第4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/mm2，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。

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)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。

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。

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

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CSmax (mm) (4-1)

式中：Smax—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KWn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

σb——钢丝的公称抗拉强度(N/mm2)。

表4-1 C和n值

机构 工作 级别 M1~ M3 M4 M5 选择系数C值 钢丝公称抗拉强度σb(N/mm2) 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 M6 M7 M8 选择系数C值 钢丝公称抗拉强度σb(N/mm2) 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=0.40ω=0.82时的取值。

在设计计算中，也可以根据Smax及安全系数n计算选钢丝绳，即所选取钢丝绳应满足：

Sp ≥Smax·n (4-3)

式中，Sp——钢丝绳的破断拉力和(N)。

Sp=K·ΣSi (4-4)

式中，ΣSi——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，

6W(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。在起重机上常用的方法有以下几种： 1、编结法

编结法如图4-8a)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。

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，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/mm2。 (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＜350mm)，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

D0min≥h•d (4-5)

式中：D0min——滑轮的最小卷绕直径(mm)；

D0＝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h1 滑轮h2 机构工作级别 卷筒h1 M1~ M3 14 16 M6 20 M4 16 18 M7 22.4 M5 18 20 M8 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h1=16，h2=18，与工作级别无关。

滑轮h2 22.4 25 28 均衡滑轮的直径，对桥式类型起重机取与D0min相同，对于臂架起重机应不小于0.6D0min。 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，钢丝绳相对绳槽有一偏角(≤4º)时，不脱槽、不磨边，能正常工作。 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W1。

W1＝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4-10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W2为

W2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

ddN2Ssin DD2WW1W2(2dsin)SeS D2式中：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

由于绕入滑轮分支和绕出分支端拉力的行程相同如图4-12a)所示，其效率为

1QS11e (4-7) PSW1e2)动滑轮的效率

重物Q悬挂在滑轮心轴上，钢丝绳绕出分支端拉力P的行程为Q的2倍(见图4-12b))，故其效率为

2而

QhQ P2h2PQ(11) PPP1Q故

2比较

11 (4-8) 21121121 1121即动滑轮的效率比定滑轮高。在设计中，为简化计算，滑轮的效率取同一值。即

η＝0.58(用滚动轴承的滑轮)，

η＝0.95(用滑轮轴承的滑轮)。 四、滑轮组的类型、倍率及效率

钢丝绳依次绕过若干定滑轮和动滑轮所组成的装置称为滑轮组。 1、滑轮组的类型

滑轮组按其作用可分为省力滑轮组和增速滑轮组。

省力滑轮组如图4-13，通过它可以用较小的驱动力产生很大的提升力，即用较小的力吊起较重的货物。它是起重机中最常用的滑轮组。

图4-13省力滑轮组 图4-14增速滑轮组 图4-15单联滑轮组起升时水平位移

增速滑轮组如图4-14，它对以便被驱动的货载获得高于驱动部件的速度，驱动部件以较小的行程，可使被驱动的货载得到较大的行程。增速滑轮组主要用于液压和气力驱动的起升机构中，如叉车的起升机构。

滑轮组根据构造分为单联滑轮组和双联滑轮组。

单联滑轮组如图4-15所示。钢丝绳的一端固定，而另一端绕入卷筒，结构简单、重量轻，但当卷筒卷入或放出钢丝绳时，钢丝绳沿卷筒轴向移动，货物作垂直运动的同时还伴随有水平运动，用于桥式起重机时，会使货重载荷在两主梁上分配不均匀，给装卸、安装作业的操作带来不便。因此单联滑轮组多用于臂架类型的起重机(见图4-16)。

双联滑轮组如图4-17所示，我们可以将其看作由两个单联滑轮组对称布置而成。每个单联滑轮组承受起升载荷的1/2。为了均衡两个单联滑轮组的拉力和长度，设有均衡滑轮或均衡梁。因为两根钢丝绳对称绕入卷筒，所以避免了单联滑轮组中卷筒支座受载不均和货物水平移动的缺点，但体积大，重量增加，这种滑轮组多用于桥架类型起重机。

