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1、浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 1 页 引言 大型桥式起重机是现代钢厂生产的主要设备之一，是 制约炼钢，炼铁生产的关键环节。其中起重机用钢丝绳的 安全性是非常重要的问题，因钢丝绳的损伤或破断而产生 的重大事故时有发生。特别是像我炼钢厂的260t 吊车 240t 吊车都是吊装钢水罐的设备，为了确保使用中钢丝绳 的安全运行，掌握钢丝绳的损伤规律及防治方法很有必 要。就起重机上使用的钢丝绳而言，规格品种繁多、使用 千差万别，但一般随着使用时间的持续，都会出现损伤现 象。如不及时发现和采取预防措施的话，极易出现安全事 故和影响生产的情况。因此掌握钢丝绳的损伤和劣化及预 防
2、措施对于我门专业的机械点检来说时至关重要的。对于 一些常见故障的排出方法也是我门点检员必须掌握的。 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 2 页 1 钢丝绳的损伤及防治方法 1.1 磨损 钢丝绳在操作时与其它物体接触并有相对运动，产生 摩擦。在机械力的作用下，钢丝绳的表面不断磨损。磨损 是钢丝绳最常见的损伤方式，一般分为外部磨损、变形磨 损和内部磨损三种情况。图1 所示为单丝磨损的几种断面 形状。 错误！嵌入对象无效。 图 1 磨损钢丝的典型断面形状 a) 外部均匀磨损b) 变形磨损c) 内部磨损 1.1.1 外部磨损 钢丝绳在使用过程中其外周与滑轮槽、卷筒壁、钩头 等
3、物体表面接触而引起的磨损属于外部磨损。在外部磨损 后绳径将变细，外周表面的细钢丝被磨平。钢丝绳的外部 磨损使承受载荷的钢丝截面积减小，钢丝绳的破断载荷也 相应降低。图 2 是通过试验得到的钢丝绳直径减小率与破 断载荷降低率的关系曲线。由曲线可以看出，单周磨损较 全周磨损更恶劣，所以应尽可能使单周磨损的钢丝改为全 周均匀磨损。在钢丝绳的全长范围内，应尽可能地做到均 匀磨损。如起重机钢丝绳在使用中期换头，一般可延长钢 丝绳使用寿命 30% 40% 。 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 3 页 图 2 钢丝绳直径减小率与破断载荷降低率的关系曲线 1.1.2 变形磨损 由于
4、振动、碰撞造成的钢丝绳表面撞损，叫做变形磨 损，这是一种局部磨损现象。如卷筒表面的钢丝绳受到其 它物体的撞击，起重机起升钢丝绳相互打缠，或者由于滑 轮与卷筒中心偏斜而产生的咬绳现象，都会使钢丝绳产生 变形磨损。如把磨损后的表面细钢丝剖开，变形磨损和外 部磨损的区别如图1 所示。这种变形磨损因局部挤压而变 形，其钢丝横断面在挤压处向两旁伸展成翅形。从外表 看，钢丝宽度扩展，虽钢丝绳截面积减小不多，但局部挤 压处的钢丝表面材质硬化了，极易断丝。 1.1.3 内部磨损 在使用过程中，钢丝绳经过卷筒或滑轮时所承受的全 部负荷压在钢丝绳的一侧，各根细钢丝的曲率半径不可能 完全相同。同时，由于钢丝绳的弯曲
5、，钢丝绳内部各根细 钢丝就会相互产生作用力并且产生滑移，这时股与股之间 接触应力增大，使相邻股间的钢丝产生局部压痕深凹。当 反复循环拉伸弯曲时，在深凹处则产生应力集中而被折 断，构成了内部磨损。通常细钢丝表面的压力与钢丝绳的 压力成正比，在张力相同情况下，由于受压面积不同，单 位面积承受的压力也不同。从表面受压磨损来看，采用线 接触钢丝绳比采用点接触钢丝绳有利，采用面接触钢丝绳 比采用线接触钢丝绳更有利。此外，钢丝绳的弯曲程度、 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 4 页 运动速度，对钢丝绳的内部磨损均有影响。很明显，选择 线接触或者面接触类型的钢丝绳是减少内部磨损的
