礦用鋼絲繩檢測(cè)中鋼絲矯直對(duì)破斷力的影響研究

李沅羲

（唐山冀東礦業(yè)安全檢測(cè)檢驗(yàn)有限公司 河北唐山 063000）

礦用鋼絲繩在煤礦安全生產(chǎn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其質(zhì)量是否達(dá)標(biāo)、應(yīng)用方法是否正確會(huì)對(duì)生產(chǎn)安全及相關(guān)人員的人身安全造成直接影響。因此，要采取正確的方式來(lái)檢測(cè)礦用鋼絲繩，需要對(duì)礦用鋼絲繩矯直與否對(duì)破斷力直接造成的影響進(jìn)行分析，完成對(duì)鋼絲繩安全性的研究。

1 檢測(cè)礦用鋼絲繩現(xiàn)狀與研究的意義

礦山企業(yè)中的鋼絲繩主要應(yīng)用在立井提升、懸掛吊盤(pán)、斜井提升、運(yùn)輸工作人員等多個(gè)方面。礦用鋼絲繩作為礦井中的一項(xiàng)重要部件，其性能和質(zhì)量會(huì)對(duì)生產(chǎn)人員及生產(chǎn)作業(yè)安全造成直接的影響。同時(shí)，受作業(yè)環(huán)境、人員操作等多項(xiàng)因素影響，礦用鋼絲繩是整個(gè)提升設(shè)備中最終容易遭受破壞的一項(xiàng)部件，其壽命長(zhǎng)度對(duì)生產(chǎn)工作及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益造成直接影響，如果鋼絲繩出現(xiàn)斷裂問(wèn)題，將會(huì)引發(fā)事故，可見(jiàn)，要加強(qiáng)對(duì)礦用鋼絲繩檢測(cè)的探究。總而言之，對(duì)檢測(cè)方法及相關(guān)內(nèi)容的探究和分析意義重大。通過(guò)對(duì)多年來(lái)礦山企業(yè)檢測(cè)鋼絲繩工作的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，以及企業(yè)反饋的各項(xiàng)信息來(lái)看，檢測(cè)礦用鋼絲繩現(xiàn)狀如下。

對(duì)于立井提升中摩擦式鋼絲繩、懸掛吊盤(pán)用鋼絲繩及傾斜架空乘人裝置檢測(cè)，缺少合理監(jiān)督措施和檢測(cè)方法，這都會(huì)對(duì)最終等級(jí)檢測(cè)結(jié)果造成不良影響，無(wú)法獲取到精準(zhǔn)檢測(cè)結(jié)果。

送入到試驗(yàn)室內(nèi)的待檢測(cè)鋼絲繩樣品代表性差，這可能會(huì)導(dǎo)致最終檢測(cè)結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確反映鋼絲繩質(zhì)量。

需要制定一套合理的檢測(cè)方法，將其應(yīng)用到檢測(cè)礦用鋼絲繩中，對(duì)于鋼絲繩報(bào)廢前的過(guò)程進(jìn)行全方位檢測(cè)。

為了提高檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性，需要對(duì)檢測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，做好相應(yīng)分析工作。而對(duì)礦用鋼絲繩檢測(cè)來(lái)說(shuō)，檢測(cè)前是否進(jìn)行鋼絲矯直處理是影響檢測(cè)工作開(kāi)展及檢測(cè)最終結(jié)果的一項(xiàng)重要內(nèi)容，因此，需要加強(qiáng)對(duì)這一內(nèi)容的探討。

2 影響礦用鋼絲繩壽命的各項(xiàng)因素

礦用鋼絲繩壽命會(huì)受到不同因素影響，具體如下。

2.1 生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝是影響礦用鋼絲繩壽命長(zhǎng)度的一項(xiàng)重要因素。通過(guò)對(duì)鋼絲繩的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，其是由繩芯和繩股共同構(gòu)成的，其中，繩股是構(gòu)成鋼絲繩的一項(xiàng)重要部分，除了單股鋼絲外，還有不少于4股繩股。礦用提升鋼絲繩常見(jiàn)的繩股主要有6 股、8 股、18 股等幾種形式。鋼絲繩中的繩芯主要有纖維繩芯和金屬繩芯兩種類(lèi)型。繩股鋼絲與生產(chǎn)作業(yè)中采用的捻制工藝會(huì)直接影響鋼絲繩的最終質(zhì)量，但是從實(shí)際使用的情況來(lái)看，鋼絲通常是采用高質(zhì)量的鋼錠，采取熱軋方式，制作成直徑相對(duì)較細(xì)的圓鋼，然后通過(guò)多次冷拔后，將其制作直徑不同的鋼絲。在具體生產(chǎn)過(guò)程中，若鋼絲和捻制工藝無(wú)法達(dá)到預(yù)期，勢(shì)必會(huì)對(duì)制造的鋼絲繩質(zhì)量造成直接影響，導(dǎo)致其無(wú)法滿足應(yīng)用需求，在具體應(yīng)用時(shí)可能會(huì)發(fā)生突然斷裂現(xiàn)象，這不但會(huì)對(duì)生產(chǎn)作業(yè)造成不良影響，而且會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)鹑藛T傷亡，危害巨大。

