集装箱岸桥钢丝绳应用的思考.doc

集装箱岸桥钢丝绳应用的思考钢丝绳已被广泛用于集装箱起重机(以下简称岸桥)的起升、变幅、小车牵引等机构。它是集装箱岸桥使用中的主要挠性构件，具有承载能力大、挠性好、传动平稳、耐冲击、高速运动时无噪音、安全可靠等优点。随着集装箱岸桥制造技术的发展，目前岸桥的发展方向是大型化、高速度、高效率，岸桥前伸距越来越长，起升载荷越来越大，钢丝绳长距离传动中，也显现了自重引起下垂，在起动瞬间弹动幅度较大等不足。如何选择和使用合适的钢丝绳已成为岸桥管理工作者必须研究的问题。1 钢丝绳的组成要素钢丝绳是由多根钢丝按照一定规则捻制而成的绳索，它由制绳钢丝、绳芯、绳用油脂所组成。钢丝绳的组成要素主要是：捻制方式、接触状态、绳股数目及形状、绳芯材质等。1.1 钢丝绳捻制方式目前有单捻钢丝绳、双捻钢丝绳和三捻钢丝绳等三种，其中：常见的有单捻和双捻钢丝绳。1.1.1单捻钢丝绳：由若干钢丝一次绕制成绳，其特点是绳的刚性大，卷绕性差。1.1.2双捻钢丝绳：双捻钢丝绳又可由同向捻(顺绕)和交互捻(交绕)两种结构形式组成。同向捻钢丝绳的挠性好、磨损小、使用寿命较长，但容易松散，扭转打结，一般只用于有刚性导轨或绳端不会自由旋转的情况。交互捻钢丝绳中股与绳的捻绕方向相反，不容易松散扭转打结，但绳的僵性稍大，使用寿命较短。集装箱岸桥上大多采用交互捻钢丝绳。1.2 钢丝接触状态钢丝绳股内相邻层钢丝之间的接触状态有点接触、线接触和面接触三种。1.2.1点接触：股内各层钢丝的捻距不同，互相交叉，各交叉点上的钢丝之间呈点接触，故接触应力高，且有二次弯曲应力作用。点接触绳的线性较好，但抗弯曲疲劳性能较差，使用寿命短，已逐步被线接触绳取代。1.2.2线接触：股内各层钢丝在全长上平行捻制，外层钢丝位于里层各钢丝之间形成的沟槽内，与之呈线接触。其接触应力低，抗弯曲疲劳性能好，结构比较紧凑，金属断面利用系数高，使用寿命平均比点接触绳高l2倍。岸桥上常见的有6xwS(31)，6XWS(36)等。1.2.3面接触：股内钢丝形状经特殊挤压方式或拉丝方式成形，相互之间呈面接触。其优点是：不容易发生断丝、抗腐蚀性和耐磨性均好，能承受较大横向力，但挠性较差，不宜安装在有反向缠绕或滑轮较小的场合。1.3 钢丝绳绳股数目及形状岸桥常用的钢丝绳绳股数目有6股、8股、9股等，其中：6股绳最为普遍。外层股的数目愈多，钢丝绳与滑轮和卷筒绳槽的接触情况愈好，使用寿命亦愈长。8股绳的金属充满率较低，其破断拉力比相同直径的6股绳约低10，但耐磨性及寿命优于6股绳，现有较多用户在岸桥起升系统运用8股绳结构。1.4 钢丝绳绳芯材质按照钢丝绳绳芯材质来分，主要有纤维芯、钢丝绳芯等两类。1.4.1纤维芯(FC)：纤维芯常用剑麻等天然纤维(NF)和聚丙烯(SF)等合成。纤维芯挠性和弹性较好，储油功能好，但承受横向压力和高温性较差，支撑稳定性差，故不宜用于多层卷绕系统以及在高温环境下工作的起重机。1.4.2钢丝绳芯(1wRC)：由钢丝绳或绳股作为绳芯。这类钢丝绳的强度大，能承受较高压力和较高工作温度，储油性能差，挠性和弹性较差。1.5 新型特殊钢丝近年国外设计生产出新型的填塑钢丝绳，它是将钢芯部分经过加入特制塑料再由外股钢丝捻制而成。这类钢丝绳能揉和纤维芯及钢芯钢丝绳的优点，减少了内部摩擦，同时结构更稳定，内部润滑防腐性能显著提高，并且金属表面积没有减少而又保持截重负荷量。2 钢丝绳的选用不同的制绳钢丝和不同的绳芯可以构成不同类型的钢丝绳。钢丝绳的制造工序繁多，钢丝绳使用场合复杂，选择合适的钢丝绳是集装箱起重机的专业课题，是提高岸桥作业效率，控制消耗成本应积极关注的问题。2.1 钢丝绳结构形式的选择通常情况下，用于卷绕系统的钢丝绳(动索)，应优先采用线接触钢丝绳芯钢丝绳。