升降機(jī)卷筒安全圈處鋼絲繩斷絲狀況及受力分析

張慶豐

（寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 寧波 315048）

簡(jiǎn)易升降機(jī)價(jià)格低廉，操作方便，得到廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)易升降機(jī)的驅(qū)動(dòng)主機(jī)基本采用鋼絲繩式電動(dòng)葫蘆，由于導(dǎo)繩器的磨損、不合理地更換鋼絲繩和不良的作業(yè)方式導(dǎo)致鋼絲繩在卷筒中亂繞，與卷筒外殼發(fā)生干涉，導(dǎo)致鋼絲繩磨損斷絲現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。簡(jiǎn)易升降機(jī)使用環(huán)境復(fù)雜，裝載貨物時(shí)沖擊大，可能使斷絲磨損處的鋼絲繩斷裂，導(dǎo)致升降機(jī)貨廂發(fā)生墜落，將會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故。

本文針對(duì)一臺(tái)簡(jiǎn)易升降機(jī)電動(dòng)葫蘆卷筒上的鋼絲繩斷絲情況進(jìn)行原因分析。應(yīng)用歐拉公式，分析鋼絲繩在卷筒上的受力情況，并分析了鋼絲繩在卷筒上的包角、摩擦系數(shù)、摩擦力與鋼絲繩張力之間的關(guān)系。采用力學(xué)模型模擬了貨物被裝入貨廂內(nèi)的沖擊過(guò)程，計(jì)算了3種不利工況下斷絲處鋼絲繩的安全系數(shù)，提出可能存在的安全隱患。并討論了平層精度、貨廂重量對(duì)沖擊載荷的影響。最后在預(yù)防鋼絲繩斷絲，安全圈檢驗(yàn)，減小沖擊載荷等方面提出了一些建議，對(duì)電動(dòng)葫蘆鋼絲繩的維護(hù)保養(yǎng)和檢驗(yàn)有較大的借鑒意義。

1 設(shè)備的基本情況及缺陷描述

2017年8月22日，對(duì)某機(jī)械有限公司一臺(tái)簡(jiǎn)易升降機(jī)實(shí)施定期檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該升降機(jī)電動(dòng)葫蘆卷筒末端一段鋼絲繩斷絲，且呈分散狀（如圖1所示），具體表現(xiàn)為：電動(dòng)葫蘆外殼有變形現(xiàn)象，鋼絲繩及卷筒油污嚴(yán)重。斷絲處鋼絲繩未排列在卷筒繩槽中，呈鼓包狀，隨著電動(dòng)葫蘆的運(yùn)行，鋼絲繩與電動(dòng)葫蘆外殼干涉，致鋼絲繩磨損斷絲，經(jīng)仔細(xì)查驗(yàn)，一捻距內(nèi)最大斷絲數(shù)達(dá)到27根。該升降機(jī)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 卷筒末端鋼絲繩斷絲

表1 升降機(jī)相關(guān)參數(shù)

經(jīng)整體檢驗(yàn)，升降機(jī)運(yùn)行異響，一樓平層精度不良，貨廂在1樓平層時(shí)，貨廂地坎低于層門地坎1.5cm。導(dǎo)靴間隙偏大，啟動(dòng)時(shí)，升降機(jī)有明顯抖動(dòng)。當(dāng)升降機(jī)在1樓平層時(shí)，電動(dòng)葫蘆處于最大排繩量，且斷絲處的鋼絲繩仍纏繞在卷筒中，也就是斷絲鋼絲繩在電動(dòng)葫蘆的安全圈內(nèi)。卷筒中剛排出的鋼絲繩距離最大斷絲處大致還有1圈的排繩。雖然經(jīng)過(guò)一圈的繩圈，斷絲處鋼絲繩的張力相對(duì)于排繩出口處鋼絲繩的張力已減少，但斷絲處鋼絲繩的破斷拉力已減小，且升降機(jī)啟動(dòng)抖動(dòng)，裝載貨物沖擊大，增加了對(duì)鋼絲繩的沖擊載荷。鋼絲繩存在突然斷裂，發(fā)生貨廂墜落的可能，后果不堪設(shè)想。

2 斷絲原因分析

征詢?cè)撋禉C(jī)的使用單位和保養(yǎng)單位，查詢相關(guān)使用和保養(yǎng)記錄，發(fā)現(xiàn)該升降機(jī)曾因維修方式不當(dāng)，發(fā)生過(guò)沖頂事件，事后更換了導(dǎo)繩器和鋼絲繩。聯(lián)系現(xiàn)狀，斷絲主要有以下3個(gè)原因：

