一例提梁機鋼絲繩失效分析

丁邦建，洪 磊，曹建平

（南通力威機械有限公司，江蘇 南通 226500）

一例提梁機鋼絲繩失效分析

丁邦建，洪 磊，曹建平

（南通力威機械有限公司，江蘇 南通 226500）

[摘 要]通過梁場提梁機鋼絲繩失效實例，對鋼絲繩失效進行分析，分析影響鋼絲繩失效的諸多因素，介紹了延長鋼絲繩使用壽命的途徑，對提升設備鋼絲繩選型，設計中對鋼絲繩造成影響的卷揚機卷筒、滑輪及布置，使用過程中對鋼絲繩的維護有一定的借鑒作用，從而更合理使用鋼絲繩。

[關鍵詞]提梁機；卷揚機；鋼絲繩；失效分析；卷筒

高速鐵路客運專線施工中，提梁機是將地面上的梁提升至運梁車上的必備設備，直接關系到高速鐵路客運專線架梁施工的進度和安全。

在石武鐵路客運專線河北段，根據某梁場反映，發生鋼絲繩異常磨損失效，梁場現場施工人員及提梁機制造廠非常重視，組織卷揚機制造商技術人員、鋼絲繩制造商代表、提梁機制造廠設計人員，一同實地考察提梁機的使用情況。

本文結合實際工況，對鋼絲繩的失效原因進行分析、總結。

1 提梁機提升系統的布置和傳動原理

該提梁機提升重量為450t（圖1），提升系統由2臺相對布置的卷揚機卷筒的鋼絲繩通過24×2倍率的滑輪組提升450t（提梁機單臺鋼絲繩傳動原理見圖2），2臺提梁機為一套，同時提升高速鐵路客運專線上900t的預制梁，將預制梁提升放置到運梁車上，運梁車將梁運至架橋機，供架橋使用。

2 鋼絲繩失效原因分析

影響鋼絲繩失效的原因很多，如鋼絲繩制造的質量、鋼絲繩的結構特性、卷揚機卷筒、滑輪組和纏繞繩方法、使用過程的維護和保養都會影響鋼絲繩的壽命。

圖2 提梁機鋼絲繩傳動原理

該提梁機已提架700多片梁，晝夜施工，且為露天作業，雨水、風沙都會落到鋼絲繩上，工況較惡劣，使用比較頻繁，每次吊梁放梁鋼絲繩要走過多道滑輪，整個鋼絲繩上都有多處出現明顯的畸形變形、波浪形、籠狀畸變、壓扁失效的現象（圖3），據梁廠施工負責人反映，按常規鋼絲繩應能夠起升架1 000片梁，此次才提升700多片梁。經計算，鋼絲繩通過卷筒和滑輪組的彎曲循環已達到42 000次以上，從繞繩方式來看，鋼絲繩受一種拉伸與壓縮的交變應力，另外還有來自排繩器導向輪對鋼絲繩的壓力影響。鋼絲繩彎曲疲勞為有限壽命疲勞，結合鋼絲繩本身的質量用在該工況，鋼絲繩完全失效，已經達到了使用壽命。

圖3 鋼絲繩失效形式圖片

2.1 制造鋼絲繩制造質量的影響

鋼絲繩質量是否適應這種工況場合，尤其是鋼絲繩結構是否適應用于這種受力。鋼絲繩在卷筒上第一層發現表面有（不在鋼絲繩的側面）有一小股鋼絲被擠出成扭曲狀，鋼絲有10mm左右伸長但沒有斷（圖3a），圖3b為鋼絲繩松股被上層鋼絲繩壓扁，造成這種情況可能是鋼絲繩生產時沒有捻好造成的，整個鋼絲繩的其它部位也有明顯這種現象。

2.2 安裝、使用的影響

鋼絲繩在安裝過程中可能沒有完全消除內應力，充分“放性”，導致鋼絲繩中局部殘余應力集中產生旋轉或變形，如圖3c為鋼絲繩未充分“放性”鋼絲繩出現嚴重扭曲，起升時沒有發現繼續使用導致鋼芯被擠出，從第一層的情況可明顯判斷出，第一層幾處出現散股現象，尤其在入繩端幾圈內就發現有這種現象并有一處斷絲，如圖3b鋼絲繩的松股與之也有關系。從使用情況看，這些繩使用并不頻繁，部分甚至用不到，按常規不應出現這種現象，應是鋼絲繩內部存在應力，在外層鋼絲繩的反復擠壓下出現該情況。

