淺析卸船機(jī)鋼絲繩變形問題及預(yù)防措施

　論文摘要：鋼絲繩在港口機(jī)械里得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在卸船機(jī)機(jī)械中的應(yīng)用更為普遍，但是也存在著很多安全問題。本文闡述了鋼絲繩的主要結(jié)構(gòu)變形（幾何失效）的種類、失效機(jī)理及預(yù)防措施，在鋼絲繩使用過程中必須綜合考慮多種變形因素，及時杜絕鋼絲繩變形的產(chǎn)生。

　　1 引言?????

　　自鋼絲繩誕生之日起它就以高強(qiáng)度、耐磨損、抗沖擊等良好的特性在港口機(jī)械中特別是在卸船機(jī)械中得到廣泛的應(yīng)用。但由于鋼絲繩工作環(huán)境惡劣，它常常受到化學(xué)物質(zhì)的腐蝕和物理上高強(qiáng)度的沖擊和磨損，以及人為的損傷和破壞。就卸船機(jī)而言，大多說鋼絲繩報廢的原因是鋼絲繩出現(xiàn)斷絲、斷股、磨損和腐蝕。但是有時候鋼絲繩也會出現(xiàn)散股、抽絲等幾何變形，雖然鋼絲繩出現(xiàn)此類損壞的情況相對少見，但是結(jié)構(gòu)變形同樣會帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。所以分析鋼絲繩變形的機(jī)理，總結(jié)防范措施是十分必要的。

　　2 鋼絲繩變形的種類

　　2.1 波浪形

　　鋼絲繩出現(xiàn)波浪形是其出現(xiàn)的縱向軸線成螺旋線形狀，這種變形可能不影響鋼絲繩的強(qiáng)度，但是變形嚴(yán)重的話會造成鋼絲繩的磨損和斷絲。

　　2.2 籠形畸變

　　當(dāng)外層鋼絲繩出現(xiàn)脫節(jié)或者比內(nèi)層鋼絲繩長的時候，就會發(fā)生這種變形，此種變形一旦出現(xiàn)就立即報廢。

　　2.3 繩股擠出

　　一般這種變形與籠形畸變儀器出現(xiàn)，說明鋼絲繩整體結(jié)構(gòu)的不平衡，此種變形一旦出現(xiàn)就立即報廢。

　　2.4 鋼絲擠出

??? 此種變形一般發(fā)生在背著滑輪的一側(cè)，這主要是突然增大的沖擊載荷造成的，如果變形嚴(yán)重，鋼絲繩應(yīng)立即報廢。

　　2.5 鋼絲繩局部扭結(jié)

??? 扭結(jié)是鋼絲繩成環(huán)狀在不可能繞其軸線轉(zhuǎn)動的情況下備拉近造成的，這種變形胡加劇鋼絲繩的磨損和斷絲，嚴(yán)重時會出現(xiàn)鋼絲繩扭曲。

　　2.6 鋼絲繩彎折

??? 這種情況大多數(shù)是人為造成的，特別是在穿鋼絲繩的時候鋼絲繩在地面造成的彎折。此種變形應(yīng)立即報廢。

　　此外，鋼絲繩變形還包括鋼絲繩直徑變大、直徑變小、被壓扁、抽絲等變形。

　　3 鋼絲繩工作時的受力分析

　　卸船機(jī)屬于橋式類型起重機(jī)，它的主要運(yùn)行機(jī)構(gòu)是四卷筒機(jī)構(gòu)（即起升開閉機(jī)構(gòu)）。其主要的動作是抓斗的開閉及小車的前后運(yùn)行。鋼絲繩纏繞的地方是卷筒、滑輪、抓斗以及聯(lián)接的繩套（例如梨形頭繩套），如下圖所示：

　　所以按照鋼絲繩使用和受載情況，鋼絲繩可以分為支持鋼絲繩、牽引鋼絲繩，開閉鋼絲繩和支撐鋼絲繩。鋼絲繩受力比較復(fù)雜，具體分析主要有拉伸應(yīng)力、鋼絲繩繞過滑輪時的彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力、擠壓應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)力以及摩擦力等等。下圖是蕪湖華電800t/h卸船機(jī)開閉繞繩系統(tǒng)鋼絲繩受力示意圖。

