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試析起重機(jī)用鋼絲繩的損傷及防治
時(shí)間：2022-03-05來源：起重機(jī)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(guān)心的問題，因鋼絲繩的損傷或破斷而產(chǎn)生的重大事故時(shí)有發(fā)生。為了確保使用中鋼絲繩的安全運(yùn)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(jī)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(shí)間的持續(xù)，都會(huì)出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。筆者通過多年工作實(shí)踐的總結(jié)，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(shí)與其它物體接觸并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦。在機(jī)械的、物理的和化學(xué)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(xì)，外周表面的細(xì)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(yīng)降低。圖3是通過試驗(yàn)得到的鋼絲繩直徑減小率與破斷載荷降低率的關(guān)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(yīng)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(yīng)盡可能地做到均勻磨損。如起重機(jī)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(guān)系曲線
1.2變形磨損
由于振動(dòng)、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(jī)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(huì)使鋼絲繩產(chǎn)生變形磨損。如把磨損后的表面細(xì)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(kuò)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(zhì)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(shí)所承受的全部負(fù)荷壓在鋼絲繩的一側(cè)，各根細(xì)鋼絲的曲率半徑不可能完全相同。同時(shí)，由于鋼絲繩的彎曲，鋼絲繩內(nèi)部各根細(xì)鋼絲就會(huì)相互產(chǎn)生作用力并且產(chǎn)生滑移，這時(shí)股與股之間接觸應(yīng)力增大，使相鄰股間的鋼絲產(chǎn)生局部壓痕深凹。當(dāng)反復(fù)循環(huán)拉伸彎曲時(shí)，在深凹處則產(chǎn)生應(yīng)力集中而被折斷，構(gòu)成了內(nèi)部磨損。通常細(xì)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)速度，對(duì)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(dòng)引起的疲勞。
2.1彎曲疲勞
鋼絲繩重復(fù)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(dǎo)致斷絲。而疲勞斷絲出現(xiàn)在股的彎曲程度最厲害的一側(cè)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(yàn)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(jié)構(gòu)均有密切的關(guān)系。
2.2拉伸、扭曲和振動(dòng)引起的疲勞
起重機(jī)鋼絲繩在起動(dòng)和制動(dòng)的始末，捆扎鋼絲繩在承受載荷的前后，變化的拉伸應(yīng)力會(huì)引起金屬疲勞。此外，鋼絲繩經(jīng)常受到扭曲和振動(dòng)也是產(chǎn)生疲勞的原因。
疲勞損傷的原理是在變應(yīng)力的作用下，細(xì)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(yīng)力的作用下反復(fù)塑性變形，使裂紋擴(kuò)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(yīng)盡可能使卷筒和滑輪的直徑加大。
2)在安排滑輪布局時(shí)，應(yīng)盡量避免使鋼絲繩反向彎曲，如圖4所示。試驗(yàn)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(jié)構(gòu)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(huì)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(yán)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(yīng)力集中點(diǎn)、疲勞裂紋的源泉。與此同時(shí)，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(duì)于經(jīng)常處于運(yùn)動(dòng)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(bào)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(yàn)表明，涂油鋼絲繩在試驗(yàn)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(duì)使用環(huán)境惡劣、相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(huì)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?yàn)殇摻z繩事先受到過變形損傷而沒有引起人們的足夠重現(xiàn)，結(jié)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(shè)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(jié)果常常使幾十米乃至數(shù)百米的鋼絲繩因?yàn)榫植寇垑亩鴪?bào)廢。
防止鋼絲繩外傷的關(guān)鍵在于完善起重機(jī)設(shè)備?；啈?yīng)設(shè)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(shí)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(shí)，相互傾軋，在操作時(shí)會(huì)發(fā)出“軋吱軋吱”的聲響。由壓潰造成的鋼絲繩損傷會(huì)在局部迅速出現(xiàn)斷絲與壓扁的痕跡。
防止的措施是應(yīng)按設(shè)計(jì)規(guī)范選擇滑輪與卷筒的偏角，必要時(shí)可在起升機(jī)構(gòu)中設(shè)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(jié)
鋼絲繩在局部扭曲后產(chǎn)生的永久變形叫做鋼絲繩扭結(jié)。扭曲的方向與鋼絲繩旋向一致的稱為正扭結(jié)，反之稱為負(fù)扭結(jié)。普通鋼絲繩帶有自轉(zhuǎn)性，如果繩股的端部不加捆扎便施加張力，則繩股會(huì)向倒捻方向旋轉(zhuǎn)，這是造成鋼絲繩扭結(jié)的內(nèi)在因素。鋼絲繩在扭結(jié)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(yàn)表明，鋼絲繩在扭結(jié)損傷后強(qiáng)度將顯著降低。正扭結(jié)的強(qiáng)度只有原強(qiáng)度的60%～80%，負(fù)扭結(jié)的強(qiáng)度還不到原強(qiáng)度的50%。嚴(yán)重時(shí)強(qiáng)度將降低到只有原來的10%～20%。
防止鋼絲繩扭結(jié)可采取以下措施：
1)在重要的起重設(shè)備上選用不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。
2)在鋼絲繩的自由端設(shè)置轉(zhuǎn)子(也稱防轉(zhuǎn)裝置)。
3)加強(qiáng)操作人員工作責(zé)任心，發(fā)現(xiàn)扭結(jié)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(jī)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(dòng)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(gè)跨越點(diǎn)，可稱為節(jié)點(diǎn)。在節(jié)點(diǎn)處，繞入的鋼絲繩不再對(duì)下層鋼絲繩產(chǎn)生壓力，而是首先對(duì)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(diǎn)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(dāng)α角不大時(shí)，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(xì)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(yùn)動(dòng)。
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(duì)第二層鋼絲繩是否產(chǎn)生咬繩關(guān)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(jì)，卷筒結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(shí)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(diǎn)，把這若干圈鋼絲繩存在卷筒的一側(cè)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(duì)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(shí)地放長2～3圈的長度，以后按情況定期從繩端截去半圈，實(shí)質(zhì)上是不斷地移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，避免鋼絲繩在節(jié)點(diǎn)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(huì)有微量的伸長，當(dāng)載荷超過彈性極限時(shí)，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(fù)荷。安全負(fù)荷表示的是鋼絲繩允許承受的額定靜負(fù)荷。但鋼絲繩實(shí)際上往往處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，鋼絲繩在工作時(shí)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(dòng)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(dāng)除了靜載荷以外的其它載荷增多時(shí)，實(shí)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(huì)大大地縮短使用壽命。圖7是由試驗(yàn)得到的安全系數(shù)與鋼絲繩壽命的關(guān)系曲線，從圖中可見安全系數(shù)降低將導(dǎo)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(guān)系
為了防止鋼絲繩過載，應(yīng)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(duì)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(dòng)載荷可以通過提高起重機(jī)司機(jī)的操作水平、改進(jìn)起重機(jī)性能來減少，摩擦阻力可以通過調(diào)整滑輪槽的形狀及補(bǔ)充潤滑油來減少等等。
2)嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程，杜絕人為的超負(fù)荷現(xiàn)象。
3)在起重機(jī)上安裝負(fù)荷指示器、或超負(fù)荷限制器、或報(bào)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(huì)使鋼絲繩造成損傷。但總的來看，起重機(jī)鋼絲繩的損傷一般是有規(guī)律的，關(guān)鍵在于我們?nèi)绾稳ミM(jìn)s一步認(rèn)識(shí)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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