起重设备钢丝绳损伤原因分析和检查要点

夏建人 沈伟

摘 要：钢丝绳是起重设备中用量最大的高危易损件，若使用不当会发生断丝、磨损、锈蚀、疲劳、变形等各种损伤，严重时会引发重大人身、设备安全事故。本文结合作者工作中案例检查，详细阐述了起重设备钢丝绳损伤原因和检查的心得。

关键词：钢丝绳；断丝；磨损；锈蚀；疲劳；变形；卷筒和滑轮；缠绕方向和捻向；润滑

中图分类号：TH218 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）12-0041-02

1 检查案例

钢丝绳是岸桥、门机、卸船机等港口起重设备中用量最大的高危易损件，是起重设备安全生产的生命线。同其它易损构件一样，钢丝绳在使用过程中，也会发生断丝、磨损、锈蚀、疲劳、变形等各种损伤，严重时会引发重大人身、设备安全事故。

随着港口起重技术的进步，安全生产技术已经得到了极大的提升，但钢丝绳的安全管控、钢丝绳的应用始终存在隐患、浪费、低效三大技术问题。

通过对国内某港矿石散货连续式抓斗卸船机（以下简称卸船机）的现场技术检查，发现其钢丝绳的使用存在以下几个共性特点：

由于卸船机抓斗作业的特殊性和钢丝绳的起升速度较快，出入船舱时，起升钢丝绳和开闭钢丝绳与船舱边缘发生经常性的直接摩擦、磕碰，由此造成钢丝绳出现大量的磨损、断丝现象，这一段也是使用单位最为关注的。

卸船机的钢丝绳工作负荷大，工作瞬间变化的起升、加速、减速、制动引起的冲击力或惯性载荷，对钢丝绳的产生很大的影响，特别是在经过卷筒和滑轮的多次绕行后，多次弯曲的钢丝绳极易发生疲劳和断丝等损伤，严重的会导致断绳事故。

卸船机位于海边，工作环境的温差和湿度都很大：温度范围在-5℃～+40℃之间，最大相对湿度在100%的范围内，并经常经受雨水、盐雾的侵蚀等。起重设备的钢丝绳长久处在这样恶劣的环境内，极易发生锈蚀。

2 钢丝绳的破坏形式

新钢丝绳在正常情况下使用时一般不会发生突然断裂，除非安全保护装置失灵或出现意外机械事故，导致钢丝绳载荷超过其极限破断力。

卸船机位钢丝绳的一般破坏过程及特征是：钢丝绳通过卷绕系统时要经过反复弯曲和伸直，并与滑轮和卷筒槽摩擦，工作条件愈恶劣，工作愈频繁，此现象就愈严重。经过一定时间，钢丝绳股内的钢丝不同程度地发生弯曲疲劳与磨损，表面层的钢丝逐渐折断，折断钢丝的数量越多，其他未断钢丝的拉力越大，疲劳和磨损更为加剧，断丝速度亦愈快。当断丝发展到一定程度，钢丝绳开始丧失承載的安全性，这时就应报废且更换新绳。

3 钢丝绳磨损损伤分析

根据卸船机的工作特性，磨损情况主要集中在抓斗上方30m-40m范围，主要原因是作业过程中钢丝绳与滑轮之间的摩擦和钢丝绳与船舱壁板之间的摩擦磕碰造成的。

4 钢丝绳疲劳损伤分析

由卸船机钢丝绳缠绕图1可以看到，从卷筒出来的的钢丝绳经过滑轮组到达吊钩，改变了四次方向，而每次改变方向，都会加重钢丝绳的疲劳程度，其中，在经过陆侧改向轮—小车定滑轮、海侧改向轮—小车定滑轮时因为受力的方向发生180°的改变，从此段经过的钢丝绳的弯曲方向刚好相反，所以严重加剧了该段钢丝绳的疲劳程度。

根据钢丝绳弯曲方向和次数的不同，钢丝绳不同区段的疲劳和磨损的程度也会有所区别，其中经过反向弯曲的绳段疲劳和损伤最为严重，其它的区段因为在经过滑轮组时弯曲方向一致，所以疲劳和磨损的程度相应较轻。

