（冶金工程专业论文）影响港口装卸机械——场桥用钢丝绳的使用寿命因素初探.pdf

影响港口装卸机械一 场桥用钢丝绳的使用寿命因素初探 摘要 本文概述了钢丝绳的起源、发展、目前的技术水平及发展趋势、结构和用途分类。根 据港口装卸机械的发展对钢丝绳的不同要求，相应标准进行了扼要介绍，并对目前使用的 各种港口机械的结构特点，各卷绕系统及其对钢丝绳性能要求的特殊性作了较为详尽的调 查分析。港口集装箱装卸机械场桥用钢丝绳综合性能要求较高，我们对其使用的破坏 形式进行了收集和分类，并从理论上分析了其产生的原因。疲劳断丝是港口装卸机械 场桥提升用钢丝绳发生最多、最主要的破坏形式，本文通过利用“疲劳与断裂”理论和钢 丝断口型貌的扫描电镜分析，得出港口机械场桥用起吊钢丝绳发生疲劳断丝破坏、寿 命低的主要原因是：钢丝绳工作过程中运行速度快，存在频繁弯曲，常常在满载荷并存在 较大的冲击载荷下工作，而钢丝表面存在的宏观或微观缺陷往往是钢丝绳疲劳破坏的源 头，最终导致钢丝绳发生疲劳断丝破坏、使用寿命降低。 本文选用场桥上常使用的6 3 6 s w + r i w r 2 5 0 m m 钢丝绳作为研究对象，从工艺和 工装的改善上提高该制绳钢丝的耐疲劳性能、钢丝绳的内在质量和自润滑能力，钢丝绳内 部钢丝之间的接触状态、减少钢丝之间的接触应力和刻痕损伤，避免和延缓疲劳裂纹源的 生成。改进后的6 x 3 6 s w + r - i w r - 2 5 0 m m 钢丝绳通过用户的使用，其使用寿命有了明显 提高，超过了进口日本t o k y o 钢丝绳在同一港口、同一装卸机械场桥上7 9 2 个小时 的使用寿命而达到8 4 3 小时，而且钢丝绳金属芯早期疲劳断裂的问题得到了圆满解决。 关键词：钢丝绳港1 2 1 装卸机械场桥 疲劳断丝使用寿命 p r e l i m i n a r yd i s c u s s i o no f fa f f e c t i n gt h es e r v i c el i f e t i m eo fw i r er o p e f o r l o a d i n ga n du n l o a d i n gi np o r t a b s t r a c t t h et e x tg e n e r a l l yd i s c u s s e dt h eo r i g i n s ，d e v e l o p m e n t ，c u r r e n tt e c h n i q u el e v e la n dt h e d e v e l o p m e n tt r e n d ，s t r u c t u r ea n du s ec l a s s i f i c a t i o no f w i r er o p e i tc o m p e n d i o u si n t r o d u c e d t h ed e v e l o p m e n do fl o a d i n ga n du n l o a d i n gm a c h i n ei np o r t ，a n dt h ed i f f e r e n tr e q u e s ta n d c o r r e s p o n d e ds t a n d a r do fw i r er o p e i tm a d em o r ed e t a i l e dt oa n a l y z et ot h es p e c i a l f u n c t i o nr e q u e s to fw i r er o p e , t ot h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sp o r tm a c h i n et h a t u s ec u r r e n t l y , a n de a c hi n v o l u t i o ns y s t e m w i r er o p eh a v eh i g h e r r e q u e s tw i t ht h e c o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t y f o rl o a d i n ga n du n l o a d i n gm a c h i n ei np o r t w ec a r r i e do n c o l l e c t i o n sa n dc l a s s i f i c a t i o nt ot h eb r e a k a g ef o r mo fw i r er o p et h a tw e r ei nt h ew o r k p r o c e s s ，a n da n a l y z e dt h er e a s o n sf r o mt h e o r i e s f a t i g u eb r e a k i n gw i r e sa r et h ef o r e m o s t b r e