起重機(jī)鋼絲繩的安全性分析

起重機(jī)鋼絲繩的安全性分析

一、檢查中出現(xiàn)的侵害目前，大多數(shù)分散貨物運(yùn)輸碼頭使用的船機(jī)都是由四卷筒驅(qū)動(dòng)的小型車輛驅(qū)動(dòng)輪船機(jī)。主要特點(diǎn)：由三部分組成的四卷筒機(jī)構(gòu)組成，通過收集四卷筒中的鋼絲繩，完成四卷筒的關(guān)閉和提取、更新和開送禮物的循環(huán)。卸船機(jī)上鋼絲繩斷絲、斷股、磨損、破斷頻發(fā),造成鋼絲繩的頻繁更換,不僅增加了維修工作量,還增加了非計(jì)劃停運(yùn)行時(shí)間,嚴(yán)重影響了卸船機(jī)的生產(chǎn)效率。鋼絲繩是卸船機(jī)的重要構(gòu)件之一,在起升機(jī)構(gòu)中作為承載繩,運(yùn)行機(jī)構(gòu)中作為牽引繩,在俯仰機(jī)構(gòu)中又作為張緊繩。鋼絲繩具有強(qiáng)度高,自重輕,撓性好和運(yùn)行平穩(wěn),高速運(yùn)動(dòng)無噪音,很少出現(xiàn)突然斷折,安全性可靠性較高等優(yōu)點(diǎn),因此在卸船機(jī)上被廣泛使用。但是由于鋼絲繩工作時(shí)應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜、工作強(qiáng)度大,因此,鋼絲繩的故障時(shí)有發(fā)生。實(shí)驗(yàn)研究和使用實(shí)踐證明,在正常使用條件下,引起鋼絲繩破壞的主要原因是:鋼絲繩繞過滑輪和卷筒時(shí),在拉力作用下反復(fù)彎曲和擠壓,外層鋼絲因磨損和疲勞先開始斷折,隨著斷絲數(shù)的增多,破壞速度逐漸加快,當(dāng)斷絲數(shù)達(dá)到一定限度時(shí),鋼絲繩應(yīng)報(bào)廢,若繼續(xù)使用,就會(huì)引起鋼絲繩突然斷裂。二、抓斗和繞環(huán)的繩徑比和黃設(shè)林通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)鋼絲繩總是在某個(gè)滑輪處發(fā)生斷絲、磨損和破斷,而且是在改向角度不大,鋼絲繩彎曲小于180°,直徑小于主滑輪的抓斗固定導(dǎo)輪處,即在抓斗上承梁的開閉繩的導(dǎo)向輪處?，F(xiàn)以300t/h抓斗卸船機(jī)的起升、開閉繞繩系統(tǒng)(圖1)為例(抓斗處于沉抓狀態(tài)),介紹其繩徑比和鋼絲繩磨損斷絲部位。如圖,滑輪直徑為500mm,卷筒直徑為500mm,抓斗上部固定導(dǎo)輪直徑為90mm,起升、開閉和卷筒的繩徑比為27.8,抓斗上部固定導(dǎo)輪的繩徑比為5.0。從圖1中可以看出,鋼絲繩在抓斗固定導(dǎo)輪處(Ⅰ處)彎曲α=90°,在牽引小車處(Ⅱ處)彎曲90°,在頭部滑輪處(Ⅲ處)彎曲169°,在中間滑輪處彎曲24°,在卷筒上彎曲360°以上僅從彎曲疲勞理論上推斷,彎曲疲勞引起的斷絲部位應(yīng)是先在卷筒區(qū)段,后是頭部滑輪區(qū)段,然后是牽引小車和抓斗固定導(dǎo)輪區(qū)段。但實(shí)際使用的結(jié)果正好相反,抓斗固定導(dǎo)輪區(qū)段最先斷絲,而卷筒區(qū)段幾乎無斷絲發(fā)生。1.原因分析(1)滑輪作用于農(nóng)業(yè)外合物fps分析根據(jù)圖1、圖2,忽略各滑輪的阻力,可知各滑輪側(cè)受力都為f,根據(jù)矢量和的法則,求出:F3(1+cos11°)f=1.98f≈2f,F4(sin11°+sin13°)f=0.41f,F5=cos13°f=0.97f≈f,F6、F7=2f觀察計(jì)算結(jié)果,滑輪Ⅳ作用于鋼絲繩的反作用力F4<F5<F1、F2<F3<F6、F7。而實(shí)際情況是受力不是在最大處斷絲。