鋼絲繩在卷筒纏繞時(shí)出現(xiàn)陷繩和亂繩問(wèn)題的分析

王 亮 夏壽金

（1.上?？蹈缓四軝C(jī)械有限公司，上海 200000； 2.邳州市承鼎機(jī)械設(shè)備有限公司，江蘇 邳州 221300）

0 引言

履帶起重機(jī)因操作靈活、起重量大、可以帶載行走等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。隨著石化、核電等行業(yè)大型模塊的吊裝需求增加，對(duì)起重機(jī)的起重量和起升高度也提出更高的要求，超大噸位履帶起重機(jī)的使用也隨之越來(lái)越多。履帶起重機(jī)按照運(yùn)行機(jī)構(gòu)可分為行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、起升機(jī)構(gòu)等，其中起升機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)吊物提升下放的主要工作機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)通過(guò)馬達(dá)、減速機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞鋼絲繩，完成提起和下放作業(yè)。由于履帶起重機(jī)的臂長(zhǎng)和倍率可根據(jù)需要進(jìn)行組合更換，因此，對(duì)起升鋼絲繩的需求長(zhǎng)度也不盡相同。計(jì)算起升鋼絲繩長(zhǎng)度時(shí)須根據(jù)履帶起重機(jī)最長(zhǎng)臂長(zhǎng)及最大倍率時(shí)所需的鋼絲繩長(zhǎng)度進(jìn)行配置。鋼絲繩纏繞在卷筒上，以滿足不同臂長(zhǎng)、不同倍率時(shí)起升吊裝的要求。若鋼絲繩在卷筒上纏繞時(shí)發(fā)生亂繩和陷繩，會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩擠壓、磨損、斷絲、抖動(dòng)等影響使用壽命，極端情況下甚至造成斷繩，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，給正常的吊裝作業(yè)帶來(lái)極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。如何解決鋼絲繩陷繩和亂繩問(wèn)題一直是行業(yè)內(nèi)的棘手問(wèn)題，要解決鋼絲繩陷繩和亂繩問(wèn)題，首先須清楚陷繩和亂繩所帶來(lái)的危害和風(fēng)險(xiǎn)，其次要分析引起鋼絲繩陷繩和亂繩的具體原因，采取適當(dāng)措施，徹底消除鋼絲繩陷繩和亂繩問(wèn)題。

1 鋼絲繩陷繩和亂繩問(wèn)題所產(chǎn)生的缺陷及危害

鋼絲繩在卷筒纏繞出現(xiàn)陷繩和亂繩時(shí)，會(huì)加劇鋼絲繩的磨損，縮短鋼絲繩的使用壽命，增加鋼絲繩更換費(fèi)用和設(shè)備的維護(hù)成本。因?yàn)殇摻z繩磨損，在鋼絲繩經(jīng)過(guò)滑輪時(shí)斷絲通常沿鋼絲繩隨機(jī)出現(xiàn)在繩股的頂部，即外層繩股的外表面。該類型的斷絲往往與外部磨損區(qū)域有關(guān)。當(dāng)使用阻旋鋼絲繩時(shí)，大部分?jǐn)嘟z有可能出現(xiàn)在繩股內(nèi)部，僅通過(guò)外觀檢查很難發(fā)現(xiàn)，給履帶起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行帶來(lái)極大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

若鋼絲繩陷繩嚴(yán)重，在下放載荷時(shí)，鋼絲繩從陷繩處抽出瞬間會(huì)使鋼絲繩產(chǎn)生劇烈抖動(dòng)，引起吊物晃動(dòng)，不僅會(huì)造成鋼絲繩受力不均，還會(huì)對(duì)起重機(jī)臂架系統(tǒng)造成沖擊。輕則損壞鋼絲繩，重則損壞設(shè)備、甚至引起設(shè)備傾覆。如果鋼絲繩陷繩不及時(shí)處理，如圖1（a）所示，長(zhǎng)期工作后，會(huì)使繩股松散，形成鳥籠狀散股，如圖1（b）所示，也會(huì)造成鋼絲繩斷絲，如圖1（c）所示，最終導(dǎo)致鋼絲繩報(bào)廢。

