起重機(jī)鋼絲繩使用壽命與選擇分析

劉漢楠

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院佛山檢測院,廣東佛山 528000)

起重機(jī)鋼絲繩使用壽命與選擇分析

劉漢楠

(廣東省特種設(shè)備檢測研究院佛山檢測院,廣東佛山 528000)

鋼絲繩是起升機(jī)構(gòu)中的重要零件,在保證制造質(zhì)量的前提下, 使用因素對(duì)鋼絲繩的使用壽命有很大的影響,起重機(jī)上使用的鋼絲繩使用過程中會(huì)出現(xiàn)損傷現(xiàn)象,鋼絲繩的損傷或斷裂的重大事故一旦發(fā)生后果很嚴(yán)重。為了確保使用中鋼絲繩的安全運(yùn)行,掌握鋼絲繩的損傷規(guī)律,并找到相應(yīng)的防治措施,延長鋼絲繩的使用壽命。

鋼絲繩 起升機(jī)構(gòu) 使用壽命

起重機(jī)是現(xiàn)代化生產(chǎn)的主要設(shè)備之一，其中起重機(jī)用鋼絲繩的安全性是起重設(shè)備安全性的重要組成部分。因鋼絲繩的損傷或破斷而產(chǎn)生的重大事故時(shí)有發(fā)生，因此為了確保使用中的鋼絲繩的安全運(yùn)行，掌握鋼絲繩的損傷規(guī)律及防治方法很有必要。本文主要分析了影響起重機(jī)鋼絲繩使用壽命的因素，指出了提高鋼絲繩壽命的具體措施，對(duì)正確使用鋼絲繩，提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的指導(dǎo)作用。

1 鋼絲繩直徑的選擇計(jì)算

為便于計(jì)算鋼絲繩的直徑，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范提供了安全系數(shù)法和C系數(shù)法。

1.1 安全系數(shù)法

安全系數(shù)法按與鋼絲繩所在機(jī)構(gòu)工作級(jí)別有關(guān)的安全系數(shù)選擇鋼絲繩直徑，對(duì)運(yùn)動(dòng)繩和靜止繩都適用。所選鋼絲繩的標(biāo)稱破斷拉力F0應(yīng)滿足下式：

F0≥Sn。

其中：S為鋼絲繩最大工作靜拉力，N；n為安全系數(shù)。

對(duì)于吊運(yùn)危險(xiǎn)載荷的起重用鋼絲繩，一般應(yīng)選擇比設(shè)計(jì)工作級(jí)別高一級(jí)的工作級(jí)別；對(duì)起升機(jī)構(gòu)工作級(jí)別為M7、M8的某些冶金起重機(jī)和港口集裝箱起重機(jī)等，在使用過程中能監(jiān)控鋼絲繩劣化損傷發(fā)展進(jìn)程，在保證安全使用、一定壽命和及時(shí)更換鋼絲繩的前提下，允許按稍低的工作級(jí)別選擇鋼絲繩。對(duì)冶金起重機(jī)最低安全系數(shù)不應(yīng)小于7.1；港口集裝箱起重機(jī)主起升鋼絲繩和小車曳引鋼絲繩的最低安全系數(shù)不應(yīng)小于6；伸縮臂架用的鋼絲繩，安全系數(shù)不應(yīng)小于4。

1.2 C系數(shù)法

C系數(shù)法只適用于運(yùn)動(dòng)繩，其鋼絲繩最小直徑dmin(mm)為：

鋼絲繩的選擇系數(shù)C，可按下式計(jì)算：

其中：k為標(biāo)稱捻制換算系數(shù)，即鋼絲繩標(biāo)稱破斷拉力F0與鋼絲繩計(jì)算破斷拉力的比值；σt為鋼絲的抗拉強(qiáng)度，N/mm2；f為鋼絲填充系數(shù)，即鋼絲繩中鋼絲總橫截面積與鋼絲繩標(biāo)稱橫截面積的比值。

起重機(jī)常用的鋼絲繩為6×19W(S)型，其纖維芯鋼絲繩k＝0.330，金屬絲繩芯(IWR)或金屬絲股芯(IWS)鋼絲繩k＝0.356。由運(yùn)動(dòng)繩的安全系數(shù)所計(jì)算出來的C值可由設(shè)計(jì)手冊查到。

