一例提梁机钢丝绳失效分析

丁邦建，洪 磊，曹建平

（南通力威机械有限公司，江苏 南通 226500）

一例提梁机钢丝绳失效分析

丁邦建，洪 磊，曹建平

（南通力威机械有限公司，江苏 南通 226500）

[摘 要]通过梁场提梁机钢丝绳失效实例，对钢丝绳失效进行分析，分析影响钢丝绳失效的诸多因素，介绍了延长钢丝绳使用寿命的途径，对提升设备钢丝绳选型，设计中对钢丝绳造成影响的卷扬机卷筒、滑轮及布置，使用过程中对钢丝绳的维护有一定的借鉴作用，从而更合理使用钢丝绳。

[关键词]提梁机；卷扬机；钢丝绳；失效分析；卷筒

高速铁路客运专线施工中，提梁机是将地面上的梁提升至运梁车上的必备设备，直接关系到高速铁路客运专线架梁施工的进度和安全。

在石武铁路客运专线河北段，根据某梁场反映，发生钢丝绳异常磨损失效，梁场现场施工人员及提梁机制造厂非常重视，组织卷扬机制造商技术人员、钢丝绳制造商代表、提梁机制造厂设计人员，一同实地考察提梁机的使用情况。

本文结合实际工况，对钢丝绳的失效原因进行分析、总结。

1 提梁机提升系统的布置和传动原理

该提梁机提升重量为450t（图1），提升系统由2台相对布置的卷扬机卷筒的钢丝绳通过24×2倍率的滑轮组提升450t（提梁机单台钢丝绳传动原理见图2），2台提梁机为一套，同时提升高速铁路客运专线上900t的预制梁，将预制梁提升放置到运梁车上，运梁车将梁运至架桥机，供架桥使用。

2 钢丝绳失效原因分析

影响钢丝绳失效的原因很多，如钢丝绳制造的质量、钢丝绳的结构特性、卷扬机卷筒、滑轮组和缠绕绳方法、使用过程的维护和保养都会影响钢丝绳的寿命。

图2 提梁机钢丝绳传动原理

该提梁机已提架700多片梁，昼夜施工，且为露天作业，雨水、风沙都会落到钢丝绳上，工况较恶劣，使用比较频繁，每次吊梁放梁钢丝绳要走过多道滑轮，整个钢丝绳上都有多处出现明显的畸形变形、波浪形、笼状畸变、压扁失效的现象（图3），据梁厂施工负责人反映，按常规钢丝绳应能够起升架1 000片梁，此次才提升700多片梁。经计算，钢丝绳通过卷筒和滑轮组的弯曲循环已达到42 000次以上，从绕绳方式来看，钢丝绳受一种拉伸与压缩的交变应力，另外还有来自排绳器导向轮对钢丝绳的压力影响。钢丝绳弯曲疲劳为有限寿命疲劳，结合钢丝绳本身的质量用在该工况，钢丝绳完全失效，已经达到了使用寿命。

图3 钢丝绳失效形式图片

2.1 制造钢丝绳制造质量的影响

钢丝绳质量是否适应这种工况场合，尤其是钢丝绳结构是否适应用于这种受力。钢丝绳在卷筒上第一层发现表面有（不在钢丝绳的侧面）有一小股钢丝被挤出成扭曲状，钢丝有10mm左右伸长但没有断（图3a），图3b为钢丝绳松股被上层钢丝绳压扁，造成这种情况可能是钢丝绳生产时没有捻好造成的，整个钢丝绳的其它部位也有明显这种现象。

2.2 安装、使用的影响

钢丝绳在安装过程中可能没有完全消除内应力，充分“放性”，导致钢丝绳中局部残余应力集中产生旋转或变形，如图3c为钢丝绳未充分“放性”钢丝绳出现严重扭曲，起升时没有发现继续使用导致钢芯被挤出，从第一层的情况可明显判断出，第一层几处出现散股现象，尤其在入绳端几圈内就发现有这种现象并有一处断丝，如图3b钢丝绳的松股与之也有关系。从使用情况看，这些绳使用并不频繁，部分甚至用不到，按常规不应出现这种现象，应是钢丝绳内部存在应力，在外层钢丝绳的反复挤压下出现该情况。

