钢丝绳损伤的技术分析

钢丝绳损伤的技术分析

金国钧

摘要：文章介绍钢丝绳使用过程各种损伤的分类，对使用性能的影响，以及如何进行预防。

关键词：钢丝绳  损伤  技术分析

钢丝绳又称“钢索”，是各种起重设备中用得最多的一种绳索。由于它具备自身重量轻、强度高、长度长、弹性大、能承受震动载荷，安全可靠性大，在高速运动下稳定而无噪音等优点，作为起重机械一个重要零部件，随着机械化的发展，其应用范围越来越广泛。

钢丝绳使用过程中会出现各种损伤，最经济、最安全使用好钢丝绳，钢丝绳工厂除了要不断提高质量，发展品种、降低成本之外，了解钢丝绳使用过程中各种损伤的分类，对使用性能的影响以及如何预防也是十分必要的。

本文就一般用途钢丝绳，使用过程中出现各种损伤的分类，对使用性能的影响，以及如何进行预防分述如下。

1、断丝

1.1 分类和特征

钢丝的断丝一般可分为：疲劳断丝、磨损断丝、锈蚀断丝、剪切断丝以及过载断丝、扭结断丝等，后两种断丝是属于事故状态下发生的。各种情况下典型的断口形状及其原因和特征如下：

当钢丝绳全部断裂后，要先仔细检查钢丝头卷缩得严重的那一段，因为那一段往往是最先断裂的部位。

（1）过载断丝：是钢丝绳承受过载负荷或冲击力过大所造成的，这种现象在一般正常使用过程中很少出现，断口形状似正常拉断，呈杯状塑性收缩。单纯过载钢丝破断部位分散，伴有冲击、折弯时又易集中在股断。

（2）疲劳断丝：钢丝绳通过滑轮或卷筒时，在许容应力作用下承受一定反复弯曲次数后，使钢丝由于金属疲劳而引起产生的断丝。断口形状平齐、象刀切的样子，只有一小部分是最后被拉断，疲劳断丝出现在股的弯曲程度最厉害的一侧外层钢丝，意味着钢丝绳已经使用接近后期，应特别需要加强检查。

（3）磨损断丝：这种断丝是在钢丝磨损极其严重时才会出现，断口形状两侧呈斜荐、断口扁平。

（4）锈蚀断丝：锈蚀严重的钢丝绳使用后期时会出现这种断丝。断口形状不整齐、呈针尖状。

（5）剪切断丝：一般是钢丝在某一拐角上，被硬性拉断。断口形呈剪切状，如果是在先断那一股中，这种断丝数量较多，就说明在某一角度上受阻力较大。

（6）扭结断丝：这种现象在一般正常使用过程中不会出现，它是在钢丝绳由于出现钢丝松弛造成扭结现象后才出现。断口形状是平整光滑类似镜面。

此外，还有经常在腐蚀性环境下使用，钢丝遇到各种腐蚀介质影响，而产生氢脆断丝现象，这种断口是不规则的，出现氢脆现象是很危险的。

1.2 对使用性能的影响

钢丝绳出现断丝后将使钢丝断面积减少，其拉力将降低，降低多少与断丝多少与分布情况有关，试验证明断丝率在30%以内时，钢丝绳破断拉力的降低与断丝率成一定比例。需要注意的是如果断丝分散在全长上，不是集中一个捻距内，对整绳破断拉力影响较小，在一个捻距内断丝分散在各股和集中在一股里又有明显区别，从（表1）中可以看出（试验钢绳的品种是6*24，断丝方法是在新的钢丝绳上用人工切断）如果断丝集中在一股中，拉力降要比分散在各股中有成倍变化。一般各种规程中允许规定断丝数，是指断丝分布在一个捻距的各股中，如果出现断丝集中在一股、一个面上，由于拉力降低会成倍增强，所以断丝允许数希望要相应减少一半左右。

　

2、磨损（绳径变细）

磨损和绳径变细是息息相关的，一般通过对钢丝绳直径测量来测定其磨损程度。

绳径变细分正常变细和磨损变细两类。新绳是挂后，通常在开始使用后不久，直径变细，速度较快，当变细到公称直径附近时（钢丝表面还没有发生磨损），出现暂时稳定，以后继续使用时，随着钢丝表面开始磨损，直径又渐渐地变细，前者的变细是由于钢丝绳捻制结构引起伸长和变细，属正常变细，破断拉力不但不损失，反而使钢丝绳紧密度增加，对使用是有好处的；后者的变细是由于钢丝磨损和绳芯腐蚀变质等原因造成，称磨损变细。对使用有一定影响。

