八弹簧钢丝绳与结构件

1第八章

弹簧、钢丝绳与结构件弹簧是最常见的弹性件;钢丝绳是最基本的起重件;结构件是机器的基础构件，具有支承、约束、容纳其它零部件的功用，或兼有封闭、盛储、集料以及其它功用。工作特点：弹簧在外力作用下能产生较大的弹性变形，在机械设备中被广泛用作弹性元件。功用：1.

控制机构运动或零件的位置;如凸轮机构、离合器、阀门等；如钟表仪器中的弹簧；螺旋弹簧4.

测量力的大小。如弹簧秤中的弹簧圆柱形按形状分截锥形

拉伸弹簧按受载分

压缩弹簧扭转弹簧类型：分类缓冲吸振;存储能量;如车辆弹簧和各种缓冲器中的弹簧；第一节 弹簧的功用、类型和特点本章内容分类圆柱形截锥形按形状分按受载分拉伸弹簧压缩弹簧扭转弹簧螺旋弹簧环形弹簧碟形弹簧平面涡圈弹簧仪表中储能用板弹簧4表8—1弹簧的主要类型和特点表8—1弹簧的主要类型和特点图8-1 橡胶弹簧与复合弹簧的常见类型实心圆柱形，压缩；空心圆柱形，压缩；与内、外钢套配合，剪切；外双锥形，剪切；内双锥形，扭转；与螺旋弹簧复合，压缩；6橡胶弹簧的主要特点：7形状不受限制（由模具确定），各个方向的刚度可以根据需要自由设计。改变弹簧的结构形状即可改变其刚度。橡胶的弹性模量比金属小，故可得到较大的弹性变形，容易实现理想的非线性特性。具有较高的阻尼，对于受突然冲击和高频振动的吸收以及隔声具有良好的效果。同一弹簧能同时承受多向载荷，这对振动机械弹簧在轴向及横向均有载荷分量时非常有利。其破坏过程是渐进的，不会像金属弹簧那样发生突然断裂而造成事故。6）耐高、低温性和耐油性比金属弹簧差。第二节 金属圆柱螺旋弹簧设计：潘存云设计：潘存云2

1

+

2

Dd=

8

FD

2pd

3一、弹簧的应力DTαFF2剪切力：F已知条件如图。截面受力：

扭矩：

T

=

FD

2剪切应力：pd

2剪切应力：t"

=

4

F

pd3

pd2t=t'+t"=8FD2

+

4FF2FTWt'

=2

T

F

Dpd

3

16=pd

32

8FD=

2弹τ’

簧设计：潘存云

轴T

线D2

/2弹簧τ”

轴线F

D2

/2τ”D2

/2弹τ’

τ

簧轴线C=D2

/d曲度系数K203

4

5

6 7

8

9

10

12

14

1618C----旋绕比，或弹簧指数。强度条件：d令

C

=

D2C

pd

2t

=

8

FC

1

+

0.5

£

[t

]pd

2t

=

K

8

FC截面总切应力：τ”τ’

τ设计：潘存云未考虑簧丝曲率的应力τ”τ’

τ4

C

-

1

+

0

.6154

C

-

4

C其中

K

=设计公式：KFC[t

]d

=

1

.6----弹簧的曲度系数其实质是一个修正系数，其值可直接查表下表可得4

C

-

4

C

4

C

-

1

+

0

.615

精确分析可得如下公式：FD2O二、弹簧的变形dφtds0t028

FD

2Gpd

4dl

=l

=Gd

4k

=在轴向载荷的作用下，弹簧产生轴向变形λ，取微段分析C↓

→

k↑C值过小→制造困难，内侧应力↑；C值过大→弹簧容易颤动。取值范围：C=4~16dλλ8FD2dsGp

d

4D2 2

djdl

=8

FD

3

n

8

FC

3

nGdl

=

2

=2F

Gd4l8D3n=3Gd8

C

n=n为有效圈数微段轴向变形量dλ：钢：G=8×104

Mpa,

青铜F：G=4×104

MpaG--材料的切变模量：根据材料力学有关圆柱=

2

螺旋弹簧变形的计算公式TTO’弹簧的制造、材料和许用应力一、弹簧的制造制造过程：卷绕、端面加工(压簧)或拉钩制作（拉簧或扭簧）、热处理和工艺性试验。冷卷：d<10

