金屬芯鋼絲繩斷絲原因分析與預(yù)防

摘 要：吊運(yùn)熔化或熾熱金屬的起重機(jī)為避免高溫對鋼絲繩繩芯的損傷，應(yīng)采用金屬繩芯或金屬股芯等有耐高溫性能的重要用途鋼絲繩。金屬芯鋼絲繩具有破斷拉力大、抗擠壓和耐高溫特點(diǎn)，可在使用中卻發(fā)現(xiàn)金屬芯鋼絲繩斷絲頻率很高，本文就高溫環(huán)境下使用的金屬芯鋼絲繩斷絲原因進(jìn)行分析，并對相應(yīng)的預(yù)防措施作了介紹。

關(guān)鍵詞：金屬芯鋼絲繩；斷絲；彎曲疲勞；高溫；磨損

鋼絲繩具有自重輕、強(qiáng)度高、彈性好、工作平穩(wěn)、承受動(dòng)載和過載能力強(qiáng)、卷繞噪聲小、適合高速運(yùn)行等特點(diǎn)，是起重機(jī)械的重要零件之一，在橋（門）式起重機(jī)中，鋼絲繩主要用于起升機(jī)構(gòu)，承受起吊重物時(shí)的各種沖擊以及卷筒纏繞和滑輪彎曲，同時(shí)起重機(jī)上的鋼絲繩所處工作環(huán)境和條件相對較為惡劣，因此鋼絲繩出現(xiàn)各類損傷就不可避免了，損傷導(dǎo)致強(qiáng)度降低，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生突然斷裂事故。鋼絲繩產(chǎn)生損傷的主要模式有斷絲、磨損、銹蝕和扭結(jié)等，斷絲是最常見，也是出現(xiàn)頻率最高的一種損傷模式。

鋼絲繩是由一定數(shù)量的鋼絲和繩芯經(jīng)過捻制而成。首先將鋼絲捻成股，然后將若干股為圍繞著繩芯制成繩。鋼絲是鋼絲繩的基本強(qiáng)度單位，繩芯是被繩股所纏繞的撓性芯棒，起著支撐和固定繩股的作用，并可以儲存潤滑油，增加鋼絲繩的撓性。按繩芯分類，鋼絲繩分為金屬芯鋼絲繩和纖維芯鋼絲繩。

纖維芯鋼絲繩柔軟，彎曲性能好，鋼絲繩在工作中受碰撞和沖擊載荷時(shí)，纖維芯能起到緩沖作用；天然纖維芯儲油多，鋼絲繩在工作時(shí)，內(nèi)部有足夠的潤滑，并能減緩鋼絲的腐蝕，現(xiàn)普遍使用在一般工作環(huán)境的起重機(jī)上。

在高溫環(huán)境工作的起重機(jī)為避免高溫對鋼絲繩繩芯的損傷應(yīng)使用耐高溫的鋼絲繩，GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：吊運(yùn)熔化或熾熱金屬的鋼絲繩應(yīng)采用金屬繩芯或金屬股芯等有耐高溫性能的重要用途鋼絲繩。金屬芯鋼絲繩具有耐高溫、破斷拉力大、彈性模量大、抗擠壓、繩徑穩(wěn)定的特點(diǎn)，在實(shí)際使用中，金屬芯鋼絲繩比纖維芯鋼絲繩出現(xiàn)斷絲的頻率更高。下面，對金屬芯鋼絲繩斷絲頻率高的原因進(jìn)行分析，并提出一些相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 斷絲原因分析