图4-16装设导向滑轮的单联滑轮组 图4-17双联滑轮组

2、滑轮组的倍率

滑轮组的倍率m就是滑轮组省力或增速的倍数。 对省力滑轮组

m=Q/S0=起升载荷/理论钢丝绳拉力

=v绳/v货=钢丝绳卷绕速度/货物起升速度

对增速滑轮组

m=v货/v驱=货物起升速度/驱动部件速度 =F驱/Q=理论驱动力/起升载荷

图4-18是省力单联滑轮组展开图。如果不计及钢丝绳绕过滑轮的阻力。则钢丝绳每一分支所受的力相等，根据平衡条件

m=Q/S0 S0= Q/i

式中，Q——起升载荷；

i——滑轮组钢丝绳的承载分支数。

由此可见，单联滑轮组的倍率数值等于承载分支数，即m＝i。

同理，双联滑轮组的倍率数值等于承载分支数的二分之一，即m＝i/2。

图4-18滑轮组展开图

3、滑轮组的效率

在图4-18所示的单联滑轮组的展开图中，设起重量为Q，承载分支数为i，倍率m＝i。若不计阻力损失时，则每分支的拉力相等。即

S1＝S2＝S3＝…＝Sm＝Q/m

如考虑滑轮阻力损失，钢丝绳每根分支中的拉力不相等，设备滑轮的效率为η，则

S1＝S

S2＝S1·η＝S·η S3＝S2·η＝S·η2

…………

Sm-1＝Sm-2·η＝S·ηm-2 Sm＝Sm-1·η＝S·ηm-1

根据平衡条件

QS1S2S31mS1Sm1SmS(12m2m1)

故 SQ滑轮组的效率为

1

1mQm1m2

1m(1)Qm1滑轮组的效率与倍率和滑轮的效率有关，不同倍率时的滑轮组效率列于表4-4。

表4- 4 不同倍率时的滑轮组效率

轴承型式 滚动轴承 滑动轴承 滑轮效率η 0.98 0.95 2 0.99 0.975 3 0.98 0.95 滑轮组效率η2 滑轮组倍率m 4 5 0.97 0.96 0.925 0.90 6 0.95 0.88 7 0.935 0.84 8 0.916 0.80 4-3 卷筒

卷筒是起重机的重要零件之一，它用以收存钢丝绳，把电机的回转运动变为钢丝绳的直线运动，同时把驱动装置的驱动力传递给钢丝绳。

一、卷筒的构造和类别

起重机中常用的卷筒多为圆柱形(见图4-19)。特殊要求时，也可做成圆锥形或其他曲面形式。

图4-19 卷筒构造

a)单层卷绕卷筒；b)多层卷绕卷筒

按卷绕层数，卷筒分为单层卷统和多层卷绕。单层卷绕卷筒是港口起重机广泛应用的型式。卷筒表面切有螺旋绳槽，以增加钢丝绳和卷筒的接触面积，提高钢丝绳的使用寿命，也可保证钢丝绳排列整齐。

卷筒的绳槽有标准槽和深槽两种，螺旋绳槽的旋向有左旋和右旋。

在起重机中，一般采用标准槽，它节距小，卷筒的长度相应较短，可使工作机构紧凑。如果钢丝绳卷入卷筒偏斜角较大，或钢丝绳向上引出的卷筒，以及在作业中钢丝绳脱槽的可能较大的场合，如抓头起升机构，宜采用深槽或者采用标准槽，同时加设压绳装置，以防钢丝绳脱槽。

多层卷绕卷筒用于起升高度大或者结构尺寸受到限制情况下，如汽车起重机等。多层卷绕卷筒表面通常是光面的，钢丝绳呈紧密排列，相邻层钢丝绳绕向不同，相互交叉(见图4-20a))，接触情况恶劣，卷绕过程中，钢丝绳互相摩擦，降低了钢丝绳的使用寿命。

图4-20多层卷绕卷筒卷绕简图

a)普通多层卷绕卷筒卷绕简图；b)莱—布斯卷筒表面展开图；c) 莱—布斯卷筒卷绕简图

近年来，在国外的一些大型起重机中采用一种新型结构的多层卷绕卷筒——莱—布斯(Le-Bue)卷筒。这种卷筒的表面切有绳槽，但绳槽的走向不同于普通螺旋绳槽，而是垂直于卷筒轴线的直线绳槽段和螺旋绳槽段交替并互相连接，图4-20b)为莱布斯卷筒的表面展开图，卷筒的每一圈绳槽分成四段，其中直线段1、3共占圆周长度的70~80%，其余为螺旋