(2)抓斗滑輪、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、處從圖2看,鋼絲繩的彎曲在Ⅰ、Ⅱ處為90°,在滑輪Ⅲ處為169°,在滑輪Ⅳ處為24°,在卷筒Ⅴ處為360°,在抓斗內(nèi)滑輪Ⅵ、Ⅶ處為180°,彎曲疲勞在卷筒處最重,在抓斗內(nèi)滑輪處次之,在滑輪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ處較輕。而實(shí)際情況是彎曲疲勞在相對(duì)較輕處斷絲。(3)綁股壓力在不同部分取鋼絲繩在滑輪Ⅰ和滑輪Ⅵ處受力矢量進(jìn)行分析,在鋼絲繩上單位面積壓力可理解為單股所受的壓力,從圖3可知,力F1和F6作用在L1和L6兩段弧長上,也就是說,鋼絲繩所受的壓力平均分配在弧長的各點(diǎn)上。本卸船機(jī)所使用的鋼絲繩繞股6×29是以6股繩股交互捻成,以股與滑輪繩槽接觸而承受壓力。F1和F6的大小和弧長L1及L6的長短使鋼絲繩單個(gè)繩股在滑輪Ⅰ及Ⅵ處所受壓力值是不一樣的。2.抓斗固定導(dǎo)輪處的鋼絞線在上述分析的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)例進(jìn)行計(jì)算。已知300t/h抓斗卸船機(jī)使用的鋼絲繩直徑是18mm,6股,捻距50mm。(1)在抓斗固定導(dǎo)輪Ⅰ處的繩輪壓力弧長L1=90°/360°×π×90(導(dǎo)輪直徑)=70.6mm,L1弧長內(nèi)鋼絲繩股數(shù)=弧長/捻距=(70.6/50)×6=8.4股。(2)在小車滑輪Ⅱ處的繩輪壓力弧長L2=90°/360°×π×500(滑輪直徑)=392mm,L2弧長內(nèi)鋼絲繩股數(shù)=(392/50)×6=47.1股。(3)在頭部滑輪Ⅲ處的繩輪壓力弧長L3=169°/360°×π×500(滑輪直徑)=737mm,L3弧長內(nèi)鋼絲繩股數(shù)=(737/50)×6=88.4股。(4)在中間滑輪Ⅳ處的繩輪壓力弧長L4=24°/360°×π×500(滑輪直徑)=104.7mm,L4弧長內(nèi)鋼絲繩股數(shù)=(104.7/50)×6=12.6股。(5)在卷筒Ⅴ處的繩輪壓力弧長L5=360°/360°×π×500(卷筒直徑)=1570mm,L5弧長內(nèi)鋼絲繩股數(shù)=(1570/50)×6=188.4股。(6)在抓斗內(nèi)上、下繩輪Ⅵ、Ⅶ處的繩輪壓力弧長L6、7=180°/360°×π×500(繩輪直徑)=785mm,L6、7弧長內(nèi)鋼絲繩股數(shù)=(785/50)×6=94.2股?，F(xiàn)以圖1所示的工作狀態(tài)(沉抓狀態(tài))進(jìn)行受力計(jì)算。當(dāng)抓斗開斗下降到料堆上時(shí),抓斗自動(dòng)實(shí)現(xiàn)“沉抓”,此時(shí)起升鋼絲繩放至松弛狀態(tài),由于抓斗總是在偏斜的狀態(tài)下抓取作業(yè)(我們?cè)谟?jì)算時(shí)取偏斜90°時(shí)的工況),“沉抓”使抓斗的滿斗率大大提高,當(dāng)“沉抓”結(jié)束后自動(dòng)起升。按圖1所示的工作狀態(tài)取鋼絲繩單根負(fù)荷平均為15750N,求出作用到鋼絲繩每股上的壓力:(1)在抓斗固定導(dǎo)輪(2)在小車滑輪(3)在頭部滑輪Ⅲ處=2f/88.4=356N;(4)在中間滑輪Ⅳ處=0.41f/12.6=512.5N;(5)在卷筒Ⅴ處=f/188.4=83.6N;(6)在抓斗內(nèi)上、下繩輪Ⅵ、Ⅶ處=2f/94.2=334.4N。通過計(jì)算可知,抓斗固定導(dǎo)輪Ⅰ處鋼絲繩每股承受的壓力遠(yuǎn)大于其它處。在相同條件下,壓力與彎曲角度、彎曲直徑成反比,即彎曲角度越小、彎曲直徑越小,單位面積壓力越大,這是鋼絲繩在抓斗固定導(dǎo)輪區(qū)處易斷絲損壞的主要原因。這一事實(shí)證明,上述的分析是正確的。三、改進(jìn)措施通過上述分析,為了提高鋼絲繩的使用壽命,在設(shè)計(jì)選用時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):1.