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浅谈斜井提升钢丝绳的失效原因与防护
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浅谈斜井提升钢丝绳的失效原因与防护
官方公共微信论文:论斜井提升钢丝绳的失效原因与防护-中大网校论文网浅谈钢丝绳失效原因
浅谈钢丝绳失效原因
摘要:论述了造成钢丝绳失效的主要原因:磨损、疲劳、锈蚀等五大类。提出在使用过程中避免失效的措施。
　　关键词:钢丝绳;失效;措施
　　Abstraet:Therearefivemaineausesofineffeetivenessofwireropes，suehaswearandtear，fatigue，rustspot，ete.Themeasuresneededtoavoidineffeotiv
　　摘要:论述了造成钢丝绳失效的主要原因:磨损、疲劳、锈蚀等五大类。提出在使用过程中避免失效的措施。
　　关键词:钢丝绳;失效;措施
　　Abstraet:Therearefivemaineausesofineffeetivenessofwireropes，suehaswearandtear，fatigue，rustspot，ete.Themeasuresneededtoavoidineffeotivenessintheuseofwireropearepoin*edoutinthispaper.
　　Keywords:ineffeetiveness:measures
　　钢丝绳广泛应用于起重吊装及操作系统，许多时候使用环境较为恶劣，且由于其使用中的受力状态较为复杂，因而极易造成钢丝材质疲劳损伤，寿命缩短。因此研究钢丝绳失效的原因，采取适当的维护措施，将有助于延长其使用寿命提高其安全性。
　　1钢丝绳失效原因分析
　　钢丝绳寿命主要取决于钢丝绳使用过程中强度下降的快慢，当强度降到极限时即失效。
　　1.1钢丝绳磨损严重
　　钢丝绳磨损是钢丝绳最常见的损伤方式，是造成钢丝绳失效的重要原因。由于钢丝绳在操作时与其他物体接触并有相对运动，产生摩擦。在机械的、物理的和化学的作用下，钢丝绳的表面也不断磨损。钢丝磨损一般分为:a.外部磨损;b.变形磨损;c.内部磨损三种情况，如图1。
　　1)外部磨损(纯机械磨损)。钢丝绳在使用过程中，由于与滑轮、卷筒、钩头、地面岩石等物体表面接触而产生的钢丝磨损。在外部磨损后绳径将变细，外周表面的细钢丝被磨平。图2是钢丝绳表面磨损的两种类型。，钢丝绳失效原因分析钢丝绳寿命主要取决于钢丝绳使用过程中强度下降的快慢，当强度降到极限时即失效。
　　2)变形磨损(局部磨损)。变形磨损是就钢丝绳在某一段的局部磨损而言，由于振动、碰撞造成的钢丝绳表面撞损。如卷筒表面的钢丝绳受到其他物体的撞击，起重机起升钢丝绳相互打缠，钢丝绳在滑轮上剧烈振动、冲击，或者由于滑轮与卷筒中心偏斜而产生的咬绳现象所造成的。这种变形磨损是局部挤压变形，其钢丝横断面是挤压处向两旁伸展成翅形，从外观看钢丝宽度扩展，钢丝截面积并末显著减少，但局部挤压处钢丝材质硬化，极易造成断丝。
　　3)内部磨损。钢丝绳在使用过种程中，经过卷筒或滑轮时，钢丝绳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，同时由于钢丝的弯曲，股中钢丝产生滑移，这时股与股之间接触应力增大，而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，形成内部磨损。内部磨损钢丝断口呈齿形，表面圆滑凹形。
　　1.2钢丝绳疲劳
　　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。钢丝绳疲劳破坏的过程是:在循环载荷作用下，绳中钢丝的局部最高应力处，最弱的及应力最大的钢丝内部晶粒上形成微裂纹，然后裂纹慢慢发展，最终导致疲劳断丝。所以，疲劳破坏经历了裂纹形成、扩展和突然断裂三个阶段。
　　l)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，而内部钢丝之间互相挤压出现细微变形也会产生弯曲应力，导致断丝。钢丝绳弯曲疲劳对破断拉力有一定的影响，当出现第一根疲劳断丝时，点接触钢丝绳破断拉力下降4%一8%，线接触钢丝绳下降约12%。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。
