抓斗桥式搬运起重机构设计.docx
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抓斗桥式搬运起重机构设计
垃圾运输车抓斗桥式搬运起重机构设计
摘要
该设计介绍了垃圾搬运起重机的主要组成结构及其各结构的作用。
主要对小车和大车的驱动系统，起升系统和桥架进行了优化设计。
为了减轻起重机自重，并且使结构紧凑，本设计针对大车，小车不同的驱动要求分别采用了分别驱动方式和集中驱动方式。
驱动系统则统一采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动型式设计，其中重点在于选择各成品部件，并根据其特性和技术参数选择匹配的小车架。
针对起升机构，本设计进行了起升电机，减速器和制动器的选用以及卷筒和钢丝绳的设计和校核，使其满足起重量，起升速度的要求，达到初定的工作级别。
桥身采用偏轨箱形双梁，这样设计的好处在于不仅有效的减轻了起重机整体自重，更能明显得增强桥身的刚度，使桥身不易变形，延长起重机的使用寿命。
关键词搬运起重机；驱动系统；起升机构
BridgeWasteHandlingGrabCranceLiftingMechanismDesign
Abstract
Themainstructureanditsactionofbridgewastehandlinggrabcranearedesigned.Trolleyandthebridgetruckdrivingsystemandthebridgewereoptimizedtoalleviatecraneweight,andmakecompactstructure.Thedesignadoptsthemethodofbeingseparatelydrivenandbeingdriventogether,accordingtothedifferentrequirementsoftrolleyandbridgetruck.Drivingsystermismadeupofbraker,reducerandmotor,whichisthetypeofthreeinone.Thedesignfocusesonthechoiceoffinishedparts,andaccordingtoitscharacteristicsandtechnicalparameters,thematchingtrolleyframeisselected.Theselectionandcheckofhoistmotor,reducerandbrakeraremade.Andthenthedesignandcheckoftheropeanddrumthatmeetwithrequirementsofliftingweightandtherate.Andthenachievetoinitialworkinglevel.Bridgeadoptsbias-railbox-beams,thebenefitsofthisdesignnotonlyiseffectiveinreducingtheoverallcraneweight,butalsocanincreasethestiffnessofbridge,whichmakebrightnottodeformeasily,extendthelifeofthecrane.
KeywordsWasteHandlingGrabCrane;TypeDriving;LiftingMechanism
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摘要
Abstract
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第1章绪论
1.1课题背景
在德国、美国、日本及芬兰等发达国家，半自动和全自动控制的垃圾抓斗起重机已经形成系列产品，广泛应用于垃圾焚烧工程。
