鋼絲繩選擇及提高使用壽命的措施

趙 磊

（太原重型機(jī)械集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

0 引言

鋼絲繩是起重機(jī)械的重要零件之一，在起升機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)中被用作承載繩；在運(yùn)行機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中被用作牽引繩；在桅桿起重機(jī)上被用作桅桿的張緊繩；在纜索起重機(jī)上被用作支撐繩。起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)鋼絲繩的選擇是否合理不但影響減速機(jī)的型號(hào)和速比、卷筒直徑和長(zhǎng)度、滑輪直徑以及起升機(jī)構(gòu)和整機(jī)的外形尺寸，還直接影響鋼絲繩的使用壽命，甚至影響工作的安全性。

1 鋼絲繩直徑的選擇計(jì)算

為便于計(jì)算鋼絲繩的直徑，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范提供了安全系數(shù)法和C系數(shù)法。

1.1 安全系數(shù)法

安全系數(shù)法按與鋼絲繩所在機(jī)構(gòu)工作級(jí)別有關(guān)的安全系數(shù)選擇鋼絲繩直徑，對(duì)運(yùn)動(dòng)繩和靜止繩都適用。所選鋼絲繩的標(biāo)稱(chēng)破斷拉力F0應(yīng)滿(mǎn)足下式：

F0≥Sn。

其中：S為鋼絲繩最大工作靜拉力，N；n為安全系數(shù)。

對(duì)于吊運(yùn)危險(xiǎn)載荷的起重用鋼絲繩，一般應(yīng)選擇比設(shè)計(jì)工作級(jí)別高一級(jí)的工作級(jí)別；對(duì)起升機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M7、M8的某些冶金起重機(jī)和港口集裝箱起重機(jī)等，在使用過(guò)程中能監(jiān)控鋼絲繩劣化損傷發(fā)展進(jìn)程，在保證安全使用、一定壽命和及時(shí)更換鋼絲繩的前提下，允許按稍低的工作級(jí)別選擇鋼絲繩。對(duì)冶金起重機(jī)最低安全系數(shù)不應(yīng)小于7.1；港口集裝箱起重機(jī)主起升鋼絲繩和小車(chē)曳引鋼絲繩的最低安全系數(shù)不應(yīng)小于6；伸縮臂架用的鋼絲繩，安全系數(shù)不應(yīng)小于4。

1.2 C系數(shù)法

C系數(shù)法只適用于運(yùn)動(dòng)繩，其鋼絲繩最小直徑dmin（mm ）為：

鋼絲繩的選擇系數(shù)C，可按下式計(jì)算：

其中：k為標(biāo)稱(chēng)捻制換算系數(shù)，即鋼絲繩標(biāo)稱(chēng)破斷拉力F0與鋼絲繩計(jì)算破斷拉力的比值；σt為鋼絲的抗拉強(qiáng)度，N／mm2；f為鋼絲填充系數(shù)，即鋼絲繩中鋼絲總橫截面積與鋼絲繩標(biāo)稱(chēng)橫截面積的比值。

起重機(jī)常用的鋼絲繩為6×19W（S）型，其纖維芯鋼絲繩k＝0.330，金屬絲繩芯（IWR）或金屬絲股芯（IWS）鋼絲繩k＝0.356。由運(yùn)動(dòng)繩的安全系數(shù)所計(jì)算出來(lái)的C值可由設(shè)計(jì)手冊(cè)查到。