　　2)拉伸、扭曲、振动引起的疲劳。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，变化的拉神应力会引起金属疲劳。此外，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，疲劳引起的断丝一般断口平齐，多半出现在表层钢丝上。他们很有规律。
　　1.3钢丝绳锈蚀严重
　　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。
　　在实际使用中锈蚀对钢丝绳力学性能影响远远超过断丝和磨损的影响。为便于说明问题，粗略将钢丝绳的锈蚀程度分为三个等级:I级&锈蚀轻微，钢丝变黑，有锈皮或少量细小点蚀;11级&锈蚀较重，有较厚锈皮，点蚀出现麻坑;111级&锈蚀严重，点蚀发展成沟纹，外层钢丝松动，甚至钢丝失去原有截面积。曲线关系图如图3。
　　由图3可看出:
　　l)锈蚀程度越严重的，磨损也越严重。
　　2)I级锈蚀钢丝绳的强度损失在ro%以下;11级锈蚀在25%以下;111级锈蚀在25%以上。
　　1.4钢丝绳变形
　　钢丝绳在搬运和使用过程中，由于受到突然的撞击或冲击，而产生破坏钢丝绳原有结构的现象称为变形。变形不仅直接损坏了一部分钢丝，而且因为改变了钢丝绳形状，破坏了原绳的结构，产生了诸如拉应力再分配等现象，加速磨损并导致变曲疲劳损失增加。很多断绳事故是因为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)压扁。钢丝绳从高处摔下或受其他物件的冲撞挤压，钢丝绳在滑轮里滑槽，在卷筒上跳出挡板，或乱绕在卷筒上，使负载过大，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。局部压扁使一部分钢丝损坏(钢丝表面将出现马氏体这一脆性组织)，绳和股结构受到破坏不仅使破断拉力降低，如图4所示，而且会加速造成断丝和不规则的磨损。
　　2)扭结。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著降低。正扭结的强度只有原强度的60%一80%，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%一20%。
　　3)股松弛。钢丝绳在过小的滑轮上工作，由于受到剧烈的张力变化，个别股出现松弛或陷落现象。由于股松弛各股所承担的应力失去平衡，使钢丝绳破断拉力损失很大。
　　1.5钢丝绳过载
　　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1/10一1/5，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他载荷增多时，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5是由试验得到的安全系数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。
　　2预防措施
　　2.1防止钢丝绳磨损措施
　　钢丝绳磨损将造成钢丝绳表面退火、韧性下降、绳径缩小、表面耐磨性能降低。针对以上情况，可从以下几方面着手:
　　l)尽量减少钢丝绳与其他物体发生磨擦运动。由于钢丝绳破断拉力下降率和钢丝绳直径减少率成比例关系，而单面磨损比均匀磨损下降率增加一倍左右。因此要尽可能在全周和全长范围内均匀磨损。单头磨损的钢丝绳可在使用中期换头，这样可延长钢丝绳使用寿命30%一40%。还可加强对绳槽等的润滑，降低摩擦系数。
　　2)避免钢丝绳被其他物体撞击，避免钢丝绳相互打缠、卷筒上咬绳，避免使用时激烈振动，减少局部磨损。
　　3)从减少内部磨损角度来讲，条件许可时，应选用线接触型钢丝绳。因为线接触型钢丝绳的股内各层钢丝是等捻距，钢丝间呈线状接触，从而消除点接触的2次弯曲应力。其寿命比普通点接触型长1一2倍。在严重磨损条件下，选用面接触型钢丝绳可延长寿命2一3倍。
　　2.2防止钢丝绳疲劳损伤措施
　　为防止钢丝绳疲劳损伤，可从以下几方面着手:
　　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。直径的增大，增大了弯曲角度，减少了钢丝绳中钢丝的弯曲应力，可显著提高钢丝绳的疲劳寿命。
　　2)在更换新绳时，应遵守&上出上进，下出下进&的原则，尽量避免使钢丝绳反向弯曲。试验数据表明，反向弯曲的破坏约为同向弯曲的2倍。
　　3)尽可能选择丝径较粗的线、面接触钢丝绳。使用这些钢丝绳能成倍地提高使用寿命。
　　2.3防止钢丝绳锈蚀损伤措施
　　为防止钢丝绳锈蚀损伤，可从以下几方面着手:
