港口起重机钢丝绳docx.docx
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港口起重机钢丝绳docx
现代港口起重机中的
钢丝绳应用技术研老
陶德嚳
武汉理工大学
2007年12月
主要内家
基本知识简要回顾新的变化热点问题研屯成果
—■基本知识
1•钢丝绳构造及特点
■（!
■）钢丝绳捻制方法
■1）单绕钢丝绳
钢丝绳的构造特征主要由捻制方式、接触由此'
由若干钢丝一次绕制成绳，绳的刚性大,蠶蠶賣魏饉霜星鶴:
式钢丝绳以外'
.2）双绕钢丝绳
先』丝廳股，再由若干绳股加上绳芯捻制成绳。
绳股绕向为右旋时，称右绕绳，反之，称左绕绳。
1•钢丝绳构造及特点⑴钢丝绳捻制方法
钢丝绳主要有同向捻（顺绕）和交互捻（交绕）两种；股内钢丝之间有点、线、面三种接触方式。
（2）钢丝绳绳股数目及形状、结构
091-5不同股数的钢丝绳
a）4股绳；b）8股绳2）多股不扭转绳
PH1-3线接■钢丝绳
G外粗式式（W羽卄
c）填充式（FiStf）
（3）钢丝绳标记方法（GB8707—88）
■将全称标记18ZAA6（9+9+1）+SF1770ZSGB/T8918用简
化标记表示:
18ZAA6X19S+SF1700ZSGB/T8918
NAT6V（9+9+l）+NF1770ZZ189118GB/T3918
匚9*产品标准代号
—&单位长度质§（kg/100m）
7.最小破断拉力（kN）6・绳和股的捻向5・钢丝公称抗拉强度（MPC4.绳芯材料3.钢丝绳结构型式（股数、股形、各层丝数、接触形式）2.钢丝表面状态
2•钢丝绳的选用
（1）钢丝绳结构型式的选择
图1-7钢丝绳绕向与卷向的关系a）采用右绕钢丝绳山）采用左绕钢丝绳
1570MPa〜1770
MPa的强度等级
用于券绕系统的钢丝绳（动索），应优先采用线P触钢丝绳。
3.钢丝绳的破坏形式与卷绕系统设计注意事项
*
（1）钢丝绳的破坏形式
起重机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伸直，并与滑轮或卷筒槽磨擦，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。
（1）钢丝绳的破坏形式…表面磨损
和断丝
（1）钢丝绳的破坏形式…表面磨损和断丝
（1）钢丝绳的破坏形式
表面层的钢丝逐渐折断，折断钢丝的数量越多，其他未断钢丝的拉力越大，疲劳与磨损更为加剧，断丝速度亦愈快。
当断丝发展到一定程度，钢丝绳开始丧矣承载的安全性，这时就应报废且更换新绳O
（2）钢丝绳报废标准
■起重机械用钢丝绳检验和报废实用规范
GB5972-86
a■断丝的性质和数量（6d和30d长度范围内的断丝数量，列表）；b■绳端断丝；c・断丝的局部聚集；d■断丝的增加率；
e■绳股断裂；化由于绳芯损坏而引起的绳径减小；g•弹性减小；h・外部及内部磨损（丝径大于40%；绳径大于7%）
i•外部及内部腐蚀；j・变形；k■由于热或电弧造成的损坏
（3）钢丝绳卷绕系统设计注意事项
1）在条件许可时，应选用较大直径（Q）
II
的滑轮和卷筒，以提高Q/M值，减小钢丝绳的弯曲程度，降低接触比压。
2）
合理确定滑轮绳槽和卷筒绳槽底半径一般取/?
=（0・54~0・60）d,/?
