起重設備鋼絲繩損傷原因分析和檢查要點

夏建人 沈偉

摘 要：鋼絲繩是起重設備中用量最大的高危易損件，若使用不當會發生斷絲、磨損、銹蝕、疲勞、變形等各種損傷，嚴重時會引發重大人身、設備安全事故。本文結合作者工作中案例檢查，詳細闡述了起重設備鋼絲繩損傷原因和檢查的心得。

關鍵詞：鋼絲繩；斷絲；磨損；銹蝕；疲勞；變形；卷筒和滑輪；纏繞方向和捻向；潤滑

中圖分類號：TH218 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）12-0041-02

1 檢查案例

鋼絲繩是岸橋、門機、卸船機等港口起重設備中用量最大的高危易損件，是起重設備安全生產的生命線。同其它易損構件一樣，鋼絲繩在使用過程中，也會發生斷絲、磨損、銹蝕、疲勞、變形等各種損傷，嚴重時會引發重大人身、設備安全事故。

隨著港口起重技術的進步，安全生產技術已經得到了極大的提升，但鋼絲繩的安全管控、鋼絲繩的應用始終存在隱患、浪費、低效三大技術問題。

通過對國內某港礦石散貨連續式抓斗卸船機（以下簡稱卸船機）的現場技術檢查，發現其鋼絲繩的使用存在以下幾個共性特點：

由于卸船機抓斗作業的特殊性和鋼絲繩的起升速度較快，出入船艙時，起升鋼絲繩和開閉鋼絲繩與船艙邊緣發生經常性的直接摩擦、磕碰，由此造成鋼絲繩出現大量的磨損、斷絲現象，這一段也是使用單位最為關注的。

卸船機的鋼絲繩工作負荷大，工作瞬間變化的起升、加速、減速、制動引起的沖擊力或慣性載荷，對鋼絲繩的產生很大的影響，特別是在經過卷筒和滑輪的多次繞行后，多次彎曲的鋼絲繩極易發生疲勞和斷絲等損傷，嚴重的會導致斷繩事故。

卸船機位于海邊，工作環境的溫差和濕度都很大：溫度范圍在-5℃～+40℃之間，最大相對濕度在100%的范圍內，并經常經受雨水、鹽霧的侵蝕等。起重設備的鋼絲繩長久處在這樣惡劣的環境內，極易發生銹蝕。

2 鋼絲繩的破壞形式

新鋼絲繩在正常情況下使用時一般不會發生突然斷裂，除非安全保護裝置失靈或出現意外機械事故，導致鋼絲繩載荷超過其極限破斷力。

卸船機位鋼絲繩的一般破壞過程及特征是：鋼絲繩通過卷繞系統時要經過反復彎曲和伸直，并與滑輪和卷筒槽摩擦，工作條件愈惡劣，工作愈頻繁，此現象就愈嚴重。經過一定時間，鋼絲繩股內的鋼絲不同程度地發生彎曲疲勞與磨損，表面層的鋼絲逐漸折斷，折斷鋼絲的數量越多，其他未斷鋼絲的拉力越大，疲勞和磨損更為加劇，斷絲速度亦愈快。當斷絲發展到一定程度，鋼絲繩開始喪失承載的安全性，這時就應報廢且更換新繩。

3 鋼絲繩磨損損傷分析

根據卸船機的工作特性，磨損情況主要集中在抓斗上方30m-40m范圍，主要原因是作業過程中鋼絲繩與滑輪之間的摩擦和鋼絲繩與船艙壁板之間的摩擦磕碰造成的。

4 鋼絲繩疲勞損傷分析

由卸船機鋼絲繩纏繞圖1可以看到，從卷筒出來的的鋼絲繩經過滑輪組到達吊鉤，改變了四次方向，而每次改變方向，都會加重鋼絲繩的疲勞程度，其中，在經過陸側改向輪—小車定滑輪、海側改向輪—小車定滑輪時因為受力的方向發生180°的改變，從此段經過的鋼絲繩的彎曲方向剛好相反，所以嚴重加劇了該段鋼絲繩的疲勞程度。

根據鋼絲繩彎曲方向和次數的不同，鋼絲繩不同區段的疲勞和磨損的程度也會有所區別，其中經過反向彎曲的繩段疲勞和損傷最為嚴重，其它的區段因為在經過滑輪組時彎曲方向一致，所以疲勞和磨損的程度相應較輕。

