对电铲钢丝绳寿命计算及影响因素的探讨

郝伟

摘要：本文通过计算电铲钢丝绳的疲劳寿命和作业量，与实际比较，计算结果高度可信。从制造工艺、选型使用、设备状况及环境工况等多个方面分析电铲提升钢丝绳使用寿命的影响因素，进而说明电铲钢丝绳疲劳寿命和电铲计算作业量的关系，验证利用做功理论考核钢丝绳寿命的可行性。

关键词：电铲钢丝绳寿命；影响因素；探讨

1.前言

任何物体都具有自身的寿命与使用年限，通常情况下，电铲钢丝绳的寿命计算方式的基础是Niemann公式，其计算的结果具有很强的准确度。另外，电铲钢丝绳寿命的影响因素也具有明显的复杂性，对其进行科学的研究有助于提高钢丝绳的使用寿命。

2.电铲钢丝绳寿命计算概况

中国露天矿广泛用于单斗-卡车间断工艺：岩石爆破-电铲挖掘-装载自卸卡车-自卸卡车排弃。大多数电铲都是太原重工、P&H;公司生产的单梁动臂双铲杆齿轮-齿条推压正装直铲，及比塞洛斯公司生产的双梁动臂圆轴免扭铲杆钢绳推压的正装直和步进式拉斗铲，铲斗提升部件均为钢丝绳。由于不同的矿山工作条件，作业人员操作技术参差不齐，在冬季和夏季温差范围较大（露天温度为-40～40°C），钢丝绳的使用情况完全不同。钢丝绳受挖掘冲击力较大，负载较重，弯曲和挤压应力作用复杂。因此，钢丝绳的使用寿命由用户和制造商进行评估，就有许多不便之处。

对影响钢丝绳使用寿命的因素进行统计研究，分析滑轮对钢丝绳使用寿命的影响。发现滑轮和钢丝绳的匹配是影响钢丝绳使用寿命的关键因素。润滑作用直接影响钢丝绳使用寿命，良好的润滑可延长钢丝绳2？3倍的使用寿命。《滑轮对钢丝绳使用寿命的影响》、《润滑对钢丝绳使用寿命的影响机制》中强调了夹杂物在原材料和半成品中的类型和大小以及脱碳层和冶金结构的重要性。露天煤矿用户对电铲钢丝绳的评估方法不尽相同。有的根据挖掘吨位（重量）计算，有的由立方数（体积）计算，并且是按时间计算。这种不一致的评估会影响制造业。港口卸船机钢丝绳抓斗的评估全部在1万吨以上，钻井钢丝绳以吨船英里计算。因此，分析影响钢丝绳使用寿命的因素，合理评价钢丝绳的使用寿命是非常有意义的。计算WK系列电铲钢丝绳操作量，分析影响钢丝绳使用寿命的因素，提出电铲钢丝绳使用寿命的评定方法。

3.电铲钢丝绳寿命计算方式

电铲钢丝绳的主要功能是提高钢丝绳部件连接的稳定性。电铲的使用寿命因工作环境和工作强度而异。一般情况下，钢丝绳的工作强度比较大，发生损坏（断裂）是比较常见的情况，当达到断丝临界值需要及时更换。研究电铲钢丝绳的使用寿命可以保證钢丝绳的科学应用，延长其使用寿命。电铲钢丝绳故障的主要部位在钢丝绳弯曲部位。损坏的主要方式是断丝和断股。现在已知准确计算尼曼公式，该公式可以有效计算钢丝绳的强度，以及钢丝绳的工作时间。

经过综合考虑在实际工作中安全系数在5以上时，实际工作量为35万m3。其计算结果具有非常高的准确性。在应用不同类型的钢丝绳之前，有关部门应以统计理论为基础，科学计算其使用寿命，并保证计算在实际应用中的准确性。

以WK-10电铲钢丝绳为例，其卷筒直径为3.2m，安全系数为5，抗拉强度为1530MPa，钢丝绳直径为58.5mm。公式计算结果后，得到钢丝绳的使用寿命。大约35万立方米。

