提高四柱汽車舉升機鋼絲繩使用壽命的有效途徑

◆文/江蘇 吳英坤

(作者吳英坤工作單位：艾沃意特汽車設備制造有限公司)

鋼絲繩作為四柱汽車舉升機的關鍵承載零件，在舉升機的升降作業(yè)中主要通過安裝在主平臺下方的油缸活塞桿伸縮帶動牽引平臺完成，鋼絲繩在這個系統(tǒng)中起承重作用。一旦鋼絲繩失效，而又沒有相應的鋼絲繩防斷保護裝置或者鋼絲繩防斷保護裝置也失靈，則會產生汽車傾覆翻車以及人員的損傷事故。下文將從鋼絲繩的傳動牽引結構說明、失效形式分析、主要結構設計要求以及客戶在使用過程的保養(yǎng)和檢查等方面，談談如何提高四柱汽車舉升機鋼絲繩的使用壽命，預防鋼絲繩失效使用過程中不良后果的發(fā)生。

一、四柱汽車舉升機鋼絲繩傳動牽引結構說明(圖1)

目前國內市場使用的四柱汽車舉升機，大多數(shù)為鋼絲繩牽引。鋼絲繩牽引的四柱汽車舉升機，主要由四根立柱，主平臺，副平臺，兩根橫梁，泵站，控制盒等組成。主平臺中間下方裝有油缸，前后各裝有一組水平換向的滑輪，兩根鋼絲繩固定在活塞桿的拉座，每根鋼絲繩短的一端經平臺前方滑輪轉向90°，經橫梁滑輪垂直換向后固定到立柱頂部，每根鋼絲繩長端經平臺前方滑輪轉向180°后，經平臺后側滑輪水平換向后經橫梁滑輪垂直換向后，固定到立柱頂部。兩根橫梁的兩端各裝有一個垂直導向的繩輪，中間連接主、副平臺。需上升時，按下上升按鈕，泵站接通電源后，電機旋轉，帶動齒輪泵向系統(tǒng)輸出高壓油，進入油缸有桿腔，推動活塞桿收縮，活塞桿收縮帶動固定在活塞桿端部的拉座拉動鋼絲繩，帶動平臺和橫梁組件上升，需下降時，先打開解鎖手柄(如屬電動解鎖，一般配有延時上升，僅需按下降按鈕)，保險解鎖，按下手動下降閥，回油油路打開，油缸活塞桿伸長，液壓油在平臺和上面舉升物的作用下，經調速閥流回油箱，鋼絲繩拉住平臺完成下降作業(yè)。

二、鋼絲繩失效形式分析

按照我國起重機鋼絲繩的保養(yǎng)、維護、檢驗和報廢標準GB/T5972-2016，鋼絲繩失效形式主要有：斷絲，繩徑變小,腐蝕，畸形和損傷。其中畸形和損傷又包括：波浪形，籠狀畸形，繩芯或繩股突出，鋼絲突出，繩徑局部增大，局部扁平，扭結，彎折，彈性降低度等。本文主要分析實際應用中所發(fā)生的斷絲，繩徑變小，畸形三類失效形式。

1.斷絲分析

圖1 四柱汽車舉升機鋼絲繩傳動牽引結構

斷絲(圖2)是鋼絲繩最常見的失效形式。其主要由于鋼絲繩在工作環(huán)境介質和工作應力共同作用引起低應力脆斷。鋼絲繩斷裂失效，很大程度上取決于它的工作環(huán)境，主要分為磨損斷絲和腐蝕斷絲兩種。磨損斷絲是鋼絲繩在運行過程中與滑輪接觸部位產生磨損，日積月累磨損日趨嚴重，最終造成斷絲，其斷口兩側呈斜茬，斷口扁平，出現(xiàn)在鋼絲繩磨損嚴重的部位一般在與滑輪接觸區(qū)域。腐蝕斷絲一般發(fā)生在鋼絲繩在具有腐蝕性介質環(huán)境下運行，使鋼絲繩被腐蝕，有效工作面積不斷減少導致鋼絲繩的強度降低同時還會引起不規(guī)則表面應力裂紋擴展，進而加速疲勞，最終導致斷絲，這種斷口形狀不整齊，呈針尖狀。

