港口起重 机 钢 丝 绳

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,现代港口起重机中的钢丝绳应用技术研究,陶德馨,武汉理工大学,2007,年,12,月,1,主要内容,基本知识,简要回顾,新的变化,热点问题,研究成果,2,一,.,基本知识,1.,钢丝绳构造及特点,(1),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、接触方式、绳股数目及形状、绳芯材质决定。由此，可组合成多种不同形式的钢丝绳供选用。,由若干钢丝一次绕制成绳，绳的刚性大，卷绕性差。除特殊制作的密封式钢丝绳以外，普通单绕绳仅作固定拉索作用。,2,）双绕钢丝绳,先由丝绕成股，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。,3,1.,钢丝绳构造及特点,(1),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。,4,(2),钢丝绳绳股数目及形状、结构,5,(3),钢丝绳标记方法（,GB870788,）,将全称标记,18ZAA6,（,9+9+1,）,+SF1770ZS GB/T8918,用简化标记表示：,18ZAA619S+SF1700ZS GB/T8918,6,2.,钢丝绳的选用,(1),钢丝绳结构型式的选择 用于卷绕系统的钢丝绳（动索），应优先采用线接触钢丝绳。,(2),对钢丝绳性能的要求,选用国产钢丝绳时，宜采用,1570MPa1770,MPa,的强度等级,7,3.,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。,8,(1),钢丝绳的破坏形式,-,表面磨损和断丝,9,(1),钢丝绳的破坏形式,-,表面磨损和断丝,10,(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，钢丝绳开始丧失承载的安全性，这时就应报废且更换新绳 。,11,（,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；,f.,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,12,(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（,D,）的滑轮和卷筒，以提高,D/d,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,R,，一般取,R=,（）,d,，,R,过大和过小都会影响钢丝绳使用寿命；采用光卷筒，即,R,时，钢丝绳寿命会降低,20%30%,。,13,(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压磨损状况，可以大幅度提高钢丝绳的使用寿命。,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。,14,二,.,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 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,15,三,.,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,16,三,.,港口起重机用绳条件新的变化,2.,钢丝绳强度：,1570Mpa 1670Mpa 1770Mpa,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,17,三,.,港口起重机用绳条件新的变化,3.,滑轮结构，材质，表面硬度,(2),18,三,.,港口起重机用绳条件新的变化,4.,因起重机性能参数提高，导致钢丝绳线度大幅度提高,以集装箱岸边起重机为例,:,起升速度：,50 m/min 90/150 m/min,小车速度：,150m/min 240 m/min,叠加速度：,240,2150,540 m/min,滑轮最高转速：,190 rpm,，提高倍,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,19,三,.,港口起重机用绳条件新的变化,-,多股不旋转,钢丝绳在进行疲劳性能试验时出现的股芯碎裂现象,20,四,.,热点问题,1.,钢丝绳与滑轮的合理选配问题,钢丝绳使用寿命与滑轮耐磨性是一对矛盾，由于港口大型起重机上滑轮位于高空，数量多，难以更换，近年来国内外已开始用高硬度绳槽的滑轮来取代普通低硬度钢质滑轮，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。,21,四,.,热点问题,2.,钢丝绳的合理选型疲劳性能评价,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？,22,四,.,热点问题,3.,滑轮压痕,形成机理,防止措施,23,四,.,热点问题,4.,钢丝绳断丝,定量检测,方便性,准确性,重复性,a.,强磁检测,24,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。,25,4.,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：,1,、受外加磁场影响会产生磁感应现象，如图,1,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“,HB,曲线”。,“强磁”,H Hj ( 500mT=0.5T ),“,弱磁”, Hm H Hk ( 30mT, 80mT ),26,基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术,27,基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术,28,基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术,29,基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术,30,基于“弱磁”方法的钢丝绳检测程序,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。,31,基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术,2.,标定（,Demarcate,）定量识别磁场特征。,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,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。,32,基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术,3.,检测（,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，“侵入”而非“等待”、整体而非表面。,33,基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术,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。,34,五,.,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,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,滑轮磨损与损伤的基本规律与特征。,35,五,.,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,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,36,1.,试验装置研制思路与设备特点,（,2,）结构形式,B,立式,37,1.,试验装置研制思路与设备特点,2),试验装置的设计构思及主要特点,相对连续运行,单卷筒并行收,放封闭系统,分区多弧段、,可变行程、,可变载荷,全自动控制,38,1.,试验装置研制思路与设备特点,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,39,1.,试验装置研制思路与设备特点,d.,试验装置研制思路与设备特点,40,1.,试验装置研制思路与设备特点,41,1.,试验装置研制思路与设备特点,42,2 .,钢丝绳,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,43,2.,钢丝绳,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,44,2.,钢丝绳,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,45,2.,钢丝绳,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,46,2.,钢丝绳,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,47,2.,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,48,2.,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,49,2.,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,50,2.,钢丝绳,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,51,2.,钢丝绳,滑轮磨损与损伤的基本 规律与特征：,4),疲劳、磨损量化分析,三种典型硬度滑轮的线磨率,值（,mm/rev,）,滑轮材料与绳槽硬度,早期磨合期,磨损钝化期,ZG35,（铸造）,HRB195,4.3810,-6,0.2010,-6,35CrMo,调质,HRC28,3.1110,-6,0.1110,-6,42CrM,表面淬火,HRC52,1.5710,-6,0.1010,-6,(2),三种典型硬度滑轮的线磨率特征,52,2 .,钢丝绳,滑轮磨损与损伤的基本 规律与特征：,4),疲劳、磨损量化分析,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。,53,2 .,钢丝绳,滑轮磨损与损伤的基本 规律与特征：,4),疲劳、磨损量化分析,54,(3),钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配合使用的相对寿命曲线,图,6 2#,钢丝绳,30d,长度内疲劳断丝发展动力学曲线,55,(3),钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配合使用的相对寿命曲线,图,7 3#,钢丝绳,30d,长度内疲劳断丝发展动力学曲线,56,(3),钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配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。,57,(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,58,3.,不同绳槽硬度的钢质滑轮对钢丝绳损伤的影响规律,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；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。,59,4 .,关于起重机钢丝绳,滑轮最佳匹配的建议,(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，可采用,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,60,4.,关于起重机钢丝绳,滑轮最佳匹配的建议,(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,(4),普通铸钢滑轮及用,Q235,、,16Mn,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。,61,技术创新点,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滑轮综合试验装置和卷筒强度稳定性试验装置，为项目的研究提供了实验条件和验证手段。,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，结合港口实际提出了钢丝绳滑轮最佳匹配原则的建议。,62,谢 谢 ！,63,