立井提升钢丝绳失效机理及其防护

陈尚尚

摘要：本文阐述了煤矿立井提升钢丝绳的失效形式与机理，在此基础上，对其防护措施进行了探讨。

关键词：煤矿立井;立井提升系统;提升钢丝绳

提升钢丝绳是煤矿立井提升设备的重要组成部分，对立井提升设备的正常运转及安全作业具有至关重要的影响。在煤矿立井生产作业实践中，由于提升钢丝绳失效断裂而造成的重大煤矿安全事故如箕斗坠落井底、钢丝绳运输跑车事故等时有发生，给煤矿生产作业安全造成重大不利影响，造成巨大经济损失甚至是人员伤亡。因此，对煤矿立井提升钢丝绳的失效机理进行分析研究并制定具有针对性的防护措施，对于煤矿安全作业具有重要的现实意义，本文就此方面进行一些探讨，以期能够为相关研究提供一些参考与借鉴。

1煤矿立井提升钢丝绳失效形式及其机理

煤矿立井提升钢丝绳是由数量不等的优质碳素细钢丝捻制成股，然后再由若干股围绕绳芯捻制成绳，绳中间夹有浸过防腐、防锈油的纤维绳芯制成。钢丝绳性能受恶劣工况的影响，不可避免地会产生各种物理、化学损伤，从而导致其强度降低，甚至破断。其失效形式主要有断裂、磨损、腐蚀等几种。

1.1断裂

断裂是钢丝绳最常见的失效类型，由于钢丝绳的特殊结构，断裂失效又可分为断丝、断股和断绳3类。断股和断绳都是断丝发展到一定程度的结果，因此分析断丝的失效机理是揭示钢丝绳断裂的关键所在。

断丝是指钢丝绳表面出现钢丝开裂、有毛刺甚至绳股断裂等特征，其失效形式主要有3种形式，分别为一次加载断丝、疲劳断丝以及由环境介质引起的断丝。一次加载断丝由于载荷作用导致钢丝绳变形形式的不同，这种失效形式在立井提升钢丝绳中比较常见，主要表现为拉力破断与剪切破断。钢丝绳疲劳断丝的失效形式有很多种，但其基本形式只有2种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳，其他形式的疲劳，都是这2种基本形式在不同条件下的复合。常见提升钢丝绳的疲劳断丝主要是由于钢丝绳在承受一定的拉力下，反复弯曲，使绳股内钢丝由于金属的疲劳效应所引起的断丝，通常发生在绳股弯曲程度最厉害的一侧的外层钢丝绳上。钢丝绳断裂失效不仅与材料的性质、应力状态有关，而且在很大程度上取决于它的环境条件。当矿井提升系统运转不良时，钢丝绳磨损会日趋严重，最终导致断丝;腐蚀断丝一般发生在钢丝绳在具有腐蚀性介质环境下（如矿井，一般具有较强酸性或者碱性的淋水）运行，使钢丝被腐蚀、锈蚀，有效工作面积逐渐减少，最后导致断丝。

1.2磨损

立井提升钢丝绳由于同滑轮或者相邻绳股的接触表面有相对运动，会使得钢丝绳形状、尺寸或者重量发生变化，这一过程即为磨损。磨损会导致钢丝绳尺寸减少和表面状态改变，并最终丧失其功能。该失效形式在提升钢丝绳中也比较常见。磨损失效是逐步发展、渐变的过程，不像断裂失效事故那样具有突然性，但磨损通常导致受载截面面积减少以及疲劳敏感性的增加，造成断裂失效，特别在腐蚀介质中，磨损将加速腐蚀过程。

钢丝绳各种磨损过程都是由其特殊机制所决定的，并表现出相应的失效模式，主要分为机械磨损和塑性磨损。机械磨损主要为外部钢丝磨损，是在使用过程中钢丝绳外层钢丝与绳槽、吊钩、地面等表面接触而引起的磨损。这种现象在加速或者减速时，钢丝绳与滑轮接触的部位特别明显。表现为钢丝绳外周表面的钢丝被磨平，绳径变细，受载截面积减少，受载能力也随之降低。此外，钢丝绳润滑不足以及钢丝绳上、绳股间有灰尘、沙粒和石子会加剧机械磨损的产生。塑性磨损是由于振动、碰撞、内部挤压造成的钢丝绳表面撞损，属于一种局部磨损现象。如提升钢丝绳相互缠绕、咬绳现象，同时，由于钢丝绳的弯曲，钢丝绳内部各根细钢丝就会相互产生作用力并且产生滑移，这时股与股之间接触应力增大，使相邻股间的钢丝产生局部压痕深凹，都会使钢丝绳产生塑性磨损。