3.1钢丝绳作业量理论计算

图1分别为WK-10和WK-20～WK-35电铲钢丝绳缠绕系统图。使用表明，钢丝绳实际断裂和失效位置主要发生在图1a中01和05位置以及图1b中01和02段，失效方式主要为断丝或者断股。电铲提升属于大起重弯曲提升范畴，因此钢丝绳弯曲疲劳寿命可用Niemann公式进行理论计算。实际使用过程中，钢丝绳失效主要集中在出卷筒段10～15m，这是因为该位置是反复弯曲和频繁使用段，因此钢丝绳在卷筒缠绕处受力大小是决定其寿命的关键因素。

3.2 WK-10电铲钢丝绳疲劳寿命计算

根据电铲钢丝绳常见失效形式和位置，以卷筒处钢丝绳弯曲疲劳寿命计算其理论作业量。通过现场测绘、咨询电铲设计制造企业可知，WK-10电铲的卷筒直径为1.60m，等效安全系数为5，钢丝绳抗拉强度为1770MPa，直径为60.5mm。根据Nie-mann公式

式一

式中，N为钢丝绳弯曲次数，也可称为疲劳寿命；D为卷筒或滑轮底部直径，mm；d为钢丝绳公称直径，mm；σB为抗拉强度，MPa；Sf为安全系数，一般取5。将参数代入后计算出WK-10电铲钢丝绳疲劳寿命为33308次。

3.3 WK-20电铲钢丝绳疲劳寿命计算

WK-20电铲的卷筒直径为1.47m，安全系数为5，钢丝绳拉伸强度等级为1670MPa，直径为58mm。通过公式1计算钢丝绳的疲劳寿命为32442次。WK-20电铲中每个铲斗的实际提升量为20m3，钢丝绳在疲劳时可以完成65万m3的工作负荷生活。

3.4 WK-27电铲钢丝绳疲劳寿命计算

WK-27电铲的卷筒直径为1.45米，安全系数为5，钢丝绳抗拉强度为1770MPa，直径为58毫米。通过公式1计算钢丝绳的理论疲劳寿命为28，034。WK-27型电铲每斗实际提升量为27m3，钢丝绳可在疲劳寿命中完成76万m3的工作载荷。根据Drucker-Tachau原理，如果误差为25%，钢丝绳的理论运行负荷应为80万至95万立方米。据调查，WK-27电铲钢丝绳平均年营运能力为80万至120万立方米。当工作量较大时，相应的岩石和沙子非常松散，而纯煤的开采量也是一个高峰。

3.5 WK-35电铲钢丝绳疲劳寿命计算

WK-35电铲的卷筒直径为1.42m，安全系数为5，钢丝绳抗拉强度为1770MPa，直径为60mm，钢丝绳的疲劳寿命为23535次。WK-35电铲每斗实际提升量为35m3，钢丝绳在理论疲劳寿命内可完成82万m3的工作载荷。

通过计算几种不同类型的电铲钢丝绳的疲劳寿命，可以看出理论和统计的重要性。通过分析钢丝绳的工作状态，可以用理论公式来准确计算工作量。钢丝绳设计完成后，应根据工作参数计算钢丝绳理论寿命，提高设计精度。

4.电铲钢丝绳寿命影响因素

钢丝绳的使用寿命不仅与其质量有关，而且与其工作环境密切相关。笔者分析了影响电铲钢丝绳使用寿命的因素如下。

4.1 制造过程（工艺）对寿命的影响

钢丝绳的制造过程（工艺）是影响其使用寿命的关键因素之一。近十年电铲钢丝绳不断改进其制造工艺。与传统钢丝绳相比使用寿命得到显着提高。但在实际应用中受各种因素的影响，新型钢丝绳尚未得到广泛应用。新型钢丝绳在实际工作中，采用压坯方法、注射法及化学涂层的方法，对传统的钢丝绳结构和材质进行了升级。新钢丝绳的使用寿命是传统钢丝绳的两倍以上，价格也有明显提高。一家公司已经投入EP6×K36WS+IWRC钢丝绳。钢丝绳改变了坩埚的方法，可以有效提高其抗磨损能力。它能承受的工作强度比传统钢丝绳高出三倍以上。它没有太大的变化，具有很强的应用价值。不同的生产工艺将严重影响钢丝绳的使用寿命。

