一例提梁機(jī)鋼絲繩失效分析

丁邦建，洪 磊，曹建平

（南通力威機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226500）

一例提梁機(jī)鋼絲繩失效分析

丁邦建，洪 磊，曹建平

（南通力威機(jī)械有限公司，江蘇 南通 226500）

[摘 要]通過(guò)梁場(chǎng)提梁機(jī)鋼絲繩失效實(shí)例，對(duì)鋼絲繩失效進(jìn)行分析，分析影響鋼絲繩失效的諸多因素，介紹了延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命的途徑，對(duì)提升設(shè)備鋼絲繩選型，設(shè)計(jì)中對(duì)鋼絲繩造成影響的卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒、滑輪及布置，使用過(guò)程中對(duì)鋼絲繩的維護(hù)有一定的借鑒作用，從而更合理使用鋼絲繩。

[關(guān)鍵詞]提梁機(jī)；卷?yè)P(yáng)機(jī)；鋼絲繩；失效分析；卷筒

高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線施工中，提梁機(jī)是將地面上的梁提升至運(yùn)梁車(chē)上的必備設(shè)備，直接關(guān)系到高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線架梁施工的進(jìn)度和安全。

在石武鐵路客運(yùn)專(zhuān)線河北段，根據(jù)某梁場(chǎng)反映，發(fā)生鋼絲繩異常磨損失效，梁場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員及提梁機(jī)制造廠非常重視，組織卷?yè)P(yáng)機(jī)制造商技術(shù)人員、鋼絲繩制造商代表、提梁機(jī)制造廠設(shè)計(jì)人員，一同實(shí)地考察提梁機(jī)的使用情況。

本文結(jié)合實(shí)際工況，對(duì)鋼絲繩的失效原因進(jìn)行分析、總結(jié)。

1 提梁機(jī)提升系統(tǒng)的布置和傳動(dòng)原理

該提梁機(jī)提升重量為450t（圖1），提升系統(tǒng)由2臺(tái)相對(duì)布置的卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒的鋼絲繩通過(guò)24×2倍率的滑輪組提升450t（提梁機(jī)單臺(tái)鋼絲繩傳動(dòng)原理見(jiàn)圖2），2臺(tái)提梁機(jī)為一套，同時(shí)提升高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線上900t的預(yù)制梁，將預(yù)制梁提升放置到運(yùn)梁車(chē)上，運(yùn)梁車(chē)將梁運(yùn)至架橋機(jī)，供架橋使用。

2 鋼絲繩失效原因分析

影響鋼絲繩失效的原因很多，如鋼絲繩制造的質(zhì)量、鋼絲繩的結(jié)構(gòu)特性、卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒、滑輪組和纏繞繩方法、使用過(guò)程的維護(hù)和保養(yǎng)都會(huì)影響鋼絲繩的壽命。

圖2 提梁機(jī)鋼絲繩傳動(dòng)原理

該提梁機(jī)已提架700多片梁，晝夜施工，且為露天作業(yè)，雨水、風(fēng)沙都會(huì)落到鋼絲繩上，工況較惡劣，使用比較頻繁，每次吊梁放梁鋼絲繩要走過(guò)多道滑輪，整個(gè)鋼絲繩上都有多處出現(xiàn)明顯的畸形變形、波浪形、籠狀畸變、壓扁失效的現(xiàn)象（圖3），據(jù)梁廠施工負(fù)責(zé)人反映，按常規(guī)鋼絲繩應(yīng)能夠起升架1 000片梁，此次才提升700多片梁。經(jīng)計(jì)算，鋼絲繩通過(guò)卷筒和滑輪組的彎曲循環(huán)已達(dá)到42 000次以上，從繞繩方式來(lái)看，鋼絲繩受一種拉伸與壓縮的交變應(yīng)力，另外還有來(lái)自排繩器導(dǎo)向輪對(duì)鋼絲繩的壓力影響。鋼絲繩彎曲疲勞為有限壽命疲勞，結(jié)合鋼絲繩本身的質(zhì)量用在該工況，鋼絲繩完全失效，已經(jīng)達(dá)到了使用壽命。

