對電鏟鋼絲繩壽命計算及影響因素的探討

郝偉

摘要：本文通過計算電鏟鋼絲繩的疲勞壽命和作業(yè)量，與實際比較，計算結(jié)果高度可信。從制造工藝、選型使用、設(shè)備狀況及環(huán)境工況等多個方面分析電鏟提升鋼絲繩使用壽命的影響因素，進而說明電鏟鋼絲繩疲勞壽命和電鏟計算作業(yè)量的關(guān)系，驗證利用做功理論考核鋼絲繩壽命的可行性。

關(guān)鍵詞：電鏟鋼絲繩壽命；影響因素；探討

1.前言

任何物體都具有自身的壽命與使用年限，通常情況下，電鏟鋼絲繩的壽命計算方式的基礎(chǔ)是Niemann公式，其計算的結(jié)果具有很強的準確度。另外，電鏟鋼絲繩壽命的影響因素也具有明顯的復雜性，對其進行科學的研究有助于提高鋼絲繩的使用壽命。

2.電鏟鋼絲繩壽命計算概況

中國露天礦廣泛用于單斗-卡車間斷工藝：巖石爆破-電鏟挖掘-裝載自卸卡車-自卸卡車排棄。大多數(shù)電鏟都是太原重工、P&H;公司生產(chǎn)的單梁動臂雙鏟桿齒輪-齒條推壓正裝直鏟，及比塞洛斯公司生產(chǎn)的雙梁動臂圓軸免扭鏟桿鋼繩推壓的正裝直和步進式拉斗鏟，鏟斗提升部件均為鋼絲繩。由于不同的礦山工作條件，作業(yè)人員操作技術(shù)參差不齊，在冬季和夏季溫差范圍較大（露天溫度為-40～40°C），鋼絲繩的使用情況完全不同。鋼絲繩受挖掘沖擊力較大，負載較重，彎曲和擠壓應力作用復雜。因此，鋼絲繩的使用壽命由用戶和制造商進行評估，就有許多不便之處。

對影響鋼絲繩使用壽命的因素進行統(tǒng)計研究，分析滑輪對鋼絲繩使用壽命的影響。發(fā)現(xiàn)滑輪和鋼絲繩的匹配是影響鋼絲繩使用壽命的關(guān)鍵因素。潤滑作用直接影響鋼絲繩使用壽命，良好的潤滑可延長鋼絲繩2？3倍的使用壽命?！痘唽︿摻z繩使用壽命的影響》、《潤滑對鋼絲繩使用壽命的影響機制》中強調(diào)了夾雜物在原材料和半成品中的類型和大小以及脫碳層和冶金結(jié)構(gòu)的重要性。露天煤礦用戶對電鏟鋼絲繩的評估方法不盡相同。有的根據(jù)挖掘噸位（重量）計算，有的由立方數(shù)（體積）計算，并且是按時間計算。這種不一致的評估會影響制造業(yè)。港口卸船機鋼絲繩抓斗的評估全部在1萬噸以上，鉆井鋼絲繩以噸船英里計算。因此，分析影響鋼絲繩使用壽命的因素，合理評價鋼絲繩的使用壽命是非常有意義的。計算WK系列電鏟鋼絲繩操作量，分析影響鋼絲繩使用壽命的因素，提出電鏟鋼絲繩使用壽命的評定方法。

3.電鏟鋼絲繩壽命計算方式

電鏟鋼絲繩的主要功能是提高鋼絲繩部件連接的穩(wěn)定性。電鏟的使用壽命因工作環(huán)境和工作強度而異。一般情況下，鋼絲繩的工作強度比較大，發(fā)生損壞（斷裂）是比較常見的情況，當達到斷絲臨界值需要及時更換。研究電鏟鋼絲繩的使用壽命可以保證鋼絲繩的科學應用，延長其使用壽命。電鏟鋼絲繩故障的主要部位在鋼絲繩彎曲部位。損壞的主要方式是斷絲和斷股?，F(xiàn)在已知準確計算尼曼公式，該公式可以有效計算鋼絲繩的強度，以及鋼絲繩的工作時間。

經(jīng)過綜合考慮在實際工作中安全系數(shù)在5以上時，實際工作量為35萬m3。其計算結(jié)果具有非常高的準確性。在應用不同類型的鋼絲繩之前，有關(guān)部門應以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，科學計算其使用壽命，并保證計算在實際應用中的準確性。

以WK-10電鏟鋼絲繩為例，其卷筒直徑為3.2m，安全系數(shù)為5，抗拉強度為1530MPa，鋼絲繩直徑為58.5mm。公式計算結(jié)果后，得到鋼絲繩的使用壽命。大約35萬立方米。

