钢丝绳损伤的技术分析.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/钢丝绳损伤的技术分析金国钧(上海二钢有限公司 200090)摘 要 钢丝绳在使用过程中的损伤分为断丝、磨损、锈蚀、变形、弯曲疲劳等7大类,对导致损伤的原因进行分析,并对各种情况下损伤导致的破断拉力下降进行对比研究,级断丝在30%时,破断拉力下降达4311%,当锈蚀程度达到 级时,力学性能损失40%以上。指出使用中避免钢丝绳的损伤应注意的事项。关键词 钢丝绳 损伤 性能 技术分析Technology Analyses about Wire Rope DamageJin Guojun(Shanghai Ergang Co.Ltd.200090)AbstractThe damage of wire rope in use can be divided into seven kinds,such as wire broken,wear and tear,rust spots,defor2mation and bend fatigue.The causesfor damage are analyzed.The declinesof breakingforces,which are caused by damages in var2ies conditions,are compared and researched.When gradewire broken is up to 30%,the breakingforce decrease 43.1%;whenrust spots reach grade,the mechanical property loss is more than 40%.The matters needing attentionof avoiding damages in theuse of wire rope are pointed out.Keywordswire rope;damage;property;technology analyze1 断丝的分类及影响1.1 分类和特征钢绳的断丝一般可分为:疲劳断丝、磨损断丝、锈蚀断丝、剪切断丝以及过载断丝、扭结断丝等,后两种断丝是属于事故状态下发生的,当钢丝绳全部断裂后,要先仔细检查钢绳头卷缩得最严重的那一段,因为那一段往往是最先断裂的部位。各种情况下典型的断口形状如图1所示,原因和特征如下。图1 断丝分类和断口形状示意图(1)过载断丝。该现象是钢丝绳承受过载负荷或冲击力过大所造成的,这种现象在一般正常使用过程中很少出现。断口形状类似正常拉断,呈杯状塑性收缩。单纯过载钢丝破断部位分散,伴有冲击,折弯时又易集中在一股。(2)疲劳断丝。钢丝绳通过滑轮或卷筒时,在许用应力作用下承受一定反复弯曲次数后,使钢丝由于金属疲劳而引起的断丝。断口形状平齐、象刀切的样子,只有一小部分是最后被拉断,疲劳断丝出现在股的弯曲程度最厉害的一侧外层钢丝,意味着钢丝绳使用已经接近后期,应特别需要加强检查。(3)磨损断丝。这种断丝是在钢丝磨损极其严重时才会出现,断口形状两侧呈斜茬,断口扁平。(4)锈蚀断丝。锈蚀严重的钢丝绳使用后期会出现这种断丝,断口形状不整齐,呈针尖状。(5)剪切断丝。一般是钢绳在某一拐角上,钢丝被硬性拉断,断口形状呈剪切状。如果是先断的那一股中,这种断丝数量较多,就说明在某一角度上受阻力较大。(6)扭结断丝。这种现象一般在正常使用过程中不会出现,它是钢丝绳由于出现钢丝松弛造成扭结现象后才出现。断口形状平整光滑,类似镜面。此外,经常在腐蚀性环境下使用,钢丝遇到各种腐蚀介质影响而产生氢脆断丝现象,这种断口是不规则的,出现氢脆现象是很危险的。