mm热卷：d≥

10

mm→低温回火，消除应力→淬火、回火强压处理：将弹簧预先压缩到超过材料的屈服极限，并保持一定时间后卸载，使簧丝表面层产生与工作应力相反的残余应力，受载时可抵消一部分工作应力。经强压处理可提高承载能力。二、弹簧的材料要求：高的弹性极限、疲劳极限、一定的冲击韧性、塑性和良好的热处理性能。材料：优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢、有色金属合金。碳素弹簧钢：含碳量在0.6~0.9%之间，如65、70、85优点：容易获得、价格便宜、热处理后具有较高的强度，适宜的韧性和塑性。缺点：当d>12mm，不易淬透，故仅适用于小尺寸的弹簧。合金弹簧钢：硅锰钢、铬钒钢。优点：适用于承受变载荷、冲击载荷或工作温度较高的弹簧。有色金属合金：硅青铜、锡青铜、铍青铜。选用原则：充分考虑载荷条件（载荷的大小及性质、工作温度和周围介质的情况）、功用及经济性等因素。一般应优先采用碳素碳簧钢丝。三、弹簧的许用应力弹簧的许用应力主要取决材料品质、热处理方法、载荷性质、弹簧的工作条件和重要程度，以及簧丝的尺寸等弹簧按载荷分为三类：I类弹簧：受变载荷作用次数>106，或很重要的弹簧。II类弹簧：受变载荷作用次数在103

~105

，或受冲击载荷的弹簧，或受静载荷的重要弹簧。III类弹簧：受变载荷作用次数在<103

，或受静载荷的弹簧。螺旋弹簧的常用材料和许用应力材

料名

称碳素弹簧钢丝Ⅰ,Ⅱ,

Ⅲ,Ⅳ65、700.3σB0.4σB0.5σB–40~12060Si1Mn480640800–40~200合金弹簧钢丝牌号Ⅰ类弹簧I[τ

]青铜丝II[τ

]III[τ

]Ⅱ类弹簧Ⅲ类弹簧推荐使用温度℃推荐硬度范围特性及用途强度高，性能好，但尺寸大了不易淬透，只适用于小弹簧。50CrVA

450600750

–40~210

45~50HRC4Cr13450600QSi3-1

270360450QSn4-3

270360450弹性和回火稳定性45~50HRC

好，易脱碳，用于制造受重载的弹簧有高的疲劳极限，弹性、淬透性和回火稳定性好，常用于承受变载的弹簧耐腐蚀，耐高温，750

–40~300 48~53HRC

适用于做较大的弹簧–40~120

90~100HBS

耐腐蚀，防磁好许用切应力/MPa组别III、IIaIII钢丝直径

d/

mm0.2

0.3

0.5

0.8

1.0

1.2

1.6

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

6.0

8.02700

2700

2650

2600

2500

2400

2200

2000

1800

1700

1650

1600

1500

1500

1450 ---2250

2250

2200

2150

2050

1950

1850

1800

1650

1650

1550

1500

1400

1400

1350

12501750

1750

1700

2170

1650

1550

1450

1400

1300

1300

1200

1150

1150

1100

1350

1250碳素弹簧钢丝的抗拉强度极限不磨平圆柱螺旋拉伸、压缩弹簧的设计一、结构尺寸和特性曲线1.压缩弹簧的结构尺寸δ磨平压缩弹簧在自由状态下，各圈之间留有一定间距δ

。支承圈或死圈----两端有3/4~5/4圈并紧，以使弹簧站立平直，这部分不参与变形。端部磨平----重要弹簧磨平长度不小于3/4圈，端部厚度近似为d/4d/4变形用端部不磨平----一般用途压缩弹簧的总圈数：n1

=

n+(1.5~2.5)n为有效圈数为使工作平稳，n1的尾数取1/2节距：t

=d

+δ式中λ2为最大工作载荷F2作用时的变形量。通常t≈(0.3~0.5)D2λ2间距:δ≥0.8nF2απD2

n1L=

cosαπD2,

α=5˚~9˚螺旋升角：

α=arctg

t

弹簧丝的展开长度:自由高度:H0=nδ+(n1+1)dH0=nδ+(n1-0.5)d对于两端并紧磨平结构H0t弹簧的并紧高度：Hs

=1(n

+1)d1(n

-0.5)d两端并紧不磨平结构：Hs

HsδD2设计：潘存云设计：潘存云设计：潘存云当b大于许用值时，弹簧工作时会弯曲而失稳。措施：内部加装导向杆、或外部加导向套。注意：与弹簧之间的间隙不能太大，工作时需加润滑油。加装导向杆高径比：b=