斷絲主要由疲勞和磨損引起。鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲、拉伸、扭曲、振動(dòng)引起的疲勞。鋼絲繩疲勞損傷的機(jī)理是在交變應(yīng)力的作用下，鋼絲表面首先由于各種滑移形成初始裂紋，然后裂紋尖端在切應(yīng)力的作用下反復(fù)塑性變形，使裂紋擴(kuò)展而產(chǎn)生的斷裂。彎曲疲勞是指鋼絲繩反復(fù)繞過滑輪或卷筒，無數(shù)次的彎曲容易使鋼絲產(chǎn)生疲勞，韌性下降，最終導(dǎo)致斷絲；在起動(dòng)和制動(dòng)的始末，鋼絲繩在承受載荷的前后，變化的拉伸應(yīng)力會引起金屬疲勞；鋼絲繩經(jīng)常受到扭曲和振動(dòng)也是產(chǎn)生疲勞的原因。

磨損會導(dǎo)致鋼絲繩變細(xì)，磨損是指鋼絲繩的機(jī)械磨損，它包括外部的均勻磨損、變形磨損、內(nèi)部磨損、單面磨損、擠壓磨損。外部磨損是指鋼絲繩在使用過程中，由于與滑輪、卷筒等接觸而產(chǎn)生的鋼絲磨損；變形磨損是指鋼絲繩與滑輪經(jīng)常產(chǎn)生慢性移位，鋼絲繩在滑輪上劇烈振動(dòng)、沖擊，或者由于滑輪與卷筒中心偏移而產(chǎn)生的咬繩現(xiàn)象造成的；內(nèi)部磨損是指鋼絲繩在使用過程中，經(jīng)過滑輪或卷筒時(shí)，鋼絲繩所承受的全部載荷壓在鋼絲繩一側(cè)，同時(shí)由于鋼絲的彎曲，股中鋼絲產(chǎn)生移動(dòng)，這時(shí)股與股之間接觸應(yīng)力最大，而使相鄰股間的鋼絲產(chǎn)生局部壓痕深凹，當(dāng)反復(fù)拉伸彎曲時(shí)，在深凹處產(chǎn)生應(yīng)力集中而折斷；單面磨損是指鋼絲繩在不光滑的滑輪輪槽內(nèi)或滑輪不轉(zhuǎn)動(dòng)而造成；擠壓磨損是指由于滑輪輪緣破損，鋼絲繩與輪緣破損處摩擦而造成的磨損現(xiàn)象。

1.1 鋼絲繩情況

鋼絲繩在使用中要無數(shù)次彎曲、重復(fù)繞過滑輪和卷筒，鋼絲就會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，在一段時(shí)間后，鋼絲就會出現(xiàn)疲勞和韌性下降等彎曲疲勞情況，并最終導(dǎo)致斷絲，鋼絲繞繩輪時(shí)，鋼絲的彎曲應(yīng)力

？滓=■·E （1-1）

？啄-鋼絲直徑；D-繩輪直徑（即鋼絲彎曲曲率半徑）；E-彈性模量；？滓-鋼絲最大彎曲應(yīng)力

金屬芯鋼絲繩韌性相對較低，既彈性模量較大，所以彎曲應(yīng)力相對較大，更易出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。

1.2 滑輪情況

鋼絲繩主要與滑輪接觸、摩擦，因此滑輪對鋼絲繩的磨損至關(guān)重要。

JB/T7688.1-95《冶金起重機(jī)技術(shù)條件》規(guī)定：采用鑄造滑輪時(shí)應(yīng)采用符合或性能不低于ZB J80 006規(guī)定的滑輪，推薦采用鑄鋼滑輪。鑄鋼滑輪的強(qiáng)度和沖擊韌性比鑄鐵滑輪要高，但表面較硬，鋼絲繩與之接觸、摩擦，更易造成磨損。