2 選擇鋼絲繩型號(hào)時(shí)需要考慮的因素

根據(jù)不同的使用目的，鋼絲繩的構(gòu)造和捻制方法各不相同。根據(jù)鋼絲的強(qiáng)度等級(jí)可分為1570N/mm2、1770N/mm2、1870N/m m2、11960N/mm2、2160N/mm2等級(jí)；根據(jù)捻繞次數(shù)可分為單繞繩、雙繞繩和三繞繩；根據(jù)捻制的相互方向可分為右交互捻、左交互捻、右同向捻和左同向捻；根據(jù)繩股內(nèi)鋼絲與鋼絲之間的接觸狀態(tài)可分為點(diǎn)接觸繩、線接觸繩和面接觸繩；根據(jù)股的形狀可分為圓形股、三角形股、橢圓股和扁股；根據(jù)股的數(shù)目可分為6股繩、8股繩和18股繩等；根據(jù)繩芯材料可分為纖維芯、金屬芯和塑膠芯；根據(jù)鋼絲表面狀態(tài)可分為光面鋼絲繩和鍍鋅鋼絲繩。不同的構(gòu)造具有不同的特點(diǎn)，適用于不同的場所，因此除按照安全系數(shù)法和C系數(shù)法計(jì)算出所需要的鋼絲繩直徑外，還需綜合考慮鋼絲繩的強(qiáng)度等級(jí)、結(jié)構(gòu)型式、使用場所等諸多因素，從而最終選定鋼絲繩的型號(hào)。

2.1 卷筒方向與鋼絲繩選擇

鋼絲繩的捻制方向與鋼絲繩在卷筒上的卷繞方向應(yīng)相匹配，一般情況下右旋繩槽或者右向卷繞在光面卷筒上時(shí)，選擇左旋鋼絲繩；左旋繩槽或者左向卷繞在光面卷筒上時(shí)，選擇右旋鋼絲繩，如圖1所示。其中，大拇指指示鋼絲繩固定處，適用于光面卷筒和帶繩槽卷筒。

2.2 多層纏繞時(shí)需要考慮的因素

采用多層纏繞卷筒時(shí)，當(dāng)?shù)谝粚愉摻z繩卷繞在卷筒上后，鋼絲繩必須跨越下層鋼絲繩，以便在卷繞第二層鋼絲繩時(shí)提前跨越卷筒。上層鋼絲繩跨越下層鋼絲繩的點(diǎn)就是所謂的跨越點(diǎn)，在這些點(diǎn)周圍區(qū)域內(nèi)的鋼絲繩容易加劇磨損和擠壓。因此采用多層卷繞時(shí)在選擇鋼絲繩的構(gòu)造形式時(shí)需要注意：鋼繩芯鋼絲繩產(chǎn)生扭曲變形的可能性比纖維繩芯鋼絲繩小；采用壓實(shí)外層股捻制成的鋼絲繩能明顯抗擠壓和扭曲變形；采用塑膠繩芯和涂塑鋼絲繩能限制扭曲變形，同時(shí)能減少環(huán)境中濕氣的進(jìn)入。

2.3 起升高度與鋼絲繩選擇

選擇鋼絲繩時(shí)應(yīng)注意鋼絲繩結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)特性。如果鋼絲繩一端可自由旋轉(zhuǎn)(單繩纏繞)，則某些型式的鋼絲繩不能使用，而其他型式的鋼絲繩只能用于某一指定起升高度。如果鋼絲繩兩端固定(固定鋼絲繩和用于多繩纏繞系統(tǒng)的鋼絲繩)，則應(yīng)考慮扭轉(zhuǎn)量。在多繩纏繞布置中扭轉(zhuǎn)量具有使滑輪組產(chǎn)生角度位移的作用，因此，應(yīng)考慮達(dá)到與起升高度有關(guān)的足夠的鋼絲繩間距，以防止過大的角度位移(纏繞系統(tǒng)的穿繩)。纏繞系統(tǒng)的穩(wěn)定性與下列因素有關(guān)：(1)隨著鋼絲繩纏繞部件之間空間的減小而降低；(2)隨鋼絲繩纏繞部件的不均勻數(shù)量而降低；(3)隨起升高度的增加而降低；(4)隨鋼絲繩繩型的扭轉(zhuǎn)量(扭轉(zhuǎn)系數(shù))的增大而降低。所選鋼絲繩繩型的旋轉(zhuǎn)特性(旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和扭轉(zhuǎn)量)應(yīng)由鋼絲繩制造商提供。