磨损变细的原因很多。有的是由于长期的机械磨损（包括钢丝绳表面和股间各钢丝之间）；有的绳芯缩细（局部突然缩细，这种现象可能受到冲击力或遇到火焰喷射使绳芯烧毁）；还有钢丝局部锈蚀和断丝造成金属断面的减少。本节着重介绍机械磨损造成的绳径变细。

2.1 分类和特征

钢丝的机械磨损一般可分为：外部的均匀磨损、变形磨损、内部磨损以及钢丝绳单面磨损和挤压磨损。

（1）外部的均匀磨损（纯机械磨损）

钢丝绳在使用过程中，由于与滑轮、卷筒、地面岩石等接触而产生的钢丝磨损，这种状况下是均匀的磨损。

（2）变形磨损（局部磨损）

是指钢丝绳在某一段的局部磨损而言的，产生原因是钢丝绳与滑轮经常产生慢性移位，钢丝绳在滑轮上剧烈振动、冲击或者由于滑轮与卷筒中心偏斜，而产生的咬绳现象所造成的。

这种变形磨损是局部挤压而变形，其钢丝横断面是挤压处向两旁伸展成翅形，从外观看钢丝宽度扩展，钢丝断面积并未显著减少，但局部挤压处钢丝材质硬化，极易造成断丝。

（3）内部磨损

钢丝绳在使用过程中，经过卷筒或滑轮时，钢丝绳所承受的全部负荷压在钢丝绳的一侧，同时由于钢丝的弯曲，股中钢丝产生移动，这时股与股之间接触应力最大，而使相邻股间的钢丝产生局部压痕深凹，当反复循环拉伸弯曲时，在深凹处则产生应力集中而被折断。内部磨损钢丝断口呈齿形，表面圆滑凹形。

（4）单面磨损和均匀磨损滑轮不转动而造成的，在地辊和地面上产生的硬性磨擦也会产生这种现象。而均匀磨损是在正常使用状态下的磨损，钢丝绳单面磨损和均匀磨损示意。

这种磨损主要是钢丝绳在槽不光滑的滑轮上或

（5）挤压磨损

钢丝绳在安装或处于松弛状态时，可能摔落在滑轮外面或轮缘破损处，如果没有及时发现，起动时钢丝绳与轮缘破损等处相磨，会造成这种磨损现象。

2.2 对使用性能的影响

钢丝磨损将使钢丝绳内钢丝断面积减少，使其拉力降低，磨损程度可以通过对钢丝绳直径减少率来进行测量，一般来讲钢丝绳破断拉力下降率和钢丝绳直径减少率比例关系，而单面磨损比均匀磨损下降率增加近一倍左右。

由于磨损引起应力集中的影响，其破断拉力下降率稍高于钢丝断面积的减少率，局部变形磨损和挤压磨损，虽然有时并没有减少多少钢丝横断面积，但由于受到高温或局部应力集中的影响，使钢丝材质硬化，容易产生断丝。

3、使用中摩擦热、钢丝局部马氏体化

当钢丝绳在坚硬物体上摩擦，或以相当快的速度和较高的压力同构造物接触，绳外部接触处摩擦发热，发生冒火花现象，有可能使钢丝表面温度一瞬间超过淬火温度，续而急骤地冷却，形成钢丝局部马氏体化。这部分钢丝变得相当脆，使用中受到弯曲钢丝表面横向发生多处开裂现象。

4、弯曲疲劳

各种钢丝绳经过一定粢九的反复弯曲使用后，因疲劳引起对性能的影响。

5、锈蚀

钢丝绳在使用过程中，由于长时间受到日晒和湿气、雨雪、海洋性气雾、游离酸以及其它有害气体的侵蚀破坏。所谓钢丝绳的锈蚀（生锈、腐蚀），就是钢丝绳的金属表面受上述周转介质化学或电化学而产生的破坏现象。