圖1 下層未纏緊導(dǎo)致陷繩及長(zhǎng)期未處理引起的松股斷絲

2 鋼絲繩多層纏繞時(shí)出現(xiàn)陷繩和亂繩現(xiàn)象的原因分析

鋼絲繩在卷筒上多層纏繞時(shí)容易出現(xiàn)陷繩和亂繩現(xiàn)象主要集中在兩個(gè)部位，一是鋼絲繩在卷筒中間部位發(fā)生陷繩和亂繩，如圖2（a）所示，另外是在卷筒兩側(cè)換層處發(fā)生陷繩和亂繩，如圖2（b）所示。根據(jù)鋼絲繩陷繩和亂繩現(xiàn)象出現(xiàn)的不同部位，分別對(duì)可能造成該現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析，便于后續(xù)給出針對(duì)性的處理措施。

圖2 卷筒中部和邊緣處鋼絲繩排列不整齊

2.1 鋼絲繩在卷筒中間部位出現(xiàn)陷繩和亂繩現(xiàn)象

當(dāng)鋼絲繩在卷筒中間部位出現(xiàn)陷繩和亂繩時(shí)，為了查找導(dǎo)致陷繩和亂繩的原因，需要將卷筒上的鋼絲繩全部放出，鋼絲繩放出時(shí)需要注意對(duì)鋼絲繩的防護(hù)，避免扭結(jié)、磕碰、污染等原因?qū)е落摻z繩損傷。在整個(gè)卷筒的繩槽完全露出后，首先需要對(duì)卷筒的節(jié)距進(jìn)行測(cè)量。使用樣板或其他檢測(cè)工具檢查節(jié)距是否符合設(shè)計(jì)要求，在任何情況下，當(dāng)卷筒節(jié)距偏小時(shí)，不允許小于鋼絲繩實(shí)際直徑。當(dāng)卷筒節(jié)距偏大時(shí)，不允許大于鋼絲繩公稱直徑的1.1倍，否則該卷筒須報(bào)廢。正常情況下，卷筒的單個(gè)繩槽節(jié)距偏差應(yīng)為要求節(jié)距±0.1mm，任意連續(xù)5個(gè)繩槽的距離應(yīng)為5×節(jié)距，允許偏差±0.4mm，任意連續(xù)10個(gè)繩槽的距離應(yīng)為10×節(jié)距，允許偏差±0.5mm。

然后需要檢查鋼絲繩直徑。在任何部位鋼絲繩均不得出現(xiàn)股芯斷裂情況。檢查鋼絲繩實(shí)際直徑，無(wú)論鋼絲繩是否受力，鋼絲繩實(shí)際上限不允許超過(guò)卷筒折線段節(jié)距。鋼絲繩不受力時(shí)，最細(xì)部分不得低于鋼絲繩公差的下限。新鋼絲繩受到額定拉力時(shí)，實(shí)際直徑不得低于鋼絲繩允許公差的下限1%，即如公差為2%，下限不得低于1%。

最后，需要檢查鋼絲繩之間的間隙。當(dāng)鋼絲繩在雙折線卷筒上多層纏繞時(shí)，如果拉力達(dá)不到要求，第一層鋼絲繩與卷筒之間，或者上一層鋼絲繩與下一層鋼絲繩之間，就會(huì)存在一定的間隙，該間隙短時(shí)間內(nèi)不會(huì)消失，但隨著鋼絲繩的長(zhǎng)期使用會(huì)逐漸減小或消失。為防止鋼絲繩出現(xiàn)“跳槽”和“越軌”現(xiàn)象，鋼絲繩使用時(shí)必須保持足夠的拉力，以使鋼絲繩能始終緊貼繩槽表面，如圖3所示。

圖3 雙折線卷筒及正常排列的鋼絲繩

雙折線卷筒分為兩個(gè)直線段和兩個(gè)折線段，直線段左右之間的間隙和折線斷左右之間的間隙分別如下。直線段左右之間的間隙：鋼絲繩在卷筒中纏繞時(shí)，直線段的間隙=卷筒節(jié)距-鋼絲繩實(shí)際直徑。這個(gè)間隙不會(huì)隨著單繩拉力變化而改變，即空鉤與吊重時(shí)間隙是一致的。間隙會(huì)隨著鋼絲繩的受力后因鋼絲繩的縮緊率而略有變化。

