1鋼絲繩失效原因分析
鋼絲繩壽命主要取決于鋼絲繩使用過程中強(qiáng)度下降的快慢,當(dāng)強(qiáng)度降到極限時即失效。
1.1鋼絲繩磨損嚴(yán)重
鋼絲繩磨損是鋼絲繩最常見的損傷方式,是造成鋼絲繩失效的重要原因。由于鋼絲繩在操作時與其他物體接觸并有相對運(yùn)動,產(chǎn)生摩擦。在機(jī)械的、物理的和化學(xué)的作用下,鋼絲繩的表面也不斷磨損。鋼絲磨損一般分為:a.外部磨損;b.變形磨損;c.內(nèi)部磨損三種情況,如圖1。
1)外部磨損(純機(jī)械磨損)。鋼絲繩在使用過程中,由于與滑輪、卷筒、鉤頭、地面巖石等物體表面接觸而產(chǎn)生的鋼絲磨損。在外部磨損后繩徑將變細(xì),外周表面的細(xì)鋼絲被磨平。圖2是鋼絲繩表面磨損的兩種類型。,鋼絲繩失效原因分析鋼絲繩壽命主要取決于鋼絲繩使用過程中強(qiáng)度下降的快慢,當(dāng)強(qiáng)度降到極限時即失效。
2)變形磨損(局部磨損)。變形磨損是就鋼絲繩在某一段的局部磨損而言,由于振動、碰撞造成的鋼絲繩表面撞損。如卷筒表面的鋼絲繩受到其他物體的撞擊,起重機(jī)起升鋼絲繩相互打纏,鋼絲繩在滑輪上劇烈振動、沖擊,或者由于滑輪與卷筒中心偏斜而產(chǎn)生的咬繩現(xiàn)象所造成的。這種變形磨損是局部擠壓變形,其鋼絲橫斷面是擠壓處向兩旁伸展成翅形,從外觀看鋼絲寬度擴(kuò)展,鋼絲截面積并末顯著減少,但局部擠壓處鋼絲材質(zhì)硬化,極易造成斷絲。
3)內(nèi)部磨損。鋼絲繩在使用過種程中,經(jīng)過卷筒或滑輪時,鋼絲繩所承受的全部負(fù)荷壓在鋼絲繩的一側(cè),各根細(xì)鋼絲的曲率半徑不可能完全相同,同時由于鋼絲的彎曲,股中鋼絲產(chǎn)生滑移,這時股與股之間接觸應(yīng)力增大,而使相鄰股間的鋼絲產(chǎn)生局部壓痕深凹,當(dāng)反復(fù)循環(huán)拉伸彎曲時,在深凹處則產(chǎn)生應(yīng)力集中而被折斷,形成內(nèi)部磨損。內(nèi)部磨損鋼絲斷口呈齒形,表面圓滑凹形。
1.2鋼絲繩疲勞
鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲疲勞和拉伸、扭曲、振動引起的疲勞。鋼絲繩疲勞破壞的過程是:在循環(huán)載荷作用下,繩中鋼絲的局部最高應(yīng)力處,最弱的及應(yīng)力最大的鋼絲內(nèi)部晶粒上形成微裂紋,然后裂紋慢慢發(fā)展,最終導(dǎo)致疲勞斷絲。所以,疲勞破壞經(jīng)歷了裂紋形成、擴(kuò)展和突然斷裂三個階段。
l)彎曲疲勞。
鋼絲繩重復(fù)通過滑輪或卷筒中撓上撓下,無數(shù)次的彎曲,容易使鋼絲產(chǎn)生疲勞,韌性下降,而內(nèi)部鋼絲之間互相擠壓出現(xiàn)細(xì)微變形也會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,導(dǎo)致斷絲。鋼絲繩彎曲疲勞對破斷拉力有一定的影響,當(dāng)出現(xiàn)第一根疲勞斷絲時,點接觸鋼絲繩破斷拉力下降4%一8%,線接觸鋼絲繩下降約12%。通常情況下,疲勞斷絲的出現(xiàn)意味著鋼絲繩已經(jīng)接近使用后期。
2)拉伸、扭曲、振動引起的疲勞。鋼絲繩在起動和制動的始末,捆扎鋼絲繩在承受載荷的前后,變化的拉神應(yīng)力會引起金屬疲勞。此外,鋼絲繩經(jīng)常受到扭曲和振動也是產(chǎn)生疲勞的原因。疲勞損傷的原理是在變應(yīng)力的作用下,細(xì)鋼絲表面首先由于各種滑移形成初始裂紋,然后裂紋尖端在切應(yīng)力的作用下反復(fù)塑性變形,使裂紋擴(kuò)展直至斷裂,疲勞引起的斷絲一般斷口平齊,多半出現(xiàn)在表層鋼絲上。他們很有規(guī)律。
1.3鋼絲繩銹蝕嚴(yán)重
鋼絲繩一般在露天使用,日曬雨淋會使鋼絲繩腐蝕,尤其是在有害氣體與惡劣環(huán)境下使用的鋼絲繩,腐蝕造成的損傷就更嚴(yán)重。因腐蝕而受損的鋼絲繩表面存在氧親和性的差異,使表面的某一局部金屬成為陽極,另一鄰近的局部金屬成為陰極,形成了大量的小電池。在小電池的作用下,表面便形成很多圓形腐蝕坑,并逐步加深。這些坑就成了應(yīng)力集中點、疲勞裂紋的源泉。與此同時,腐蝕使鋼絲繩的截面積減小、彈性和承受沖擊的能力降低。
