供稿|馬廣程 / MA Guang-cheng

橋式起重機(jī)鋼絲繩破壞分析

供稿|馬廣程 / MA Guang-cheng

內(nèi)容導(dǎo)讀

結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，詳細(xì)分析了導(dǎo)致橋式起重機(jī)鋼絲繩破壞的主要原因，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐總結(jié)了一系列延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命的方法。通過(guò)有針對(duì)性的改善鋼絲繩的使用環(huán)境，達(dá)到預(yù)防鋼絲繩斷裂，提高起重作業(yè)安全性的目的。

鋼絲繩是橋式起重機(jī)的重要零件之一，它具有強(qiáng)度高、自重相對(duì)較輕、彈性好、極少驟然斷裂等優(yōu)點(diǎn)，并且應(yīng)用在機(jī)構(gòu)上運(yùn)行平穩(wěn)，適于高速傳動(dòng)。但生產(chǎn)中，常見(jiàn)的問(wèn)題是鋼絲繩被破壞，嚴(yán)重影響日常生產(chǎn)。根據(jù)理論與實(shí)踐，常見(jiàn)的鋼絲繩破壞類型包括：機(jī)械磨損，彎曲疲勞、外部拉伸載荷引起的斷裂、剪切引起的斷裂，高溫、旋轉(zhuǎn)、滑輪、卷筒與鋼絲繩不匹配引起的破壞等。

圖1　大量磨損的交互捻鋼絲繩

圖2　磨損嚴(yán)重造成的外層鋼絲疲勞斷裂

機(jī)械磨損

生產(chǎn)中，在與滑輪槽、卷筒槽發(fā)生摩擦?xí)r鋼絲繩會(huì)發(fā)生磨損，見(jiàn)圖1。隨著磨損的加劇，鋼絲繩直徑持續(xù)減小，鋼絲疲勞裂紋會(huì)慢慢擴(kuò)展，最后將會(huì)出現(xiàn)外層鋼絲疲勞斷裂的現(xiàn)象，如圖2所示。故當(dāng)鋼絲繩的直徑減小7%或外層鋼絲磨損超過(guò)40%時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)廢［1］。

針對(duì)這一類型的鋼絲繩破壞，可以通過(guò)定期的涂抹潤(rùn)滑脂，有效減緩鋼絲繩的機(jī)械磨損。潤(rùn)滑脂應(yīng)均勻的涂抹在卷筒槽內(nèi)，待鋼絲繩卷入繩槽后再將擠出的潤(rùn)滑脂再次均勻的涂抹到鋼絲繩表面。并且應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度和起重機(jī)工況選取適合牌號(hào)的潤(rùn)滑脂，以到達(dá)最佳的潤(rùn)滑效果。冶煉區(qū)域起重機(jī)通常工況較差，鋼絲繩長(zhǎng)期處于高溫輻射和高金屬粉塵的環(huán)境，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械磨損。

彎曲疲勞

鋼絲繩中的鋼絲正常疲勞裂紋的開(kāi)始點(diǎn)一般是在外層鋼絲和滑輪槽、卷筒表面之間的接觸點(diǎn)上。隨著彎曲疲勞次數(shù)的增加，會(huì)在每一根鋼絲軸向垂直的地方造成斷裂，見(jiàn)圖3。鋼絲繩的抗疲勞性能可以通過(guò)增加鋼絲的數(shù)量和減小外層鋼絲的直徑得到改善，同時(shí)增加滑輪、卷筒直徑和減小拉力也可以提高鋼絲繩的耐疲勞性能。由于鋼絲繩的磨損和腐蝕會(huì)加速疲勞裂紋的擴(kuò)展，故通過(guò)定期的潤(rùn)滑，可減小鋼絲與鋼絲間、鋼絲與滑輪槽之間的摩擦力，從而使鋼絲繩抗疲勞性能得到提高。軋鋼區(qū)域用起重機(jī)為了避免潤(rùn)滑脂滴到鋼卷上通常鋼絲繩的涂油量相對(duì)較少，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注鋼絲繩的彎曲疲勞。

圖3　外層鋼絲的彎曲疲勞斷裂

拉伸載荷

當(dāng)軸向拉力超過(guò)了鋼絲的破斷拉力時(shí)，鋼絲也會(huì)發(fā)生斷裂。通常外部拉伸載荷引起的斷裂起始點(diǎn)發(fā)生在鋼絲直徑減小和變形的地方，在這個(gè)斷裂的部位有明顯的鋼絲直徑減小現(xiàn)象，在鋼絲的斷裂端部有“杯狀與錐形”的典型特征，見(jiàn)圖4。過(guò)多的鋼絲疲勞斷裂會(huì)造成鋼絲繩的性能削弱，其余的鋼絲也沒(méi)有足夠的抵抗力來(lái)支撐外部載荷，最終導(dǎo)致鋼絲繩斷裂。