第28卷 第5期金 属 制 品2002年1 0月Vol128No15SteelWireProductsOctober2002 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/1.2 对使用性能的影响钢丝绳出现断丝后钢丝绳断面积减少,其承受拉力的减少量与断丝多少、断丝分布有关。试验证明断丝率在30%以内时,钢丝绳破断拉力的降低与断丝率成一定比例;但是如果断丝分散在全长上,不是集中一个捻距内,则对整绳破断拉力影响较小;在一个捻距内断丝分散在各股和集中在一股里又有明显区别。试验表明(试验钢丝绳的结构为624,断丝方法是在新的钢丝绳上人工切断):如果断丝集中在一股中,拉力降低量要比分散在各股中有成倍变化。一般各种规程中允许规定断丝数,是指断丝分布在一个捻距的各股中,如果出现断丝集中在一股、一个面上,由于破断拉力会成倍降低,所以断丝允许数相应减少一半左右,详见表1。表1 断丝及其它位置对破断拉力影响断丝数断丝位置拉力降低率%14根(约10%)集中在一股,一个面上26.6分散在三个捻距2.3分散在各股,在绳子同一横断面上9.6分散在三个捻距3.630根(约20%)集中在二股、一个面上42.2分散在三个捻距5.0分散在各股,在绳子同一横断面上21.6分散在三个捻距3.742根(约30%)集中在三股,一个面上43.1分散在三个捻距6.2分散在各股,在绳子同一横断面上27.5分散在三个捻距6.02 磨损(绳径变细)的特征及影响磨损和绳径变细是紧密相连的,一般通过对钢丝绳直径测量来测定其磨损程度。绳径变细分正常变细和磨损变细两类。正常变细是指新绳悬挂后(通常在开始使用后不久),直径变细速度较快,当变细到公称直径附近时(钢丝表面还没有发生磨损),出现暂时稳定,变细的原因是钢丝绳捻制结构引起伸长和变细,属正常变细,破断拉力不但不损失,反而使钢丝绳紧密度增加,对使用是有好处的,以后继续使用时,随着钢丝表面开始磨损,直径又渐渐地变细,变细是由于钢丝磨损和绳芯腐蚀变质等原因造成的,称磨损变细,对使用有一定影响。磨损变细的原因很多,有的是由于长期的机械磨损(包括钢丝绳表面和股间各钢丝之间);有的绳芯缩细(局部突然缩细,这种现象可能是由于受到冲击力或遇到火焰喷射使绳芯烧毁);还有钢丝局部锈蚀和断丝造成金属断面的减少。本节着重介绍机械磨损造成的绳径变细。2.1 分类和特征钢丝的机械磨损一般可分为:外部的均匀磨损、变形磨损、内部磨损以及钢丝绳单面磨损和挤压磨损,其断面形状如图2所示。图2 钢丝磨损后断面形状(1)外部的均匀磨损(纯机械磨损)。钢丝绳在使用过程中,由于与滑轮、卷筒、地面岩石等接触而产生的钢丝磨损,这种情况下的磨损是均匀分布的。(2)变形磨损(局部磨损)。变形磨损是指钢丝绳在某一段的局部磨损而言的,产生原因是钢丝绳与滑轮经常产生慢性移位,钢丝绳在滑轮上剧烈振动、冲击,或者由于滑轮与卷筒中心偏斜而产生的咬绳现象所造成的。这种变形磨损是局部挤压变形,其钢丝横断面是挤压处向两旁伸展成翅形,从外观看钢丝宽度扩展,钢丝断面积并末显著减少,但局部挤压处钢丝材质硬化,极易造成断丝。(3)内部磨损。钢丝绳在使用过种程中,经过卷筒或滑轮时,钢丝绳所承受的全部负荷压在钢丝绳的一侧,同时由于钢丝的弯曲,股中钢丝产生移动,这时股与股之间接触应力最大,而使相邻股间的钢丝产生局部压痕深凹,当反复循环拉伸弯曲时,在深凹处则产生应力集中而被折断。内部磨损钢丝断口呈齿形,表面圆滑凹形。(4)单面磨损和均匀磨损。这种磨损主要是钢丝绳在不光滑的滑轮槽内或滑轮不转动而造成的,在地辊和地面上产生的硬性磨擦也会产生这种现象。而均匀磨损是在正常使用状态下的磨损,钢丝绳单面磨损和均匀磨损示意图如图3。