H0

/D2<

5.3两端固定的弹簧<3.7

一端固定，另一端铰支的弹簧加装导向套失稳F1F22.压缩弹簧的特性曲线特性曲线--载荷—变形曲线压缩弹簧的特性曲线FλFlim设计：潘存云最小工作载荷:F

=（0.2~0.5）F2最大工作载荷---F2在F2的作用下，τmax<[τ]弹簧在安装位置所受压力，它能使弹簧可靠地稳定在安装位置上。λ1λλ2λlim0压缩弹簧的特性曲线FλF1F2FlimH2HlimH11最小变形---λ1对应的变形---λ2极限载荷---Flim极限变形---λlim<0.8nδ保证不并紧弹簧刚度：弹簧势能EF1

arctEgkF2FlimH0自由高度k

=F1

=F2

=F2

-F1

==常数l1

l2

l03.拉伸弹簧的结构特点各圈相互并紧δ=0；制作完成后具有初拉力；端部做有拉钩，以便安装和加载。拉钩形式：半圆钩环型、圆钩环型、改进后的结构转钩、可调转钩。特点：结构简单、制造容易、但弯曲应力大。应用于中小载荷与不重要的场合。特点：弯曲应力小。适用于变载荷的场，但成本较高。拉伸弹簧的结构尺寸计算与压缩弹簧相同。设计要求：二、弹簧设计计算步骤有足够的强度符合载荷---变形曲线的要求（刚度要求）不发生侧弯(失稳)3)求应力：

C2p

dt

=

8

FC

1

+

0

.

5

已知条件：最大工作载荷F2和相应的变形λ2，其他要求（如工作温度、安装空间的限制等）计算步骤：1)选择弹簧材料及结构形式2)计算弹簧刚度：k=F2/λ2KFC[t

]d

=

1

.64)求簧丝直径：5)确定弹簧的圈数n；6)确定弹簧的结构尺寸端部结构:δ其他弹簧简介一、圆柱螺旋扭转弹簧特点：外形和拉压弹簧相似，但承受力矩载荷。作用：用于压紧和储能，如门的自动复位、电机中保持电刷的接触压力等。32M=

K1

pd31

W4C-4

pd3当力矩为M时，若α很小，则可认为扭簧只承受弯矩。强度条件：s

=

K

M

=

4C-1

32M

£[s]

W----截面系数[σ

]

≈

1.25[τ]MMM扭转弹簧的载荷E

---材料的弹性模量，I---弹簧丝截面的惯性矩，D2---弹簧的中径，

n---弹簧的有效圈数。Mφrad扭转变形：j

=

Ml

=

pMD2nEI

EI设计要点：对于精度高的扭转弹簧，圈与圈之间应留有间隙，以免载荷作用下，因摩擦而影响其特性曲线。扭转弹簧的旋向应与外加力矩一致。弹簧内侧的最大工作应力（压）与卷绕产生的残余应力（拉）反向（抵消），从而提高承载能力。心轴和弹簧内径之间必须留有间隙。避免因D2减小而抱轴。二、碟形弹簧结构特点：用钢板冲制而成，外形象碟子。往往将多个组合使用载荷、变形：轴向力沿周边均匀分布、h变小而产生轴向变形。特性曲线：呈非线性，变形取决于比值h/t变化。重要特性：当h/t≈1.5时，中间一段接近于水平。利用这一特性可在一定变形范围内保持载荷的恒定。例如在精密仪器中，可利用碟形弹簧使轴承端面的摩擦力不受温度变化的影响；在密封垫圈中利用这一特性使密封性能不受温度的影响。碟形弹簧组合形式对合式组合弹簧----变形量增加，承载力不变。由于簧片之间存在摩擦损失，导致加载和卸载特性曲线不一样。摩擦消耗的能量-----阴影面积↑→吸振能力↑F加载卸载λ叠合式组合弹簧----在变形量不变时，承载力大大增加。摩擦阻尼大，特别适用于缓冲和吸振复合式弹簧：可同时增加变形量和承载能力优点：变形量小、承载能力大、在受载方向空间尺寸小。用途：常用作重型机械、飞机等的强力缓冲弹簧，以及在离合器、减压阀、密封圈、自动控制机构中获得了广泛地应用。缺点：用作高精度控制弹簧时，对材料和制造工艺（加工精度、热处理）要求较严，制造困难。三、弹簧的制造螺旋弹簧的制造包括卷绕、两端面加工(压缩弹簧)或制作挂钩(拉伸弹簧和扭转弹簧)、热处理工艺实验，必要时还需进行强压处理或喷丸处理。卷制是把合乎技术条件规定的弹簧丝卷绕在芯棒上。大量生产时，是在万能自动卷簧机上卷制；单件小批生产时，则在普通车床上或在手动卷绕机上卷制。弹簧的卷绕方法有冷卷和热卷两种。弹簧丝直径小于

8～10mm时用冷卷法，反之，则用热卷法。冷卷法是用已经过热处理的冷拉碳素弹簧钢丝在常温下卷绕，卷成后一般不再经淬火处理，只经低温回火以消除内应力。热卷需先加热(通常为800℃～1000℃，按弹簧丝直径大小选定)，卷成后再经淬火和回火处理。为提高弹簧的承载能力，在弹簧制成后，可再进行强压处理或喷丸处理等强化措施。强压处理是使弹簧在超过极限载荷下受载6～48小时；喷丸处理是用一定的速度向弹簧喷射钢丸或铸铁丸。这两种强化处理都是使弹簧的表层产生塑性变形，保留有利的残余应力。由于残余应力的方向恰与工作应力相反，故在弹簧受载时可抵消部分工作应力。经强化处理的弹簧，不宜在较高温度(150℃～450℃)和长期振动及有腐蚀介质的场合工作。此外，弹簧还须进行工艺试验和根据弹簧技术条