2.2 應(yīng)用因素

將鋼絲繩投入使用后，各種不同類(lèi)型的損傷是破壞鋼絲繩性能、縮短其應(yīng)用壽命的關(guān)鍵影響因素，而機(jī)械損傷也是鋼絲繩的主要損傷類(lèi)型，通過(guò)對(duì)大量鋼絲繩出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，其中較為常見(jiàn)的形式如下。

第一，礦用鋼絲繩發(fā)生斷絲而縮短其壽命，對(duì)其應(yīng)用造成不良影響。對(duì)于礦用鋼絲繩來(lái)說(shuō)，主要有制造斷絲和使用斷絲兩種不同類(lèi)型。制造斷絲的出現(xiàn)就是由于在進(jìn)行捻制時(shí)，采用的捻制工藝不合理及鋼絲存在中斷情況造成的；使用斷絲指的是礦用鋼絲繩在長(zhǎng)期應(yīng)用期間，繩輪上及卷筒上鋼絲繩發(fā)生多次彎曲，這會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩發(fā)生嚴(yán)重疲勞現(xiàn)象，會(huì)降低鋼絲繩在具體應(yīng)用時(shí)的韌性，最終在應(yīng)用期間會(huì)發(fā)生斷絲問(wèn)題。從大量的礦用鋼絲應(yīng)用情況來(lái)看，除了疲勞絲之外，還包括銹蝕斷絲、損傷斷絲、拉斷斷絲等情況，其中，拉斷斷絲與礦用鋼絲自身性能有著直接影響，斷絲會(huì)大幅度縮短礦用鋼絲壽命。

第二，磨損縮短鋼絲繩壽命。磨損主要分為內(nèi)部磨損和外部磨損。內(nèi)部磨損集中在礦用鋼絲繩在具體應(yīng)用時(shí)壓力集中一側(cè)，鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間會(huì)產(chǎn)生作用力，這將會(huì)導(dǎo)致絲與絲、股與股間產(chǎn)生的作用力不斷改變，鋼絲繩內(nèi)部將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重磨損，如果應(yīng)力集中或應(yīng)用過(guò)于頻繁，或遭受到的瞬間沖擊力，將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，會(huì)大幅度縮短鋼絲繩壽命。外部磨損指的是鋼絲繩在應(yīng)用期間，其表面會(huì)與卷筒、繩輪、托輥表面發(fā)生摩擦，而這一摩擦現(xiàn)象是長(zhǎng)期存在的，隨著時(shí)間的推移，鋼絲繩經(jīng)磨損會(huì)不斷變細(xì)，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷絲，最終降低整個(gè)鋼絲繩的破斷拉力。

第三，過(guò)載是縮短礦用鋼絲繩壽命的一項(xiàng)重要因素。鋼絲繩在長(zhǎng)期應(yīng)用期間會(huì)發(fā)生局部磨損和微量縮頸現(xiàn)象，若荷載超出了鋼絲繩塑性變形極限值，可能會(huì)出現(xiàn)整繩斷裂或斷絲現(xiàn)象。但是，鋼絲繩在時(shí)間應(yīng)用過(guò)程中都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，鋼絲繩不僅需要承受自重、載重之外，還要關(guān)注沖擊和加速度而引起的荷載及由于摩擦而引起的附加荷載，各種荷載相互疊加，將會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩在應(yīng)用時(shí)發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象。

2.3 銹蝕因素

礦用鋼絲繩的應(yīng)用環(huán)境相對(duì)惡劣，經(jīng)常會(huì)遭受巷道酸堿性、氣體腐蝕等各項(xiàng)因素影響，鋼絲繩表層會(huì)遭受化學(xué)腐蝕，會(huì)出現(xiàn)麻坑、黑皮等各種不良現(xiàn)象。含有酸堿性的氣體或淋水，一方面會(huì)沖刷鋼絲內(nèi)部和表面防腐油脂，另一方面還會(huì)腐蝕鋼絲繩內(nèi)芯，導(dǎo)致鋼絲繩出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕。長(zhǎng)時(shí)間銹蝕會(huì)大幅度降低鋼絲強(qiáng)度，這一腐蝕會(huì)超出鋼絲繩正常疲勞和腐蝕對(duì)于鋼絲繩造成的影響。