a k a g ef o r mf o rw i r er o p ef o rl o a d i n ga n du n l o a d i n gm a c h i n ei np o r t b yu s i n g “f a t i g u e a n df r a c t u r e t h e o r ya n da n a l y z i n gt ot h eb r e a k i n gs h a p eo fs t e e lw i r e sw i t hs c a n n i n g e l e c t r i c t ym i c r o s c o p e , w ec a nf o u n do u tt h em a i nr e a s o no ff a t i g u eb r e a k i n gw i r e sa n dl o w l i f eo fw i r er o p ef o rl o a d i n ga n du n l o a d i n gm a c h i n ei np o r tf r o mt h et e x t ：w i r er o p e c i r c u l a t ea t q u i c ks p e e d i nw o r kp r o c e s s ，e x i s tm u l t i f a r i o u s f l e c t i o n ，u s u a l l yw o r ki n e o m p l e t e l o a da n d t h eb i g g e ri m p a c tl o a d ，b u to nt h es t e e lw i r es u r f a c e ，t h em a c r o s c o p i co r t i n yw i e wd e f e c ti st h ef a t i g u es o u r c eo ft h ew i r er o p eb r e a k a g e ，i tu l t i m a t e l yl e a d st ot h e f a t i g u eb r o k e nw i r e sa n dl o w e r s e r v i c el i f eo fw i r er o p e t h et e x ts e l e c t e dt h e6 3 6 s ，+ r - i w r - 2 5 0 m mw i r er o p et h a ta r eo f t e nu s e df r o m c r a n ea st h er e s e a r c ho b j e c t w er a i s e dt h eb e a r i n gf a t i g u ef u n c t i o n ，t h ei n s i d eq u a l i t ya n d t h el u b r i c a t i v ea b i l i t yo ft h es t e e lw i r e st h a ta r em a d et h ew i r er o p ef r o mc r a f t w e i m p r o v e d t h ec o n t a c tc o n d i t i o ni nt h ei n t e r n a ls t e e lw i r e so fw i r e r o p e f r o m c o n s t r u c t i o n ，r e d u c e dt h ec o n t a c ts t r e s sa n dt h ed i n tn o t c hh u r t , a v o i d e da n dd e f e r r e d o c c u r r e n c eo faf a t i g u ec r a c ks o u r c e a f t e rt h e6 3 6 s w + r - i w r - 2 5 0 m mw i r er o p et h a t w e r ei m p r o v e dw e r eu s e db yt h ec u s t o m e r , i t ss e r v i c el i f eh a sa no b v i o u se x a l t a t i o n ，c a ng e t s t o8 4 3h o u r s i te x c e e d st ot h ei m p o r tt o k y ow i r er o p et h a ti sm a d ei nj a p a na tt h es a m e p o r ta n dt h es a m el o a d i n ga n du n l o a d i n gm a c h i n ef r o mc r a n e ，b u t t h es e r v i c el i f eo f t o k y ow i