港机用钢丝绳失效机理分析

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本文作者：林威 单位：福州港马尾港务公司

钢丝绳作为重要的提升和承载构件，在煤炭、冶金、建筑、旅游及港口码头等各个行业得到了广泛使用。近几年，物流行业的蓬勃发展带来了全球集装箱吞吐量的急剧增长，导致港口起重机的作业量不断的增大。在港口装卸中，钢丝绳的消耗量是巨大的，钢丝绳的使用与港口码头的安全生产密切相关。但由于钢丝绳结构复杂以及使用的不科学性，导致了诸多的钢丝绳断绳事故，甚至造成伤亡人数和巨大财产损失。因此，钢丝绳的安全使用显得尤为重要。

一、门座式起重机钢丝绳经常性损伤事故

福州港马尾港务公司集装箱作业区的一台MQ5037门座式起重机，经常出现钢丝绳断丝、磨损、绳丝挤出、绳股挤出及笼状畸变等钢丝绳失效形式，几乎1~2月就要换一次钢丝绳，给公司造成极大的经济损失。针对这一情况，公司采取了更换不通品牌的钢丝绳，维修改造加固等方法，但并没有解决钢丝绳频繁失效的问题。

二、港机用钢丝绳失效形式机理分析

按照我国起重机钢丝绳检验报废标准[1]，钢丝绳的失效形式主要有：断丝、绳股断裂、绳径减小、弹性降低、外部磨损、腐蚀、变形、由于受热或电弧作用而引起的损坏及永久伸长的增加率等，其中变形又包括：波浪形、笼状畸变、绳股挤出、钢丝挤出、绳径局部增大、绳径局部减小、部分被压扁、扭结、弯折等变形。本文主要分析实际生产中所遇到的断丝、磨损、绳丝挤出及笼状畸变等失效形式。

1．断丝分析

断丝是钢丝绳最常见的失效形式（如图1），在我国起重机钢丝绳检验报废标准[1]中，将断丝的数量、位置及断丝的增加率都作为钢丝绳是否报废的首要标准。断丝的发生主要由三种情况导致：（1）一次性加载造成断丝：这主要是由于载荷应力超出了钢丝的强度而引起的。这种断丝失效形式在钢丝绳使用中比较常见，主要表现为拉力破断与剪切破断。当钢丝轴向载荷超过钢丝的破断载荷时，发生拉力破断，一般其断裂端口呈“杯锥状”，断口钢丝有所延展且伴随着直径减少。剪切破断是轴向载荷和垂直于钢丝轴向的压力共同作用下造成的，破断面与钢丝轴线成一定角度。（2）疲劳造成断丝：这主要是由于钢丝受到交变载荷引起的低应力破坏。在实际生产中，钢丝绳疲劳断丝的失效形式最多，主要分为弯曲疲劳、压拉疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等引起来的断丝。其基本表现只有切应力引起的切断疲劳和由正应力引起的正断疲劳两种形式，所有形式的疲劳都是由这两种基本形式在不同条件下的合成。（3）外界环境造成断丝：这主要由于钢丝绳工作环境介质、应力共同作用引起低应力脆断。钢丝绳断裂失效，很大程度上也取决于它的工作环境条件，主要分磨损断丝和腐蚀断丝两种。磨损断丝是钢丝绳在运行过程中与其他固定物体接触产生磨损，日积月累磨损日趋严重，最终导致断丝。其断口两侧呈斜茬，断口扁平，出现在钢丝磨损严重的部位。腐蚀断丝一般发生在钢丝绳在具有腐蚀性介质环境下运行，使钢丝被腐蚀、锈蚀，有效工作面积逐渐减少，最后导致断丝。这种断口形状不整齐，呈针尖状。

