肖炜
江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院214000
摘要：钢丝绳是起重设备的重要部件，在工程设备中应用广泛，然而对其受力特性及疲劳寿命的深入研究较少。起重机是现代化生产的主要设备之一,其中起重机用钢丝绳的安全性是起重设备安全性的重要组成部分。因钢丝绳的损伤或破断而产生的重大事故时有发生,因此为了确保使用中的钢丝绳的安全运行,掌握钢丝绳的损伤规律及防治方法很有必要。本文钢丝绳的受力特性及影响起重机钢丝绳使用寿命的因素,指出了提高钢丝绳寿命的具体措施,对正确使用钢丝绳,提高经济效益具有重要的指导作用
关键词：钢丝绳；受力特性；载荷状态级别；弯曲疲劳寿命
引言：钢丝绳是起升机构中的重要零件,其失效机理非常复杂，其使用寿命与载荷状态级别、滑轮材料、缠绕方式、机械磨损、腐蚀和润滑程度等多因素相关。在保证制造质量的前提下,使用因素对钢丝绳的使用寿命有很大的影响,起重机上使用的钢丝绳使用过程中会出现损伤现象,钢丝绳的损伤或断裂的重大事故一旦发生后果很严重。为了确保使用中钢丝绳的安全运行,掌握钢丝绳的损伤规律,并找到相应的防治措施,延长钢丝绳的使用寿命。本文仅从钢丝绳的受力状态来研究其对疲劳寿命的影响。
一、钢丝绳的受力状态钢丝绳在工作过程中受到拉应力、弯曲应力、挤压应力、扭转剪切应力等多种应力，实际工作中，这些应力共同作用形成复杂的应力状态，钢丝绳的疲劳寿命与其受力状态有着密切的关系。
1.拉应力起重机起吊载荷时，垂直段钢丝绳主要为受拉状态，受力状态如图１所示（其中，D为滑轮直径），其拉应力σ拉（N／mm2）为：σ拉＝MA。其中：M为钢丝绳的起吊载荷，N；A为钢丝绳横截面积，其值为构成此钢丝绳的所有钢丝的横截面面积之和，A＝π４∑d２i，mm。di为钢丝的直径。
2.弯曲应力钢丝绳在滑轮或卷筒上卷绕时，会由于弯曲而产生弯曲应力，且钢丝绳横截面上不同位置处钢丝的弯曲应力是不同的。当钢丝绳结构和滑轮或卷筒的直径确定时，钢丝绳内钢丝的最大弯曲应力与其所处位置相关。内外股接触处的钢丝会产生较严重的内部磨损，此类钢丝通过滑轮或卷筒时产生的弯曲应力是影响钢丝绳寿命的主要因素。实验证明：增大滑轮或卷筒直径可减小钢丝绳内危险钢丝的最大弯曲应力。因此在条件允许的情况下，选择较大直径的滑轮或卷筒能有效降低钢丝绳通过滑轮或卷筒时产生的弯曲应力而提高其使用寿命。但值得注意的是，当增大滑轮或卷筒的直径时，其转动惯量也会相应增大，较大的转动惯量会对钢丝绳及其系统造成冲击，反过来又会降低钢丝绳的使用寿命。因此，当钢丝绳经过滑轮或卷筒产生弯曲时，应对钢丝绳和滑轮或卷筒直径进行合理的配对，配对原则是在钢丝绳的弯曲应力较小的情况下尽量减小滑轮或卷筒直径。
3.扭转剪切应力构成钢丝绳的钢丝呈螺旋状态，当起吊载荷时，钢丝绳上轴线方向的拉应力会使钢丝有拉直的趋势，从而使钢丝受扭，产生扭转剪切应力。
4.接触挤压应力钢丝绳在使用过程中其外部与滑轮槽、卷筒壁等表面接触时，钢丝绳上所受的拉伸载荷会使钢丝绳与滑轮或卷筒间产生挤压应力，挤压应力会引起钢丝绳的外部磨损，这样会减小钢丝绳的直径从而使其横截面积变小，钢丝绳的破断载荷也会随之降低。拉伸载荷还会引起钢丝之间的挤压应力而产生内部磨损，内部磨损主要发生在内股和外股的接触钢丝上，钢丝绳通过滑轮或卷筒时会产生反复拉伸和弯曲，在其磨损深凹处会产生应力集中，导致其内部钢丝易被折断，从而减少钢丝绳的疲劳寿命。