在卷筒以外的钢丝绳更为严重，特别是滑轮组附近无规律的变形。如图3e，钢丝绳严重的波浪形、纵向轴线螺旋状变形，若干种因素积累使外层钢丝绳严重磨损，导致钢丝绳的松弛，形成笼状畸变。图3d，有机械压扁或外力影响下的弯折情况。图3f，若干种损坏因素累计的后果，外层钢丝绳严重磨损导致钢丝绳的松弛以致笼状畸变正在形成。图3g，相邻绳股断丝及钢丝绳位移。整个钢丝绳现已达到疲劳寿命导致。

2.3 卷扬机卷筒钢丝绳的影响

卷扬机卷筒对钢丝绳影响较大，一般情况下是钢丝绳失效的根源。卷筒上钢丝绳正常缠绕，导致钢丝绳的失效是正常现象，所以要分析卷筒对钢丝绳的影响除正常情况外是否有其它不正常的影响的情况。

2.3.1 卷筒绳槽槽距对钢丝绳缠绕和磨损的影响

从现场实际情况看，槽距比较适当，因为：①第一层钢丝绳在绳槽内排列顺序紧密，绳与绳间又留有一定量间隙，钢丝绳圈与圈之间没有因槽距过小而相互摩擦，造成咬绳等异常磨损，第一层表面上有几处散股断丝不是在圈与圈相挤的侧面上，且没有规律；②假如槽距小，钢丝绳缠绕时会因为累积误差，造成钢丝绳绕若干圈后爬到槽筋上，现场并不存在这种情况。

第二层的排列与槽距小关系影响很小，因为第二层钢丝绳在卷筒排列的旋向与第一层相反，第一层是左旋，第二层变为右旋，第二层的排列时由已卷绕的钢丝绳（前一圈钢丝绳）给正在卷绕的钢丝绳一种摩擦挤压向前推进而成的。

对于多层缠绕卷筒钢丝绳绳槽，槽距应适当小一些，对钢丝绳排绳和减少摩擦有利，在不影响钢丝绳（底层）互不咬绳留有间隙情况下，将节距做得小，钢丝绳落在槽里呈钢丝绳本身的圆状趋势，减小钢丝绳的变形，在卷绳和放绳时使钢丝绳外部和内部摩擦都比较小。

如果多层缠绕卷筒槽距比较大，对第一层无影响，在排第二层的时候，一方面钢绳丝要挤入第一层形成的绳隙中，缠绕过程钢丝绳在绳隙中的滑移摩擦较大，更为严重的是因为累积误差外层钢丝绳挤入内层钢丝绳中，造成更严重的后果（第二层不能挤入第一层是因为第一层有绳槽限位）。所以一般单层缠绕时钢丝绳槽距都设计得较大，多层槽距设计得较小，因此选择槽距也要根据实际情况，GB/T5031《塔式起重机》规定，卷筒宜加工绳槽，绳槽节距P应在以下范围内：1．04 ＜P＜1．15d，d为钢丝绳直径，绳槽深度应在0．25～0．40d之间，绳槽半径应在0．525～0．650d之间。选择这些数据既有根据缠绕的层数（单层、多层），又要考虑钢丝绳本身的直径公差和钢丝绳的质量，这样才能正确地设计钢丝绳绳槽槽距、绳槽半径、深度。

2.3.2 卷筒筒身对钢丝绳的影响

本提升卷扬机卷筒直径为∅1 128mm，钢丝绳直径为∅28mm，卷筒经与钢丝绳直径的比值为40．28，GB/T1955《建筑卷扬机》和《起重设计手册》规定卷筒直径与钢丝绳直径比值为18（工作级别M5时）卷筒直径的选择完全满足要求，不是导致钢丝绳失效的主要原因。

2.3.3 卷筒法兰、排绳器对钢丝绳的影响

在本案例中，卷扬机设排绳器，整个缠绕紧密无乱绳、咬绳现象；但排绳器的钢丝绳导向滑轮对钢丝绳有一定的挤压影响。

正常情况下卷扬机两法兰端对钢丝绳挤压和摩擦较大，因为这个部分钢丝绳受前圈钢丝绳和法兰板的挤压，使钢丝绳挤压爬到新的一层，其受力比筒身处其它部分大很多。该卷扬机中设有排绳器，排绳器产生一定的压力使钢丝绳改向，也是在卷筒法兰处受力最大，因为这时入绳角度最大，所以卷筒两端的磨损比筒身其他部位磨损严重是正常的现象，可实际情况却有些反常，该处钢丝绳磨损并不严重，卷筒上排绳紧密排列不乱绳，处于比较理想的状态。