動(dòng)導(dǎo)輪裝置的改進(jìn)傳統(tǒng)的滑輪直徑設(shè)計(jì)是根據(jù)鋼絲繩直徑以及工作輕、重程度按設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的表格選擇滑輪直徑,對(duì)同一系統(tǒng)中主要滑輪一般選用同一直徑,對(duì)其它滑輪或鋼絲繩改向角度小的滑輪也使用相同直徑或小于主要滑輪直徑。這種選擇主要是從減小鋼絲繩彎曲疲勞和零件的通用化考慮。在引用了鋼絲繩作用滑輪單位面積壓力均衡的理論后,應(yīng)是以按表選擇的主滑輪直徑作為基本滑輪直徑,用于彎曲角度為180°或大于180°的鋼絲繩處,并以此處的數(shù)據(jù)計(jì)算鋼絲繩的彎曲長度及每股所受壓力值,再以受力值推算其它小于180°彎曲角處鋼絲繩每股所受壓力,使其值盡量相等。為此,我們首先對(duì)抓斗上承箱處固定導(dǎo)輪進(jìn)行了改造,主要是增大了導(dǎo)輪的直徑,并改固定為萬向轉(zhuǎn)動(dòng)式。根據(jù)以上的計(jì)算,及抓斗上承箱現(xiàn)場的實(shí)際尺寸,我們把萬向防磨導(dǎo)輪裝置滑輪直徑改為180mm(理論上可以更大,但實(shí)際安裝空間有限)。萬向防磨導(dǎo)輪裝置的導(dǎo)輪和支架安裝在能水平轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤上,轉(zhuǎn)盤安裝在平面布置的滾動(dòng)軸承內(nèi)圈上并緊固,鋼絲繩從轉(zhuǎn)盤及軸承內(nèi)圈中心穿過。用開閉繩運(yùn)行的偏向力來撥動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)盤、導(dǎo)輪的方向十分容易。此法完全不需要控制抓斗的偏正,無論開閉繩磨向哪個(gè)方向,導(dǎo)輪繩槽都能立即轉(zhuǎn)到那個(gè)方向進(jìn)行保護(hù),在一次閉斗過程中開閉繩運(yùn)行的磨擦方向還會(huì)不斷改變,導(dǎo)輪繩槽也能隨著同時(shí)改變,總是在最佳角度發(fā)揮導(dǎo)向作用,既能更有利于保護(hù)開閉繩又能滿足抓多抓滿的傾斜要求,提高作業(yè)效率。同時(shí),把抓斗上繩輪箱原起升封閉式楔板改成可調(diào)向開口式楔板,當(dāng)抓斗落在散堆物料上傾斜時(shí),上承梁及可調(diào)向楔板支座盒隨之傾斜,但升降鋼絲繩與調(diào)向吊板通過銷軸的軸心作用,也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)向,升降鋼絲繩并不折彎。有效地克服了因抓斗上承梁傾斜帶來的升降鋼絲繩折彎損壞,達(dá)到了保護(hù)升降鋼絲繩及延長其壽命的效果。2.選擇點(diǎn)接觸型把握市場鋼絲繩有多種結(jié)構(gòu)形式。按鋼絲繩之間接觸狀況可分為點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸三種。點(diǎn)接觸型鋼絲繩,在接觸處產(chǎn)生應(yīng)力集中,易于磨損折斷,壽命較短。線接觸型鋼絲繩有較好的抗疲勞性,其使用壽命較普通點(diǎn)接觸型鋼絲繩要高1～2倍。面接觸型鋼絲繩的破斷力總和大,壽命比普通點(diǎn)接觸型約高3倍。因此,從耐磨、耐疲勞性能等方面來分析,面接觸型鋼絲繩優(yōu)于線接觸型,而線接觸型又優(yōu)于點(diǎn)接觸型。優(yōu)先選擇線接觸型或面接觸型鋼絲繩從經(jīng)濟(jì)角度分析也是合理的。線接觸型鋼絲繩的價(jià)格僅為點(diǎn)接觸型的1.05倍,面接觸型也只有點(diǎn)接觸型的1.3倍。目前有些企業(yè)還在繼續(xù)使用點(diǎn)接觸型的鋼絲繩,這是造成鋼絲繩使用壽命短的原因之一。