在實際使用中銹蝕對鋼絲繩力學(xué)性能影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過斷絲和磨損的影響。為便于說明問題,粗略將鋼絲繩的銹蝕程度分為三個等級:i級—銹蝕輕微,鋼絲變黑,有銹皮或少量細(xì)小點蝕;11級—銹蝕較重,有較厚銹皮,點蝕出現(xiàn)麻坑;111級—銹蝕嚴(yán)重,點蝕發(fā)展成溝紋,外層鋼絲松動,甚至鋼絲失去原有截面積。曲線關(guān)系圖如圖3。
由圖3可看出:
l)銹蝕程度越嚴(yán)重的,磨損也越嚴(yán)重。
2)i級銹蝕鋼絲繩的強(qiáng)度損失在ro%以下;11級銹蝕在25%以下;111級銹蝕在25%以上。
1.4鋼絲繩變形
鋼絲繩在搬運(yùn)和使用過程中,由于受到突然的撞擊或沖擊,而產(chǎn)生破壞鋼絲繩原有結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱為變形。變形不僅直接損壞了一部分鋼絲,而且因為改變了鋼絲繩形狀,破壞了原繩的結(jié)構(gòu),產(chǎn)生了諸如拉應(yīng)力再分配等現(xiàn)象,加速磨損并導(dǎo)致變曲疲勞損失增加。很多斷繩事故是因為鋼絲繩事先受到過變形損傷而沒有引起人們的足夠重現(xiàn),結(jié)果釀成大禍。變形的主要原因有以下幾種:
1)壓扁。鋼絲繩從高處摔下或受其他物件的沖撞擠壓,鋼絲繩在滑輪里滑槽,在卷筒上跳出擋板,或亂繞在卷筒上,使負(fù)載過大,結(jié)果常常使幾十米乃至數(shù)百米的鋼絲繩因為局部軋壞而報廢。局部壓扁使一部分鋼絲損壞(鋼絲表面將出現(xiàn)馬氏體這一脆性組織),繩和股結(jié)構(gòu)受到破壞不僅使破斷拉力降低,如圖4所示,而且會加速造成斷絲和不規(guī)則的磨損。
2)扭結(jié)。鋼絲繩在局部扭曲后產(chǎn)生的永久變形叫做鋼絲繩扭結(jié)。扭曲的方向與鋼絲繩旋向一致的稱為正扭結(jié),反之稱為負(fù)扭結(jié)。普通鋼絲繩帶有自轉(zhuǎn)性,如果繩股的端部不加捆扎便施加張力,則繩股會向倒捻方向旋轉(zhuǎn),這是造成鋼絲繩扭結(jié)的內(nèi)在因素。鋼絲繩在扭結(jié)后,經(jīng)過多次起吊受載,也只有局部繩芯外露,一般沒有斷絲現(xiàn)象。但試驗表明,鋼絲繩在扭結(jié)損傷后強(qiáng)度將顯著降低。正扭結(jié)的強(qiáng)度只有原強(qiáng)度的60%一80%,負(fù)扭結(jié)的強(qiáng)度還不到原強(qiáng)度的50%。嚴(yán)重時強(qiáng)度將降低到只有原來的10%一20%。
3)股松弛。鋼絲繩在過小的滑輪上工作,由于受到劇烈的張力變化,個別股出現(xiàn)松弛或陷落現(xiàn)象。由于股松弛各股所承擔(dān)的應(yīng)力失去平衡,使鋼絲繩破斷拉力損失很大。
1.5鋼絲繩過載
鋼絲繩隨著載荷的增加會有微量的伸長,當(dāng)載荷超過彈性極限時,鋼絲繩就可能斷裂。通常把鋼絲繩承受的靜載荷控制在破斷載荷的1/10一1/5,叫作安全負(fù)荷。安全負(fù)荷表示的是鋼絲繩允許承受的額定靜負(fù)荷。但鋼絲繩實際上往往處于運(yùn)動狀態(tài),鋼絲繩在工作時除了要承受貨物、吊物、自重等靜載荷外,還要受到因加速度和沖擊引起的動載荷,因彎曲引起的附加載荷,因摩擦引起的阻力載荷等等。由此可見,當(dāng)除了靜載荷以外的其他載荷增多時,實際的安全系數(shù)就降低了,鋼絲繩往往由此而引起過載。
因過載而破斷的鋼絲繩,其斷口呈松散狀過載的鋼絲繩即使不發(fā)生斷裂事故,也會大大地縮短使用壽命。圖5是由試驗得到的安全系數(shù)與鋼絲繩壽命的關(guān)系曲線,從圖中可見,安全系數(shù)降低將導(dǎo)致鋼絲繩使用壽命急劇下降。
2預(yù)防措施
2.1防止鋼絲繩磨損措施
鋼絲繩磨損將造成鋼絲繩表面退火、韌性下降、繩徑縮小、表面耐磨性能降低。針對以上情況,可從以下幾方面著手:
l)盡量減少鋼絲繩與其他物體發(fā)生磨擦運(yùn)動。由于鋼絲繩破斷拉力下降率和鋼絲繩直徑減少率成比例關(guān)系,而單面磨損比均勻磨損下降率增加一倍左右。因此要盡可能在全周和全長范圍內(nèi)均勻磨損。單頭磨損的鋼絲繩可在使用中期換頭,這樣可延長鋼絲繩使用壽命30%一40%。還可加強(qiáng)對繩槽等的潤滑,降低摩擦系數(shù)。
2)避免鋼絲繩被其他物體撞擊,避免鋼絲繩相互打纏、卷筒上咬繩,避免使用時激烈振動,減少局部磨損。
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