矿用提升机钢丝绳锈蚀对其力学性能的影响及改进

杜 蓉

（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司机电科，山西 大同 037024）

引言

随着煤炭资源需求量的不断增加，浅表矿井资源采掘产量逐年增加，储量日趋枯竭，极大地推动了深井煤炭资源的开采事业[1]。矿井提升机作为深井煤炭掘进的重要运输设备，其对工作的可靠性要求较高，尤其是提升机钢丝绳的工作载荷极为复杂、环境条件极差，出现事故的概率较高，故而对其力学性能要求较高[2]。

目前提升机钢丝绳力学性能研究聚焦于新生产的钢丝绳，对于使用过程中锈蚀对力学性能的影响研究较少，尤其是因润滑不当产生的锈蚀，对于提升机钢丝绳力学性能的影响较大，也是极度危险的因素，必须引起高度重视[3]。因此针对某煤矿提升机钢丝绳运行过程中存在明显锈蚀的问题，开展锈蚀原因分析及其对钢丝绳力学性能的影响研究工作具有重要意义。

1 存在的问题

某煤炭企业提升机服役近3年多，在运行维护过程中其钢丝绳表面存在较为严重的锈蚀情况，导致钢丝绳的安全性和稳定性急剧下降。查阅相关技术资料显示，提升机悬挂的是AB级镀锌钢丝绳，截面结构为6V×37，锈蚀状态表现为麻芯外露，能够明显看出钢丝绳的直径变小了[4]。根据《煤矿安全规程》第406条的规定内容：“以钢丝绳标称直径为准计算的直径减小量达到一定数值时必须更换，其中对于提升机钢丝绳的界限要求为10%”[5]。

为了确定提升机钢丝绳是否需要更换，需查找锈蚀的原因，有必要开展提升机钢丝绳锈蚀问题分析工作。

2 试验检测

2.1 钢丝取样处理

为了分析提升机钢丝绳表面出现锈蚀的原因及其对钢丝绳力学性能的影响，截取生锈钢丝绳样品进行试验，如图1所示。图1-1为现场实际提升机钢丝绳锈蚀状态照片，可以看出表面基本全部被锈蚀，存在明显的麻芯外露情况；图1-2为拆开清洗后绳股的照片，选取锈蚀部位钢丝绳进行除锈，得到除去铁锈之后的钢丝绳，明显看出此股钢丝绳的粗度明显减小；图1-3为绳股中钢丝的照片，可以看出6根钢丝绳中的4根已经出现了断丝，断丝部位存在明显的挤压变形情况。

图1 失效后提升机钢丝绳照片

2.2 钢丝直径检测

为了定量表征钢丝绳锈蚀程度，用汽油对即将脱落的镀锌层和铁锈钢丝绳进行清洗，得到表面存在较多不规则铁锈坑的钢丝，运用游标卡尺对其直径进行检测，结果如下页表1所示。由下页表1所示的数据可以看出，严重锈蚀位置的钢丝绳股内的钢丝直径均存在较大的缩减，并且不同位置的缩减情况存在一定的差异。钢丝绳内部的钢丝由内至外缩减程度表现出了明显的增大趋势，最内层的钢丝缩减的直径尺寸为0.2 mm，约占原始直径的14.8%，相应的钢丝绳截面积缩小了近27.4%；而最外层的钢丝缩减最为严重，缩减直径尺寸为0.67 mm，约占原始直径的29.1%，相应的钢丝绳截面积缩小近49.8%。