(5)挤压磨损。钢丝绳在安装或处于松弛状态时,可能摔落在滑轮外面或轮缘破损处,如果没有及时发现,起动时钢丝绳与轮缘破损等处相磨,会造成这种磨损现象。2.2 对使用性能的影响钢丝绳磨损将使钢丝绳内钢丝断面积减少,使2金 属 制 品第28卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图3 钢丝绳的磨损其拉力降低,一般来讲钢丝绳破断拉力下降率和钢丝绳直径减少率成比例关系,而单面磨损比均匀磨损下降率增加一倍左右,如图4所示。图4 绳径减少率和钢丝断面积减少率(外部和内部磨损同时存在)1.单面磨损时钢丝断面积减少率2.均匀磨损时钢丝断面积减少率3.单面磨损时钢丝绳断面积减少率4.均匀磨损时钢丝绳断面积减少率由于磨损引起应力集中的影响,其破断拉力下降率稍高于钢丝断面积的减少率,局部变形磨损和挤压磨损,虽然有时并没有减少多少钢丝断面积,但由于受到高温或局部应力集中的影响,使钢丝材质硬化,容易产生断丝。3 使用中摩擦发热、钢丝局部马氏体化当钢丝绳在坚硬物体上摩擦,或以相当快的速度和较高的压力同构造物接触,绳外部接触处摩擦发热,发生冒火花现象,有可能使钢丝表面温度瞬间超过淬火温度,继而急骤地冷却,形成钢丝局部马氏体化,这将导致使用中受到弯曲的钢丝表面,横向发生多处开裂现象。4 弯曲疲劳各种钢丝绳经过一定次数反复弯曲使用后,因疲劳导致性能发生变化,如图5所示。从图中钢丝绳反复弯曲疲劳性能达到50%、70%、80%的各点,以及断丝开始和断丝10%时的点,可以看出,钢丝绳弯曲疲劳对破断拉力有一定的影响,初期略有增加,到达疲劳值的50%70%时急剧下降,出现第一根疲劳断丝时,点接触钢丝绳破断拉力下降4%8%,线接触钢丝绳下降约12%。为断丝开始图5 钢丝绳弯曲疲劳对破断拉力影响5 锈蚀的分类及影响钢丝绳在使用过程中,由于长时间受到日晒和湿气、雨雪、海洋性气雾、酸雾以及其它有害气体的侵蚀会遭到腐蚀破坏。所谓钢丝绳的锈蚀(生锈、腐蚀),就是钢丝绳的金属表面与周围介质发生化学或电化学反应而产生的破坏现象。5.1 分类和内部锈蚀的检验锈蚀可分为外部锈蚀和内部锈蚀,检查锈蚀目前只能采用目测和敲打的办法。内部锈蚀的检查比外部锈蚀困难得多,通常采用方法如下:(1)将钢丝绳股与股之间设法拧开;(2)测量绳径是否粗细不均。例如:一般钢丝绳如果内部锈蚀,在经常通过滑轮部位直径减少;而不经常通过滑轮部位绳径变粗;(3)用小锤轻轻敲击听声音检查,有咔嚓的响声,就说明绳的内部已有锈蚀;(4)外层绳股之间间隙减少,这通常与绳股凹处的断丝同时产生。锈蚀损伤不是单独存在的,一般是疲劳和磨损同时产生,这就是通常所讲腐蚀疲劳和腐蚀磨损。5.2 对使用性能的影响钢丝绳使用时,一方面与锈蚀介质接触,而同时又承载了不同应力的变化,有内在的和外在的。应力可以加速锈蚀的破坏,而锈蚀也可促使应力的破坏。可以认为钢丝绳锈蚀后,拉应力对锈蚀3 第5期金国钧:钢丝绳损伤的技术分析 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/的速度影响很大,实践证明无论在矿井水中或海水中,受力钢丝的锈蚀发展速度比未受力的钢丝明显快得多。钢丝绳锈蚀后,它的力学性能随之降低,不仅钢丝锈蚀后使金属断面积减少,影响拉力,而且导致绳芯(指天然纤维绳芯)腐烂,使股与股之间钢丝磨损加快、钢绳直径变细,钢丝韧性尤其扭转值明显下降,造成使用脆性。曾经发生过一盘钢丝绳露天堆放,尽管外表也经常涂油,但时间长了里面仍然发生了锈蚀,做吊绳时发生脆性断裂。经检查钢丝抗拉强度无明显变化,但扭转值显著下降,51.5%钢丝的扭转性能都低于标准要求,其中外层钢丝83%不合格,中层30%不合格。