段的长度，螺旋绳槽段2、4对称布置，每段螺旋绳槽导程刚好等于半个绳槽节距，螺旋段升角约为1º15′~1º45′。卷筒侧壁设有特殊的导向台阶。当钢丝绳依次进入1—2—3—4段绳槽后，正好卷绕一周，并沿卷筒轴线方向前进一个节距。钢丝绳绕满一层后，沿导向台阶升至第二层，同时从第二层起始圈起改换了该层的卷绕方向，该层钢丝绳交叉越过底层螺旋区段钢丝绳后进入直线区段(见图4-20c))。所以，每一层钢丝绳的绝大部都处于有槽卷绕状态，实现了多层有槽卷绕，可避免相邻绳圈的钢丝绳间的侧向挤压和摩擦，有利于延长钢丝绳的寿命。在莱—布斯卷筒中，为了使钢丝绳从垂直绳槽段顺利进入螺旋绳槽段，螺旋绳槽的螺旋升角有所限制，因而D0/d绳的比值要比普通多层卷绕光面卷筒大得多。因此，莱—布斯卷筒的直径要比普通光面卷筒的直径大得多，这个特点使其在中小型起重机中的应用受到了一定的限制。

卷筒的两端多用辐板支承，辐板的筒体可铸成一体(见图4-19)，也可以分别铸造加工后用螺栓连接(见图4-21a)、b))。卷筒筒体中间不宣布置任何纵向或横向加强筋，因为在加强筋附近会产生很大的局部弯曲应力，使卷筒在该处开裂(见图4-21c))。

图4-21卷筒体与辐板的连接

a)轴向螺栓连接；b)径向螺栓连接；c)卷筒横筋处的褶裂

单层卷绕卷筒一般没有侧边。多层卷绕卷筒为了挡住钢丝绳都带有侧边，其高度应比最外层钢丝绳高出1~1.5倍的钢丝绳直径。

卷筒一般采用不低于HT200的铸铁制造，重要的卷筒可采用球墨铸铁。铸钢卷筒制造工艺要求和成本都较高，采用较少，大型卷筒多用Q235钢板弯卷成圆筒形焊接而成，可大大减轻自重，适合于单件生产。 二、卷筒主要尺寸计算

1、卷筒槽底直径D

D≥(h-1)d (4-10)

式中：h——系数，取值见表4-4； d——钢丝绳直径。

卷筒直径D的大小影响钢丝绳的弯曲程度。为了提高钢丝绳寿命，要求D愈大愈好。但是在起升速度和电机转速一定的情况下，卷筒直径愈大，要求卷筒转速愈低，这就必须加大减速器的速比，增大减速器结构尺寸。 2、卷筒长度

(1)单层卷绕卷筒的长度

单层卷绕卷筒有单联卷筒(图4-22)和双联卷筒(图4-23)。单联卷筒用于单联滑轮组，双联卷筒用于双联滑轮组。

单联卷筒的长度(图4-22)

L＝L0+l1+2l2 (4-11)

L0(Hmn)t (4-12) D0 D0＝D+d 图4-22 单联卷筒

式中：L0——螺旋绳槽部分长度；

H——起升高度； D0——卷筒直径； n——附加安全圈数，其作用是减小绳尾拉力，便于固定，一般n＝1.5~3圈；

t——绳槽节距；

l1——绳尾固定部分长度，按固定方法确定，一般取l1＝3t；

l2——卷筒两端空余部分长度，根据结构需要确定。

双联卷筒的长度(见图4-23)

L＝2(L0+l1+l2)+l3 (4-13)

l3为卷筒中间无绳槽部分的长度，由钢丝绳允许偏角(允许偏斜度约为1：10)以及取物装置中引出钢丝绳的两滑轮的间距l4确定。根据图示几何关系可得

l4-0.1Hmin≤l3≤l4+0.1Hmin (4-14)

(2)多层卷绕卷筒的长度(见图4-24) 图4-23双联卷筒

图4-24多层卷绕卷筒

设多层卷筒的各层卷绕直径分别为：D1、D2、D3、…、Dn，共n层，每层为Z圈，则卷筒总的绕绳为：

L1=m•H=Zπ(D1+D2+…+Dn)

其中：D1＝D+d D2＝D+3d

…

Dn＝D+(2n-1)d 代入上式得：

L1mH{nDd[135Zn(Dnd)∴ Z(2n1)]}Z{nDdn[1(2n1)]} 2mH (4-15)

n(Dnd)卷筒长 L＝1.1Zt

t≈d

∴ L1.1Zd1.1mHd (4-16)