2 選擇鋼絲繩型號(hào)時(shí)需要考慮的因素

根據(jù)不同的使用目的，鋼絲繩的構(gòu)造和捻制方法各不相同。根據(jù)鋼絲的強(qiáng)度等級(jí)可分為1 570N／mm2、1 770N／mm2、1 870N／mm2、1 960N／mm2、2 160 N／mm2等級(jí)；根據(jù)捻繞次數(shù)可分為單繞繩、雙繞繩和三繞繩；根據(jù)捻制的相互方向可分為右交互捻、左交互捻、右同向捻和左同向捻；根據(jù)繩股內(nèi)鋼絲與鋼絲之間的接觸狀態(tài)可分為點(diǎn)接觸繩、線(xiàn)接觸繩和面接觸繩；根據(jù)股的形狀可分為圓形股、三角形股、橢圓股和扁股；根據(jù)股的數(shù)目可分為6股繩、8股繩和18股繩等；根據(jù)繩芯材料可分為纖維芯、金屬芯和塑膠芯；根據(jù)鋼絲表面狀態(tài)可分為光面鋼絲繩和鍍鋅鋼絲繩。不同的構(gòu)造具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的場(chǎng)所，因此除按照安全系數(shù)法和C系數(shù)法計(jì)算出所需要的鋼絲繩直徑外，還需綜合考慮鋼絲繩的強(qiáng)度等級(jí)、結(jié)構(gòu)型式、使用場(chǎng)所等諸多因素，從而最終選定鋼絲繩的型號(hào)。

2.1 卷筒方向與鋼絲繩選擇

鋼絲繩的捻制方向與鋼絲繩在卷筒上的卷繞方向應(yīng)相匹配，一般情況下右旋繩槽或者右向卷繞在光面卷筒上時(shí)，選擇左旋鋼絲繩；左旋繩槽或者左向卷繞在光面卷筒上時(shí)，選擇右旋鋼絲繩，如圖1 所示。其中，大拇指指示鋼絲繩固定處，適用于光面卷筒和帶繩槽卷筒。

圖1 卷筒方向與鋼絲繩的選擇

2.2 多層纏繞時(shí)需要考慮的因素

采用多層纏繞卷筒時(shí)，當(dāng)?shù)谝粚愉摻z繩卷繞在卷筒上后，鋼絲繩必須跨越下層鋼絲繩，以便在卷繞第二層鋼絲繩時(shí)提前跨越卷筒。上層鋼絲繩跨越下層鋼絲繩的點(diǎn)就是所謂的跨越點(diǎn)，在這些點(diǎn)周?chē)鷧^(qū)域內(nèi)的鋼絲繩容易加劇磨損和擠壓。因此采用多層卷繞時(shí)在選擇鋼絲繩的構(gòu)造形式時(shí)需要注意：鋼繩芯鋼絲繩產(chǎn)生扭曲變形的可能性比纖維繩芯鋼絲繩小；采用壓實(shí)外層股捻制成的鋼絲繩能明顯抗擠壓和扭曲變形；采用塑膠繩芯和涂塑鋼絲繩能限制扭曲變形，同時(shí)能減少環(huán)境中濕氣的進(jìn)入。

2.3 起升高度與鋼絲繩選擇

選擇鋼絲繩時(shí)應(yīng)注意鋼絲繩結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)特性。如果鋼絲繩一端可自由旋轉(zhuǎn)（單繩纏繞），則某些型式的鋼絲繩不能使用，而其他型式的鋼絲繩只能用于某一指定起升高度。

如果鋼絲繩兩端固定（固定鋼絲繩和用于多繩纏繞系統(tǒng)的鋼絲繩），則應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)量。在多繩纏繞布置中扭轉(zhuǎn)量具有使滑輪組產(chǎn)生角度位移的作用，因此，應(yīng)考慮達(dá)到與起升高度有關(guān)的足夠的鋼絲繩間距，以防止過(guò)大的角度位移（纏繞系統(tǒng)的穿繩）。纏繞系統(tǒng)的穩(wěn)定性與下列因素有關(guān)：①隨著鋼絲繩纏繞部件之間空間的減小而降低；②隨鋼絲繩纏繞部件的不均勻數(shù)量而降低；③隨起升高度的增加而降低；④隨鋼絲繩繩型的扭轉(zhuǎn)量（扭轉(zhuǎn)系數(shù)）的增大而降低。所選鋼絲繩繩型的旋轉(zhuǎn)特性（旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和扭轉(zhuǎn)量）應(yīng)由鋼絲繩制造商提供。