国外提供垃圾搬运起重机的厂商主要有芬兰KONE、德国DEMAG、美国P&H、法国REEL等公司，种类分为手动、半自动及全自动控制等3个等级，单机日处理垃圾量从250～3000t。
而我国在环保产品生产及环保技术开发等领域，仍以常规技术、通用产品占主导地位，与国外技术之间存在的巨大差距，单机处理垃圾量则只有250-1500t/d，在我国坚持走可持续发展道路的方针，越来越注视环境保护的大前提下，已经远远不能满足国内环保产业的发展要求。
相信在不久的将来，垃圾搬运起重机会随着国内垃圾焚烧发电厂的蓬勃发展而迅速占有广大的环保产业市场。
1.2起重机的发展历史
中国古代灌溉农田用的桔 是臂架型起重机的雏形。
14世纪，西欧出现了人力和畜力驱动的转动臂架型起重机。
19世纪前期，出现了桥式起重机；起重机的重要磨损件如轴、齿轮和吊具等开始采用金属材料制造，并开始采用水力驱动。
19世纪后期，蒸汽驱动的起重机逐渐取代了水力驱动的起重机。
20世纪20年代开始，由于电气工业和内燃机工业迅速发展，以电动机或内燃机为动力装置的各种起重机基本形成。
1.3垃圾搬运起重机的发展背景及现状
作为特种专用型起重机的一种，垃圾搬运起重机的产生和发展必定符合其新兴的环境背景。
由于各国工业的迅猛发展，城市人口剧增，使大量的工业垃圾和生活垃圾成为地球公害。
面对垃圾滥成灾的现实，世界各国的视线已从如何控制和销毁垃圾转变为着手科学地处理、利用垃圾，将垃圾列为维持经济持续发展的“第二资源”，向垃圾要资源、要能源、要效益。
从生态环境角度看，垃圾虽然是一种污染源；从资源角度看，它却是地球上唯一在增长的资源，一种潜在的资源。
经科学家计算，垃圾中的2次能源物质——有机可燃物含热量多、热值高，每燃烧2t垃圾可获得相当于燃烧1t煤的热量。
而且垃圾焚烧处理后的灰渣呈中性，无气味，不会引发2次污染，且体积减少90％，重量减少75％以上，明显减容减量。
如果措施得当，利用1t垃圾，可获得约300～400kW的电力生产能力。
抓斗桥式垃圾搬运起重机作为一种专用型起重机将伴随着全球对环境保护观念的深入和环保产业的迅猛发展而得到广泛的应用，并且正向着半自动化和全自动化的更加先进的方向发展。
1.4起重机的发展趋势
1.4.1大型化和专用化
由于工业生产规模的不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长。
起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。
起重机已成为自动化生产流程中的重要环节。
起重机不但要容易操作，容易维护，而且安全性要好，可靠性要高，要求具有优异的耐久性、无故障性、维修性和使用经济性。
目前世界上最大的浮游起重机起重量达6500t，最大的履带起重机起重量达3000t，最大的桥式起重机起重量为1200t，集装箱岸边装卸桥小车的最大运行速度已达350m/min，堆垛起重机最大运行速度是240m/min，垃圾处理用起重机的起升速度达100m/min。
工业生产方式和用户需求的多样性，使专用起重机的市场不断扩大，品种也不断更新，以特有的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用。
例如冶金、核电、造纸、垃圾处理的专用起重机，防爆、防腐、绝缘起重机和铁路、船舶、集装箱专用起重机的功能不断增加，性能不断提高，适应性比以往更强。
德国德马格公司研制出一种飞机维修保养的专用起重机，在国际市场打开了销路。
这种起重机安装在房屋结构上，跨度大、起升高度大、可过跨、停车精度高。
在起重小车下面安装有多节伸缩导管，与飞机维修平台相连，并可作360度旋转。
通过大车和小车的位移、导管的升降与旋转可使维修平台到达飞机的任一部位，进行飞机的维护和修理，极为快捷方便。
1.4.2模块化和组合化
用模块化设计代替传统的整机设计方法，将起重机上功能基本相同的构件、部件和零件制成有多种用途，有相同联接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的起重机。
对起重机进行改进，只需针对某几个模块。
