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試析起重機用鋼絲繩的損傷及防治
時間：2022-03-05來源：起重機廠家瀏覽次數(shù)：229
鋼絲繩使用的安全性是人們長期以來一直關心的問題，因鋼絲繩的損傷或破斷而產(chǎn)生的重大事故時有發(fā)生。為了確保使用中鋼絲繩的安全運行，掌握鋼絲繩的損傷規(guī)律及防治方法很有必要。就起重機上使用的鋼絲繩而言，規(guī)格品種繁多、使用千差萬別，但一般隨著使用時間的持續(xù)，都會出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。筆者通過多年工作實踐的總結，歸納起主要損傷現(xiàn)象有以下六種，即：磨損、疲勞、銹蝕、變形、咬繩、過載。
1磨損
鋼絲繩在操作時與其它物體接觸并有相對運動，產(chǎn)生摩擦。在機械的、物理的和化學的作用下，鋼絲繩的表面也不斷磨損。磨損是鋼絲繩最常見的損傷方式，一般分為外部磨損、變形磨損和內(nèi)部磨損三種情況。圖1所示為單絲磨損的幾種斷面形狀。
圖1磨損鋼絲的典型斷面形狀
a)外部均勻磨損b)變形磨損c)內(nèi)部磨損
1.1外部磨損
鋼絲繩在使用過程中其外周與滑輪槽、卷筒壁、鉤頭等物體表面接觸而引起的磨損屬于外部磨損。在外部磨損后繩徑將變細，外周表面的細鋼絲被磨平。圖2是鋼絲繩表面磨損的兩種類型。
圖2鋼絲繩表面磨損的類型
鋼絲繩的外部磨損使承受載荷的鋼絲截面積減小，鋼絲繩的破斷載荷也相應降低。圖3是通過試驗得到的鋼絲繩直徑減小率與破斷載荷降低率的關系曲線。由曲線可以看出，單周磨損較全周磨損更惡劣，所以應盡可能使單周磨損的鋼絲改為全周均勻磨損。在鋼絲繩的全長范圍內(nèi)，應盡可能地做到均勻磨損。如起重機鋼絲繩在使用中期換頭，一般可延長鋼絲繩使用壽命30%～40%。
圖3鋼絲繩直徑減小率與破斷載荷降低率的關系曲線
1.2變形磨損
由于振動、碰撞造成的鋼絲繩表面撞損，叫做變形磨損，這是一種局部磨損現(xiàn)象。如卷筒表面的鋼絲繩受到其它物體的撞擊，起重機起升鋼絲繩相互打纏，或者由于滑輪與卷筒中心偏斜而產(chǎn)生的咬繩現(xiàn)象，都會使鋼絲繩產(chǎn)生變形磨損。如把磨損后的表面細鋼絲剖開，變形磨損和外部磨損的區(qū)別如圖1所示。這種變形磨損因局部擠壓而變形，其鋼絲橫斷面在擠壓處向兩旁伸展成翅形。從外表看，鋼絲寬度擴展，雖鋼絲繩截面積減小不多，但局部擠壓處的鋼絲表面材質硬化了，極易斷絲。
1.3內(nèi)部磨損
在使用過程中，鋼絲繩經(jīng)過卷筒或滑輪時所承受的全部負荷壓在鋼絲繩的一側，各根細鋼絲的曲率半徑不可能完全相同。同時，由于鋼絲繩的彎曲，鋼絲繩內(nèi)部各根細鋼絲就會相互產(chǎn)生作用力并且產(chǎn)生滑移，這時股與股之間接觸應力增大，使相鄰股間的鋼絲產(chǎn)生局部壓痕深凹。當反復循環(huán)拉伸彎曲時，在深凹處則產(chǎn)生應力集中而被折斷，構成了內(nèi)部磨損。通常細鋼絲表面的壓力與鋼絲繩的壓力成正比，在張力相同情況下，由于受壓面積不同，單位面積承受的壓力也不同。從表面受壓磨損來看，采用線接觸鋼絲繩比采用點接觸鋼絲繩有利，采用面接觸鋼絲繩比采用線接觸鋼絲繩更有利。此外，鋼絲繩的彎曲程度、運動速度，對鋼絲繩的內(nèi)部磨損均有影響。很明顯，選擇線接觸或者面接觸類型的鋼絲繩是減少內(nèi)部磨損的有效途徑。