6、有效途 径。 1.2 疲劳 钢丝绳在使用过程中主要承受弯曲疲劳和拉伸、扭 曲、振动引起的疲劳。 1.2.1 弯曲疲劳 钢丝绳重复通过滑轮或卷筒中挠上挠下，无数次的弯 曲，容易使钢丝产生疲劳，韧性下降，最终导致断丝。而 疲劳断丝出现在股的弯曲程度最厉害的一侧外层钢丝上。 通常情况下，疲劳断丝的出现意味着钢丝绳已经接近使用 后期。 试验表明，钢丝绳的弯曲疲劳寿命与D/d 比值( 即卷筒 直径 D与钢丝绳直径 d 的比值 )、安全系数和钢丝绳结构均 有密切的关系。 1.2.2 拉伸、扭曲和振动引起的疲劳 起重机钢丝绳在起动和制动的始末，捆扎钢丝绳在承 受载荷的前后，变化的拉伸应力会引起金属疲劳。此外
7、， 钢丝绳经常受到扭曲和振动也是产生疲劳的原因。 疲劳损伤的原理是在变应力的作用下，细钢丝表面首 先由于各种滑移形成初始裂纹，然后裂纹尖端在切应力的 作用下反复塑性变形，使裂纹扩展直至断裂。其疲劳引起 的断丝一般断口平齐，多半出现在表层钢丝上，它们很有 规律。 1.2.3 防止钢丝绳疲劳损伤的途径 1）在条件许可的情况下，应尽可能使卷筒和滑轮的直 径加大。 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 5 页 2）在安排滑轮布局时，应尽量避免使钢丝绳反向弯 曲，如图 3 所示。试验数据表明，反向弯曲的破坏约为同 向弯曲的 2 倍。 图 3 正确的滑轮布局 3)尽可能选择结构好的
8、钢丝绳，如瓦林吞, 西卢或填充 型等线接触钢丝绳。使用这些钢丝绳能成倍地提高使用寿 命。 1.3 锈蚀 钢丝绳一般在露天使用，日晒雨淋会使钢丝绳腐蚀， 尤其是在有害气体与恶劣环境下使用的钢丝绳，腐蚀造成 的损伤就更严重。因腐蚀而受损的钢丝绳表面存在氧亲和 性的差异，使 表面的某一局部金属成为阳极，另一邻近 的局部金属成为阴极，形成了大量的小电池。在小电池的 作用下，表面便形成很多圆形腐蚀坑，并逐步加深。这些 坑就成了应力集中点、疲劳裂纹的源泉。与此同时，腐蚀 使钢丝绳的截面积减小、弹性和承受冲击的能力降低。 防止钢丝绳锈蚀损伤的方法有两种，一种是勤涂油， 对于经常处于运动状态的钢丝绳涂油是必不
9、可少的。新钢 丝绳麻芯一般含有12% 15% 的油脂，而报废的钢丝绳在损 耗最大的部位仅含2.4%的油脂，在同一根钢丝绳的绳端， 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 6 页 即使没有经过滑轮也仍含有12.7%14.5% 的油脂。试验 表明，涂油钢丝绳在试验后期发生的断丝约为不涂油的半 数。一根钢丝绳最初的含 油量只能维持寿命的40% ，其 后如不加油则断丝急剧增加。二是对使用环境恶劣、相对 运动 较少的钢丝绳可选择镀锌、镀铝等特种钢丝绳。这些 钢丝绳暴露在大气中的镀锌或镀铝表面会形成氢氧化锌和 氢氧化铝薄膜，能有效地防止钢丝绳的腐蚀。 1.4 变形 很多断绳事故是因为
10、钢丝绳事先受到过变形损伤而没 有引起人们的足够重现，结果酿成大祸。变形的主要原因 有以下几种： 1.4.1 外伤 在操作过程中，钢丝绳与其它设备不正常的接触容易 造成外伤。最明显的外伤是钢丝绳在滑轮里滑槽，在卷筒 上跳出挡板，结果常常使几十米乃至数百米的钢丝绳因为 局部轧坏而报废。 防止钢丝绳外伤的关键在于完善起重机设备。滑轮应 设置可靠的防滑槽挡圈，挡圈与滑轮外圈的间隙不大于钢 丝绳直径的 1/5 。卷筒上的钢丝绳不能松弛太多，以防绳 圈跳出挡板在缠紧时轧坏。 1.4.2 压溃 钢丝绳在卷筒上卷乱后容易产生压溃现象。钢丝绳在 卷筒上卷乱时，相互倾轧，在操作时会发出“轧吱轧吱” 的声响。由压溃