根據(jù)使用條件選擇鋼絲繩的結(jié)構(gòu)類型,是為了延長鋼絲繩的使用壽命,取得最好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。(1)當(dāng)疲勞斷絲為鋼絲繩損壞的主要原因時(shí),應(yīng)選用線接觸同向捻、鋼絲數(shù)多而直徑較細(xì)的圓股或異形股鋼絲繩。(2)在磨損嚴(yán)重的工況中,選用外粗式線接觸圓股或異形股鋼絲繩,也可選用面接觸鋼絲繩;(3)在銹蝕嚴(yán)重的工況中,應(yīng)選用鍍鋅鋼絲繩,且鋼絲直徑應(yīng)較粗;(4)鋼絲繩卷繞較短時(shí),應(yīng)選抗拉強(qiáng)度小一些的鋼絲繩;鋼絲繩卷繞較長時(shí),應(yīng)選抗拉強(qiáng)度大一些的鋼絲繩。3.保持鋼的使用壽命提升鋼絲繩在工作中的受力是非常復(fù)雜的,至今還是按鋼絲繩最大靜負(fù)荷乘以安全系數(shù)來選擇計(jì)算的。鋼絲繩的安全系數(shù)為鋼絲繩內(nèi)所有鋼絲破斷力之和與鋼絲繩最大靜負(fù)荷(包括繩的自重力)之比,并規(guī)定提升鋼絲繩的安全系數(shù)為m;實(shí)際安全系數(shù)為m’;當(dāng)選擇的鋼絲繩實(shí)際安全系數(shù)大于規(guī)定提升鋼絲繩的安全系數(shù)時(shí),即:m’≥m,便認(rèn)為所選用的鋼絲繩是安全的。由于采用了較大的安全系數(shù),因而這種方法能保證鋼絲繩工作時(shí)的安全性要求。同時(shí),還要合理選擇鋼絲繩的公稱抗拉強(qiáng)度,鋼絲繩的強(qiáng)度不宜過高,一般不超過1850N/mm2。選用適當(dāng)?shù)木砝@方式、卷繞直徑和繩槽直徑。(1)鋼絲繩一般都要經(jīng)過卷繞滑輪才能進(jìn)行提升或牽引作業(yè)。卷繞方式直接影響使用效果,并且關(guān)系到鋼絲繩的使用壽命。鋼絲繩卷繞滑輪的方式通常有V形和S形兩種。同是V形或S形,其壽命也會(huì)相差很懸殊,在設(shè)計(jì)卷繞系統(tǒng)時(shí),應(yīng)盡量減少鋼絲繩的彎曲次數(shù),尤其要避免反向彎曲。實(shí)驗(yàn)表明,反向彎曲所引起的金屬疲勞效果為同向彎曲的2倍。(2)當(dāng)鋼絲繩繞入卷筒或繞過滑輪時(shí),鋼絲繩中的鋼絲產(chǎn)生附加的彎曲應(yīng)力,卷繞直徑與繩徑之比D/d值越小,彎曲應(yīng)力越大。試驗(yàn)表明,鋼絲繩的使用壽命隨D/d的增大而增加(一般取D/d=80),且升降中鋼絲繩的彎曲次數(shù)越多,鋼絲繩使用的小時(shí)壽命越短。在設(shè)計(jì)中應(yīng)選用較大卷筒和滑輪,以提高D/d的比值。(3)使用鋼絲繩時(shí),還要選擇提升裝置的卷筒天輪、主導(dǎo)輪、導(dǎo)向輪的最小直徑與鋼絲繩中最粗鋼絲的最大直徑之比(其中D為滑輪直徑,d為鋼絲直徑)。安全系數(shù)雖然大,但滑輪比值參數(shù)不當(dāng),同樣會(huì)發(fā)生事故。(4)繩槽直徑必須合理,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),槽底半徑一般R=0.55d為宜(d為鋼絲繩直徑)。使用普通圓股鋼絲繩,天輪上最好加上襯墊;使用三角股鋼絲繩時(shí),因其有較大的支撐表面,可不用帶襯的天輪。(5)要使用合理的連接裝置,最好用楔形繩卡代替桃形環(huán)繩卡。4.拉伸性能要求在合理選擇鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和直徑以后,鋼絲繩實(shí)際使用壽命的長短,在很大程度上決定于鋼絲繩在使用時(shí)的維護(hù)和保養(yǎng)。對(duì)潤滑油的要求是:粘稠性能好,使油脂在提升過程中不致被鋼絲繩振動(dòng)甩掉,或淋水沖刷掉