提高四柱汽车举升机钢丝绳使用寿命的有效途径

◆文/江苏 吴英坤

(作者吴英坤工作单位：艾沃意特汽车设备制造有限公司)

钢丝绳作为四柱汽车举升机的关键承载零件，在举升机的升降作业中主要通过安装在主平台下方的油缸活塞杆伸缩带动牵引平台完成，钢丝绳在这个系统中起承重作用。一旦钢丝绳失效，而又没有相应的钢丝绳防断保护装置或者钢丝绳防断保护装置也失灵，则会产生汽车倾覆翻车以及人员的损伤事故。下文将从钢丝绳的传动牵引结构说明、失效形式分析、主要结构设计要求以及客户在使用过程的保养和检查等方面，谈谈如何提高四柱汽车举升机钢丝绳的使用寿命，预防钢丝绳失效使用过程中不良后果的发生。

一、四柱汽车举升机钢丝绳传动牵引结构说明(图1)

目前国内市场使用的四柱汽车举升机，大多数为钢丝绳牵引。钢丝绳牵引的四柱汽车举升机，主要由四根立柱，主平台，副平台，两根横梁，泵站，控制盒等组成。主平台中间下方装有油缸，前后各装有一组水平换向的滑轮，两根钢丝绳固定在活塞杆的拉座，每根钢丝绳短的一端经平台前方滑轮转向90°，经横梁滑轮垂直换向后固定到立柱顶部，每根钢丝绳长端经平台前方滑轮转向180°后，经平台后侧滑轮水平换向后经横梁滑轮垂直换向后，固定到立柱顶部。两根横梁的两端各装有一个垂直导向的绳轮，中间连接主、副平台。需上升时，按下上升按钮，泵站接通电源后，电机旋转，带动齿轮泵向系统输出高压油，进入油缸有杆腔，推动活塞杆收缩，活塞杆收缩带动固定在活塞杆端部的拉座拉动钢丝绳，带动平台和横梁组件上升，需下降时，先打开解锁手柄(如属电动解锁，一般配有延时上升，仅需按下降按钮)，保险解锁，按下手动下降阀，回油油路打开，油缸活塞杆伸长，液压油在平台和上面举升物的作用下，经调速阀流回油箱，钢丝绳拉住平台完成下降作业。

二、钢丝绳失效形式分析

按照我国起重机钢丝绳的保养、维护、检验和报废标准GB/T5972-2016，钢丝绳失效形式主要有：断丝，绳径变小,腐蚀，畸形和损伤。其中畸形和损伤又包括：波浪形，笼状畸形，绳芯或绳股突出，钢丝突出，绳径局部增大，局部扁平，扭结，弯折，弹性降低度等。本文主要分析实际应用中所发生的断丝，绳径变小，畸形三类失效形式。

1.断丝分析

图1 四柱汽车举升机钢丝绳传动牵引结构

断丝(图2)是钢丝绳最常见的失效形式。其主要由于钢丝绳在工作环境介质和工作应力共同作用引起低应力脆断。钢丝绳断裂失效，很大程度上取决于它的工作环境，主要分为磨损断丝和腐蚀断丝两种。磨损断丝是钢丝绳在运行过程中与滑轮接触部位产生磨损，日积月累磨损日趋严重，最终造成断丝，其断口两侧呈斜茬，断口扁平，出现在钢丝绳磨损严重的部位一般在与滑轮接触区域。腐蚀断丝一般发生在钢丝绳在具有腐蚀性介质环境下运行，使钢丝绳被腐蚀，有效工作面积不断减少导致钢丝绳的强度降低同时还会引起不规则表面应力裂纹扩展，进而加速疲劳，最终导致断丝，这种断口形状不整齐，呈针尖状。

图2 断丝

2.直径减小分析

外部磨损是导致钢丝绳直径减小的主要原因，通常是由钢丝绳与滑轮的接触部位之间的压力引起的，如轮槽两侧面夹角偏小，受力后钢丝绳偏向与轮槽侧面接触，可能会引起钢丝绳的一侧磨损(图3、图4)，通常钢丝绳的磨损出现在与滑轮轮槽接触的区段，润滑不足或不正确以及具有腐蚀作用的灰尘和沙土的存在都会影响到磨损速度。同时下列原因也会导致钢丝绳直径的减小。(1)内部磨损和钢丝凹痕；(2)由钢丝绳内部相联绳股和钢丝之间的摩擦导致的内部磨损，特别是钢丝绳受弯时；(3)纤维芯的劣化或钢芯的断裂；(4)钢丝绳内层股的断裂。因磨损导致尺寸减少和表面状态改变，并最终丧失其功能的现象称为磨损失效。钢丝绳磨损失效，主要有两种模式：机械磨损和塑料磨损。机械磨损，其主要原因是在使用过程中其外层钢丝与绳槽表面接触而引起的磨损。这种现象在钢丝绳与滑轮接触部位特别明显。主要表现为钢丝绳外周表面的钢丝被磨平，绳径变细，受载面积减小，受载能力也随之降低。此外钢丝绳润滑不足以及钢丝绳上绳股间有灰尘、砂粒也会加速机械磨损的产生。而塑料磨损，主要由于振动、碰撞，内部挤压造成的钢丝绳表面磨损。磨损失效是缓慢发展、渐变的过程。不像断裂事故那样突然。但磨损通常导致受载截面面积的减少以及疲劳敏感性的增加，造成断裂失效，特别在湿度较大的环境中，磨损将加速腐蚀过程。

