吊装钢丝绳受力计算与设计选型.docx

吊装钢丝绳受力计算与设计选型唐兴华华电重工股份有限公司上海分公司 上海 200122摘要：以典型的 4 分支吊索为例，介绍了吊装过程中钢丝绳的受力的简化计算，考虑诸多影响因素，推导得出钢丝绳受力的通用计算公式，这对钢丝绳的设计选型具有重要的指导参考，并提供了 具体的应用实例。同时为其他分支的吊装分析计算提供重要的设计参考和一种切实可行的设计思 路。关键词：吊装钢丝绳；受力计算；设计选型中图分类号：TH122文献标志码：B文章编号：1001-3954(2014)11-0111-04Force calculation and sizing of lifting wire ropeTANG XinghuaShanghai Branch of Huadian Heavy Industries Co., Ltd., Shanghai 200122, ChinaAbstract：Taking the typical four-branch sling as the example, the paper introduced simplified formula ofcalculating the force of the wire rope during lifting process. And then, it took into many influential factors account, and deduced the general formula of calculating the force of the wire rope, which possessed important reference for sizing of the wire rope. In addition, specific application example was offered. The study offered important reference and feasible design thinking for calculation of other various-branch sling.Key Words：lifting wire rope; force calculation; design and sizing供重要的设计参考。大 型机械设备在制造、运输和安装过程中，必须考虑吊装的问题。随着现代大型机械设备自1近似计算大型机械设备的吊装通常采用多分支捆绑吊索完身质量的不断增加，对其吊装的一体化、专业化地提出了更高的要求。大型机械设备的吊装通常采用起重机械、吊具 和钢丝绳等完成，而钢丝绳的选择直接影响吊装过程 的安全，而且关于大型机械设备吊装钢丝绳的受力计 算，暂无可以直接套用的参考资料，因此，对吊装使 用的钢丝绳受力情况进行分析研究很有意义。以典型的 4 分支吊索为例，介绍吊装过程中钢丝 绳的受力简化计算，考虑了诸多影响因素，推导得出 钢丝绳受力的通用计算公式，对钢丝绳的设计选型具 有重要的指导作用，也为其他分支的吊装分析计算提成。捆绑吊索受力比较复杂，通常采用增大安全系数来弥补。常用吊索有 1、2、4 支或多支，双支吊索及 多支又分有夹角和无夹角两类。无夹角的钢丝绳受力 计算比较简单，吊索的长度也可较短，用吊取的物件 重量除以分支数即为每支的钢丝绳受力。无夹角吊装 时，考虑到吊装过程中的串动平衡，不宜选择过多分 支。在吊装过程中，有夹角吊装时常采用 4 分支吊索，如图 1 所示。由图 1 可知，其顶角夹角 越大， 吊索钢丝绳的受力也越大；因此，减小顶角夹角 ， 可以改善钢丝绳受力，提高钢丝绳的使用寿命。但作者简介：唐兴华，男，1984 年生，工学硕士，工程师，主要从事物料输送机械的设计和研究工作。111通用本栏目编辑陆秋云2对于大型机械设备，其吊耳 (吊点) 的位置有可Fig. 1 Sketch of four-branch sling由式 (1) 可知，当顶角夹角 一定时， 1/ cos为一常数。因此，可以编制相应的数值表格供查询。算公式。不重合，因此，单根钢丝绳的实际受力不可能完全相支吊装钢丝绳的实际受力示意如图 3 所示。根据力绳实际受力情况。程 (3)246-47,337-38。 