　　4 分析鋼絲繩變形的機(jī)理

　　結(jié)構(gòu)變形多出現(xiàn)于麻芯和纖維芯鋼絲繩。而主要的結(jié)構(gòu)變形是打結(jié)、繩芯捻出、散股和籠形畸變。下面主要研究這些方面的變形機(jī)理。

　　結(jié)合在卸船機(jī)工作現(xiàn)場積累的經(jīng)驗(yàn)，分析變形原因有以下幾個方面：[

　1、鋼絲繩自身逆繞方向旋轉(zhuǎn)。在逆繞方向的旋轉(zhuǎn)（繩股松開）的情況下，多層繩股的長度超過了鋼絲繩本身的長度，“長出”的繩股被滑輪或者卷筒推擠到了一起；反之，在順繞方向扭轉(zhuǎn)而縮短的鋼絲繩上，內(nèi)層繩股也會在滑輪或者卷筒的作用下推擠到一起，這樣也會發(fā)生打結(jié)、散股等變形。

　　2、鋼絲繩繞其軸線的扭轉(zhuǎn)。繞其軸線扭轉(zhuǎn)主要是由于鋼絲繩以一個偏轉(zhuǎn)角進(jìn)入滑輪或者卷筒的時候，首先與繩槽的側(cè)邊緣接觸，然后向下滾動，滑到繩槽的底部，這期間鋼絲繩會圍繞著軸線扭轉(zhuǎn)，其偏角越大鋼絲繩扭轉(zhuǎn)的角度也就也大。同時，抓斗提升的高度越大，扭轉(zhuǎn)的程度也就也大，；在多倍率提升系統(tǒng)中，繩子的間隙越小，扭轉(zhuǎn)的傾向也就越大。這期間鋼絲繩最容易發(fā)生繩股擠出、散股以致發(fā)生“鳥籠”現(xiàn)象。

　　3、沖擊載荷的作用。沖擊載荷大多出現(xiàn)在抓斗的突然起升、突然降落、開斗、閉斗、小車的突然行走和停止等時刻。沖擊載荷不僅會對鋼絲繩產(chǎn)生很很大的拉伸應(yīng)力，還會加大鋼絲繩自身的扭轉(zhuǎn)程度。抓斗鋼絲繩張力變化圖如下，其中上面的曲線為閉合鋼絲繩張力函數(shù)曲線，下面的曲線為支持鋼絲繩拉力函數(shù)曲線。從圖中可以看出，當(dāng)抓斗閉合起吊之初，起升鋼絲繩未及時張緊，則閉合鋼絲繩受最大張力：

　　此時，鋼絲繩所受的的張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋼絲繩所受的拉力，張力的增大一定會加大鋼絲繩繞其軸線的扭轉(zhuǎn)程度，也就加大鋼絲繩出現(xiàn)繩股擠出、散股等變形現(xiàn)象出現(xiàn)的機(jī)率。

　　4、機(jī)械結(jié)構(gòu)的不合理。機(jī)械結(jié)構(gòu)的不合理會對鋼絲繩產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力、接觸應(yīng)力、擠壓應(yīng)力和摩擦力。例如卷筒直徑的選擇，如果卷筒直徑選擇小了而鋼絲繩直徑不變，這樣二者的比值就會減小，鋼絲繩所受到的彎曲應(yīng)力就會加大，鋼絲繩的疲勞損傷會加大，鋼絲繩出現(xiàn)變形的機(jī)率會增加，最終鋼絲繩壽命就會縮短。這樣滑輪、卷筒和鋼絲繩就滿足不了機(jī)構(gòu)的工作級別要求。所以在機(jī)械設(shè)計(jì)過程中一定要選擇合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸。

