港機用鋼絲繩失效機理分析
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本文作者：林威 單位：福州港馬尾港務(wù)公司
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)復雜以及使用的不科學性，導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1~2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。
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。本文主要分析實際生產(chǎn)中所遇到的斷絲、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），在我國起重機鋼絲繩檢驗報廢標準[1]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致：（1）一次性加載造成斷絲：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，破斷面與鋼絲軸線成一定角度。（2）疲勞造成斷絲：這主要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。其基本表現(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本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，日積月累磨損日趨嚴重，最終導致斷絲。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面有相對運動，表面的材料粒子由于機械、物理和化學作用而脫離母體，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。因磨損導致尺寸減少和表面狀態(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，受載截面積減少，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）。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。但磨損通常導致受載截面面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。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大大降低?；\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)生還有繩股擠出的失效現(xiàn)象。如圖1~4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1~2個月，詳細的壽命記錄見表1。
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，大大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)境，鋼絲繩的壽命將會增加2~4倍。
五、結(jié)束語
針對MQ5037門座式起重機鋼絲繩使用壽命短的現(xiàn)象，從鋼絲繩的損傷形式及機理出發(fā)，通過對門座式起重機結(jié)構(gòu)分析后，提出力矩限制器的取力裝置技術(shù)改造方案，解決了該門機鋼絲繩壽命短的問題，同時對門機結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了又一經(jīng)驗，避免類似的事故發(fā)生.