起升机构钢丝绳使用寿命的影响因素

钢丝绳由于强度高、自重轻、能承受振动载荷、弹性好、能卷绕成盘、极少骤然断裂、高速下运行平稳、成本低等优点，一直作为挠性件与滑轮构成钢丝绳滑轮组应用在起升机构中。但是，在起重机工作中发现，一些钢丝绳并没有达到它的预期寿命，较为严重时，一项工程可能要更换2～3次钢丝绳[1]，加大了施工成本，降低了作业效率。因此，研究影响钢丝绳使用寿命的各种因素，对正确使用钢丝绳，延长钢丝绳的使用寿命，提高作业效率和经济效益，保证施工工期，具有重要的意义。本文即从制造和使用两个方面对影响钢丝绳使用寿命的各种因素进行分析。
　　
　 1制造因素对钢丝绳使用寿命的影响
　　
　 钢丝绳由钢丝绕制而成的，绳股中间有绳芯，决定钢丝绳质量的是钢丝的质量。钢丝绳用钢丝，通常是由***钢锭热轧成6mm的圆钢，再经多次冷拔后成丝，经过这样的处理后，钢丝的抗拉强度达到1400～2000MPa。起升机构用钢丝绳又多为线接触，因此，起升机构用钢丝绳本身应该具有较长的使用寿命。但是，若钢丝的质量不能保证，钢丝绳就会先天不足，必然降低使用寿命。例如，如果钢丝的含碳量偏高，钢丝金相组织中的渗碳体变得量多而粗大，表现为钢丝发脆，此时的钢丝反复弯折几次即可断丝，用这样的钢丝制造的钢丝绳，当绳绕过滑轮和卷筒时，在很短的时间内就会出现断丝的情况，并很快达到报废断丝数，造成钢丝绳的使用寿命极短。因此，使用者应到正规厂家购买钢丝绳，以保证质量。
　　
　 2 使用因素对钢丝绳寿命的影响
　　
　 2.1 钢丝绳中心线与卷筒、滑轮轴线中点连线产生偏角的影响
　　
　 在起升作业时，钢丝绳从卷筒上绕进或绕出，并由卷筒一端移向另一端，使钢丝绳中心线与卷筒、滑轮轴线中点连线产生偏角α，若钢丝绳的***大拉力为Ｆ，则：
　　
　 Ｆｘ＝Ｆｃｏｓα
　 Ｆｙ＝Ｆｓｉｎα
　　　
　 显然，Ｆｘ是钢丝绳绕入卷筒的有效分力，它拉动钢丝绳绕进或绕出卷筒。因此，设计时希望Ｆｘ有较大的数值；Ｆｙ是有害分力，在滑轮上，它使钢丝绳与滑轮轮槽侧面产生摩擦力，Ｆｙ的数值过大，甚至会使钢丝绳脱槽；在卷筒上，它使钢丝绳的圈与圈之间产生摩擦力，Ｆｙ的数值过大，可能导致钢丝绳不能依次排列，产生乱绳现象。由此可知，α的数值越小越好。所以，***标准规定α≤1°30′，对光面卷筒放宽到α≤2°。但在具体起升机构中，为了使机械结构紧凑或加工制造及工艺问题，有时不能严格保证α≤1°30′，通常α的角度增大，其后果是Ｆｙ增大，钢丝绳的寿命降低。例如，某公司购买的QTZ160型塔式起重机的起升机构，在使用中发现钢丝绳的寿命较短，查找原因时发现，α达13.5°，该起重机的***大起重量是100kN，若按倍率为4来计算，钢丝绳的拉力Ｆ为26kN，如果α=1°30′，Ｆｙ为0.68kN；如果α＝13.5°，Ｆｙ为6.07kN，增加了近8倍，这就意味着由Ｆｙ产生的摩擦力增加8倍，所以，必然导致钢丝绳严重磨损。
　　
　 2.2 摩擦系数对钢丝绳使用寿命的影响
　　
　 由上面的受力分析知，钢丝绳在起升机构工作中始终承受由Ｆｙ产生的摩擦力作用，因此，摩擦系数也是影响钢丝绳使用寿命的重要因素。在卷筒上，Ｆｙ产生的摩擦力是钢丝绳之间的摩擦力，但在滑轮上，Ｆｙ产生的摩擦力是滑轮和钢丝绳之间的摩擦力。所以，要减小摩擦力，在Ｆｙ不变的前提下，必须保证对钢丝绳进行良好的润滑，以减少摩擦系数；此外，还可以通过调整滑轮材料或在滑轮轮槽内镶嵌摩擦系数小的材料来减小摩擦系数。表1是常用材料组成的摩擦副的摩擦系数。
　　