2疲勞
鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲疲勞和拉伸、扭曲、振動引起的疲勞。
2.1彎曲疲勞
鋼絲繩重復通過滑輪或卷筒中撓上撓下，無數(shù)次的彎曲，容易使鋼絲產(chǎn)生疲勞，韌性下降，最終導致斷絲。而疲勞斷絲出現(xiàn)在股的彎曲程度最厲害的一側外層鋼絲上。通常情況下，疲勞斷絲的出現(xiàn)意味著鋼絲繩已經(jīng)接近使用后期。
試驗表明，鋼絲繩的彎曲疲勞壽命與D/d比值(即卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d的比值)、安全系數(shù)和鋼絲繩結構均有密切的關系。
2.2拉伸、扭曲和振動引起的疲勞
起重機鋼絲繩在起動和制動的始末，捆扎鋼絲繩在承受載荷的前后，變化的拉伸應力會引起金屬疲勞。此外，鋼絲繩經(jīng)常受到扭曲和振動也是產(chǎn)生疲勞的原因。
疲勞損傷的原理是在變應力的作用下，細鋼絲表面首先由于各種滑移形成初始裂紋，然后裂紋尖端在切應力的作用下反復塑性變形，使裂紋擴展直至斷裂。其疲勞引起的斷絲一般斷口平齊，多半出現(xiàn)在表層鋼絲上，它們很有規(guī)律。
2.3防止鋼絲繩疲勞損傷的途徑
1)在條件許可的情況下，應盡可能使卷筒和滑輪的直徑加大。
2)在安排滑輪布局時，應盡量避免使鋼絲繩反向彎曲，如圖4所示。試驗數(shù)據(jù)表明，反向彎曲的破壞約為同向彎曲的2倍。
圖4正確的滑輪布局
3)盡可能選擇結構好的鋼絲繩，如WS，TX型等線接觸鋼絲繩。使用這些鋼絲繩能成倍地提高使用壽命。
3銹蝕
鋼絲繩一般在露天使用，日曬雨淋會使鋼絲繩腐蝕，尤其是在有害氣體與惡劣環(huán)境下使用的鋼絲繩，腐蝕造成的損傷就更嚴重。因腐蝕而受損的鋼絲繩表面存在氧親和性的差異，使表面的某一局部金屬成為陽極，另一鄰近的局部金屬成為陰極，形成了大量的小電池。在小電池的作用下，表面便形成很多圓形腐蝕坑，并逐步加深。這些坑就成了應力集中點、疲勞裂紋的源泉。與此同時，腐蝕使鋼絲繩的截面積減小、彈性和承受沖擊的能力降低。
防止鋼絲繩銹蝕損傷的方法有兩種，一種是勤涂油，對于經(jīng)常處于運動狀態(tài)的鋼絲繩涂油是必不可少的。新鋼絲繩麻芯一般含有12%～15%的油脂，而報廢的鋼絲繩在損耗最大的部位僅含2.4%的油脂，在同一根鋼絲繩的繩端，即使沒有經(jīng)過滑輪也仍含有12.7%～14.5%的油脂。試驗表明，涂油鋼絲繩在試驗后期發(fā)生的斷絲約為不涂油的半數(shù)。一根鋼絲繩最初的含油量只能維持壽命的40%，其后如不加油則斷絲急劇增加。二是對使用環(huán)境惡劣、相對運動較少的鋼絲繩可選擇鍍鋅、鍍鋁等特種鋼絲繩。這些鋼絲繩暴露在大氣中的鍍鋅或鍍鋁表面會形成氫氧化鋅和氫氧化鋁薄膜，能有效地防止鋼絲繩的腐蝕。