3 檢測(cè)鋼絲繩破斷力的方法

3.1 澆鑄法

采用熔融金屬澆鑄試樣散頭，然后冷卻到常溫，將鋼絲夾持在試驗(yàn)機(jī)鉗口座內(nèi)，開(kāi)展拉伸試驗(yàn)。該方法主要適合應(yīng)用在繩徑大于6mm的鋼絲繩的檢測(cè)中。

3.2 套壓法

通過(guò)套管將試樣頭壓緊，然后采用試驗(yàn)機(jī)鉗口進(jìn)行夾持，開(kāi)展拉伸試驗(yàn)。該方法適合應(yīng)用在檢測(cè)金屬芯類(lèi)鋼絲繩的破斷力，如果在實(shí)際檢測(cè)中檢測(cè)的為纖維芯鋼絲繩，若采取套壓法開(kāi)展相應(yīng)的檢測(cè)工作，為了確保最終檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，應(yīng)當(dāng)將套壓處的纖維芯去除，采用同股徑鋼芯對(duì)該段進(jìn)行填充處理，然后再進(jìn)行套壓。

3.3 纏繞法

通過(guò)卷輪進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)展檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)人員將試樣直接纏繞在卷輪上，然后通過(guò)試驗(yàn)。該方法主要適合應(yīng)用在繩徑小于30mm 的鋼絲繩的檢測(cè)中，而直徑超過(guò)30mm的鋼絲繩最好采取澆鑄法進(jìn)行檢測(cè)。

3.4 直接夾持法

將試樣直接夾持在試驗(yàn)機(jī)鉗上開(kāi)展檢測(cè)。

4 檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

4.1 礦用鋼絲矯直概況

在檢測(cè)鋼絲前，檢測(cè)機(jī)構(gòu)需要矯直礦用鋼絲。在具體矯直時(shí)，不得采用鋼鐵器，可以采用硬質(zhì)塑料、木頭、銅錘等進(jìn)行，這樣做的核心目的就是避免鋼絲由于矯直而導(dǎo)致其遭受損傷，影響檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)部門(mén)將需要檢測(cè)的鋼絲送到制樣間后，要依據(jù)的相關(guān)產(chǎn)品的具體標(biāo)準(zhǔn)及采用的試驗(yàn)方法，利用切樣機(jī)將待檢測(cè)鋼絲切割為符合實(shí)際長(zhǎng)度的鋼絲樣本。由于散開(kāi)的鋼絲將會(huì)成螺旋狀，在這一情況下，無(wú)法直接開(kāi)展檢測(cè)工作，因此，開(kāi)展檢測(cè)作業(yè)時(shí)，要進(jìn)行矯直后才能開(kāi)展后續(xù)檢測(cè)作業(yè)。從目前整個(gè)行業(yè)的發(fā)展情況來(lái)看，許多鋼絲繩生產(chǎn)廠家及檢測(cè)機(jī)構(gòu)都要對(duì)鋼絲繩進(jìn)行矯直處理。具體檢測(cè)工作主要運(yùn)用人工方式，即人工利用木棰或銅棒對(duì)鋼絲進(jìn)行加矯直，基于此，也出現(xiàn)了部分鋼絲矯直器，但是從實(shí)際情況來(lái)看，矯直機(jī)器自由度和靈活度都較小，而且作業(yè)效率、費(fèi)電耗材等方面與人工方法相比存在較大差距，可實(shí)施性較低，難以達(dá)到預(yù)期。因此，為了完成相應(yīng)分析工作，采用人工矯直鋼絲對(duì)比試驗(yàn)方法進(jìn)行探討。

4.2 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 試驗(yàn)方法分析

對(duì)鋼絲繩進(jìn)行拆股處理，拆散的每股每絲，相關(guān)工作人員通過(guò)對(duì)硬質(zhì)塑料墩和銅錘進(jìn)行矯直處理，矯直一半，同時(shí)，利用切絲器將絲樣從彎直部分處切斷，將未矯直螺旋絲與矯直鋼絲進(jìn)行逐一備份，嚴(yán)格依據(jù)拉力試驗(yàn)操作規(guī)范要求的拉力試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展相應(yīng)試驗(yàn)工作，同時(shí)，要對(duì)通過(guò)試驗(yàn)獲取到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)比完成后續(xù)分析工作。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

