港機用鋼絲繩失效機理分析.doc

1、港機用鋼絲繩失效機理分析機械工業(yè)論文工業(yè)論文文章均為WORD文檔，下載后可直接編輯使用亦可打印一一鋼絲繩作為重要的提升和承載構(gòu)件，在煤炭、冶金、建筑、旅游及港 口碼頭等各個行業(yè)得到了廣泛使用。近幾年，物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展帶 來了全球集裝箱吞吐量的急劇增長，導(dǎo)致港口起重機的作業(yè)量不斷的 增大。在港口裝卸中，鋼絲繩的消耗量是巨大的，鋼絲繩的使用與港 口碼頭的安全生產(chǎn)密切相關(guān)。但由于鋼絲繩結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及使用的不科 學(xué)性，導(dǎo)致了諸多的鋼絲繩斷繩事故，甚至造成傷亡人數(shù)和巨大財產(chǎn) 損失。因此，鋼絲繩的安全使用顯得尤為重要。一、門座式起重機鋼絲繩經(jīng)常性損傷事故福州港馬尾港務(wù)公司集裝箱作業(yè)區(qū)的一臺MQ5037門座

2、式起重機，經(jīng) 常出現(xiàn)鋼絲繩斷絲、磨損、繩絲擠出、繩股擠出及籠狀畸變等鋼絲繩 失效形式，幾乎2月就要換一次鋼絲繩，給公司造成極大的經(jīng)濟損 失。針對這一情況，公司采取了更換不通品牌的鋼絲繩，維修改造加 固等方法，但并沒有解決鋼絲繩頻繁失效的問題。二、港機用鋼絲繩失效形式機理分析按照我國起重機鋼絲繩檢驗報廢標準1,鋼絲繩的失效形式主要有: 斷絲、繩股斷裂、繩徑減小、彈性降低、外部磨損、腐蝕、變形、由 于受熱或電弧作用而引起的損壞及永久伸長的增加率等，其中變形又 包括：波浪形、籠狀畸變、繩股擠出、鋼絲擠出、繩徑局部增大、繩 徑局部減小、部分被壓扁、扭結(jié)、彎折等變形。木文主要分析實際生 產(chǎn)中所遇到的斷絲

3、、磨損、繩絲擠出及籠狀畸變等失效形式。1. 斷絲分析斷絲是鋼絲繩最常見的失效形式（如圖1）,在我國起重機鋼纟纟繩檢 驗報廢標準中，將斷絲的數(shù)量、位置及斷絲的增加率都作為鋼絲繩 是否報廢的首要標準。斷絲的發(fā)生主要由三種情況導(dǎo)致：（2）次性 加載造成斷絲：這主要是由于載荷應(yīng)力超出了鋼絲的強度而引起的。 這種斷絲失效形式在鋼絲繩使用中比較常見，主要表現(xiàn)為拉力破斷與 剪切破斷。當鋼絲軸向載荷超過鋼絲的破斷載荷時，發(fā)生拉力破斷, 一般其斷裂端口呈“杯錐狀，斷口鋼絲有所延展且伴隨著直徑減少。 剪切破斷是軸向載荷和垂直于鋼絲軸向的壓力共同作用下造成的，破 斷而與鋼絲軸線成一定角度。（2）疲勞造成斷絲：這主要

4、是由于鋼絲 受到交變載荷引起的低應(yīng)力破壞。在實際生產(chǎn)中，鋼絲繩疲勞斷絲的 失效形式最多，主要分為彎曲疲勞、壓拉疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、接觸疲勞、 振動疲勞等引起來的斷絲。其基木表現(xiàn)只有切應(yīng)力引起的切斷疲勞和 由正應(yīng)力引起的正斷疲勞兩種形式，所有形式的疲勞都是由這兩種基 木形式在不同條件下的合成。(3)外界環(huán)境造成斷絲：這主要由于鋼 絲繩工作環(huán)境介質(zhì)、應(yīng)力共同作用引起低應(yīng)力脆斷。鋼絲繩斷裂失效， 很大程度上也取決于它的工作環(huán)境條件，主要分磨損斷絲和腐蝕斷絲 兩種。磨損斷絲是鋼絲繩在運行過程中與其他固定物體接觸產(chǎn)生磨損, H積月累磨損H趨嚴重，最終導(dǎo)致斷絲。其斷口兩側(cè)呈斜茬，斷口扁 平，出現(xiàn)在鋼絲磨損嚴重

5、的部位。腐蝕斷絲一般發(fā)生在鋼絲繩在具有 腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下運行，使鋼絲被腐蝕、銹蝕，有效工作面積逐漸減 少，最后導(dǎo)致斷絲。這種斷口形狀不整齊，呈針尖狀。2. 磨損分析鋼絲繩在工作時，由于同滑輪、卷筒或相鄰繩股的接觸表而有相對運 動，表而的材料粒子由于機械、物理和化學(xué)作用而母體，使得鋼絲 繩形狀、尺寸或者重量發(fā)生變化的過程稱為磨損。因磨損導(dǎo)致尺寸減 少和表而狀態(tài)改變，并最終喪失其功能的現(xiàn)象稱為磨損失效2。鋼絲 繩磨損失效，主要有兩種模式：機械磨損和塑性磨損。機械磨損，其 主要原因是在使用過程中其外層鋼絲與繩槽、吊鉤、地面等表面接觸 而引起的磨損。這種現(xiàn)象在加速或者減速時的鋼絲繩與滑輪接觸部位 特別