4變形
很多斷繩事故是因為鋼絲繩事先受到過變形損傷而沒有引起人們的足夠重現(xiàn)，結果釀成大禍。變形的主要原因有以下幾種：
4.1外傷
在操作過程中，鋼絲繩與其它設備不正常的接觸容易造成外傷。最明顯的外傷是鋼絲繩在滑輪里滑槽，在卷筒上跳出擋板，結果常常使幾十米乃至數(shù)百米的鋼絲繩因為局部軋壞而報廢。
防止鋼絲繩外傷的關鍵在于完善起重機設備?；啈O置可靠的防滑槽擋圈，擋圈與滑輪外圈的間隙不大于鋼絲繩直徑的1/5。卷筒上的鋼絲繩不能松弛太多，以防繩圈跳出擋板在纏緊時軋壞。
4.2壓潰
鋼絲繩在卷筒上卷亂后容易產(chǎn)生壓潰現(xiàn)象。鋼絲繩在卷筒上卷亂時，相互傾軋，在操作時會發(fā)出“軋吱軋吱”的聲響。由壓潰造成的鋼絲繩損傷會在局部迅速出現(xiàn)斷絲與壓扁的痕跡。
防止的措施是應按設計規(guī)范選擇滑輪與卷筒的偏角，必要時可在起升機構中設置排繩器或者壓繩裝置，防止鋼絲繩出現(xiàn)卷亂現(xiàn)象。
4.3扭結
鋼絲繩在局部扭曲后產(chǎn)生的永久變形叫做鋼絲繩扭結。扭曲的方向與鋼絲繩旋向一致的稱為正扭結，反之稱為負扭結。普通鋼絲繩帶有自轉性，如果繩股的端部不加捆扎便施加張力，則繩股會向倒捻方向旋轉，這是造成鋼絲繩扭結的內(nèi)在因素。鋼絲繩在扭結后，經(jīng)過多次起吊受載，也只有局部繩芯外露，一般沒有斷絲現(xiàn)象。但試驗表明，鋼絲繩在扭結損傷后強度將顯著降低。正扭結的強度只有原強度的60%～80%，負扭結的強度還不到原強度的50%。嚴重時強度將降低到只有原來的10%～20%。
防止鋼絲繩扭結可采取以下措施：
1)在重要的起重設備上選用不旋轉鋼絲繩。
2)在鋼絲繩的自由端設置轉子(也稱防轉裝置)。
3)加強操作人員工作責任心，發(fā)現(xiàn)扭結跡象立即停止操作，釋放還原。
5咬繩
鋼絲繩咬繩損傷現(xiàn)象一般發(fā)生在多層卷繞的起重機卷筒上，有槽雙層卷繞的起重卷筒更甚。
從圖5所示卷筒繞方式的示意圖中可以看出，第一層鋼絲繩沿卷筒繩槽排滿后，第二層鋼絲繩與空擋方向呈β角，鋼絲繩能平順地落在下層鋼絲繩的空擋內(nèi)，但過了卷筒與滑輪的中心線，繞入的鋼絲繩向有繩圈的鄰槽方向偏斜α角，該α角隨著鋼絲繩軸向移動而增大。于是繞入的鋼絲繩不再能整圈有規(guī)律地卷繞在下層鋼絲繩空擋，而是每卷繞一周就有一個跨越點，可稱為節(jié)點。在節(jié)點處，繞入的鋼絲繩不再對下層鋼絲繩產(chǎn)生壓力，而是首先對已被卷繞在卷筒上的鄰圈產(chǎn)生壓力。在鋼絲繩繞過節(jié)點的瞬間，由張力產(chǎn)生的壓力先全部作用在相鄰鋼絲繩表面，一般當α角不大時，受壓面積也很小，鋼絲繩常常很快從相鄰鋼絲繩的表面擦過，落入位置。但由于鋼絲繩都是由很細的鋼絲繞成的，在壓力作用下，絲與絲之間既容易相互嵌入，又必定產(chǎn)生滑移，產(chǎn)生了剪切運動。
