根中间的油浸麻芯】。一般用作千斤绳【吊索】、捆绑绳用。
其中钢丝的抗拉强度分别为1400MpPa、1550MPa、1700MPa、1850MPa、2000MPa五个等级，见表。现场实践证明，钢丝绳的破坏主要是由疲劳、磨损引起的。
4. 钢丝绳的破坏：根据实验与安装施工现场的实践证明，钢丝绳的破坏主要由钢丝绳的疲劳、磨损引起的。因钢丝绳在工作时,一般要进出滑轮或卷筒作弯绕，除了产生拉应力外，还有接触应力和弯曲应力，尤其是后两者的脉动特性,引起金属的疲劳。经过一段时间的使用，钢丝绳表面的钢丝发生弯曲疲劳与磨损，表面层的钢丝逐渐折断，折断的钢丝数量愈多，其它未断的钢丝所受拉力越大，疲劳与磨损便愈来愈甚，使断丝速度加快，当断丝发展到一定程度，就保证不了钢丝绳的使用安全系数，按规范要求，钢丝绳在一个节距内断丝超过规定的数量便报废。
（1） 疲劳破坏：由于钢丝绳是在交变载荷持续反复作用【积劳成疾】发生的破坏。破坏特点是突然性、高度局部性和各种缺陷的敏感性。疲劳破坏的宏观断口特征是脆性的，无明显塑性变形。疲劳破坏总是始于微观裂纹，来源于冶烁、冷热加工、化学成份影响、热处理影响、残余应力影响、应力集中的影响等。针对起重吊装实践，钢丝绳的疲劳破坏有如下原因：
a. 钢丝绳缠绕不规范，任意交错，层层相咬，股股相磨。
b. 卷筒或滑轮的直径太小，绳轮比不符合规范要求。
c. 滑轮或卷筒的轴承坏了，在转动时发生振动或不均匀的偏心转动，钢丝在运动的时候，就会发生鞭打卷筒的现象。
（2） 钢丝绳的节距：钢丝绳的报废与折减负荷使用按国家标准规定,在一个节距内断丝或磨损情况而确定的。见一个节距的示意图

5. 钢丝绳的计算：钢丝绳的计算重点掌握，钢丝绳与滑轮及卷筒绳轮比的计算；钢丝绳使用安全系数的计算；破断拉力计算；许用拉力计算等。
（1） 钢丝绳缠绕滑轮或卷筒时最小直径的计算
D≥e1·e2·d
式中D—滑轮或卷筒的直径㎜
e1——一根据工作类型而决定的系数。轻型e1=11～16；中型e1=18；重型e1=20。
e2——一根据钢丝绳结构决定的系数。交互捻e2=1；同向捻e2=0.9。
国内生产使用的H系列滑轮的绳轮比是D/d=11左右。
（2） 钢丝绳安全系数计算：合理正确计算钢丝绳安全系数必须保证在【安全、可靠】的基础上，做到对构件与设备吊装的【万无一失、完整无损】。在计算与选择钢丝绳的安全系数时,应考虑如下的因素：
a. 钢丝绳在吊装过程中将会出现拉伸、挤压、弯曲、疲劳等复杂的应力状态，而且每股、每根钢丝绳的受力都不一样，这种不均匀的受力难以正确计算。一般只能按有较大安全储备近似地计算。
b. 在吊装过程中，常发生有冲击和振动的现象。如起重机的起动和突然停车，由于钢丝绳在初始状态时是处於松弛，继而起动对构件和设备猛拉时，产生比静荷载大几倍的动荷载。
c. 钢丝绳在使用过程中因磨损、锈蚀、被绳卡损伤等影响其强度。
这些因素中最主要的是冲击荷载和因拉伸、弯曲反复出现的疲劳现象。因此,安全系数与起重机牵引性质、操作方法和滑轮与卷筒的直径比,工作的繁忙程度有关。
缆风绳安全系数K=3.5；
起重牵引跑绳 K=5；
吊索【千斤绳、捆绑绳】K=6～10；
用于载人 K=12～14。
（3） 钢丝绳破断拉力和许用拉力计算
a. 钢丝绳破断拉力计算
Sb=л·d21/4·n·бb·ф=n·Fi·бb·ф
式中Sb—钢丝绳的破断拉力，N；
d1—钢丝绳中每一根钢丝的直径M；
n—钢丝绳中钢丝的总根数；
бb—钢丝绳中钢丝的抗拉强度，Pa；
Fi—钢丝绳中钢丝总断面积，M2；
ф—钢丝绳中钢丝的搓捻不均匀残余应力引起不均匀折减系数。
6×19＋1 ф=0.85；
6×37＋1 ф=0.82：
6×61＋1 ф=0.80。
【例题】1.轻钢车间有一根6×19＋1 钢丝绳，直径为21.5㎜，钢丝的抗拉强度бb=1550MPa，钢丝直径d=1.4㎜，试求其破断拉力为多少？
【解】：代入公式 Sb=л·di·n·бb·ф/4=3.14×1.42×10－3×114×1550×103×0.85/4=231KN。查表相吻合