r er o p ei s7 9 2h o u r s ，f u r t h e r m o r e , e a r l yf a t i g u ef r a c t u r ep r o b l e mo fw i r er o p e m e t a l sc o r eg e t st or e s o l v es u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：w i r er o p e ，l o a d i n ga n du n l o a d i n gm a c h i n ei np o r t ，c r a n e ，f a t i g u eb r o k e nw i r e s ， s e r v i c el i f e 6 刖吾 钢丝绳是以热轧高碳线材为主要原料的深加工产品。在我国冶金工业部门，钢丝绳属 于会属制品范畴。其加工过程是由热轧高碳线材先经过表面处理、热处理、拉拔等工序制 造出各种各样的制绳钢丝，然后再由制绳钢丝和其它材料( 如纤维绳股芯，钢丝绳用油脂 等) 经过捻股、捻绳等工序制造成各种结构、规格的钢丝绳。钢丝绳也称为“线材的二次 制品”f t 】【2 1 1 3 1 1 4 l 5 0 1 钢丝绳对社会的发展十分重要，它的发明曾经使社会的生产率大大提高。现在几乎所 有的行业和部门都离不开它，特别是在矿山、冶金、石油、港口、化工、机械、电子，煤 炭、通讯、航空、海运、水产、林业、交通运输、建筑等部门中，钢丝绳更具有重要的作 用。 钢丝绳之所以用途广泛和重要，是因为它具有诸多优点： l 、钢丝绳能够传递长距离动力； 2 、钢丝绳能够承受多种载荷及交变载荷的作用； 3 、钢丝绳具有较高的抗拉强度、疲劳强度和冲击韧性； 4 、钢丝绳在高速工作条件下，耐磨、抗震、运转稳定性好： 5 、钢丝绳的耐腐蚀性好，能够在各种有害介质的恶劣环境中正常工作； 6 、钢丝绳柔软性好，适宜于牵引、拉曳、捆扎等多方面用途； 7 、钢丝绳的承载安全系数大，使用安全可靠； 8 、钢丝绳的自身重量轻，便于携带和运输。 由于钢丝绳具有的上述特点，因此，至今在国内外都无法找到一种更为理想的产品来 代替它的特殊作用。钢丝绳的规格品种繁多，生产过程复杂，技术要求和工序管理极为严： 格，使得钢丝绳在生产工艺上具有一些与其它产品工艺不同的特点： l 、与其它金属制品相比，钢丝绳的生产工艺比较复杂，在一定程度上，它可以综合 反映金属制品的生产工艺水平： 2 、钢丝绳是由制绳钢丝按照一定的规则捻制而成，捻制后钢丝由直线状态变成了螺 旋线状态。捻制时钢丝的运动由圆周运动和直线运动复合而成。 3 、在捻制过程中，钢丝受弹性一塑性变形，其横截面的形状、尺寸、金属量和内部 组织并没有明显的变化( 面接触钢丝绳除外) ； 4 、捻制后制绳钢丝的力学性能有所削弱； 5 、钢丝绳的生产工艺线比较长，工序之间的衔接性比较强，单件产品的加工周期比 较长； 6 、钢丝绳生产的配套设备比较多，生产过程的管理比较复杂和严密，对操作者的责 任心和技术熟练程度有较高的要求。 钢丝绳是用一定断面形状和表面状态的钢丝及其辅助材料，按照一定规则捻制或编制， 而成的钢丝束。一般情况下，它由制绳钢丝、绳芯和油脂三部分构成。见图l 。 钢丝绳 绳股 股芯 纤维芯 季釜葬篆墓 b 丝 ， 。 绳芯三：薹萎曩萎蓁墓 f 表面脂 油脂 麻芯脂 i 增摩脂 图1 钢丝绳的组成 从上述关系图中可以看出，钢丝绳是先由制绳钢丝围绕股芯捻制成股绳，然后再以绳 芯为中心，用股绳捻制成钢丝绳，油脂可在捻制中喷涂或捻制后浸涂。 根据钢丝绳钢丝被捻制的次数将钢丝绳分为单捻钢丝绳( 单股绳) 、双捻钢丝绳( 多 股绳) 、三捻钢丝绳( 钢缆) 。见图2 。 单捻钢丝绳( 单股绳) ：以一根( 或多根) 钢丝或纤维股( 绳) 芯为中心，外面包捻 一层或数层钢丝而成。单捻钢丝绳中所有钢丝最多受到一次捻制。 双捻钢丝绳( 钢丝绳) ：以一根( 或多根) 单股绳或纤维股( 绳) 芯为中心，外面包 捻一层或数层单股绳而成。双捻钢丝绳中所有钢丝最多受到两次捻制。 、 三捻钢丝绳( 钢缆) ：以一根( 或多根) 多股绳或纤维股( 绳) 芯为中心，外面包捻 一层或数层多股绳而成。三捻钢丝绳中所有钢丝最多受到三次捻制。 钢丝绳 f 少股( 外层4 股及以下) 双捻钢丝绳 双捻钢丝绳 普通股( 外层4 股以上8 及股以下) 双捻钢丝绳 l 多股( 外层8 股以上) 双捻钢丝绳 图3 是钢丝绳的绳股发展趋势。 圈2 钢丝绳的类别 港口装卸机械场桥广泛使用于港口、车站集装箱的转运、堆垛和汽车装卸作业。 按i s o 集装箱规范，3 0 5t 场桥的总起重量( 含吊具) 为4 0 5t ，满载起升速度多为 1 2 0 m m i n ，空载起升速度多为1 4 5 m m i n 。所用提升钢丝绳由于起重负荷大、冲击大、提升 频率高，所以钢丝绳极易损坏。无论是进口还是国产钢丝绳，在港口装卸机械一场桥的使 用寿命普遍低于同种钢丝绳在其他行业起重机械上的使用寿命。