设计新型起重机，只需选用不同模块重新进行组合。
可使单件小批量生产的起重机改换成具有相当批量的模块生产，实现高效率的专业化生产，企业的生产组织也可由产品管理变为模块管理。
达到改善整机性能，降低制造成本，提高通用化程度，用较少规格数的零部件组成多品种、多规格的系列产品，充分满足用户需求。
目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已采用起重机模块化设计，并取得了显著的效益。
德国德马格公司的标准起重机系列改用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降12%，生产成本下降45%，经济效益十分可观。
德国德马格公司还开发了一种KBK柔性组合式悬挂起重机，起重机的钢结构由冷轧型轨组合而成，起重机运行线路可沿生产工艺流程任意布置，可有叉道、转弯、过跨、变轨距。
所有部件都可实现大批量生产，再根据用户的不同需求和具体物料搬运路线在短时间内将各种部件组合搭配即成。
这种起重机组合性非常好，操作方便，能充分利用空间，运行成本低。
有手动、自动多种形式，还能组成悬挂系统、单梁悬挂起重机、双梁悬挂起重机、悬臂起重机、轻型门式起重机及手动堆垛起重机，甚至能组成大型自动化物料搬运系统。
1.4.3轻型化和多样化
有相当批量的起重机是在通用的场合使用，工作并不很繁重。
这类起重机批量大、用途广，考虑综合效益，要求起重机尽量降低外形高度，简化结构，减小自重和轮压，也可使整个建筑物高度下降，建筑结构轻型化，降低造价。
因此电动葫芦桥式起重机和梁式起重机会有更快的发展，并将大部分取代中小吨位的一般用途桥式起重机。
德国德马格公司经过几十年的开发和创新，已形成了一个轻型组合式的标准起重机系列。
起重量为1-63吨，工作级别为A1-A7，整个系列由工字形和箱型单梁、悬挂箱形单梁、角形小车箱形单梁和箱形双梁等多个品种组成。
主梁与端梁相接以及起重小车的布置有多种型式，可适合不同建筑物及不同起吊高度的要求。
根据用户需要每种规格起重机都有三种单速及三种双速供任意选择，还可以选用变频调速。
操纵方式有地面手电门自行移动、手电门随小车移动、手电门固定、无线遥控、司机室固定、司机室随小车移动、司机室自行移动等七种选择。
大车及小车的供电有电缆小车导电、DVS系统两种方式。
如此多的选择项，通过不同的组合，可搭配成百上千种起重机，充分满足用户不同的需求。
这种起重机的另一最大优点是轻型化，自重轻、轮压轻、外形尺寸高度小，可大大降低厂房建筑物的建造成本，同时也可减小起重机的运行功率和运行成本。
与通用产品相比较，起重量为10t，跨度22.5m，通用双梁桥式起重机自重是24t，起重机轨面以上高度1876mm，起重机宽度5980mm;德马格起重机的自重只有8.7t，重量轻了176%，起重机轨面以上高度为920mm，降低了104%，起重机宽度为2980mm，外形尺寸减少了100%。
1.4.4自动化和智能化
起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。
将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。
大型高效起重机的新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。
主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。
变压变频调速、射频数据通讯、故障自诊监控、吊具防摇的模糊控制、激光查找起吊物重心、近场感应防碰撞技术、现场总线、载波通讯及控制、无接触供电及三维条形码技术等将广泛得到应用。
使起重机具有更高的柔性，以适合多批次少批量的柔性生产模式，提高单机综合自动化水平。
重点开发以微处理机为核心的高性能电气传动装置，使起重机具有优良的调速和静动特性，可进行操作的自动控制、自动显示与记录，起重机运行的自动保护与自动检测，特殊场合的远距离遥控等，以适应自动化生产的需要。