为了防止钢丝绳松散和扭转，一般应采用交互捻钢丝绳。采用同向捻钢丝绳时，钢丝绳的捻绕方向应与卷筒绳槽螺旋方向相反。钢丝绳使用场合应与合适的结构形式相匹配(见表1)。表1 钢丝绳的使用场合及其结构形式使用场合常用场合起升或变辐用单层卷绕吊钩及抓斗起重机绳径比h20631SW 637S636SW 619S826SW 831SWI20619S 619W 619Fi819S 819W 819Fi6V30起升高度大的起重机多股不扭转 187 1819W1819S多层卷绕619W+IWR 819W+IWR牵引用无导绕系统(不绕过滑轮)619 637有导绕系统(绕过滑轮)与起升绳或变辐绳同注：h一滑轮或卷筒的卷绕直径与钢丝绳直径之比，集装箱岸桥建议h30，卸船机建议h36。2.2 对钢丝绳性能的要求根据GB/T89181996钢丝绳规定，制绳用钢丝绳应符合GB/T89191996制绳用钢丝标准，并按钢丝绳用途将钢丝分为重要用途和一般用途两个等级。重要用途钢丝绳用于制造矿井提升绳、吊运融熔金属和危险物品的起重机用绳，其力学性能试验的l80度弯曲次数和360度扭转次数相当或略低于GBll0274中特级钢丝的水平。重要用途以外的钢丝绳可采用一般用途钢丝，其力学性能相当与GBll0274中的I级和II级之间或接近I级钢丝的水平钢丝的表面状态和公称抗拉强度相互制约，选用高强度的钢丝，可以缩小钢丝绳直径，但钢丝绳的韧性随之下降，硬性增大。如选用国产钢丝绳，宜采用1570MPa1770MPa的强度等级；如选用进口钢丝绳，宜采用l 770MPa的强度等级。2.3 钢丝绳直径的计算和选择钢丝绳直径的计算和选择，可按选择系数法或安全系数法中的任一种方法进行。2.3.1 选择系数法钢丝绳直径按下式确定：式中：d钢丝绳最小直径(mm)；F钢丝绳最大工作静拉力(N)；C选择系数(mm/N)。2.3.2 安全系数法所选钢丝绳的破断拉力F，应满足Fo/Fn式中：F同上式n最小安全系数表2 选择系统c和安全系统n值*机械工作级别选择系数c值安全系数n钢丝公称抗拉强度b(Nmm2)1 5701 7001 850M30.0930.0890.0854M40.0990.0950.0914.5M50.1040.10.0965M60.1140.1090.1066M70.1230.1180.1137M80.140.1340.1289*注：l、表中机构工作级别按GB 381l确定。2、固定臂架用钢丝绳，安全系数不小于6。3、表中系数c=2n/kb式中：k钢丝绳折减系数取为0.82；钢丝绳充满系数取为0.46；当k，取值与上述不同肘，系数c应按计算公式另行计算。2.4 钢丝绳的破坏形式与使用注意事项2.4.1 钢丝绳的破坏形式新钢丝绳在正常情况下使用时一般不会发生突然破断，除非安全保护装置失灵或出现意外机械事故，导致钢丝绳载荷超过其极限破断力。岸桥用钢丝绳的一般破坏过程及特征是：钢丝绳通过卷绕系统时要反复弯曲和甚至伸直，并与滑轮或卷筒槽摩擦，工作条件愈恶劣，工作愈频繁，此现象就愈严重。经过一定时间，钢丝绳股内的钢丝不同程度地发生弯曲疲劳与磨损。表面层的钢丝逐渐折断，折断钢丝的数量发展到一定程度，钢丝绳开始丧失承载的安全性，这时就应报废且更换新绳。2.4.2 使用钢丝绳注意事项钢丝绳是起重机的易耗物品。合理使用好钢丝绳主要从卷绕系统的合理设计、改善钢丝绳的接触与润滑条件来考虑。2.4.2.1 岸桥起升、变辐和牵引机构优先采用线接触钢丝绳、面接触钢丝绳或者新型多股(6股以上)面接触绳芯填(包)塑钢丝绳。针对岸桥钢丝绳主要失效形式，选择合适的钢丝绳结构。如果钢丝绳弯曲疲劳断丝为主，可以在确保安全系数前提下，采用8股或9股面接触钢丝绳。如果钢丝绳使用周期超过一年以上，工作频度又较高、环境腐蚀严重情况下，建议选用绳芯包塑或填塑钢丝绳。