2．磨损分析

钢丝绳在工作时，由于同滑轮、卷筒或相邻绳股的接触表面有相对运动，表面的材料粒子由于机械、物理和化学作用而脱离母体，使得钢丝绳形状、尺寸或者重量发生变化的过程称为磨损。因磨损导致尺寸减少和表面状态改变，并最终丧失其功能的现象称为磨损失效[2]。钢丝绳磨损失效，主要有两种模式：机械磨损和塑性磨损。机械磨损，其主要原因是在使用过程中其外层钢丝与绳槽、吊钩、地面等表面接触而引起的磨损。这种现象在加速或者减速时的钢丝绳与滑轮接触部位特别明显。主要表现为钢丝绳外周表面的钢丝被磨平，绳径变细，受载截面积减少，受载能力也随之降低。此外，钢丝绳润滑不足以及钢丝绳上、绳股间有灰尘、沙粒和石子会加剧机械磨损的产生。而塑性磨损，主要由于振动、碰撞、内部挤压造成的钢丝绳表面磨损。磨损失效形式在起重机提升钢丝绳中较常见（如图2）。磨损失效是逐步发展、渐变的过程，不像断裂失效事故那样突然。但磨损通常导致受载截面面积减少以及疲劳敏感性的增加，造成断裂失效，特别在腐蚀介质中，磨损将加速腐蚀过程。

3．变形分析

钢丝绳失去正常形状产生可见的畸形称为“变形”，这种变形会导致钢丝绳内部应力分布不均匀。这里主要分析绳丝挤出和笼状畸变的变形机理。绳丝挤出，又称抽丝，是较为常见的钢丝绳几何形变失效形式，如图3所示。目前研究表明抽丝的形成有可能（不确定）是由于绳股中钢丝之间空隙不足造成的。缺乏间隙使得这些钢丝不能随邻近的钢丝一起移动，因而造成超载或者屈服。钢丝绳的绳芯直径如果太小，外股间将没有足够的间隙，造成绳股之间的交咬破坏。缺乏间隙会造成钢丝绳的疲劳寿命大大降低。笼状畸变，这种变形主要出现在具有钢芯的钢丝绳上，如图4所示。当外层绳股发生脱节或者变得比内部绳股长时，处于松弛状态的钢丝绳突然受载时就会产生这种变形。伴随“鸟笼”一起产生还有绳股挤出的失效现象。如图1~4所示，就是该门机钢丝绳遇到的常见的失效形式，报废周期大概为1~2个月，详细的寿命记录见表1。

三、采取的措施及效果分析

根据钢丝绳出现的以上失效形式，公司做了更换钢丝绳、更换压轮、增装防转球等现场试验和维修改造，并记录了更换时间、位置、使用钢丝绳品牌、型号、损伤形式以及钢丝绳的工作量等相应详细情况，如表1所示，并具体分析了改造后效果。通过更换钢丝绳、更换压轮、增装防转球等尝试后，发现这些改装并没有对钢丝绳的损伤有所改善，甚至对钢丝绳的损伤有所加剧，说明这些改装不是事故的根本原因所在，必须寻求导致钢丝绳损伤严重的根本原因。

四、结构设计修改意见及结果预测分析

经过对钢丝绳破坏形式及门机设计结构的分析，发现钢丝绳由弯曲疲劳引起的断丝、断股，门机力矩限制器的负荷取力装置的结构设计不合理（如图5所示），导致钢丝绳和起重力矩限制器匹配存在严重缺陷，上转柱滑轮与取力滑轮的距离过近，钢丝绳包角由于取力滑轮的存在而增大，从而钢丝绳反向弯折率变大，增大了反向弯折对钢丝绳寿命的影响，大大的降低了钢丝绳的寿命。针对这一设计缺陷，重新设计负荷取力装置结构，如图6所示。在不影响门机性能的基础上，将超负荷取力装置从大拉杆调到人字架上，这样钢丝绳在上转柱滑轮上的包角明显减小，也避免了钢丝绳反向弯折率，降低了反向弯折对钢丝绳寿命的影响，将很大程度的提高了钢丝绳的寿命。通过对起重机力矩限制器结构改造设计比较，消除反向弯折对钢丝绳的影响。改善了钢丝绳的缠绕方式，减小了钢丝绳的弯曲疲劳应力作用，改善钢丝绳的工作环境，钢丝绳的寿命将会增加2~4倍。

五、结束语

针对MQ5037门座式起重机钢丝绳使用寿命短的现象，从钢丝绳的损伤形式及机理出发，通过对门座式起重机结构分析后，提出力矩限制器的取力装置技术改造方案，解决了该门机钢丝绳寿命短的问题，同时对门机结构的设计提供了又一经验，避免类似的事故发生.