11、造成的钢丝绳损伤会在局部迅速出现断丝 与压扁的痕迹。 防止的措施是应按设计规范选择滑轮与卷筒的偏角， 必要时可在起升机构中设置排绳器或者压绳装置，防止钢 丝绳出现卷乱现象。 1.4.3 扭结 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 7 页 钢丝绳在局部扭曲后产生的永久变形叫做钢丝绳扭 结。扭曲的方向与钢丝绳旋向一致的称为正扭结，反之称 为负扭结。普通钢丝绳带有自转性，如果绳股的端部不加 捆扎便施加张力，则绳股会向倒捻方向旋转，这是造成钢 丝绳扭结的内在因素。钢丝绳在扭结后，经过多次起吊受 载， 也只有局部绳芯外露，一般没有断丝现象。但试验 表明，钢丝绳在扭结损伤后强度将显
12、著降低。正扭结的强 度只有原强度的 60% 80% ，负扭结的强度还不到原强度的 50% 。严重时强度将降低到只有原来的10% 20% 。 防止钢丝绳扭结可采取以下措施： 1)在重要的起重设备上选用不旋转钢丝绳。 2)在钢丝绳的自由端设置转子(也称防转装置 )。 3)加强操作人员工作责任心，发现扭结迹象立即停止 操作，释放还原。 1.5 过载 钢丝绳随着载荷的增加会有微量的伸长，当载荷超过 弹性极限时，钢丝绳就可能断裂。通常把钢丝绳承受的静 载荷控制在破断载荷的1/101/5 ，叫作安全负荷。安全 负荷表示的是钢丝绳允许承受的额定静负荷。但钢丝绳实 际上往往处于运动状态，钢丝绳在工作时除了要承
13、受货 物、吊物、自重等静载荷外，还要受到因加速度和冲击引 起的动载荷，因弯曲引起的附加载荷，因摩擦引起的阻力 载荷等等。由此可见，当除了静载荷以外的其它载荷增多 时，实际的安全系数就降低了，钢丝绳往往由此而引起过 载。 因过载而破断的钢丝绳，其断口呈松散状，6 股的钢 丝绳断口位置大多数不在一起，绳芯外露，这是钢丝绳因 过载而断裂的特征。过载的钢丝绳即使不发生断裂事故， 也会大大地缩短使用寿命。图4 是由试验得到的安全系数 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 8 页 与钢丝绳寿命的关系曲线，从图中可见安全系数降低将导 致钢丝绳使用寿命急剧下降。 图 4 安全系数与钢丝
14、绳寿命关系 为了防止钢丝绳过载，应采取以下措施： 1) 正确选用安全系数，力求减少静载荷以外的其他载荷 对钢丝绳的影响。如弯曲载荷可以 通过加大滑轮和卷筒 直径来减小，动载荷可以通过提高起重机司机的操作水 平、改进起重机性能来减少，摩擦阻力可以通过调整滑轮 槽的形状及补充润滑油来减少等等。 2)严格遵守安全操作规程，杜绝人为的超负荷现象。 3)在起重机上安装负荷指示器、或超负荷限制器、或报 警器，消除过载现象。 1.6 其它 除了上述 5 种钢丝绳的基本损伤类型外，还有高温幅 射等因素也会使钢丝绳造成损伤。但总的来看，钢丝绳的 损伤一般是有规律的，关键在于我们如何去进一步认识这 些规律，从而找
15、出有效的防止方法，尽量延长钢丝绳的使 用寿命。 2 常见的机械故障的排除方法 2.1 吊钩 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 9 页 故障情况：吊钩断裂及变形。 原因：吊钩有疲劳裂纹；磨损过限；材质有问题；超 载。 消除方法：更换。 2.2 滑轮组 第一种故障 故障情况：滑轮不能转动。 原因：心轴、轴承损坏。 消除方法：更换轴或轴承，使其润滑良好。 第二种故障 故障情况：滑轮损坏。 原因：磨损过限或碰撞。 消除方法：更换 2.3 卷筒组 故障情况：有裂纹。 原因：磨损过限、超载或原制作隐患。 消除方法：更换。 2.4 联轴器 第一种故障 故障情况：有裂纹。 原因：冲