对其损坏形式和使用条件 进行分析，探索其钢丝绳使用寿命短的原因，为钢丝绳的结构选型、生产和使用提供指导； 9 为设备设计、制造提供建议。目前国产钢丝绳在港1 5 1 装卸机械一场桥的使用寿命是进口同 种钢丝绳的5 0 8 0 ，对两种钢丝绳进行比较、分析、测试。对国产钢丝绳使用寿命短的 影响因素进行探索，为提高国产钢丝绳在港c i 装卸机械场桥上的使用寿命提供指导性意 见。港口装卸机械场桥使用的钢丝绳工作条件极为恶劣，要求极高，对它的研究成果可 以逐类旁通、应用于其它用途的钢丝绳，提高整个行业的技术水平。 目前港1 ：2 1 装卸机械场桥多数都采用进口钢丝绳，价格极高、供货周期长，供货厂 家也很难给用户满意的服务。开发适合港口装卸机械场桥提升用的钢丝绳，及时给用 户提供满意的产品和服务，能给企业带来很好的经济效益，提高企业产品档次，增强企业 竞争能力所以港1 2 1 装卸机械场桥提升用钢丝绳的开发是非常重要和必要的。项目开 发成功的钢丝绳可广泛用于各车站、海岸、内陆河道码头的港1 2 1 装卸机械场桥。可广 泛替代这部分进口钢丝绳，为企业赢得很好的经济效益和市场竞争能力；可避免进e l 国外 钢丝绳越洋过海的运输和转运，节约有限的社会资源，具有很好的社会效益。 国内外研究的现状及水平：钢丝绳是以热轧高碳钢线材为主要原料的深加工产品，属 于金属制品范畴，是一个冷僻的边缘学科，至今没有任何一所大学设有钢丝绳研究的专业 学科。国内钢丝绳研究归口在国家金属制品研究院，但对钢丝绳的大多数研究都是企业行 为，而针对港口装卸机械一场桥用钢丝绳使用寿命影响因素的研究未见报道。 0 第一章绪论 1 1 钢丝绳的起源 在钢丝绳出现之前，人们使用的是麻绳和铁链。后来发明了由有机纤维与金属链条搓 成的绳索，一直到十九世纪前的相当长一个时期内，一直都使用这类简易的绳索。1 8 3 4 年 德国人阿尔贝特( a l b e r t ) 首先用低碳钢丝采用手工捻制成了简易钢丝绳，并成功用于加洛里 拉矿山的提升设备上，从此，钢丝绳的运用获得越来越迅速的发展。直到1 8 7 0 年的钢丝 绳都只有3 股、每股4 丝的简单结构，制绳钢丝也只有4 9 0 6 8 6 m p a 的低碳钢丝。1 8 7 0 1 8 7 1 年问出现了首次使用较高碳量的钢丝捻制钢丝绳，之后发明了钢丝热处理工序中的“铅浴 处理”，获得了弥散度很大的均匀索氏体金相组织，使钢丝的强度和韧性得以大幅度提高， 制绳钢丝的得以大幅度改善；同时，钢丝绳的品种、结构也得到发展；钢丝绳捻制机械设 备和捻制技术也得到提高，使钢丝绳提高到一个较高的水平。 1 2 钢丝绳的发展及目前的技术水平 现代的钢丝绳发展尤为迅速。制绳钢丝方面：原材料已选用采用炉外精炼技术等的高 纯度的高碳钢甚至合金钢、采用无扭控冷等技术的高速轧制线材、采用机械除锈和“铅浴 处理”等各种表面处理和热处理技术、采用多道次大压缩率和直进式等钢丝拉拔技术。钢 丝绳捻制方面：钢丝绳的捻制规格范围已扩大到o 0 9 - 3 1 0 r a m ( 德国t h y s s e n 钢丝绳集团 g e l s e n k i r c h e n 工厂能生产) ，采用各种张力自动控制系统、预后变形器和后续处理工序， 使钢丝绳捻制紧密、内部承载均匀、应力消除良好、结构更稳定。捻制设备方面：出现了 高转速( 5 0 0 0 6 0 0 0 r p m ) 、大工字轮( 国际上已达2 4 0 0 m m 、我公司为2 2 0 0 m m ) 、多工字 轮的捻制设备和自动化装置比较完备的捻股机、捻绳机，捻制钢丝绳的直径已达到3 1 0 r a m 、 单根钢丝绳的重量已达到2 0 0 吨。 1 3 我国钢丝绳工业的历史、现状及发展趋势 l 3 1 我国钢丝绳工业的历史 我国的钢丝绳工业始建于本世纪3 0 年代，无论是在产品数量上，还是在产品的品种、 结构、规格和质量上都大大落后于世界上发达的工业化国家。解放后，随着国民经济高速 发展的需要，钢丝绳工业也紧跟世界发达国家的步伐、发展突飞猛进。先后在鞍山、天津、 上海、湘潭、遵义、宁夏、青岛、武汉、马鞍l u 、无锡、宁波、杭州、大连、成都、重庆 等地建立了一大批大中型钢丝绳骨干企业和各地的一大批中小型地方生产厂家。 辫国+ 一国，：鬻 黪 ，黪| | 蘩黪。零黪 2 黎黪瓣黪黪黪攀黪攀黪零黪黎辫渗漆壤辫渗+渗黪蘩辫霸簿黪黎黪黪攀黪黪黪黪鬻参辫黪。露黪 簿渗露黪臻渗黪黪黪渗豢黪簿蕊 霪黪黪、簿黎蕊黎黪簿。，懋瓤藩黪 臻黪辫辫辫 舔 辫臻_ 攀：辫。攀 鳓 图4 常见的单股绳、钢丝绳和三捻钢丝绳的绳断面 1 5 各种钢丝绳的特点 1 5 1 纤维芯和金属芯钢丝绳的特点 钢丝绳按绳芯分为纤维芯和金属芯两类。见图5 。 纤维芯分为：天然纤维芯f ) 和合成纤维 芯( s f ) 两种。 纤维芯具有以下特点：纤维芯钢丝绳柔 软，弯曲性能好。钢丝绳在工作中受碰撞和冲 击载荷时，纤维芯能起缓冲作用。天然纤维芯 图5 纤维芯和金属芯钢丝绳 1 储油多，钢丝绳在工作时，内部有足够的润滑，并能减缓钢丝的腐蚀。合成纤维芯( 如 聚丙烯、聚乙烯) 具有强韧性好、不吸水、耐酸、耐碱、耐腐蚀、耐挤压等特点，钢丝绳 在动载荷使用中不易变形，直径均匀稳定。 