礦用提升機鋼絲繩銹蝕對其力學性能的影響及改進

杜 蓉

（晉能控股煤業集團永定莊煤業公司機電科，山西 大同 037024）

引言

隨著煤炭資源需求量的不斷增加，淺表礦井資源采掘產量逐年增加，儲量日趨枯竭，極大地推動了深井煤炭資源的開采事業[1]。礦井提升機作為深井煤炭掘進的重要運輸設備，其對工作的可靠性要求較高，尤其是提升機鋼絲繩的工作載荷極為復雜、環境條件極差，出現事故的概率較高，故而對其力學性能要求較高[2]。

目前提升機鋼絲繩力學性能研究聚焦于新生產的鋼絲繩，對于使用過程中銹蝕對力學性能的影響研究較少，尤其是因潤滑不當產生的銹蝕，對于提升機鋼絲繩力學性能的影響較大，也是極度危險的因素，必須引起高度重視[3]。因此針對某煤礦提升機鋼絲繩運行過程中存在明顯銹蝕的問題，開展銹蝕原因分析及其對鋼絲繩力學性能的影響研究工作具有重要意義。

1 存在的問題

某煤炭企業提升機服役近3年多，在運行維護過程中其鋼絲繩表面存在較為嚴重的銹蝕情況，導致鋼絲繩的安全性和穩定性急劇下降。查閱相關技術資料顯示，提升機懸掛的是AB級鍍鋅鋼絲繩，截面結構為6V×37，銹蝕狀態表現為麻芯外露，能夠明顯看出鋼絲繩的直徑變小了[4]。根據《煤礦安全規程》第406條的規定內容：“以鋼絲繩標稱直徑為準計算的直徑減小量達到一定數值時必須更換，其中對于提升機鋼絲繩的界限要求為10%”[5]。

為了確定提升機鋼絲繩是否需要更換，需查找銹蝕的原因，有必要開展提升機鋼絲繩銹蝕問題分析工作。

2 試驗檢測

2.1 鋼絲取樣處理

為了分析提升機鋼絲繩表面出現銹蝕的原因及其對鋼絲繩力學性能的影響，截取生銹鋼絲繩樣品進行試驗，如圖1所示。圖1-1為現場實際提升機鋼絲繩銹蝕狀態照片，可以看出表面基本全部被銹蝕，存在明顯的麻芯外露情況；圖1-2為拆開清洗后繩股的照片，選取銹蝕部位鋼絲繩進行除銹，得到除去鐵銹之后的鋼絲繩，明顯看出此股鋼絲繩的粗度明顯減小；圖1-3為繩股中鋼絲的照片，可以看出6根鋼絲繩中的4根已經出現了斷絲，斷絲部位存在明顯的擠壓變形情況。

圖1 失效后提升機鋼絲繩照片

2.2 鋼絲直徑檢測

為了定量表征鋼絲繩銹蝕程度，用汽油對即將脫落的鍍鋅層和鐵銹鋼絲繩進行清洗，得到表面存在較多不規則鐵銹坑的鋼絲，運用游標卡尺對其直徑進行檢測，結果如下頁表1所示。由下頁表1所示的數據可以看出，嚴重銹蝕位置的鋼絲繩股內的鋼絲直徑均存在較大的縮減，并且不同位置的縮減情況存在一定的差異。鋼絲繩內部的鋼絲由內至外縮減程度表現出了明顯的增大趨勢，最內層的鋼絲縮減的直徑尺寸為0.2 mm，約占原始直徑的14.8%，相應的鋼絲繩截面積縮小了近27.4%；而最外層的鋼絲縮減最為嚴重，縮減直徑尺寸為0.67 mm，約占原始直徑的29.1%，相應的鋼絲繩截面積縮小近49.8%。