例如采用激光装置查找起吊物的重心位置，在取物装置上装有超声波传感器引导取物装置自动抓取货物。
吊具自动防摇系统能在运行速度200m／min、加速度0.5m2／s的情况下很快使起吊物摇摆振幅减至几个毫米。
起重机可通过磁场变换器或激光达到高精度定位。
起重机上安装近场感应系统，可避免起重机之间的互相碰撞。
起重机上还安装了微机自诊断监控系统，该系统能提供大部分常规维护检查内容，如齿轮箱油温、油位，车轮轴承温度，起重机的载荷、应力和振动情况，制动器摩擦衬片的寿命及温度状况等。
1.4.5成套化和系统化
在起重机单机自动化的基础上，通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运集成系统，通过中央控制室的控制，与生产设备有机结合，与生产系统协调配合。
这类起重机自动化程度高，具有信息处理功能，可将传感器检测出来的各种信息实施存储、运算、逻辑判断、变换等处理加工，进而向执行机构发出控制指令。
这类起重机还具有较好的信息输入、输出接口，实现信息全部、准确、可靠地在整个物料搬运集成系统中的传输。
起重机通过系统集成，能形成不同机种的最佳匹配和组合，取长补短，发挥最佳效用。
目前重点发展的有工厂生产搬运自动化系统，柔性加工制造系统，商业货物配送集散系统，集装箱装卸搬运系统，交通运输和邮电部门行包货物的自动分拣与搬运系统等。
例如生产工程机械的美国卡特皮勒公司金属结构厂购置了一条以桥式起重机为主的物料自动搬运系统，用于钢板的喷丸处理、切割和入库的自动装卸搬运作业，比原先采用单机操作工作效率提高了65%。
日本东芝浜川崎工厂用全自动桥式起重机组成的物料输送系统来搬运柔性加工线上的夹具和工件，为机床运送毛坯或将加工好的零件送到下一工序或仓库。
这些在空间移动的起重机搬运系统代替了过去通常使用的自动导向搬运车，使车间的地面面积得到充分利用。
1.4.6新型化和实用化
结构方面采用薄壁型材和异形钢、减少结构的拼接焊缝，提高抗疲劳性能。
采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。
桥式起重机的桥架结构型式大多采用箱形四梁结构，主梁与端梁采用高强度螺栓联接，便于运输与安装。
在机构方面进一步开发新型传动零部件，简化机构。
“三合一”运行机构是当今世界轻、中级起重机运行机构的主流，将电动机、减速器和制动器合为一体，具有结构紧凑、轻巧美观、拆装方便、调整简单、运行平稳、配套范围大等优点，国外已广泛应用到各种起重机运行机构上。
为使中小吨位的起重小车结构尽量简化，同时降低起重机的尺寸高度，减小轮压，国外已大量采用电动葫芦作为起升机构。
为了减轻自重，提高承载能力，改善加工制造条件，增加产品成品率，零部件尽量采用以焊代铸，如减速器壳体、卷简、滑轮等都用焊接结构。
减速器齿轮都采用硬齿面，以减轻自重、减小体积、提高承载能力、增加使用寿命。
液压推杆盘式制动器的应用范围也越来越大。
此外，各机构采用的电动机都向高转速发展，从而减小电机基座号，减轻重量与减小外形尺寸，并可配用制动力矩小的制动器。
在电控方面开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统，发展半自动和全自动操纵。
采用机电仪液一体化技术，提高使用性能和可靠性，增加起重机的功能。
今后会更加注重起重机的安全性，研制新型安全保护装置。
重视司机的工作条件，应用人体工程学设计司机室，降低司机的劳动强度。
德国近年为解决起重机吊钩的防摆控制，开发了模糊逻辑电路的控制技术，用神经信息和模糊技术来寻找开始加速的最佳时刻，将有经验司机防摆实际操作的数据输入系统，实现最优控制。
模糊控制方式能确定实施自动工作的控制指令，将人们主观上的模糊量通过模糊集合进行数字化定量，再利用计算机实现像熟练司机一样的自如操作，取得了更高的效率和安全性。
模糊控制作为新的控制方法已引人注目。
1.5垃圾搬运起重机设计的主要工作
本次设计针对小车的起升机构及运行机构，桥架运行机构的部件进行选型，设计校核了小车运行机构的主动车轮组和卷筒，确定选用了主梁截面尺寸。
