孟濤

(余姚領(lǐng)克汽車部件有限公司，浙江 余姚 315400)

由于鋼絲繩獨特的高強度和高撓性，使其成為各種機(jī)械機(jī)構(gòu)中的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于冶金、石油開采、化工、建筑等行業(yè)。鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和捻制方式各種各樣，若結(jié)構(gòu)設(shè)計、選型和使用維護(hù)不合理，往往導(dǎo)致鋼絲繩突然破斷，引發(fā)重大的人員或設(shè)備安全事故。

鋼絲繩在使用中受到拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力、擠壓應(yīng)力等多種應(yīng)力，使用的場合千差萬別，涉及因素較多，失效機(jī)理較為復(fù)雜，對其失效原因和使用壽命的分析難度較大。因此，有必要根據(jù)不同的使用場合和工況，對鋼絲繩的破斷原因進(jìn)行分析和探討。

1 本案鋼絲繩使用工況

涂裝“Π”式烘干爐內(nèi)的烘干雙鏈?zhǔn)褂门渲厥降膹埦o方式。鋼絲繩一端連接鏈條從動輪，另一端繞過1個水平布置和1個豎直布置中心距約400mm的滑輪后，穿行到烘干隧道下方，連接配重，如圖1所示。鋼絲繩與滑輪壓合長度約為65.8mm，接近一個捻距。配重總質(zhì)量為560～710kg。烘干爐內(nèi)工作溫度范圍為130～180℃。

圖1 本案鋼絲繩使用工況及鋼絲繩截面圖

本案使用的為重要用途的鋼絲繩，型號為6*29Fi+IWR，其公稱直徑為11mm，右交互捻捻法，B級鍍鋅。每根鋼絲繩長度約5.1m。

2 現(xiàn)狀

這批鋼絲繩在設(shè)備運行約9200h后開始發(fā)生破斷，破斷位置為鋼絲繩與滑輪壓合部位。對其他還未破斷的鋼絲繩進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)各鋼絲繩與滑輪壓合部位的鋼絲在6d范圍內(nèi)斷絲數(shù)為9～43根，在30d范圍內(nèi)斷絲數(shù)為12～56根，在全長范圍內(nèi)斷絲數(shù)為28～84根，詳見表1。

除丙、丁外，其他鋼絲繩遠(yuǎn)超本型鋼絲繩一個6d范圍內(nèi)斷絲總數(shù)10%，即12.6根的報廢標(biāo)準(zhǔn)。壓合部位鋼絲繩外層內(nèi)側(cè)鋼絲的壓合面有輕微磨損。

同時，除鋼絲繩兩端繩結(jié)處彎折外，未在鋼絲繩其他部位發(fā)現(xiàn)斷絲、斷股、繩股或鋼絲擠出、扭結(jié)、磨損、彎折、籠形畸變、繩徑局部變大、直徑明顯縮減、腐蝕等現(xiàn)象。

從圖2統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，該工況下使用的鋼絲繩斷絲數(shù)與滑輪水平或豎直布置方式、配重質(zhì)量大小未表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。

圖2 鋼絲繩斷絲數(shù)統(tǒng)計

3 原因分析

根據(jù)鋼絲繩的使用工況和初步檢查結(jié)果，對可能的影響因素進(jìn)行逐一分析，包括鋼絲繩的承載能力、鋼絲繩磨損、鋼絲彎曲疲勞斷裂、鋼絲繩的潤滑、鋼絲繩的選型、滑輪直徑和滑輪數(shù)量。

3.1 鋼絲繩的承載能力

鋼絲繩的合格證顯示其公稱抗拉強度為1770MPa，鋼絲繩中鋼絲的破斷拉力總和為110kN。查詢國標(biāo)得知，該鋼絲繩最小破斷拉力為76.2kN，且鋼絲繩在100～200℃溫度范圍內(nèi)工作時，其強度損失可達(dá)10%。則該鋼絲繩可承載的重物總質(zhì)量極限為：

m=Fp/g=76.2kN*（1-10%）/9.8N/kg=6998kg

按3.5的安全系數(shù)計算，其可承載約1999kg的重物，遠(yuǎn)大于在用的配重總質(zhì)量710kg。因此，鋼絲繩的承載能力不是本案鋼絲繩破斷的主要因素。

