連退鍍鋅活套配重鋼絲繩斷裂原因分析及改造措施

王利鋒

（河鋼集團唐鋼冷軋薄板廠，河北 唐山 063200）

隨著唐鋼高強汽車板產品逐步進入高端家電市場和汽車市場，用戶對產品質量的要求越來越高，好的產品質量一定離不開設備的穩定運行。自2014年2月份項目一期連退線和4#鍍鋅線熱試后，發生了多起活套配重鋼絲繩斷裂導致設備損壞的惡性事故，活套鋼絲繩的安全使用直接影響到設備的安全運行，活套鋼絲繩在使用過程中由于其結構和運行環境而無法進行適時檢測，往往鋼絲繩表面完好，其內部已經發生了斷絲現象，這些局限造成了鋼絲繩在使用過程中存在重大的安全隱患，研究和改善鋼絲繩疲勞斷裂的工作已經迫在眉睫，徹底杜絕鋼絲繩在生命周期中斷裂已經到了刻不容緩的地步。本文重點對影響鋼絲繩壽命的原因進行了研究，分析造成事故的原因并從根本上解決問題。

1 活套鋼絲繩使用現狀及背景

鋼絲繩斷裂多發生在出口活套，這與出口活套的作用有關。根據客戶要求，成品鋼卷一般為7噸～10噸，也就是說入口原料卷到出口要分成2卷～3卷，出口活套鋼絲繩磨損即為入口活套的2倍～3倍，中間活套只有在更換光整機工作輥時才充套放套，平時穩定在低位，因此鋼絲繩磨損最輕。當活套充套放套時，鋼絲繩在繩輪上高速彎曲運行，鋼絲繩受彎曲應力并且與受繩輪摩擦力使鋼絲繩產生斷裂。

連退鍍鋅活套鋼絲繩選型樣本為SWR公司Teufelberger防旋轉面接觸鋼絲繩，直徑27mm，8 x K26WS-EPIWRC，等級1960N/mm2，最小破斷力659kN。整個鋼絲繩表面的鋼絲全部呈現扁鋼絲，由8股組成，每股26根鋼絲，金屬芯填塑。采用各層股繩捻向不同的鋼絲繩，從而抵消鋼絲繩逆時針和順時針兩旋轉方向上產生的旋轉力，故受荷載后的鋼絲繩產生的旋轉力要小于普通鋼絲繩，因此在使用過程中通常不會出現旋轉。該鋼絲繩具有以下特點：①雙壓實股鋼絲繩；②金屬填充系數大；③具有特別更高的破斷拉力；④具有優良的抗磨損和抗擠壓性能。

2 鋼絲繩斷裂原因分析

鋼絲繩在同直徑時公稱抗拉強度越低，每股繩內鋼絲越多，鋼絲直徑越細，則繩的撓性越好，易于彎曲，但鋼絲繩易磨損。反之，每股繩內鋼絲直徑越粗，則鋼絲繩撓性越差，鋼絲繩耐磨損。

鍍鋅連退發生斷裂后，普銳特由法國進口了一批Teufelberger 8 x K26WS-EPIWRC鋼絲繩，仍然發生了斷裂。也印證了斷裂不是由于產品質量和選型原因，而是設計缺陷。

2.1 鋼絲繩和繩輪的直徑比

在各個領域中，鋼絲繩通常均與滑輪配合使用。斷絲是鋼絲繩主要的失效形式之一。當鋼絲繩通過滑輪時，在負載的使用下，均會發生磨損疲勞和彎曲疲勞，繼而產生斷絲，從而造成鋼絲繩失效。其中，滑輪直徑越小，鋼絲繩在通過滑輪時的彎曲半徑就越小，越容易產生疲勞。因此滑輪直徑是影響鋼絲繩使用壽命的關鍵因素。同時當鋼絲繩繞過滑輪時，鋼絲繩與滑輪接觸面之間會產生相對位移，使得鋼絲繩與滑輪表面均發生磨損疲勞。

在鋼絲繩通過滑輪的過程中，鋼絲繩在滑輪繩槽內發生彎曲，其彎曲曲率P直接受滑輪直徑大小的影響。滑輪直徑越大，鋼絲繩的曲率半徑P隨之越大，彎曲應力也就越小，所產生的彎曲疲勞越小，越不容易發生斷絲；相反，滑輪直徑越大，鋼絲繩的曲率半徑P隨之越小，彎曲應力也就越大，所產生的彎曲疲勞越大，因疲勞發生斷絲的時間也就越短。

圖1 鋼絲繩受彎曲應力簡圖

由以上分析可知，鋼絲繩繞過滑輪時隨直徑外形而發生彎曲產生的彎曲應力和鋼絲繩與滑輪相對運動產生的磨擦 力是鋼絲繩發生疲勞斷絲的主要原因，所以在實際生產工作應盡可能大地增加滑輪的直徑以及減少滑輪的使用個數，但是由前面的分析知滑輪的直徑的增大會使鋼絲繩的偏角增大，而使得鋼絲繩與滑輪壁的磨損加劇。

但是從試驗數據分析可以看出，適當地增大滑輪直徑對彎曲應力的影響較大，對鋼絲繩與滑輪壁的磨損影響較小，所以我們在設計過程中可以考慮適當地增大滑輪直徑。

表1 唐鋼連退、鍍鋅與相近產線繩輪及鋼絲繩直徑對比表

2.2 鋼絲繩安全系數選取

鋼絲繩安全系數的定義：鋼絲繩安全系數是鋼絲繩最小破斷力與全部工作載荷的比。

鋼絲繩的安全系數關乎著鋼絲繩的正常運行及鋼絲繩的使用壽命。選用恰當安全系數的鋼絲繩至關重要。

新鋼絲繩的安全系數應能保證在正常的疲勞應力和磨損條件下，在工作壽命周期中鋼絲繩能提供可靠的服務。在提升人員、貴重物品、要求使用壽命長、腐蝕性環境及難以進行頻繁檢查的環境中，應采用較大的安全系數的鋼絲繩。

連退鍍鋅出口活套單個配重最大重量為13530Kg，鋼絲繩最小破斷力659kN，普銳特選取的鋼絲繩安全系數為659000÷13530÷9.8=4.97。

工業提升鋼絲繩最小安全系數為6，不旋轉鋼絲繩最小安全系數為10，普銳特選取的安全系數顯然不合理。

綜上所述，普銳特在唐鋼高強汽車板一期連退鍍鋅線活套配重鋼絲繩安全系數、鋼絲繩直徑、繩輪直徑的選擇上都是錯誤的，普銳特以前成熟的設計是天鐵連退線的設計，在唐鋼項目設計時進行了“優化”，顯然此次“優化”是非常失敗的。

3 改進措施

將活套配重繩輪直徑加大到￠1320mm，鋼絲繩直徑加大到￠42mm。繩輪和繩徑比為1320÷42=31.4，安全系數最小的鍍鋅出口活套為1645000÷13530÷9.8=12.4。設計壽命出口活套大于1年，中間活套和入口活套大于3年。選取鋼絲繩型號為武鋼維爾卡NR MAXIPACT 37×K7 Φ42mm SZ U 1960。

同時，將5#鍍鋅和6#鍍鋅線也做相同的修改，并將5#線入口活套、出口活套和6#線出口活套活套設計由4個配重型式改為2個配重型式。

4 結語

連退鍍鋅活套配重鋼絲繩和繩輪經過改造后，保證了生產線穩定運行，產品整體質量得到了很大的提高，在家電板領域，唐鋼產品質量達到國內先進水平，在市場上受到用戶的高度評價。