圖2 斷絲

2.直徑減小分析

外部磨損是導致鋼絲繩直徑減小的主要原因，通常是由鋼絲繩與滑輪的接觸部位之間的壓力引起的，如輪槽兩側面夾角偏小，受力后鋼絲繩偏向與輪槽側面接觸，可能會引起鋼絲繩的一側磨損(圖3、圖4)，通常鋼絲繩的磨損出現(xiàn)在與滑輪輪槽接觸的區(qū)段，潤滑不足或不正確以及具有腐蝕作用的灰塵和沙土的存在都會影響到磨損速度。同時下列原因也會導致鋼絲繩直徑的減小。(1)內部磨損和鋼絲凹痕；(2)由鋼絲繩內部相聯(lián)繩股和鋼絲之間的摩擦導致的內部磨損，特別是鋼絲繩受彎時；(3)纖維芯的劣化或鋼芯的斷裂；(4)鋼絲繩內層股的斷裂。因磨損導致尺寸減少和表面狀態(tài)改變，并最終喪失其功能的現(xiàn)象稱為磨損失效。鋼絲繩磨損失效，主要有兩種模式：機械磨損和塑料磨損。機械磨損，其主要原因是在使用過程中其外層鋼絲與繩槽表面接觸而引起的磨損。這種現(xiàn)象在鋼絲繩與滑輪接觸部位特別明顯。主要表現(xiàn)為鋼絲繩外周表面的鋼絲被磨平，繩徑變細，受載面積減小，受載能力也隨之降低。此外鋼絲繩潤滑不足以及鋼絲繩上繩股間有灰塵、砂粒也會加速機械磨損的產生。而塑料磨損，主要由于振動、碰撞，內部擠壓造成的鋼絲繩表面磨損。磨損失效是緩慢發(fā)展、漸變的過程。不像斷裂事故那樣突然。但磨損通常導致受載截面面積的減少以及疲勞敏感性的增加，造成斷裂失效，特別在濕度較大的環(huán)境中，磨損將加速腐蝕過程。

圖3 鋼絲繩直徑局部減小(繩股凹陷)鋼絲繩一側磨損

圖4 外部磨損

3.畸形分析(圖5)

鋼絲繩失去正常形狀而產生的可見形狀畸變稱為“變形”（圖5）。這種變形會導致畸形區(qū)域的鋼絲繩內部應力分布不均勻，能夠形成這種畸形的原因主要有：(1)當鋼絲繩以很大的偏角經過滑輪時，首先與滑輪的邊接觸，然后滾進繩槽底部。這個過程會使繩股松散，而外層繩股的松散程度要比鋼絲繩繩芯大，造成了它們之間的長度差異；(2)當滑輪繩槽的槽底直徑過小時，鋼絲繩經過滑輪時就會受到擠壓。在受到擠壓的鋼絲繩直徑變小的同時，鋼絲繩的長度就會增加，由于鋼絲繩外層繩股的壓縮和伸長長度都比繩芯大，所以這種作用過程也會造成它們之間的長度差異。在以上兩種情況下，滑輪會改變松散外層股的位置，將這種長度差異“趕”到纏繞系統(tǒng)內某一位置，形成籠狀畸形。另外變形還包括繩芯或繩股突出，鋼絲突出，繩徑增大，局部扁平等特征。目前發(fā)現(xiàn)抽絲的形成有可能是由于繩股中鋼絲之間的間隙不足造成的。缺乏間隙使得這些鋼絲不能隨鄰近的鋼絲一起移動，因而造成超載或者屈服。鋼絲繩的直徑如果太小，外股間將沒有足夠的間隙，造成繩股之間的交咬破壞。缺乏間隙會造成鋼絲繩的疲勞壽命大大降低。籠狀畸變，這種變形主要出現(xiàn)在具有鋼芯的鋼絲繩上。當外導繩股發(fā)生脫節(jié)或者變得比內部繩股長時，處于松馳狀態(tài)的鋼絲繩突然受載時就會產生這種變形。伴隨“鳥籠”一起產生的還有繩股擠出等失效現(xiàn)象。