3.2 鋼絲繩磨損

對同一條烘干雙鏈的破斷鋼絲繩的對側(cè)鋼絲繩斷絲部位進(jìn)行拆解，并對鋼絲繩與滑輪壓合磨損、外層繩股間磨損、繩股與繩芯間磨損部位使用不同的顏色進(jìn)行標(biāo)記，以分析鋼絲繩的磨損形式。

經(jīng)測量，鋼絲繩端部的繩股內(nèi)外圈承載鋼絲的平均直徑為0.62mm，與合格證中標(biāo)示一致。拆解過程中對各個磨損點進(jìn)行測量和磨損折算，詳見圖3。

圖3 鋼絲繩拆解分析、測量與磨損折算

通過以上的拆解檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩的繩股與繩芯間磨損最為嚴(yán)重，其次為外層繩股間磨損，滑輪的壓合部位磨損最為輕微（絲間磨損忽略不計），但各危險斷面截面磨損量均未超過20%，且3種磨損發(fā)生的位置在同一根鋼絲上并不重合，如圖4所示。

圖4 鋼絲繩、繩股、外層承載鋼絲磨損示意圖

鋼絲的繩股與繩芯間磨損部位為最危險斷面，與斷絲位置也不重合。外層鋼絲磨損也未達(dá)到直徑減小40%的報廢標(biāo)準(zhǔn)。因此，磨損不是鋼絲繩斷絲的主要原因。

3.3 鋼絲繩的彎曲疲勞

在烘干雙鏈運行過程中，因為鏈條傳動的多邊形效應(yīng)，從動輪會進(jìn)行有規(guī)律的前后擺動。配重和鋼絲繩隨著從動輪上下浮動。經(jīng)測量，50個浮動周期時長為104s，則每個浮動周期為2.08s。每個浮動周期內(nèi)鋼絲繩與滑輪的壓合部位的鋼絲發(fā)生彎曲、復(fù)原，計彎曲1次。按9200h的運行時間計算，本案鋼絲繩在單個滑輪處總的彎折次數(shù)超過1500萬次，遠(yuǎn)超一般鋼絲繩的疲勞極限。

根據(jù)圖2生成的斷絲統(tǒng)計折線圖可知，中間部位繩股斷絲數(shù)較少甚至為零，兩側(cè)的繩股斷絲較多。說明中間部位繩股一直保持相對穩(wěn)定的彎曲狀態(tài)，基本不發(fā)生彎曲疲勞；而兩側(cè)鋼絲則因為鋼絲繩的頻繁浮動，處于反復(fù)的壓合彎曲-拉直-壓合彎曲的交變彎曲應(yīng)力的作用中，其鋼絲最終因為疲勞而發(fā)生爆斷。

從以上2個方向分析可以得出，鋼絲繩的彎曲疲勞是鋼絲繩破斷的主要原因之一。

3.4 鋼絲繩的潤滑

檢查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場根據(jù)設(shè)備供應(yīng)商提供的設(shè)備維護(hù)手冊，使用KRYTOX GPL227潤滑脂進(jìn)行潤滑。但拆解后發(fā)現(xiàn)，該脂僅附著在鋼絲繩外表面，繩股內(nèi)和繩芯均沒有浸潤。

經(jīng)查，該型高溫潤滑脂屬于全氟聚醚潤滑脂，高溫狀態(tài)下（280℃以下）比較穩(wěn)定，不會化學(xué)分解，其潤濕性比較差，難以浸入到鋼絲繩內(nèi)部，不能在鋼絲繩內(nèi)部股間和絲間形成保護(hù)油膜。而且，該潤滑脂會給檢查鋼絲繩的斷絲情況帶來困難。

同時，在拆解鋼絲繩時發(fā)現(xiàn)，外層繩股外側(cè)光潔。僅繩股內(nèi)側(cè)（繩芯側(cè)）有一定程度銹蝕。本案中采用的鋼絲繩繩芯為鋼芯，不具有吸儲潤滑油的功能。鋼絲磨損后，失去鍍鋅層的鋼質(zhì)外露，與空氣中的氧氣接觸，而爐內(nèi)高溫加速了失鋅鋼絲的氧化。

經(jīng)驗表明，良好的潤滑可使以磨損破斷為主要失效形式的鋼絲繩的使用壽命增加1倍。由以上分析可得出：雖然潤滑問題是鋼絲繩磨損的一個重要原因，但因為磨損不是本案鋼絲繩破斷的主要原因，所以潤滑問題也不是當(dāng)前鋼絲繩破斷的主要原因。

