分析卷扬式启闭机钢丝绳常见问题及处理方法

所属栏目:工业设计论文 发布日期:2013-01-23 09:34 热度:

  摘 要:关于钢丝绳的几种损坏形式,并提出预防和减少钢丝绳损伤的几种措施。

  关键词:钢丝绳,磨损,措施

  钢丝绳是卷扬式启闭机的重要组成部分之一,它是由一定数量的钢丝和绳芯经过捻制而成的。由于钢丝绳具有强度高、挠性好、自重轻、运行平稳、极少突然断裂等优点,因而用于闸门的启闭装置系统中,确保闸门能够安全启闭。但是,钢丝绳自身性能良好,并不能保证在使用过程中不发生问题。因此,掌握钢丝绳的破坏机理以及防治措施对钢丝绳的安全使用有十分重要的意义。

  一、钢丝绳的冗余性

  如果钢丝绳的一根钢丝断裂,只是对整条钢丝绳的局部位置强度造成影响,强度减少值通常不大于1%。实验证明,即使组成钢丝绳的钢丝全部断裂,只要每根钢丝断裂的位置相隔大于一定的距离,钢丝绳的承载能力依然保持在90%以上。钢丝绳的冗余性能够有效地保证了闸门启闭系统的可靠性,在正常使用的条件下,钢丝绳是一个安全可靠地组成部分。

  虽然钢丝绳具有冗余性,但是作为一种易损件,钢丝绳的承载时受力复杂多变,同时受到与其配套的设备状态和工作环境的影响,在某些条件下容易受到意外的损伤。自己通过多年的实际工作经验,归纳出来钢丝绳的主要损伤形式及对应的解决方案。

  二、钢丝绳疲劳破坏现象

  钢丝绳疲劳通常是由于钢丝绳在拉伸荷载的作用下反复弯曲所致。例如,当钢丝绳绕过滑轮和卷绕在卷筒上时,钢丝绳容易出现疲劳破坏现象。大量实验结果表明,钢丝绳反复弯曲和反复积压所造成的金属疲劳是钢丝绳断丝的主要原因,磨损和锈蚀加速了这一过程。疲劳引起的断丝一般断口平齐,多半出现在外层钢丝上。

  钢丝绳的疲劳破坏与钢丝绳抗弯曲性能、弯曲曲率半径、工作循环次数、工作荷载等有密切关系。因此,预防和减少钢丝绳疲劳破坏可以采取以下措施。

  (1)选用具有更高疲劳强度的钢丝绳。不同结构形式的钢丝绳具有不同的疲劳强度。在钢丝绳直径相同的条件下,多层股钢丝绳密度系数大,总破坏拉力比单层股大;同时,多层股钢丝绳与滑轮的接触面积比单层股大,承受的接触应力低。在相同条件下,多层股钢丝绳疲劳强度远远高于单层股钢丝绳。面接触钢丝绳比普通钢丝绳具有较高的耐磨性和耐疲劳性。面接触钢丝绳表明平滑,钢丝间接触面积较大;绳股在成形过程中消除了捻制应力,有因部分钢丝间存在间隙而产生的附加弯曲应力较小,且没有层间钢丝相互挤压而产生的弯曲应力,面接触钢丝绳的耐疲劳性比普通钢丝绳高1.7—2.8倍。

  (2)在条件许可的情况下,尽可能选用较大的卷筒和滑轮直径。由于弯曲应力所引起的疲劳主要是取决于卷筒或滑轮直径D与钢丝绳直径d的比值D/d。因为D/d减小,钢丝绳的弯曲变形加剧,弯曲应力加大,导致钢丝绳磨损加快,疲劳损伤加快,钢丝绳寿命降低。

  (3)尽量减少钢丝绳弯曲次数。在条件允许的情况下,尽可能减少钢丝绳穿过滑轮的次数;同时在安排滑轮布置时,应尽量避免使钢丝绳反向弯曲,实验证明反向弯曲的破坏作用为同向弯曲的两倍。

  (4)加强闸门运行工的技能培训。急启、急闭、急停等不合理操作,会使钢丝绳瞬间拉伸应力增大,造成钢丝绳疲劳特征提早到来。

  三、钢丝绳的磨损现象

  钢丝绳的磨损主要发生在外层钢丝,是由于外层钢丝在压力作用下与滑轮和卷筒的绳槽接触摩擦造成的。磨损使钢丝绳截面积减小,强度降低。当外层钢丝绳磨损达到其直径的40%或者当钢丝绳直径相对于公称直径减少7%时,钢丝绳应报废。预防和减少钢丝绳磨损可以采取以下措施。

  (1)选择具有更高耐磨性能的钢丝绳。外层钢丝绳数量较少直径大的钢丝绳在耐磨性能优于外层钢丝数量多直径细的钢丝绳;紧密捻制外层股的钢丝绳耐磨性能优于无紧密捻制外层的钢丝绳。然而,耐磨性能要求几乎总是与抗疲劳性能相反。通常,当外层钢丝数减少时,耐磨性能提高,而抗疲劳性能降低。