件的规定进行精度、冲击、疲劳等试验，以检验弹簧是否符合技术要求。需特别指出的是，弹簧的持久强度和抗冲击强度，在很大程度上取决于弹簧丝的表面状况。所以弹簧丝表面必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的持久强度和抗冲击强度，因此脱碳层深度和其他表面缺陷应在验收弹簧的技术条件中详细规定。重要用途的弹簧还需进行表面保护处理（如镀锌），普通的弹簧一般涂油或漆。例8－1设计一圆柱压缩弹簧，已知安装初始载荷Fmin＝200N，最大工作载荷Fmax＝560N，工作行程h＝12mm，弹簧受变载荷次数小于105，采用两端固定支座。解：（1）选择弹簧丝材料选用Ⅱ类碳素弹簧钢丝，由表8-2查得许用切应力[τ]＝0.4σb，G＝80000MPa。（2）选择旋绕比C

取C＝5，则曲度系数为：（3）计算弹簧丝直径d试取弹簧丝直径d=4mm，则由手册得σb

=1500MPa，故[τ]＝0.4σb

=600MPa，τlim=0.5σb

=750MPa，则由式（8-5）得：取d=4mm。与试选d相符，否则应重新计算。32（4）计算弹簧工作圈数n由式（8-8）得弹簧刚度则：由式（8-7）得工作圈数：取n=10.5圈。弹簧的实际刚度应为：33（5）计算弹簧的几何尺寸中径：D2

=Cd

=（5×4）mm=20

mm外径：D=D2

＋d

=（20＋4）mm=24

mm内径：D1

=D2－d

=（20－4）mm=16

mm总圈数：n1

=n+n2

=10.5+2=12.5节距：自由高度：螺旋升角：弹簧丝展开长度：极限载荷：34极限变形量：弹簧的工作高度：（6）验算弹簧稳定性高径比因采用两端固定支承，b=3.56<5.3，故该弹簧不会失稳。（7）绘制弹簧工作图（略）。五、组合圆柱螺旋压缩弹簧的设计——自学35一、橡胶弹簧的结构要求1、便于安装和联接图8-7 橡胶弹簧的安装第三节 橡胶弹簧362、有利于变形（a）自由状态；（b）受压变形；（c）l1较小，硬；（d）l2较大，软图8-8

橡胶弹簧受载时的变形3、易于散热37二、橡胶弹簧的材料1、橡胶弹簧的材料及其性能表8-4 橡胶弹簧材料及其性能382、对橡胶弹簧材料的一般要求39生成热少，即内阻尼小；弹性好，伸长率大，永久变形小；强度高，受交变应力时要求疲劳强度高；硬度范围大，耐磨损；适应环境的能力强。如耐候性好，刚度受温度变化的影响小。耐油、耐药剂、耐臭氧、耐老化。三、橡胶材料的剪切特性和拉压特性1、橡胶材料的剪切特性橡胶试样在剪力作用下其自由表面相对变形不超过100%时，剪切载荷与变形关系符合虎克定律（见图8-9）。因此，在承受剪切载荷时，橡胶材料载荷与变形的关系通常采用下式表示：（N）（8-22）式中：AL—承载面积，mm；G—剪切弹性模量，MPa。图8-9相对变形量f/h与剪力P402、橡胶材料的拉压特性图8-10 相对变形量f/h与压力P橡胶材料在拉伸或压缩载荷下（如图8-10所示），载荷与变形的

关系是非线性的。对受拉压的弹簧而言，只有在相对变形不超过15%的情况下才近似符合虎克定律。在工程中从橡胶弹簧的疲劳程度考虑，通常将其相对变形控制在<15%。所以在一般情况下，橡胶弹簧在拉伸与压缩时的变形与载荷关系，也可以近似地用下式表示：式中：E—弹性模量。413、橡胶材料的剪切弹性模量G及（拉压）弹性模量E橡胶材料的剪切弹性模量G，主要取决于橡胶材料的硬度（图8-

11），不因橡胶种类或成分的不同而有明显的变化。对于成分不同而硬度相同的橡胶，其G值之差不超过10%。在实用范围内，G和E的关系可用下面公式计算：G＝0.117e