过大和
过小都会影响钢丝绳使用寿命；采用光卷筒，即48时，钢丝绳寿命会降低20%~30%。
（3）钢丝绳卷绕系统设计注意事项
3）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、非金属衬垫，将改善钢丝绳与绳槽之间的挤
驢薯蓝况，可以大幅度提高钢丝绳的
4）选配适当的钢丝绳涂油器或对钢丝绳定期涂抹润滑脂，可以减缓钢丝绳磨损，防止锈蚀，延长钢丝绳使用寿命。
J二.简要回顾
上世纪下半叶的技术演进疲劳寿命与D/d比的关系：
25/1以上钢丝绳结构形式：
点接触匚）线接触钢丝绳报废标准:
外层断丝，外径磨损钢丝绳安全检测：
强磁化漏磁通检测钢丝绳润滑方法：
人工涂抹润滑脂为主钢丝绳质量控制：
主要靠出厂检验
■港口起重机用绳条件新的变化
1・钢丝绳结构形式:
出现钢绳芯、面接触、
异型股、含塑料衬垫等新结构形式
港口起重机用绳条件新的变化
2.钢丝绳强度：
1570Mpa1670Mpa1770Mpa=>1770Mpa~2170Map
导致相同载荷条件下，钢丝绳直径可以取小，钢丝绳对滑轮绳槽的比压增大
三■港口起重机用绳条件新的变化
图2-1滑轮的结构型式
a）铸造滑轮止）焊接焊轮；c）热轧滑轮
d）尼龙滑轮代）双辐板压制滑轮
4l因起重机性能参数提高，导致钢丝绳线度
•3If度提高
■以集装箱岸边起重机为例：
起升速度：
50m/min=>90/150m/min
小车速度:
150m/min240m/min
叠加速度：
240+2X150=540m/min滑轮最高转速：
190rpm,提高1・5~1・8倍外伸距离：
40m=70m
结果导致:
钢丝绳表面磨损严重；钢丝绳弹跳加剧，加重了内部微动磨损
・港口起重机用绳条件新的变化
I多股不旋转钢丝绳在进行疲劳性能试验M出现茴股芯碎裂现象
钢丝绳使用寿命与滑轮耐磨性是一对矛盾，由于
低硬度钢质滑轮，滑轮绳槽硬度从HB170逐步提高至HRC60。
但提高钢质滑轮表面硬度，究竟对滑轮耐磨性能产生多大影响？
怎样合理匹配滑轮硬度与钢丝绳规格，才能使钢丝绳和滑轮各自的寿命达到一种组合最佳状态，是起重机制造厂和用户双方极为关注并急需了解的问题。
而国际国内目前尚缺乏相应的理论研究和实验数据的支持，致使在选型设计、绳轮选配方面仍存在一定的差异性和盲目性，从而未能充分挖掘钢丝绳寿命和滑轮耐磨性的技术潜能。
四.热点问题
2.钢丝绳的合理选型一一疲劳性能评价
进口绳？
国产绳?
线接触？
面接触?
高强度？
中强度?
圆形股？
异形股？
塑料衬？
非塑料衬？
6股、8股？
多股绳?
四■热点问题
>——
3.滑轮压痕
形成机理
防止措施
有效硬化层相当明显
磨损面形貌
槽底有严垂的沟槽状磨损
四■热点问题
4.钢丝绳断丝
定量检测
方便性
永久磁铁
永久磁铁
图3积分线圈检测LMA
图4霍尔元件检测漏磁通
准确性
重复性
霍尔元件
永久磁铁
霍尔元件
a■强磁检测
钢丝绳
4.钢丝绳断丝定量检测
b■基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术
基于“弱磁”方法的TCK钢丝绳检测技术属于一种无损探伤（检测）类别的磁或电磁检测技术。
针对铁磁性材料的磁场特征与其材料特征的关联
关系，通过对当材料特征发生变化导致的磁场特
征改变这种客观现象的获知，分析总结这种变化
响应的客观规律，最终得到工况条件下材料直接
变异（损失）或等效损失的量化结果。
4钢丝绳断丝定量检测
b■基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术绝大多数钢丝绳是由铁磁性材料构成的金属
柔性构件，材料的物理特性之一“磁特性”在一定条件下有几个典型特征：
受外加磁场影响会产生磁感应现象，如图!
