鋼絲繩使用的安全性是人們長(zhǎng)期以來(lái)一直關(guān)心的問(wèn)題,因鋼絲繩的損傷或破斷而產(chǎn)生的重大事故時(shí)有發(fā)生.為了確保使用中鋼絲繩的安全運(yùn)行,掌握鋼絲繩的損傷規(guī)律及防治方法很有必要.就起重機(jī)上使用的鋼絲繩而言,規(guī)格品種繁多,使用千差萬(wàn)別,但一般隨著使用時(shí)間的持續(xù),都會(huì)出現(xiàn)損傷現(xiàn)象.筆者通過(guò)多年工作實(shí)踐的總結(jié),歸納起主要損傷現(xiàn)象有以下六種,即:磨損,疲勞,銹蝕,變形,咬繩,過(guò)載.
1 磨損
鋼絲繩在操作時(shí)與其它物體接觸并有相對(duì)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生摩擦.在機(jī)械的,物理的和化學(xué)的作用下,鋼絲繩的表面也不斷磨損.磨損是鋼絲繩最常見(jiàn)的損傷方式,一般分為外部磨損,變形磨損和內(nèi)部磨損三種情況.圖1所示為單絲磨損的幾種斷面形狀.
1.1外部磨損
鋼絲繩在使用過(guò)程中其外周與滑輪槽,卷筒壁,鉤頭等物體表面接觸而引起的磨損屬于外部磨損.在外部磨損后繩徑將變細(xì),外周表面的細(xì)鋼絲被磨平.圖2是鋼絲繩表面磨損的兩種類(lèi)型.
鋼絲繩的外部磨損使承受載荷的鋼絲截面積減小,鋼絲繩的破斷載荷也相應(yīng)降低.圖3是通過(guò)試驗(yàn)得到的鋼絲繩直徑減小率與破斷載荷降低率的關(guān)系曲線(xiàn).由曲線(xiàn)可以看出,單周磨損較全周磨損更惡劣,所以應(yīng)盡可能使單周磨損的鋼絲改為全周均勻磨損.在鋼絲繩的全長(zhǎng)范圍內(nèi),應(yīng)盡可能地做到均勻磨損.如起重機(jī)鋼絲繩在使用中期換頭,一般可延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命30%～40%.
1.2變形磨損
由于振動(dòng),碰撞造成的鋼絲繩表面撞損,叫做變形磨損,這是一種局部磨損現(xiàn)象.如卷筒表面的鋼絲繩受到其它物體的撞擊,起重機(jī)起升鋼絲繩相互打纏,或者由于滑輪與卷筒中心偏斜而產(chǎn)生的咬繩現(xiàn)象,都會(huì)使鋼絲繩產(chǎn)生變形磨損.如把磨損后的表面細(xì)鋼絲剖開(kāi),變形磨損和外部磨損的區(qū)別如圖1所示.這種變形磨損因局部擠壓而變形,其鋼絲橫斷面在擠壓處向兩旁伸展成翅形.從外表看,鋼絲寬度擴(kuò)展,雖鋼絲繩截面積減小不多,但局部擠壓處的鋼絲表面材質(zhì)硬化了,極易斷絲.
1.3內(nèi)部磨損
在使用過(guò)程中,鋼絲繩經(jīng)過(guò)卷筒或滑輪時(shí)所承受的全部負(fù)荷壓在鋼絲繩的一側(cè),各根細(xì)鋼絲的曲率半徑不可能完全相同.同時(shí),由于鋼絲繩的彎曲,鋼絲繩內(nèi)部各根細(xì)鋼絲就會(huì)相互產(chǎn)生作用力并且產(chǎn)生滑移,這時(shí)股與股之間接觸應(yīng)力增大,使相鄰股間的鋼絲產(chǎn)生局部壓痕深凹.當(dāng)反復(fù)循環(huán)拉伸彎曲時(shí),在深凹處則產(chǎn)生應(yīng)力集中而被折斷,構(gòu)成了內(nèi)部磨損.通常細(xì)鋼絲表面的壓力與鋼絲繩的壓力成正比,在張力相同情況下,由于受壓面積不同,單位面積承受的壓力也不同.從表面受壓磨損來(lái)看,采用線(xiàn)接觸鋼絲繩比采用點(diǎn)接觸鋼絲繩有利,采用面接觸鋼絲繩比采用線(xiàn)接觸鋼絲繩更有利.此外,鋼絲繩的彎曲程度,運(yùn)動(dòng)速度,對(duì)鋼絲繩的內(nèi)部磨損均有影響.很明顯,選擇線(xiàn)接觸或者面接觸類(lèi)型的鋼絲繩是減少內(nèi)部磨損的有效途徑.