金属芯分为：独立金觥( 1 w s c ) 、独立金属绳芯( i w r c ) 和平行捻金属绳芯( c f r c ) 。 金属绳芯钢丝绳具有以下特点：金属芯钢丝绳破断拉力大，抗挤压和耐高温。 1 5 2 点接触、线接触、面接触钢丝绳的特点 按绳股中钢丝层与层之间的接触状态将绳股分成点接触、线接触、面接触绳股，按绳 股断面形状分为圆股、异形股由这些绳股捻制成的钢丝绳就被称为点接触、线接触、面 接触、异形股钢丝绳。由于钢丝绳设计和生产技术的不断发展以及应用户的要求，又发展 了满足特殊性能要求的不( 微) 旋转钢丝绳、注( 涂) 塑胶的p c c ( f p f ) 式、c f r c 式 钢丝绳。 点接触钢丝绳：见图6 。 ， 点接触钢丝绳特点：点接触钢丝绳的股由相同直径的钢丝分层捻制而成，其相邻层钢 丝问呈点状接触。点接触钢丝绳工作时，股内钢丝所受的接触应力较大，此外钢丝绳在绕 卷筒或滑轮弯曲时，股内钢丝受到附加弯曲，产生二次弯曲应力，造成钢丝绳疲劳断丝 点接触钢丝绳是最原始、最简单的钢丝绳。 线接触钢丝绳：见图7 。 幽7 线接触钢丝绳 6 线接触钢丝绳特点：线接触钢丝绳的股中钢丝直径不同，捻距相等，一次捻制完成， 股绳中各层钢丝间呈线接触状态。线接触钢丝绳的股在结构上较为紧密：钢丝绳工作时， 股绳内钢丝所受的接触应力较小，且在绕滑轮或卷筒弯曲时，各层钢丝间不产生二次弯曲 应力，因此钢丝绳的耐疲劳性能有较大的提高；钢丝绳的密度系数较大，在同一直径和强 度时，比点接触钢丝绳的破断拉力提高约8 1 0 左右。综上所 述，线接触钢丝绳的使用寿命比点接触钢丝绳高( 1 2 倍) 。 面接触钢丝绳：见图8 。 面接触钢丝绳特点：面接触钢丝绳是线接触基础上发展起 来的，其绳股内钢丝间 呈面接触状态。面接触 钢丝绳密度系数更大， 绳股结构更紧密，一般 陋 可提高破断拉力1 0 - - 1 5 ， 钢丝绳也较硬绳中钢丝之间接触应力小， 应力小，所以面接触钢丝绳耐磨性能更强， 形。 1 5 3 异型股钢丝绳的特点 圈8 面接触钢丝绳 无二次弯曲，钢丝绳与轮槽接触面积大，接触 耐疲劳性能高，抗挤压性能好，钢丝绳不易变 异型股钢丝绳特点：钢丝绳的股绳断面若不是圆形的，通常称为晃形股钢丝绳，主要 有三角股、椭圆股、扇形股钢丝绳。异型股钢丝绳：见图9 。 异型股钢丝绳支撑面比圆股钢丝绳增加3 4 倍，即与轮槽 接触面积大，接触应力小，其使用寿命比圆股钢丝绳高2 3 倍；三角股钢丝绳的股与股之间接触点增多，其抗压性能及耐 疲劳性能好：异形股钢丝绳金属有效断面积大，在同一直径、 强度时，整绳破断拉力比圆股钢丝绳提高约2 5 。 1 5 4 p c c 式和f p f 式注、涂塑钢丝绳的特点 圈9 异犁股钢丝绳 p c c 式和f p f 式注、涂塑钢丝绳：见图l o 。 p c c 式和f p f 式注、涂塑钢丝绳结构特点：f p f 和p c c 式钢丝绳是将改性的塑料聚 合物采用高温、高压挤涂于钢丝绳内金属芯各股之间和表面。 f p f 和p c c 式钢丝绳的优 点有；耐冲击性能好，钢丝绳受 冲击力时，塑料聚合物在绳内外 起缓冲作用；钢丝绳内外层及各 股间的塑料聚合物减少了轮槽 与绳、各股之问的磨损，从而提 高了钢丝绳的耐疲劳性能、抗挤 压和抗磨损能力i 塑料聚合物的 图1 0 注，涂塑钢丝绳 涂覆使钢丝绳更好的与腐蚀介质隔离，减少了钢丝绳的腐蚀。 1 5 5 c f r c 钢丝绳的特点 c f r c 式钢丝绳：见图l l 。 c f r c 式钢丝绳特点：c f r c 式钢丝绳译成英文应是c e n t e r f i tw nr o p e ，是会属芯钢 丝绳的一种。指在钢丝绳中存在两层或两层以上绳股一次捻制而成的钢丝绳 c f r c 式钢丝绳的外层绳股填于内层绳股的沟槽内，使钢 丝绳内空隙小，金属断面积大，钢丝绳的破断拉力比独立金属 芯钢丝绳提高达1 0 1 5 ；为全线接触钢丝绳，钢丝绳在弯曲 时绳股较易滑动，并避免了内部绳股的二次弯曲，使得柔软性 和耐疲劳性能有所提高。 c f r c 式钢丝绳具有独立金属芯钢丝绳的所有优点：即耐 高温，破断拉力较高、弹性模量大、抗挤压、绳径稳定，但使 用条件要求较高。 1 6 钢丝绳的捻距 。 图1 1c f r c 式钢丝绳 钢丝绳的捻距；钢丝围绕股芯或股围绕绳芯旋转一周( 3 6 0 度) 相应两点间沿中心线 的直线距离称为股或钢丝绳的捻距见图1 2 、图1 3 、图1 4 。 1 7 钢丝绳的扭转特性 钢丝绳是由钢丝按一定规则捻制成股，再按一定规则捻制成绳，当它的一端受到拉力 作用时，由于绳或股的捻向不同产生了图1 5 箭头方向的旋转力矩”h ”舻1 1 ”，股为t s ，绳 为t r 。对一般6 股绳而言，t r 艺t s ，即股和绳不同方向旋转力矩不能平衡时，钢丝 图1 26 x 1 9 点接触绳股的捻距 图1 36 x 2 5 f i 线接触绳股的捻距 图1 4 钢丝绳的捻距 绳便会产生旋转。不同捻法和不同结构的钢丝绳具有不同的旋 转性能。