對(duì)于這種破壞類型，可以通過(guò)合理的選取安全系數(shù)，確保鋼絲繩有足夠的安全余量，來(lái)避免鋼絲繩的拉伸斷裂。通常起重機(jī)鋼絲繩的破斷拉力應(yīng)大于的鋼絲繩承受額定工作載荷時(shí)所受拉力的6倍［1］。

圖4　杯狀和錐形的拉伸破壞

剪切斷裂

剪切斷裂是鋼絲在較大的軸向拉應(yīng)力作用下受到剪切應(yīng)力造成的，它的斷裂面與軸向呈45°傾斜。鋼絲的剪切破壞一般發(fā)生在軸向?qū)佑屑兺獠坷燧d荷的地方，因?yàn)樵诟叩妮S向拉力作用下，鋼絲繩直徑會(huì)減小，鋼絲將會(huì)在交叉點(diǎn)有壓縮剪切現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5　拉伸載荷和內(nèi)部鋼絲的壓縮剪切引起的鋼絲剪切破壞

鋼絲繩斷裂如果發(fā)生在跳出的滑輪槽的位置，那么它將會(huì)產(chǎn)生剪切斷口或者楔形，鋼絲繩中大部份鋼絲的斷裂面將呈45°，如圖6所示。這種斷裂表面外觀上非常的光滑，鋼絲直徑有微量的減小，邊緣有輕微縮頸現(xiàn)象。通常情況下，鋼絲的剪切破壞常伴隨著金屬的磨損和疲勞破壞。

圖6　典型的剪切斷裂

對(duì)于這種類型的破壞，一般通過(guò)合理的選取鋼絲繩型號(hào)和配置有效的鋼絲繩防脫槽裝置如滑輪防護(hù)罩等，可有效避免鋼絲間壓縮剪切和脫槽造成的剪切斷裂。

溫度過(guò)高

鋼絲繩是一種很好的導(dǎo)熱體，如果鋼絲繩的溫度超過(guò)了300℃，冷卻下來(lái)的鋼絲繩顯微結(jié)構(gòu)會(huì)重新組合，通常這個(gè)溫度稱為金屬材料的“藍(lán)脆區(qū)”。在這個(gè)過(guò)程中，鋼絲繩表面會(huì)形成馬氏體，鋼絲繩大約會(huì)失去2/3的韌性。纖維芯的鋼絲繩最大可以承受100℃的溫度，而金屬芯的鋼絲繩可以承受到200℃。 因此應(yīng)根據(jù)起重機(jī)的工況選取適合的鋼絲繩以及采用高滴點(diǎn)的潤(rùn)滑脂來(lái)改善鋼絲繩的溫度性能。

旋轉(zhuǎn)破壞

鋼絲繩產(chǎn)生松捻時(shí)，空間螺旋線會(huì)伸長(zhǎng)；鋼絲繩產(chǎn)生緊捻時(shí)，空間螺旋線則會(huì)縮短。這一生產(chǎn)中常見(jiàn)的鋼絲繩扭轉(zhuǎn)會(huì)造成鋼絲繩捻距變化，這些幾何上的改變有時(shí)會(huì)明顯的改變鋼絲繩的特性。鋼絲繩運(yùn)行在滑輪和卷筒上，鋼絲繩的繩股長(zhǎng)度的變化會(huì)在某一點(diǎn)積累，鋼絲繩內(nèi)部存在扭轉(zhuǎn)趨勢(shì)的一分部份與沒(méi)有經(jīng)過(guò)扭轉(zhuǎn)的部分會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象，如圖7所示。在載荷的作下，這一部份扭轉(zhuǎn)的鋼絲繩穿過(guò)滑輪系統(tǒng)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)的卷筒上會(huì)形成“燈籠”，詳見(jiàn)圖8。為了防止松散，不抗旋轉(zhuǎn)的鋼絲繩端頭必須緊緊的固定。

圖7　被扭曲的鋼絲繩

滑輪傾斜角度

鋼絲繩與滑輪之間的傾斜角一般應(yīng)控制在2°以內(nèi)［2］。如果傾斜角度過(guò)大，嚴(yán)重的繩索偏角將會(huì)使鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)載荷和磨損增加，鋼絲繩表面和滑輪輪緣都會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的磨損，如圖9所示。當(dāng)鋼絲繩與滑輪傾斜角大于45°時(shí)是非常危險(xiǎn)的，鋼絲繩會(huì)跳出滑輪，故在起重作業(yè)時(shí)嚴(yán)禁外拉斜吊。若鋼絲繩與滑輪長(zhǎng)期以一定的傾斜角工作，應(yīng)定期的檢查滑輪輪緣的不均勻磨損。特別是輪緣不均勻磨損超標(biāo)時(shí)，更應(yīng)及時(shí)的更換滑輪，以避免滑輪輪緣被鋼絲繩切斷，造成鋼絲繩脫槽斷裂。