（1）鋼絲繩的破斷拉力，鋼絲繩的破斷拉力是指鋼絲繩實際能夠承受的破斷載荷。（2）耐磨損性能，鋼絲繩直徑減小量是衡量鋼絲繩是否能夠安全使用的一個重要依據。鋼絲繩直徑減小的快慢即為耐磨性。（3）抗疲勞性能，鋼絲繩在使用過程中出現早期疲勞斷絲的使用次數或時間被稱為疲勞極限。疲勞極限高就說明鋼絲繩的疲勞性能好。（4）結構穩定性，鋼絲繩抵抗徑向壓力而不破壞的能力。（5）柔軟性，鋼絲繩的柔軟性指它在保證安全使用的條件下，允許的最小彎曲半徑的大小。一般情況下，影響鋼絲繩的柔軟性的因素有直徑、結構和捻法以及鋼絲繩的金屬密度系數。（6）應力狀態，鋼絲繩在應用過程中，其中的各個元件保持自己固有狀態的能力。換句話說，就是鋼絲繩是否經過消除應力的處理，這一點非常重要。為了使鋼絲繩達到使用時的應力狀態要求，采取了一系列工藝措施。如：校直、預先變形、預張拉以及低溫回火等工藝手段。（7）旋轉性，鋼絲繩在受到拉伸時，繩中的股產生轉動偏離原位置的角度大小。在一些使用環境中，不允許鋼絲繩產生旋轉，在選擇鋼絲繩結構時應該選擇那些不旋轉結構的。（8）結構伸長，鋼絲繩在受力時，其中的各個元件會產生相對位移，使鋼絲繩在原始形狀的基礎上出現微小的變化，其長度也會略有增加。

5 對起重設備關鍵部位鋼絲繩進行檢查要點

（1）鋼絲繩在使用過程中，會產生彎曲、磨擦、鋼絲繩構件間的相對位錯等現象，這些現象都與其直接接觸的起重設備部位相關，也在一定程度上決定了鋼絲繩的使用壽命。相關部位有卷筒和滑輪、輪槽的形狀、滑輪的工作狀態、滑輪或卷筒的材料以及卷筒中心與滑輪之間夾角等。在起升機構中，滑輪起著省力和支撐鋼絲繩并為其導向的作用，起升過程中鋼絲繩繞過滑輪不斷作反復彎曲運動，這時鋼絲上所受到的彎曲應力，稱為鋼絲繩使用時鋼絲的依次彎曲應力，其計算公式為：

σ1=E×（D/δ）

式中：σ1——鋼絲通過滑輪或卷筒受到的一次彎曲應力（N/mm2）；

E——鋼絲的彈性摸量，一般取200000（N/mm2）；

δ——鋼絲直徑；

D——滑輪或卷筒直徑。

從上式可知，滑輪直徑對鋼絲的一次彎曲應力有直接影響。從鋼絲繩使用彎曲疲勞性能來看，希望滑輪直徑與鋼絲直徑（D/δ）比值達到1000以上，由于機械設備尺寸的限制，一般仍希望在600以上，過低就會明顯影響彎曲疲勞性能。

（2）滑輪槽型應能保證鋼絲繩順利繞過，而且使其接觸面積盡可能增大，同時要避免鋼絲繩與滑輪槽緣的磨擦和跳槽現象。滑輪槽徑過小，鋼絲繩卡在槽內使用時受到嚴重擠壓，壽命顯著降低；滑輪槽徑過大，鋼絲繩則在槽內容易滑動，增加磨擦也會降低壽命。

（3）當鋼絲繩受到沖擊載荷，其沖擊值比想象的要大得多，有時甚至會造成斷繩事故，其計算公式如下：

W沖=W1×n= W1×（1+）

式中：W沖—沖擊載荷（公斤力）；

W1—靜載荷（公斤力）；

n—沖擊靜載荷之比值；

E繩—鋼絲繩彈性摸量（公斤力/毫米2，一般取8000）；

A—鋼絲繩總斷面積（毫米2）；

L—鋼絲繩懸掛長度（毫米）；

h—落下距離（毫米）。

（4）保持鋼絲繩良好的潤滑狀態，鋼絲繩在使用過程中，受到張力或經卷筒和滑輪等彎曲部分的鋼絲繩，油脂會逐步減少。一般新鋼絲繩通常含油脂12-15%，使用后仍含8-12%，在報廢時損壞最大部位僅含2-3%，但是在同一根鋼絲繩中沒有經過滑輪的繩端含油量仍達12-14%，如果在使用過程定期表面涂油（外部涂油會向繩芯中滲透），使鋼絲繩中始終保持一定的含油率將會延長使用壽命。

（5）鋼絲繩在卷筒上纏繞方向和其捻向有關，因此，在纏繞鋼絲繩時應注意這方面的問題。也就是說，當鋼絲繩受到外加張力時產生松捻方向的旋轉現象，所以在卷筒上纏繞時必須注意不使其發生松捻現象，否則易發生變形損壞。

（6）纏繞時不僅方向要正確，而且排列要整齊，尤其是最初一段要用力拉緊使其均勻卷上，如果第一層排列不均勻和紊亂，則以后的排列就會出現偏繞或夾繞，引起鋼絲繩壓扁和加劇其相互間摩擦，影響正常作業。