折線段左右之間的間隙：可用塞尺測(cè)量卷筒軸向折線段鋼絲繩的間隙，鋼絲繩不受力時(shí)測(cè)量折線段間隙一般約0.1mm，當(dāng)鋼絲繩受到拉力時(shí)，折線段無(wú)論用多薄的塞尺，都無(wú)法塞入塞尺，這樣可以認(rèn)為間隙為0mm。

根據(jù)直線段和折線斷的間隙反推上下方向的間隙，鋼絲繩不受力時(shí)，上下方向約有0.1mm間隙，當(dāng)鋼絲繩受力時(shí)，上下方向的間隙可認(rèn)為是0mm。多層纏繞的鋼絲繩，各層鋼絲繩在不受力和受力狀態(tài)時(shí)，上下直徑方向間隙變化應(yīng)在2×0.1mm左右，即受力前鋼絲繩在相應(yīng)層的中心直徑假設(shè)為，受力后直徑變?yōu)?0.2mm。一圈長(zhǎng)度變化=π×-π×（-0.2）=0.2×π=0.2×3.142，長(zhǎng)度變化約為0.6mm。當(dāng)鋼絲繩開始受力時(shí)，因拉力的作用該層鋼絲繩產(chǎn)生沿著卷筒徑向的壓力，該層鋼絲繩必然緊貼在下一層鋼絲繩或者卷筒上，將該層鋼絲繩與下一層鋼絲繩或與卷筒之間的縫隙擠平。因?yàn)樵搶愉摻z繩會(huì)對(duì)下一層鋼絲繩沿鋼絲繩纏繞方向擠壓，下一層鋼絲繩會(huì)順著纏繞方向慢慢向前旋轉(zhuǎn)。如果鋼絲繩潤(rùn)滑保養(yǎng)不到位，在卷筒旋轉(zhuǎn)3~4圈以后，鋼絲繩沿長(zhǎng)度方向約多出2mm，因長(zhǎng)度增加間隙變大，下層鋼絲繩就會(huì)被擠開，在直線段受力層的鋼絲繩會(huì)局部擠入下層鋼絲繩中去，形成局部輕微陷繩，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后，會(huì)逐步演變?yōu)閲?yán)重陷繩。如果鋼絲繩在卷筒中纏繞時(shí)，每隔幾圈出現(xiàn)一處陷繩，需要檢查鋼絲繩的潤(rùn)滑狀態(tài)，若鋼絲繩潤(rùn)滑不好，基本可判定為鋼絲繩潤(rùn)滑不到位造成的陷繩。

經(jīng)過(guò)上述檢查，若卷筒節(jié)距和鋼絲繩直徑均滿足要求且鋼絲繩潤(rùn)滑良好，則可以認(rèn)定鋼絲繩在中間部分出現(xiàn)的亂繩和陷繩現(xiàn)象，是由于下層鋼絲繩未纏緊導(dǎo)致。因下層鋼絲繩未纏緊，當(dāng)上層鋼絲繩受力后會(huì)將下層鋼絲繩擠亂，容易出現(xiàn)陷繩，進(jìn)而導(dǎo)致亂繩。即：多層纏繞的卷筒中，在第二層或以上，如果中間出現(xiàn)亂繩或陷繩現(xiàn)象或鋼絲繩損壞現(xiàn)象，如能排除鋼絲繩突然變粗或變細(xì)的可能性，可以認(rèn)定是未施加預(yù)緊力所致，而不是卷筒問(wèn)題或鋼絲繩問(wèn)題。

2.2 鋼絲繩在卷筒兩側(cè)出現(xiàn)陷繩和亂繩現(xiàn)象

鋼絲繩在卷筒兩側(cè)出現(xiàn)陷繩和亂繩現(xiàn)象時(shí)，如上文所述，首先要檢查鋼絲繩直徑是否滿足要求、鋼絲繩潤(rùn)滑狀態(tài)是否良好，其次是檢查卷筒節(jié)距是否滿足要求。在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)檢查。