圖5一般的卷筒卷繞方式示意圖
多層卷繞卷筒要徹底消除咬繩現(xiàn)象是困難的，但能采取一些措施減少由于咬繩引起的不良影響。例如：正確選擇鋼絲繩在卷繞過程中的軸向位移方向，即第一層鋼絲繩起始繩槽的旋向，這對第二層鋼絲繩是否產(chǎn)生咬繩關系極大。如果把卷筒鋼絲繩排列成如圖6所示，就幾乎不存在α角，也就基本消除了咬繩現(xiàn)象。根據(jù)統(tǒng)計，卷筒結構改進后的每根鋼絲繩的使用壽命能延長4～5倍。另外，可根據(jù)整根鋼絲繩在卷筒上的受載情況采用變截面卷筒。有時我們可以根據(jù)卷筒的前若干圈鋼絲繩不經(jīng)常使用而又不能缺少的特點，把這若干圈鋼絲繩存在卷筒的一側卷繞幾層，而把工作頻繁的重載受力區(qū)段單層卷繞，這樣既消除了咬繩現(xiàn)象，又極大地改善鋼絲繩的接觸狀況。采用變截面卷筒后，鋼絲繩的使用壽命可顯著延長。對多層卷繞的鋼絲繩也可采取定期截頭的方法，即先把新鋼絲繩有意識地放長2～3圈的長度，以后按情況定期從繩端截去半圈，實質上是不斷地移動節(jié)點，避免鋼絲繩在節(jié)點處損傷過快。
圖6理想的卷筒卷繞方式示意圖
6過載
鋼絲繩隨著載荷的增加會有微量的伸長，當載荷超過彈性極限時，鋼絲繩就可能斷裂。通常把鋼絲繩承受的靜載荷控制在破斷載荷的1/10～1/5，叫作安全負荷。安全負荷表示的是鋼絲繩允許承受的額定靜負荷。但鋼絲繩實際上往往處于運動狀態(tài)，鋼絲繩在工作時除了要承受貨物、吊物、自重等靜載荷外，還要受到因加速度和沖擊引起的動載荷，因彎曲引起的附加載荷，因摩擦引起的阻力載荷等等。由此可見，當除了靜載荷以外的其它載荷增多時，實際的安全系數(shù)就降低了，鋼絲繩往往由此而引起過載。
因過載而破斷的鋼絲繩，其斷口呈松散狀，6股的鋼絲繩斷口位置大多數(shù)不在一起，繩芯外露，這是鋼絲繩因過載而斷裂的特征。過載的鋼絲繩即使不發(fā)生斷裂事故，也會大大地縮短使用壽命。圖7是由試驗得到的安全系數(shù)與鋼絲繩壽命的關系曲線，從圖中可見安全系數(shù)降低將導致鋼絲繩使用壽命急劇下降。
圖7安全系數(shù)與鋼絲繩壽命關系
為了防止鋼絲繩過載，應采取以下措施：
1)正確選用安全系數(shù)，力求減少靜載荷以外的其他載荷對鋼絲繩的影響。如彎曲載荷可以通過加大滑輪和卷筒直徑來減小，動載荷可以通過提高起重機司機的操作水平、改進起重機性能來減少，摩擦阻力可以通過調(diào)整滑輪槽的形狀及補充潤滑油來減少等等。
2)嚴格遵守安全操作規(guī)程，杜絕人為的超負荷現(xiàn)象。
3)在起重機上安裝負荷指示器、或超負荷限制器、或報警器，消除過載現(xiàn)象。
除了上述6種鋼絲繩的基本損傷類型外，還有高溫幅射等因素也會使鋼絲繩造成損傷。但總的來看，起重機鋼絲繩的損傷一般是有規(guī)律的，關鍵在于我們?nèi)绾稳ミMs一步認識這些規(guī)律，從而找出有效的防止方法，盡量延長鋼絲繩的使用壽命。
(end)
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