陳 串 王東升 鄔明立 劉玉龍

1 舟山鼠浪湖碼頭有限公司 2 寧波舟山港北侖礦石碼頭分公司

1 引言

為保證鋼絲繩的安全使用,國家質(zhì)監(jiān)局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管委會聯(lián)合發(fā)布的GB8918、GB/T20118、GB/T3811等規(guī)范,對鋼絲繩的理化性能做出規(guī)定。某橋式抓斗卸船機的起升開閉主鋼絲繩直徑為53 mm,卷筒及滑輪直徑為1 700 mm。該卸船機鋼絲繩一直存在輕微散股問題,更換鋼絲繩品牌后,卸船機起升開閉主鋼絲繩散股現(xiàn)象出現(xiàn)的更加頻繁,其中海陸側(cè)開閉鋼絲繩及抓斗鋼絲繩梨形索節(jié)根部散股尤為嚴(yán)重。梨形索節(jié)根部散股會造成繩股疲勞斷絲,導(dǎo)致索節(jié)根部鋼絲繩斷股甚至斷繩,對港口的安全生產(chǎn)帶來隱患。

針對鋼絲繩散股問題,從鋼絲繩纏繞系統(tǒng)設(shè)計、鋼絲繩制造質(zhì)量、安裝方式、使用環(huán)境等方面進(jìn)行原因分析,并提出整改措施。

2 鋼絲繩散股原因分析

2.1 鋼絲繩纏繞系統(tǒng)設(shè)計分析

機械差動補償牽引小車式抓斗卸船機的起升開閉鋼絲繩從卷筒開始,經(jīng)過過渡滑輪和起升開閉滑輪,與抓斗鋼絲繩用梨形繩套索節(jié)相連,鋼絲繩繞繩系統(tǒng)見圖1。

1.支持滑輪?1 800 2.過渡滑輪?1 700 3.開閉滑輪?1 8004.海側(cè)支持鋼絲繩?53 5.卷筒?1 680 6.海側(cè)開閉鋼絲繩?53 7.抓斗海側(cè)開閉鋼絲繩?53 8.陸側(cè)支持鋼絲繩?53 9.陸側(cè)開閉鋼絲繩?53圖1 橋式抓斗卸船機起升開閉繞繩系統(tǒng)

這種繞繩方式下,鋼絲繩進(jìn)出卷筒會導(dǎo)致股間松散。以陸側(cè)開閉鋼絲繩為例,對鋼絲繩纏繞系統(tǒng)進(jìn)行分析。陸側(cè)開閉鋼絲繩本身通過左交右捻內(nèi)外層反捻的方式使整根鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力接近于零。該鋼絲繩在進(jìn)入左旋卷筒時,繩槽向左排布的卷筒將扭緊力帶入左交右捻鋼絲繩,使之受到輕微扭轉(zhuǎn),鋼絲繩股間更緊。當(dāng)右旋鋼絲繩出卷筒槽時,繩股之間受到反向的松散力,使鋼絲繩股間出現(xiàn)松散現(xiàn)象。如果使用制作過程中沒有經(jīng)過預(yù)拉伸的鋼絲繩,鋼絲繩本身存在彈性恢復(fù)力,受拉后此松散力大幅增加。上述2股松散力疊加破壞鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力平衡,多個工作循環(huán)后,鋼絲繩松散力將會持續(xù)增加,并通過滑輪系統(tǒng),在鋼絲繩梨形繩套索節(jié)根部集中,造成根部散股。同時,在卸船機的每一個作業(yè)循環(huán)中,當(dāng)抓斗開斗放料時,鋼絲繩的負(fù)載發(fā)生突變,導(dǎo)致鋼絲繩內(nèi)部的應(yīng)力甚至結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,致使鋼絲繩散股加劇。