■
横轴为外加磁场场强H,纵轴为磁感应强度B,
曲线为给定材料的磁感应变化曲线“H—B曲
线”o
“强磁”——H>Hj（>500mT=0.5T）“弱磁”——Hm>H>Hk（>30mTf<80mT）
基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术
基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术
BA
1■加载（Progremme）:
剩磁场定量规划。
■目的是：
在被测体上建立稳定有序的“弱”势磁场。
■特点是：
用于加载的场强（H）是定量的；被测体上的稳定剩磁是低能的。
目的是：
对被测体上代表完好的截面（部位）进行磁场特征定量一建立检测基准；同时完成工况下对一般空间电磁干扰的屏蔽。
特点是：
程序式智能化自动实现的，动、静状态均可完成的自定义电——磁定量。
3•检泌I（Test）:
定量获得采样（随机截面）与基准（标准截面）磁场特征的差异信息
-目的是：
提取被测体上连续密集的空域采样对比
信息。
■特点是:
信息定量交互式全息采集,非“等待”、整体而非表面。
4・处理（Manage）:
对检测信息的分辨、分析计算和定量结果表述。
目的是：
依据采集的磁场特征差异信息：
磁
矢量分布、磁能聚散、磁势转折、磁力线
“衍射”现象差异等，折射反证相应的材料特征——物质量减少、形状变异、均匀连续性状阻滞或终止、组织缺陷扩展等变化。
特点是：
以大量实验室及现场检测数据为基础，构建逼近客观事实的数学模型和“专家系统”，无噪声曲线显示，直白式表格、报告等结果表述。
五■研究成果：
不同绳槽硬度的钢质滑轮耐磨性及其对钢丝绳损伤的影响规律■研究方法
从钢丝绳一滑轮的磨损、损伤机理研究入手，对不同绳槽硬度滑轮与钢丝绳配合工作时磨损与寿命进行对比试验;经过试验，获得滑轮耐磨性及钢丝绳寿命的比较数据，并结合起重机产品使用的情况，研究钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本规律与特征。
i
五■研究成果：
不同绳槽硬度的钢质滑桧耐磨性及其对钢丝绳损伤的影响规律
1.试验装置研制思路与设备特点
1）传统钢丝绳疲劳试验机
（1）结构形式A卧式
（2）结构形式立式
i__—
2）试验装置的设计构思及主要特点■相对连续运行
可变行程、可变载荷
■全自动控制
3）主要功能
■模拟起重机卷绕系统真实工况
■滑轮耐磨性对比试验
■钢丝绳弯曲疲劳对比试验
■润滑条件对钢丝绳寿命影响对比试验
■滑轮与钢丝绳失效分析
■d■试验装置研制思路与设备特点
12345
aL
Z7
I
0■■
I
2■钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本规律与特征
FA
1）滑轮绳槽底部的磨损机理
2・钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本
规律与特征：
1）滑轮绳槽底部的磨损机理
t
-
7
・yf
X
FA
2・钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本规律与特征:
1）滑轮绳槽底部的磨损机理
2.钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本
规律与特征⑴滑轮绳槽底部的磨损机理
1=
2.钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本规律与特征：
2）钢丝绳的表面磨损和断丝
2.钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本规着与赢:
3）钢丝绳的内部挤压磨损和
断丝
2.钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本
规律与特征：
3）钢丝绳的内部挤压磨损和断丝
砂弦冬貯、坯&
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I2■钢丝绳_滑轮磨损与损伤的基本*规律与特征：
3）钢丝绳的内部挤压磨损和■断丝
2・钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本
规律与特征:
4）疲劳、磨损量化分析
（1）滑轮的早期磨损和磨损钝化现象
X104
1=
2.钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本规律与特征：
4）疲劳、磨损量化分析
滑轮材料与绳槽硬度
早期磨合期