使用平尺檢查每層鋼絲繩的直線度，如有鋼絲繩凸出現(xiàn)象，將鋼絲繩從卷筒上全部放出后，重新排繩，鋼絲繩凸出現(xiàn)象消失。若鋼絲繩帶載受拉后再次出現(xiàn)凸出現(xiàn)象，可以認(rèn)定是該層鋼絲繩未纏緊，被上層鋼絲繩受力后擠壓拱起所致。如前文所述，當(dāng)鋼絲繩開始受力時(shí)，該層鋼絲繩向下擠壓，必然緊貼在下一層或卷筒上，將該層與下一層或與卷筒之間的縫隙擠平，下一層鋼絲繩被該層鋼絲繩向纏繞方向擠壓，下一層鋼絲繩會(huì)順著纏繞方向慢慢向前旋轉(zhuǎn)。當(dāng)鋼絲繩潤(rùn)滑良好時(shí)，下層鋼絲繩會(huì)一直沿纏繞方向旋轉(zhuǎn)，在卷筒中間部分不會(huì)形成陷繩，但是在卷筒邊緣，由于鋼絲繩無(wú)法被擠入須換層的最后一圈，最終會(huì)在邊緣處形成拱起。當(dāng)每層鋼絲繩圈數(shù)超過(guò)一定數(shù)量后，相應(yīng)層鋼絲繩長(zhǎng)度方向會(huì)多出足夠長(zhǎng)度，滿足鋼絲繩凸起后所需的長(zhǎng)度。當(dāng)鋼絲繩在邊緣處凸出后繼續(xù)纏繞會(huì)導(dǎo)致下一層鋼絲繩排列不整齊，待下層鋼絲繩纏繞時(shí)就會(huì)出現(xiàn)陷繩和亂繩。

檢查卷筒第一層至第二層的換層臺(tái)階，是否符合圖紙的設(shè)計(jì)要求。卷筒換層的臺(tái)階有沒(méi)有出現(xiàn)打磨現(xiàn)象，直線段平面度是否有嚴(yán)重超差情況。兩側(cè)的第一二圈的節(jié)距，應(yīng)比其他部分的節(jié)距要小，一般情況下，第一二圈的節(jié)距等于鋼絲繩實(shí)際直徑的上限。其他部分的節(jié)距等于鋼絲繩公稱直徑的1.045倍（該數(shù)值需要根據(jù)鋼絲繩的公稱直徑來(lái)調(diào)整）。還需要檢查卷筒兩側(cè)板的間距是否符合圖紙要求，若兩側(cè)板間距過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩在邊緣換層時(shí)無(wú)法順利進(jìn)入下一層，導(dǎo)致該層鋼絲繩在邊緣處凸出或間隙過(guò)大。若兩側(cè)板間距過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩在邊緣換層時(shí)鋼絲繩凹陷偏低，在下一層纏繞時(shí)導(dǎo)致無(wú)法順利換層或發(fā)生陷繩。

3 鋼絲繩多層纏繞時(shí)出現(xiàn)陷繩和亂繩現(xiàn)象的解決措施

在彈性范圍內(nèi)，金屬材料受到拉力之后會(huì)變形，當(dāng)外力消失時(shí)，金屬材料會(huì)恢復(fù)原狀，這是金屬材料的基本特性。鋼絲繩在卷筒中纏繞時(shí)，鋼絲繩帶載受力后會(huì)發(fā)生一定的彈性變形，這樣當(dāng)載荷拉力消失時(shí)，鋼絲繩仍會(huì)恢復(fù)成原先的狀態(tài)。當(dāng)鋼絲繩在卷筒中纏繞時(shí)，只要拉力達(dá)不到要求，鋼絲繩與卷筒之間，或者上一層鋼絲繩與下一層鋼絲繩之間，就會(huì)存在一定的間隙。在鋼絲繩多層纏繞之后，引發(fā)鋼絲繩凸出、間隙過(guò)大、陷繩、亂繩等問(wèn)題。