0.03HS

(MPa)式中：HS—橡胶的肖氏硬度。

E=3G图8-11

橡胶的剪切弹性模量G与硬度HS的关系曲线42四、橡胶弹簧的表观弹性模量和动弹性特性431、橡胶弹簧的表观弹性模量Ea如前所述，橡胶试样的载荷（特别是拉压载荷）与变形是非线性的，而橡胶弹簧的结构形状一般比橡胶试样复杂。橡胶弹簧的弹性模量E须考虑主要影响因素予以修正，经过修正的弹性模量称为表观弹性模量，以Ea表示。对于拉伸橡胶弹簧Ea≈E＝3G对于压缩橡胶弹簧，其表观弹性模量不仅取决于橡胶材料本身，而且与弹簧的形状、结构尺寸等有很大关系。通常压缩橡胶弹簧的表观弹性模量用下式表示：44Ea＝iG

（8-24）式中

i—表示几何形状影响系数：圆柱形橡胶弹簧：i=3.6（1＋1.65S2）圆环形橡胶弹簧：i=3.6（1＋1.65S2）矩形橡胶弹簧：

i=3.6（1＋2.22S2）S=橡胶弹簧承载面积AL/自由面积AF。2、橡胶弹簧的动弹性特性前面讲的橡胶弹簧的机械特性1～3，都是以弹簧受静载荷为基础的，而在许多实际情况中，橡胶弹簧工作时是承受动载荷，力的大小和方向是变化或高频率变化的。由于橡胶的内摩擦阻尼较大，使其变形滞后于载荷、动剪切弹性模量大于静剪切弹性模量。这种特性称为动弹性特性。橡胶弹簧的动弹性特性以动载荷系数φ表示，φ是动剪切弹性模量Gd与静剪切弹性模量G的比值：45表8-546橡胶弹簧的动负荷系数与硬度的关系动载荷系数主要与橡胶弹簧的硬度有关，见表8-5。还与温度和受振动载荷时的振幅、频率等因素有关，精确的做法是模拟弹簧的工作条件，通过试验确定。硬度/HS动负荷系数φ硬度/HS动负荷系数φ401.1551.28451.15601.4501.2橡胶弹簧工作时产生的热量，除与应力、应变的变化频率有关外，还与应力、应变的数值有关。为保证足够的寿命，对于一般形状和材质的橡胶弹簧，规定了许用应力和许用应变。橡胶属于粘弹性材料，而不是纯弹性体，其力学特性比较复杂，要精确计算其弹性特性相当困难，因此，橡胶弹簧的设计主要依靠经验。47五、橡胶弹簧的许用应力、许用应变和稳定性表8-6 橡胶弹簧的许用应力及许用应变表8-7 橡胶压缩弹簧的稳定性变形型式许用应力[σ]或[τ]/MPa许用应变[ε]/%静载荷变载荷静载荷变载荷压缩31.0155剪切1.50.4258扭转20.7——结构型式轴长比备注柱形橡胶弹簧h—高度，mmd—直径，mmd1,d2

—内、外径,mmb—矩形长边，mm环形橡胶弹簧矩形橡胶弹簧48六、橡胶弹簧的变形量与刚度——自学七、橡胶弹簧的使用注意事项49橡胶制品的工艺过程都比较复杂，即使同厂、同批、同样配方和生产工艺的橡胶弹簧，其机械性能也存在10%~20%的误差。因此使用前应逐个检查，选择性能（如刚度）相近的弹簧装在一台设备上。更换损坏的橡胶弹簧时，一定要搞清楚材料、硬度和刚度等技术指标，其次才是形状尺寸，不能随意代替。橡胶一般怕油（耐油胶除外），因此应避免接触油脂以及酸、碱、药剂等腐蚀性介质。搬运中避免碰伤、划环，以防改变性能和降低寿命。储存中避免日晒，以防老化。卷扬机（铰车）和起重机在矿山、建筑、机械制造及安装等工程中广泛应用，钢丝绳是牵引、起重、提升等设备和捆扎物品等最常用的一种挠性件。常用钢丝绳的钢丝用50、60、65号钢制造，抗拉强度

1400～2000MPa，丝径0.4～4mm，绳芯材料有麻、棉、石棉和软钢等。钢丝绳具有下列特点：强度高，弹性好，耐冲击和自重轻；挠性好，运行平稳，可用于高速工作；工作可靠，不会突然断裂，在断裂之前，外部钢丝先断裂和松散。50第四节 钢丝绳51一、钢丝绳的结构及种类1、根据捻绕次数分类单绕绳：[图8-12(a)]为普通单绕绳，它由几层钢丝依次围一钢芯绕制而成，特点是挠性差，强度高，不宜用于起重绳，一般用于不运动的拉索或缆索。也可做成外形封闭的单绕钢丝绳，见图8-12（b）。双绕绳：先由钢丝捻成股，再由股围绕绳芯捻成绳。绳芯材料为麻或石棉，钢丝绳挠性好，一般用在起重机中。三绕绳：将双绕绳作为股，再由几股捻成绳。挠性特别好。由于钢丝太细，易折断，不宜用于起重机中。图8-12 单绕绳522、根据捻向分类同向捻钢丝绳：如图8-13（b）所示，钢丝绳捻成股与股捻成绳的方向相同。其特点是钢丝绳之间的接触较好，表面比较平滑，挠性好，磨损小，使用寿命长。但有自行扭转和松散的趋向，易打结，不宜用于起重机中，适用于保持张紧力的