圖3 鋼絲繩失效形式圖片

2.1 制造鋼絲繩制造質(zhì)量的影響

鋼絲繩質(zhì)量是否適應(yīng)這種工況場(chǎng)合，尤其是鋼絲繩結(jié)構(gòu)是否適應(yīng)用于這種受力。鋼絲繩在卷筒上第一層發(fā)現(xiàn)表面有（不在鋼絲繩的側(cè)面）有一小股鋼絲被擠出成扭曲狀，鋼絲有10mm左右伸長(zhǎng)但沒(méi)有斷（圖3a），圖3b為鋼絲繩松股被上層鋼絲繩壓扁，造成這種情況可能是鋼絲繩生產(chǎn)時(shí)沒(méi)有捻好造成的，整個(gè)鋼絲繩的其它部位也有明顯這種現(xiàn)象。

2.2 安裝、使用的影響

鋼絲繩在安裝過(guò)程中可能沒(méi)有完全消除內(nèi)應(yīng)力，充分“放性”，導(dǎo)致鋼絲繩中局部殘余應(yīng)力集中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或變形，如圖3c為鋼絲繩未充分“放性”鋼絲繩出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲，起升時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)繼續(xù)使用導(dǎo)致鋼芯被擠出，從第一層的情況可明顯判斷出，第一層幾處出現(xiàn)散股現(xiàn)象，尤其在入繩端幾圈內(nèi)就發(fā)現(xiàn)有這種現(xiàn)象并有一處斷絲，如圖3b鋼絲繩的松股與之也有關(guān)系。從使用情況看，這些繩使用并不頻繁，部分甚至用不到，按常規(guī)不應(yīng)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，應(yīng)是鋼絲繩內(nèi)部存在應(yīng)力，在外層鋼絲繩的反復(fù)擠壓下出現(xiàn)該情況。

在卷筒以外的鋼絲繩更為嚴(yán)重，特別是滑輪組附近無(wú)規(guī)律的變形。如圖3e，鋼絲繩嚴(yán)重的波浪形、縱向軸線螺旋狀變形，若干種因素積累使外層鋼絲繩嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致鋼絲繩的松弛，形成籠狀畸變。圖3d，有機(jī)械壓扁或外力影響下的彎折情況。圖3f，若干種損壞因素累計(jì)的后果，外層鋼絲繩嚴(yán)重磨損導(dǎo)致鋼絲繩的松弛以致籠狀畸變正在形成。圖3g，相鄰繩股斷絲及鋼絲繩位移。整個(gè)鋼絲繩現(xiàn)已達(dá)到疲勞壽命導(dǎo)致。

2.3 卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒鋼絲繩的影響

卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒對(duì)鋼絲繩影響較大，一般情況下是鋼絲繩失效的根源。卷筒上鋼絲繩正常纏繞，導(dǎo)致鋼絲繩的失效是正?，F(xiàn)象，所以要分析卷筒對(duì)鋼絲繩的影響除正常情況外是否有其它不正常的影響的情況。

2.3.1 卷筒繩槽槽距對(duì)鋼絲繩纏繞和磨損的影響

從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況看，槽距比較適當(dāng)，因?yàn)椋孩俚谝粚愉摻z繩在繩槽內(nèi)排列順序緊密，繩與繩間又留有一定量間隙，鋼絲繩圈與圈之間沒(méi)有因槽距過(guò)小而相互摩擦，造成咬繩等異常磨損，第一層表面上有幾處散股斷絲不是在圈與圈相擠的側(cè)面上，且沒(méi)有規(guī)律；②假如槽距小，鋼絲繩纏繞時(shí)會(huì)因?yàn)槔鄯e誤差，造成鋼絲繩繞若干圈后爬到槽筋上，現(xiàn)場(chǎng)并不存在這種情況。

第二層的排列與槽距小關(guān)系影響很小，因?yàn)榈诙愉摻z繩在卷筒排列的旋向與第一層相反，第一層是左旋，第二層變?yōu)橛倚诙拥呐帕袝r(shí)由已卷繞的鋼絲繩（前一圈鋼絲繩）給正在卷繞的鋼絲繩一種摩擦擠壓向前推進(jìn)而成的。

對(duì)于多層纏繞卷筒鋼絲繩繩槽，槽距應(yīng)適當(dāng)小一些，對(duì)鋼絲繩排繩和減少摩擦有利，在不影響鋼絲繩（底層）互不咬繩留有間隙情況下，將節(jié)距做得小，鋼絲繩落在槽里呈鋼絲繩本身的圓狀趨勢(shì)，減小鋼絲繩的變形，在卷繩和放繩時(shí)使鋼絲繩外部和內(nèi)部摩擦都比較小。