图3 钢丝绳直径局部减小(绳股凹陷)钢丝绳一侧磨损

图4 外部磨损

3.畸形分析(图5)

钢丝绳失去正常形状而产生的可见形状畸变称为“变形”（图5）。这种变形会导致畸形区域的钢丝绳内部应力分布不均匀，能够形成这种畸形的原因主要有：(1)当钢丝绳以很大的偏角经过滑轮时，首先与滑轮的边接触，然后滚进绳槽底部。这个过程会使绳股松散，而外层绳股的松散程度要比钢丝绳绳芯大，造成了它们之间的长度差异；(2)当滑轮绳槽的槽底直径过小时，钢丝绳经过滑轮时就会受到挤压。在受到挤压的钢丝绳直径变小的同时，钢丝绳的长度就会增加，由于钢丝绳外层绳股的压缩和伸长长度都比绳芯大，所以这种作用过程也会造成它们之间的长度差异。在以上两种情况下，滑轮会改变松散外层股的位置，将这种长度差异“赶”到缠绕系统内某一位置，形成笼状畸形。另外变形还包括绳芯或绳股突出，钢丝突出，绳径增大，局部扁平等特征。目前发现抽丝的形成有可能是由于绳股中钢丝之间的间隙不足造成的。缺乏间隙使得这些钢丝不能随邻近的钢丝一起移动，因而造成超载或者屈服。钢丝绳的直径如果太小，外股间将没有足够的间隙，造成绳股之间的交咬破坏。缺乏间隙会造成钢丝绳的疲劳寿命大大降低。笼状畸变，这种变形主要出现在具有钢芯的钢丝绳上。当外导绳股发生脱节或者变得比内部绳股长时，处于松驰状态的钢丝绳突然受载时就会产生这种变形。伴随“鸟笼”一起产生的还有绳股挤出等失效现象。

图5 钢丝绳笼状畸形

三、结构设计应满足的钢丝绳承载要求

根据以上分析，并结合国内外标准要求和汽保行业的设计应用小结，钢丝绳相关零件设计应满足下列要求。

1.钢丝绳规格的选用

钢丝绳规格的正确选用，可以确保钢丝绳满足承载要求。

(1)依据EN1493:2010标准中5.6.2传动钢丝绳最少由114根单根钢丝组成，正常抗拉强度至少应为1 570MPa，但不超过1 960MPa，终端抗拉强度最小要为绳的80%。考虑到钢丝绳弯曲强度影响，在满足安全系数的情况下，尽量控制在1 770MPa以内。

(2)钢丝绳承载力的选用按机构工作级别中的M5选择，其最小实际安全系数为5。通常设计静应力安全系数N不小于7。

2.钢丝绳滑轮的设计

(1)滑轮直径与钢丝绳直径的比值应大于18，钢丝绳弯曲半径过小，会增加钢丝绳弯曲折断损坏，缩短钢丝绳的使用寿命。

(2)滑轮绳槽底半径R=(0.53-0.6)D。过小会造成畸形失效。

(3)滑轮材料常用Q235A，HT200，ZG230-450，QT400-18，对最有利提高钢丝绳使用寿命的为QT400-18和Q235A，对钢丝绳的磨损伤害最小，其他两种材料次之。

(4)滑轮内孔衬套常用的为自润滑轴承和青铜衬套，同等负载以青铜衬套使用寿命最长。

(5)平台下方前后滑轮槽以及与其对应的横梁单槽轮对齐，尽量减小偏角，以避免钢丝绳轮槽侧边造成钢丝绳的磨损失效。

四、钢丝绳及相关零部件的维护、检查和保养

1.平日应经常根据平台水平度变化，调整钢丝绳的松紧，确保平台的水平度，以利于四个立柱端钢丝绳均匀承载。调整时可通过调节立柱顶板上钢丝绳连接端部固定螺杆的六角螺母来完成平台的调平，平台用水平仪或水管装水观测水平状况，调节完成后拼紧顶板端固定螺母。在完成钢丝绳调节后，相应调整四立柱内的保险板，使横梁保险落锁后平台处于同一水平面，保险板的调节通过调整固定在顶板上的固定螺母实现(图6)。