场合。交互捻钢丝绳：如图8-13（a）

所示，钢丝绳捻成股与股捻成绳的方向相

反。其特点是没有自行扭转和松散的趋向，不易打结，常用于起重机中，但挠性小和寿命短。所示，由两种相反绕向的股捻成的钢丝绳（3）混合捻钢丝绳：如图8-13（c）。有半数股左旋，有半数股右旋，其特点是介于同向捻和交互捻之间，一般用于大升起高度的起重机中。图8-13 钢丝绳的捻向3、根据股的形状分类圆股绳：制造方便，应用广泛。异形股绳：有三角形股、椭圆股和扁股（图8-14）。特点是绳与滑轮槽或卷筒槽的接触面积大，耐磨性好，不易断丝，寿命长，比圆股绳长3倍。图8-14 异形股钢丝绳534、根据股的构造分类点接触绳如图8-15（a）所示，绳股中各层钢丝直径相同，而且内外层钢丝的节距不等，相互交叉，接触在交叉点上，在工作中内钢丝易折断，寿命低，但成本低。线接触绳如图8-15（b）所示，绳股中各层钢丝的节距相等，外层钢丝位于内层钢丝的沟缝中，内外层钢丝互相接触在一条螺旋线上形成了线接触，但需要采用不同直径的钢丝，其优点是寿命长、挠性好、强度高等。面接触绳如图8-15（c）所示，它的优点与线接触绳相同，而且更显著，但成本高。545、根据股的数目分类有6股绳、8股绳和18股绳（图8-16），外层股的数目越多，钢丝绳与滑轮槽或卷筒槽接触的越好，提高钢丝绳的寿命，减少滑轮或卷筒的磨损。图8-1655多股钢丝绳6、绳芯56绳芯的作用是增加挠性、弹性和润滑。一般在绳中心布置一股绳芯，也可在每股中设置绳芯，绳芯有以下几种：有机芯：浸油麻绳，不适用于高温环境；石棉芯：用石棉绳制作，可耐高温；金属芯：用软钢的钢丝或绳股作为绳芯，可耐高温和承受横向压力。二、钢丝绳的型号标记——自学钢丝绳标记举例1）全称标记示例例8-218

NAT

6(9+9+1)+NF

1770

ZZ

190

117

GB／T

8918产品标准编号单位长度重量最小破断拉力捻向钢丝公称抗拉强度钢丝绳结构型式

钢丝的表面状态

钢丝绳的公称直径57例8-3

18ZAA6

（9+9+1）+SF1770ZS

GB／T8918582）简化标记示例18NAT6×19S＋NF1770ZZ19018ZBB6×19W＋NF1770ZZ18NAT6×19Fi＋IWR177018ZAA6×19S＋NF三、钢丝绳的受力分析1、拉应力（MPa）（8-26）式中：S—钢丝绳的拉伸载荷，N；δ—钢丝的直径，mm；i—钢丝绳中钢丝的根数；d—钢丝绳的直径，mm；ω—充满系数，

。592、弯曲应力式中：E1—钢丝绳的弹性模量，E1≈80000MPa；D—卷筒或滑轮的直径，mm。60613、挤压应力挤压应力计算简图钢丝绳与滑轮槽或卷筒槽接触，拉应力引起钢丝之间、钢丝与滑轮槽或卷筒槽之间的挤压应力，如图8-17所示。钢丝绳对绳槽的正应力为:单位弧长的压力为:设钢丝绳与绳槽的接触圆心角为180°。根据比压正弦分布的原理，求得最大单位压力：图8-17 钢丝绳对绳槽的62四、钢丝绳的选择计算1、确定型式起重机和卷扬机的卷筒直径和滑轮直径较小，一般选用非金属芯的双绕钢丝绳，因为它芯部柔软，挠性好，制造又不太复杂。对于自由悬挂重物的起重机或卷扬机，不宜选用同向捻钢

绳，否则重物起吊后会发生扭转。在有导轨的电梯或类似的起重系统中，可选用同向捻钢绳，因为重物在导轨约束下不会扭转。而这种钢绳比较平滑，挠性好，磨损小，寿命长。起重机和卷扬机常选用交互捻钢绳。因为这种绳虽然挠性差，寿命短，但没有扭转和易松散的缺点。选型时考虑绳的两端是否固定，工作环境温度，是否承受横压力，对挠性和耐磨性的要求。一般无特殊要求时，可选用丝径相同的点接触普通钢丝绳；对重要场合或要求寿命长时，可选用丝径不同线接触钢丝绳。表8-10 钢丝绳的使用场合和结构形式63注：e为滑轮或卷筒直径与钢丝绳直径之比。使用场合常用型号提升用单层卷绕吊钩及抓斗起重机e<206×(31)6×(37)6W(36)6T(25)8T(25)≥