如果多層纏繞卷筒槽距比較大，對(duì)第一層無(wú)影響，在排第二層的時(shí)候，一方面鋼繩絲要擠入第一層形成的繩隙中，纏繞過(guò)程鋼絲繩在繩隙中的滑移摩擦較大，更為嚴(yán)重的是因?yàn)槔鄯e誤差外層鋼絲繩擠入內(nèi)層鋼絲繩中，造成更嚴(yán)重的后果（第二層不能擠入第一層是因?yàn)榈谝粚佑欣K槽限位）。所以一般單層纏繞時(shí)鋼絲繩槽距都設(shè)計(jì)得較大，多層槽距設(shè)計(jì)得較小，因此選擇槽距也要根據(jù)實(shí)際情況，GB/T5031《塔式起重機(jī)》規(guī)定，卷筒宜加工繩槽，繩槽節(jié)距P應(yīng)在以下范圍內(nèi)：1．04 ＜P＜1．15d，d為鋼絲繩直徑，繩槽深度應(yīng)在0．25～0．40d之間，繩槽半徑應(yīng)在0．525～0．650d之間。選擇這些數(shù)據(jù)既有根據(jù)纏繞的層數(shù)（單層、多層），又要考慮鋼絲繩本身的直徑公差和鋼絲繩的質(zhì)量，這樣才能正確地設(shè)計(jì)鋼絲繩繩槽槽距、繩槽半徑、深度。

2.3.2 卷筒筒身對(duì)鋼絲繩的影響

本提升卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒直徑為?1 128mm，鋼絲繩直徑為?28mm，卷筒經(jīng)與鋼絲繩直徑的比值為40．28，GB/T1955《建筑卷?yè)P(yáng)機(jī)》和《起重設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定卷筒直徑與鋼絲繩直徑比值為18（工作級(jí)別M5時(shí)）卷筒直徑的選擇完全滿(mǎn)足要求，不是導(dǎo)致鋼絲繩失效的主要原因。

2.3.3 卷筒法蘭、排繩器對(duì)鋼絲繩的影響

在本案例中，卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)排繩器，整個(gè)纏繞緊密無(wú)亂繩、咬繩現(xiàn)象；但排繩器的鋼絲繩導(dǎo)向滑輪對(duì)鋼絲繩有一定的擠壓影響。

正常情況下卷?yè)P(yáng)機(jī)兩法蘭端對(duì)鋼絲繩擠壓和摩擦較大，因?yàn)檫@個(gè)部分鋼絲繩受前圈鋼絲繩和法蘭板的擠壓，使鋼絲繩擠壓爬到新的一層，其受力比筒身處其它部分大很多。該卷?yè)P(yáng)機(jī)中設(shè)有排繩器，排繩器產(chǎn)生一定的壓力使鋼絲繩改向，也是在卷筒法蘭處受力最大，因?yàn)檫@時(shí)入繩角度最大，所以卷筒兩端的磨損比筒身其他部位磨損嚴(yán)重是正常的現(xiàn)象，可實(shí)際情況卻有些反常，該處鋼絲繩磨損并不嚴(yán)重，卷筒上排繩緊密排列不亂繩，處于比較理想的狀態(tài)。

2.3.4 鋼絲繩旋向與卷筒多層纏繞對(duì)鋼絲繩的影響

關(guān)于鋼絲繩旋向與卷筒旋向的問(wèn)題，該機(jī)中鋼絲繩為右旋，繩槽為左旋，對(duì)于單層纏繞時(shí)沒(méi)有影響，對(duì)于多層纏繞會(huì)有一定的影響，因?yàn)榈搅说诙愉摻z繩在卷筒上纏繞變?yōu)橛倚?，而此時(shí)鋼絲繩的旋向不可改變，而這種旋向?qū)︿摻z繩的纏繞不利，造成對(duì)鋼絲繩股的松懈趨勢(shì)，到了第三層又處于與第一層一樣有利的情況，這是多層纏繞中固有的工況，無(wú)法改變，這也證明了為什么第二層磨損最為嚴(yán)重。

2.4 纏繞方式對(duì)鋼絲繩的影響分析

鋼絲繩卷繞方向問(wèn)題，鋼絲繩從卷筒上出來(lái)傳動(dòng)過(guò)程中經(jīng)過(guò)前方對(duì)面的改向滑輪后到達(dá)滑輪組，在卷筒和導(dǎo)向滑輪為同一旋轉(zhuǎn)繞向，進(jìn)入滑輪組后則為反方向繞向（圖2），這對(duì)鋼絲繩的各股鋼絲受力是不利的，鋼絲繩在正反180°的循環(huán)彎曲，產(chǎn)生較大交變的變應(yīng)力，加速了鋼絲繩的失效。