在实际使用中锈蚀对钢丝绳力学性能影响,远远超过断丝和磨损的影响,到目前为止还未能找到合适方法来量化锈蚀的程度。为了便于分析,表2中把钢丝绳的锈蚀程度分为4个等级,并粗略估计它对力学性能的影响。表2 锈蚀的分级及对钢丝绳力学性能的影响级 别力学性能损失钢丝绳表面锈蚀程度轻度()约10%钢丝变色、失去光泽、有锈皮或麻点(在钢丝表面呈现小黑点)较重()10%35%钢丝表面锈皮较厚或有麻坑,但尚未连接起来严重()25%40%有锈蚀裂纹、麻点形成麻坑,连成麻沟,外层钢丝松动危险()40%锈蚀面积大,钢丝失去圆形,股间钢丝咬痕深达钢丝直径的1312 从表2中看出,级属于轻度锈蚀,锈蚀影响不大,可按其它规定报废;级锈蚀时应考虑锈蚀的影响;级是严重的锈蚀,一般达到 级时使用不安全了;级已达危险状态。大量的实践证实了锈蚀对钢丝绳使用寿命影响是很明显的。由于锈蚀的原因使有些优良结构的钢丝绳显示不出结构的优越性,因此对钢丝绳及时保护涂油是提高钢丝绳使用寿命的重要措施之一。6 变形钢丝绳在搬运和使用过程中,由于受到突然的撞击或冲击,而产生破坏钢丝绳原有结构的现象称为变形。变形不仅直接损坏了一部分钢丝,而且因为改变了钢丝绳形状,破坏了原绳的结构,产生了诸如拉应力再分配等现象,加速磨损并导致变曲疲劳损失增加。6.1 钢丝绳变形的分类钢丝绳变形一般可分为:压扁、股松弛、波浪形、扭结、弯折、起壳等现象。6.2 造成的原因和对使用性能的影响(1)压扁。钢丝绳从高处摔下或受其它物件的冲撞挤压,以及乱绕在卷筒上,使负载过大,从滑轮轮槽上滑出落在轴上都会造成局部压扁现象。局部压扁使一部分钢丝损坏,绳和股结构受到破坏不仅使破断拉力降低,如图6所示,而且会加速造成断丝和不规则的磨损。图6 压扁对破断拉力的影响(2)股松弛。钢丝绳在过小的滑轮上工作,由于受到剧烈的张力变化,个别股出现松弛或陷落现象。由于股松弛各股所承担的应力失去平衡,使钢丝绳破断拉力损失很大,如图7所示。图7 股松弛对破断拉力的影响4金 属 制 品第28卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(3)波浪形。当波浪形程度达到d3(绳经)时,对破断拉力有所影响,一般破断拉力下降30%以下。(4)扭结。由于钢丝绳的局部过捻或松捻,在钢丝绳上会出现扭结的现象。钢丝绳一旦形成扭结,破断拉力明显下降。尽管有些扭结的钢丝绳经过修复,表面上看不到明显的痕迹,但其内部还是留下了一个伤痕,特别容易造成局部磨损和断丝,并导致意想不到的事故。产生扭结会使破断拉力下降40%60%,修复后仍下降15%25%。(5)弯折。钢丝绳的局部受到冲击可能形成弯折现象。这种损伤会使钢丝绳局部弯曲,产生永久变形,严重时弯折处破断拉力损失达60%。(6)起壳。普通钢丝绳在大载荷下突然松弛,外层股可能浮起形成灯笼形俗称起壳。多股钢丝绳采用多层股分层制造,当受到附加力矩(加捻或松捻现象)或滑轮组过多,引起内外层股力矩平衡的破坏,形成变形分层,当发生一外层股“灯笼形”(加捻时)或内层芯子“突出外露”等现象,一般不能正常使用。图8 绳芯拉断对破断拉力的影响(7)绳芯飞出和拉断。使用弯曲半径过小,会出现绳芯外露或芯和股的位置互相交替,出现芯和股的位置互相交替或局部绳芯拉断现象会使破断拉力稍有减少(如图8所示),但由于形状发生变化,明显影响使用寿命。(8)捻距变化。钢丝绳遇到松捻或加捻时,捻距会发生明显变化,导致破断拉力和伸长等性能发生变化,捻距对破断拉力及伸长的影响见表3。