進(jìn)一步分析可知,鋼絲繩卷筒的出繩點是沿著軸向移動的,且滑輪系統(tǒng)中各滑輪的中心線不在同一直線上,導(dǎo)致鋼絲繩運動中進(jìn)出卷筒和滑輪時有一定偏角。當(dāng)鋼絲繩進(jìn)出卷筒繩槽和滑輪繩槽時,首先與繩槽的側(cè)面接觸,然后向下一直滑動到繩槽底部。在這個過程中產(chǎn)生的摩擦力使鋼絲繩發(fā)生自轉(zhuǎn),滑輪槽口越小,鋼絲繩接觸滑輪的點越遠(yuǎn)離繩槽底部,其偏轉(zhuǎn)角越大,鋼絲繩扭轉(zhuǎn)的角度也越大。

根據(jù)受力分析可知(見圖2),與滑輪接觸的股1、股2在鋼絲繩進(jìn)出滑輪過程中會對鋼絲繩產(chǎn)生切向力,從而使鋼絲繩內(nèi)部產(chǎn)生附加扭轉(zhuǎn)力矩。鋼絲繩的偏磨角度越大,其與滑輪接觸的點就越高,滑到槽底時繞自身扭轉(zhuǎn)的角度也越大。另一方面,鋼絲繩在滑輪里彎曲時,外股鋼絲由于伸長多會向內(nèi)弧擠壓,造成側(cè)股3、股4松散。上述2個因素導(dǎo)致鋼絲繩的松散扭矩增加,且附加在鋼絲繩上的扭矩會經(jīng)過多個滑輪疊加,最終集中到梨形繩套根部,導(dǎo)致梨形繩套索節(jié)根部散股。

圖2 鋼絲繩偏磨示意圖

2.2 鋼絲繩特性分析

該橋式抓斗卸船機的起升開閉鋼絲繩及抓斗鋼絲繩型號為6×SW36+IWRC-53-1770,鋼絲繩繩股數(shù)為6,類型為西瓦式,具備抗疲勞性強、金屬斷面大、耐磨性好等優(yōu)點。該型號鋼絲繩的結(jié)構(gòu)及繩股幾何結(jié)構(gòu)見圖3。該鋼絲繩為二次捻制鋼絲繩,在制作時先由鋼絲繞中心鋼絲螺旋捻制成繩股,再由繩股以繩芯為中心螺旋捻制成繩。在捻制過程中,鋼絲及繩股在產(chǎn)生彎曲變形的同時也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力,該應(yīng)力導(dǎo)致鋼絲繩出現(xiàn)散股現(xiàn)象,同時破壞鋼絲繩的結(jié)構(gòu),影響鋼絲繩的性能。

圖3 鋼絲繩結(jié)構(gòu)及繩股幾何結(jié)構(gòu)圖

捻距H越大,捻角α越小,鋼絲繩繩股在捻制過程中扭轉(zhuǎn)變形程度越小,彈性恢復(fù)力越大,鋼絲繩合股后在使用過程中就容易發(fā)生散股現(xiàn)象。目前GB 8918、GB/T 20118等規(guī)范中未對鋼絲繩的捻距做相應(yīng)規(guī)定,僅要求鋼絲繩應(yīng)捻制均勻、緊密、不松散。參考王桂蘭等進(jìn)行的《基于微分幾何學(xué)的鋼絲繩結(jié)構(gòu)CAD》研究,6股交互捻鋼絲繩在捻距倍數(shù)(H/D)為6時,擁有較好的接觸狀態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變分布[1]。經(jīng)過計算,新更換的鋼絲繩平均捻距倍數(shù)達(dá)到6.45,局部位置捻距倍數(shù)達(dá)到6.98。新鋼絲繩存在捻距不均,捻距值偏大,繩股彈性恢復(fù)力大等問題,是導(dǎo)致?lián)Q后鋼絲繩散股現(xiàn)象增加、散股時間間隔縮短的原因之一。