答破断拉力为231KN
【例题】2.重钢车间有一根6×61＋1吊索，直径为22.0㎜，钢丝直径为0.8㎜，抗拉强度бb=1550MPa，试求破断拉力为多少？
【解】：代入公式 Sb=3.14×0.82×10－3×366×1550×103×0.8/4=228KN。查表相吻合（从这二例题加上书上例题可作分析比较,一是相同直径破断拉力不一样,钢丝的直径也不一样,为什么？）
答 破断拉力为228KN。
b. 钢丝绳破断拉力的估算
бb=0.5·d2（KN）
式中d—钢丝绳直径㎜；
该经验公式适用于钢丝抗拉强度为1600MPa左右，即表中所示1550MPa～1700MPa之间，不偏大，也不偏小。其它抗拉强度的可由下式换算出。
Sb=бb/1600×0.5d2（KN）
【例题】重钢一厂有一直径为39㎜的6×37＋1的起重吊装用的钢丝绳,试求其破断拉力为多少？
【解】：代入Sb=0.5·d2=0.5×392=760.5（KN）
查表：当бb=1550MPa时Sb=717.5（KN）
当бb=1700MPa时Sb=787（KN）
在它们两者之间,基本符合。
C.钢丝绳许用拉力的计算
S=Sb/K
式中S—许用拉力N；
Sb—钢丝绳的破断拉力KN；
K—安全系数。
为了弥补材料的不均匀,外力决定的不准确,计算的不精确，以及考虑到荷载的性质、材料的性质和施工作业的安全，一般要求钢丝绳在实际工作中所承受的力是它在试验时强度极限的儿分之一，这样钢丝绳在工作时就有几倍的安全系数。根据安装施工使用起重钢丝绳的实践与经验和参照有关规范钢丝绳的报废由下列项目判定。
（a） 断丝的性质和数量；
（b） 绳端断丝；
（c） 断丝的局部聚集；
（d） 断丝的增加率；
（e） 绳股断裂；
（f） 由于绳芯损坏而引起的绳径减小；
（g） 弹性减小；
（h） 外部及内部的磨损；
（i） 外部及内部的腐蚀；
（j） 变形；
（k） 由于热源或电弧造成的损坏。
在安装施工现场，钢丝绳的损坏往往是由各种因素综合积累造成的，这就应由主管人员在【安全、可靠】基础上判别并决定钢丝绳是报废还是折减使用。
（四）吊装绳索的计算
在起重吊装设备与构件时,常用钢丝绳和链条制成一种专用吊具,称为吊索【千斤绳、带子绳、栓绳和吊带的】。
吊索可用单肢、双支、四支或多支式的
其计算公式为：
S=Q计/n·1/sinβ≤бb/k
式中 S—1根分支吊索所承受的拉力 N；
Q计—被吊设备与构件的计算重量 N；
Q计=K动·K不·Q N
K动—动载系数，一般取K动=1.1；
K不—不均衡系数，一般取K不=1.3；
n—吊索的分支数；
β—吊索与水平面的夹角；
бb—钢丝绳的破断拉力 KN；
K—安全系数，一般取6～10。
【例题】己知某安装现场有一重为50000 N的构件,用双分支吊索吊装该构件，当吊索与构件水平面的夹角β为900、600、45o、300时，试求每根吊索的受力为多少？水平力为多少？选用多大直径的钢丝绳？
【解】：Q计=K动·K不·Q=1.1×1.3×50000=71500 N
β 900 600 450 300
1/sinβ 1 1.16 1.414 2
Q计/n 35750 35750 35750 35750
S=1/sinβ·Q计/n
35750 41470 50550 71500
按最大受力耒选择钢丝绳
代入S=бb/K 所以бb=K·S=6×71500=429000N=429KN
答：查表选用6×61＋1,钢丝抗拉强度为1700MPa直径为30.5㎜的钢丝绳。
二、吊具的计算
（一）骑马式绳卡使用数量的计算
n=T/2N·（f1＋f2）=2.5·T/N
式中 T—钢丝绳上所受的拉力，N；
N—拧紧绳卡螺帽时，螺栓上所受的力（可查表求得）；
f1—钢丝绳与钢丝绳之间的摩擦系数,为安全起见取f1=0。
F2—钢丝绳在绳卡卡箍上的摩擦系数，f2=0.2。
