立井提升鋼絲繩失效機理及其防護

陳尚尚

摘要：本文闡述了煤礦立井提升鋼絲繩的失效形式與機理，在此基礎上，對其防護措施進行了探討。

關鍵詞：煤礦立井;立井提升系統;提升鋼絲繩

提升鋼絲繩是煤礦立井提升設備的重要組成部分，對立井提升設備的正常運轉及安全作業具有至關重要的影響。在煤礦立井生產作業實踐中，由于提升鋼絲繩失效斷裂而造成的重大煤礦安全事故如箕斗墜落井底、鋼絲繩運輸跑車事故等時有發生，給煤礦生產作業安全造成重大不利影響，造成巨大經濟損失甚至是人員傷亡。因此，對煤礦立井提升鋼絲繩的失效機理進行分析研究并制定具有針對性的防護措施，對于煤礦安全作業具有重要的現實意義，本文就此方面進行一些探討，以期能夠為相關研究提供一些參考與借鑒。

1煤礦立井提升鋼絲繩失效形式及其機理

煤礦立井提升鋼絲繩是由數量不等的優質碳素細鋼絲捻制成股，然后再由若干股圍繞繩芯捻制成繩，繩中間夾有浸過防腐、防銹油的纖維繩芯制成。鋼絲繩性能受惡劣工況的影響，不可避免地會產生各種物理、化學損傷，從而導致其強度降低，甚至破斷。其失效形式主要有斷裂、磨損、腐蝕等幾種。

1.1斷裂

斷裂是鋼絲繩最常見的失效類型，由于鋼絲繩的特殊結構，斷裂失效又可分為斷絲、斷股和斷繩3類。斷股和斷繩都是斷絲發展到一定程度的結果，因此分析斷絲的失效機理是揭示鋼絲繩斷裂的關鍵所在。

斷絲是指鋼絲繩表面出現鋼絲開裂、有毛刺甚至繩股斷裂等特征，其失效形式主要有3種形式，分別為一次加載斷絲、疲勞斷絲以及由環境介質引起的斷絲。一次加載斷絲由于載荷作用導致鋼絲繩變形形式的不同，這種失效形式在立井提升鋼絲繩中比較常見，主要表現為拉力破斷與剪切破斷。鋼絲繩疲勞斷絲的失效形式有很多種，但其基本形式只有2種，即由切應力引起的切斷疲勞及由正應力引起的正斷疲勞，其他形式的疲勞，都是這2種基本形式在不同條件下的復合。常見提升鋼絲繩的疲勞斷絲主要是由于鋼絲繩在承受一定的拉力下，反復彎曲，使繩股內鋼絲由于金屬的疲勞效應所引起的斷絲，通常發生在繩股彎曲程度最厲害的一側的外層鋼絲繩上。鋼絲繩斷裂失效不僅與材料的性質、應力狀態有關，而且在很大程度上取決于它的環境條件。當礦井提升系統運轉不良時，鋼絲繩磨損會日趨嚴重，最終導致斷絲;腐蝕斷絲一般發生在鋼絲繩在具有腐蝕性介質環境下（如礦井，一般具有較強酸性或者堿性的淋水）運行，使鋼絲被腐蝕、銹蝕，有效工作面積逐漸減少，最后導致斷絲。

1.2磨損

立井提升鋼絲繩由于同滑輪或者相鄰繩股的接觸表面有相對運動，會使得鋼絲繩形狀、尺寸或者重量發生變化，這一過程即為磨損。磨損會導致鋼絲繩尺寸減少和表面狀態改變，并最終喪失其功能。該失效形式在提升鋼絲繩中也比較常見。磨損失效是逐步發展、漸變的過程，不像斷裂失效事故那樣具有突然性，但磨損通常導致受載截面面積減少以及疲勞敏感性的增加，造成斷裂失效，特別在腐蝕介質中，磨損將加速腐蝕過程。

鋼絲繩各種磨損過程都是由其特殊機制所決定的，并表現出相應的失效模式，主要分為機械磨損和塑性磨損。機械磨損主要為外部鋼絲磨損，是在使用過程中鋼絲繩外層鋼絲與繩槽、吊鉤、地面等表面接觸而引起的磨損。這種現象在加速或者減速時，鋼絲繩與滑輪接觸的部位特別明顯。表現為鋼絲繩外周表面的鋼絲被磨平，繩徑變細，受載截面積減少，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、沙粒和石子會加劇機械磨損的產生。塑性磨損是由于振動、碰撞、內部擠壓造成的鋼絲繩表面撞損，屬于一種局部磨損現象。如提升鋼絲繩相互纏繞、咬繩現象，同時，由于鋼絲繩的彎曲，鋼絲繩內部各根細鋼絲就會相互產生作用力并且產生滑移，這時股與股之間接觸應力增大，使相鄰股間的鋼絲產生局部壓痕深凹，都會使鋼絲繩產生塑性磨損。