当捻法为交互捻时，由于股和绳的捻向相反，股内扭 矩m 可以抵消一部分绳内扭矩m 总而同向捻的钢丝绳，由 于股和绳的捻向相同，股内扭矩m 与绳内扭矩m 总方向相同， 两扭矩相互叠加，造成同向捻钢丝绳抗旋转性能差。大多数场 合均要求左同向捻绳和右同向捻绳配对使用，否则这种扭转应 力引起的扭矩易使钢丝绳扭曲不平，当作为提升用绳时，会引 圈1 5 股绳旋转力矩示意 起物体旋转，给操作带来危险，影响安全。 1 9 在某些高扬 程或单绳起吊的 自由端无限制的 场所，钢丝绳的旋 转是不允许存在 的，这时，就要求 使用具有不旋转 图1 6内、外层绳旋转平衡示意 图1 7四股绳旋转力矩平衡 性能的钢丝绳。不( 微) 旋转钢丝绳有两类：一类是多层股不( 微) 旋转钢丝绳，如3 5 w 7 、1 8 7 等：另一类是少股不旋转钢丝绳，这类钢丝绳有3 3 6 s w 、4 v 3 9 s 、4 v x 4 8 s 等。 不( 微) 旋转钢丝绳的原理及对使用的平衡要求：一是采取内、外层绳旋转力矩平衡 的多层股钢丝绳，如图1 6 。 二是少股不旋转钢丝绳。少股不旋转钢丝绳的原理是增大绳的捻距、减少股数来降低 绳的旋转力矩，减小股的捻距来增大股的旋转力矩，使股和绳的旋转力矩达到平衡，如图 1 7 。 + ， 1 8 按使用时钢丝绳状态进行的分类 根据钢丝绳在使用时的状态，可将钢丝绳划分为张紧结构用钢丝绳和卷绕提升用钢丝 绳两大类。见图1 8 。 钢丝绳 张紧结构用钢丝绳 矿山起重机用钢丝绳 港口起重机用钢丝绳 卷绕提升用钢丝绳 冶金起重机用钢丝绳 石油起重机用钢丝绳 建筑起重机用钢丝绳 图1 8 钢丝绳的分类 张紧结构用钢丝绳要求结构伸长小、弹性模量大、承载能力强、抗腐蚀能力强。如悬 索桥用钢丝绳吊索、缆索吊用承载主索等。 卷绕提升用钢丝绳要求缠绕性能好、结构稳定，疲劳寿命长，承载能力强。用于各行 、各业的各种提升机械上，通过卷筒收、放钢丝绳和滑轮导向、省力实现重物的提升和搬运。 如矿山起重机、港口起重机、冶金起重机、石油起重机、建筑起重机等。 各行各业的提升机械品种繁多，其提升机构及其工作环境又干差力别，这些都对钢丝 绳提出了不同的性能要求，没有任何一种钢丝绳能满足所有的提升机构及其工作环境。只 有针对某一特定的提升机构及其工作环境，设计、生产出适合于这一特定要求的钢丝绳， 才能使钢丝绳发挥其最佳效能。 1 9 港口机械的发展及其对钢丝绳要求的变化 港口提升机械( 主要指港口提升设备) 是港口装卸作业的主要设备之一，八十年代以 前，港口提升设备主要以装卸散货的塔式起重机作为港口机械提升设备的主体；进入八十 年代以后，随着现代化大型集装箱码头的兴起及国际海运行业的不断发展【1 5 1 ，港口提升设 备也发生了很大的变化：变幅式的大型起重机如雨后春笋般兴起，从根本上改变了原有的 提升方式，无论从提升效率和提升货物的重量均较塔式散货提升设备有了很大的提高。 由塔式起重机转变为变辐式大型起重机，其卷取部份( 卷筒、滑轮等) 的尺寸发生了 较大的变化，塔式起重机的卷扬部份固定在塔身上，其尺寸的大小不受起重机本身的影响， 一般只要在允许的情况下，其整体尺寸均较大，卷筒和滑轮的直径选择相对也较大：变幅 式大型起重机则不一样，由于提升部份是运动机械，在设计时为减小起重机的整体尺寸， 要求这部份的尺寸应尽量的小，因此，钢丝绳卷筒、滑轮也相对要小得多，这是塔式超重 机与变幅式起重机的主要不同点之一f 1 6 1 1 ”】l l ”。 由前所述，塔式起重机由于提升重量小，滑轮直径相对较大，因此，对钢丝绳的选择 一般均没有特殊的要求，使用的钢丝绳以一般的6 1 9 + f c 、6 3 7 + f c 为主，钢丝绳的公 称强度一般选择1 5 7 0 、1 6 7 0 、1 7 7 0 n m m 2 即可满足设计和使用要求。变幅式起重机则不一 样，由于起重设备的外形不能与提升重量同步加大，滑轮和卷筒直径相对较小，即变幅式 起重机要求钢丝绳具有较小直径的同时，具有较高的破断拉力。为满足这一特殊要求，钢 丝绳的强度选择越来越高，其结构设计也越来越复杂，技术难度越来越大，钢丝绳的生产 和使用要求也发生了很大的变化【1 9 1 1 ”】【2 i 钢丝绳的破断拉力是由钢丝绳中钢丝的金属断面积、铜丝绳中钢丝的抗拉强度所决 定，要使钢丝绳的直径不增大，同时又要提高钢丝绳的破断载荷，所采用的手段有：a ) ： 加大钢丝绳中钢丝的金属断面积，如线接触钢丝绳、面接触钢丝绳、异形股钢丝绳、压实 钢丝绳、充填式钢丝绳、满充式钢丝绳等；b ) ：提高制绳钢丝的抗拉强度，如1 8 7 0 m p a 、 1 9 6 0 m p a 、2 0 6 0 m p a 、2 1 6 0 m p a 等；c ) ：减少钢丝绳的捻制损失。由于无限制地提高钢丝 绳中钢丝的抗拉强度对钢丝绳本身的疲劳性能有较大的影响，因此，设计和研制出具有较 大金属断面积的钢丝绳结构品种和减少钢丝绳的捻制损失，提高钢丝绳破断拉力满足用户 的需求是提高钢丝绳破断拉力的最佳方案。 现代港口提升机械用钢丝绳由于起重负荷大、冲击大、提升频率高，所以钢丝绳极易 损坏，其损坏形式多为最危险的疲劳断裂和钢丝绳内部金属芯破坏。 