摘要：钢丝绳在起重机系统中占据十分重要的地位，对于工业生产的安全性和可靠性起着至关重要的作用。起重机是吊运施工中常用的机械,钢丝绳必须具备优越的可靠性,一旦失效,后果难以设想。本文对钢丝绳失效的诸多因素进行了分析,以便提高钢丝绳的使用寿命,预防事故的发生。
关键词：起重机 ; 钢丝绳 ; 失效 ; 分析
引言
钢丝绳是应用最广泛的起重零件之一,它具有承载能力大、绕性好、运行平稳无噪音等优点,几乎所有的起重设备都使用钢丝绳来吊运货物。如果因失效发生突然断裂,将会造成严重的后果。因而,对钢丝绳进行失效分析,在安全和经济两方面具有重要意义。本文将对引起钢丝绳失效的诸多因素进行分析,以便能提高钢丝绳的使用寿命。
一、钢丝失效原因分析
钢丝绳由于其自身重量轻、承载能力强，而且利于环绕，使用起来比较可靠，在起重机中发挥着重要作用，被广泛应用于港口、冶金、开矿、运输等工程项目中。在起重机的长久使用过程中，钢丝绳会出现强度降低甚至断裂等失效情况，钢丝失效的原因主要来源于两个方面。第一是物理原因，起重机在提升和下降的过程中，钢丝绳需要承受拉伸、扭转、摩擦等作用力，随着提升重物质量的变化，钢丝绳所受到的作用力也相应改变，长久使用对于钢丝绳的磨损很大；第二是化学原因，由于起重机工作过程中钢丝绳大多暴露在空气中，有些特殊工作环境还会受到水、化学物的影响，使得钢丝的氧化加剧，氧化物的附着造成了钢丝提升系统的失效。鉴于物理和化学的原因，钢丝绳在起重机长久工作中由于自身的受力和外界环境的影响会逐渐失效，即钢丝绳的寿命是有限的。不同的钢丝型号所能承载的重量是不同的，应用的领域也会有所区别，在具体的实践中，我们需要根据工作强度和环境选择合适的钢丝绳，避免起重机超负荷工作，如果起重机超负荷工作的情况，那么钢丝绳的使用寿命将会大大缩短。
二、强度与伸长
根据设计,钢丝绳的最大断裂强度小于所有钢丝的集束强度,并与绳的结构和所用钢丝绳性能级别有关。在设计钢丝绳时,应考虑所有载荷因素(包括附加载荷、加速度、减速度、绳速等),滑轮和卷筒的数目和结构安装方式,产生腐蚀和磨损的条件以及绳的长度等。
钢丝绳受拉力作用时,各钢丝为要调整其位置以达到对应所加载荷的稳定性,将发生相对运行,由此产生的伸长有两种形式,当钢丝绳第一次承受载荷时,钢丝将稍微重新排列,产生一永久性伸长,即结构伸长;同时还产生一可恢复的伸长,即弹性伸长。结构伸长在一定程度上取决于所加载荷的大小。
钢丝绳中钢丝的直径愈小,弯曲所需力矩愈小,即韧性较大。通常含有钢丝数较多的钢丝绳和纤维芯钢丝绳的韧性较好,由较少钢丝组成的全金属钢丝绳的韧性较差,并且前者比后者具有较大的伸长量。韧性愈大抗失效性能愈好。
三、滑轮
滑轮主要尺寸最小卷绕直径用绳槽底部滑轮直径再加钢丝绳直径表示。随滑轮尺寸减小,由弯曲和钢丝绳与滑轮之间的接触压力所产生的应力而增大。弯曲应力越高,绳的钢丝产生疲劳越快。接触应力增加也加速绳的损伤,同时还加速滑轮的磨损。随滑轮尺寸的增大,绳与滑轮之间的压力下降,弯曲程度也减小。在起重机设计规范中，钢丝绳的最小弯曲直径需达到相关要求，一般机构工作级别较高的港口起重机需达到30倍钢丝绳直径。所以滑轮及卷筒的直径需符合响应规范要求，在条件允许下，应选用大直径的滑轮及卷筒。但是,除了必要设备之外,这样大直径的滑轮实际上很少采用,因为:①对于多数起重设备,采用这样大的滑轮是不切实际的。②在各种情况下,很少只存在着弯曲这单一因素。实际上除弯曲以外,还有很多影响绳寿命的因素,如重复施加的应力、磨损、敲打、冲击、振动、扭转、转速、卷筒卷扬失误、腐蚀以及缺乏维护等。这些因素中的一个或几个都比滑轮尺寸更影响绳的寿命。采用安全经济运行的一些因素来综合确定最佳滑轮尺寸,但有一点应注意,在钢丝绳中各接触点处的钢丝之间的巨大压力同因在小滑轮上工作而产生的大弯曲应力联合在一起,将会对钢丝绳的损伤失效起一定的作用。在这种不利条件下,钢丝的破断失效常发生在各个线股相互接触点之间及各个线股与绳芯接触点之间的部位,在这些部位破断的钢丝常常很难察觉,甚至不可能从外观上发现。因此,需在可行性、经济性上尽可能的选用大直径滑轮,以便能更有效地保证钢丝绳的损伤过程逐渐进行,而且发生在绳表面,使其容易发现和估计损伤程度。
四、滑轮绳槽
