起重机钢丝绳使用寿命与选择分析

2014-04-25刘汉楠

中国科技纵横 2014年5期

关键词：卷筒使用寿命钢丝

刘汉楠

(广东省特种设备检测研究院佛山检测院,广东佛山 528000)

起重机钢丝绳使用寿命与选择分析

刘汉楠

(广东省特种设备检测研究院佛山检测院,广东佛山 528000)

钢丝绳是起升机构中的重要零件,在保证制造质量的前提下, 使用因素对钢丝绳的使用寿命有很大的影响,起重机上使用的钢丝绳使用过程中会出现损伤现象,钢丝绳的损伤或断裂的重大事故一旦发生后果很严重。为了确保使用中钢丝绳的安全运行,掌握钢丝绳的损伤规律,并找到相应的防治措施,延长钢丝绳的使用寿命。

钢丝绳起升机构使用寿命

起重机是现代化生产的主要设备之一，其中起重机用钢丝绳的安全性是起重设备安全性的重要组成部分。因钢丝绳的损伤或破断而产生的重大事故时有发生，因此为了确保使用中的钢丝绳的安全运行，掌握钢丝绳的损伤规律及防治方法很有必要。本文主要分析了影响起重机钢丝绳使用寿命的因素，指出了提高钢丝绳寿命的具体措施，对正确使用钢丝绳，提高经济效益具有重要的指导作用。

1 钢丝绳直径的选择计算

为便于计算钢丝绳的直径，起重机设计规范提供了安全系数法和C系数法。

1.1 安全系数法

安全系数法按与钢丝绳所在机构工作级别有关的安全系数选择钢丝绳直径，对运动绳和静止绳都适用。所选钢丝绳的标称破断拉力F0应满足下式：

F0≥Sn。

其中：S为钢丝绳最大工作静拉力，N；n为安全系数。

对于吊运危险载荷的起重用钢丝绳，一般应选择比设计工作级别高一级的工作级别；对起升机构工作级别为M7、M8的某些冶金起重机和港口集装箱起重机等，在使用过程中能监控钢丝绳劣化损伤发展进程，在保证安全使用、一定寿命和及时更换钢丝绳的前提下，允许按稍低的工作级别选择钢丝绳。对冶金起重机最低安全系数不应小于7.1；港口集装箱起重机主起升钢丝绳和小车曳引钢丝绳的最低安全系数不应小于6；伸缩臂架用的钢丝绳，安全系数不应小于4。

1.2 C系数法

C系数法只适用于运动绳，其钢丝绳最小直径dmin(mm)为：

钢丝绳的选择系数C，可按下式计算：

其中：k为标称捻制换算系数，即钢丝绳标称破断拉力F0与钢丝绳计算破断拉力的比值；σt为钢丝的抗拉强度，N/mm2；f为钢丝填充系数，即钢丝绳中钢丝总横截面积与钢丝绳标称横截面积的比值。

起重机常用的钢丝绳为6×19W(S)型，其纤维芯钢丝绳k＝0.330，金属丝绳芯(IWR)或金属丝股芯(IWS)钢丝绳k＝0.356。由运动绳的安全系数所计算出来的C值可由设计手册查到。

2 选择钢丝绳型号时需要考虑的因素

根据不同的使用目的，钢丝绳的构造和捻制方法各不相同。根据钢丝的强度等级可分为1570N/mm2、1770N/mm2、1870N/m m2、11960N/mm2、2160N/mm2等级；根据捻绕次数可分为单绕绳、双绕绳和三绕绳；根据捻制的相互方向可分为右交互捻、左交互捻、右同向捻和左同向捻；根据绳股内钢丝与钢丝之间的接触状态可分为点接触绳、线接触绳和面接触绳；根据股的形状可分为圆形股、三角形股、椭圆股和扁股；根据股的数目可分为6股绳、8股绳和18股绳等；根据绳芯材料可分为纤维芯、金属芯和塑胶芯；根据钢丝表面状态可分为光面钢丝绳和镀锌钢丝绳。不同的构造具有不同的特点，适用于不同的场所，因此除按照安全系数法和C系数法计算出所需要的钢丝绳直径外，还需综合考虑钢丝绳的强度等级、结构型式、使用场所等诸多因素，从而最终选定钢丝绳的型号。

2.1 卷筒方向与钢丝绳选择

钢丝绳的捻制方向与钢丝绳在卷筒上的卷绕方向应相匹配，一般情况下右旋绳槽或者右向卷绕在光面卷筒上时，选择左旋钢丝绳；左旋绳槽或者左向卷绕在光面卷筒上时，选择右旋钢丝绳，如图1所示。其中，大拇指指示钢丝绳固定处，适用于光面卷筒和带绳槽卷筒。

