连退镀锌活套配重钢丝绳断裂原因分析及改造措施

王利锋

（河钢集团唐钢冷轧薄板厂，河北 唐山 063200）

随着唐钢高强汽车板产品逐步进入高端家电市场和汽车市场，用户对产品质量的要求越来越高，好的产品质量一定离不开设备的稳定运行。自2014年2月份项目一期连退线和4#镀锌线热试后，发生了多起活套配重钢丝绳断裂导致设备损坏的恶性事故，活套钢丝绳的安全使用直接影响到设备的安全运行，活套钢丝绳在使用过程中由于其结构和运行环境而无法进行适时检测，往往钢丝绳表面完好，其内部已经发生了断丝现象，这些局限造成了钢丝绳在使用过程中存在重大的安全隐患，研究和改善钢丝绳疲劳断裂的工作已经迫在眉睫，彻底杜绝钢丝绳在生命周期中断裂已经到了刻不容缓的地步。本文重点对影响钢丝绳寿命的原因进行了研究，分析造成事故的原因并从根本上解决问题。

1 活套钢丝绳使用现状及背景

钢丝绳断裂多发生在出口活套，这与出口活套的作用有关。根据客户要求，成品钢卷一般为7吨～10吨，也就是说入口原料卷到出口要分成2卷～3卷，出口活套钢丝绳磨损即为入口活套的2倍～3倍，中间活套只有在更换光整机工作辊时才充套放套，平时稳定在低位，因此钢丝绳磨损最轻。当活套充套放套时，钢丝绳在绳轮上高速弯曲运行，钢丝绳受弯曲应力并且与受绳轮摩擦力使钢丝绳产生断裂。

连退镀锌活套钢丝绳选型样本为SWR公司Teufelberger防旋转面接触钢丝绳，直径27mm，8 x K26WS-EPIWRC，等级1960N/mm2，最小破断力659kN。整个钢丝绳表面的钢丝全部呈现扁钢丝，由8股组成，每股26根钢丝，金属芯填塑。采用各层股绳捻向不同的钢丝绳，从而抵消钢丝绳逆时针和顺时针两旋转方向上产生的旋转力，故受荷载后的钢丝绳产生的旋转力要小于普通钢丝绳，因此在使用过程中通常不会出现旋转。该钢丝绳具有以下特点：①双压实股钢丝绳；②金属填充系数大；③具有特别更高的破断拉力；④具有优良的抗磨损和抗挤压性能。

2 钢丝绳断裂原因分析

钢丝绳在同直径时公称抗拉强度越低，每股绳内钢丝越多，钢丝直径越细，则绳的挠性越好，易于弯曲，但钢丝绳易磨损。反之，每股绳内钢丝直径越粗，则钢丝绳挠性越差，钢丝绳耐磨损。

镀锌连退发生断裂后，普锐特由法国进口了一批Teufelberger 8 x K26WS-EPIWRC钢丝绳，仍然发生了断裂。也印证了断裂不是由于产品质量和选型原因，而是设计缺陷。

2.1 钢丝绳和绳轮的直径比

在各个领域中，钢丝绳通常均与滑轮配合使用。断丝是钢丝绳主要的失效形式之一。当钢丝绳通过滑轮时，在负载的使用下，均会发生磨损疲劳和弯曲疲劳，继而产生断丝，从而造成钢丝绳失效。其中，滑轮直径越小，钢丝绳在通过滑轮时的弯曲半径就越小，越容易产生疲劳。因此滑轮直径是影响钢丝绳使用寿命的关键因素。同时当钢丝绳绕过滑轮时，钢丝绳与滑轮接触面之间会产生相对位移，使得钢丝绳与滑轮表面均发生磨损疲劳。

在钢丝绳通过滑轮的过程中，钢丝绳在滑轮绳槽内发生弯曲，其弯曲曲率P直接受滑轮直径大小的影响。滑轮直径越大，钢丝绳的曲率半径P随之越大，弯曲应力也就越小，所产生的弯曲疲劳越小，越不容易发生断丝；相反，滑轮直径越大，钢丝绳的曲率半径P随之越小，弯曲应力也就越大，所产生的弯曲疲劳越大，因疲劳发生断丝的时间也就越短。

图1 钢丝绳受弯曲应力简图

由以上分析可知，钢丝绳绕过滑轮时随直径外形而发生弯曲产生的弯曲应力和钢丝绳与滑轮相对运动产生的磨擦 力是钢丝绳发生疲劳断丝的主要原因，所以在实际生产工作应尽可能大地增加滑轮的直径以及减少滑轮的使用个数，但是由前面的分析知滑轮的直径的增大会使钢丝绳的偏角增大，而使得钢丝绳与滑轮壁的磨损加剧。

但是从试验数据分析可以看出，适当地增大滑轮直径对弯曲应力的影响较大，对钢丝绳与滑轮壁的磨损影响较小，所以我们在设计过程中可以考虑适当地增大滑轮直径。

表1 唐钢连退、镀锌与相近产线绳轮及钢丝绳直径对比表

2.2 钢丝绳安全系数选取

钢丝绳安全系数的定义：钢丝绳安全系数是钢丝绳最小破断力与全部工作载荷的比。

钢丝绳的安全系数关乎着钢丝绳的正常运行及钢丝绳的使用寿命。选用恰当安全系数的钢丝绳至关重要。

新钢丝绳的安全系数应能保证在正常的疲劳应力和磨损条件下，在工作寿命周期中钢丝绳能提供可靠的服务。在提升人员、贵重物品、要求使用寿命长、腐蚀性环境及难以进行频繁检查的环境中，应采用较大的安全系数的钢丝绳。

连退镀锌出口活套单个配重最大重量为13530Kg，钢丝绳最小破断力659kN，普锐特选取的钢丝绳安全系数为659000÷13530÷9.8=4.97。

工业提升钢丝绳最小安全系数为6，不旋转钢丝绳最小安全系数为10，普锐特选取的安全系数显然不合理。

综上所述，普锐特在唐钢高强汽车板一期连退镀锌线活套配重钢丝绳安全系数、钢丝绳直径、绳轮直径的选择上都是错误的，普锐特以前成熟的设计是天铁连退线的设计，在唐钢项目设计时进行了“优化”，显然此次“优化”是非常失败的。

3 改进措施

将活套配重绳轮直径加大到¢1320mm，钢丝绳直径加大到¢42mm。绳轮和绳径比为1320÷42=31.4，安全系数最小的镀锌出口活套为1645000÷13530÷9.8=12.4。设计寿命出口活套大于1年，中间活套和入口活套大于3年。选取钢丝绳型号为武钢维尔卡NR MAXIPACT 37×K7 Φ42mm SZ U 1960。

同时，将5#镀锌和6#镀锌线也做相同的修改，并将5#线入口活套、出口活套和6#线出口活套活套设计由4个配重型式改为2个配重型式。

4 结语

连退镀锌活套配重钢丝绳和绳轮经过改造后，保证了生产线稳定运行，产品整体质量得到了很大的提高，在家电板领域，唐钢产品质量达到国内先进水平，在市场上受到用户的高度评价。