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(shí)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(bào)廢的原因是鋼絲繩出現(xiàn)斷絲、斷股、磨損和腐蝕。但是有時(shí)候鋼絲繩也會(huì)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(duì)少見，但是結(jié)構(gòu)變形同樣會(huì)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(huì)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(zhǎng)的時(shí)候，就會(huì)發(fā)生這種變形，此種變形一旦出現(xiàn)就立即報(bào)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(bào)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(bào)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(dòng)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(shí)會(huì)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(shí)候鋼絲繩在地面造成的彎折。此種變形應(yīng)立即報(bào)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(shí)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(dòng)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(shí)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(chǎng)積累的經(jīng)驗(yàn)，分析變形原因有以下幾個(gè)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(zhǎng)度超過了鋼絲繩本身的長(zhǎng)度，“長(zhǎng)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(huì)在滑輪或者卷筒的作用下推擠到一起，這樣也會(huì)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(gè)偏轉(zhuǎn)角進(jìn)入滑輪或者卷筒的時(shí)候，首先與繩槽的側(cè)邊緣接觸，然后向下滾動(dòng)，滑到繩槽的底部，這期間鋼絲繩會(huì)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(shí)，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(shí)刻。沖擊載荷不僅會(huì)對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生很很大的拉伸應(yīng)力，還會(huì)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(shí)張緊，則閉合鋼絲繩受最大張力：

　　此時(shí)，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(huì)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(huì)對(duì)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(huì)減小，鋼絲繩所受到的彎曲應(yīng)力就會(huì)加大，鋼絲繩的疲勞損傷會(huì)加大，鋼絲繩出現(xiàn)變形的機(jī)率會(huì)增加，最終鋼絲繩壽命就會(huì)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(jí)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(huì)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(shí)的沖擊力，承受鋼絲繩自身有“氣”時(shí)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(huì)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(shí)，一旦梨形繩套斷裂或者內(nèi)部鋼絲繩松動(dòng)，鋼絲繩應(yīng)力會(huì)立即釋放，產(chǎn)生巨大的沖擊力，十分危險(xiǎn)。

　　6、穿鋼絲繩時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)。在四卷筒上穿鋼絲繩的時(shí)候，這里一定要注意圖紙上標(biāo)注的鋼絲繩型號(hào)、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(cuò)，這樣在卸船機(jī)以后的的工作中，鋼絲繩會(huì)沿著卷筒牙紋的方向進(jìn)入卷筒，鋼絲繩就會(huì)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(huì)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(shí)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(shí)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(jí)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(jí)別分為1號(hào)鋼絲繩和特號(hào)鋼絲繩；新標(biāo)準(zhǔn)中鋼絲繩代號(hào)分類更為詳細(xì)更為精確，而舊標(biāo)準(zhǔn)鋼絲繩代號(hào)只有三種級(jí)別，比較粗凡。

　　選用鋼絲繩時(shí)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(shí)或在較大高度下進(jìn)行多次無導(dǎo)向重物提升時(shí)，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(shí)或在較小高度下進(jìn)行多次有導(dǎo)向重物提升時(shí)（例如行車）左右旋鋼絲繩成對(duì)使用時(shí)，可選擇普通鋼絲繩。[

　　對(duì)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(huì)引起鋼絲繩的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)變形；對(duì)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。

　　（二）、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?，F(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(shí)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(shí)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(huì)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(huì)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(shí)，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(gè)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(shí)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(shí)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(dòng)。

　　5.4 穿卷筒鋼絲繩的時(shí)候，一定要嚴(yán)格按照?qǐng)D紙工作，鋼絲繩要對(duì)號(hào)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(dòng)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(gè)自由端的連接不要先固定死，待鋼絲繩各個(gè)部分自然到位，鋼絲繩扭結(jié)現(xiàn)象最小時(shí)，才將鋼絲繩的兩個(gè)自由端進(jìn)行連接固定。同時(shí)在安裝鋼絲繩的時(shí)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(duì)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(duì)鋼絲繩要加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，需要潤(rùn)滑的鋼絲繩一定做好潤(rùn)滑工作。

　　5.9 定期檢驗(yàn)鋼絲繩，及時(shí)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(cuò)復(fù)雜，很多變形問題很可能同時(shí)出現(xiàn)，考慮問題時(shí)要全面，必要時(shí)要利用檢測(cè)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(shí)采取合理的措施。一旦鋼絲繩出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，要及時(shí)報(bào)廢和更換。