浅析卸船机钢丝绳变形问题及预防措施

　论文摘要：钢丝绳在港口机械里得到了广泛的应用，尤其是在卸船机机械中的应用更为普遍，但是也存在着很多安全问题。本文阐述了钢丝绳的主要结构变形（几何失效）的种类、失效机理及预防措施，在钢丝绳使用过程中必须综合考虑多种变形因素，及时杜绝钢丝绳变形的产生。

　　1 引言     

　　自钢丝绳诞生之日起它就以高强度、耐磨损、抗冲击等良好的特性在港口机械中特别是在卸船机械中得到广泛的应用。但由于钢丝绳工作环境恶劣，它常常受到化学物质的腐蚀和物理上高强度的冲击和磨损，以及人为的损伤和破坏。就卸船机而言，大多说钢丝绳报废的原因是钢丝绳出现断丝、断股、磨损和腐蚀。但是有时候钢丝绳也会出现散股、抽丝等几何变形，虽然钢丝绳出现此类损坏的情况相对少见，但是结构变形同样会带来严重的经济损失和安全隐患。所以分析钢丝绳变形的机理，总结防范措施是十分必要的。

　　2 钢丝绳变形的种类

　　2.1 波浪形

　　钢丝绳出现波浪形是其出现的纵向轴线成螺旋线形状，这种变形可能不影响钢丝绳的强度，但是变形严重的话会造成钢丝绳的磨损和断丝。

　　2.2 笼形畸变

　　当外层钢丝绳出现脱节或者比内层钢丝绳长的时候，就会发生这种变形，此种变形一旦出现就立即报废。

　　2.3 绳股挤出

　　一般这种变形与笼形畸变仪器出现，说明钢丝绳整体结构的不平衡，此种变形一旦出现就立即报废。

　　2.4 钢丝挤出

    此种变形一般发生在背着滑轮的一侧，这主要是突然增大的冲击载荷造成的，如果变形严重，钢丝绳应立即报废。

　　2.5 钢丝绳局部扭结

    扭结是钢丝绳成环状在不可能绕其轴线转动的情况下备拉近造成的，这种变形胡加剧钢丝绳的磨损和断丝，严重时会出现钢丝绳扭曲。

　　2.6 钢丝绳弯折

    这种情况大多数是人为造成的，特别是在穿钢丝绳的时候钢丝绳在地面造成的弯折。此种变形应立即报废。

　　此外，钢丝绳变形还包括钢丝绳直径变大、直径变小、被压扁、抽丝等变形。

　　3 钢丝绳工作时的受力分析

　　卸船机属于桥式类型起重机，它的主要运行机构是四卷筒机构（即起升开闭机构）。其主要的动作是抓斗的开闭及小车的前后运行。钢丝绳缠绕的地方是卷筒、滑轮、抓斗以及联接的绳套（例如梨形头绳套），如下图所示：

　　所以按照钢丝绳使用和受载情况，钢丝绳可以分为支持钢丝绳、牵引钢丝绳，开闭钢丝绳和支撑钢丝绳。钢丝绳受力比较复杂，具体分析主要有拉伸应力、钢丝绳绕过滑轮时的弯曲应力、接触应力、挤压应力、扭转力以及摩擦力等等。下图是芜湖华电800t/h卸船机开闭绕绳系统钢丝绳受力示意图。

　　4 分析钢丝绳变形的机理

　　结构变形多出现于麻芯和纤维芯钢丝绳。而主要的结构变形是打结、绳芯捻出、散股和笼形畸变。下面主要研究这些方面的变形机理。

　　结合在卸船机工作现场积累的经验，分析变形原因有以下几个方面：[

　1、钢丝绳自身逆绕方向旋转。在逆绕方向的旋转（绳股松开）的情况下，多层绳股的长度超过了钢丝绳本身的长度，“长出”的绳股被滑轮或者卷筒推挤到了一起；反之，在顺绕方向扭转而缩短的钢丝绳上，内层绳股也会在滑轮或者卷筒的作用下推挤到一起，这样也会发生打结、散股等变形。

　　2、钢丝绳绕其轴线的扭转。绕其轴线扭转主要是由于钢丝绳以一个偏转角进入滑轮或者卷筒的时候，首先与绳槽的侧边缘接触，然后向下滚动，滑到绳槽的底部，这期间钢丝绳会围绕着轴线扭转，其偏角越大钢丝绳扭转的角度也就也大。同时，抓斗提升的高度越大，扭转的程度也就也大，；在多倍率提升系统中，绳子的间隙越小，扭转的倾向也就越大。这期间钢丝绳最容易发生绳股挤出、散股以致发生“鸟笼”现象。