1）升降機(jī)運(yùn)行異響來(lái)源于鋼絲繩與導(dǎo)繩器的干涉（如圖2所示），由于吊鉤與貨廂龍門架吊耳的安裝位置不合理，致鋼絲繩處于斜拉狀態(tài)，使導(dǎo)繩器與鋼絲繩干涉，造成導(dǎo)繩器排繩效果不良，使鋼絲繩脫離卷筒繩槽，發(fā)生鼓包現(xiàn)象。升降機(jī)的沖頂使電動(dòng)葫蘆外殼變形，故造成鼓包處鋼絲繩與電動(dòng)葫蘆變形外殼干涉，導(dǎo)致該處鋼絲繩磨損斷絲。

圖2 鋼絲繩與導(dǎo)繩器干涉

2）維保單位在更換鋼絲繩時(shí)，未對(duì)新鋼絲繩進(jìn)行應(yīng)力消除，故鋼絲繩內(nèi)部存在著扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，在導(dǎo)繩器與鋼絲繩配合不良的情況下，加大了鋼絲繩脫離卷筒繩槽的可能性。

3）該升降機(jī)主要用來(lái)運(yùn)載軸承，貨物體積小，但重量大，且使用頻繁，故加劇了鋼絲繩的磨損和負(fù)荷。鋼絲繩油污嚴(yán)重的主要原因在于所受應(yīng)力大，內(nèi)部麻芯中的油滲出所致。

綜上所述，鼓包處鋼絲繩與變形的電動(dòng)葫蘆外殼干涉是斷絲的直接原因，吊鉤與龍門架不合理的安裝位置和頻繁、重載荷的使用狀況是斷絲的間接原因。

3 鋼絲繩在卷筒斷絲處的張力分析

卷筒中的鋼絲繩在張力和卷筒表面摩擦力的作用下，處于滑動(dòng)及未滑動(dòng)的臨界狀態(tài)。由歐拉公式[1]可得：（假定鋼絲繩在卷筒內(nèi)的正向力是均勻分布的）

式中：

F1——鋼絲繩緊邊張力，N；

F2——鋼絲繩松邊張力，N；

e ——自然對(duì)數(shù)的底數(shù)，e=2.71828；

f——鋼絲繩與卷筒間的摩擦系數(shù)，此處取0.08[2]；

α——繩在卷筒上的包角，rad。

圖3所示為鋼絲繩在卷筒中的張力關(guān)系圖。為了計(jì)算一捻距內(nèi)最大斷絲處的鋼絲繩張力值，設(shè)F1為剛好繞入卷筒中鋼絲繩所受張力，F(xiàn)2為最大斷絲處鋼絲繩所受張力。則由式（1）可得最大斷絲處鋼絲繩所受張力F2為：

圖3 鋼絲繩在卷筒中的張力關(guān)系圖

在受力點(diǎn)F1與F2之間這段鋼絲繩所受的摩擦力Ff為：

由式（3）可得：最大斷絲處鋼絲繩所受張力F2是剛好繞入卷筒中鋼絲繩所受張力F1和兩處受力點(diǎn)F1與F2之間這段鋼絲繩所受的摩擦力Ff的差值。即摩擦力Ff抵消了部分F1得到了張力F2，根據(jù)式（2）、式（3），可得以下結(jié)論：

1）摩擦力Ff的大小與包角α和摩擦系數(shù)f有關(guān)，包角α越大，摩擦系數(shù)f越大，摩擦力Ff則越大，反之則越小。即安全圈越多、鋼絲繩與卷筒間潤(rùn)滑越小，摩擦力Ff越大；

2）摩擦力Ff越小，F(xiàn)2越大，過(guò)少的安全圈和鋼絲繩與卷筒間的油污將會(huì)加大最大斷絲處鋼絲繩所受張力F2。

見(jiàn)圖2，鋼絲繩與導(dǎo)繩器存在干涉，維保單位非但沒(méi)有調(diào)節(jié)吊鉤與貨廂龍門架吊耳的懸掛位置，反而采用在安全圈處添加黃油潤(rùn)滑的方式試圖減少磨損，不料同時(shí)也減小了鋼絲繩與卷筒間的摩擦系數(shù)，使摩擦力Ff減小，導(dǎo)致對(duì)斷絲處鋼絲繩的張力加大，鋼絲繩的安全系數(shù)也隨之減小。

4 三種不利工況下鋼絲繩的沖擊載荷分析

根據(jù)升降機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)情況，確定以下3種情況對(duì)鋼絲繩的沖擊載荷較大，確定為斷絲處鋼絲繩不利工況：