5.1 分类和特征

锈蚀可分为外部锈蚀和内部锈蚀，检查锈蚀目前只能采用目测和敲打的办法。

内部锈蚀的检查比外部锈蚀困难得多，通常采用方法如下：

（1）将钢丝绳股与股之间设法拧开。

（2）绳径是否粗细不均。例：一般钢丝绳如果内部锈蚀，在经常通过滑轮部位直径减少；而不经常通过滑轮部位使绳径变粗。

（3）用小锤轻轻敲击听声音检查,有卡嚓的响声,就说明绳的内部已有锈蚀。

（4）外层绳股之间间隙减少，这通常与绳股凹处断丝同时产生。

这里要指出锈蚀损伤也不是单独存在的，它往往与使用部门的设备条件，自然环境，维护、管理等不同而各异，一般是同疲劳和磨损同时产生，这就是通常所讲的腐蚀疲劳和腐蚀磨损。

5.2 对使用性能的影响

钢丝绳使用时，一方面与锈蚀介质接触，而同时又承载了不同应力的变化，有内在的和外加的。

应力可以加速锈蚀的破坏，而锈蚀也可有助于应力的破坏，可以认为钢丝绳锈蚀后，拉应力对锈蚀的速度影响很大，实践证明无论在矿井水中或海水中，受力钢丝的锈蚀发展速度比未受力的钢丝明显得多。

钢丝绳锈蚀后，它的机械性能随之降低，不仅钢丝锈蚀后使金属断面积减少，影响拉力，并导致绳芯（指天然纤维绳芯）腐烂，股与股之间钢丝磨损加快，钢绳直径变细，钢丝韧性尤其扭转值明显下降造成使用脆性，曾经发生过一盘钢丝绳堆放露天，尽管外表也经常涂油，但时间长了里面仍然发生了锈蚀，做吊绳时发生脆性断裂，经检查钢丝抗拉强度无明显变化，但扭转值出现显著下降，51.5%钢丝的扭转性能都低于标准要求，其中外层钢丝不合格为83%，中层为30%。

在实践中锈蚀对钢丝绳机械性能影响，远远地过断丝和磨损的影响，到目前为止还未能找到合适方法用数量的概念来衡量锈蚀的程度，为了便于分析，如（表2）中把钢丝绳的锈蚀程度分为四个等级。并粗略估计它对机械性能的影响。

表2  锈蚀的分级

级别	机械性能损失	钢丝绳表面锈蚀程度
轻度（Ⅰ）	约10%	钢丝变色、失去光泽、有锈皮或麻点（在钢丝表面呈现小黑点）
轻重（Ⅱ）	10-25%	钢丝表面锈皮较厚或有麻坑，但尚未连接起来
严重（Ⅲ）	25-40%	有锈蚀裂纹、麻点形成麻坑，连成麻沟，外层钢丝松动
危险（Ⅳ）	40%以上	锈蚀面积大，钢丝失去圆形，股间钢丝咬痕深达1/3-1/2

从上表中看出，Ⅰ级属于轻度锈蚀，锈蚀影响不大，可按其它规定报废，Ⅱ级锈蚀时应考虑锈蚀的影响，Ⅲ级是严重的锈蚀，一般达到Ⅲ级时使用不安全了，Ⅳ级已达危险状态。

大量的实践证实了锈蚀对钢丝绳使用寿命影响是很明显的，由于锈蚀的原因使有些优良结构的钢丝绳显示不出结构的优越性，因此对钢丝绳及时保护涂油是提高钢丝绳使用寿命的重要措施。

6、变形

钢丝绳在搬运和使用过程中，由于受到突然的撞击或冲击，而产生破坏钢丝绳原来结构的现象称为变形。

变形不仅主直接损坏了一部分钢丝，更是因为改变了钢丝绳形状，破坏了原来合理的结构，产生了诸如拉应力再分配等的现象，加速磨损和弯曲疲劳等损失。

6.1 分类

钢丝绳变形一般可分为：压扁、股松弛、波浪形、扭结、弯折、起壳等现象。

6.2 造成原因和对使用性能的影响

（1）压扁：

局部压扁，物件从高处摔下或受其它物件的冲撞挤压，以及乱绕在卷筒上，使用负载过大，另外钢绳从滑轮轮槽上滑出落在轴上都会造成局部压扁现象。局部压扁使一部分钢丝损坏，绳和股结构受到破坏能影响较大，不仅拉力降低，而且会加速造成断丝和不规则的磨损。