2.2 多层缠绕时需要考虑的因素

采用多层缠绕卷筒时，当第一层钢丝绳卷绕在卷筒上后，钢丝绳必须跨越下层钢丝绳，以便在卷绕第二层钢丝绳时提前跨越卷筒。上层钢丝绳跨越下层钢丝绳的点就是所谓的跨越点，在这些点周围区域内的钢丝绳容易加剧磨损和挤压。因此采用多层卷绕时在选择钢丝绳的构造形式时需要注意：钢绳芯钢丝绳产生扭曲变形的可能性比纤维绳芯钢丝绳小；采用压实外层股捻制成的钢丝绳能明显抗挤压和扭曲变形；采用塑胶绳芯和涂塑钢丝绳能限制扭曲变形，同时能减少环境中湿气的进入。

2.3 起升高度与钢丝绳选择

选择钢丝绳时应注意钢丝绳结构的旋转特性。如果钢丝绳一端可自由旋转(单绳缠绕)，则某些型式的钢丝绳不能使用，而其他型式的钢丝绳只能用于某一指定起升高度。如果钢丝绳两端固定(固定钢丝绳和用于多绳缠绕系统的钢丝绳)，则应考虑扭转量。在多绳缠绕布置中扭转量具有使滑轮组产生角度位移的作用，因此，应考虑达到与起升高度有关的足够的钢丝绳间距，以防止过大的角度位移(缠绕系统的穿绳)。缠绕系统的稳定性与下列因素有关：(1)随着钢丝绳缠绕部件之间空间的减小而降低；(2)随钢丝绳缠绕部件的不均匀数量而降低；(3)随起升高度的增加而降低；(4)随钢丝绳绳型的扭转量(扭转系数)的增大而降低。所选钢丝绳绳型的旋转特性(旋转圈数和扭转量)应由钢丝绳制造商提供。

2.4 温度与钢丝绳选择

在选择钢丝绳时应注意钢丝绳制造商关于产品的安全须知和警告，特别应注意钢丝绳使用的极限温度。对于吊运熔融金属的铸造起重机，应采用符合GB-8918中金属丝绳芯或金属丝股芯的钢丝绳。

3 提高钢丝绳寿命的措施

GB/T5972《起重机用钢丝绳检验和报废实用规范》规定了钢丝绳的报废标准。标准中充分考虑了断丝的性质和数量、绳端断丝、断丝的局部聚集、断丝的增加率、绳股断裂、绳径减小、弹性降低、外部磨损、外部及内部腐蚀、变形、由于受热或电弧的作用而引起的损坏以及永久伸长的增加率等许多因素。为提高钢丝绳的使用寿命，可根据导致钢丝绳报废的主要原因而采取相应的措施。

3.1 疲劳

钢丝绳疲劳通常是由于钢丝绳在拉伸载荷的作用下反复弯曲所致，疲劳寿命主要与钢丝绳承受的载荷、滑轮和卷筒的直径与钢丝绳直径之比、钢丝绳抗弯曲性能和工作循环次数等因素有关。对于以疲劳破坏为主的钢丝绳，可以采取以下措施来提高使用寿命：(1)根据使用场所合理地选择钢丝绳的结构形式和提高钢丝绳选型的安全系数；(2)在卷绕系统的设计中应尽量减少钢丝绳的弯折次数，弯折时，反向弯折所引起的钢丝绳疲劳效果为同向弯折的两倍，所以必须尽量避免反向弯折；(3)滑轮和卷筒直径D与钢丝绳直径d的比值也影响钢丝绳的寿命，比值越大，即选用较大的滑轮与卷筒直径对钢丝绳的寿命越有利，故设计中规定了D/d所容许的最小比值；(4)滑轮与卷筒的材料太硬，对钢丝绳寿命不利，试验表明，以铸铁滑轮代替钢滑轮能提高钢丝绳寿命10%～20%。

3.2 腐蚀

腐蚀通常伴随疲劳一起发生，是导致钢丝绳报废的主要原因。除了使用中处于非常干燥的工况外，总会有得不到防护(未镀锌等)的钢丝发生腐蚀的情况。钢丝绳在使用中应加强维护保养，如定期润滑可以防止锈蚀，减小钢丝绳内外磨损，提高其使用寿命。如果在工作环境中存在严重腐蚀风险，最好采用镀锌钢丝绳。

3.3 磨损

磨损主要发生在外层钢丝，外层钢丝数量较少、直径大的钢丝绳(如6×19S西鲁型)在抗磨损方面的工作寿命比外层钢丝数量多、直径细的钢丝绳(如6×36WS瓦林吞—西鲁型)长。紧密捻制外层股的钢丝绳具有比无紧密捻制外层股的钢丝绳更长的耐磨损寿命。

3.4 压扁

如果压扁是造成报废的主要原因，则推荐采用具有钢芯和紧密外层股的平行股密实钢丝绳。