1 1 0 现代港口提升机械的分类 现代港口主要提升机械见图1 9 ： 图1 9 港口士要提升机械 钢丝绳的使用场所千差万别。不同的用途，要求钢丝绳具有的不同性能：不同的钢丝 绳适用于不同的用途，没有任何一种钢丝绳能满足所有的使用场所。 港口装卸提升机械也品种繁多，使用场所和条件多种多样1 2 2 1 1 2 3 1 1 2 6 f 2 ，| f 2 ”i iq 。每一种起重、 提升机械用于不同的场所和条件对钢丝绳的性能要求也不同。特别是港口起重机越来越向 起吊重量扩大化、设备外形缩小化方向发展，特别是将钢丝绳的起重卷绕部分移至运动小 车上，使得起重的小型化发展达到了极限。总之起重负荷大、冲击大、提升频率高，是现 代港口起重机有别于其它机械的最大特点。这些特点决定了港口起重机械用钢丝绳的损坏 形式多为疲劳断裂和最危险的钢丝绳内部金属芯破坏。从而提出了港口起重机械用钢丝绳 必须具有：l 、在相同直径条件下钢丝绳必须具有比普通钢丝绳更高的破断拉力，抗冲击 能力强。2 、钢丝绳必须抗疲劳损坏能力强。3 、钢丝绳必须结构稳定，捻制紧密，应力消 除良好，在安装和使用过程中不得发生松捻、紧捻、丝股松弛、打结等现象的共同要求。 随着国际、国内贸易业的迅猛发展，海洋、江河的运输量越来越大，港口和码头的装 卸量也成倍提高，各种新型、高效、大提升量的港口装卸设备广泛投用于各种港口、码头。 这些港口机械对钢丝绳的要求多种多样，且越来越高。充分了解和研究各种港口机械对钢 丝绳的特殊性能要求，针对各种港口机械设计、生产具有特殊性能的钢丝绳以满足其使用 要求、延长使用寿命，是钢丝绳设计、制造工作者义不容辞的责任和义务。 港口机械口1 ( 主要指港口装卸设备) 是承担港口、码头装卸作业最主要的设备。按其 发展和专业化要求可划分为履带或轮胎式汽车起重机( 又称流动式起重机) 1 1 7 1 1 ”l 、门座式 起重机( 又称门机) 1 2 l l 、岸边装卸门式起重机( 又称岸桥) 【”1 1 6 6 、货场集装箱装卸门式起 重机( 又称场桥) 1 1 1 四大类。各种起重机不同的特点及使用条件对钢丝绳提出了不同的特 性要求。 1 1 1 履带或轮胎式汽车起重机( 又称流动式起重机) 履带或轮胎式汽车起重机( 又称流动式起重机) 1 1 7 1 9 1 1 2 l 见图2 0 。 是指可以配备立柱式塔架，能在带载或空载的情况下，沿无轨路面运动，依靠自重保 持稳定的臂架型起重机，主要包括轮胎式起重机和履带式起重机。它的特点是机动性能好、 负荷变化大、稳定性能好、操纵简单方便、适用性能广泛，其起重量与工作幅度紧密相关 它通常在港口、码头的散货场进行钢材、木头等的装卸、堆垛作业，作业率较高，而且经 常超负荷工作。图2 0 ( a ) 、2 0 ( b ) 为进口轮胎式起重机的实物照片和变幅钢丝绳缠绕图， 图2 0 ( c ) 、2 0 ( d ) 为国产轮胎式起重机的实物照片和变幅钢丝绳缠绕图，图2 0 ( e ) 为两 种轮胎式起重机的起升钢丝绳缠绕图。 ( c ) ( a ) ( b ) ( d ) ( e ) 图2 0 履带或轮胎式汽车起重机 用于变幅机构的钢丝绳将绕过多个( 如6 个) 省力滑轮，且卷筒、滑轮较小，为保证 有足够的容绳量，铜丝绳采用多层( 如9 层) 缠绕。要求钢丝绳具有较高的破断拉力和一 定的耐弯曲疲劳性能，结构稳定，耐相互擦、挤、压性能强的6 股线、面接触钢丝绳。如 2 4 某港1 2 1 的轮胎式起重机选用6 x 2 6 s w + i w r 1 4 0 m m 钢丝绳，其使用寿命明显高于原用6 x3 7 + i w r - 1 4 0 m m 和6x2 9 f i + i w r 1 4 0 m m 钢丝绳。 用于起升机构的钢丝绳将绕过多个( 如3 个) 省力滑轮，且卷筒、滑轮较小，钢丝绳 在卷简上采用多层( 如7 层) 缠绕。要求钢丝绳具有较高的破断拉力和较好的| i ；9 于弯曲疲劳 性能，结构稳定的线接触钢丝绳，如6 x 3 6 s w + i w r 、6 2 9 f i + i w r 。 1 1 2 门座式起重机i “i ：见图2 1 。 l 剧吊钩；2 主吊钩：3 象鼻梁：4 臂架；5 拉杆；6 变幅平衡系统； 7 变幅驱动装置；8 主起升机构；9 转盘和机房组件；1 0 旋转机构； 。 i l 届0 起升机构；1 2 架；1 3 平衡梁运行台车组件 图2 1 集装箱( 散货) f - j 座式起重机示意图 它是具有沿地面轨道运行、下方可通过铁路车辆或其它地面车辆的门形座架的可回转 臂架型起重机，是臂架类回转起重机的一种典型机型门座式起重机的使用较为广泛，大 量的用于港口码头、车站库场、造船厂、电力建设工程工地、大型机电设备安装场所等。 在港口码头、车站库场门座式起重机主要用于散货、件杂货、集装箱、机电设备的装卸作 业按不同的作业对象，配用相应的取物装置( 吊钩、抓斗、电磁盘、集装箱吊具、吊梁 等) ，来完成各种物料的装卸搬运。 在9 0 年代初，港口码头使用的门座式起重机仍为吊钩、抓斗两用的通用型门座式起 重机机型，后因国际集装箱运输业的迅猛发展和国内专业化码头的兴建，集装箱门座式起 重机和多用途( 如箱钩两用和钩斗箱三用) 门座式起重机得到了进一步发展。