n(Dnd)式中系数1.1考虑钢丝绳排列不均匀。 3卷筒壁厚δ

卷筒壁厚可按铸造工艺要求确定，然后进行强度校核。 (1)初定卷筒壁厚

对铸铁卷筒 δ＝0.02D+(6~10)mm 对铸钢卷筒 δ≈d

由于铸造工艺要求，铸铁卷筒δ≥12mm，铸钢卷筒δ≥15mm。 (2)强度校核

钢丝绳绕上卷筒时，卷筒在钢丝绳张力作用下被箍紧，产生压缩、弯曲、扭转应力。 当L≤3D时，弯曲和扭转应力较小，一般忽略不计，仅按压应力进行强度校核。

图4-25是宽度为绳槽节距t时的圆环截面。由于卷筒壁厚δ较其直径D要小得多，内外表面应力差别不大，近似认为应力均匀分布。由平衡条件，得

Smax=σy•δ•t•A

压应力

ySmaxA[y] (4-17) t式中；Smax——钢丝绳最大拉力； δ——卷筒壁厚；

t——钢丝绳卷绕节距；

A——计及卷绕层数的应力增大系数，见表4-5； [σy]——许用压应力。

表4-5 系数A

卷绕层数n 系数A 1 1 2 1.4 3 1.8 ≥4 2.0 对钢卷筒 [σy]＝σs/1.5

对铸铁卷筒 [σy]＝σb/4.25 图4-25卷筒压应力 式中：σs——屈服强度限；

σb——抗压强度限。 当L＞3D时，弯曲应力较大，可按下式合成应力计算(由于扭转应力很小，可忽赂不计)。

w[l]y[l] (4-18) [y]Mw[D4(D2)4]w

W32D式中：σw——弯曲应力；

Mw——卷筒的最大弯矩； W——抗弯截面模量； D——卷筒绳槽底直径； [σl]——许用拉应力。 对钢卷筒 [σl]＝σs/2

对铸铁卷筒 [σl]＝σb/5

当D≥1200mm，L＞2D时，卷筒尺寸较大，须对卷筒进行稳定性验算，应满足

K＝PK/P≥1.3~1.5 (4-19)

式中：PK——受压失稳时的临界力；

PK2E()3 (4-20)

DK——抗压稳定性系数；

P——卷筒壁最大径向比压力。

P2Smax (4-21) Dt一、钢丝绳绳尾在卷筒上的固定及计算 1、钢丝绳尾的固定

钢丝绳绳尾在卷筒上的固定应当保证工作安全可靠，便于检查、更换钢丝绳，并且在固定处不应使钢丝绳过分弯折。目前所采用的固定方法是运用摩擦原理实现的。在港口起重机上，常采用压板将绳尾固定在卷筒的外表面上，如图4-26a)所示。这种方法构造简单，安全可靠，钢丝绳的检查和更换都比较方便。但所占用的空间位置较大，且不能用于多层卷绕卷筒。

图4- 26 钢丝绳绳尾在卷筒上的固定

图4-26b)所示为一种用螺钉和压板固定方法。钢丝绳引入卷筒内特制的槽内，然后拧紧螺钉，使压板紧压钢丝绳而固定，采用这种固定方法，卷筒较短，但其构造复杂，且只适用于单层绕卷筒。

楔块固定法如图4-26c)所示。钢丝绳绕过模块后打入卷筒内的特制的楔形孔内。楔块的斜度一般为1：4~1：5，以满足自锁条件。楔块固定结构紧凑，并可用于多层绕卷筒。缺点是卷筒构造复杂。

图4-26d)所示是将绳尾引起卷筒里面，再用压板固定在卷筒辐板上。这种方法结构紧凑，适应多层卷绕。

2、压板固定计算 固定绳尾的拉力St 根据欧拉公式

StSmax (4-22) e式中：Smax——钢丝绳最大拉力；

e——自然对数的底，e＝2.718；

μ——钢丝绳与卷筒的摩擦系数，通常μ＝0.16；

α——安全圈钢丝绳在卷筒上的包角。 压板固定所需螺栓扣紧力N，分两种情况： 压板槽为半圆形时(见图4-26a))

N压板槽为梯形时

St (4-23) 2NSt (4-24)

1式中，μ1——压板与钢丝绳间的换算摩擦系数；

1

sincos其中，β——压板槽的斜面角，β＝45º。

螺栓的合成应力为σ。压板螺栓在工作时受拉力，压板和钢丝绳间的摩擦力所产生的弯曲力矩，若螺栓数为Z，螺栓的合成应力应满足

NN'l[l] (4-25) d12Zd3Z1324式中：d1——螺栓螺纹内径；

μ′——垫圈与钢丝绳压板间的摩擦系数，取μ′≈0.16； l——Nμ′力的作用力臂； [σl]——螺栓许用拉应力。

压板尺寸及螺栓规格可查阅有关手册。