磨损钝化期
ZG35（铸造）
HRB195
4.38X10-6
0.20X10-6
35CrMo调质
HRC28
3.11X10-6
0.11X10-6
42CrM表面淬火
HRC52
1.57X10-6
0.10X10-6
（2）三种典型硬度滑轮的线磨率特征
三种典型硬度滑轮的线磨率屮值（mm/rev）
1=
2■钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本规律与特征：
4）疲劳、磨损量化分析
硬度比它更低的Q235热轧普通滑轮的耐磨性偏低、磨损率偏高，不宜采用；而釆用绳槽底部硬度在HRC28以上的各种钢质滑轮，其绳槽径向线
磨损量及线磨损率都很接近，耐磨性水平比低硬度（如HB195）滑轮提高了一倍左右。
NS
2・钢丝绳一滑轮磨损与损伤的基本规律与特征：
4）疲劳、磨损量化分析
6050403020100
（3）钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配合使用的相对寿命曲线
—■—绕硬滑轮工作
—▲—绕软滑轮工作
70-■
152025303540
弯曲疲劳次数（万次）
图62#钢丝绳30d长度内疲•势靳丝发展动力学曲线
（3）钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配合使用的相对寿命曲线
180-
160-
140一
120-
80-
40「■报一废-线
20一
/
1020304050
齊曲病拮汰粉（H汰）
一■一绕硬滑轮工作
-▲—绕软滑轮工作
图73#钢丝绳30d长友内疫券斷丝发展动力学曲线
（3）钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配
[1合使用的相对寿命曲线
■以上规律与特征说明：
从确保滑轮耐磨性和使用寿命考虑，ZG35滑轮和硬度比
它更低的Q235热轧普通滑轮的耐磨性偏
低、磨损率偏高，不宜采用；而采用绳
槽底部硬度在HRC28以上的各种钢质滑
轮，其绳槽径向线磨损量及线磨损率都很接近，耐磨性水平比低硬度（如HB195）滑轮提高了一倍左右。
（3）钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配合使用的相对寿命曲线
（3）钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配合使用的相对寿命曲线
I•I•I
区高度中硬
娠*M耀嘛削澤
中硬度
滑轮#
中高硬度滑轮心
0.4
0.2
0
低硬度i
I
中硬度区
HEil70?
n
30
40绳糟硬度
■高硬度区
I
5060HRC
3.不同绳槽硬度的钢质滑轮对钢丝绳士损伤的影响规律
-本文对同样几何尺寸、但不同材质的热处理工艺、绳槽硬度从HB170、HRC30、HRC40、
HRC50、HRC53、HRC60等六种滑轮进行了
钢丝绳使用寿命对比试验，如上图所示。
以硬度最低的HB170滑轮上钢丝绳使用寿命97882转次为基准寿命值1,随着硬度从低到高，钢丝绳使用寿命变化趋势呈两头低、中间高的趋势。
滑轮绳槽硬度从HRC30-HRC50范围内，钢丝绳相对寿命值达1.44-1.78；当硬
度大于HRC53时，钢丝绳寿命明显降低,HRC60时，相对寿命值降至0・92。
4■关于起重机钢丝绳一滑轮最佳匹配士的建议
（1）港口起重机滑轮绳槽硬度的最佳硬度范围为HRC28〜HRC35；HRC45〜HRC50,为防止压痕，可釆用HRC60
（2）根据我国国产钢丝绳材质和工艺水平的实际状况，对于6股钢丝绳，应优先考虑选用1770N/mm强度等级，并与
HRC28〜HRC35的中硬度滑轮匹配使用
4.关于起重机钢丝绳一滑轮最佳匹配为的建议
（3）对于多股不旋转钢丝绳，由于与滑轮绳槽的接触压力偏低，可考虑优先HRC45〜HRC50的中高硬度滑轮匹配使用
IfJ
（4）普通铸钢滑轮及用Q235、：
L6Mn板材热轧成型制成的滑轮，其自身耐磨性在各类钢质滑轮中相对最差，同时，与之配合使用的钢丝绳寿命也相对较短；同时，当滑轮绳槽硬度高于HRC53时，钢丝绳使用寿命有明显下降。
这一点，在起重机产品设计中的滑轮选型时，应予以充分注意。
技术创新点
■
装置和卷筒I斟廳辯驢詹亂
1.自行设计和研制了国内首例、性能先进的大型全自动钢丝绳一滑轮综合试验
项目的研究
■2.完成了HB170至HRC60若干不同绳槽硬度滑轮的耐磨性研究，以及对钢丝绳使用寿命影响的实验研究，结合港口实蜃提出了钢丝绳一滑轮最佳匹配原则的建议。
谢谢！
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