（1）钢丝绳的破断拉力，钢丝绳的破断拉力是指钢丝绳实际能够承受的破断载荷。（2）耐磨损性能，钢丝绳直径减小量是衡量钢丝绳是否能够安全使用的一个重要依据。钢丝绳直径减小的快慢即为耐磨性。（3）抗疲劳性能，钢丝绳在使用过程中出现早期疲劳断丝的使用次数或时间被称为疲劳极限。疲劳极限高就说明钢丝绳的疲劳性能好。（4）结构稳定性，钢丝绳抵抗径向压力而不破坏的能力。（5）柔软性，钢丝绳的柔软性指它在保证安全使用的条件下，允许的最小弯曲半径的大小。一般情况下，影响钢丝绳的柔软性的因素有直径、结构和捻法以及钢丝绳的金属密度系数。（6）应力状态，钢丝绳在应用过程中，其中的各个元件保持自己固有状态的能力。换句话说，就是钢丝绳是否经过消除应力的处理，这一点非常重要。为了使钢丝绳达到使用时的应力状态要求，采取了一系列工艺措施。如：校直、预先变形、预张拉以及低温回火等工艺手段。（7）旋转性，钢丝绳在受到拉伸时，绳中的股产生转动偏离原位置的角度大小。在一些使用环境中，不允许钢丝绳产生旋转，在选择钢丝绳结构时应该选择那些不旋转结构的。（8）结构伸长，钢丝绳在受力时，其中的各个元件会产生相对位移，使钢丝绳在原始形状的基础上出现微小的变化，其长度也会略有增加。

5 对起重设备关键部位钢丝绳进行检查要点

（1）钢丝绳在使用过程中，会产生弯曲、磨擦、钢丝绳构件间的相对位错等现象，这些现象都与其直接接触的起重设备部位相关，也在一定程度上决定了钢丝绳的使用寿命。相关部位有卷筒和滑轮、轮槽的形状、滑轮的工作状态、滑轮或卷筒的材料以及卷筒中心与滑轮之间夹角等。在起升机构中，滑轮起着省力和支撑钢丝绳并为其导向的作用，起升过程中钢丝绳绕过滑轮不断作反复弯曲运动，这时钢丝上所受到的弯曲应力，称为钢丝绳使用时钢丝的依次弯曲应力，其计算公式为：

σ1=E×（D/δ）

式中：σ1——钢丝通过滑轮或卷筒受到的一次弯曲应力（N/mm2）；

E——钢丝的弹性摸量，一般取200000（N/mm2）；

δ——钢丝直径；

D——滑轮或卷筒直径。

从上式可知，滑轮直径对钢丝的一次弯曲应力有直接影响。从钢丝绳使用弯曲疲劳性能来看，希望滑轮直径与钢丝直径（D/δ）比值达到1000以上，由于机械设备尺寸的限制，一般仍希望在600以上，过低就会明显影响弯曲疲劳性能。

（2）滑轮槽型应能保证钢丝绳顺利绕过，而且使其接触面积尽可能增大，同时要避免钢丝绳与滑轮槽缘的磨擦和跳槽现象。滑轮槽径过小，钢丝绳卡在槽内使用时受到严重挤压，寿命显著降低；滑轮槽径过大，钢丝绳则在槽内容易滑动，增加磨擦也会降低寿命。

（3）当钢丝绳受到冲击载荷，其冲击值比想象的要大得多，有时甚至会造成断绳事故，其计算公式如下：

W冲=W1×n= W1×（1+）

式中：W冲—冲击载荷（公斤力）；

W1—静载荷（公斤力）；

n—冲击静载荷之比值；

E绳—钢丝绳弹性摸量（公斤力/毫米2，一般取8000）；

A—钢丝绳总断面积（毫米2）；

L—钢丝绳悬挂长度（毫米）；

h—落下距离（毫米）。

（4）保持钢丝绳良好的润滑状态，钢丝绳在使用过程中，受到张力或经卷筒和滑轮等弯曲部分的钢丝绳，油脂会逐步减少。一般新钢丝绳通常含油脂12-15%，使用后仍含8-12%，在报废时损坏最大部位仅含2-3%，但是在同一根钢丝绳中没有经过滑轮的绳端含油量仍达12-14%，如果在使用过程定期表面涂油（外部涂油会向绳芯中渗透），使钢丝绳中始终保持一定的含油率将会延长使用寿命。

（5）钢丝绳在卷筒上缠绕方向和其捻向有关，因此，在缠绕钢丝绳时应注意这方面的问题。也就是说，当钢丝绳受到外加张力时产生松捻方向的旋转现象，所以在卷筒上缠绕时必须注意不使其发生松捻现象，否则易发生变形损坏。

（6）缠绕时不仅方向要正确，而且排列要整齐，尤其是最初一段要用力拉紧使其均匀卷上，如果第一层排列不均匀和紊乱，则以后的排列就会出现偏绕或夹绕，引起钢丝绳压扁和加剧其相互间摩擦，影响正常作业。