一共分析了20組鋼絲繩，矯直前后鋼絲破斷拉力情況如表1所示。

表1 矯直前后鋼絲破斷拉力情況

通過(guò)表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于同一根鋼絲來(lái)說(shuō)，未矯直鋼絲破斷拉力與矯直后的鋼絲進(jìn)行對(duì)比并不大；對(duì)于同一外觀沒(méi)有出現(xiàn)缺陷的鋼絲破斷拉力來(lái)說(shuō)，鋼絲的斷拉力是相等的，但是力值會(huì)出現(xiàn)不均勻的改變。

4.2.3 分析試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)未矯試驗(yàn)鋼絲破斷后的采樣進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，部分鋼絲在中間部位出現(xiàn)了隨機(jī)斷裂現(xiàn)象，而另一部分?jǐn)嗔鸭性阢Q口處。具體分析內(nèi)容如下。

第一，鉗口斷裂鋼絲。矯直時(shí)，不得對(duì)鋼絲表面造成損傷。在對(duì)鋼絲進(jìn)行矯直處理時(shí)，要采取應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)小于鋼絲硬度的材質(zhì)開(kāi)展，確保經(jīng)過(guò)矯直處理后的鋼絲表面不會(huì)遭受到損傷。例如，采用LJ-5000 破斷拉力試驗(yàn)機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)作業(yè)，在具體處理時(shí)，因?yàn)榇幚淼匿摻z位于鉗口夾持拉伸階段處于彎曲狀態(tài)，鉗口夾板會(huì)導(dǎo)致彎曲部分鋼絲夾持兩端自受力上會(huì)出現(xiàn)受力不均勻現(xiàn)象，一面為線受力，另一面則為點(diǎn)受力，這一項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致鋼絲外表面遭受到輕微損傷，這會(huì)導(dǎo)致未經(jīng)過(guò)矯直垂直的鋼絲在鉗口處發(fā)生破斷。由此可見(jiàn)，未經(jīng)過(guò)矯直處理的鋼絲破斷力與矯直處理的鋼絲相比，夾持平面的受力會(huì)小于鋼絲破斷拉力。

第二，分析中間出現(xiàn)隨機(jī)斷裂的鋼絲。通過(guò)對(duì)鋼絲鉗口產(chǎn)生的切應(yīng)力損傷進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，其已經(jīng)不是主要原因，造成這一現(xiàn)象的主要原因是螺旋狀?yuàn)A持器夾持拉伸后，在鋼絲繩表面將會(huì)發(fā)生擰旋，這會(huì)導(dǎo)致鋼絲表面由于受力的不均而發(fā)生斷裂問(wèn)題，并非垂直鋼豎直方向重力，而是通過(guò)擰旋斜向力中豎直方向風(fēng)力被拉力機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確顯示。通過(guò)對(duì)大量的試驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，采取的人工方式對(duì)鋼絲進(jìn)行矯直處理時(shí)，在具體處理時(shí)，受操作人員操作情況、試驗(yàn)環(huán)境等各項(xiàng)內(nèi)容影響，會(huì)發(fā)生直接矯直擰旋現(xiàn)象。但是，從實(shí)際情況來(lái)看，采取人工方式矯直處理后的鋼絲會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橹睏l狀，而擰旋水平方向的力矩與彎曲鋼絲直接拉直擰旋形成的水平方向的力矩相比，前者要小很多。

5 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展礦用鋼絲繩檢測(cè)試驗(yàn)期間，通過(guò)對(duì)比未矯直和矯直的鋼絲破斷力試驗(yàn)獲取到的數(shù)據(jù)，獲取到了影響鋼絲破斷力值的因素主要有鉗口夾持對(duì)于鋼絲表面造成的損傷及直接拉直斷裂形成的擰旋水平力，受這兩項(xiàng)因素影響，將會(huì)導(dǎo)致未經(jīng)過(guò)矯直處理的鋼絲測(cè)得破斷力值小于采取正確矯直的鋼絲，這會(huì)對(duì)真實(shí)破斷力試驗(yàn)結(jié)果造成不良影響。采取正確方式對(duì)鋼絲進(jìn)行矯直處理，經(jīng)過(guò)處理后的鋼絲性能發(fā)生的變化微乎其微，通過(guò)試驗(yàn)獲取到數(shù)據(jù)能夠反映鋼絲的性能。