6、明顯。主要表現(xiàn)為鋼絲繩外周表面的鋼絲被磨平，繩徑變細，受 載截而積減少，受載能力也隨之降低。此外，鋼絲繩潤滑不足以及鋼 絲繩上、繩股間有灰塵、沙粒和石子會加劇機械磨損的產(chǎn)生。而塑性 磨損，主要由于振動、碰撞、內(nèi)部擠壓造成的鋼絲繩表面磨損。磨損 失效形式在起重機提升鋼絲繩中較常見（如圖2）o磨損失效是逐步 發(fā)展、漸變的過程，不像斷裂失效事故那樣突然。但磨損通常導(dǎo)致受 載截而而積減少以及疲勞敏感性的增加，造成斷裂失效，特別在腐蝕 介質(zhì)中，磨損將加速腐蝕過程。3. 變形分析鋼絲繩失去正常形狀產(chǎn)生可見的畸形稱為“變形，這種變形會導(dǎo)致鋼 絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻。這里主要分析繩絲擠出和籠狀畸變的變形 機理

7、。繩絲擠出，又稱抽絲，是較為常見的鋼絲繩幾何形變失效形式， 如圖3所示。目前研究表明抽絲的形成有可能（不確定）是由于繩股 中鋼絲之間空隙不足造成的。缺乏間隙使得這些鋼絲不能隨鄰近的鋼 絲一起移動，因而造成超載或者屈服。鋼絲繩的繩芯直徑如果太小, 外股間將沒有足夠的間隙，造成繩股之間的交咬破壞。缺乏間隙會造 成鋼絲繩的疲勞壽命降低?；\狀畸變，這種變形主要出現(xiàn)在具有鋼 芯的鋼絲繩上，如圖4所示。當外層繩股發(fā)生脫節(jié)或者變得比內(nèi)部繩 股長時，處于松弛狀態(tài)的鋼絲繩突然受載時就會產(chǎn)生這種變形。伴隨 “鳥籠一起產(chǎn)生還有繩股擠岀的失效現(xiàn)象。如圖14所示，就是該門 機鋼絲繩遇到的常見的失效形式，報廢周期大概為2

8、個月，詳細的 壽命記錄見表2。三、采取的措施及效果分析根據(jù)鋼絲繩出現(xiàn)的以上失效形式，公司做了更換鋼絲繩、更換壓輪、 增裝防轉(zhuǎn)球等現(xiàn)場試驗和維修改造，并記錄了更換時間、位置、使用 鋼絲繩品牌、型號、損傷形式以及鋼絲繩的工作量等相應(yīng)詳細情況， 如表1所示，并具體分析了改造后效果。通過更換鋼絲繩、更換壓輪、 增裝防轉(zhuǎn)球等嘗試后，發(fā)現(xiàn)這些改裝并沒有對鋼絲繩的損傷有所改善, 甚至對鋼絲繩的損傷有所加劇，說明這些改裝不是事故的根本原因所 在，必須尋求導(dǎo)致鋼絲繩損傷嚴重的根本原因。四、結(jié)構(gòu)設(shè)計修改意見及結(jié)果預(yù)測分析經(jīng)過對鋼絲繩破壞形式及門機設(shè)計結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩由彎曲疲 勞引起的斷絲、斷股，門機力矩限制

9、器的負荷取力裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計不 合理（如圖5所示），導(dǎo)致鋼絲繩和起重力矩限制器匹配存在嚴重缺 陷，上轉(zhuǎn)柱滑輪與取力滑輪的距離過近，鋼絲繩包角由于取力滑輪的 存在而增大，從而鋼絲繩反向彎折率變大，增大了反向彎折對鋼絲繩 壽命的影響，的降低了鋼絲繩的壽命。針對這一設(shè)計缺陷，重新設(shè) 計負荷取力裝置結(jié)構(gòu)，如圖6所示。在不影響門機性能的基礎(chǔ)上，將 超負荷取力裝置從大拉桿調(diào)到人字架上，這樣鋼絲繩在上轉(zhuǎn)柱滑輪上 的包角明顯減小，也避免了鋼絲繩反向彎折率，降低了反向彎折對鋼 絲繩壽命的影響，將很大程度的提高了鋼絲繩的壽命。通過對起重機 力矩限制器結(jié)構(gòu)改造設(shè)計比較，消除反向彎折對鋼絲繩的影響。改善 了鋼絲繩的纏繞方式，減小了鋼絲繩的彎曲疲勞應(yīng)力作用，改善鋼絲 繩的工作環(huán)