　　l)勤涂油，对于经常处于运动状态的钢丝绳涂油是必不可少的。新钢丝绳麻芯一般含有12%一巧%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，即使没有经过滑轮也仍含有12.7%一14.5%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一半。一根钢丝绳最初的含油量只能维持寿命40%，其后如不加油则断丝急剧增加。
　　2)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。
　　2.4防止钢丝绳扭结措施
　　为防止钢丝绳扭结，可从以下几方面着手:
　　1)在重要的起重设备上选用不旋转，不松散和挠性好的钢丝绳。
　　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。
　　4)避免绳子弯曲半径过小，滑轮槽形接触面积尽可能大。
　　2.5防止钢丝绳过载措施
　　为防止钢丝绳过载，可以从以下几方面着手:
　　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。
　　综上所述，钢丝绳在使用过程中失效的主要原因是钢丝绳的磨损、疲劳、锈蚀、变形、冲击等。要延长钢丝绳的使用寿命提高其安全性，需针对以上失效的原因及时加强维护和保养，并正确的选择性能稳定、结构先进的钢丝绳。
　　参考文献1金国钧.钢丝绳使用安全技术.上海市劳动保护社会科学研究所出版，1990
型号/产品名钢丝绳磷化涂层技术——制品信息页_钢丝绳吧_百度贴吧
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钢丝绳磷化涂层技术——制品信息页
钢丝绳磷化涂层技术——制品信息页&?xml:namespace prefix="o" ns="urn:schemas-microsoft-com:office:office"& &/?xml:namespace&1 钢丝绳的微动疲劳钢丝绳是各类起重设备不可或缺的重要零部件，它具有强度高、挠性好、自重轻、易弯曲变形、适用于复杂恶劣环境等优点，广泛应用于煤炭、冶金、交通、运输、建筑、旅游等国民经济主要行业和部门之中。钢丝绳内部钢丝表面氧化锈蚀程度、磨损导致的直径减小数值，以及钢丝绳单位长度内出现的钢丝断裂根数是判定钢丝绳报废的主要依据。对失效报废钢丝绳做拆股检验分析，在钢丝疲劳断裂处均具有明显的磨损痕迹，部分钢丝断裂处磨损非常严重，甚至断口断后横截面积只有原钢丝的60%，钢丝磨损处表面多处萌生裂纹并逐渐形成多疲劳源，然后向钢丝径向扩展至断裂，钢丝表面的磨损对裂纹的萌生和疲劳断裂有至关重要的影响。这种磨损既包括钢丝绳外表面的磨损，也包括钢丝绳内部钢丝表面的磨损，钢绳外表面磨损是钢丝绳与绳轮或其它物体摩擦所致。下面重点讨论钢丝绳内部钢丝表面的磨损机制。钢丝绳使用过程中受到交变应力的作用，当钢丝绳内部相邻钢丝受到的轴向应力不均匀导致变形不同步时，相邻钢丝之间将发生微动，微动时的摩擦力使钢丝表面逐渐产生塑性变形，进而在钢丝表层或次表层萌生微裂纹。这种微裂纹缓慢扩展，微裂纹的扩展至相互联通时可以造成钢丝表面部分材料的脱落，即产生了磨损，如果这种微裂纹沿钢丝径向扩展将造成钢丝的疲劳断裂。磨损在宏观上使钢丝横截面积减小致应力集中的发生，进一步促进疲劳微裂纹的在磨损损伤处的萌生，磨损越严重则摩擦力作用下微裂纹萌生的几率越高数目越多。钢丝绳围绕滑轮变形时受到弯曲应力的作用，弯曲应力有利于疲劳微裂纹在钢丝径向的扩展，弯曲半径越小则微裂纹向钢丝径向扩展的几率越大、速率越快。机械设备由于服役于交变载荷或者机械振动下，导致构件接触表面之间发生微小幅度的相对滑动，滑动幅度在微米量级。这种滑动被称为微动，同时交变载荷和微动促使疲劳裂纹早期萌生和早期扩展，最后导致构件在大大低于材料疲劳极限，甚至低于材料弹性极限时破坏失效。这一现象被称为材料的微动疲劳。微动疲劳是起重钢丝绳失效的主要原因，在海洋等腐蚀环境中使用的钢丝绳，腐蚀疲劳是失效的主要原因。 2 抑制、延缓微动疲劳发生的技术措施微动疲劳的防护措施包括表面改性技术、选择适宜的材料、改进结构设计等。表面改性的工艺方法很多，如磷化、阳极氧化、渗C、N、S 及碳氮共渗、硫氮共渗等，渗氮层具有较好的抗微动磨损和抗微动疲劳性能，磷化层也具有类似的性能，某些材料阳极氧化可以提高微动磨损性能。因为阳级氧化层和硬颗粒磨屑阻止了金属与金属间的接触和粘着磨损，磷化涂层具有多孔性有利于储藏润滑剂，具有显著的抗微动磨损效果。表面机械处理如喷丸强化等，是通过加工硬化使表面硬度增加并在表面形成压应力，从而提高抗微动磨损失效的能力的。