二、钢丝绳直径的选择计算
为便于计算钢丝绳的直径,起重机设计规范提供了安全系数法和C系数法。
1.安全系数法
安全系数法按与钢丝绳所在机构工作级别有关的安全系数选择钢丝绳直径,对运动绳和静止绳都适用。所选钢丝绳的标称破断拉力Ｆ0应满足下式:Ｆ0≥Sn。其中:S为钢丝绳最大工作静拉力,Ｎ;n为安全系数。对于吊运危险载荷的起重用钢丝绳,一般应选择比设计工作级别高一级的工作级别;对起升机构工作级别为Ｍ7、Ｍ8的某些冶金起重机和港口集装箱起重机等,在使用过程中能监控钢丝绳劣化损伤发展进程,在保证安全使用、一定寿命和及时更换钢丝绳的前提下,允许按稍低的工作级别选择钢丝绳。对冶金起重机最低安全系数不应小于7.1;港口集装箱起重机主起升钢丝绳和小车曳引钢丝绳的最低安全系数不应小于6;伸缩臂架用的钢丝绳,安全系数不应小于4。
2.C系数法
Ｃ系数法只适用于运动绳,其钢丝绳最小直径dｍiｎ(ｍｍ)为:钢丝绳的选择系数C,可按下式计算:其中:ｋ为标称捻制换算系数,即钢丝绳标称破断拉力Ｆ0与钢丝绳计算破断拉力的比值;σt为钢丝的抗拉强度,Ｎ/ｍｍ2;f为钢丝填充系数,即钢丝绳中钢丝总横截面积与钢丝绳标称横截面积的比值。起重机常用的钢丝绳为6×19Ｗ(Ｓ)型,其纤维芯钢丝绳k＝0.330,金属丝绳芯(ＩＷＲ)或金属丝股芯(ＩＷＳ)钢丝绳k＝0.356。由运动绳的安全系数所计算出来的Ｃ值可由设计手册查到。
三、选择钢丝绳型号时需要考虑的因素
1.根据不同的使用目的,钢丝绳的构造和捻制方法各不相同。
根据钢丝表面状态可分为光面钢丝绳和镀锌钢丝绳。不同的构造具有不同的特点,适用于不同的场所,因此除按照安全系数法和C系数法计算出所需要的钢丝绳直径外,还需综合考虑钢丝绳的强度等级、结构型式、使用场所等诸多因素,从而最终选定钢丝绳的型号。
2.卷筒方向与钢丝绳选择
钢丝绳的捻制方向与钢丝绳在卷筒上的卷绕方向应相匹配,一般情况下右旋绳槽或者右向卷绕在光面卷筒上时,选择左旋钢丝绳;左旋绳槽或者左向卷绕在光面卷筒上时,选择右旋钢丝绳固定处,适用于光面卷筒和带绳槽卷筒。
3.多层缠绕时需要考虑的因素
采用多层缠绕卷筒时,当第一层钢丝绳卷绕在卷筒上后,钢丝绳必须跨越下层钢丝绳,以便在卷绕第二层钢丝绳时提前跨越卷筒。采用压实外层股捻制成的钢丝绳能明显抗挤压和扭曲变形;采用塑胶绳芯和涂塑钢丝绳能限制扭曲变形,同时能减少环境中湿气的进入。
4.起升高度与钢丝绳选择
选择钢丝绳时应注意钢丝绳结构的旋转特性。如果钢丝绳一端可自由旋转(单绳缠绕),则某些型式的钢丝绳不能使用,而其他型式的钢丝绳只能用于某一指定起升高度。如果钢丝绳两端固定应考虑扭转量。在多绳缠绕布置中扭转量具有使滑轮组产生角度位移的作用,因此,应考虑达到与起升高度有关的足够的钢丝绳间距,以防止过大的角度位移。
结语：由于钢丝绳空间循环对称的几何结构与其同一横截面的应力也是呈循环对称分布，钢丝绳股芯钢丝与内侧钢丝接触处钢丝绳应力决定着疲劳寿命，应力越大疲劳寿命越低，在股芯最大应力所在的区域易发生疲劳性损伤，影响整根钢丝绳的安全，根据Ni4仿真得股芯疲劳寿命为若干万次，与试验结果一致，钢丝绳生产商可通过增大股芯钢丝的直径等方法来提高钢丝绳的寿命。
参考文献：
[1]徐格宁 机械装备金属结构设计［M］．北京：机械工业出版社2016(06)
[2]张锋锋 起重机钢丝绳使用寿命的分析［J］．起重运输机械，2013(07)