鑄鋼滑輪的表面儲油性比鑄鐵滑輪要差，因此鋼絲繩與鑄鋼滑輪間的摩擦力也就較大，更易造成鋼絲繩磨損。

1.3 環(huán)境因素

據(jù)對麻芯鋼絲繩潤滑研究，新鋼絲繩麻芯一般含有12%～15%的油脂，而報(bào)廢的鋼絲繩在損耗最大的部位僅含2.4%的油脂，涂油鋼絲繩在試驗(yàn)后期發(fā)生的斷絲約為不涂油的半數(shù)。一根鋼絲繩最初的含油量只能維持壽命的40%，其后如不加油則斷絲急劇增加，因此鋼絲繩的潤滑在一定條件下成為影響鋼絲繩壽命的關(guān)鍵因素。金屬芯儲油性較差，因此金屬芯鋼絲繩內(nèi)部的潤滑條件較差，同時(shí)金屬芯鋼絲繩通常工作在高溫環(huán)境下，鋼絲繩上所涂的潤滑油會因高溫稀釋并滑落，造成鋼絲繩因缺油而過早出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。并且由于鋼絲繩表面缺油而增大鋼絲繩與滑輪之間的摩擦力，導(dǎo)致表面鋼絲出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象。

采用金屬芯鋼絲繩的起重機(jī)主要用于吊運(yùn)鋼水或澆注鋼錠等作業(yè)，現(xiàn)場條件惡劣，粉塵大，鋼絲繩表面易吸附粉塵顆粒形成磨料，加大了鋼絲繩的磨損。

2 預(yù)防措施

2.1 根據(jù)公式（1-1），鋼絲繩的彎曲疲勞壽命與D/d比值（即卷筒、滑輪直徑D與鋼絲繩直徑d的比值）有密切的關(guān)系，卷筒和滑輪越大，鋼絲繩在卷筒和滑輪處的彎曲程度越小，彎曲應(yīng)力也越小。因此GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)起重機(jī)進(jìn)行危險(xiǎn)物品裝卸作業(yè)（如吊運(yùn)液態(tài)熔融金屬等）宜按比該類起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)常用的工作級別高一級的機(jī)構(gòu)來選擇鋼絲繩滑輪和卷筒的卷繞直徑。在條件許可的情況下，應(yīng)盡可能使卷筒和滑輪的直徑加大。

2.2 潤滑就是減少摩擦阻力、磨損，進(jìn)而減少斷絲、斷股，延長鋼絲繩的壽命。鋼絲繩在不斷變換的拉升、松弛、滾動(dòng)、牽引過程中，繩絲之間、繩與輪、繩與繩之間經(jīng)常產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)摩擦，潤滑的作用就是降低這種摩擦系數(shù)，使鋼絲繩中鋼絲受力均勻.提高鋼絲的疲勞彎曲性能。這就要求在鋼絲繩的使用周期中自始至終保持潤滑性能，要求潤滑油在鋼絲間、銅絲與輪間受壓狀態(tài)下保持一定的油膜，防止金屬間直接摩擦。所以，要定期對鋼絲繩進(jìn)行潤滑，使之經(jīng)常處于良好的潤滑狀態(tài)，對鋼絲繩的潤滑也應(yīng)按要求操作，在鋼絲繩潤滑之前，應(yīng)將鋼絲繩表面上積存的污垢和鐵銹清除干凈，然后用加熱到80℃左右的潤滑油蘸浸鋼絲繩，使?jié)櫥湍艹浞纸傅戒摻z繩的內(nèi)部繩芯中去。

2.3 定期對滑輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行潤滑；定期對鋼絲繩和滑輪輪槽表面油污、雜質(zhì)進(jìn)行清理。

鋼絲繩的斷絲類型還有銹蝕斷絲、剪切斷絲、過載斷絲和扭結(jié)斷絲等，通過了解和掌握鋼絲繩產(chǎn)生損傷的模式及其原因，采取相應(yīng)的預(yù)防措施，不但可以延長鋼絲繩的使用壽命，提高鋼絲繩使用的經(jīng)濟(jì)性，而且為鋼絲繩使用的安全性提供保障。

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[5]JB/T7688.1-95《冶金起重機(jī)技術(shù)條件》

作者簡介：張明華（1974，8-），單位：寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院；職務(wù)：工程師；研究方向：鋼絲繩檢驗(yàn)技術(shù)。