桥式起重机钢丝绳故障分析及影响其使用寿命的因素

钢丝绳是应用最广泛的起重部件之一。它具有承载能力高、柔韧性好、运行平稳、噪音低等优点。几乎所有桥式起重机都使用钢丝绳来承载重物。如果钢丝绳因故障突然断裂，后果可能十分严重。因此，出于安全和经济方面的考虑，对钢丝绳进行故障分析至关重要。本文分析了导致桥式起重机钢丝绳故障的各种因素，旨在帮助延长其使用寿命。

1. 架空起重机钢丝绳强度和伸长率

根据设计，钢丝绳的最大断裂强度低于其所有钢丝束强度的总和。它与钢丝绳的结构和所有钢丝的性能等级有关。设计钢丝绳时，应考虑所有载荷因素，包括附加载荷、加速度、减速度、绳速等。此外，还应考虑滑轮和卷筒的数量、结构布置和安装方式，以及导致腐蚀和磨损的条件和钢丝绳的长度。

钢丝绳中的钢丝通常由含碳量为0.5%至0.8%的优质碳素结构钢制成。钢丝绳的弹性模量约为1.6×10⁵ N/mm²。该模量衡量钢丝在受力情况下的伸长程度。

当钢丝绳承受载荷时，其钢丝会相对移动，调整位置以达到与所施加载荷相对应的稳定状态。这会产生两种类型的伸长。当钢丝绳首次承受载荷时，钢丝会发生轻微的重新排列，产生永久性伸长，称为结构伸长。与此同时，还会发生可恢复的伸长，称为弹性伸长。结构伸长在一定程度上取决于所施加载荷的大小。

钢丝绳中钢丝的直径越小，弯曲所需的弯矩就越小，钢丝绳的柔韧性就越好。钢丝绳中钢丝数量越多，纤维芯钢丝绳通常柔韧性越好。钢丝数量较少的全金属钢丝绳柔韧性较差，但前者的伸长率通常比后者大。更好的柔韧性意味着更强的抗断裂能力。

2. 架空起重机滑轮组

主滑轮尺寸通常以绳槽底部滑轮直径加上钢丝绳直径（作为最小绕线直径）来表示。 起重机滑轮 尺寸减小时，钢丝绳弯曲和与滑轮接触产生的应力就会增大。弯曲应力越大，钢丝绳中的钢丝疲劳速度就越快。接触应力的增加也会加速钢丝绳的损坏和滑轮的磨损。

随着滑轮尺寸增大，钢丝绳与滑轮之间的压力以及弯曲程度都会降低。如果仅考虑弯曲应力，6×19点接触式钢丝绳的滑轮直径可以增加到钢丝绳直径的90倍，以延长钢丝绳的使用寿命。然而，除了特殊设备外，实际应用中很少使用如此大直径的滑轮，原因有二：

1. 对于大多数起重设备来说，如此大的滑轮并不实用。
2. 在任何操作条件下，弯曲很少是唯一存在的因素。

实际上，除了弯曲之外，还有许多其他因素会影响绳索的寿命，包括反复应力、磨损、锤击、冲击、振动、扭转、转速、不正确的卷筒缠绕、腐蚀和维护不足。其中一个或多个因素对绳索寿命的影响可能比滑轮尺寸更大。

最佳滑轮尺寸应综合考虑安全性、经济运行等因素确定。然而，绳索接触点处钢丝间的高压，以及绳索在小滑轮上运行时产生的高弯曲应力，都可能导致绳索损坏和断裂。在这些不利条件下，钢丝断裂通常发生在相邻钢丝的接触点之间。这些位置的断裂往往难以甚至无法通过外部检查发现。

因此，对于其他具有严格安全要求的设备，应选择更大的滑轮，以便绳索损坏过程发展得更缓慢，并且损坏发生在绳索表面，这样更容易检测和评估。

3. 架空起重机滑轮绳槽

为了使钢丝绳发挥最佳性能，滑轮绳槽的直径必须足够大，以保持钢丝绳周围适当的间隙。绳槽直径并非恒定不变，其变化主要受钢丝绳本身的影响，并在很大程度上受滑轮材料及其所受压力的影响。

由于滑槽会持续磨损，当钢丝绳接近使用寿命终点时，滑槽通常会磨损得越来越小。这就造成了一个问题：每次安装新钢丝绳时，都需要重新加工滑槽或更换滑轮。然而，在实际应用中，重新加工滑槽或更换滑轮并不经济。

重新加工沟槽时，通常先修复凸缘，然后再将沟槽底部切削至合适的直径。如果仅切削沟槽底部，则底部附近的喉部角度可能过小，无法提供足够的间隙，从而严重加剧钢丝绳的磨损。

4. 架空起重机钢丝绳压力

除了钢丝绳在滑轮上运行时产生的弯曲应力外，钢丝绳还会受到与滑轮接触产生的径向压力。这种压力会在钢丝绳中产生剪切应力，改变其结构，并影响滑轮槽的磨损率。因此，在选择最合适的钢丝绳结构时，应考虑径向压力的大小和滑轮材料的耐磨性。

5. 桥式起重机卷筒

ǞǞǞ 起重机鼓 尺寸、槽形和压力与上面讨论的滑轮条件相似。

当卷筒表面光滑时，由于钢丝绳仅在一侧受力，其周边区域未受支撑，因此实际径向压力相对较高。与带槽卷筒相比，这种卷筒会导致钢丝绳和卷筒磨损更加严重，且钢丝绳更容易因压力而损坏。

当弯曲应力是影响钢丝绳使用寿命的主要因素时，卷筒直径可以略小于滑轮直径。这是因为，钢丝绳在沿一个方向运动时，经过每个滑轮时会发生两次弯曲，但在卷筒上只发生一次弯曲。第一次弯曲发生在钢丝绳接近滑轮时，此时钢丝绳由直线变为滑轮的弧度。第二次弯曲发生在钢丝绳离开滑轮后再次变直时。

在某些情况下，绳索的行程很短。当绳索的一部分在卷筒上往复运动而没有经过滑轮时，弯曲循环次数减少，断裂过程也更缓慢。

使用带槽滚筒时，合适的槽型有助于保持缠绕绳索的正确位置。保持合适的槽间距至关重要，这样相邻的绳索圈之间才能有足够的间隙，但又不会过大。这有助于防止缠绕到滚筒上的绳索与已缠绕在滚筒上的绳索相互挤压或摩擦。

对于多层缠绕，槽中心线之间的间距应足够大，以防止钢丝绳在最大倾斜角度下相互接触。

6. 其他失效因素

1. 腐蚀： 腐蚀是钢丝绳失效的常见原因。运行环境产生的腐蚀性气体对钢丝绳的使用寿命有显著影响。
2. 冲击载荷和振动： 对钢丝绳施加冲击载荷并使其振动会产生高频、高弯曲应力。振动的影响在钢丝绳末端尤为严重，并可能导致疲劳断裂。
3. 温度过高： 如果钢丝绳在过高的温度下工作，可能会因为抗拉强度降低而断裂。

上述故障分析表明，桥式起重机钢丝绳故障通常是多种因素共同作用的结果。在实际故障调查中，应全面分析这些因素，区分它们的相对重要性，并确定主要故障原因，以帮助延长钢丝绳的使用寿命。

赵卓拉

桥式起重机/门式起重机/旋臂起重机/起重机零部件解决方案专家

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