2.3 滑輪磨損分析

鋼絲繩滑輪磨損導(dǎo)致鋼絲繩股間受力不均,鋼絲繩彎曲狀態(tài)下內(nèi)弧股會被擠壓導(dǎo)致散股。根據(jù)機械設(shè)計手冊,滑輪繩槽的直徑一般為鋼絲繩直徑的1.06～1.08倍。經(jīng)現(xiàn)場跟蹤測量,該橋式抓斗卸船機上前后大梁頭部滑輪、主小車滑輪等輪槽普遍磨損嚴(yán)重,繩槽由出廠時的?58 mm磨損到?53 mm。正常情況下鋼絲繩繩股中有3股與滑輪槽接觸,鋼絲繩彎曲狀態(tài)下通過繩芯將擠壓力傳遞到另外3股,整根鋼絲繩受力平均,不會發(fā)生擠壓散股現(xiàn)象(見圖4)。

圖4 鋼絲繩與正?；喗佑|

新鋼絲繩在制作過程中,為保證鋼絲繩的最小破斷拉力,鋼絲繩直徑要求為正偏差。GB8918中也有相關(guān)規(guī)定,鋼絲繩公稱直徑應(yīng)滿足5%偏差。公稱直徑53 mm的鋼絲繩實際測量直徑在在54～56 mm之間?；嗇啿勰p后,當(dāng)換上新鋼絲繩時,鋼絲繩與滑輪輪槽不匹配,鋼絲繩中只有2股與輪槽接觸(見圖5)。外側(cè)股在彎曲過程中會對股1造成擠壓,導(dǎo)致股1松散,從而導(dǎo)致鋼絲繩結(jié)構(gòu)不穩(wěn),長時間積累造成整體散股。

圖5 鋼絲繩與磨損輪槽接觸

2.4 鋼絲繩安裝過程中應(yīng)力未完全釋放

新采購的鋼絲繩在出廠和運輸時一般儲存在繩筒工裝中,纏繞前鋼絲繩在制作過程中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)內(nèi)力沒有得到充分釋放。卸船機鋼絲繩在更換時,直接由機上舊鋼絲繩牽引新鋼絲繩進(jìn)入起升開閉系統(tǒng)中,鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力得不到完全釋放。另一方面,鋼絲繩在進(jìn)出卷筒及卸船機作業(yè)過程中,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力累加,開閉鋼絲繩與抓斗開閉鋼絲繩帶載情況下,扭轉(zhuǎn)應(yīng)力在梨形索節(jié)根部應(yīng)力集中,從而導(dǎo)致索節(jié)根部繩散股。

3 整改對策

通過分析卸船機鋼絲繩散股原因發(fā)現(xiàn),一部分是由卸船機起升開閉系統(tǒng)中存在的無法避免的固有缺陷;另一部分是由于鋼絲繩制作和使用過程中存在問題導(dǎo)致。根據(jù)不同鋼絲繩散股問題的分析結(jié)果提出以下整改措施。

(1)與鋼絲繩制造企業(yè)進(jìn)行技術(shù)交流,明確鋼絲繩捻距倍數(shù)不超過6.2,保證鋼絲繩合股過程中捻距的均勻性,使鋼絲繩擁有較好的繩股接觸狀態(tài)及應(yīng)力應(yīng)變分布,提高鋼絲繩質(zhì)量。同時,在捻制前對鋼絲及繩股進(jìn)行預(yù)變形處理,使鋼絲的塑性變形曲率半徑與螺旋線曲率半徑保持一致,減少捻制合繩成形的殘余應(yīng)力。鋼絲繩在被捻制后再采用后變形器,進(jìn)一步消除殘余應(yīng)力。

(2)制定卸船機滑輪管理規(guī)范,加大滑輪繩槽測量頻次,對磨損量較大的滑輪進(jìn)行更換處理,盡量避免鋼絲繩與繩槽不匹配造成的擠壓松散現(xiàn)象。其次,在更換新滑輪時,適當(dāng)增加繩槽的開槽角度。當(dāng)鋼絲繩與較大槽角的滑輪接觸時,接觸點降低,更靠近繩槽底部,鋼絲繩扭轉(zhuǎn)的角度也將比小槽角滑輪的小,有利于減少鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)力矩。