表1 锈蚀前后钢丝绳直径检测结果

2.3 力学性能检测

为了验证钢丝绳锈蚀之后对其力学性能的影响程度，对取样之后的钢丝进行了最大拉伸应力检测。查阅钢丝绳所用钢丝材料的抗拉强度，其数值约为1 750 MPa，之后分别检测钢丝绳的股芯丝、补棱钢丝、中间层钢丝、外层钢丝，检测结果如图2所示。由图2钢丝绳不同部位钢丝的最大拉伸应力数值可以看出，相较于锈蚀之前的钢丝，各个位置的钢丝抗拉强度均出现了明显的降低，主要原因是锈蚀导致了各位置钢丝直径出现了缩减。同时可以看出，钢丝绳由内至外的钢丝抗拉强度降低程度逐渐增大，股芯丝的抗拉强度降低了近29.4%，而外层钢丝的抗拉强度降低了近42.4%。通过计算可得，锈蚀之后的钢丝绳承载能力约为388 kN，提升机钢丝绳中最大绳段的静载荷为320 kN，静载安全系数为1.2。众所周知，提升机钢丝绳工作过程中载荷存在波动频繁的情况，锈蚀之后的钢丝绳如果继续工作存在过载断裂的可能，会给煤矿工作人员及相关设备带来极大的安全隐患。

图2 钢丝绳力学性能检测结果

3 原因分析

因提升机钢丝绳工作环境及载荷较为恶劣，对安全性能要求较高，为了避免提升机钢丝绳在使用过程中出现事故，需要对其锈蚀产生的原因进行分析。查阅相关技术资料可得，提升机钢丝绳材料属性及其性能均满足相关要求，并不存在生产制造缺陷，因此，排除了新设备钢丝绳存在质量缺陷的可能。根据现场使用人员反馈，结合钢丝绳试验检测结果数据可以确定，提升机钢丝绳严重锈蚀的原因是未对使用的提升机钢丝绳进行定期润滑及防锈处理，使得提升机钢丝绳内部麻芯干枯、钢丝锈蚀严重。

4 改进措施

4.1 定期润滑的作用

提升机钢丝绳定期润滑能够很好地保护钢丝绳主体，延长钢丝绳的使用寿命，保证其工作的可靠性。具体体现在以下几点：

1）减缓磨损。因提升机钢丝绳运行时工作载荷复杂多变，同时承受着拉伸、弯曲和扭转等载荷，其内部钢丝表面之间必然存在相对摩擦滑动，如果润滑条件和时间间隔合适，能够保证各个钢丝表面之间始终存在润滑油膜。润滑油膜可降低内部钢丝之间及钢丝与滑轮等位置的磨损，使内部丝股受力均匀，提高钢丝绳的使用寿命。

2）防止钢丝绳腐蚀。虽然钢丝绳内部钢丝表面存在镀锌层，能起到很好的防腐作用，但也要对这一点引起足够的重视。

4.2 具体措施

通过分析提升机钢丝绳锈蚀对于内部钢丝直径尺寸和抗拉强度的影响得出，锈蚀减低了钢丝绳内部所有钢丝的直径，同时大大降低了钢丝的抗拉强度。产生上述问题的原因是未能对钢丝绳进行及时润滑，导致钢丝绳内部产生磨损及快速氧化，严重地影响了提升机钢丝绳的使用安全性。基于上述锈蚀结果及原因，提出了定期涂油的改进策略，要求提升机连续运行15 d左右进行一次润滑油涂刷，保证钢丝表面不会出现干摩擦情况。为了更好地做到钢丝绳的润滑，要求运行维护人员根据提升机钢丝绳的实际状态给予及时的维护，从而使提升机钢丝绳长期处于稳定运行状态，延长其使用寿命。将该改进策略进行了实际应用，取得了很好的防锈效果，预计使用寿命能够延长近10%。

5 结论

经过试验研究发现，严重锈蚀位置的钢丝绳股内的钢丝直径均存在较大的缩减，并且钢丝绳内部钢丝由内至外缩减程度表现出了明显增大的趋势，其中最内层的钢丝直径缩减比例为14.8%，相应截面积缩减27.4%；最外层钢丝直径缩减比例为29.1%，相应截面积缩减49.8%。相较于锈蚀之前的钢丝绳，各个位置的钢丝抗拉强度均出现了明显的降低，且由内至外的钢丝抗拉强度降低程度逐渐增大。究其原因，主要是未对使用的提升机钢丝绳进行定期润滑及防锈处理。基于此，提出了对提升机钢丝绳定期涂油的改进策略，并且需要及时维护，以便更好地使提升机钢丝绳处于稳定运行状态，延长其使用寿命，提升安全经济效益。