3.1鋼絲繩作業(yè)量理論計算

圖1分別為WK-10和WK-20～WK-35電鏟鋼絲繩纏繞系統(tǒng)圖。使用表明，鋼絲繩實際斷裂和失效位置主要發(fā)生在圖1a中01和05位置以及圖1b中01和02段，失效方式主要為斷絲或者斷股。電鏟提升屬于大起重彎曲提升范疇，因此鋼絲繩彎曲疲勞壽命可用Niemann公式進行理論計算。實際使用過程中，鋼絲繩失效主要集中在出卷筒段10～15m，這是因為該位置是反復彎曲和頻繁使用段，因此鋼絲繩在卷筒纏繞處受力大小是決定其壽命的關(guān)鍵因素。

3.2 WK-10電鏟鋼絲繩疲勞壽命計算

根據(jù)電鏟鋼絲繩常見失效形式和位置，以卷筒處鋼絲繩彎曲疲勞壽命計算其理論作業(yè)量。通過現(xiàn)場測繪、咨詢電鏟設(shè)計制造企業(yè)可知，WK-10電鏟的卷筒直徑為1.60m，等效安全系數(shù)為5，鋼絲繩抗拉強度為1770MPa，直徑為60.5mm。根據(jù)Nie-mann公式

式一

式中，N為鋼絲繩彎曲次數(shù)，也可稱為疲勞壽命；D為卷筒或滑輪底部直徑，mm；d為鋼絲繩公稱直徑，mm；σB為抗拉強度，MPa；Sf為安全系數(shù)，一般取5。將參數(shù)代入后計算出WK-10電鏟鋼絲繩疲勞壽命為33308次。

3.3 WK-20電鏟鋼絲繩疲勞壽命計算

WK-20電鏟的卷筒直徑為1.47m，安全系數(shù)為5，鋼絲繩拉伸強度等級為1670MPa，直徑為58mm。通過公式1計算鋼絲繩的疲勞壽命為32442次。WK-20電鏟中每個鏟斗的實際提升量為20m3，鋼絲繩在疲勞時可以完成65萬m3的工作負荷生活。

3.4 WK-27電鏟鋼絲繩疲勞壽命計算

WK-27電鏟的卷筒直徑為1.45米，安全系數(shù)為5，鋼絲繩抗拉強度為1770MPa，直徑為58毫米。通過公式1計算鋼絲繩的理論疲勞壽命為28，034。WK-27型電鏟每斗實際提升量為27m3，鋼絲繩可在疲勞壽命中完成76萬m3的工作載荷。根據(jù)Drucker-Tachau原理，如果誤差為25%，鋼絲繩的理論運行負荷應為80萬至95萬立方米。據(jù)調(diào)查，WK-27電鏟鋼絲繩平均年營運能力為80萬至120萬立方米。當工作量較大時，相應的巖石和沙子非常松散，而純煤的開采量也是一個高峰。

3.5 WK-35電鏟鋼絲繩疲勞壽命計算

WK-35電鏟的卷筒直徑為1.42m，安全系數(shù)為5，鋼絲繩抗拉強度為1770MPa，直徑為60mm，鋼絲繩的疲勞壽命為23535次。WK-35電鏟每斗實際提升量為35m3，鋼絲繩在理論疲勞壽命內(nèi)可完成82萬m3的工作載荷。

通過計算幾種不同類型的電鏟鋼絲繩的疲勞壽命，可以看出理論和統(tǒng)計的重要性。通過分析鋼絲繩的工作狀態(tài)，可以用理論公式來準確計算工作量。鋼絲繩設(shè)計完成后，應根據(jù)工作參數(shù)計算鋼絲繩理論壽命，提高設(shè)計精度。

4.電鏟鋼絲繩壽命影響因素

鋼絲繩的使用壽命不僅與其質(zhì)量有關(guān)，而且與其工作環(huán)境密切相關(guān)。筆者分析了影響電鏟鋼絲繩使用壽命的因素如下。

4.1 制造過程（工藝）對壽命的影響

鋼絲繩的制造過程（工藝）是影響其使用壽命的關(guān)鍵因素之一。近十年電鏟鋼絲繩不斷改進其制造工藝。與傳統(tǒng)鋼絲繩相比使用壽命得到顯著提高。但在實際應用中受各種因素的影響，新型鋼絲繩尚未得到廣泛應用。新型鋼絲繩在實際工作中，采用壓坯方法、注射法及化學涂層的方法，對傳統(tǒng)的鋼絲繩結(jié)構(gòu)和材質(zhì)進行了升級。新鋼絲繩的使用壽命是傳統(tǒng)鋼絲繩的兩倍以上，價格也有明顯提高。一家公司已經(jīng)投入EP6×K36WS+IWRC鋼絲繩。鋼絲繩改變了坩堝的方法，可以有效提高其抗磨損能力。它能承受的工作強度比傳統(tǒng)鋼絲繩高出三倍以上。它沒有太大的變化，具有很強的應用價值。不同的生產(chǎn)工藝將嚴重影響鋼絲繩的使用壽命。