2.4.2.2 岸桥卷绕系统的设计，应尽量减少钢丝绳的弯曲次数，尤其要避免反向弯曲。实验证明反向弯曲所引起的钢丝绳疲劳损伤为同向弯曲的2倍。2.4.2.3 在条件许可时，应选用较大直径(D)的滑轮和卷筒，以提高绳径比D/d值，减小钢丝绳的弯曲程度，降低接触比压。滑轮或卷筒与钢丝绳之间的偏离夹角，称之为出绳角，其大小也直接影响钢丝绳使用寿命。2.4.2.4 合理确定滑轮绳槽和卷筒绳槽的槽底半径R，一般取R=(0.540.60)d。R过大和过小都会影响钢丝绳使用寿命；采用光卷筒，即R400mm时，钢丝绳寿命会降低2030。2.4.2.5 选择适当的滑轮材质和表面硬度，使钢丝绳与滑轮硬度合理匹配；绳槽槽底采用工程尼龙或其他软质金属、非金属耐磨耐压衬垫，将改善钢丝绳与绳槽之间的挤压磨损状况，可以大幅度提高钢丝绳的使用寿命。2.4.2.6 选配适当的钢丝绳润滑油品、润滑方式及其润滑周期，可以减缓钢丝绳磨损，防止锈蚀，延长钢丝绳使用寿命。2.4.2.7 实际经验告诉我们，如果滑轮直径D与钢丝绳捻距之比为偶数倍，很容易在滑轮上出现压痕。建议选择非偶数或非整数倍为宜。2.4.2.8 适当拉大滑轮之间距离、降低钢丝绳通过滑轮时的速度。都有利于钢丝绳使用寿命的提高。2.4.2.9 避免设备作业时钢丝绳碰撞船舱导箱槽、围板等而发生的机械损坏，避免设备维修作业时电焊火花直接坠落在钢丝绳表面等人为操作因素。3 进口钢丝绳与国产钢丝绳制造质量差异分析进口钢丝绳与国产钢丝绳在质量上的区别，主要反映在钢丝绳制造过程中，原材料加工、制造工艺、制造设备、设计理念、技术标准等诸多技术方面远远落后于世界技术先进国家，导致国产钢丝绳质量使用寿命周期短，技术质量低下等问题出现。具体表现在以下几个方面：3.1 盘条质量的控制技术盘条是制造钢丝绳的主要原料，它的质量好坏，直接影响着钢丝绳质量。提高盘条质量及其稳定性，是提高钢丝绳质量及其稳定性的关键。我国国产盘条质量与世界发达国家的盘条质量差距主要在盘条内部的成份波动、成份偏析、纯净度较低，存在不良组织(索氏体程度低)、中心疏松、缩孔、裂纹、夹杂等。盘条表面缺陷包括表面裂纹、表面凹凸、和直径波动等。盘条中的碳含量的波动和均匀性以及有害成份的存在。这些致使国产钢丝的性能波动大于世界先进水平，这是造成国产钢丝绳疲劳性能变化不稳定性波动的主要因素。目前国产宝钢盘条质量在国内相对比较稳定，如选用国产钢丝绳应与制造厂商约定采用指定钢厂盘条，避免盘条质量影响钢丝绳使用寿命。3.2 钢丝制造技术标准钢丝直径波动对钢丝绳结构有一定影响。从钢丝的制造技术标准看，国内标准较世界先进水平国家的标准波动范围大。世界先进水平国家的钢丝绳中的钢丝直径精度控制非常严格，一般在0.01mm至0.02mm。而国产钢丝直径精度控制范围较大，一般在0.03mm，致使国产钢丝即使在标准规定范围内波动，也有可能会造成钢丝绳的受力复杂，损伤钢丝，导致钢丝绳早期断丝。3.3 热处理技术水平我国的钢丝绳的热处理工艺技术控制与国际先进水平存在较大差异，也是导致钢丝绳使用寿命降低的原因之一。制造钢丝绳的原料先经过热处理工序。热处理工序对制造钢丝绳用的原料施加一定的温度加热，在铅液介质中等温淬火处理，获得良好的金相组织索氏体。影响热处理过程中的索氏体转变的因素主要由加热炉的炉温、钢丝的线温、铅锅的铅温，这些温度的变化直接影响着钢丝的索氏的含量。国外由于钢丝热处理自动控制水平高，炉温、线温、铅温的控制一般在摄氏5度以内，而国产热处理一般在摄氏10度或更高的温度，热处理工序的不稳定因素，对于钢丝绳的疲劳断丝产生了一定影响。3.4 钢丝生产设备技术性能钢丝生产设备性能的优越与否对拉丝质量的影响较大。