在卷筒以外的鋼絲繩更為嚴重，特別是滑輪組附近無規律的變形。如圖3e，鋼絲繩嚴重的波浪形、縱向軸線螺旋狀變形，若干種因素積累使外層鋼絲繩嚴重磨損，導致鋼絲繩的松弛，形成籠狀畸變。圖3d，有機械壓扁或外力影響下的彎折情況。圖3f，若干種損壞因素累計的后果，外層鋼絲繩嚴重磨損導致鋼絲繩的松弛以致籠狀畸變正在形成。圖3g，相鄰繩股斷絲及鋼絲繩位移。整個鋼絲繩現已達到疲勞壽命導致。

2.3 卷揚機卷筒鋼絲繩的影響

卷揚機卷筒對鋼絲繩影響較大，一般情況下是鋼絲繩失效的根源。卷筒上鋼絲繩正常纏繞，導致鋼絲繩的失效是正常現象，所以要分析卷筒對鋼絲繩的影響除正常情況外是否有其它不正常的影響的情況。

2.3.1 卷筒繩槽槽距對鋼絲繩纏繞和磨損的影響

從現場實際情況看，槽距比較適當，因為：①第一層鋼絲繩在繩槽內排列順序緊密，繩與繩間又留有一定量間隙，鋼絲繩圈與圈之間沒有因槽距過小而相互摩擦，造成咬繩等異常磨損，第一層表面上有幾處散股斷絲不是在圈與圈相擠的側面上，且沒有規律；②假如槽距小，鋼絲繩纏繞時會因為累積誤差，造成鋼絲繩繞若干圈后爬到槽筋上，現場并不存在這種情況。

第二層的排列與槽距小關系影響很小，因為第二層鋼絲繩在卷筒排列的旋向與第一層相反，第一層是左旋，第二層變為右旋，第二層的排列時由已卷繞的鋼絲繩（前一圈鋼絲繩）給正在卷繞的鋼絲繩一種摩擦擠壓向前推進而成的。

對于多層纏繞卷筒鋼絲繩繩槽，槽距應適當小一些，對鋼絲繩排繩和減少摩擦有利，在不影響鋼絲繩（底層）互不咬繩留有間隙情況下，將節距做得小，鋼絲繩落在槽里呈鋼絲繩本身的圓狀趨勢，減小鋼絲繩的變形，在卷繩和放繩時使鋼絲繩外部和內部摩擦都比較小。

如果多層纏繞卷筒槽距比較大，對第一層無影響，在排第二層的時候，一方面鋼繩絲要擠入第一層形成的繩隙中，纏繞過程鋼絲繩在繩隙中的滑移摩擦較大，更為嚴重的是因為累積誤差外層鋼絲繩擠入內層鋼絲繩中，造成更嚴重的后果（第二層不能擠入第一層是因為第一層有繩槽限位）。所以一般單層纏繞時鋼絲繩槽距都設計得較大，多層槽距設計得較小，因此選擇槽距也要根據實際情況，GB/T5031《塔式起重機》規定，卷筒宜加工繩槽，繩槽節距P應在以下范圍內：1．04 ＜P＜1．15d，d為鋼絲繩直徑，繩槽深度應在0．25～0．40d之間，繩槽半徑應在0．525～0．650d之間。選擇這些數據既有根據纏繞的層數（單層、多層），又要考慮鋼絲繩本身的直徑公差和鋼絲繩的質量，這樣才能正確地設計鋼絲繩繩槽槽距、繩槽半徑、深度。

2.3.2 卷筒筒身對鋼絲繩的影響

本提升卷揚機卷筒直徑為?1 128mm，鋼絲繩直徑為?28mm，卷筒經與鋼絲繩直徑的比值為40．28，GB/T1955《建筑卷揚機》和《起重設計手冊》規定卷筒直徑與鋼絲繩直徑比值為18（工作級別M5時）卷筒直徑的選擇完全滿足要求，不是導致鋼絲繩失效的主要原因。

2.3.3 卷筒法蘭、排繩器對鋼絲繩的影響

在本案例中，卷揚機設排繩器，整個纏繞緊密無亂繩、咬繩現象；但排繩器的鋼絲繩導向滑輪對鋼絲繩有一定的擠壓影響。

正常情況下卷揚機兩法蘭端對鋼絲繩擠壓和摩擦較大，因為這個部分鋼絲繩受前圈鋼絲繩和法蘭板的擠壓，使鋼絲繩擠壓爬到新的一層，其受力比筒身處其它部分大很多。該卷揚機中設有排繩器，排繩器產生一定的壓力使鋼絲繩改向，也是在卷筒法蘭處受力最大，因為這時入繩角度最大，所以卷筒兩端的磨損比筒身其他部位磨損嚴重是正常的現象，可實際情況卻有些反常，該處鋼絲繩磨損并不嚴重，卷筒上排繩緊密排列不亂繩，處于比較理想的狀態。