16、击运动。 消除方法：更换。 第二种故障 故障情况：联接螺栓孔磨损。 原因：机构跳动；原螺栓配合有间隙。 消除方法：加工孔或更换螺栓。 第三种故障 故障情况：键槽磨损。 原因：键配合有间隙。 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 10 页 消除方法：焊接磨光原损坏键槽，并与旧键槽旋转90 度重新洗槽，但不允许修复提升机构，键配合可靠。 2.5 减速机及齿轮副 第一种故障 故障情况：齿断裂，齿点蚀、齿磨损、齿胶合。 原因：过载、疲劳、润滑不良。 消除方法：更换齿轮、防止过载，提高齿面光洁度、 硬度及时更换润滑油。 第二种故障 故障情况：齿面朔性变形。 原因：低速重载，齿面较
17、软。 消除方法：挫光棱脊，提高润滑油粘度，更换硬度较 高 的齿轮。 第三种故障 故障情况：键损坏，齿轮在轴上转动。 原因：克断键。 消除方法：更换齿轮、轴、键，配合牢固。 第四种故障 故障情况：噪音及撞击声。 原因：主要决定于加工精度和装配精度；装配后未加 油；齿轮有疤；齿顶啃齿根，噪音均匀；齿斜角不正或装 配歪斜，不均匀噪音。 消除方法：装配后未加油的及时补加润滑油；齿轮有 疤的用挫或油石磨掉；齿顶啃齿根，噪音均匀的将齿顶的 尖角用细挫倒钝；齿斜角不正或装配歪斜，不均匀噪音的 齿轮做调整或更换。 第五种故障 故障情况：安装轴承部位外壳发热。 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排
18、除方法 第 11 页 原因：轴承损坏或轴承外圈与箱体发生相对运动。 消除方法：更换轴承、更换减速机箱体。 第六种故障 故障情况：润滑油沿剖面流出；减速机在桥架上振 动、串动。 原因：结合面不平或装配时没有密封好；地脚螺栓松 动，地脚设有挡铁，传动轴与减速机轴联接不同心。 消除方法：更换减速机箱体或刮平机盖、机座平面， 更换密封材料，扭紧螺栓；扭紧螺栓，地脚设挡铁；调整 同心度，达到要求。 2.6 车轮组 第一种故障 故障情况：运行始终向一个方向啃道。 原因：车轮水平偏斜超差和两个主动或被动轮，偏斜 方向未达到相反的可能性最大。 消除方法：重新调整，达到安装要求。 第二种故障 故障情况：往返行驶
19、中，啃道方向相反。 原因：两台电动机或制动器不同步。 消除方法：更换两转数一样的电机、调整两制动器制 动力距一致。 第三种故障 故障情况：只在某一段行程上啃道。 原因：轨道安装有问题。 消除方法：调整轨道轨距和两轨道高低差，符合要 求。 第四种故障 故障情况：全程啃外缘或内缘。 浅析起重机用钢丝绳的损伤及防治和常见的机械故障的排除方法 第 12 页 原因：车轮或轨道跨距有问题。 消除方法：检查调整跨距偏差在正负5mm 之间。 第五种故障 故障情况：主动车轮打滑 原因：车轮滚动面不在同一平面上；轨道上有油污； 轨道面在高低方向有波浪或在同截面上两轨道高低差超 差；制动过猛。 消除方法：车轮滚动面
20、不在同一平面上时在角轴承座 处加垫调整；轨道上有油污时清除油污、撒细沙；轨道面 在高低方向有波浪或在同截面上两轨道高低差超差时需调 整轨道；制动过猛时要调整制动力矩。 2.7 滚动轴承 第一种故障 故障情况：轴承温度超过规定温度。 原因：缺润滑油；轴承油污垢。 消除方法：添加润滑油、清洗轴承换油。 第二种故障 故障情况：工作时轴承响声大。 原因：装配不良使轴承部件卡住；轴承部件损坏。 消除方法：检查轴承安装的正确性，并进行调整；更 换轴承。 参考文献： 1. 成大先机械设计手册，化学工业出版社 2004年 1 月 2. 陈后宋现代工业设备管理，浙江科学技术出 版社 1985 年 2 月 3. 成大先机械设计手册，化学工业出版社 2004年 1 月