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

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結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實(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)場實(shí)踐總結(jié)了一系列延長鋼絲繩使用壽命的方法。通過有針對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，常見的問題是鋼絲繩被破壞，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40%時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)廢［1］。

針對這一類型的鋼絲繩破壞，可以通過定期的涂抹潤滑脂，有效減緩鋼絲繩的機(jī)械磨損。潤滑脂應(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)工況選取適合牌號的潤滑脂，以到達(dá)最佳的潤滑效果。冶煉區(qū)域起重機(jī)通常工況較差，鋼絲繩長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，見圖3。鋼絲繩的抗疲勞性能可以通過增加鋼絲的數(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，故通過定期的潤滑，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)為了避免潤滑脂滴到鋼卷上通常鋼絲繩的涂油量相對較少，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，見圖4。過多的鋼絲疲勞斷裂會(huì)造成鋼絲繩的性能削弱，其余的鋼絲也沒有足夠的抵抗力來支撐外部載荷，最終導(dǎo)致鋼絲繩斷裂。

對于這種破壞類型，可以通過合理的選取安全系數(shù)，確保鋼絲繩有足夠的安全余量，來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

對于這種類型的破壞，一般通過合理的選取鋼絲繩型號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。

溫度過高

鋼絲繩是一種很好的導(dǎo)熱體，如果鋼絲繩的溫度超過了300℃，冷卻下來的鋼絲繩顯微結(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)的潤滑脂來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；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)趨勢的一分部份與沒有經(jīng)過扭轉(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)的鋼絲繩穿過滑輪系統(tǒng)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)的卷筒上會(huì)形成“燈籠”，詳見圖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，見圖10，連續(xù)變化的載荷還會(huì)導(dǎo)致捻距的伸長。而且滑輪上的刻痕會(huì)隨著捻距的伸長而拉伸，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。對此，通過增加滑輪的硬度和及時(shí)的潤滑鋼絲繩，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)，不宜過高。

圖12　雙臂提升設(shè)備

結(jié)束語

隨著橋式起重機(jī)越來越廣泛的應(yīng)用到各行各業(yè)，對鋼絲繩的使用、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。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，對吊運(yùn)安全具有極其重要的意義。

［1］ 桂佩康，李秀葦，銀長海. 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號武鋼股份條材總廠CSP分廠，E-mail：mgcjs007@sina.com。

武鋼條材總廠CSP分廠，湖北 武漢 430083