　　5、鋼絲繩繩套（例如梨形繩套）制作的不合格。繩套是鋼絲繩之間以及鋼絲繩與鏈條之間連接的工具，繩套質(zhì)量好壞以及鋼絲繩在繩套里面固定程度的好壞都會影響鋼絲繩的壽命。卸船機(jī)抓斗梨形繩套受力復(fù)雜，它不僅承受鋼絲繩的垂直張力，還承受鋼絲繩接頭進(jìn)入滑輪或卷筒時的沖擊力，承受鋼絲繩自身有“氣”時的自行旋轉(zhuǎn)的側(cè)向力。梨形繩套內(nèi)部鋼絲繩如果固定不好或繩套本身有裂紋，則其在進(jìn)出滑輪瞬間鋼絲繩就會急劇旋轉(zhuǎn)或繩套斷裂。例如蕪湖華電煤碼頭800t/h卸船機(jī)，抓斗的額定起重量為200KN，每根鋼絲繩的張力達(dá)到50KN時，一旦梨形繩套斷裂或者內(nèi)部鋼絲繩松動，鋼絲繩應(yīng)力會立即釋放，產(chǎn)生巨大的沖擊力，十分危險。

　　6、穿鋼絲繩時出現(xiàn)差錯。在四卷筒上穿鋼絲繩的時候，這里一定要注意圖紙上標(biāo)注的鋼絲繩型號、規(guī)格、旋向等要素，如果卷筒牙紋的旋向是左旋的，那么卷筒上鋼絲繩的旋向一定是右旋的；同樣，如果卷筒牙紋的旋向是右旋的，那么卷筒上鋼絲繩的旋向一定是左旋的。如果穿上的鋼絲繩旋向出現(xiàn)了差錯，這樣在卸船機(jī)以后的的工作中，鋼絲繩會沿著卷筒牙紋的方向進(jìn)入卷筒，鋼絲繩就會繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向與鋼絲繩自身繩股的旋向相反，就會造成鋼絲繩散股、籠形畸變等變形。

　　7、鋼絲繩選用不合理。

　?。ㄒ唬?、選擇鋼絲繩時一定要按照現(xiàn)行的鋼絲繩新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。選用鋼絲繩的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了問題，很可能造成重大的安全事故，同時造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。例如新標(biāo)準(zhǔn)中鋼絲繩用途級別為一般用鋼絲繩和重要用鋼絲繩，而舊標(biāo)準(zhǔn)中鋼絲繩用途級別分為1號鋼絲繩和特號鋼絲繩；新標(biāo)準(zhǔn)中鋼絲繩代號分類更為詳細(xì)更為精確，而舊標(biāo)準(zhǔn)鋼絲繩代號只有三種級別，比較粗凡。

　　選用鋼絲繩時候，推薦使用原則如下：

　　1）、當(dāng)進(jìn)行一次無導(dǎo)向重物提升時或在較大高度下進(jìn)行多次無導(dǎo)向重物提升時，選用不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。

　　2）、當(dāng)進(jìn)行一次有導(dǎo)向重物提升時或在較小高度下進(jìn)行多次有導(dǎo)向重物提升時（例如行車）左右旋鋼絲繩成對使用時，可選擇普通鋼絲繩。[

　　對于單層纏繞纏繞的不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，必須嚴(yán)格按照上述原則，否則會引起鋼絲繩的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)變形；對于多層鋼絲繩纏繞的情況，鋼絲繩的旋向由卷筒繩槽的旋向決定，一邊為下一層打好基礎(chǔ)，多層繞卷筒的鋼絲繩之間摩擦力和壓力大，很容易產(chǎn)生亂繩，這里要注略小于的繩槽節(jié)距和繩槽直徑的鋼絲繩。

　?。ǘ?、選用的鋼絲繩性能不合理。鋼絲繩的股內(nèi)鋼絲繩接觸形式有點(diǎn)接觸式、線接觸式和面接觸式。現(xiàn)在點(diǎn)接觸式鋼絲繩已基本不用在卸船機(jī)上了，被線接觸鋼絲繩所代替。同時根據(jù)鋼絲材料性能的不同和繩芯材質(zhì)的不同，鋼絲繩又有軟鋼絲繩和硬鋼絲繩之分。所以選用鋼絲繩時一定要根據(jù)卸船機(jī)的性能和鋼絲繩的具體參數(shù)，合理選取鋼絲繩。如果選用的鋼絲繩質(zhì)地稍微偏硬，就會造成鋼絲繩韌性差，很容易產(chǎn)生磨損和疲勞變形；反之，選用的鋼絲繩質(zhì)太軟，就會造成鋼絲繩容易發(fā)生纏繞和變形?，F(xiàn)在不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩已經(jīng)開始大量使用，其機(jī)理就是繩與股的扭轉(zhuǎn)力矩方向相反而大小相等；進(jìn)口不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩則有所不同，其原理是使繩芯的旋向與繩本身的旋向相反，當(dāng)受力時，繩芯產(chǎn)生的扭矩大小相等，方向相反。

