橋式起重機鋼絲繩破壞分析

供稿|馬廣程 / MA Guang-cheng

橋式起重機鋼絲繩破壞分析

供稿|馬廣程 / MA Guang-cheng

內容導讀

結合生產現(xiàn)場實際，詳細分析了導致橋式起重機鋼絲繩破壞的主要原因，結合現(xiàn)場實踐總結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，達到預防鋼絲繩斷裂，提高起重作業(yè)安全性的目的。

鋼絲繩是橋式起重機的重要零件之一，它具有強度高、自重相對較輕、彈性好、極少驟然斷裂等優(yōu)點，并且應用在機構上運行平穩(wěn)，適于高速傳動。但生產中，常見的問題是鋼絲繩被破壞，嚴重影響日常生產。根據(jù)理論與實踐，常見的鋼絲繩破壞類型包括：機械磨損，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、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　磨損嚴重造成的外層鋼絲疲勞斷裂

機械磨損

生產中，在與滑輪槽、卷筒槽發(fā)生摩擦時鋼絲繩會發(fā)生磨損，見圖1。隨著磨損的加劇，鋼絲繩直徑持續(xù)減小，鋼絲疲勞裂紋會慢慢擴展，最后將會出現(xiàn)外層鋼絲疲勞斷裂的現(xiàn)象，如圖2所示。故當鋼絲繩的直徑減小7%或外層鋼絲磨損超過40%時，應及時報廢［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械磨損。潤滑脂應均勻的涂抹在卷筒槽內，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。并且應根據(jù)環(huán)境溫度和起重機工況選取適合牌號的潤滑脂，以到達最佳的潤滑效果。冶煉區(qū)域起重機通常工況較差，鋼絲繩長期處于高溫輻射和高金屬粉塵的環(huán)境，應重點關注機械磨損。

彎曲疲勞

鋼絲繩中的鋼絲正常疲勞裂紋的開始點一般是在外層鋼絲和滑輪槽、卷筒表面之間的接觸點上。隨著彎曲疲勞次數(shù)的增加，會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加速疲勞裂紋的擴展，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，應重點關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

當軸向拉力超過了鋼絲的破斷拉力時，鋼絲也會發(fā)生斷裂。通常外部拉伸載荷引起的斷裂起始點發(fā)生在鋼絲直徑減小和變形的地方，在這個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。通常起重機鋼絲繩的破斷拉力應大于的鋼絲繩承受額定工作載荷時所受拉力的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力作用下受到剪切應力造成的，它的斷裂面與軸向呈45°傾斜。鋼絲的剪切破壞一般發(fā)生在軸向層有純外部拉伸載荷的地方，因為在高的軸向拉力作用下，鋼絲繩直徑會減小，鋼絲將會在交叉點有壓縮剪切現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5　拉伸載荷和內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，那么它將會產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構會重新組合，通常這個溫度稱為金屬材料的“藍脆區(qū)”。在這個過程中，鋼絲繩表面會形成馬氏體，鋼絲繩大約會失去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℃。 因此應根據(jù)起重機的工況選取適合的鋼絲繩以及采用高滴點的潤滑脂來改善鋼絲繩的溫度性能。

旋轉破壞

鋼絲繩產生松捻時，空間螺旋線會伸長；鋼絲繩產生緊捻時，空間螺旋線則會縮短。這一生產中常見的鋼絲繩扭轉會造成鋼絲繩捻距變化，這些幾何上的改變有時會明顯的改變鋼絲繩的特性。鋼絲繩運行在滑輪和卷筒上，鋼絲繩的繩股長度的變化會在某一點積累，鋼絲繩內部存在扭轉趨勢的一分部份與沒有經過扭轉的部分會產生分離現(xiàn)象，如圖7所示。在載荷的作下，這一部份扭轉的鋼絲繩穿過滑輪系統(tǒng)時，在旋轉的卷筒上會形成“燈籠”，詳見圖8。為了防止松散，不抗旋轉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控制在2°以內［2］。如果傾斜角度過大，嚴重的繩索偏角將會使鋼絲繩的扭轉載荷和磨損增加，鋼絲繩表面和滑輪輪緣都會產生較嚴重的磨損，如圖9所示。當鋼絲繩與滑輪傾斜角大于45°時是非常危險的，鋼絲繩會跳出滑輪，故在起重作業(yè)時嚴禁外拉斜吊。若鋼絲繩與滑輪長期以一定的傾斜角工作，應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時，更應及時的更換滑輪，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生的嚴重燈籠狀

圖9　過大的繩索偏角導致的滑輪輪緣嚴重的不均勻磨損

旋轉的滑輪輪槽與鋼絲繩繩股頂部接觸，在這個相鄰的接觸帶將會產生大量的磨損。隔一段時間就會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)變化的載荷還會導致捻距的伸長。而且滑輪上的刻痕會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降低80%，嚴重的會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計，這個刻痕也會破壞運行的鋼絲繩。對此，通過增加滑輪的硬度和及時的潤滑鋼絲繩，使用特殊結構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生。

圖10　滑輪槽的嚴重磨損

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，否則會導致鋼絲繩在卷筒上排列的不規(guī)則。所以鋼絲繩的實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。

當鋼絲繩被彎曲繞上卷筒時，存在一點輕微的扭轉。往右偏移的槽溝會讓左捻的鋼絲繩出現(xiàn)一點正扭，讓右捻的鋼絲繩出現(xiàn)負扭。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，兩根鋼絲繩的旋轉可以相互抵消，避免鋼絲繩產生松散。

圖11　左、右捻鋼絲繩成對使用

當鋼絲繩的兩端均固定到卷筒上時如圖12所示，就不符合捻向選擇的建議。因為此時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，如果用抗旋轉鋼絲繩的話有可能產生結構變形，故在這種情況下，應該選用旋轉鋼絲繩，且起升高度控制在允許極限范圍內，不宜過高。

圖12　雙臂提升設備

結束語

隨著橋式起重機越來越廣泛的應用到各行各業(yè)，對鋼絲繩的使用、保養(yǎng)、維護需要積累大量的實際經驗和理論知識。研究分析鋼絲繩的報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，合理選用不同結構的鋼絲繩，編制完善起重機的操作規(guī)程，不斷提高鋼絲繩的使用壽命，預防事故于未然，對吊運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 起重機鋼絲繩保養(yǎng)、維護、安裝、檢驗和報廢. 北京：中國標準出版社，2010：5

［2］ 陳道南.起重運輸機械. 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)于遼寧科技大學機械工程及其自動化專業(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