2.3.4 钢丝绳旋向与卷筒多层缠绕对钢丝绳的影响

关于钢丝绳旋向与卷筒旋向的问题，该机中钢丝绳为右旋，绳槽为左旋，对于单层缠绕时没有影响，对于多层缠绕会有一定的影响，因为到了第二层钢丝绳在卷筒上缠绕变为右旋，而此时钢丝绳的旋向不可改变，而这种旋向对钢丝绳的缠绕不利，造成对钢丝绳股的松懈趋势，到了第三层又处于与第一层一样有利的情况，这是多层缠绕中固有的工况，无法改变，这也证明了为什么第二层磨损最为严重。

2.4 缠绕方式对钢丝绳的影响分析

钢丝绳卷绕方向问题，钢丝绳从卷筒上出来传动过程中经过前方对面的改向滑轮后到达滑轮组，在卷筒和导向滑轮为同一旋转绕向，进入滑轮组后则为反方向绕向（图2），这对钢丝绳的各股钢丝受力是不利的，钢丝绳在正反180°的循环弯曲，产生较大交变的变应力，加速了钢丝绳的失效。

2.5 卷筒及滑轮直径、材质对钢丝绳的影响分析

现卷扬机卷筒材质为Q345B结构件，节径为∅1 128mm，滑轮材质为ZG310-570，节径为∅678mm，一次收放钢丝绳在∅1 128mm节径的卷筒上弯曲两次相同180°方向，但在滑轮组中最多弯曲56次，且正反180°方向弯曲。从卷筒直径和滑轮组的应力循环次数及卷筒与滑轮直径不同对钢丝绳产生的曲率来说，滑轮对钢丝绳产生的疲劳破坏，比卷筒对钢丝绳产生的疲劳破坏要大得多；从材质上看，铸钢对钢丝绳的磨损要比结构件要大得多。

所以不能只从其他提梁钢丝绳提放1 000片梁，钢丝绳才失效，认为本机提放700片梁就不正常，要考虑上述诸多因素的影响。

3 提高钢丝绳使用寿命的途径

3.1 钢丝绳的选型

①钢丝绳选择首先考虑提升机构的特点，一般选择交互捻钢丝绳，根据绳槽旋向选择钢丝绳的旋向。因为捻股与股捻成绳的方向相反，由于股与绳的捻向相反，使用中不易扭转和松放；②不扭转（旋转）钢丝绳，这种钢丝绳在设计时，使股与绳的扭转力矩相等，方向相反，克服了在使用中的扭转现象，在起升高度大的起重机广泛使用；③选择适宜的钢丝绳抗拉强度，有人认为钢丝绳抗拉强度越高越好，这是一个误区，强度越高的钢丝绳相对越硬，钢丝绳过硬的结果就是弯曲度等其他性能下降；④根据机构工作级别选择大于规定的安全系数。

3.2 卷筒设计中应考虑的因素

①选择比较大的卷筒直径，卷筒直径与钢丝绳直径比值越大越好；②采用单层缠绕，尽量较少的层数；③设计钢丝绳绳槽，使节距、槽深、槽底半径适宜；④在保证入绳角的情况下，尽量不采用排绳器，减少对钢丝的挤压。

3.3 提升系统设计中应考虑的因素

①减少滑轮倍率，减少钢丝绳弯曲的次数；②增加滑轮直径；③尽量在系统布置时钢丝绳给一个方向卷绕，减少对钢丝绳产生较大幅度的交变弯曲应力。

3.4 使用与维护应考虑的因素

①放绳时应将绳盘放在专用支架上，也可用钢管穿入绳孔，两段绳索吊起，将绳盘缓缓转动绕放绳；②钢丝绳卷筒上卷绕时带10%额定拉力的预紧力缠绕；③定期清洗和加油润滑；④避免机械压扁压伤；⑤放绳时到达位置即停机，防止过松，钢丝绳旋转打缠；⑥有条件的做好防护工作，如设置防雨棚，防风沙；⑦及时检查，将钢丝绳使用在可控状态，达到报废标准立即更换，防止事故的发生。

（编辑 于 洋）

Analysis of a case of grader machine wire rope failure

DING Bang-jian，HONG Lei，CAO Jian-ping

［中图分类号］U455.32

［文献标识码］B

［文章编号］1001-1366(2015)12-0070-04

［收稿日期］2015-10-19