　　8、人為因素的影響。這里主要是卸船機(jī)司機(jī)的不規(guī)范操作，所引起的鋼絲繩損傷。像鋼絲繩被刮傷所造成的彎折，鋼絲繩被重物砸成扁形等等。

　　5 預(yù)防鋼絲繩出現(xiàn)變形問題的措施

　　5.1 合理選擇鋼絲繩直徑

　　鋼絲繩選擇鋼絲繩直徑有兩個辦法：

　　1）選擇系數(shù)法

　　2）安全系數(shù)法

　　其中，鋼絲繩的材料、旋向、繩芯質(zhì)地以及結(jié)構(gòu)要合理選擇。其中要選擇線接觸鋼絲繩，同時選擇自身有防旋轉(zhuǎn)能力的鋼絲繩。

　　5.2 選擇鋼絲繩一定要按照現(xiàn)行的鋼絲繩新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇。

　　5.3 鋼絲繩繩套（例如梨形頭繩套）一定要選擇合理，在將鋼絲繩固定在繩套的時候，一定要選擇正規(guī)的廠家加工，并做好制作后的嚴(yán)格檢驗(yàn)，確保鋼絲繩在繩套里面牢固，不松動。

　　5.4 穿卷筒鋼絲繩的時候，一定要嚴(yán)格按照圖紙工作，鋼絲繩要對號入座，這期間一定要保證鋼絲繩在地面上不出現(xiàn)人為或自行打結(jié)變形。穿好鋼絲繩以后，讓單卷筒鋼絲繩空負(fù)荷往復(fù)轉(zhuǎn)動2～3次，以釋放鋼絲繩自身的殘余扭力。穿繩之前鋼絲繩兩個自由端的連接不要先固定死，待鋼絲繩各個部分自然到位，鋼絲繩扭結(jié)現(xiàn)象最小時，才將鋼絲繩的兩個自由端進(jìn)行連接固定。同時在安裝鋼絲繩的時候，也要遵循左手定則和右手定則，必須根據(jù)使用鋼絲繩緊捻而不是松捻的方向纏繞，否則鋼絲繩在使用過程中易出現(xiàn)：“打扭、松股“現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鋼絲繩的壽命。

　　5.5 卷筒和滑輪結(jié)構(gòu)一定要合理，在技術(shù)要求的范圍內(nèi)可以稍稍增大滑輪和卷筒的直徑，以減小鋼絲繩受到的彎曲應(yīng)力。

　　5.6 卸船機(jī)司機(jī)要規(guī)范、安全的操作，不要野蠻操作。減少人為因素對鋼絲繩產(chǎn)生的變形。

　　5.7 為提高鋼絲繩壽命，在鋼絲繩纏繞系統(tǒng)中，盡量減少鋼絲繩的彎曲次數(shù)，尤其減少鋼絲繩反向彎曲的的次數(shù)，反向彎曲引起的鋼絲繩疲勞損傷程度是正向的2倍。[

　5.8 對鋼絲繩要加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，需要潤滑的鋼絲繩一定做好潤滑工作。

　　5.9 定期檢驗(yàn)鋼絲繩，及時解除損傷鋼絲繩的故障，消除安全隱患，

　　6 結(jié)束語

　　上述分析了鋼絲繩主要的變形形式和機(jī)理，以及防范措施。從中可以看出造成鋼絲繩變形的原因很多，而且原因交錯復(fù)雜，很多變形問題很可能同時出現(xiàn)，考慮問題時要全面，必要時要利用檢測儀器進(jìn)行檢驗(yàn)，具體分析鋼絲繩出現(xiàn)問題的內(nèi)在機(jī)理，抓住問題的關(guān)鍵，及時采取合理的措施。一旦鋼絲繩出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，要及時報廢和更換。