圖8　鋼絲繩的末端相互作用產(chǎn)生的嚴(yán)重?zé)艋\狀

圖9　過(guò)大的繩索偏角導(dǎo)致的滑輪輪緣嚴(yán)重的不均勻磨損

旋轉(zhuǎn)的滑輪輪槽與鋼絲繩繩股頂部接觸，在這個(gè)相鄰的接觸帶將會(huì)產(chǎn)生大量的磨損。隔一段時(shí)間就會(huì)在滑輪輪槽與鋼絲繩的接觸面上沉積大量的刻痕，見(jiàn)圖10，連續(xù)變化的載荷還會(huì)導(dǎo)致捻距的伸長(zhǎng)。而且滑輪上的刻痕會(huì)隨著捻距的伸長(zhǎng)而拉伸，形成疲勞裂紋源，快速破壞鋼絲繩，通常鋼絲繩綜合性能會(huì)降低80%，嚴(yán)重的會(huì)造成鋼絲繩早期不正常的斷絲。即使新鋼絲繩采用的是相同的設(shè)計(jì)，這個(gè)刻痕也會(huì)破壞運(yùn)行的鋼絲繩。對(duì)此，通過(guò)增加滑輪的硬度和及時(shí)的潤(rùn)滑鋼絲繩，使用特殊結(jié)構(gòu)的面接觸鋼絲繩和涂塑鋼絲繩，都可以有效地減緩滑輪槽底部刻痕的產(chǎn)生。

圖10　滑輪槽的嚴(yán)重磨損

卷筒槽和鋼絲繩不匹配

鋼絲繩的直徑不允許超過(guò)卷筒槽的寬度，否則會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩在卷筒上排列的不規(guī)則。所以鋼絲繩的實(shí)測(cè)直徑比卷筒槽的寬度少1%左右是最好的［2］，這樣可以使鋼絲繩緊密的排列在卷筒上。

當(dāng)鋼絲繩被彎曲繞上卷筒時(shí)，存在一點(diǎn)輕微的扭轉(zhuǎn)。往右偏移的槽溝會(huì)讓左捻的鋼絲繩出現(xiàn)一點(diǎn)正扭，讓右捻的鋼絲繩出現(xiàn)負(fù)扭。故左旋卷筒匹配右旋鋼絲繩，右旋卷筒匹配左旋鋼絲繩如圖11所示，兩根鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)可以相互抵消，避免鋼絲繩產(chǎn)生松散。

圖11　左、右捻鋼絲繩成對(duì)使用

當(dāng)鋼絲繩的兩端均固定到卷筒上時(shí)如圖12所示，就不符合捻向選擇的建議。因?yàn)榇藭r(shí)選擇什么樣捻向的鋼絲繩都沒(méi)有什么區(qū)別。由于鋼絲繩的兩端都被固定并卷在卷筒上，如果用抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩的話有可能產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，故在這種情況下，應(yīng)該選用旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，且起升高度控制在允許極限范圍內(nèi)，不宜過(guò)高。

圖12　雙臂提升設(shè)備

結(jié)束語(yǔ)

隨著橋式起重機(jī)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)，對(duì)鋼絲繩的使用、保養(yǎng)、維護(hù)需要積累大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)。研究分析鋼絲繩的報(bào)廢和意外事故引起的鋼絲繩破壞，從而判定鋼絲繩的破壞的原因，通過(guò)改善鋼絲繩的工作環(huán)境，合理選用不同結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，編制完善起重機(jī)的操作規(guī)程，不斷提高鋼絲繩的使用壽命，預(yù)防事故于未然，對(duì)吊運(yùn)安全具有極其重要的意義。

［1］ 桂佩康，李秀葦，銀長(zhǎng)海. GB/T 5972—2009 起重機(jī)鋼絲繩保養(yǎng)、維護(hù)、安裝、檢驗(yàn)和報(bào)廢. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010：5

［2］ 陳道南.起重運(yùn)輸機(jī)械. 北京：冶金工業(yè)出版社，1988：78

Wire Rope Damage Analysis of Bridge Crane

10.3969/j.issn.1000-6826.2016.05.05

馬廣程（1985—），男，工程師，畢業(yè)于遼寧科技大學(xué)機(jī)械工程及其自動(dòng)化專業(yè)，工作于武漢鋼鐵股份有限公司條材總廠CSP分廠。通信地址：湖北省武漢市青山區(qū)冶金大道1號(hào)武鋼股份條材總廠CSP分廠，E-mail：mgcjs007@sina.com。

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