2.3.4 鋼絲繩旋向與卷筒多層纏繞對鋼絲繩的影響

關于鋼絲繩旋向與卷筒旋向的問題，該機中鋼絲繩為右旋，繩槽為左旋，對于單層纏繞時沒有影響，對于多層纏繞會有一定的影響，因為到了第二層鋼絲繩在卷筒上纏繞變為右旋，而此時鋼絲繩的旋向不可改變，而這種旋向對鋼絲繩的纏繞不利，造成對鋼絲繩股的松懈趨勢，到了第三層又處于與第一層一樣有利的情況，這是多層纏繞中固有的工況，無法改變，這也證明了為什么第二層磨損最為嚴重。

2.4 纏繞方式對鋼絲繩的影響分析

鋼絲繩卷繞方向問題，鋼絲繩從卷筒上出來傳動過程中經過前方對面的改向滑輪后到達滑輪組，在卷筒和導向滑輪為同一旋轉繞向，進入滑輪組后則為反方向繞向（圖2），這對鋼絲繩的各股鋼絲受力是不利的，鋼絲繩在正反180°的循環彎曲，產生較大交變的變應力，加速了鋼絲繩的失效。

2.5 卷筒及滑輪直徑、材質對鋼絲繩的影響分析

現卷揚機卷筒材質為Q345B結構件，節徑為?1 128mm，滑輪材質為ZG310-570，節徑為?678mm，一次收放鋼絲繩在?1 128mm節徑的卷筒上彎曲兩次相同180°方向，但在滑輪組中最多彎曲56次，且正反180°方向彎曲。從卷筒直徑和滑輪組的應力循環次數及卷筒與滑輪直徑不同對鋼絲繩產生的曲率來說，滑輪對鋼絲繩產生的疲勞破壞，比卷筒對鋼絲繩產生的疲勞破壞要大得多；從材質上看，鑄鋼對鋼絲繩的磨損要比結構件要大得多。

所以不能只從其他提梁鋼絲繩提放1 000片梁，鋼絲繩才失效，認為本機提放700片梁就不正常，要考慮上述諸多因素的影響。

3 提高鋼絲繩使用壽命的途徑

3.1 鋼絲繩的選型

①鋼絲繩選擇首先考慮提升機構的特點，一般選擇交互捻鋼絲繩，根據繩槽旋向選擇鋼絲繩的旋向。因為捻股與股捻成繩的方向相反，由于股與繩的捻向相反，使用中不易扭轉和松放；②不扭轉（旋轉）鋼絲繩，這種鋼絲繩在設計時，使股與繩的扭轉力矩相等，方向相反，克服了在使用中的扭轉現象，在起升高度大的起重機廣泛使用；③選擇適宜的鋼絲繩抗拉強度，有人認為鋼絲繩抗拉強度越高越好，這是一個誤區，強度越高的鋼絲繩相對越硬，鋼絲繩過硬的結果就是彎曲度等其他性能下降；④根據機構工作級別選擇大于規定的安全系數。

3.2 卷筒設計中應考慮的因素

①選擇比較大的卷筒直徑，卷筒直徑與鋼絲繩直徑比值越大越好；②采用單層纏繞，盡量較少的層數；③設計鋼絲繩繩槽，使節距、槽深、槽底半徑適宜；④在保證入繩角的情況下，盡量不采用排繩器，減少對鋼絲的擠壓。

3.3 提升系統設計中應考慮的因素

①減少滑輪倍率，減少鋼絲繩彎曲的次數；②增加滑輪直徑；③盡量在系統布置時鋼絲繩給一個方向卷繞，減少對鋼絲繩產生較大幅度的交變彎曲應力。

3.4 使用與維護應考慮的因素

①放繩時應將繩盤放在專用支架上，也可用鋼管穿入繩孔，兩段繩索吊起，將繩盤緩緩轉動繞放繩；②鋼絲繩卷筒上卷繞時帶10%額定拉力的預緊力纏繞；③定期清洗和加油潤滑；④避免機械壓扁壓傷；⑤放繩時到達位置即停機，防止過松，鋼絲繩旋轉打纏；⑥有條件的做好防護工作，如設置防雨棚，防風沙；⑦及時檢查，將鋼絲繩使用在可控狀態，達到報廢標準立即更換，防止事故的發生。

（編輯 于 洋）

Analysis of a case of grader machine wire rope failure

DING Bang-jian，HONG Lei，CAO Jian-ping

［中圖分類號］U455.32

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)12-0070-04

［收稿日期］2015-10-19