滑轮绳槽尺寸对钢丝绳的运行寿命有直接的影响。按起重机设计规范，绳槽半径与钢丝绳公称直径比值0.525~0.550之间。过大的绳槽直径，使得钢丝绳在通过绳槽时，没有适当的保持作用，导致钢丝绳出现内部的结构错位，影响使用寿命；过小的绳槽直径，将使得钢丝绳通过滑轮绳槽时出现过紧现象，加快钢丝绳的磨损。滑轮绳槽的直径不可能保持固定不变,其变化主要受钢丝绳的影响,并在很大程度上与滑轮材料和受到的压力有关。由于绳槽不断磨损,当一钢丝绳接近不能使用时,绳槽即已被磨耗成较小的尺寸。这样就存在一个问题,即每一次更换新钢丝绳时就要重新开绳槽或更换滑轮。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但在实际应用中,重新开槽或更换滑轮是不经济的。将滑轮重新开槽时,一般需先修整凸缘,然后将绳槽底部切制成适当直径。
同时，钢丝绳在和滑轮配合运行中，还会产生相对运动，钢丝绳与滑轮的硬度配合需达到一个相对合理的状态。通常按钢丝绳的硬度来确定滑轮轮槽的表面热处理硬度。一般来说，轮槽的硬度要适当的比钢丝绳钢丝硬度略大，但不能相差太大，否则会导致钢丝绳过快磨损。钢丝绳硬度通常为HRC47-52。按相关研究资料，滑轮硬度在HRC30-60之间，钢丝绳的使用寿命曲线呈双峰形，最高值分别在HRC30和HRC50附近，出于滑轮更换困难而需要提高其耐磨性，滑轮的硬度设置在HRC50-58。
五、钢丝绳压力
除了在滑轮上运动所引起的弯曲应力以外,钢丝绳还承受因其与滑轮接触而产生的径向压力。此压力会使钢丝绳中产生剪应力,改变钢丝绳的结构,并影响滑轮绳槽磨损率。因此,在选择最适当的钢丝绳结构时,应当考虑此压力的大小和滑轮材料的抗磨性能。
六、卷筒
卷筒尺寸、绳槽轮廓、压力与前面滑轮等讨论的情况相类似。
采用平滑表面卷筒时,实际径向压力比较高。这是因为钢丝绳仅一面受到支撑作用,其周边部分得不到支撑。对于这类卷筒,钢丝绳和卷筒的磨损都比有绳槽的卷筒严重,绳更容易因压力作用而受损伤。在弯曲应力是影响钢丝绳工作寿命的主要因素时,卷筒直径可比系统中的滑轮直径稍小一点,因为在每一个方向运行时,钢丝绳要在滑轮上弯曲两次,在卷筒上只弯曲一次。钢丝绳在每一滑轮上的运行情况是:当绳接近滑轮由直线变成与滑轮的曲率一致时,开始第一次弯曲;当绳再伸直离开滑轮时第二次弯曲。在有些情况下,绳的行程不大,在卷筒上来回运行时一部分绳不通过滑轮运动,则绳的弯曲次数减小,失效减缓。采用开槽的卷筒,如果卷筒绳槽轮廓适当,有助于使卷绳保持适当的位置。绳槽之间保持适当节距是十分重要的,以便使连续两绳匝之间获得足够而又不是过大的间隙。为了给多层卷绳提供适当的条件,绳槽中心线之间的节距,应在最大倾斜角的情况下足以防止钢丝绳互相接触。
七、其他失效因素
(1)腐蚀也是钢丝绳失效的常见因素,由于使用环境形成的腐蚀气氛,对钢丝绳寿命有较大影响。
(2)向钢丝绳施加冲击载荷及其发生振动,产生高频率的高弯曲应力,特别在钢丝绳末端连接点处振动作用最为严重,可造成疲劳失效。
(3)钢丝绳在工作过程如处于过高温度下,也会因抗拉强度降低而失效。从以上各种失效分析可知,起重机用钢丝绳的失效往往是多种因素综合积累而成。在实际失效事例分析中应综合分析,分清主次,找出主要失效原因,以利提高钢丝绳使用寿命。
（4）钢丝绳绕进或绕出滑轮槽时的最大偏斜角（即钢丝绳中心线和与滑轮轴垂直的平面之间的夹角）推荐不大于5°。钢丝绳绕进或绕出卷筒时，钢丝绳中心线偏离螺旋槽中心线两侧的角度推荐不大于3.5°。对于光卷筒和多层卷绕卷筒，钢丝绳中心线偏离与卷筒轴垂直的平面的角度推荐不大于2°。
八、结语
总的来说，钢丝绳在起重机系统中发挥着至关重要的作用，正是因此，钢丝一旦存在缺陷，对于整个起重机系统来说都是很大的危险隐患有关钢丝失效原因的分析可见，钢丝失效既有物理的原因也有化学的原因，选择合适型号的钢丝。钢丝绳破断失效的主要原因在于滑轮部的钢丝受到交变的拉伸和弯曲应力的作用,又有振动,因而发生摩损,进而导致疲劳破坏。外层钢丝的断丝主要是由于弯曲疲劳破坏所致。作为防止钢丝绳失效的措施,应考虑如下几点:适当加大滑轮直径,可延长钢丝绳使用寿命;对钢丝绳整体要经常进行严格、全面的检查;尽量避免机械的振动等。
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[7]起重机设计规范 GB3811-2008.
论文作者:何健勇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第22期
论文发表时间:2018/9/12
标签：钢丝绳论文; 滑轮论文; 卷筒论文; 起重机论文; 钢丝论文; 弯曲论文; 直径论文; 《基层建设》2018年第22期论文;