1）額載為1t的貨物經(jīng)過(guò)具有高低差為1.5cm的層門地坎與貨廂地坎被裝載到貨廂時(shí)，貨物對(duì)貨廂產(chǎn)生沖擊，此時(shí)鋼絲繩受到較大的沖擊載荷；

2）貨廂額載，升降機(jī)啟動(dòng)向上，貨物的慣性力將會(huì)使起升載荷出現(xiàn)動(dòng)載增大的作用，且由于導(dǎo)靴間隙的偏大，啟動(dòng)的不平穩(wěn)性，也將增大動(dòng)載；

3）貨廂額載，升降機(jī)運(yùn)行向下，急停，由于速度的突然變化，鋼絲繩也將受到一個(gè)動(dòng)載。

4.1 第一種工況下鋼絲繩的沖擊載荷

額載1000kg的貨物被運(yùn)入貨廂內(nèi)，此時(shí)貨廂將受到?jīng)_擊，其沖擊效果可以等效成如圖4所示：把鋼絲繩等效成剛度系數(shù)k很大的彈簧[3]，這沖擊相當(dāng)于1000kg額載在貨廂內(nèi)自由落體，自由落體高度為平層差h，貨廂在額載的沖擊作用下最大的位移為s，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，額載和貨廂的勢(shì)能差轉(zhuǎn)化為鋼絲繩的彈性勢(shì)能，其方程式為：

式中：

m——額載，1000kg；

M——貨廂質(zhì)量，750kg；

g——重力質(zhì)量比常數(shù)，10N/kg；

而剛度系數(shù)k：

式中：

E——提升鋼絲繩的彈性模量，鋼絲繩為纖維芯，

A——鋼絲繩的橫截面積，132.7mm2；

l——鋼絲繩的有效長(zhǎng)度，8m。

代入以上數(shù)據(jù)，k=1.32×106N/m。

因?yàn)樵跊_擊過(guò)程中，鋼絲繩構(gòu)件在彈性范圍內(nèi)，故沖擊載荷F1和最大沖擊位移s之間存在線性關(guān)系[4]，

圖4 第一種工況下鋼絲繩的等效動(dòng)力學(xué)模型

即：

靜載荷(m+M)g和靜載位移x之間也存在線性關(guān)系，即：

式中：

x——靜載位移，即貨廂內(nèi)放入額載，貨廂經(jīng)沖擊達(dá)到靜態(tài)時(shí)的下沉量。

由式（4）、式（6）、式（7）可得：

由式（9）可得以下結(jié)論：

1）沖擊載荷的大小與貨廂質(zhì)量和額載的大小有關(guān)：載荷越大，則貨物搬入貨廂時(shí)，對(duì)鋼絲繩的沖擊載荷越大；

2）沖擊載荷與平層精度有關(guān)：平層精度越差，則貨物搬入貨廂時(shí)，對(duì)鋼絲繩的沖擊載荷越大。

將相關(guān)參數(shù)代入式（9），用MATLAB仿真F1與h之間的關(guān)系曲線，如圖5所示：平層精度在15mm時(shí)，沖擊載荷就達(dá)到25kN，當(dāng)平層精度達(dá)到20mm時(shí)，沖擊載荷就超過(guò)了27kN。平層高度差才增加了5mm，但沖擊載荷就增加了2kN。

圖5 平層精度與沖擊載荷的關(guān)系圖

4.2 第二種工況下鋼絲繩的沖擊載荷

升降機(jī)起升時(shí)的沖擊載荷主要是起升動(dòng)載荷Φ2PQ[5]，因此：式中：

Φ2——起升動(dòng)載系數(shù)；

PQ——額定起升載荷，PQ=(m+M)g，N；

而起升動(dòng)載系數(shù)：

式中：

Φ2min——與起升狀態(tài)級(jí)別相對(duì)應(yīng)的起升動(dòng)載系數(shù)的最小值；

β2——按起升狀態(tài)級(jí)別設(shè)定的系數(shù)；

vq——穩(wěn)定起升速度，m/s。

起升狀態(tài)可劃分為HC1～HC4四個(gè)級(jí)別，現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)，該升降機(jī)導(dǎo)靴間隙偏大，起升時(shí)有輕微沖擊，查表確定該起升狀態(tài)級(jí)別為HC2，查表確定β2=0.34，Φ2min=1.10，而電動(dòng)葫蘆穩(wěn)定起升速度為0.13 m/s，代入式（11）得Φ2=1.18。