表3 松捻或加捻对钢丝绳性能的影响捻距变化62418.5 mm63717.5 mm捻距mm捻距变化率%破断拉力kN破断拉力变化率%伸长%捻距mm捻距变化率破断拉力kN破断拉力变化率%伸长%松捻160.8147.0129.01.391.271.12163160159+4.4+2.8+1.95.86.67.2150.0146.8121.81.341.281.06194195197+1.5+2.1+3.14.44.4基本状态115.41.0015607.2114.81.0019104.8加 捻108.098.084.30.940.850.73153150146-1.6-3.3-6.37.48.4103.092.083.50.900.800.73179173166-6.1-9.2-13.35.05.47 钢丝绳使用损伤分类和造成原因钢丝绳损伤分类及造成原因见图9中ag。8 损伤的预防钢丝绳损伤的预防,除了按各行业有关钢丝绳的使用规范正确使用外,还应该根据用途和损坏特征在使用维护时应注意以下事项。(1)磨损。滑轮和卷筒直径以及绳槽接触面积尽可能放大,材质硬度要适宜;钢丝绳在滑轮和卷筒上缠绕方向和排列方法必须合理;对润滑油的补充必须及时。(2)预防锈蚀。润滑油的补充要及时;要尽量使用镀锌钢丝绳;绳芯材质采用合成纤维;对不同品种的钢丝绳,一般应该有使用期限的规定。(3)预防疲劳。滑轮和卷筒直径尽可能放大;避免钢丝绳反向弯曲;使用不松散钢丝绳;使用线接触钢丝绳。(4)防止表面硬化。钢丝绳运转前,要清除有影响的障碍物;提高滑轮和卷筒的旋转性能。(5)防止变形。使用钢丝绳要小心;避免绳子弯曲半径过小;钢丝绳在卷筒的缠绕方向避免采用反向弯曲;滑轮的槽形接触面积尽可能大。5 第5期金国钧:钢丝绳损伤的技术分析 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/(a)局部磨损钢丝绳在使用、搬运时扭结、折弯后被磨损(b)乱绕损伤钢丝绳在卷筒上乱绕成团状而引的。为避免这种损伤,在无槽的卷筒内要整齐排列,并将移动角控制在2度以内(c)压坏工作负载过大,乱绕在卷筒上而引起的压坏。此外,当钢丝绳从滑轮上脱出,落在轴上也会被压坏(d)单面磨损断丝使用已损坏的卷筒、滑轮,槽形和钢丝绳绳径不符合或滑轮同轴的配合角度倾斜而引起的(e)全面性早期断丝滑轮直径过小、滑轮槽太窄、负载过重、运转速度太快,产生震动或钢丝绳生锈、钢丝脆性(f)损伤集中在一股运转时故障或钢丝绳内某一股松弛、卡住,受到局部的摩擦或应力集中在一起(g)绳芯外露弯曲半径过小或者长期保持某一弯曲状态而造成的。这一现象继续发展会造成绳芯全部外露,股绳陷入绳芯的部位图9 一般钢丝绳损伤图例(6)其它。防止急起吊和急停止;不能起吊规定载荷以上的重量。9 结语综上所述,钢丝绳使用过程会出现各种损伤,这些损伤有些是正常现象,亦有个别是人为使用不妥而造成的。要最经济、最安全使用好钢丝绳,钢丝绳制造部门除了要不断提高质量,发展品种、降低成本之外,了解钢丝绳使用过程中各种损伤的分类,造成原因,对使用性能影响,以及如何预防也是十分必要的,从而可以协助使用部门更好地使用钢丝绳。参考文献1 金国钧.钢丝绳使用安全技术.上海:上海市劳动保护社会科学研究所出版,1990.181(收稿日期:2002-07-16)作者简介金国钧 1939年11月生,高级工程师,上海二钢有限公司原项目办主任。多丝弹簧多丝弹簧是一种用钢丝绳制成的弹簧。这种弹簧的拉伸性能超过常规弹簧,用于对持久强度和安全性要求较高的场合。德国ROhrs公司最近加大了研发投资力度,研究开发这种特殊弹簧的钢丝、专用制簧机和用于检测弹簧持久性能和动力学性能的冲击试验机。由于多丝弹簧具有吸收高速冲击载荷、高负载频率、负荷大、寿命长等特点,具有较好的开发前景,目前ROhrs公司已能为客户提供非标设计。6金 属 制 品第28卷