　 由表1可以看出，无润滑剂时，钢对铸铁的摩擦系数较大；有润滑剂时，钢对铸铁的摩擦系数上限值也较钢大。所以，考虑钢丝绳***不利的润滑状态，起升机构用滑轮不宜选择铸铁材料；还可以看出，无润滑剂时，钢对钢和钢对青铜的摩擦系数相同，但有润滑剂时，钢对青铜的摩擦系数大，因钢丝绳工作时必须润滑，所以，起升机构用滑轮也不宜使用青铜。
　　
　 2.3 钢丝绳类型的影响
　　
　 钢丝绳在制造时按钢丝成股和股成绳的绕制方向有同向捻和交互捻两种，同向捻钢丝绳是钢丝成股和股成绳时绕制方向相同，这类钢丝绳的挠性好，适合起升机构钢丝绳多次绕过滑轮和卷筒的实际工作情况，但若不采用预变形处理，则易松散和扭转；交互捻钢丝绳钢丝成股和股成绳时绕制方向相反，不松散，但挠性稍差。除上述两种钢丝绳外，近年来在起重机中还使用一种不扭转钢丝绳[4]，这种钢丝绳由内外两层绳股组成，但两层绳股的绕向相反，内外层绳股旋转力矩平衡，因此自由端不产生旋转，同时，它的支撑点比普通钢丝绳约增加3.3倍，有较大的抗挤压强度，不易变形，总破断拉力大于普通起升钢丝绳的破断拉力。由此可知，起升机构应优先选用不扭转钢丝绳，其次选用经预变形的同向捻钢丝绳或交互捻钢丝绳。由于起升机构空载时普通同向捻钢丝绳易松散和扭转，起升机构中应尽量少用。
　　
　 2.4 使用维护对钢丝绳使用寿命的影响
　　
　 使用维护对钢丝绳使用寿命有很大的影响。
　　
　 首先，钢丝绳的缠绕方式直接影响钢丝绳的使用寿命。若起升机构使用右旋钢丝绳，当卷筒绳槽的走向从左向右时，绳必须从卷筒上方绕出，如图2a；当卷筒绳槽的走向从右向左时，绳必须从卷筒下方绕出，如图2b；若起升机构使用左旋钢丝绳，当卷筒绳槽的走向从左向右时，绳必须从卷筒下方绕出，如图2c；当卷筒绳槽的走向从右向左时，绳必须从卷筒上方绕出，如图2d。否则，钢丝绳在卷筒上卷绕过程中就会发散，从而降低钢丝绳的使用寿命。对于不扭转钢丝绳，由于结构特殊，在缠绕时一定不要破坏或干扰原绳股之间的固定节距，以避免绳芯滑移或外层绳股松弛形成鸟笼形状。因此，钢丝绳的绕缠一定要由专业人员进行，以保证缠绕正确，从而保证钢丝绳的使用寿命。

　其次，由上面分析知钢丝绳的润滑对钢丝绳的使用寿命影响很大，有资料表明，对钢丝绳进行系统润滑，可使钢丝绳寿命延长2～3倍，所以，要定期对钢丝绳进行润滑，使之经常处于良好的润滑状态。在钢丝绳润滑之前，应将钢丝绳表面上积存的污垢和铁锈清除干净，润滑脂加热到60°C左右，使润滑脂能充分浸透到钢丝绳的内部。
　　
　 第三，要定期检查钢丝绳。起升机构工作时，钢丝绳不停地通过滑轮绳槽和卷筒，要受拉、挤压、摩擦、扭转等载荷作用，同时，随着钢丝绳通过一系列滑轮，又不断地受弯曲和挤压的反复作用，会出现疲劳断丝现象，加之磨损和锈蚀等其它因素，加剧钢丝绳断丝的发展，因此，每周应对钢丝绳进行一次外观检查，每月应进行一次全面深入细致的详细检查，对少数断丝要妥善处理好，以防断丝使其它钢丝折断；对个别段钢丝绳，要及时截除，例如，不扭转钢丝绳若固定不当、扭力失去平衡，靠近锚固端就会产生鸟笼现象，若不及时截除，将影响整根钢丝绳的寿命。
　　
　 第四，避免钢丝绳多次反向弯曲。图1所示的滑轮组中，当钢丝绳绕过滑轮组时，钢丝绳受到多次反向弯曲，其弯曲应力的方向也随之变化，在此交变应力作用下，必然减小钢丝绳的寿命，因此，在滑轮组的使用中，***使用图3所示钢丝绳作同向弯曲的滑轮组。
　　 　
　 钢丝绳是起升机构中的重要零件，在保证制造质量的前提下，使用因素对钢丝绳的使用寿命有很大的影响。选择类型合适的钢丝绳和滑轮材料、由专业人员定期检查、维护和使用、在结构上保证钢丝绳中心线与卷筒、滑轮轴线中点连线产生的偏角α≤1°30′，或不超过2°，就会延长钢丝绳的使用寿命，降低施工成本，保证施工周期，提高经济效益。