4.3 第三種工況下鋼絲繩的沖擊載荷

為了反映由于電動(dòng)葫蘆急停，而對(duì)鋼絲繩引起的沖擊效應(yīng)，將電動(dòng)葫蘆減速動(dòng)載系數(shù)Φ5乘以引起減速的驅(qū)動(dòng)力變化值ΔF[6]，故：

式中：

Φ5——減速動(dòng)載系數(shù)；

ΔF——引起減速的驅(qū)動(dòng)力變化值，

ΔF=1/2(m+M)g，N。

考慮到電動(dòng)葫蘆是集驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、制動(dòng)器三合一的機(jī)構(gòu)，故結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)緊密，且運(yùn)行速度較小，查表Φ5取1.2。

5 三種不利工況下鋼絲繩安全系數(shù)的計(jì)算

該電動(dòng)葫蘆采用的鋼絲繩型號(hào)規(guī)格為6×37+NF-13-1570，查產(chǎn)品技術(shù)資料得該鋼絲繩的最小破斷拉力為87kN。為簡(jiǎn)化計(jì)算和分析，這里不考慮鋼絲繩磨損、銹蝕、內(nèi)部損傷等其他缺陷對(duì)鋼絲繩破斷拉力的影響，只考慮表面斷絲的影響。該鋼絲繩一捻距內(nèi)表面最大斷絲處為27根（本文意在探討安全圈處鋼絲繩的受力特征，不考慮此斷絲數(shù)時(shí)的鋼絲繩報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)），而鋼絲繩總的最小破斷拉力是各根鋼絲最小破斷拉力的總和，故最大斷絲處鋼絲繩的最小破斷拉力最大斷絲處鋼絲繩的安全系數(shù)ma為最小破斷拉力FZ與工作載荷F2的比值，即：

為計(jì)算3種工況下鋼絲繩的安全系數(shù)，將相關(guān)計(jì)算參數(shù)列于表2，其按式（13）計(jì)算的安全系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 計(jì)算安全系數(shù)的相關(guān)參數(shù)

表3 三種工況安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

以上計(jì)算的是升降機(jī)在1樓，電動(dòng)葫蘆處于最大排繩量，仍有1圈安全圈最大斷絲處鋼絲繩的安全系數(shù)。處于懸掛狀態(tài)的鋼絲繩在靜載狀態(tài)下的安全系數(shù)經(jīng)計(jì)算為10.0，聯(lián)系表3計(jì)算結(jié)果，可得以下結(jié)論：

1）工況2，工況3的沖擊載荷較小，只有靜態(tài)載荷的1.2倍左右，但工況1的沖擊載荷較大，將要達(dá)到靜態(tài)載荷的3倍，大的沖擊載荷導(dǎo)致工況1下鋼絲繩的安全系數(shù)小于8，應(yīng)立即更換鋼絲繩；

2）在卷筒中經(jīng)過(guò)1圈的安全圈后，最大斷絲處鋼絲繩的張力減小到出繩口鋼絲繩的0.6倍，因此在工況2，工況3沖擊載荷不大的情況下，最大斷絲處鋼絲繩的安全系數(shù)由于安全圈的減載作用反而有所提高；但值得特別注意的是，即使僅針對(duì)工況2或工況3，根據(jù)鋼絲繩斷絲的規(guī)律，已發(fā)生斷絲的鋼絲繩繼續(xù)使用，斷絲速率會(huì)非常規(guī)地快速增加，且繼續(xù)使用也會(huì)使平層精度惡化，因此該鋼絲繩目前雖未發(fā)生破斷，也應(yīng)立即更換。

6 結(jié)論與建議

1）GB 28755—2012《簡(jiǎn)易升降機(jī)安全規(guī)程》中規(guī)定：懸掛貨廂的鋼絲繩的安全系數(shù)不應(yīng)小于8，而本案中電動(dòng)葫蘆卷筒上一捻距內(nèi)最大斷絲處鋼絲繩的安全系數(shù)只有5.0，且在計(jì)算中只考慮表面斷絲對(duì)鋼絲繩最小破斷拉力的影響，未考慮磨損，內(nèi)部斷絲，變形，繩芯等其他缺陷對(duì)鋼絲繩破斷拉力的影響，經(jīng)仔細(xì)查驗(yàn)，部分?jǐn)嘟z鋼絲繩是從繩股內(nèi)部擠壓出來(lái)，表明鋼絲繩與電動(dòng)葫蘆外殼的干涉，已導(dǎo)致鋼絲繩變形。雖然調(diào)整平層精度，使貨廂地坎和層門地坎平齊，減小沖擊載荷，但鑒于局部斷絲多，鋼絲繩變形，鋼絲擠出和滲油嚴(yán)重等現(xiàn)象，因此要求使用單位立即更換新的鋼絲繩。