上述技术措施，有些适用于钢丝绳行业，有些则不适用，但钢丝绳行业可以依照上述措施的原理，研发适合的抗微动疲劳技术。润滑剂在微动磨损中的作用有两点，一是形成保护性膜防止微凸体的直接接触，二是阻止氧气参与磨损过程。磨损与金属氧化的交替作用通常表现为彼此加速。干摩擦下绝大部分的磨损，其表面颗粒的剥离主要通过粘着、疲劳、磨粒和腐蚀等机制来实现。干摩擦下的微动磨损理论也主要涉及这4 种基本的磨损机制，微动下这些机制相互叠加和影响，使得微动磨损机理复杂化。但应该注意，无论造成磨损发生的机制是其中的一种或是几种的复合作用，磨损都是在摩擦力作用下发生的，磨损过程中也经历表面塑性变形、裂纹萌生、扩展、联通等阶段，并最终造成部分材料从钢丝表面脱落。而磨损形成的初期微裂纹如果在弯曲应力作用下向钢丝径向扩展将使钢丝发生疲劳断裂，只要通过技术手段降低钢丝绳内部钢丝之间的摩擦力或使钢丝表面更耐磨，即通过技术措施阻断或削弱摩擦力在钢丝表面的作用，就可以有效抑制制绳钢丝表面损伤的发生，从而达到延缓微动疲劳发生、延长钢丝绳使用寿命的目的。 3 钢丝绳磷化涂层技术磷酸盐转化膜应用于铁金属、铝、锌及其合金上，可增强耐蚀性、提高基体与涂层间或其他有机精饰层间的附着力、改善材料的冷加工性能如拉丝等、改进表面摩擦性能以促进其滑动。这种以提高耐磨性为主的磷化处理工艺现已广泛应用于汽车、轻工、化工、电器、军事工业等领域的摩擦零件，如各种齿轮、凸轮、挺杆、曲轴、活塞、万向接、油泵、制冷压缩机及武器部件等，将磷化膜层的厚度控制在: 10～ 18 μm，膜重: 11 ～ &?xml:namespace prefix="st1" ns="urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags"&20 g/m2 &/?xml:namespace&之间，汽车变速器齿轮减摩磷化可以取得非常好使用效果，由此可见通过磷化提高材料耐磨能力应用范围极其广泛且效果显著。 近年出现的磷化涂层钢丝绳专利技术，或简称为磷化钢丝绳，正是利用了表面改性技术达到延长钢丝绳使用寿命的。磷化钢丝绳技术就是将制绳用钢丝磷化处理，在钢丝表面得到磷化膜，钢丝包括优质碳素钢丝和合金钢丝，也包括镀锌、镀铝、镀锌铝合金镀层的钢丝。制绳用钢丝表面磷化膜膜重控制在3 ～ 60 g/m2 之间，使用磷化后的钢丝捻制股绳和钢芯，再将股绳和钢芯捻制成钢丝绳。磷化膜具有非常良好的电绝缘性和改善金属表面摩擦性能促进滑动的性质，磷化膜的存在可以提高制绳钢丝的耐蚀、耐磨能力。由于磷化膜具有多孔性，润滑脂可以渗入到磷化膜孔隙之间，有利于在钢丝绳内部制绳钢丝表面储存更多的润滑脂，而且润滑脂在钢丝绳使用条件下不容易从钢丝表面流淌滑脱。磷化膜与润滑脂的共同作用可以有效提高钢丝绳内部制绳钢丝间的润滑效果和防腐蚀能力，磷化涂层可以提高钢丝的耐磨能力并使制绳钢丝之间的摩擦因数大幅度降低。 钢丝在磷化过程中会有部分金属被溶解，磷化膜在3 ～ 15 g/m2 之间时，钢丝磷化后的直径几乎不变，磷化膜大于20 g /m2 时，钢丝直径增加值也非常有限，制绳钢丝的力学性能在磷化前后没有明显变化( 需除氢防止氢脆的发生) 。这些特性使磷化钢丝绳技术几乎适用于所有种类的钢丝绳产品，尤其是对耐疲劳性能有较苛刻要求的产品，如电梯钢丝绳、港口装卸门机用钢丝绳、矿山钢丝绳及航空钢丝绳等等。资料显示，通过对钢丝绳进行系统润滑，包括初始润滑和补充润滑，使钢丝绳经常处于良好的润滑状态，其寿命可延长2 ～ 3 倍。磷化涂层与润滑脂的复合作用远胜于光面钢丝单一喷涂润滑脂所起的润滑效果。4 结语磷化废水处理技术已经非常成熟，不存在磷化废水污染环境问题。国内钢丝绳目前的年产量已达180 万t 以上，使用行业领先技术的钢丝绳满足国内外用户对高性能钢丝绳的需求，实现替代进口、增加出口的目标，可以确立企业的竞争优势并扩大赢利空间。对钢丝绳用户而言，钢丝绳使用寿命的大幅度延长同时也意味着安全性、稳定性和经济性的提高。磷化钢丝绳的应用前景非常广阔。
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作者是无锡通用钢绳有限公司的，无锡通用生产电梯钢丝绳和起重钢丝绳
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《金属制品》期刊页登载了一篇论文————磷化钢丝绳生产技术论证，文章中介绍，磷化钢丝绳需要使用锰系磷化，与拉拔准备用磷化配方完全不同
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