2 疲勞
鋼絲繩在使用過(guò)程中主要承受彎曲疲勞和拉伸,扭曲,振動(dòng)引起的疲勞.
2.1彎曲疲勞
鋼絲繩重復(fù)通過(guò)滑輪或卷筒中撓上撓下,無(wú)數(shù)次的彎曲,容易使鋼絲產(chǎn)生疲勞,韌性下降,最終導(dǎo)致斷絲.而疲勞斷絲出現(xiàn)在股的彎曲程度最厲害的一側(cè)外層鋼絲上.通常情況下,疲勞斷絲的出現(xiàn)意味著鋼絲繩已經(jīng)接近使用后期.
試驗(yàn)表明,鋼絲繩的彎曲疲勞壽命與D/d比值(即卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d的比值),安全系數(shù)和鋼絲繩結(jié)構(gòu)均有密切的關(guān)系.
2.2拉伸,扭曲和振動(dòng)引起的疲勞
起重機(jī)鋼絲繩在起動(dòng)和制動(dòng)的始末,捆扎鋼絲繩在承受載荷的前后,變化的拉伸應(yīng)力會(huì)引起金屬疲勞.此外,鋼絲繩經(jīng)常受到扭曲和振動(dòng)也是產(chǎn)生疲勞的原因.
疲勞損傷的原理是在變應(yīng)力的作用下,細(xì)鋼絲表面首先由于各種滑移形成初始裂紋,然后裂紋尖端在切應(yīng)力的作用下反復(fù)塑性變形,使裂紋擴(kuò)展直至斷裂.其疲勞引起的斷絲一般斷口平齊,多半出現(xiàn)在表層鋼絲上,它們很有規(guī)律.
2.3防止鋼絲繩疲勞損傷的途徑
1)在條件許可的情況下,應(yīng)盡可能使卷筒和滑輪的直徑加大.
2)在安排滑輪布局時(shí),應(yīng)盡量避免使鋼絲繩反向彎曲,如圖4所示.試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,反向彎曲的破壞約為同向彎曲的2倍.
3)盡可能選擇結(jié)構(gòu)好的鋼絲繩,如WS,TX型等線(xiàn)接觸鋼絲繩.使用這些鋼絲繩能成倍地提高使用壽命.
3 銹蝕
鋼絲繩一般在露天使用,日曬雨淋會(huì)使鋼絲繩腐蝕,尤其是在有害氣體與惡劣環(huán)境下使用的鋼絲繩,腐蝕造成的損傷就更嚴(yán)重.因腐蝕而受損的鋼絲繩表面存在氧親和性的差異,使表面的某一局部金屬成為陽(yáng)極,另一鄰近的局部金屬成為陰極,形成了大量的小電池.在小電池的作用下,表面便形成很多圓形腐蝕坑,并逐步加深.這些坑就成了應(yīng)力集中點(diǎn),疲勞裂紋的源泉.與此同時(shí),腐蝕使鋼絲繩的截面積減小,彈性和承受沖擊的能力降低.
防止鋼絲繩銹蝕損傷的方法有兩種,一種是勤涂油,對(duì)于經(jīng)常處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的鋼絲繩涂油是必不可少的.新鋼絲繩麻芯一般含有12%～15%的油脂,而報(bào)廢的鋼絲繩在損耗最大的部位僅含2.4%的油脂,在同一根鋼絲繩的繩端,即使沒(méi)有經(jīng)過(guò)滑輪也仍含有12.7%～14.5%的油脂.試驗(yàn)表明,涂油鋼絲繩在試驗(yàn)后期發(fā)生的斷絲約為不涂油的半數(shù).一根鋼絲繩最初的含油量只能維持壽命的40%,其后如不加油則斷絲急劇增加.二是對(duì)使用環(huán)境惡劣,相對(duì)運(yùn)動(dòng)較少的鋼絲繩可選擇鍍鋅,鍍鋁等特種鋼絲繩.這些鋼絲繩暴露在大氣中的鍍鋅或鍍鋁表面會(huì)形成氫氧化鋅和氫氧化鋁薄膜,能有效地防止鋼絲繩的腐蝕.