2）TSG Q7015—2016《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》中規(guī)定：配備有導(dǎo)繩器的卷筒在整個(gè)工作范圍內(nèi)應(yīng)有效排繩，無(wú)卡阻現(xiàn)象。本案例中由于貨廂吊耳與吊鉤安裝位置不合理，造成鋼絲繩相對(duì)于卷筒繩槽的偏角達(dá)到7°，已經(jīng)違反了GB 28755—2012《簡(jiǎn)易升降機(jī)安全規(guī)程》中對(duì)于此偏角不應(yīng)大于4°的規(guī)定，引起鋼絲繩與導(dǎo)繩器干涉，使導(dǎo)繩器排繩效果不良，導(dǎo)致鋼絲繩在卷筒中亂繞，造成鋼絲繩與變形卷筒外殼干涉，引發(fā)斷絲。因此為避免電動(dòng)葫蘆鋼絲繩發(fā)生本案例中的斷絲現(xiàn)象，最主要就是要保證鋼絲繩在卷筒中排列整齊，這需要：

（1）更換新的鋼絲繩時(shí)，首先應(yīng)消除新鋼絲繩的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力；

（2）電動(dòng)葫蘆吊鉤與貨廂龍門架吊耳裝配位置應(yīng)合理，裝配完成后，升降機(jī)應(yīng)全程運(yùn)行一次，確保吊鉤轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，導(dǎo)繩器運(yùn)行靈活，無(wú)異響，與鋼絲繩不發(fā)生干涉。

3）纏繞在卷筒上的鋼絲繩受到張力和摩擦力的作用。隨著安全圈數(shù)的增多，鋼絲繩受摩擦力越大，會(huì)使鋼絲繩的張力逐漸減小。但鋼絲繩與卷筒間的油污會(huì)減少鋼絲繩與卷筒間的摩擦力，導(dǎo)致繩末端張力增大。故對(duì)于安全圈數(shù)較少，且油污嚴(yán)重的電動(dòng)葫蘆，應(yīng)特別注重鋼絲繩末端固定壓板個(gè)數(shù)及固定螺母松緊度的檢驗(yàn)，以防止鋼絲繩所受張力超過(guò)固定壓板對(duì)鋼絲繩的摩擦力，從而導(dǎo)致鋼絲繩從壓板中滑脫，引發(fā)墜落安全事故。因此對(duì)于安全圈較少的電動(dòng)葫蘆，嚴(yán)禁使用單位盲目用黃油潤(rùn)滑電動(dòng)葫蘆鋼絲繩。

一般設(shè)計(jì)對(duì)電動(dòng)葫蘆卷筒末端鋼絲繩壓板的要求是能承受鋼絲繩最大拉力的0.134倍。設(shè)鋼絲繩的最大拉力為Smax，壓板承受的拉力為Sgu，則Sgu=0.134Smax。由歐拉公式得Smax=eαfSgu，卷筒為鑄鐵件，在一般條件下可取摩擦系數(shù)f=0.16，根據(jù)以上關(guān)系式可得α=4π，即安全圈為2圈。但是值得注意的是，在鋼絲繩和卷筒潤(rùn)滑的情況下，摩擦系數(shù)會(huì)減少，像本案例中鋼絲繩和卷筒被過(guò)渡潤(rùn)滑，取摩擦系數(shù)f=0.08，得α=8π，即為了保證壓板固定的有效性，安全圈至少需要4圈。而GB 28755—2012《簡(jiǎn)易升降機(jī)安全規(guī)程》中規(guī)定：當(dāng)貨廂停在完全壓縮的緩沖器上時(shí)，卷筒的繩槽中至少保留3圈鋼絲繩。故建議規(guī)程增加如下條款：

（1）針對(duì)安全圈不多的電動(dòng)葫蘆，嚴(yán)格控制鋼絲繩及卷筒中的油污；

（2）在油污嚴(yán)重的環(huán)境中，增加鋼絲繩在卷筒上的安全圈圈數(shù)，建議至少保留4圈以上。

4）鋼絲繩受到的沖擊載荷與升降機(jī)的平層精度緊密相關(guān)。平層精度差，會(huì)加大鋼絲繩的沖擊載荷。為減少鋼絲繩的損傷，延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命，增加安全系數(shù)，一方面要提高升降機(jī)的平層精度，另一方面需要使用人員嚴(yán)格按照升降機(jī)操作規(guī)程，不超載，輕拿輕放，減小貨物裝入貨廂時(shí)的沖擊。