206×(19)6W(19)8×(19)8W(19)6×Δ21/23提升高度大的起重机多股不扭转18×7；18×19多层卷绕6W（19）金属芯牵引用无导绕系统（不绕过滑轮）1×19，6×19，6×37有导绕系统（绕过滑轮）与起升绳或辐绳同2、确定绳径（1）选择系数法钢丝绳直径由最大工作拉力确定。式中

S—钢丝绳的最大工作静拉力，N；d—钢丝绳的最小直径，mm；c—选择系数，mm／

。选择系数c的值与机构的工作级别有关，表8-11中的值是在ω为0.46，折减系数k为0.82时的选择系数c值。64当钢丝绳的ω、k和σb与表条件不符合时，可由下式换算选择系数c的值。式中

n—安全系数，按表8—11；k—钢丝绳捻制折减系数；ω—钢丝绳充满系数；

σb—钢丝的公称抗拉强度。65表8-11

选择系数c和安全系数n值注：1、对于搬运危险物品的起重用钢丝绳，一般应按比设计工作级别高一级的工作级别选择表中的c或n值，对起升机构工作级别为

M7、M8的某些冶金起重机，在保证一定寿命的前提下允许按低的工作级别选择，但最低安全系数不得小于6。2、对缆索起重机的起升绳和牵引绳可做类似处理，起升绳的最低安全系数不得低于5，牵引绳的最低安全系数不得小于4。3、臂架伸缩用的钢丝绳，安全系数不得小于4。66（2）安全系数法按钢丝绳所在机构的工作级别有关的安全系数选择钢丝绳

直径。所选钢丝绳的破断拉力应满足下式。F0≥Sn

（8-34）式中

n——钢丝绳最小安全系数，按表4-11；S——钢丝绳最大工作静拉力，N；F0——所选用钢丝绳破断拉力，N。在GB1102—74中给出钢丝被拉断拉力的总和ΣS丝，而不是整根钢丝绳的破断拉力F0。对于纤维芯的钢丝绳F0＝α1ΣS丝（8-35）对于7×7金属芯的钢丝绳F0＝α1ΣS丝（8-35）式中

α1、α2—钢丝绳破断拉力换算系数，见表8-12。67表8-12 钢丝绳破断拉力换算系数注：系数α1引自GB1102-74，系数α2按该标准中数据算出。68五、钢丝绳的使用1、延长钢丝绳寿命的方法提高安全系数，降低钢丝绳的应力。增大滑轮和卷筒的直径。选择合理的滑轮槽和卷筒

槽的尺寸，理想的绳槽半径为R＝0.53d。减少钢丝绳的弯曲次数，并避免反向弯曲，如图8-18所示。定期保养和润滑。图8-18 钢丝绳弯曲方向示意图692、钢丝绳的润滑与防锈70一般用毛刷将一种不含酸、碱及其它有害杂质的特殊润滑油（石墨和凡士林的混合物）涂抹在钢绳表面。为使润滑油浸入钢绳内部，应事先将润滑油加热到80°以上，以增加其流动性和渗透性。若不是新钢丝绳，在涂油前还应该用钢丝刷刷去绳上污物，再用煤油或轻柴油清洗。3、严格执行钢丝绳报废标准新钢丝绳和正常工作的钢丝绳极少突然断裂。钢丝绳的破坏主要是外层钢丝的磨损和疲劳，逐渐断裂。当钢丝的断裂达到一定的数量时，就应当报废。有下列情况之一者应当报废：钢丝绳被烧坏或断了一股；钢丝绳表面钢丝被腐蚀、腐蚀达到钢丝直径的40%以上；受过死角拧扭，部分受压变形；钢丝绳在一个捻距中的断丝根数达到表8-13所列数值。表8-13 钢丝绳报废标准注：同向捻钢丝绳其断丝根数减半。71对于外层钢丝直径不等的钢丝绳，每根粗钢丝按

1.7根计算，若外层钢丝磨损，但未达到40%，可根据磨损程度，适当降低报废的断丝标准，见表8-14。72表8-14钢丝绳报废断丝标准的折减钢绳直径磨损/%报废断丝折减/%钢绳直径磨损/%报废断丝折减/%1085256015753050207040报废4、钢丝绳端部的固定方法（1）编结法（2）楔形套筒固定法（3）锥形套筒灌铅法（4）绳卡固定法图8-19 钢丝绳接头的方法73结构一词的本意是各个