1.3磨蚀

钢丝绳一般处于较为恶劣的工作环境中，钢丝与环境介质发生反应会造成钢丝腐蚀。腐蚀与断裂、磨损是钢丝绳损伤的最重要形式。与钢丝绳断裂不同的是，腐蚀和磨损一样都是一个渐进的过程，而且在很多情况下，两者通常是相互作用，导致钢丝绳的早期失效;同时，腐蚀是钢丝绳断裂的条件，甚至直接导致断裂的产生。

钢丝绳的腐蚀基本可分成两类：一是空气接触发生的腐蚀，如一些钢丝绳在酸性环境内就会产生化学腐蚀，另外在潮湿大气环境中就会产生电化学腐蚀;另一类是局部的腐蚀，如孔蚀，其形成过程是介质中的活性阴离子被吸附在金属表层氧化膜上，并对氧化膜产生破坏作用，这类腐蚀失效往往发生在一些有镀层的钢丝绳上。

2煤矿立井钢丝绳的防护措施

2.1根据提升方式合理选择钢丝绳

煤矿立井提升方式不同，所选择的钢丝绳型号也不同。对于单绳缠绕式提升，一般宜选用光面同向左捻、断面形状为圆形股或三角形股，接触形式为点或线接触的钢丝繩，且多采用价格较低的 6 股19 丝的普通圆形股钢丝绳。对于矿井淋水大，酸或碱度高和作为出风井的井筒中使用时，为防止钢丝绳锈蚀，宜选用镀锌面钢丝绳。对于多绳摩擦提升，一般宜选用镀锌面、同向捻的钢丝绳，且左捻、右捻各半，并且断面形状是三角股的较好。

2.2减小弯曲及接触应力以避免钢丝绳过度磨损

在确定提升钢丝绳断面尺寸时，应保证提升机滚筒的直径与绳径之间有足够的比值，以减少弯曲应力;绳槽直径必须合理，若绳槽过小会引起钢丝绳挤压而造成断丝，绳槽过宽则会使钢丝绳在绳槽中受压面积减小，增大接触应力，产生绳与绳槽之间的过度磨损。

2.3保持良好的润滑以防止钢丝锈蚀

润滑对钢丝绳的使用寿命影响甚大。润滑的作用是保护绳外部钢丝不受侵蚀，使丝与丝之间得到润滑，减少磨损，防止水分浸入绳芯。钢丝绳所用润滑油脂一般均采用专用的钢丝绳油，并要注意与钢丝绳厂家制造时所使用的油脂相适应。要求其黏稠性能好，振动、淋水冲甩不掉;遇低温不硬化，高温不流失;防锈润滑性能好，具有一定的透明度，以便及时发现钢丝绳断丝和损坏的情况。

2.4定期检查与测试以防止断绳事故发生

提升钢丝绳在使用过程中，若发生容器过卷、卡罐、掉道或松绳打结等现象，钢丝绳必将承受巨大的冲击载荷，易造成断绳事故发生。为确保提升钢丝绳的使用安全，必须对提升钢丝绳进行定期的检查和试验。具体来说，提升钢丝绳必须每天以0 .5m/s 以下的速度进行详细检查，并记录断丝情况;钢丝绳如果遭受卡罐或突然停车等猛烈拉伸时，必须立即停车检查遭受猛烈拉伸的区域;钢丝绳作多层缠绕时，应尽量避免“咬绳”现象发生。由下层转到上层的临界段必须加强检查，并且每季度错绳1/4 圈。

3结束语

煤矿立井提升钢丝绳的失效破坏表现形态多样，且多种原因交错，同时存在几种失效形式共同出现的可能，有些可以根据定量计算确定，有些需要根据检查发现的缺陷和程度定性判断，必要时利用检测仪器进行检验。评价钢丝绳是否报废，不能孤立分析某一种失效形式，应该对各项因素进行综合考虑，按标准掌握，一旦发现钢丝绳的损坏达到了危险程度应立即更换。另外在更换新钢丝绳前，还应明确并消除对钢丝绳有不利影响的设备缺陷。

参考文献

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