(3)鋼絲繩在從滑輪繩槽側(cè)邊滾動到底部過程中,同時存在滑動摩擦與滾動摩擦,其扭轉(zhuǎn)力矩的大小與鋼絲繩和繩槽之間的摩擦系數(shù)有關(guān)。通過定期在鋼絲繩上涂抹潤滑油,并在滑輪槽上適當(dāng)涂抹潤滑脂,減小鋼絲繩與繩槽之間的摩擦系數(shù),從而減少因摩擦而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。另一方面,良好的鋼絲繩潤滑也能減少股與股之間的接觸應(yīng)力,進(jìn)而減少鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

(4)受限于鋼絲繩的制作及運輸,鋼絲繩的初始扭轉(zhuǎn)應(yīng)力是不可避免的。但在鋼絲繩安裝使用過程中,可以通過以下手段減少鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。一是鋼絲繩更換完成后,將繩筒中的鋼絲繩平鋪在碼頭面,消除鋼絲繩扭轉(zhuǎn)應(yīng)力;二是在鋼絲繩被牽引到起升開閉系統(tǒng)后,保持繩端懸空不受力一段時間,讓鋼絲繩安裝過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩在繩端釋放;三是鋼絲繩在經(jīng)過一段時間的循環(huán)作業(yè)后,手動打開連接起升開閉鋼絲繩和抓斗的梨形繩套索節(jié),保持繩端懸空,釋放作業(yè)過程中積累的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

(5)鋼絲繩散股現(xiàn)象主要發(fā)生在梨形繩套索節(jié)根部。由于索節(jié)根部鋼絲繩在循環(huán)作業(yè)過程中反復(fù)通過主小車滑輪產(chǎn)生彎折,繩散股后更容易發(fā)生疲勞斷絲,因此繩根部散股比中部散股危險性更大。為保證根部鋼絲繩有較大的抗扭能力,對梨形繩套澆筑工藝進(jìn)行優(yōu)化,對鋼絲繩的綁扎鉛絲進(jìn)行調(diào)整。在保證鋼絲繩散絲和折彎的長度的前提下,將綁扎的鉛絲多拉進(jìn)梨形繩套根部20 mm,在梨形繩套澆鑄合金過程中使根部鋼絲繩更好的結(jié)合成一個整體,提高鋼絲繩的抗扭能力,保證索節(jié)根部鋼絲繩不散股(見圖6)。

圖6 綁扎鉛絲與梨形繩套位置示意圖

(6)采用扭力釋放器來釋放索節(jié)根部應(yīng)力。鋼絲繩更換完畢后,在鋼絲繩尾部安裝扭力釋放器。釋放鋼絲繩扭力時,抓斗閉斗,起升到上停止位置。

然后,卸船機的主小車及起升機構(gòu)做往復(fù)動作,使新?lián)Q的鋼絲繩在卷筒及滑輪系統(tǒng)中充分運動。運動中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩向梨形索節(jié)根部集中,再通過C型環(huán)傳遞到扭力釋放器,帶動扭力釋放器旋轉(zhuǎn),消除鋼絲繩運動過程中產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。在動態(tài)消除應(yīng)力后取下扭矩釋放器。

4 結(jié)語

目前的國標(biāo)中對各種結(jié)構(gòu)鋼絲繩的公稱直徑、質(zhì)量、公稱抗拉強度等理化性能有明確的量化指標(biāo),但對捻距及捻距倍數(shù)無明確規(guī)定,僅模糊要求鋼絲繩應(yīng)捻制均勻、緊密、不松散,且在行業(yè)中也沒有明確的標(biāo)準(zhǔn),不同廠家的鋼絲繩捻距有一定差異,這對鋼絲繩的安全使用有較大影響。

通過整改后,橋式抓斗卸船機起升開閉及抓斗鋼絲繩的散股頻次明顯降低,梨形繩套根部散股現(xiàn)象明顯減少,可大幅度降低因散股而更換鋼絲繩的維護(hù)成本,提高設(shè)備運行的安全性和穩(wěn)定性。