组成部分的搭配和排列，是

结合与构造的简称。结构件

是由多个元件按某种规则搭

配和排列的结合体或组合体。机械工程中的结构件通常是

用各种型钢、钢板或钢管，

采用焊接、铆接或螺纹联接

等方法制造而成，如图8-20所示。图8-20带支架的沉淀槽第五节 结构件74一、机体75机体是支承、容纳、约束机器的零部件，并保证其

相对位置的基础构件。对于一般的机器，如离心机、水

泵等，机体是整机的一部分。而对于某些机器，如机车、选煤厂用的跳汰机和浮选机等，机体在体积和重量上占

据机器的绝大部分。至于旋流器、沉淀槽和化工厂用的

容器、储罐、塔器等，它们没有运动件和原动机，称为

静设备，机体则是机械设备的全部。根据机器设备的工作情况和载荷情况，机体的结构形式差别很大，通常可分为机身、机座、机架和机壳，如表8-17所示。表8-17机体结构类型注：对某一具体机体，有时很难把它归于哪种结构，因为它可能

界于两种甚至多种结构之间。在进行力学计算时，要分别按杆系、板壳和实体分别进行，道理同上，这种区分也是困难的。究竟按

哪种计算，取决于计算工作量和要求精度。76机器工作时，机体一般是固定不动的，用地脚螺栓将其与地基紧固在一起。但是车船和飞机等机体在工作时是运动的。有些机器，如沉降式离心机、转筒式混合机和回转窑等，工作时上部机壳（上机体）是运动的，而下部的机架（下机体）则是固定不动的。不管机体工作时是否运动，凡是符合结构件用材、制造工艺和结构特征的机体，特别是机架与机壳，都属于结构件。有的文献把机器的机体广义地称为机架，并按其外型分为：网架式、框架式、梁柱式、板块式、箱壳式；按制造方法分为：铸造机架、焊接机架、螺栓联接或铆接机架；按材料分为：金属机架、钢筋混凝土机架、塑料机架等；按力学模型分为杆系结构、板壳结构、实体结构；按结构分为整体机架或剖分机架、铰接点桁架或刚支点刚架；按运动状态分为固定式和移动式。77二、钢结构78符合结构件特征的组合体有时不属于机器，而是具有另外的功用。如厂房、工棚内的梁、柱、桁架、梯子、走廊和围栏等；安装机器设备用的支架、吊架、拖架、操作平台等，在建筑工程中统称为钢结构，在机械工程中按习惯称其为结构件。有些机器部件不属于机体，但符合结构件的特征，如带传动的安全护罩、压滤机的集水槽、耙式浓缩机的刮耙等，它们也属于结构件。三、机架设计的准则和步骤791、设计准则和一般要求工况要求：刚度要求：强度要求：稳定性要求：重量轻、选材合理，成本低。截面合理、结构合理、便于制造，便于机器装配、调整和检修，以及机架本身的吊装和运输。防腐、耐磨、散热以及便于取样等。外形美观。2、机架设计步骤80根据特定的工况要求、载荷情况和设计准则，初步确定机架的结构、形状和尺寸。画出草图。根据材料供应情况确定采用哪一种或哪几种型钢，以及型钢的规格。进一步细化结构设计，在草图基础上画出投影图或立体图的图形。标注尺寸和焊缝，非重要机架的焊缝也可不注，由制作人员确定。对于重要的梁、柱、桁架等应进行必要的力学计算，而对于非常重要的容器等，应进行认真的力学计算和专门的机械设计，参见压力容器书籍。四、钢结构选择的一般规则（1）结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯矩能更充分地利用材料。图8-21 杆件受轴力或弯矩的应力分析图8-2281钢架腹杆图8-23带下弦梁的桁架（2）结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路愈短，结构使用的材料愈省。图8-22(a)和(b)所示为钢架常用的两种腹杆布置。图a为斜杆腹系，长斜杆在载荷作用下承受拉力，这是一个优点。但是载荷通过交替的斜杆和竖杆传到桁架的两端所经的路程很长。在图b所求的三角形腹系中，载荷通过斜杆传到桁架两端所经的路程就比较短。由于这个原因，图b所示桁架使用材料较少。82（3）结构的连续性可以降低内力，节省材料。例如在同样载荷下图8-24（a）所示刚架受到的弯矩比图

8-24（b）所示刚架受到的要小。一般来说，连续刚架比孤立的梁柱体系要经济。以上规则在实际应用中有时是互相矛盾的。例如图8-24（a）所示结构和（b）所示结构比较起来，是互有利弊的。一方面由于结构的刚性，图（a）所示结构中梁的弯矩较小，但在另一方面由于结点的刚性，柱的弯矩增加了。图8-248384五、梁的结构设计1、梁的种类承受横向载荷的受弯构件称为梁。按使用功能，梁可分为工作平台梁、吊车梁、楼盖梁、墙梁和檩条等；按支承情况，梁