為消除鋼絲繩上下層之間的間隙，防止使用中出現(xiàn)陷繩和亂繩問(wèn)題。雙折線卷筒在正式使用前會(huì)提出如下要求：為避免鋼絲繩出現(xiàn)“跳槽”或“越軌”現(xiàn)象，鋼絲繩必須保持足夠的拉力，以使鋼絲繩能始終緊貼繩槽表面。當(dāng)不滿足這一條件時(shí)，應(yīng)加設(shè)鋼絲繩壓輥。鋼絲繩預(yù)緊拉力應(yīng)不小于鋼絲繩破斷荷載的2%（或工作荷載的10%）。繩索偏角最好保持在0.5°~1.25°，最大不超過(guò)1.5°。

檢查陷繩和亂繩問(wèn)題時(shí)，如果是在卷筒邊緣換層處亂繩，需要檢查換向高點(diǎn)處的節(jié)距是否符合設(shè)計(jì)要求。如果提前換向，重點(diǎn)要檢查鋼絲繩的公差是否接近上限，同時(shí)也要檢查鋼絲繩表面的潤(rùn)滑情況。如果接近上限，潤(rùn)滑良好，但沒(méi)有提前換向時(shí)仍然發(fā)生亂繩，則可初步判定為鋼絲繩預(yù)緊力太小，須對(duì)鋼絲繩進(jìn)行帶載排繩。將卷筒上的鋼絲繩全部放出，然后重新帶載排繩。鋼絲繩的帶載大小按照不小于鋼絲繩破斷荷載的2%（或工作荷載的10%）設(shè)定，需要從卷筒的第一層開始帶載排繩，保證底層鋼絲繩帶載排列整齊，往復(fù)數(shù)次，直至將亂繩或陷繩全部消除。如重新排繩后，鋼絲繩凸出現(xiàn)象仍然存在，檢查卷筒是否有異常的凸出點(diǎn)，將突出點(diǎn)打磨后可解決。對(duì)工作時(shí)超過(guò)五層的卷筒，建議取消換向高點(diǎn)。改用換向圓弧板結(jié)構(gòu)，可解決亂繩問(wèn)題。如通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)是卷筒側(cè)板間隙不滿足要求，需要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)側(cè)板間隙進(jìn)行調(diào)整，若間隙過(guò)小，在滿足圖紙要求的前提下可通過(guò)適當(dāng)打磨滿足間隙要求時(shí)，可以對(duì)側(cè)板進(jìn)行局部打磨處理。若間隙過(guò)大，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可以在側(cè)板換層處局部貼鋼板或側(cè)板整體貼鋼板進(jìn)行調(diào)整，如圖4所示。調(diào)整完成后通過(guò)帶載排繩進(jìn)行驗(yàn)證，若不滿足要求須繼續(xù)調(diào)整直至鋼絲繩陷繩和亂繩問(wèn)題消除。

圖4 卷筒側(cè)板局部貼鋼板和整體貼鋼板

4 結(jié)論

根據(jù)《GB/T29086-2012鋼絲繩安全使用和維護(hù)》中5.2.4.6新鋼絲繩的“磨合”要求，新鋼絲繩在設(shè)備上投入使用之前，設(shè)備最好在低速、低載荷（約10%額定工作載荷）條件下，循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)新鋼絲繩一定次數(shù)來(lái)進(jìn)行“磨合”，確保新鋼絲繩及其附件調(diào)整到適應(yīng)實(shí)際工作狀態(tài)。但是不允許在滿載荷或超載荷條件下對(duì)鋼絲繩進(jìn)行“磨合”。應(yīng)仔細(xì)檢查，確保鋼絲繩正確纏繞到卷筒上，鋼絲繩在卷筒上無(wú)松弛或交叉重疊現(xiàn)象發(fā)生。

結(jié)合鋼絲繩在卷筒纏繞時(shí)出現(xiàn)陷繩和亂繩問(wèn)題的處理經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)鋼絲繩帶載纏繩的要求，建議在鋼絲繩投入使用之前，將鋼絲繩從最底層開始纏緊，按照10%單繩額定拉力、30%單繩額定拉力、50%單繩額定拉力，從第一層起至最高處，循環(huán)5次，可有效避免鋼絲繩在卷筒纏繞時(shí)出現(xiàn)陷繩和亂繩問(wèn)題。