港口起重机钢丝绳传动件

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8月主要内容基本知识简要回顾新的变化热点问题研究成果一.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。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。(2)钢丝绳绳股数目及形状、结构(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：18ZAA6×19S+SF1700ZSGB/T89182.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1570MPa~1770MPa的强度等级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，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。(2)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=（0.54~0.60）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%。(2)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。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三.港口起重机用绳条件新的变化2.钢丝绳强度：1570Mpa1670Mpa1770Mpa1770Mpa~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3.滑轮结构，材质，表面硬度(2)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：50m/min90/150m/min小车速度：150m/min240m/min叠加速度：240＋2×150＝540m/min滑轮最高转速：190rpm，提高1.5~1.8倍外伸距离:40m70m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。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？四.热点问题3.滑轮压痕形成机理防止措施四.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：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“H—B曲线”。“强磁”——HHj(500mT=0.5T)“弱磁”——HmHHk(30mT,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。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。基于“弱磁”方法的钢丝绳检测技术3.检测（Test）：定量获得采样（随几截面）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。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。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。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1.试验装置研制思路与设备特点（2）结构形式B——立式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1.试验装置研制思路与设备特点1.试验装置研制思路与设备特点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2.钢丝绳—滑轮磨损与损伤的基本规律与特征:2)钢丝绳失效现象---表面磨损和断丝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ψ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）HRB1954.38×10-60.20×10-635CrMo调质HRC283.11×10-60.11×10-642CrM表面淬火HRC521.57×10-60.10×10-6(2)三种典型硬度滑轮的线磨率特征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。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(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62#钢丝绳30d长度内疲劳断丝发展动力学曲线(3)钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配合使用的相对寿命曲线图73#钢丝绳30d长度内疲劳断丝发展动力学曲线(3)钢丝绳与不同绳槽硬度滑轮配合使用的相对寿命曲线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—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(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—滑轮最