图2 2 为吊 钩、抓斗两用的通用型门座式起重机的起升、开闭钢丝绳缠绕图。 应 闰2 2 门鹰式起重机的钢丝绳缠绕图 港口码头使用的门座式起重机一般安装在岸边，负责钢材、木材、矿石粉、煤炭、海 沙等散货和件杂货以及集装箱的装卸船作业，提升高度较大，工作较为频繁，环境比较恶 劣 港1 3 码头使用的门座式起重机一般有主起升或支持( 单绳或双绳) 机构、副起升或刀= 闭( 单绳或双绳) 机构，多使用( 不) 微旋转的钢丝绳，如1 8 x7 、3 5 x 7 、4 v x 3 9 s 、4 v 4 8 s ( 应推广塑胶填充的1 8 x7 钢丝绳) ，少部分使用6 股线、面接触钢丝绳。 极少数门座式起重机的变幅采用六股钢丝绳，多数采用齿条变幅。主、副起升钢丝绳 卷简采用单层缠绕，要求钢丝绳抗旋转、抗冲击、耐疲劳、结构稳定性好变幅钢丝绳要 求破断拉力大、抗腐蚀。 表l 为国外多用途门座式起重机最新或常用机型主要技术性能参数表。 1 1 3 岸边装卸门式起重机( 又称岸桥) 岸边装卸门式起重机( 又称岸桥) 0 6 1 1 2 1 1 ：是装卸起重机械中一种高速高效率起重机。 这种起重机的发展异常迅速，新研制的机型在世界上不断问世，新技术在装卸桥上的应用， 有效的提高了装卸桥的实际生产率以及技术性能( 如上海振华港口机械( 集团) 股份有限 公司设计制造的双小车超巴拿马型岸边集装箱起重机) 。装卸桥在港口码头、车站库场的 物料或集装箱装卸作业中，发挥着重大作用，它包括抓斗装卸桥和集装箱装卸桥。 1 1 3 1 岸边抓斗装卸桥 岸边抓斗装卸桥1 2 9 1 1 6 t 1 ：见图2 3 ，是目前国内外广泛使用的一种大宗散货装卸机械，除 了一部分谷物采用气力输送、螺旋管输送或其它连续输送机装卸以外，其它货种，如矿石、 煤炭、散粮等，大多数都以岸边抓斗装卸桥装卸为主。岸边抓斗装卸桥是利用柔性钢丝绳 作为抓取或提升物料的传动件，不受船型、车型变化条件的限制，只要抓斗能顺利地打开 和抛入物料，即能进行装卸作业，机动性好；抓斗通过柔性钢丝绳与小车的机构相联系不 一 受波浪的影响，此外它还具有技术成熟、适应性强的特点。 现行的岸边抓斗装卸桥使用的钢丝绳有：i ) 抓斗的起升绳和开闭绳几乎都采用四 绳( 两绳起升、两绳开闭) 抓斗作业，起升和开闭卷筒均为双联卷筒。大容量抓斗装卸桥 使用的起升绳和开闭绳直径较大( 如青岛港抓斗装卸桥使用0 5 3 o m m 钢丝绳) ，要求钢丝 绳结构紧密，抗弯曲疲劳能力强、承载能力大。2 ) 前悬臂俯仰绳。要求钢丝绳承载能力 大、抗腐蚀能力强3 ) 小车牵引绳。要求钢丝绳抗弯曲疲劳能力强。 抓斗装卸桥的工作循环过程：抓斗打开与小车向海侧水平运行- - 4 , 车水平运行与空斗 下降( 复合运动) 一小车到位，空斗继续下降一抓取物料，抓斗闭合一抓斗起升绳和丌闭 绳提升( 同步) 至一定高度一抓斗继续提升，小车向内陆侧运行( 复合运动) - - , j , 车向内 陆侧运行到漏斗上方一抓斗打开卸料。 叁面 hh卜o t - -hc o q叫叫 v l ho 亘霉 rq吲、 v | 1 0 o 、o o o oo oo a o q 一 卜 矧恃 q oo r 寸 、 q v l oo o 证皿 nn on c o oo 中 o ooo 捌恃 中 h n o v iv | oo o 皿皿 一 hoo 、 。n n o o nn oo o c d 0 , 3 _oo 桐埒 nq r 目 n h i o v |oo 皿皿 a d n a oo o d 锰盎o h卜t o hr _ u 茎g o , 1o o呻 v | o 叫u ) d n n n一o , 1 、 h n 门 v - t nnoon n ， n p po叫 op h h o 复川 o onn“ hh io ? o 呻 、o on1 3 0 r - 4o o h 呈橡 o hh 中n o h 皋 o o ou ， 8h n o衄oo v i voo 复川 hv衄h、 v oo h 星橡 o n h高 。q oh o h - nn十 noo h oo兰州 ohn v | 、 n 呈橡 oc o h o h o呻n o o t oo 兽j l l nh hh oonvv ioo onnnh 、 、 h o妻鸯ono n d 宦 醴 鬃 零卉露 揆 8 蜒 8卉 7 r - i 。 球 畦鞲毗 群 口e 垛 畦鞲 k d t - , c 吕 球 球球 皇昌 导 g 捌 p 陶 目u 至 柳 h赵 e蠡 出、 皿 、 幽 蜮髫 姑暴畚 辑 暴 删酬剁 器善卿 争( 基 。 旧叫 夜1 岫| 魁 目 趟且 磊 嗣删 瑙 萋囊 磐 h 、 僻 目 骝 牲 恻 岳 。寸 蠢塞 捌 啦 瞄 塔 群纂瓢龊掣*辎戳删烈嚣王靶每蜷瞄嚣删裂懈谩一铡王辅畚日 _ 群 1 1 3 2 岸边集装箱装卸桥 岸边集装箱装卸桥【1 6 1 1 2 1 1 1 3 0 l d l ：见图2 4 图2 8 ，是集装箱装卸机械中的一种典型机型， 也称为岸边集装箱装卸起重机，简称岸桥。主要用于港口码头对集装箱船舶进行装卸作业。