拉力值N是以用长0.2米的螺帽扳手双手用力拧紧螺帽为前提,一般使用三个,最后一个加旁弯,以便观察其是否有松动。
（二）、卸扣计算：
卸扣的承载能力与弯环部位直径的平方成正比，对直环形螺旋式卡环的允许承载按下式枯算。
P=40×d2平均N
式中P—允许承载荷重，N；
d平均—销轴与弯环直径的平均值，即d平均=d＋d1/2㎜
【例题】按表选用卸扣,己知销轴直径为12㎜，弯环直径为10㎜，试确定其允许荷重为多少？
【解】：代入以上公式 d平均=d＋d1/2=12＋10/2=11㎜
P=40×d2平均=40×112=4840N
答： 查表允许负荷为5000N，与计算基本相吻合。
（三）、链条计算
按用途不同链条可分为焊接链条、片状链条两种,用于挠性传动构件或挠性起重构件。其拉力按下式计算。
F=b·9.81·W·m/n N
式中 b—链与垂直线形成夹角à时的受力系数，查表。
W—构件或设备的重量Kg；
m—安全系数,m=5；
n—链条根数。
三、起重滑轮和滑轮组计算
（一）定滑轮计算
在滑轮中,绳索一端的拉力S和另一端的荷载重量Q方向相反,大小相等。但由于绳索具有刚性而产生刚性阻力 W1和轴承的摩擦阻力W2,故
S=Q＋W1＋W2
由于绳索具有刚性,钢丝绳在绕入或引出滑轮时,其绳索和滑轮不能立即密合而产生一定的偏移e1和e2。
若暂不考虑轴承摩擦阻力时，可得出力矩方程式：
Q＋W1（R－e2）=Q（R＋e1） （1）
化简后得
W1=（e1＋e2）·Q/R－e2≈（e1＋e2）·Q/R （因D>e2） （2）
摩擦阻力计算的力矩方程式如下：
W2·R=（2Q＋W1）·f1·d/2
W2=（2Q＋Q·e1＋e2/R）f1·d/2R≈d/R·f1·Q （3）
式中 d—滑轮轮轴直径 ㎜；
f1—转轮与轴的摩擦系数
将W1与W2代入（1）式,可得：
S=Q（1＋e1＋e2/R＋f1d/R）=μQ （4）
式中 μ—总阻力系数。
总阻力系数,是包括绳索的刚性阻力和滑轮轴承人摩擦阻力的一个系数,它与挠性构件的种类、滑轮及轴承的特性以及绳索在转轮上的包角的大小等因素有关。根据实验结果,当采用滚柱轴承寸μ=1.02；青铜衬套时μ=1.04；无衬套时μ=1.06。
1.定滑轮效率计算
当荷载Q上升高度为h时,这时拉力S也移动距离为h,故定滑轮的效率为：
η=有用功/作功=Qh/Sh=Qh/μQh=1/μ （5）
即定滑轮的效率为其总阻力系数的倒数,要提高定滑轮的效率,应尽可能降低总阻力系数。
2.动滑轮计算
如图所示,当荷载Q被提升的高度为h时,这时拉力S2则移动距离为2h,【即速比为2】，故动滑轮的效率为：
η=Qh/S22h （6）
因为Q=S1＋S2, S2=μS1
所以η=Qh/μQ/1＋μ·2h=1＋μ/2μ>1/μ
说明动滑轮效率比定滑轮高。
3.起重滑轮组的计算
一定数量的定动滑轮和导向滑轮组成的轮系称为滑轮组。设滑轮组的速比【即为倍率或工作绳数】为n,吊重为Q,定动滑轮数为m,绳索分支数为z,各分支绳索的张力为S1、S2、S3 Sn。
因为S2=μS1
S3=μS2=μ2S1
S4=μS3=μ3S1

Sn=μSn－1=μn-1S1
Q=S1+S2+S3+b +Sn
所以Q=S（1+μ＋μ2+μ3+ +μn-1）
此项为几何级数,求出代数和,可得：
S1=μ-1/μn-1·Q
因此求得
Sz=μz-1S1=μ-1/μn-1·Q
若跑绳是从定滑轮绕出时,m=Z-1，若导向滑轮为K时,可得
S0=μ-1/μn-1·μm·μk·Q
为计算方便,可将上式写成：
S0=аQ
а—荷载系数,查表可得
【例题】：有一钢构件重为600000N,起重滑轮组的工作绳数（速比）为9,绕过一个导向滑轮（见图）。求跑绳拉力为多少？
【解】：跑绳拉力
S0=аQ计
Q计=K动Q=1.1×600000=660000N
查表荷载系数а=0.140
S0=0.140×660000=92400N=92.4KN
因采用的是青铜衬套,取μ=1.04
S0=1.04-1/1.049-1×1.049