通过一系列的设计不仅有效得减轻了起重机的自重，更使起重机的结构简洁可靠，驱动机构达到同步，起升重物高速平稳。
第2章桥式垃圾搬运起重机的概况
2.1桥式垃圾搬运起重机的功用
桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车。
桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。
垃圾搬运起重机是用于城市生活垃圾焚烧发电厂垃圾处理的特种抓斗桥式起重机，是城市生活垃圾焚烧厂垃圾供料系统的核心设备，位于垃圾贮存坑的上方，主要承担垃圾的投料、搬运、搅拌、取物和称量工作。
2.2桥式垃圾搬运起重机的结构
垃圾搬运起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。
起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。
2.2.1起升机构
起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。
电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物。
小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。
起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：
一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。
中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。
2.2.2起重机运行机构
起重机运行机构一般只用四个主动和从动车轮，如果起重量很大，常用增加车轮的办法来降低轮压。
当车轮超过四个时，必须采用铰接均衡车架装置，使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。
2.2.3桥架的金属结构
桥架的金属结构由主粱和端粱组成，分为单主粱桥架和双粱桥架两类。
单主粱桥架由单根主粱和位于跨度两边的端粱组成，双粱桥架由两根主粱和端粱组成。
主粱与端粱刚性连接，端粱两端装有车轮，用以支承桥架在高架上运行。
主粱上焊有轨道，供起重小车运行。
桥架主粱的结构类型较多比较典型的有箱形结构、四桁架结构和空腹桁架结构。
箱形结构又可分为正轨箱形双粱、偏轨箱形双粱、偏轨箱形单主粱等几种。
正轨箱形双粱是广泛采用的一种基本形式，主粱由上、下翼缘板和两侧的垂直腹板组成，小车钢轨布置在上翼缘板的中心线上，它的结构简单，制造方便，适于成批生产，但自重较大。
偏轨箱形双粱和偏轨箱形单主粱的截面都是由上、下翼缘板和不等厚的主副腹板组成，小车钢轨布置在主腹板上方，箱体内的短加劲板可以省去，其中偏轨箱形单主粱是由一根宽翼缘箱形主粱代替两根主粱，自重较小，但制造较复杂。
四桁架式结构由四片平面桁架组合成封闭型空间结构，在上水平桁架表面一般铺有走台板，自重轻，刚度大，但与其他结构相比，外形尺寸大，制造较复杂，疲劳强度较低，已较少生产。
空腹桁架结构类似偏轨箱形主粱，由四片钢板组成一封闭结构，除主腹板为实腹工字形粱外，其余三片钢板上按照设计要求切割成许多窗口，形成一个无斜杆的空腹桁架，在上、下水平桁架表面铺有走台板，起重机运行机构及电气设备装在桥架内部，自重较轻，整体刚度大，这在中国是较为广泛采用的一种型式。
2.2.4垃圾抓斗
垃圾抓斗是垃圾焚烧场供料系统核心设备垃圾搬运起重机的辅助设备。
它负责给垃圾焚烧炉供料，并承担搬运搅拌贮坑中垃圾的作业等。
其充分利用垃圾贮坑的容量，使坑内垃圾充分发酵且成分均匀。
抓斗的工作环境恶劣，工作负荷繁重，维护保养困难，易发生故障。
一旦抓斗出现故障，影响垃圾焚烧炉的供料，将造成垃圾焚烧场的停运，甚至可能造成城市生活垃圾收集、清运系统的混乱。