h1 h1 h2 h2 FF22222222h1 + L1L1h1 + L2L2h2 + L3L3h2 + L4L4杠杆原理分配，则得到其单根钢丝绳的受力，其进一步近似表达如下。+ F= F+ Fh1 + L1h1 + L2h2 + L3h2 + L42 21111122+ F= F+ Fm + mn + n21112232413242m + mn + n22h 2 + L2h 2 + L2h 2 + L2h1 + L1cos1 21 22312242(2)(3)式中：L1、L2、L3、L4 为每个吊点到重心的距离；3m + mn + n212o4m + mn + n吊钩捆绑点的高度为 h ，右侧 2 个吊耳中心到吊钩捆绑点的高度为 h2)。2通用本栏目编辑陆秋云第 42 卷 2014 年第 11 期112是无限减小 ，又会增加钢丝绳的长度，导致高空作 业。所以一般吊索的顶角夹角不超过 120，宜选在6090之间115。如图 1 所示，4 分支吊装钢丝绳的单分支 (以下 称单根) 钢丝绳的受力F =G，(1)4 cos式中：F 为单根钢丝绳所受的拉力；G 为被起吊机械 设备的自重。图 2 4 分支吊装钢丝绳受力示意 (近似计算)Fig. 2 Force sketch of wire rope of four-branch sling(approximate calculation)为被起吊机械设备的自重；m1、m2、n1、n2 为左、右 侧钢丝绳到重心的距离。与式 (1) 相比较，式 (2) 更加全面地考虑了实际 吊装过程中钢丝绳受力的影响因素，比较真实地给出 了吊装钢丝绳受力的计算方法。2通用计算图 1 4 分支吊索示意能不在同一位置或者同一平面，同样式 (2) 也有很多 局限性，不能从根本上准确地反映钢丝绳的实际受力2情况。因此，有必要进一步推导钢丝绳受力的通用计对于大型机械物件，其重心位置有可能与物件的中心考虑各种影响因素以后，处于吊装状态的 4 分 等。签于式 (1) 的诸多局限，并不能真实地反映钢丝与 力矩平衡方程，可以得到钢丝绳受力的平衡方 更接近实际状态的 4 分支吊装钢丝绳受力示意如图 2 所示。可近似认为左、右侧钢丝绳的受力，根据F1+ F2+ F3+ F4= G122222322422F =Gm2n2, hm hm h m h m cos1 2 1 2 1 h 2 + L22 h 2 + L23 h 2 + L24 h 2 + L2F =Gm2n1,FL1 1+ FL3 2= FL2 2+ FL4 1 F =Gm1 n1 ,cos1 2 1 2 h 、h 为左右侧钢丝绳到捆绑点的垂直距离 (左右侧F = G m1 n2 吊耳中心到吊钩捆绑点的高度，左侧 2 个吊耳中心到cos1 2 1 2 1式中： F1、F2、F3、F4 为单根钢丝绳所受的拉力；G为了简化表达式，进行如下等价假设：3钢丝绳选型实例(general calculation)作性质以及其承受载荷的大小而定，钢丝绳的允许拉力4h 2 + L2F22h1 + L2h2p ，c =F =(6),h2 + L3h2d =h2 + L4匀性、冲击性等因素决定。钢丝绳作为捆绑吊索使用根据式 (5) 可知，各单根钢丝绳的实际拉力乘以安全系数 S，即可得到各单根钢丝绳的破断拉力。查1 c bm1m1F1 =G 1 22同的破断拉力，从而可以选择合适直径的钢丝绳。222a 1 d bd 1 c 1 aGm11 cFF=(m1 + m2 )c1 b2m1 + m2 2(m1 + m2 )c 1 b21 c4.4 m，h = 5 m，L = 1 m，L = 2 m，L = 2 m，L = 3m，m1 = 0.8 m，m2 = 1.6 m；采取 4 分支吊索对机械222ac 1 d bd 1 c 1 b(5)(m1 + m2 )c将上述已知数据代入式 (4)、(5)，即可方便地计算出 F1F4 的具体数值。由于式 (5) 相对比较繁琐，1 c bm1m1G 1 d2,22(4) 所示的等价假设)。由表 1 可知，F1 = 114.856 kN，F2 = 23 433.786 131 a221 b2m1 + m2 3411 b2(m + m )co1 2=F = 138 289.930 4 N，F + F = 75 584.633 32 N。