　　3、冲击载荷的作用。冲击载荷大多出现在抓斗的突然起升、突然降落、开斗、闭斗、小车的突然行走和停止等时刻。冲击载荷不仅会对钢丝绳产生很很大的拉伸应力，还会加大钢丝绳自身的扭转程度。抓斗钢丝绳张力变化图如下，其中上面的曲线为闭合钢丝绳张力函数曲线，下面的曲线为支持钢丝绳拉力函数曲线。从图中可以看出，当抓斗闭合起吊之初，起升钢丝绳未及时张紧，则闭合钢丝绳受最大张力：

　　此时，钢丝绳所受的的张力远远大于钢丝绳所受的拉力，张力的增大一定会加大钢丝绳绕其轴线的扭转程度，也就加大钢丝绳出现绳股挤出、散股等变形现象出现的机率。

　　4、机械结构的不合理。机械结构的不合理会对钢丝绳产生很大的弯曲应力、接触应力、挤压应力和摩擦力。例如卷筒直径的选择，如果卷筒直径选择小了而钢丝绳直径不变，这样二者的比值就会减小，钢丝绳所受到的弯曲应力就会加大，钢丝绳的疲劳损伤会加大，钢丝绳出现变形的机率会增加，最终钢丝绳寿命就会缩短。这样滑轮、卷筒和钢丝绳就满足不了机构的工作级别要求。所以在机械设计过程中一定要选择合理的机械结构尺寸。

　　5、钢丝绳绳套（例如梨形绳套）制作的不合格。绳套是钢丝绳之间以及钢丝绳与链条之间连接的工具，绳套质量好坏以及钢丝绳在绳套里面固定程度的好坏都会影响钢丝绳的寿命。卸船机抓斗梨形绳套受力复杂，它不仅承受钢丝绳的垂直张力，还承受钢丝绳接头进入滑轮或卷筒时的冲击力，承受钢丝绳自身有“气”时的自行旋转的侧向力。梨形绳套内部钢丝绳如果固定不好或绳套本身有裂纹，则其在进出滑轮瞬间钢丝绳就会急剧旋转或绳套断裂。例如芜湖华电煤码头800t/h卸船机，抓斗的额定起重量为200KN，每根钢丝绳的张力达到50KN时，一旦梨形绳套断裂或者内部钢丝绳松动，钢丝绳应力会立即释放，产生巨大的冲击力，十分危险。

　　6、穿钢丝绳时出现差错。在四卷筒上穿钢丝绳的时候，这里一定要注意图纸上标注的钢丝绳型号、规格、旋向等要素，如果卷筒牙纹的旋向是左旋的，那么卷筒上钢丝绳的旋向一定是右旋的；同样，如果卷筒牙纹的旋向是右旋的，那么卷筒上钢丝绳的旋向一定是左旋的。如果穿上的钢丝绳旋向出现了差错，这样在卸船机以后的的工作中，钢丝绳会沿着卷筒牙纹的方向进入卷筒，钢丝绳就会绕其自身轴线旋转，其旋转方向与钢丝绳自身绳股的旋向相反，就会造成钢丝绳散股、笼形畸变等变形。

　　7、钢丝绳选用不合理。

　　（一）、选择钢丝绳时一定要按照现行的钢丝绳新标准进行选择。选用钢丝绳的标准出现了问题，很可能造成重大的安全事故，同时造成不必要的经济损失。例如新标准中钢丝绳用途级别为一般用钢丝绳和重要用钢丝绳，而旧标准中钢丝绳用途级别分为1号钢丝绳和特号钢丝绳；新标准中钢丝绳代号分类更为详细更为精确，而旧标准钢丝绳代号只有三种级别，比较粗凡。

　　选用钢丝绳时候，推荐使用原则如下：

　　1）、当进行一次无导向重物提升时或在较大高度下进行多次无导向重物提升时，选用不旋转钢丝绳。

　　2）、当进行一次有导向重物提升时或在较小高度下进行多次有导向重物提升时（例如行车）左右旋钢丝绳成对使用时，可选择普通钢丝绳。[

　　对于单层缠绕缠绕的不旋转钢丝绳，必须严格按照上述原则，否则会引起钢丝绳的严重结构变形；对于多层钢丝绳缠绕的情况，钢丝绳的旋向由卷筒绳槽的旋向决定，一边为下一层打好基础，多层绕卷筒的钢丝绳之间摩擦力和压力大，很容易产生乱绳，这里要注略小于的绳槽节距和绳槽直径的钢丝绳。