2.4 溫度與鋼絲繩選擇

在選擇鋼絲繩時(shí)應(yīng)注意鋼絲繩制造商關(guān)于產(chǎn)品的安全須知和警告，特別應(yīng)注意鋼絲繩使用的極限溫度。對(duì)于吊運(yùn)熔融金屬的鑄造起重機(jī)，應(yīng)采用符合GB 8918中金屬絲繩芯或金屬絲股芯的鋼絲繩。

3 提高鋼絲繩壽命的措施

GB／T5972《起重機(jī)用鋼絲繩檢驗(yàn)和報(bào)廢實(shí)用規(guī)范》規(guī)定了鋼絲繩的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中充分考慮了斷絲的性質(zhì)和數(shù)量、繩端斷絲、斷絲的局部聚集、斷絲的增加率、繩股斷裂、繩徑減小、彈性降低、外部磨損、外部及內(nèi)部腐蝕、變形、由于受熱或電弧的作用而引起的損壞以及永久伸長(zhǎng)的增加率等許多因素。為提高鋼絲繩的使用壽命，可根據(jù)導(dǎo)致鋼絲繩報(bào)廢的主要原因而采取相應(yīng)的措施。

3.1 疲勞

鋼絲繩疲勞通常是由于鋼絲繩在拉伸載荷的作用下反復(fù)彎曲所致，疲勞壽命主要與鋼絲繩承受的載荷、滑輪和卷筒的直徑與鋼絲繩直徑之比、鋼絲繩抗彎曲性能和工作循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)。對(duì)于以疲勞破壞為主的鋼絲繩，可以采取以下措施來(lái)提高使用壽命：①根據(jù)使用場(chǎng)所合理地選擇鋼絲繩的結(jié)構(gòu)形式和提高鋼絲繩選型的安全系數(shù)；②在卷繞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少鋼絲繩的彎折次數(shù)，彎折時(shí)，反向彎折所引起的鋼絲繩疲勞效果為同向彎折的兩倍，所以必須盡量避免反向彎折；③滑輪和卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d的比值也影響鋼絲繩的壽命，比值越大，即選用較大的滑輪與卷筒直徑對(duì)鋼絲繩的壽命越有利，故設(shè)計(jì)中規(guī)定了D／d所容許的最小比值；④滑輪與卷筒的材料太硬，對(duì)鋼絲繩壽命不利，試驗(yàn)表明，以鑄鐵滑輪代替鋼滑輪能提高鋼絲繩壽命10%～20%。

3.2 腐蝕

腐蝕通常伴隨疲勞一起發(fā)生，是導(dǎo)致鋼絲繩報(bào)廢的主要原因。除了使用中處于非常干燥的工況外，總會(huì)有得不到防護(hù)（未鍍鋅等）的鋼絲發(fā)生腐蝕的情況。鋼絲繩在使用中應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，如定期潤(rùn)滑可以防止銹蝕，減小鋼絲繩內(nèi)外磨損，提高其使用壽命。如果在工作環(huán)境中存在嚴(yán)重腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，最好采用鍍鋅鋼絲繩。

3.3 磨損

磨損主要發(fā)生在外層鋼絲，外層鋼絲數(shù)量較少、直徑大的鋼絲繩（如6×19S西魯型）在抗磨損方面的工作壽命比外層鋼絲數(shù)量多、直徑細(xì)的鋼絲繩（如6×36WS瓦林吞—西魯型）長(zhǎng)。緊密捻制外層股的鋼絲繩具有比無(wú)緊密捻制外層股的鋼絲繩更長(zhǎng)的耐磨損壽命。

3.4 壓扁

如果壓扁是造成報(bào)廢的主要原因，則推薦采用具有鋼芯和緊密外層股的平行股密實(shí)鋼絲繩。

4 結(jié)論

鋼絲繩構(gòu)造種類(lèi)繁多，合理選擇鋼絲繩的直徑和構(gòu)造形式可以大大延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命，降低設(shè)備的運(yùn)行成本。經(jīng)常定期檢查鋼絲繩的損壞情況，及時(shí)更換達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的鋼絲繩，是設(shè)備安全運(yùn)行的保證。