1 d 21 c2bd1 a2c 1 b2通用本栏目编辑陆秋云第 42 卷 2014 年第 11 期式 (5) 为 4 分支吊索钢丝绳所受拉力的通用计算 公式，它考虑了诸多影响因素，弥补了式 (1)、(2) 近 似计算过程中省略的影响因素。相对于式 (1)、(2) 而 言，式 (5) 可以更真实地反映单根钢丝绳的实际受力 情况，是一种考虑诸多影响因素的通用计算表达式。 根据式 (5) 的结论，可计算得出吊装各分支的钢 丝绳受力值 F1F4。同时还可以根据计算表达式自行 编制相应的 Excel 计算表格，为以后同类型吊装钢丝 绳受力的计算提供查询，也为吊装钢丝绳进一步设计选型提供重要的参考数据。图 3 4 分支吊装钢丝绳受力示意 (通用计算)Fig. 3 Force sketch of wire rope of four-branch slinga =h1 ,钢丝绳的选用，主要根据钢丝绳实际使用的工1 1b =h1 ,(4) s S2 2 式中：Fp 为钢丝绳的破断拉力；S 为钢丝绳的安全系 数。2 2 o钢丝绳的安全系数根据工作性质以及材料的不均求解式 (3) 可得，F1F4 的方程式如下。时，其安全系数通常为 68。2 (m1 + m2 )c 1 bm1 + m2 1 d,阅相关的设计手册可知，不同直径的钢丝绳对应有不1 a2 c 1 b2 式 (5) 为 4 分支吊索钢丝绳所受拉力的通用计算2 公式。为了进一步验证计算的正确性和可操作性，笔2 2 者结合平时实际工作中的具体设计，给出其分析过程和计算结果。G 1 1 c bm1 m1 d简化模型如图 3 所示。已知 G = 200 k N，h1 =,2 1 2 3 41 a2 1 b2 部件进行吊装作业。F =Gm1 3.1 钢丝绳受力计算2 (m1 + m2 )c 1 bm1 + m2 为了节省计算时间，可以自行编制相应的 Excel 计算ac 1 d bd 1 c表格，如表 1 所列。其中省略了中间的过程量 (如式G 1 1 c bm1 m1 N，F = 26 109.889 97 N，F = 49 474.743 35 N，F +2 3 4a其中，m2/ m1 = 1.6/ 0.8 = 2，而吊索左右侧的钢 丝绳合力的比例分配为113F1 + F2 = 138 289.930 4 = 1.83 。(7)4结语关于吊装钢丝绳的受力计算，没有可直接套用的Tab. 1Force calculation of wire rope of12413郭应征，李兆霞应用力学基础 M北京：高等教育出版全系数为 6，选择钢芯钢丝绳。查阅 G B8918，选择6x37S+ IWR-1770，钢丝绳直径为 36 mm，最小破断通用本栏目编辑陆秋云第 42 卷 2014 年第 11 期114拉力为 817 kN (81.7 t)，钢丝绳公称抗拉强度为 1 770F3 + F4 75 584.633 32MPa。钢丝绳长度为 30 m。表 1 4 分支吊索钢丝绳受力计算 (通用计算)four-branch sling (general calculation)参考资料。笔者以典型的 4 分支吊索为例，介绍了吊 装过程中钢丝绳受力的近似计算公式，考虑了诸多影 响因素，推导得出钢丝绳受力的通用计算公式，对吊 装钢丝绳的设计选型具有重要的参考作用。并提供了 具体的应用实例，验证了计算公式的正确性，同时为 其他分支的吊装分析与计算提供了重要的设计参考和 切实可行的设计思路。参 考 文 献如图 3 所示，可近似认为吊索左右侧钢丝绳受1 蔡裕民吊装工艺计算近似公式及应用 M北京：化学工业力符合杠杆原理，即 F1 + F2、F3 + F4 按照杠杆原理分出版社，2004：15-16.配。从而验证了式 (5) 的正确性。2 哈尔滨工业大学理论力学教研室理论力学 M6 版北3.2 钢丝绳选型京：高等教育出版社，2002：20-30.由表 1 可知，考虑合理的安全系数，通过计算 F1 社，2000：35-50.F4 选择合适的吊装钢丝绳。4 北京起重运输机械研究所，国家起重运输机械质量监督检验该实例中，钢丝绳受力最大为约 120 kN (12 t)。 中心，上海振振华港机股份有限公司，等GB/ T