　　（二）、选用的钢丝绳性能不合理。钢丝绳的股内钢丝绳接触形式有点接触式、线接触式和面接触式。现在点接触式钢丝绳已基本不用在卸船机上了，被线接触钢丝绳所代替。同时根据钢丝材料性能的不同和绳芯材质的不同，钢丝绳又有软钢丝绳和硬钢丝绳之分。所以选用钢丝绳时一定要根据卸船机的性能和钢丝绳的具体参数，合理选取钢丝绳。如果选用的钢丝绳质地稍微偏硬，就会造成钢丝绳韧性差，很容易产生磨损和疲劳变形；反之，选用的钢丝绳质太软，就会造成钢丝绳容易发生缠绕和变形。现在不旋转钢丝绳已经开始大量使用，其机理就是绳与股的扭转力矩方向相反而大小相等；进口不旋转钢丝绳则有所不同，其原理是使绳芯的旋向与绳本身的旋向相反，当受力时，绳芯产生的扭矩大小相等，方向相反。

　　8、人为因素的影响。这里主要是卸船机司机的不规范操作，所引起的钢丝绳损伤。像钢丝绳被刮伤所造成的弯折，钢丝绳被重物砸成扁形等等。

　　5 预防钢丝绳出现变形问题的措施

　　5.1 合理选择钢丝绳直径

　　钢丝绳选择钢丝绳直径有两个办法：

　　1）选择系数法

　　2）安全系数法

　　其中，钢丝绳的材料、旋向、绳芯质地以及结构要合理选择。其中要选择线接触钢丝绳，同时选择自身有防旋转能力的钢丝绳。

　　5.2 选择钢丝绳一定要按照现行的钢丝绳新标准进行选择。

　　5.3 钢丝绳绳套（例如梨形头绳套）一定要选择合理，在将钢丝绳固定在绳套的时候，一定要选择正规的厂家加工，并做好制作后的严格检验，确保钢丝绳在绳套里面牢固，不松动。

　　5.4 穿卷筒钢丝绳的时候，一定要严格按照图纸工作，钢丝绳要对号入座，这期间一定要保证钢丝绳在地面上不出现人为或自行打结变形。穿好钢丝绳以后，让单卷筒钢丝绳空负荷往复转动2～3次，以释放钢丝绳自身的残余扭力。穿绳之前钢丝绳两个自由端的连接不要先固定死，待钢丝绳各个部分自然到位，钢丝绳扭结现象最小时，才将钢丝绳的两个自由端进行连接固定。同时在安装钢丝绳的时候，也要遵循左手定则和右手定则，必须根据使用钢丝绳紧捻而不是松捻的方向缠绕，否则钢丝绳在使用过程中易出现：“打扭、松股“现象，严重影响钢丝绳的寿命。

　　5.5 卷筒和滑轮结构一定要合理，在技术要求的范围内可以稍稍增大滑轮和卷筒的直径，以减小钢丝绳受到的弯曲应力。

　　5.6 卸船机司机要规范、安全的操作，不要野蛮操作。减少人为因素对钢丝绳产生的变形。

　　5.7 为提高钢丝绳寿命，在钢丝绳缠绕系统中，尽量减少钢丝绳的弯曲次数，尤其减少钢丝绳反向弯曲的的次数，反向弯曲引起的钢丝绳疲劳损伤程度是正向的2倍。[

　5.8 对钢丝绳要加强维护保养，需要润滑的钢丝绳一定做好润滑工作。

　　5.9 定期检验钢丝绳，及时解除损伤钢丝绳的故障，消除安全隐患，

　　6 结束语

　　上述分析了钢丝绳主要的变形形式和机理，以及防范措施。从中可以看出造成钢丝绳变形的原因很多，而且原因交错复杂，很多变形问题很可能同时出现，考虑问题时要全面，必要时要利用检测仪器进行检验，具体分析钢丝绳出现问题的内在机理，抓住问题的关键，及时采取合理的措施。一旦钢丝绳出现严重的变形，要及时报废和更换。