1.3磨蝕

鋼絲繩一般處于較為惡劣的工作環境中，鋼絲與環境介質發生反應會造成鋼絲腐蝕。腐蝕與斷裂、磨損是鋼絲繩損傷的最重要形式。與鋼絲繩斷裂不同的是，腐蝕和磨損一樣都是一個漸進的過程，而且在很多情況下，兩者通常是相互作用，導致鋼絲繩的早期失效;同時，腐蝕是鋼絲繩斷裂的條件，甚至直接導致斷裂的產生。

鋼絲繩的腐蝕基本可分成兩類：一是空氣接觸發生的腐蝕，如一些鋼絲繩在酸性環境內就會產生化學腐蝕，另外在潮濕大氣環境中就會產生電化學腐蝕;另一類是局部的腐蝕，如孔蝕，其形成過程是介質中的活性陰離子被吸附在金屬表層氧化膜上，并對氧化膜產生破壞作用，這類腐蝕失效往往發生在一些有鍍層的鋼絲繩上。

2煤礦立井鋼絲繩的防護措施

2.1根據提升方式合理選擇鋼絲繩

煤礦立井提升方式不同，所選擇的鋼絲繩型號也不同。對于單繩纏繞式提升，一般宜選用光面同向左捻、斷面形狀為圓形股或三角形股，接觸形式為點或線接觸的鋼絲繩，且多采用價格較低的 6 股19 絲的普通圓形股鋼絲繩。對于礦井淋水大，酸或堿度高和作為出風井的井筒中使用時，為防止鋼絲繩銹蝕，宜選用鍍鋅面鋼絲繩。對于多繩摩擦提升，一般宜選用鍍鋅面、同向捻的鋼絲繩，且左捻、右捻各半，并且斷面形狀是三角股的較好。

2.2減小彎曲及接觸應力以避免鋼絲繩過度磨損

在確定提升鋼絲繩斷面尺寸時，應保證提升機滾筒的直徑與繩徑之間有足夠的比值，以減少彎曲應力;繩槽直徑必須合理，若繩槽過小會引起鋼絲繩擠壓而造成斷絲，繩槽過寬則會使鋼絲繩在繩槽中受壓面積減小，增大接觸應力，產生繩與繩槽之間的過度磨損。

2.3保持良好的潤滑以防止鋼絲銹蝕

潤滑對鋼絲繩的使用壽命影響甚大。潤滑的作用是保護繩外部鋼絲不受侵蝕，使絲與絲之間得到潤滑，減少磨損，防止水分浸入繩芯。鋼絲繩所用潤滑油脂一般均采用專用的鋼絲繩油，并要注意與鋼絲繩廠家制造時所使用的油脂相適應。要求其黏稠性能好，振動、淋水沖甩不掉;遇低溫不硬化，高溫不流失;防銹潤滑性能好，具有一定的透明度，以便及時發現鋼絲繩斷絲和損壞的情況。

2.4定期檢查與測試以防止斷繩事故發生

提升鋼絲繩在使用過程中，若發生容器過卷、卡罐、掉道或松繩打結等現象，鋼絲繩必將承受巨大的沖擊載荷，易造成斷繩事故發生。為確保提升鋼絲繩的使用安全，必須對提升鋼絲繩進行定期的檢查和試驗。具體來說，提升鋼絲繩必須每天以0 .5m/s 以下的速度進行詳細檢查，并記錄斷絲情況;鋼絲繩如果遭受卡罐或突然停車等猛烈拉伸時，必須立即停車檢查遭受猛烈拉伸的區域;鋼絲繩作多層纏繞時，應盡量避免“咬繩”現象發生。由下層轉到上層的臨界段必須加強檢查，并且每季度錯繩1/4 圈。

3結束語

煤礦立井提升鋼絲繩的失效破壞表現形態多樣，且多種原因交錯，同時存在幾種失效形式共同出現的可能，有些可以根據定量計算確定，有些需要根據檢查發現的缺陷和程度定性判斷，必要時利用檢測儀器進行檢驗。評價鋼絲繩是否報廢，不能孤立分析某一種失效形式，應該對各項因素進行綜合考慮，按標準掌握，一旦發現鋼絲繩的損壞達到了危險程度應立即更換。另外在更換新鋼絲繩前，還應明確并消除對鋼絲繩有不利影響的設備缺陷。

參考文獻

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