表1 銹蝕前后鋼絲繩直徑檢測結果

2.3 力學性能檢測

為了驗證鋼絲繩銹蝕之后對其力學性能的影響程度，對取樣之后的鋼絲進行了最大拉伸應力檢測。查閱鋼絲繩所用鋼絲材料的抗拉強度，其數值約為1 750 MPa，之后分別檢測鋼絲繩的股芯絲、補棱鋼絲、中間層鋼絲、外層鋼絲，檢測結果如圖2所示。由圖2鋼絲繩不同部位鋼絲的最大拉伸應力數值可以看出，相較于銹蝕之前的鋼絲，各個位置的鋼絲抗拉強度均出現了明顯的降低，主要原因是銹蝕導致了各位置鋼絲直徑出現了縮減。同時可以看出，鋼絲繩由內至外的鋼絲抗拉強度降低程度逐漸增大，股芯絲的抗拉強度降低了近29.4%，而外層鋼絲的抗拉強度降低了近42.4%。通過計算可得，銹蝕之后的鋼絲繩承載能力約為388 kN，提升機鋼絲繩中最大繩段的靜載荷為320 kN，靜載安全系數為1.2。眾所周知，提升機鋼絲繩工作過程中載荷存在波動頻繁的情況，銹蝕之后的鋼絲繩如果繼續工作存在過載斷裂的可能，會給煤礦工作人員及相關設備帶來極大的安全隱患。

圖2 鋼絲繩力學性能檢測結果

3 原因分析

因提升機鋼絲繩工作環境及載荷較為惡劣，對安全性能要求較高，為了避免提升機鋼絲繩在使用過程中出現事故，需要對其銹蝕產生的原因進行分析。查閱相關技術資料可得，提升機鋼絲繩材料屬性及其性能均滿足相關要求，并不存在生產制造缺陷，因此，排除了新設備鋼絲繩存在質量缺陷的可能。根據現場使用人員反饋，結合鋼絲繩試驗檢測結果數據可以確定，提升機鋼絲繩嚴重銹蝕的原因是未對使用的提升機鋼絲繩進行定期潤滑及防銹處理，使得提升機鋼絲繩內部麻芯干枯、鋼絲銹蝕嚴重。

4 改進措施

4.1 定期潤滑的作用

提升機鋼絲繩定期潤滑能夠很好地保護鋼絲繩主體，延長鋼絲繩的使用壽命，保證其工作的可靠性。具體體現在以下幾點：

1）減緩磨損。因提升機鋼絲繩運行時工作載荷復雜多變，同時承受著拉伸、彎曲和扭轉等載荷，其內部鋼絲表面之間必然存在相對摩擦滑動，如果潤滑條件和時間間隔合適，能夠保證各個鋼絲表面之間始終存在潤滑油膜。潤滑油膜可降低內部鋼絲之間及鋼絲與滑輪等位置的磨損，使內部絲股受力均勻，提高鋼絲繩的使用壽命。

2）防止鋼絲繩腐蝕。雖然鋼絲繩內部鋼絲表面存在鍍鋅層，能起到很好的防腐作用，但也要對這一點引起足夠的重視。

4.2 具體措施

通過分析提升機鋼絲繩銹蝕對于內部鋼絲直徑尺寸和抗拉強度的影響得出，銹蝕減低了鋼絲繩內部所有鋼絲的直徑，同時大大降低了鋼絲的抗拉強度。產生上述問題的原因是未能對鋼絲繩進行及時潤滑，導致鋼絲繩內部產生磨損及快速氧化，嚴重地影響了提升機鋼絲繩的使用安全性。基于上述銹蝕結果及原因，提出了定期涂油的改進策略，要求提升機連續運行15 d左右進行一次潤滑油涂刷，保證鋼絲表面不會出現干摩擦情況。為了更好地做到鋼絲繩的潤滑，要求運行維護人員根據提升機鋼絲繩的實際狀態給予及時的維護，從而使提升機鋼絲繩長期處于穩定運行狀態，延長其使用壽命。將該改進策略進行了實際應用，取得了很好的防銹效果，預計使用壽命能夠延長近10%。

5 結論

經過試驗研究發現，嚴重銹蝕位置的鋼絲繩股內的鋼絲直徑均存在較大的縮減，并且鋼絲繩內部鋼絲由內至外縮減程度表現出了明顯增大的趨勢，其中最內層的鋼絲直徑縮減比例為14.8%，相應截面積縮減27.4%；最外層鋼絲直徑縮減比例為29.1%，相應截面積縮減49.8%。相較于銹蝕之前的鋼絲繩，各個位置的鋼絲抗拉強度均出現了明顯的降低，且由內至外的鋼絲抗拉強度降低程度逐漸增大。究其原因，主要是未對使用的提升機鋼絲繩進行定期潤滑及防銹處理。基于此，提出了對提升機鋼絲繩定期涂油的改進策略，并且需要及時維護，以便更好地使提升機鋼絲繩處于穩定運行狀態，延長其使用壽命，提升安全經濟效益。