2.在日常保养中，应定期为钢丝绳润滑，对经过滑轮运动的部位更加要注重润滑，为了提高润滑效果，需在润滑前将钢丝绳清理于净，然后加注润滑脂。

图6 钢丝绳及相关零部件示意图

3.如果钢丝绳某一部位的钢丝过于突出，当此处经过滑轮时，钢丝就会压在其他部位之上，造成局部劣化。为了避免这种局部劣化，可将伸出的钢丝除掉，其方法为：夹紧断丝伸出端反复弯折，直至折断。在维护过程中去除钢丝时，宜记录其位置，去除断丝的作业也作为一根断丝来计算，并在根据断丝数作为报废基准评估钢丝绳的状态时予以考虑。

4.至少在钢丝绳使用一年后，每周对钢丝绳经过滑轮的工作区段进行外观检查，目的是发现一般的劣化现象或机械损伤，此项检查还应包括钢丝绳与立柱顶板的连接部位。对钢丝绳在每个滑轮槽上的正确位置也宜检查确认，确认钢丝绳没有脱离正常的工作位置。

5.钢丝绳定期检查中的劣化模式及评价方法如表1所示。

表1 钢丝绳定期检查中的劣化模式及评价方法

6.检查周期：初期使用时，每月检查一次；如果停用3个月以上，在重新使用前应进行钢丝绳表面质量状况检查；如果本举升机上其它部件失效或操作不当造成升降过程的异常，这时应进行钢丝强表面质量状况检查；在产品投入使用一年后，应半个月对钢丝绳进行检查一次。

7.检查范围：对于每根钢丝绳，都应沿整个长度进行检查，并应特别注意下列关键区域和部位：

(1)主平台下方拉座固定接头；

(2)主平台下方经过滑轮的区域；

(3)立柱内经过滑轮的区域；

(4)立柱顶部与钢丝绳连接部位；

(5)因安装不当或外部原因造成钢丝绳损伤的部位。

8.钢丝绳的检查：应重点检查靠近绳端固定装置的钢丝绳，特别是进入绳端固定装置的部位，由于这个位置受到振动和其它冲击的影响以及腐蚀等环境状态的作用，容易出现断丝。可以采用探针进行探查，以确定钢丝是否出现松散，进而确定绳端固定装置内部是否存在断丝，还应检查绳端固定装置是否存在过度的变形和磨损。此外，固定绳套、绳环用的套管也应进行外观检查，看其材料是否有裂纹，钢丝绳和套管之间存在可能滑移的迹象；对钢丝绳固定扣附近有无断丝现象，并且钢丝绳的走向是否处于正确的装配状态。

9.钢丝绳报废标准：日常使用中应定期检查钢丝绳磨损和断丝状况，当出现下列情况之一必须进行及时更换：

(1)钢丝绳由于使用不当，造成局部弯折，扭结，压扁；灯笼状畸形；绳芯或绳股突出。

(2)60mm长度内断丝数大于5根，或300mm长度内断丝数大于10根；

(3)钢丝表面出现深坑，钢丝相当松驰；

(4)钢芯挤出，邻近位置出现笼状畸变；

(5)钢丝绳的直径减小或增加量达5%；

(6)发生整股断裂；

(7)钢丝绳外部腐蚀，钢丝表面手感粗糙，钢丝表面重度凹痕严重锈蚀、内部腐蚀明显可见；

(8)在任何条件下，钢丝绳只要出现以下情况，就需要报废：一是在从未经过，绕过滑轮的钢丝绳在钢丝绳的直线区段上，直尺和螺旋面下侧之间的间隙大于钢丝绳直径的三分之一，二是在经过滑轮的钢丝绳区段上，直尺和螺旋面下侧之间的间隙大于钢丝绳直径的十分之一；

(9)使用超过两年。

五、钢丝绳的失效保护

在四柱举升机中，均设有钢丝绳防断装置。对于手动解锁四柱举升机，当某一立柱钢丝绳发生断裂时，连动钢丝绳的导轮在弹簧的作用下，拉动机械保险钩与立柱内的保险板啮合锁止，这时应立即停止操作，对于电动解锁的举升机，上面导轮在驱动保险钩自锁的同时，还通过上面的动作板撞向装在横梁上的限位开关切断总电源。这时不能进行上升也不能进行下降作业。

六、提高四柱举升机钢丝绳使用寿命的主要途径

1.按规定的载荷选择合适的钢丝绳，并满足上文第三部分第1条要求；

2.按选定的钢丝绳设计合适的钢丝绳轮，并满足上文第三部分第2条要求；

3.按第四章要求对在用的四柱举升机钢丝绳进行日常润滑保养，并定期检查钢丝绳的磨损状况。达到更换标准的应及时更换。

4.定期检查钢丝绳的失效保护装置，检查复位弹簧的灵敏度和可靠性，检查钢丝绳导轮的磨损情况，检查保险块动作的灵活性，栓查保险板与保险块和啮合状况，检查限位开关的灵敏度和工作可靠性。