（2）股松弛：

股松弛突出或陷落，钢丝绳在过小滑轮上工作，由于受到剧烈物张力变化，个别股出现松弛或陷落现象。由于股松弛各股所承担的应力失去平衡，使钢丝绳破断拉力损失很大。

还有钢丝飞出也类似股松弛的现象。

（3）波浪形

在钢丝绳全长上呈现波浪形现象，波浪形程度在>1/3*d（绳径）时，对拉力有所影响，一般下降30%以下。

（4）扭结

由于钢丝绳的局部加捻或松捻，在钢丝绳上会出现扭结的现象。钢丝绳一旦形成扭结，拉力明显下落。尽管有些扭结的钢丝绳经过修复，表面上看不到明显的痕迹，但其内部还是留下了一个伤痕，特别容易造成局部磨损和断丝，并导致意想不到的事故。产生扭结拉力要下降40-60%，修复后仍下降15-25%。

（5）弯折

钢丝绳的局部受到冲击可能形成弯折现象，这种损伤使用钢丝绳局部弯曲产生永久变形，严重时弯折处拉力损失达60%左右。

（6）起壳

普通钢丝绳在大载荷下突然松弛，有可能外层股浮起形成灯笼形俗称起壳，多股钢丝绳采用多层股分层制造，当受到附加力矩（加捻或松捻现象）或滑轮组过多，引起内外层股力矩平衡的破坏，形成变形分层，当发生一外层股“灯笼形”（加捻时）或内层芯子“突出外露”等现象，一般不能正常使用。

（7）绳芯飞出和拉断

使用弯曲半径过小，会出现绳芯外露或芯和股的位置互相交替。出现芯和股的位置互相交替或局部绳芯拉断现象对拉力稍有减少，但由于形状发生变化，明显影响使用寿命。

（8）捻距变化

钢丝绳遇到松条捻或加捻时，出现捻距变化，如（表3）列出对破断拉力和伸长等性能的影响。实际使用中发生松捻，虽然对拉力没有明显的影响，但会影响疲劳性能。

表3  钢丝绳松捻或加捻对性能影响

项目 捻距变化	6*24-18.5mm钢丝绳					6*37-17.5mm钢丝绳
	捻距(mm)	变化率	破断拉力(kgf)	变化率	伸长(%)	捻距(mm)	变化率	破断拉力(kgf)	变化率	伸长(%)
松捻	160.8 147.0 129.0	1.39 1.27 1.12	16600 16350 16200	+4.4 +2.8 +1.9	5.8 6.6 7.2	150.0 146.8 121.8	1.34 1.28 1.06	19800 19900 20100	+1.5 +2.1 +3.1	4.4 4.4
基本状态	115.4	1.00	15900	0	7.2	114.8	1.00	19500	0	4.8
加捻	108.0 98.0 84.3	0.94 0.85 0.73	15650 15300 14900	-1.6 -3.3 -6.3	7.4 8.4	103.0 92.0 83.5	0.90 0.80 0.73	18300 17700 16900	-6.1 -9.2 -13.3	5.0 5.4

7、损伤的预防

上述这些损伤的预防，除了按各行业的关钢丝绳的使用规范外，还可以根据用途和损坏特征在使用时从下列方面加强注意。

7.1 对磨损的预防

（1）滑轮和卷筒直径的大小、材质及绳槽形状。

（2）钢丝绳在卷筒上缠绕方法和按装方法。

（3）滑轮和卷筒装置和排列。

（4）对润滑油的补充是否及时。

7.2 对锈蚀的预防

（1）润滑的补充是否及时。

（2）要使用镀锌钢丝绳。

（3）有条件绳芯材质采用合成纤维。

（4）对不同品种的钢丝绳，一般应该有使用期限的规定。

7.3 对疲劳的预防

（1）滑轮和卷筒直径尽可能放大。

（2）避免钢丝绳反向弯曲。

（3）要使用不松散钢丝绳。

（4）要使用线接触钢丝绳。

7.4 对表面硬化的预防

（1）钢丝绳运转前，要清除有影响的障碍物。

（2）提高滑轮和卷筒的施转性能。

7.5 对变形的预防

（1）使用钢丝绳要小心。

（2）避免绳子弯曲半径过小。

（3）卷筒的缠绕方向。

（4）滑轮的槽形。

（5）减少捻距的波动。

7.6 其它的预防

（1）防止急起吊和急停止。

（2）不能起吊规定载荷以上的重要。

作者简介：金国钧，1939年11月出生，高级工程师，原宝钢集团上海二钢有限公司项目办主任。