4.2 设备使用状况对寿命的影响

维修中心对电鏟钢丝绳的使用寿命进行统计，对不同设备的应用状况进行分析。通过数据分析，在相同的条件下，制造过程和工作的强度处于平衡状态，不同的设备具有不同的应用寿命。四年来，电铲卷筒、天轮尚未修理和更换。电铲卷轴的厚度减小约4mm，天轮的厚度减少约2mm。维修中心对不同型号设备进行了相同的实验。分析结果也表明电铲卷轴、天轮具有使用寿命和工作量， 并在不断下降。设备磨损是不可避免的。不同的设备在钢丝绳上的缠绕截然不同。如果长时间磨损，会导致钢丝绳使用未达到计算工作量，就导致断裂破碎的情况。在实际应用中，建议应定期更换设备，避免钢丝绳严重磨损。

4.3 工作环境会直接影响电铲钢丝绳的使用寿命

经统计研究发现，相同型号的电铲钢丝绳，相同的设备，相同的制造商和品牌，在不同的工作条件下具有不同的使用寿命。以某公司的采矿作业为例，工作环境不同，其他要素相同，工作量存在显著差异。经分析，钢丝绳在煤矿作业中的工作量最大。在不同的工作条件下，钢丝绳的使用寿命差别很大。主要原因是在不同的工作条件下，钢丝绳的重量和冲击力有很大不同。

4.4 不同品牌对钢丝绳寿命有不同影响

经对不同钢丝绳品牌的对比分析发现，在同一工作环境下，不同品牌有不同的服务客户。以A品牌和B品牌为例，在同一个设备上工作，前者的使用寿命比后者短，而且工作量也有明显的差异。在分析平均工作量后，找到A品牌（贵州）比B品牌（比塞洛斯）的平均工作量少10万立方米。经分析，发现不同的钢丝绳品牌，即使型号相同，在直径和捻距上也存在一定的差异。在实际的工作过程中，这种微妙的差异会导致使用寿命的显着差异。

5.电铲钢丝绳使用寿命综合计算

钢丝绳的工作量不仅与自身质量有关，还受生产工艺，设备条件和环境条件，品牌等因素的影响，因此，对钢丝绳使用寿命进行评估时必需综合计算这些因素。钢丝绳寿命计算方法可以用作基准评估方法。钢丝绳吊装过程主要是将钢丝绳吊起到一定高度去除整个过程实际上是能量转换。因此无论用钢丝绳提起的货物类型如何，钢丝绳的总重量都增加了，而不是体积，最实际更公平的做法是计算总吨位。据研究，我国一座露天煤矿采用国际着名品牌的电铲钢丝绳，使用的设备为BE-495型电铲，电铲卷筒直径为1750mm，配套的主吊钢丝绳直径为69.85mm，强度等级为1770MPa，计算钢丝绳理论弯曲疲劳寿命为28，210次。

每铲斗实际提升量为60m3，钢丝绳在理论疲劳寿命内可完成169万m3的工作量。根据D-K的25%规则，理论运行范围应为126万至211万立方米。据调查，上述露天煤矿对电铲钢丝绳投标130万立方米基本工作量进行了评估，与计算结果非常接近。完全不同的操作条件，两个不同的区域和相同直径的钢丝绳在相同类型的电铲上操作。计算结果未超过25%的偏差。

6.结束语

给定条件下，利用公式可计算出电铲钢丝绳的基础作业寿命，经过对比，理论计算寿命和实际使用的考核寿命基本吻合；电铲钢丝绳寿命受生产工艺、设备状况、环境状况及品牌更换等因素影响较大；计算不同地域的相同钢丝绳作业量，可以合理表征钢丝绳寿命周期。

参考文献：

[1]李伟.滑轮对钢丝绳使用寿命的影响[J].金属制品，2016（4）：22-24.

[2]崔影.润滑对钢丝绳使用寿命的影响机制[J].金属制品，2016（1）：13-15.