港机用钢丝绳失效机理分析论文
钢丝绳作为重要的提升和承载构件，在煤炭、冶金、建筑、旅游及港口码头等各个行业得到了广泛使用。近几年，物流行业的蓬勃发展带来了全球集装箱吞吐量的急剧增长，导致港口起重机的作业量不断的增大。在港口装卸中，钢丝绳的消耗量是巨大的，钢丝绳的使用与港口码头的安全生产密切相关。但由于钢丝绳结构复杂以及使用的不科学性，导致了诸多的钢丝绳断绳事故，甚至造成伤亡人数和巨大财产损失。因此，钢丝绳的安全使用显得尤为重要。
一、门座式起重机钢丝绳经常性损伤事故
福州港马尾港务公司集装箱作业区的一台MQ5037门座式起重机，经常出现钢丝绳断丝、磨损、绳丝挤出、绳股挤出及笼状畸变等钢丝绳失效形式，几乎1~2月就要换一次钢丝绳，给公司造成极大的经济损失。针对这一情况，公司采取了更换不通品牌的钢丝绳，维修改造加固等方法，但并没有解决钢丝绳频繁失效的问题。
二、港机用钢丝绳失效形式机理分析
按照我国起重机钢丝绳检验报废标准[1]，钢丝绳的失效形式主要有：断丝、绳股断裂、绳径减小、弹性降低、外部磨损、腐蚀、变形、由于受热或电弧作用而引起的损坏及永久伸长的增加率等，其中变形又包括：波浪形、笼状畸变、绳股挤出、钢丝挤出、绳径局部增大、绳径局部减小、部分被压扁、扭结、弯折等变形。本文主要分析实际生产中所遇到的断丝、磨损、绳丝挤出及笼状畸变等失效形式。
1．断丝分析
断丝是钢丝绳最常见的失效形式（如图1），在我国起重机钢丝绳检验报废标准[1]中，将断丝的数量、位置及断丝的增加率都作为钢丝绳是否报废的首要标准。断丝的发生主要由三种情况导致：（1）一次性加载造成断丝：这主要是由于载荷应力超出了钢丝的强度而引起的。这种断丝失效形式在钢丝绳使用中比较常见，主要表现为拉力破断与剪切破断。当钢丝轴向载荷超过钢丝的破断载荷时，发生拉力破断，一般其断裂端口呈“杯锥状”，断口钢丝有所延展且伴随着直径减少。剪切破断是轴向载荷和垂直于钢丝轴向的压力共同作用下造成的，破断面与钢丝轴线成一定角度。（2）疲劳造成断丝：这主要是由于钢丝受到交变载荷引起的低应力破坏。在实际生产中，钢丝绳疲劳断丝的失效形式最多，主要分为弯曲疲劳、压拉疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等引起来的断丝。其基本表现只有切应力引起的切断疲劳和由正应力引起的'正断疲劳两种形式，所有形式的疲劳都是由这两种基本形式在不同条件下的合成。（3）外界环境造成断丝：这主要由于钢丝绳工作环境介质、应力共同作用引起低应力脆断。钢丝绳断裂失效，很大程度上也取决于它的工作环境条件，主要分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其他固定物体接触产生磨损，日积月累磨损日趋严重，最终导致断丝。其断口两侧呈斜茬，断口扁平，出现在钢丝磨损严重的部位。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，使钢丝被腐蚀、锈蚀，有效工作面积逐渐减少，最后导致断丝。这种断口形状不整齐，呈针尖状。
2．磨损分析
钢丝绳在工作时，由于同滑轮、卷筒或相邻绳股的接触表面有相对运动，表面的材料粒子由于机械、物理和化学作用而脱离母体，使得钢丝绳形状、尺寸或者重量发生变化的过程称为磨损。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[2]。钢丝绳磨损失效，主要有两种模式：机械磨损和塑性磨损。机械磨损，其主要原因是在使用过程中其外层钢丝与绳槽、吊钩、地面等表面接触而引起的磨损。这种现象在加速或者减速时的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，受载截面积减少，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、沙粒和石子会加剧机械磨损的产生。而塑性磨损，主要由于振动、碰撞、内部挤压造成的钢丝绳表面磨损。磨损失效形式在起重机提升钢丝绳中较常见（如图2）。磨损失效是逐步发展、渐变的过程，不像断裂失效事故那样突然。但磨损通常导致受载截面面积减少以及疲劳敏感性的增加，造成断裂失效，特别在腐蚀介质中，磨损将加速腐蚀过程。
3．变形分析
钢丝绳失去正常形状产生可见的畸形称为“变形”，这种变形会导致钢丝绳内部应力分布不均匀。这里主要分析绳丝挤出和笼状畸变的变形机理。绳丝挤出，又称抽丝，是较为常见的钢丝绳几何形变失效形式，如图3所示。目前研究表明抽丝的形成有可能（不确定）是由于绳股中钢丝之间空隙不足造成的。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。钢丝绳的绳芯直径如果太小，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，如图4所示。当外层绳股发生脱节或者变得比内部绳股长时，处于松弛状态的钢丝绳突然受载时就会产生这种变形。伴随“鸟笼”一起产生还有绳股挤出的失效现象。如图1~4所示，就是该门机钢丝绳遇到的常见的失效形式，报废周期大概为1~2个月，详细的寿命记录见表1。
三、采取的措施及效果分析
根据钢丝绳出现的以上失效形式，公司做了更换钢丝绳、更换压轮、增装防转球等现场试验和维修改造，并记录了更换时间、位置、使用钢丝绳品牌、型号、损伤形式以及钢丝绳的工作量等相应，如表1所示，并具体分析了改造后效果。通过更换钢丝绳、更换压轮、增装防转球等尝试后，发现这些改装并没有对钢丝绳的损伤有所改善，甚至对钢丝绳的损伤有所加剧，说明这些改装不是事故的根本原因所在，必须寻求导致钢丝绳损伤严重的根本原因。
四、结构设计修改意见及结果预测分析
经过对钢丝绳破坏形式及门机设计结构的分析，发现钢丝绳由弯曲疲劳引起的断丝、断股，门机力矩限制器的负荷取力装置的结构设计不合理（如图5所示），导致钢丝绳和起重力矩限制器匹配存在严重缺陷，上转柱滑轮与取力滑轮的距离过近，钢丝绳包角由于取力滑轮的存在而增大，从而钢丝绳反向弯折率变大，增大了反向弯折对钢丝绳寿命的影响，大大的降低了钢丝绳的寿命。针对这一设计缺陷，重新设计负荷取力装置结构，如图6所示。在不影响门机性能的基础上，将超负荷取力装置从大拉杆调到人字架上，这样钢丝绳在上转柱滑轮上的包角明显减小，也避免了钢丝绳反向弯折率，降低了反向弯折对钢丝绳寿命的影响，将很大程度的提高了钢丝绳的寿命。通过对起重机力矩限制器结构改造设计比较，消除反向弯折对钢丝绳的影响。改善了钢丝绳的缠绕方式，减小了钢丝绳的弯曲疲劳应力作用，改善钢丝绳的工作环境，钢丝绳的寿命将会增加2~4倍。
五、结束语
针对MQ5037门座式起重机钢丝绳使用寿命短的现象，从钢丝绳的损伤形式及机理出发，通过对门座式起重机结构分析后，提出力矩限制器的取力装置技术改造方案，解决了该门机钢丝绳寿命短的问题，同时对门机结构的设计提供了又一经验，避免类似的事故发生.
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