3.5 鋼絲繩的選型

本案中采用的鋼絲繩為右交互捻鋼絲繩。

交互捻鋼絲繩不宜自行松散，缺點是鋼絲捻制變形較大，柔軟性差，表面不平滑，與滑輪的接觸面積小，磨損較快。在使用中，繩內(nèi)鋼絲受較大擠壓時不易向兩邊分開，容易發(fā)生不均勻磨損，鋼絲所受的彎曲應(yīng)力大，鋼絲易爆斷。

而同向捻鋼絲繩的特點是表面平滑，表層鋼絲與卷筒或滑輪表面接觸區(qū)域較長，即支撐表面大，耐磨性好；捻向一致，捻成繩后的鋼絲總彎扭變形較小，內(nèi)應(yīng)力小，使用時繩內(nèi)鋼絲受力較均勻，柔軟性好，有較好的抗彎曲疲勞性，使用壽命長。但起吊重物時，物品會向鋼絲繩松散方向轉(zhuǎn)動。

混合捻鋼絲繩具有前兩種鋼絲繩的優(yōu)點，力學(xué)性能也比前兩種好，但其制造較困難，價格較高。

因此，本案中采用的右交互捻鋼絲繩不適用于本場合，這也是造成本案鋼絲繩破斷的一個重要原因。

3.6 滑輪直徑

滑輪直徑大小對鋼絲繩的彎曲應(yīng)力和鋼絲繩與滑輪間的摩擦力都有重要的影響。鋼絲繩繞過滑輪時，沿著滑輪繩槽發(fā)生彎曲?；喼睆皆酱?，鋼絲繩彎曲曲率越小，鋼絲繩的彎曲應(yīng)力越小，鋼絲繩的疲勞斷絲發(fā)生的也越慢，反之，疲勞斷絲出現(xiàn)得就越快。因此，一般為了提高鋼絲繩的壽命，滑輪直徑應(yīng)盡可能地選大些。經(jīng)查，拉緊用鋼絲繩在經(jīng)常用的情況下，輪繩直徑比應(yīng)不小于25。而一般使用工況下，輪繩直徑比不應(yīng)小于16。

對本案使用的滑輪進(jìn)行測繪得知，滑輪繩槽底直徑為80mm，輪槽圓弧直徑為12mm，則輪繩直徑比：

e=D0/d=(d+D)/d=（11+80）/11=8.27

遠(yuǎn)小于常用的16或25，則鋼絲繩壽命大打折扣。因此，滑輪直徑過小是本鋼絲繩破斷的重要原因之一。

3.7 滑輪數(shù)量

在本案中，每根鋼絲繩繞過2個滑輪，即每根鋼絲繩在2個固定部位同時發(fā)生彎曲疲勞，鋼絲繩的疲勞斷絲將增加1倍，則鋼絲繩壽命減半。

這與起重設(shè)備的起升鋼絲繩的使用工況完全不同。一般來說，起重設(shè)備滑輪個數(shù)稍多，起升鋼絲繩會在全長范圍內(nèi)（兩端固定段除外）相對均勻地受到交變彎曲應(yīng)力。

因此，滑輪數(shù)量過多也是本鋼絲繩破斷的重要原因之一。

4 結(jié)語

由以上分析可知，鋼絲繩的錯誤選型、彎曲疲勞、過小的滑輪直徑和額外的滑輪數(shù)量是造成本案鋼絲繩破斷的重要原因。

此外，錯誤地選用潤滑劑是造成鋼絲繩超預(yù)期磨損的重要原因。雖不是本案鋼絲繩破斷的主要原因，但對鋼絲繩的使用壽命也可造成重大影響。

據(jù)此，在本案的使用工況下，應(yīng)選用石棉芯同向繞的線接觸鋼絲繩和大直徑滑輪（滑輪直徑275mm，并加工減重孔或減重槽以減小滑輪轉(zhuǎn)動慣量），同時取消水平布置的滑輪，僅使用豎直布置的滑輪；在安裝前，對滑輪輪槽涂抹高溫潤滑脂，而日常維護(hù)中，定期對鋼絲繩壓合部位加注稀油潤滑。采用以上措施，鋼絲繩的使用壽命預(yù)期可提高8倍以上。當(dāng)然，也可通過核算、平衡各項成本，考慮選用綜合性能更好的面接觸鋼絲繩。