起重機用鋼絲繩的失效分析

鋼絲繩是應用***的起重零件之一，它具有承載能力大、繞性好、運動平穩(wěn)無噪音等優(yōu)點，幾乎所有的起重設備都使用鋼絲繩來承重。如果因失效發(fā)生突然斷裂，將會造成嚴重的后果。然而，對鋼絲繩進行失效分析，在安全和經(jīng)濟兩方面具有重要意義。本文欲從引起鋼絲繩失效的諸多因素進行分析，以便能提高鋼絲繩的使用壽命。

一、強度與伸長
根據(jù)設計，鋼絲繩的*大斷裂強度小于所有鋼絲的集束強度，并與繩的結構和所有鋼絲繩性能級別有關。在設計鋼絲繩性時，應考慮所有載荷因素（包括附加載荷、加速度、減速度、繩速等），滑輪和卷筒的數(shù)目和結構安裝方式，產生腐蝕和磨損的條件以及繩的長度等。
鋼絲繩中的鋼絲通常采用含碳量為0.5~0.8%的**碳素結構鋼制作而成，鋼繩的彈性模量約為1.6×105N/mm2。這是在載荷作用下鋼絲可能伸長程度的度量。鋼絲繩受接力作用時，各鋼絲為要調整其位置以達到對應所加載荷的穩(wěn)定性，將發(fā)生相對運動，由此產生的伸長有兩種形式，當鋼絲繩**次承受載荷時，鋼絲將稍微重新排列，產生一**性伸長，即結構伸長；同時還產生一可恢復的伸長，即彈性伸長。結構伸長在一定程度上取決于所加載荷的大小。
鋼絲繩中鋼絲的直徑愈小，彎曲所需力矩愈小，即韌性較大。通常含有鋼絲數(shù)較多的鋼絲繩和纖維芯鋼絲繩的韌性較好，由較少鋼絲組成的全金屬鋼絲繩的韌性較差，并且前者比后者具有較大的伸長量。韌性愈大抗失效性能愈好。

二、滑輪
滑輪主要尺寸*小卷繞直徑用繩槽底部滑輪直徑再加鋼絲繩直徑表示。隨滑輪尺寸減小，由彎曲和鋼絲繩與滑輪之間的接觸壓力所產生的應力而增大。彎曲應力越高，繩的鋼絲產生疲勞越快。接觸應力增加也加速繩的損傷，同時還加速滑輪的磨損。隨滑輪尺寸的增大，繩與滑輪之間的壓力下降，彎曲程度也減小。如果*考慮彎曲應力，對6×19點接觸鋼絲繩，可將滑輪直徑增大到繩直徑的90倍極限數(shù)值，以提高繩的壽命。但是，除了必要設備之外，這樣大直徑的滑輪實際上很少采用，因為（1）對于多數(shù)起重設備，采用這樣大的滑輪是不切實際的。（2）在各種情況下，很少只存在著彎曲這單一因素。實際上除彎曲之外，還有很多影響繩壽命的因素，如重復施加的應力、磨損、敲打、沖擊、振動、扭轉、轉速、卷筒卷揚失誤、腐蝕以及缺乏維護等。這些因素中的一個或幾個都比滑輪尺寸更影響繩的壽命。
采用安全經(jīng)濟運行的一些因素來綜合確定*佳滑輪尺寸，但有一點應注意，在鋼絲繩中各接觸點處的鋼絲之間的巨大壓力同因在小滑輪上工作而產生的大彎曲應力聯(lián)合在一起，將會對鋼絲繩的損傷失效起一定作用。在這種不利條件下，鋼絲的破斷失效常發(fā)生在各個線股相互接觸點之間的部位，在這些部位破斷的鋼絲常常很難察覺，甚至不可能從外觀上發(fā)現(xiàn)。
因此，在載人或其他原因要求安全較高的設備，滑輪尺寸選用較大，以便能更有效地保證鋼絲繩的損傷過程逐漸進行，而且發(fā)生在繩表面，使其容易發(fā)現(xiàn)和估計損傷程度。

三、滑輪繩槽
為使鋼絲繩能發(fā)揮*大功效，必須使滑輪繩槽有足夠大的直徑，以保持鋼絲繩在其中有適當?shù)拈g隙。滑輪繩槽的直徑不可能保持固定不變，其變化主要受鋼絲繩的影響，并在很大程度上與滑輪材料和受到的壓力有關。由于繩槽不斷磨損，當一鋼絲繩接近不能使用時，繩槽即已被磨耗成較小的尺寸。這樣就存在一個問題，即每一次更換新鋼絲繩時就要重新開繩槽或更換滑輪。但在實際應用中，重新開槽或更換滑輪是不經(jīng)濟的。將滑輪重新開槽時，一般需先修整凸緣，然后將繩槽底部切制成適當直徑。如果只切削槽底，鄰近槽底的喉角可能很小，不能提供適當間隙，嚴重引起鋼絲繩的磨損。

四、鋼絲繩壓力
除了在滑輪上運動所引起的彎曲應力以外，鋼絲繩還承受因其與滑輪接觸而產生的徑向壓力。此壓力會使鋼絲繩中產生剪應力，改變鋼絲繩的結構，并影響滑輪繩槽磨損率。因此，在選擇*適當?shù)匿摻z繩結構時，應當考慮此壓力的大小和滑輪材料的抗磨性能。

五、卷筒
卷筒尺寸、繩槽輪廓、壓力與前面滑輪等討論的情況相類似。
采用平滑表面卷筒時，實際徑向壓力比較高。這是因為鋼絲繩*一面受到支撐作用，其周邊部分得不到支撐。對于這類卷筒，鋼絲繩和卷筒的磨損都比有繩槽的卷筒嚴重，繩更容易因壓力作用而受損傷。在彎曲應力是影響鋼絲繩工作壽命的主要因素時，卷筒直徑可比系統(tǒng)中的滑輪直徑稍小一點，因為在每一個方向運行時，鋼絲繩要在滑輪上彎曲兩次，在卷筒上只彎曲一次。鋼絲繩在每一滑輪上的運行情況是：當繩接近滑輪由直線變成與滑輪的曲率一致時，開始**次彎曲；當繩再伸直離開滑輪時第二次彎曲。在有些情況下，繩的行程不大，在卷筒上來回運行時一部分繩不通過滑輪運動，則繩的彎曲次數(shù)即行減少，失效減緩。
采用開槽的卷筒，如果卷筒繩槽輪廓適當，有助于使卷繩保持適當?shù)奈恢?。繩槽之間保持適當節(jié)距是十分重要的，以便使連續(xù)兩繩匝之間獲得足夠而又不是過大的間隙，這對于防止未繞與已繞在卷筒上的鋼絲繩發(fā)生擁擠和摩擦有很大作用。為了給多層卷繩提供適當?shù)臈l件，繩槽中心線之間的節(jié)距，應在*大傾斜角的情況下足以防止鋼絲繩互相接觸。

六、其他失效因素
①腐蝕也是鋼絲繩失效的常見因素，由于使用環(huán)境形成的腐蝕氣氛，對鋼絲繩壽命有較大影響。
②向鋼絲繩施加沖擊載荷及其發(fā)生振動，產生高頻率的高彎曲應力，特別在鋼絲繩末端連接點處振動作用*為嚴重，可造成疲勞失效。
③鋼絲繩在工作過程中如處于過高溫度下，也會因抗拉強度降低失效。


從以上種種失效分析可知，起重機用鋼絲繩的失效往往有多種因素綜合積累而至。在實際失效事例分析中應綜合分析，分清主次，找出主要失效原因，以利提高鋼絲繩使用壽命。