4.2 設(shè)備使用狀況對壽命的影響

維修中心對電鏟鋼絲繩的使用壽命進行統(tǒng)計，對不同設(shè)備的應用狀況進行分析。通過數(shù)據(jù)分析，在相同的條件下，制造過程和工作的強度處于平衡狀態(tài)，不同的設(shè)備具有不同的應用壽命。四年來，電鏟卷筒、天輪尚未修理和更換。電鏟卷軸的厚度減小約4mm，天輪的厚度減少約2mm。維修中心對不同型號設(shè)備進行了相同的實驗。分析結(jié)果也表明電鏟卷軸、天輪具有使用壽命和工作量， 并在不斷下降。設(shè)備磨損是不可避免的。不同的設(shè)備在鋼絲繩上的纏繞截然不同。如果長時間磨損，會導致鋼絲繩使用未達到計算工作量，就導致斷裂破碎的情況。在實際應用中，建議應定期更換設(shè)備，避免鋼絲繩嚴重磨損。

4.3 工作環(huán)境會直接影響電鏟鋼絲繩的使用壽命

經(jīng)統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，相同型號的電鏟鋼絲繩，相同的設(shè)備，相同的制造商和品牌，在不同的工作條件下具有不同的使用壽命。以某公司的采礦作業(yè)為例，工作環(huán)境不同，其他要素相同，工作量存在顯著差異。經(jīng)分析，鋼絲繩在煤礦作業(yè)中的工作量最大。在不同的工作條件下，鋼絲繩的使用壽命差別很大。主要原因是在不同的工作條件下，鋼絲繩的重量和沖擊力有很大不同。

4.4 不同品牌對鋼絲繩壽命有不同影響

經(jīng)對不同鋼絲繩品牌的對比分析發(fā)現(xiàn)，在同一工作環(huán)境下，不同品牌有不同的服務客戶。以A品牌和B品牌為例，在同一個設(shè)備上工作，前者的使用壽命比后者短，而且工作量也有明顯的差異。在分析平均工作量后，找到A品牌（貴州）比B品牌（比塞洛斯）的平均工作量少10萬立方米。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)不同的鋼絲繩品牌，即使型號相同，在直徑和捻距上也存在一定的差異。在實際的工作過程中，這種微妙的差異會導致使用壽命的顯著差異。

5.電鏟鋼絲繩使用壽命綜合計算

鋼絲繩的工作量不僅與自身質(zhì)量有關(guān)，還受生產(chǎn)工藝，設(shè)備條件和環(huán)境條件，品牌等因素的影響，因此，對鋼絲繩使用壽命進行評估時必需綜合計算這些因素。鋼絲繩壽命計算方法可以用作基準評估方法。鋼絲繩吊裝過程主要是將鋼絲繩吊起到一定高度去除整個過程實際上是能量轉(zhuǎn)換。因此無論用鋼絲繩提起的貨物類型如何，鋼絲繩的總重量都增加了，而不是體積，最實際更公平的做法是計算總噸位。據(jù)研究，我國一座露天煤礦采用國際著名品牌的電鏟鋼絲繩，使用的設(shè)備為BE-495型電鏟，電鏟卷筒直徑為1750mm，配套的主吊鋼絲繩直徑為69.85mm，強度等級為1770MPa，計算鋼絲繩理論彎曲疲勞壽命為28，210次。

每鏟斗實際提升量為60m3，鋼絲繩在理論疲勞壽命內(nèi)可完成169萬m3的工作量。根據(jù)D-K的25%規(guī)則，理論運行范圍應為126萬至211萬立方米。據(jù)調(diào)查，上述露天煤礦對電鏟鋼絲繩投標130萬立方米基本工作量進行了評估，與計算結(jié)果非常接近。完全不同的操作條件，兩個不同的區(qū)域和相同直徑的鋼絲繩在相同類型的電鏟上操作。計算結(jié)果未超過25%的偏差。

6.結(jié)束語

給定條件下，利用公式可計算出電鏟鋼絲繩的基礎(chǔ)作業(yè)壽命，經(jīng)過對比，理論計算壽命和實際使用的考核壽命基本吻合；電鏟鋼絲繩壽命受生產(chǎn)工藝、設(shè)備狀況、環(huán)境狀況及品牌更換等因素影響較大；計算不同地域的相同鋼絲繩作業(yè)量，可以合理表征鋼絲繩壽命周期。

參考文獻：

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