正确选择垃圾的抓斗非常重要。
垃圾抓斗从结构形式上分为蚌壳式和爪瓣式，从驱动方式上分为机械式和液压式。
爪式液压抓斗为多瓣结构，靠液压缸直接驱动爪瓣实现开闭动作。
切取容积大，抓取力大，防摆性好。
对不均匀，斜面垃圾效果好，应用广泛。
起重机上小车无需增加驱动（抓斗）机构，小车体积小、灵活。
四吊点六瓣液压抓斗，带有自动开启、闭合及倾斜控制系统；由上海起帆·佩纳公司供货，采用德国PEINER技术制造，液压中心从德国进口，并采用380V交流电压驱动。
液压缸位于抓斗外侧，便于检修，且每个液压缸上都安装防尘罩。
抓斗供电采用与起升卷筒同步传动的电缆卷筒，布置在小车上。
称量系统进行实时的动态称量，具有超载报警、计量和统计打印功能。
称量传感器安装在小车钢丝绳卷筒轴承底座下方。
2.3垃圾搬运起重机作为非标特种起重机具有的特点
1、工作环境恶劣：
温度高、湿度大、灰尘多、气体腐蚀性强；
2、工作载荷繁重：
年平均工作时间8000h、满载率高、工作频繁；
3、维护保养困难：
工作环境恶劣，垃圾腐烂的多种有害气体增加了工作难度；
4、可靠性要求高：
如起重机出现故障无法及时弥补，将影响焚烧炉进料，造成垃圾焚烧场瘫痪。
2.4本章小结
本章简要介绍了垃圾搬运起重机的结构形态、功用和特点等概况。
垃圾搬运起重机作为非标特种桥式起重机具有所有桥式起重机的共性和技术条件要求，同时由于特殊的工作环境和功用需求又决定了垃圾搬运起重机的特殊机构构造，技术参数和工作特点，这正是现代起重机发展专用化的体现，更是现代起重机的发展趋势。
第3章起升小车的设计
12.5t×22.8m桥式起重机的设计计算依据文献[5]和文献[6]的有关规定和公式计算。
主要计算公式及计算结果如下：
技术参数：
结构形式：
半自动控制12.5t×22.2m垃圾抓斗起重机
生产率：
12000吨/日/台起重量：
12.5吨（包括抓斗）
工作级别：
A8跨度：
22.8m
抓斗容积：
8m3抓斗自重：
5380kg
起升速度：
50m/min（上升）/60m/min（下降）
小车运行速度：
50m/min
起重机供电：
三相交流380V50HZ
大车轮压为：
145KN单机装机容量：
150Kw
小车轨距：
2.5m
3.1起升机构计算
按照文献[6]的有关规定和步骤计算电动机，制动器；钢丝绳，减速器和联轴器等零部件。
3.1.1钢丝绳
1钢丝绳的特性
钢丝绳是广泛应用于起重机中的挠性构件。
它具有承载能力大，卷绕性好，运动平稳无噪音、极少突然断裂、工作可靠等优点。
2钢丝绳的种类和应用
起重机使用圆形截面的钢丝绳，绳股截面也多是圆形。
按钢丝绳股内相邻层钢丝的接触状态，分点接触、线接触和面接触。
线接触钢丝绳在起重机中应用最广，线接触钢丝绳分三种类型：
外粗型、粗细型、密集型。
按钢丝绳捻绕次数，有单捻和双捻之分。
由若干根圆形钢丝按螺旋状捻绕而成的单绕钢丝绳，刚性大，表面不光滑，在起重机上仅用作固定张紧绳。
用异形截面钢丝可以捻制成封闭绳，绳的表面光滑，能承受横向载荷，常用作缆式起重机和架空索道的承载绳。
双绕钢丝绳是先由钢丝绕成股，再由股绕成绳。
由于强度高，挠性好，在起重机上广泛使用。
双绕钢丝绳按外层绳股的捻绕方向分为右旋和左旋；按绳股和股中钢丝的捻绕方向相同或相反而分为同向捻（钢丝与股的捻绕方向一致）和交互捻（钢丝与股的捻绕方向相反）。
交互捻钢丝绳是常用的型式，由于这里绳与股的扭转趋势相反，互相抵消，没有扭转打结的趋势，使用方便。
同向捻钢丝绳的挠性与寿命较好，但由于有强烈的扭转趋势，容易打结，只能用于经常保持张紧的地方，通常用于牵引式运行小车的牵引绳，不易用于起升绳。
按绳芯的材料分有机芯、石棉纤维芯和金属芯三种。
用浸透油脂的麻绳作有机芯，有利于防止钢丝绳锈蚀，减少钢丝绳的磨损，双绕钢丝绳一般采用有机芯。
石棉纤维芯和金属芯钢丝绳是用于高温车间，金属芯钢丝绳能承受较大的横向挤压力，可在多层绕卷筒上使用。
按钢丝表面情况分光面和镀锌钢丝绳。
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