2.4 溫度與鋼絲繩選擇

在選擇鋼絲繩時(shí)應(yīng)注意鋼絲繩制造商關(guān)于產(chǎn)品的安全須知和警告，特別應(yīng)注意鋼絲繩使用的極限溫度。對(duì)于吊運(yùn)熔融金屬的鑄造起重機(jī)，應(yīng)采用符合GB-8918中金屬絲繩芯或金屬絲股芯的鋼絲繩。

3 提高鋼絲繩壽命的措施

GB/T5972《起重機(jī)用鋼絲繩檢驗(yàn)和報(bào)廢實(shí)用規(guī)范》規(guī)定了鋼絲繩的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中充分考慮了斷絲的性質(zhì)和數(shù)量、繩端斷絲、斷絲的局部聚集、斷絲的增加率、繩股斷裂、繩徑減小、彈性降低、外部磨損、外部及內(nèi)部腐蝕、變形、由于受熱或電弧的作用而引起的損壞以及永久伸長的增加率等許多因素。為提高鋼絲繩的使用壽命，可根據(jù)導(dǎo)致鋼絲繩報(bào)廢的主要原因而采取相應(yīng)的措施。

3.1 疲勞

鋼絲繩疲勞通常是由于鋼絲繩在拉伸載荷的作用下反復(fù)彎曲所致，疲勞壽命主要與鋼絲繩承受的載荷、滑輪和卷筒的直徑與鋼絲繩直徑之比、鋼絲繩抗彎曲性能和工作循環(huán)次數(shù)等因素有關(guān)。對(duì)于以疲勞破壞為主的鋼絲繩，可以采取以下措施來提高使用壽命：(1)根據(jù)使用場所合理地選擇鋼絲繩的結(jié)構(gòu)形式和提高鋼絲繩選型的安全系數(shù)；(2)在卷繞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量減少鋼絲繩的彎折次數(shù)，彎折時(shí)，反向彎折所引起的鋼絲繩疲勞效果為同向彎折的兩倍，所以必須盡量避免反向彎折；(3)滑輪和卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d的比值也影響鋼絲繩的壽命，比值越大，即選用較大的滑輪與卷筒直徑對(duì)鋼絲繩的壽命越有利，故設(shè)計(jì)中規(guī)定了D/d所容許的最小比值；(4)滑輪與卷筒的材料太硬，對(duì)鋼絲繩壽命不利，試驗(yàn)表明，以鑄鐵滑輪代替鋼滑輪能提高鋼絲繩壽命10%～20%。

3.2 腐蝕

腐蝕通常伴隨疲勞一起發(fā)生，是導(dǎo)致鋼絲繩報(bào)廢的主要原因。除了使用中處于非常干燥的工況外，總會(huì)有得不到防護(hù)(未鍍鋅等)的鋼絲發(fā)生腐蝕的情況。鋼絲繩在使用中應(yīng)加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，如定期潤滑可以防止銹蝕，減小鋼絲繩內(nèi)外磨損，提高其使用壽命。如果在工作環(huán)境中存在嚴(yán)重腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，最好采用鍍鋅鋼絲繩。

3.3 磨損

磨損主要發(fā)生在外層鋼絲，外層鋼絲數(shù)量較少、直徑大的鋼絲繩(如6×19S西魯型)在抗磨損方面的工作壽命比外層鋼絲數(shù)量多、直徑細(xì)的鋼絲繩(如6×36WS瓦林吞—西魯型)長。緊密捻制外層股的鋼絲繩具有比無緊密捻制外層股的鋼絲繩更長的耐磨損壽命。

3.4 壓扁

如果壓扁是造成報(bào)廢的主要原因，則推薦采用具有鋼芯和緊密外層股的平行股密實(shí)鋼絲繩。

4 結(jié)語

鋼絲繩構(gòu)造種類繁多，合理選擇鋼絲繩的直徑和構(gòu)造形式可以大大延長鋼絲繩的使用壽命，降低設(shè)備的運(yùn)行成本。經(jīng)常定期檢查鋼絲繩的損壞情況，及時(shí)更換達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)的鋼絲繩，是設(shè)備安全運(yùn)行的保證。

[1]徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2010．

[2]張鋒鋒.提高岸邊集裝箱起重機(jī)鋼絲繩使用壽命的分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2011(4):73-75．

[3]浦漢軍.起重機(jī)用不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩理論研究及其壽命估算[D].廣州:華南理工大學(xué),2012:108-111．