2.5 卷筒及滑輪直徑、材質(zhì)對(duì)鋼絲繩的影響分析

現(xiàn)卷?yè)P(yáng)機(jī)卷筒材質(zhì)為Q345B結(jié)構(gòu)件，節(jié)徑為?1 128mm，滑輪材質(zhì)為ZG310-570，節(jié)徑為?678mm，一次收放鋼絲繩在?1 128mm節(jié)徑的卷筒上彎曲兩次相同180°方向，但在滑輪組中最多彎曲56次，且正反180°方向彎曲。從卷筒直徑和滑輪組的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)及卷筒與滑輪直徑不同對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的曲率來(lái)說(shuō)，滑輪對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的疲勞破壞，比卷筒對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生的疲勞破壞要大得多；從材質(zhì)上看，鑄鋼對(duì)鋼絲繩的磨損要比結(jié)構(gòu)件要大得多。

所以不能只從其他提梁鋼絲繩提放1 000片梁，鋼絲繩才失效，認(rèn)為本機(jī)提放700片梁就不正常，要考慮上述諸多因素的影響。

3 提高鋼絲繩使用壽命的途徑

3.1 鋼絲繩的選型

①鋼絲繩選擇首先考慮提升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，一般選擇交互捻鋼絲繩，根據(jù)繩槽旋向選擇鋼絲繩的旋向。因?yàn)槟砉膳c股捻成繩的方向相反，由于股與繩的捻向相反，使用中不易扭轉(zhuǎn)和松放；②不扭轉(zhuǎn)（旋轉(zhuǎn)）鋼絲繩，這種鋼絲繩在設(shè)計(jì)時(shí)，使股與繩的扭轉(zhuǎn)力矩相等，方向相反，克服了在使用中的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，在起升高度大的起重機(jī)廣泛使用；③選擇適宜的鋼絲繩抗拉強(qiáng)度，有人認(rèn)為鋼絲繩抗拉強(qiáng)度越高越好，這是一個(gè)誤區(qū)，強(qiáng)度越高的鋼絲繩相對(duì)越硬，鋼絲繩過(guò)硬的結(jié)果就是彎曲度等其他性能下降；④根據(jù)機(jī)構(gòu)工作級(jí)別選擇大于規(guī)定的安全系數(shù)。

3.2 卷筒設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素

①選擇比較大的卷筒直徑，卷筒直徑與鋼絲繩直徑比值越大越好；②采用單層纏繞，盡量較少的層數(shù)；③設(shè)計(jì)鋼絲繩繩槽，使節(jié)距、槽深、槽底半徑適宜；④在保證入繩角的情況下，盡量不采用排繩器，減少對(duì)鋼絲的擠壓。

3.3 提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的因素

①減少滑輪倍率，減少鋼絲繩彎曲的次數(shù)；②增加滑輪直徑；③盡量在系統(tǒng)布置時(shí)鋼絲繩給一個(gè)方向卷繞，減少對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生較大幅度的交變彎曲應(yīng)力。

3.4 使用與維護(hù)應(yīng)考慮的因素

①放繩時(shí)應(yīng)將繩盤(pán)放在專(zhuān)用支架上，也可用鋼管穿入繩孔，兩段繩索吊起，將繩盤(pán)緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)繞放繩；②鋼絲繩卷筒上卷繞時(shí)帶10%額定拉力的預(yù)緊力纏繞；③定期清洗和加油潤(rùn)滑；④避免機(jī)械壓扁壓傷；⑤放繩時(shí)到達(dá)位置即停機(jī)，防止過(guò)松，鋼絲繩旋轉(zhuǎn)打纏；⑥有條件的做好防護(hù)工作，如設(shè)置防雨棚，防風(fēng)沙；⑦及時(shí)檢查，將鋼絲繩使用在可控狀態(tài)，達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)立即更換，防止事故的發(fā)生。

（編輯 于 洋）

Analysis of a case of grader machine wire rope failure

DING Bang-jian，HONG Lei，CAO Jian-ping

［中圖分類(lèi)號(hào)］U455.32

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)12-0070-04

［收稿日期］2015-10-19