  (2)合理的选择滑轮。钢丝绳绕过滑轮运动,绳槽与钢丝绳构成一对摩擦,它们之间的磨损速度,主要取决于绳槽与钢丝绳两者接触部位的相对运动关系、接触状态及应力大小、材料的机械特性等因素。绳槽表面硬度过高或过低均对钢丝绳使用寿命不利,表面硬度控制在HRC30和HRC50附近范围对钢丝绳使用寿命有利。

  (3)定期对钢丝绳进行润滑。钢丝绳润滑不足或不正确,以及接触部位存在污垢和砂粒,都会加剧钢丝绳的磨损。

  四、钢丝绳的断丝现象

  由于钢丝绳是一个冗余机械结构,因此钢丝绳小量分散断丝对强度影响不大。然而,如果钢丝绳出现局部聚集断丝、谷部断丝、内部断丝现象时,必须引起足够的重视。

  (1)钢丝绳局部聚集断丝。如果钢丝绳断丝紧靠一起形成局部聚集,则钢丝绳应报废。如果这种断丝聚集在小于6d的绳长范围内,或者集中在任一支绳股里,那么,即使断丝数比标准规定的数值少,钢丝绳也应予报废。钢丝绳表面局部聚集断丝,往往是由于疲劳破坏造成的。

  (2)钢丝绳谷部断丝。钢丝绳谷部断丝通常发生在多层钢丝绳上,当钢丝绳承受外部荷载时,内部钢丝绳与外层钢丝绳相互接触的谷部位置产生挤压,谷部位置钢丝绳长期受到交变应力的作用,谷部断丝是由内往外发展的,如果钢丝绳谷部发生断丝现象,内部钢丝往往已经受到了严重的损失。

  (3)钢丝绳内部断丝。内部断丝在多层不旋转钢丝绳上最为常见。多层不旋转钢丝绳是由内外两层股在钢丝绳中以相反方向捻制而成,在承受拉力时具有较好的低旋转性。由于内外层捻向相反,层股之间呈点接触状态,当钢丝绳承受荷载时,各股之间产生很大的挤压力、摩擦力,内层股磨损后在其轴向上留下马鞍形凹痕,只要集中在外层股与内层股之间的点接触处。在交变应力的作用下,凹痕逐渐成长为宏观裂纹,最终导致钢丝绳断裂,造成内层绳早期拉断。钢丝绳内部断丝肉眼往往难以发现,外层钢丝毫无损伤的情况下,内部却产生大量断丝,由此就会造成巨大事故。

  预防和减少钢丝绳内部断丝,可以采取以下措施:①加大内层钢丝绳的直径。内层钢丝绳直径增大,内外层钢丝绳接触应力减少,内层钢丝强度加强,可以有效地减少钢丝绳内部断丝的危险;②采用电磁式仪器对钢丝绳进行检查内部断丝、腐蚀等缺陷,用目测方法难以解决。

  五、钢丝绳变形现象

  钢丝绳失去正常形状产生可见的畸形称为变形,钢丝绳变形会导致绳股挤出、局部压扁、扭结、折弯、笼形畸变等缺陷。变形的主要原因有以下几种。

  (1)钢丝绳绕其轴线旋转。绕其轴线扭转主要是由于钢丝绳以一个偏转角进入滑轮或卷筒的时候,首先与绳槽的侧边缘接触,然后向下滚动,滑到绳槽的底部,这期间钢丝绳会围绕着轴线扭转,其偏角越大钢丝绳扭转的角度也就越大。

  (2)冲击荷载的作用。冲击荷载不仅会对钢丝绳产生很大的拉伸应力,还会加大钢丝绳自身的扭转程度,也就加大钢丝绳出现绳股挤出、散股等变形现象出现的机率。

  预防和减少钢丝绳变形可以采取以下措施:①确保钢丝绳缠绕系统的偏斜角最小;②尽可能减小卷筒的长度、增加卷筒直径、增大滑轮与卷筒之间的距离可以有效地减少偏斜角;③在启闭机系统中设置排绳器或者压绳装置,防止钢丝绳出现卷乱现象。

  六、钢丝绳腐蚀现象

  钢丝绳腐蚀往往伴随疲劳一起发生,是导致钢丝绳报废的主要原因。腐蚀不仅减少了钢丝绳的金属面积从而降低了破断强度,而且还将引起表面粗糙,并从中出现裂纹而加速疲劳。

  预防和减少钢丝绳腐蚀可以采取以下措施:

  (1)启闭机的主要作用就是防洪、灌溉,因此钢丝绳周围大气中的湿气大且长期裸露在外边,钢丝绳会产生严重腐蚀风险,最好采用镀锌钢丝绳;

  (2)定期对钢丝绳进行润滑,良好的润滑可减少钢丝间的摩擦力并对钢丝绳起到清洁作用。

  总之,启闭机能否安全启闭是影响大坝安全最主要的因素之一,而钢丝绳是启闭机中最主要的零部件之一,钢丝绳的安全利用是水利人一直关心研究的课题。钢丝绳的检查是水库工程管理人员日常检验和定期检查的重点工作,马虎不得。在日常的工作中,要求我们不仅有严谨的工作态度和较强的责任心,还要在工作中积累经验、总结规律,避免因钢丝绳的问题而影响闸门的安全启闭。当然,除了上述分析的主要损伤现象外,还有很多因素能造成钢丝绳的损伤,有待进一步探讨。

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