圖5 鋼絲繩籠狀畸形

三、結構設計應滿足的鋼絲繩承載要求

根據(jù)以上分析，并結合國內外標準要求和汽保行業(yè)的設計應用小結，鋼絲繩相關零件設計應滿足下列要求。

1.鋼絲繩規(guī)格的選用

鋼絲繩規(guī)格的正確選用，可以確保鋼絲繩滿足承載要求。

(1)依據(jù)EN1493:2010標準中5.6.2傳動鋼絲繩最少由114根單根鋼絲組成，正常抗拉強度至少應為1 570MPa，但不超過1 960MPa，終端抗拉強度最小要為繩的80%。考慮到鋼絲繩彎曲強度影響，在滿足安全系數(shù)的情況下，盡量控制在1 770MPa以內。

(2)鋼絲繩承載力的選用按機構工作級別中的M5選擇，其最小實際安全系數(shù)為5。通常設計靜應力安全系數(shù)N不小于7。

2.鋼絲繩滑輪的設計

(1)滑輪直徑與鋼絲繩直徑的比值應大于18，鋼絲繩彎曲半徑過小，會增加鋼絲繩彎曲折斷損壞，縮短鋼絲繩的使用壽命。

(2)滑輪繩槽底半徑R=(0.53-0.6)D。過小會造成畸形失效。

(3)滑輪材料常用Q235A，HT200，ZG230-450，QT400-18，對最有利提高鋼絲繩使用壽命的為QT400-18和Q235A，對鋼絲繩的磨損傷害最小，其他兩種材料次之。

(4)滑輪內孔襯套常用的為自潤滑軸承和青銅襯套，同等負載以青銅襯套使用壽命最長。

(5)平臺下方前后滑輪槽以及與其對應的橫梁單槽輪對齊，盡量減小偏角，以避免鋼絲繩輪槽側邊造成鋼絲繩的磨損失效。

四、鋼絲繩及相關零部件的維護、檢查和保養(yǎng)

1.平日應經常根據(jù)平臺水平度變化，調整鋼絲繩的松緊，確保平臺的水平度，以利于四個立柱端鋼絲繩均勻承載。調整時可通過調節(jié)立柱頂板上鋼絲繩連接端部固定螺桿的六角螺母來完成平臺的調平，平臺用水平儀或水管裝水觀測水平狀況，調節(jié)完成后拼緊頂板端固定螺母。在完成鋼絲繩調節(jié)后，相應調整四立柱內的保險板，使橫梁保險落鎖后平臺處于同一水平面，保險板的調節(jié)通過調整固定在頂板上的固定螺母實現(xiàn)(圖6)。

2.在日常保養(yǎng)中，應定期為鋼絲繩潤滑，對經過滑輪運動的部位更加要注重潤滑，為了提高潤滑效果，需在潤滑前將鋼絲繩清理于凈，然后加注潤滑脂。

圖6 鋼絲繩及相關零部件示意圖

3.如果鋼絲繩某一部位的鋼絲過于突出，當此處經過滑輪時，鋼絲就會壓在其他部位之上，造成局部劣化。為了避免這種局部劣化，可將伸出的鋼絲除掉，其方法為：夾緊斷絲伸出端反復彎折，直至折斷。在維護過程中去除鋼絲時，宜記錄其位置，去除斷絲的作業(yè)也作為一根斷絲來計算，并在根據(jù)斷絲數(shù)作為報廢基準評估鋼絲繩的狀態(tài)時予以考慮。

4.至少在鋼絲繩使用一年后，每周對鋼絲繩經過滑輪的工作區(qū)段進行外觀檢查，目的是發(fā)現(xiàn)一般的劣化現(xiàn)象或機械損傷，此項檢查還應包括鋼絲繩與立柱頂板的連接部位。對鋼絲繩在每個滑輪槽上的正確位置也宜檢查確認，確認鋼絲繩沒有脫離正常的工作位置。

5.鋼絲繩定期檢查中的劣化模式及評價方法如表1所示。

表1 鋼絲繩定期檢查中的劣化模式及評價方法

6.檢查周期：初期使用時，每月檢查一次；如果停用3個月以上，在重新使用前應進行鋼絲繩表面質量狀況檢查；如果本舉升機上其它部件失效或操作不當造成升降過程的異常，這時應進行鋼絲強表面質量狀況檢查；在產品投入使用一年后，應半個月對鋼絲繩進行檢查一次。