国外先进水平的钢丝生产设备，一般采用先进的直线式拉丝机，它的优点是减少钢丝在拉拔过程中的扭转现象，并且这种拉丝机的冷却性能好，对提高钢丝性能有较大作用。国内各钢丝绳制造厂家钢丝生产设备用的比较多的是积线式拉丝机，在拉拔过程中钢丝存在轴向扭转现象，这种轴向扭转现象对高强度钢丝的影响较大。另外，积线式拉丝机导轮多，钢丝扭转次数多，损失了制绳钢丝的抗疲劳性能。3.5 钢丝绳的设计技术国外先进的钢丝绳结构是多种多样，而且以多丝线接触、多股(六股以上)、压面和涂塑钢丝绳为主导。优化的钢丝绳结构在寿命上比普通钢丝绳高。例如，压面后的钢丝绳比不压面的钢丝绳寿命提高约1.52倍，线接触钢丝绳的寿命是点接触钢丝绳寿命的1.52倍。国外钢丝绳在结构设计上考虑绳中股与股之间的缝隙值以及股中钢丝与钢丝之间的缝隙值，使钢丝绳在受力状态下，钢丝绳中股与股之间以及股中钢丝与钢丝相互之间的接触应力最合理，避免因钢丝与钢丝之间接触应力集中而导致钢丝绳早期断丝现象。国内钢丝绳结构比较简单，以点接触钢丝绳为主，线接触、多股、压面和涂塑较少。在结构设计上没有充分考虑绳中股与股之间的缝隙值以及股中钢丝与钢丝之间的缝隙值，基本上按无缝隙设计，使钢丝绳在受力状态下，钢丝绳中股与股之间以及股中钢丝与钢丝相互之间的接触应力不合理，造成钢丝与钢丝之间接触应力集中而导致钢丝绳早期断丝现象。现在钢丝绳结构的精确设计已经引起国内各生产厂家的高度注意，在钢丝绳结构设计上的差距正在逐步缩小。3.6 钢丝绳润滑油的遴选国外钢丝绳用油脂由专门机构进行研究，针对不同用途和场合制造专用油脂。如国外某企业使用钢丝绳的环境腐蚀性成份较多，钢丝绳使用一般在半年左右，而经专家对钢丝绳的使用环境进行分析后，选择适合该环境下的油脂，钢丝绳的使用寿命达到4年以上。而国内曾经有一家著名钢丝绳制造商提供给北方用户的钢丝绳，钢丝绳使用的不是耐低温润滑油品，导致遭遇暴冷气候时，油脂积块失效，发生钢丝绳异常断损的事例。国内钢丝绳厂家对钢丝绳用油脂的选择做得不精细，这也是国产钢丝绳质量不稳定的原因之一。4 结合实际情况选择合理性价比的钢丝绳目前，市场上钢丝绳的品种很多，选择合适的钢丝绳对于安全生产、成本控制、提高岸桥设备使用效率非常重要，基于这些方面的考虑，管理学中价值工程的作用得以凸现，合理的性价比可以满足企业管理中多方面的需求。4.1 新型钢丝绳使用笔者根据所在公司岸桥设备为例，以往起升钢丝绳失效主要形式为断丝起折，钢丝绳直径磨损不到4，芯绳有锈蚀断丝的现象。针对这些情况，决定选用进口新型三角填塑耐磨工艺的8股面接触钢芯钢丝绳，达到主股与主股、钢芯与外股机械隔离，起到隔离、缓冲、减磨、减震、耐锈蚀作用，同时也提高了内部润滑性能，延长使用寿命，降低维护成本的目的。4.2 新型钢丝绳性能参数钢丝绳牌号：DFG IWRC 8XWS(31)28mm；1 770N/mm2交付尺寸：钢丝绳实际直径29.6mm，钢丝实际平均直径1.1mm；主绳捻距165mm其结构特点：主绳与钢芯绳采用不等捻距捻制。钢丝破断拉力试验值达到l 975Nmm2，钢丝弯曲次数45。4.3 钢丝绳使用外部环境岸桥起升缠绕系统结构见图1；图1起升缠绕系统示意图岸桥起升滑轮直径32倍；滑轮槽硬度：HRC4550钢丝绳平均工作载荷14t/自然箱；钢丝绳润滑油：美国高渗透钢丝绳润滑油罗伊尔8l 2；岸桥起升速度：75(6lt)/90(50t)/180(空载)m/min；岸桥小车速度：240m/min。4.4 钢丝绳使用情况笔者所在公司自2004年6月在6台重型桥吊投入使用该型号钢丝绳以来，作业箱量基本在26.328.6万TEU范围内，钢丝绳磨损后直径27.027.6mm，内外部润滑情况良好，钢丝绳芯无断丝，主股与绳芯间磨损正常(见图2)。图2 钢丝绳主股与绳芯间磨损情况4.5 钢丝绳的经济性评估(见表3)表3