7.檢查范圍：對于每根鋼絲繩，都應沿整個長度進行檢查，并應特別注意下列關鍵區(qū)域和部位：

(1)主平臺下方拉座固定接頭；

(2)主平臺下方經過滑輪的區(qū)域；

(3)立柱內經過滑輪的區(qū)域；

(4)立柱頂部與鋼絲繩連接部位；

(5)因安裝不當或外部原因造成鋼絲繩損傷的部位。

8.鋼絲繩的檢查：應重點檢查靠近繩端固定裝置的鋼絲繩，特別是進入繩端固定裝置的部位，由于這個位置受到振動和其它沖擊的影響以及腐蝕等環(huán)境狀態(tài)的作用，容易出現(xiàn)斷絲。可以采用探針進行探查，以確定鋼絲是否出現(xiàn)松散，進而確定繩端固定裝置內部是否存在斷絲，還應檢查繩端固定裝置是否存在過度的變形和磨損。此外，固定繩套、繩環(huán)用的套管也應進行外觀檢查，看其材料是否有裂紋，鋼絲繩和套管之間存在可能滑移的跡象；對鋼絲繩固定扣附近有無斷絲現(xiàn)象，并且鋼絲繩的走向是否處于正確的裝配狀態(tài)。

9.鋼絲繩報廢標準：日常使用中應定期檢查鋼絲繩磨損和斷絲狀況，當出現(xiàn)下列情況之一必須進行及時更換：

(1)鋼絲繩由于使用不當，造成局部彎折，扭結，壓扁；燈籠狀畸形；繩芯或繩股突出。

(2)60mm長度內斷絲數(shù)大于5根，或300mm長度內斷絲數(shù)大于10根；

(3)鋼絲表面出現(xiàn)深坑，鋼絲相當松馳；

(4)鋼芯擠出，鄰近位置出現(xiàn)籠狀畸變；

(5)鋼絲繩的直徑減小或增加量達5%；

(6)發(fā)生整股斷裂；

(7)鋼絲繩外部腐蝕，鋼絲表面手感粗糙，鋼絲表面重度凹痕嚴重銹蝕、內部腐蝕明顯可見；

(8)在任何條件下，鋼絲繩只要出現(xiàn)以下情況，就需要報廢：一是在從未經過，繞過滑輪的鋼絲繩在鋼絲繩的直線區(qū)段上，直尺和螺旋面下側之間的間隙大于鋼絲繩直徑的三分之一，二是在經過滑輪的鋼絲繩區(qū)段上，直尺和螺旋面下側之間的間隙大于鋼絲繩直徑的十分之一；

(9)使用超過兩年。

五、鋼絲繩的失效保護

在四柱舉升機中，均設有鋼絲繩防斷裝置。對于手動解鎖四柱舉升機，當某一立柱鋼絲繩發(fā)生斷裂時，連動鋼絲繩的導輪在彈簧的作用下，拉動機械保險鉤與立柱內的保險板嚙合鎖止，這時應立即停止操作，對于電動解鎖的舉升機，上面導輪在驅動保險鉤自鎖的同時，還通過上面的動作板撞向裝在橫梁上的限位開關切斷總電源。這時不能進行上升也不能進行下降作業(yè)。

六、提高四柱舉升機鋼絲繩使用壽命的主要途徑

1.按規(guī)定的載荷選擇合適的鋼絲繩，并滿足上文第三部分第1條要求；

2.按選定的鋼絲繩設計合適的鋼絲繩輪，并滿足上文第三部分第2條要求；

3.按第四章要求對在用的四柱舉升機鋼絲繩進行日常潤滑保養(yǎng)，并定期檢查鋼絲繩的磨損狀況。達到更換標準的應及時更換。

4.定期檢查鋼絲繩的失效保護裝置，檢查復位彈簧的靈敏度和可靠性，檢查鋼絲繩導輪的磨損情況，檢查保險塊動作的靈活性，栓查保險板與保險塊和嚙合狀況，檢查限位開關的靈敏度和工作可靠性。