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抗側(cè)壓穩(wěn)定性對(duì)塔機(jī)起重鋼絲繩性能的影響
發(fā)布時(shí)間：2020-03-23 12:12 文章來源：未知 文章作者：admin 點(diǎn)擊數(shù)：
塔式起重機(jī)簡(jiǎn)稱塔機(jī)，主要用于房屋建筑施工中物料的輸送及建筑構(gòu)件的安裝。國(guó)內(nèi)，在城鎮(zhèn)化、綠色化發(fā)展戰(zhàn)略等一系列利好政策推動(dòng)下，塔式起重機(jī)有了充足的應(yīng)用市場(chǎng)：塔機(jī)技術(shù)
塔式起重機(jī)簡(jiǎn)稱塔機(jī)，主要用于房屋建筑施工中物料的輸送及建筑構(gòu)件的安裝。國(guó)內(nèi)，在城鎮(zhèn)化、綠色化發(fā)展戰(zhàn)略等一系列利好政策推動(dòng)下，塔式起重機(jī)有了充足的應(yīng)用市場(chǎng)：塔機(jī)技術(shù)越來越趨向于智能化和綠色化。
鋼絲繩是塔機(jī)不可或缺的配件之一，塔機(jī)起重鋼絲繩的需求量不斷增大。如何提高塔機(jī)提升用鋼絲繩的使用壽命從而降低塔機(jī)使用成本，不僅鋼絲繩應(yīng)用者需要關(guān)注，更是值得鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)深入研究的課題。
1塔機(jī)起重鋼絲繩失效形式
塔機(jī)起重鋼絲繩的纏繞系統(tǒng)如圖1所示。起重鋼絲繩由卷筒放出，經(jīng)排繩滑輪、繞過塔頂導(dǎo)向輪、向下進(jìn)入回轉(zhuǎn)塔身重量限制器滑輪、向前繞到載重小車和吊鉤滑輪組，最后將繩頭通過繩夾，用軸銷固定在起重臂頭部的防扭裝置上。
塔機(jī)起重鋼絲繩具有纏繞層數(shù)多、起重高度大、起重速度快等特性。在使用過程中，其失效形式主要有磨損、疲勞、變形3種。
2鋼絲繩在卷筒上橫向受力分析
鋼絲繩纏繞在卷筒上的狀態(tài)如圖2所示。鋼絲繩運(yùn)行過程中，除了受到軸向拉力外，還受到橫向壓力。筆者主要分析鋼絲繩在受橫向壓力情況下的問題，也就是鋼絲繩在卷筒上受到擠壓時(shí)，鋼絲繩形態(tài)穩(wěn)定性問題。
不同塔機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)卷筒、輪槽等設(shè)計(jì)參數(shù)略有不同，通常鋼絲繩卷筒繩槽半徑R=（0.53~0.6）d，節(jié)距t=（1.04~1.05）d（d為鋼絲繩公稱直徑），合理的繩槽半徑和節(jié)距可有效避免鋼絲繩在卷筒上“咬繩”問題。
1.1磨損
磨損是塔機(jī)起重鋼絲繩最常見的失效形式，主要分為外部磨損和內(nèi)部磨損。外部磨損主要是鋼絲繩與滑輪槽、卷筒壁及相鄰層鋼絲繩之間的磨損等，這些磨損通常會(huì)造成鋼絲繩金屬截面積減小、外部斷絲等問題，從而減少鋼絲繩的使用壽命；內(nèi)部磨損主要原因是鋼絲繩在使用過程中受到交變載荷的作用，使其股與股之間、絲與絲之間發(fā)生蠕動(dòng)而產(chǎn)生摩擦及鋼絲繩彎曲時(shí)內(nèi)部各根鋼絲相互作用產(chǎn)生滑移而引起的，可通過增大鋼絲繩纏繞系統(tǒng)的直徑和選擇合適結(jié)構(gòu)鋼絲繩（如線接觸或其相應(yīng)的壓實(shí)股鋼絲繩）等來減少內(nèi)部磨損。
多層纏繞鋼絲繩普遍存在鋼絲繩與鋼絲繩間的磨損問題。當(dāng)卷筒上第1層鋼絲繩纏滿后，受到卷筒側(cè)板的擠壓，鋼絲繩從第1層上升到第2層，當(dāng)鋼絲繩一層一層地纏繞時(shí)，在繩與繩的接觸點(diǎn)上比較容易發(fā)生冷作硬化，如果下層鋼絲繩纏繞沒有足夠的張力，新纏繞的鋼絲繩會(huì)將松弛的鋼絲繩擠開，造成上層鋼絲繩切入下層鋼絲繩，這會(huì)對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。
1.2疲勞
塔機(jī)起重鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲、拉伸、扭曲所產(chǎn)生的疲勞。提升鋼絲繩從卷筒到吊鉤組要經(jīng)過過渡滑輪、重量限制器、載重小車、吊鉤等6~8個(gè)滑輪，鋼絲繩每繞過一個(gè)滑輪，彎曲方向都會(huì)改變，將加大外層鋼絲拉壓循環(huán)應(yīng)力，加劇鋼絲繩疲勞損傷。疲勞使鋼絲繩中的鋼絲產(chǎn)生微裂紋源，隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，裂紋源不斷擴(kuò)散、延伸，直至鋼絲、股或鋼絲繩斷裂。
疲勞分為彎曲、拉伸、扭曲疲勞3種。彎曲疲勞主要是鋼絲繩承受若干次的彎曲和纏繞，導(dǎo)致鋼絲繩產(chǎn)生彎曲疲勞和韌性下降，最終導(dǎo)致鋼絲繩斷絲。當(dāng)鋼絲繩反復(fù)承受交變載荷時(shí)，極易產(chǎn)生拉伸疲勞，特別是在承受較大載荷的情況下，隨著載荷的增加而引起鋼絲繩的彈性伸長(zhǎng)，反復(fù)運(yùn)行情況下，當(dāng)載荷超過彈性極限時(shí)，鋼絲繩可能會(huì)因?yàn)槔炱诙a(chǎn)生斷裂。扭曲疲勞是由于鋼絲繩（阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩除外）帶有自轉(zhuǎn)性，若鋼絲繩端部固定不規(guī)范，則繩股會(huì)向反捻方向旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在重力的作用下自身會(huì)產(chǎn)生較大的扭矩，從而造成外層鋼絲的拉伸疲勞和變形，可能會(huì)引起鋼絲繩的扭結(jié)或吊鉤的旋轉(zhuǎn)。
1.3變形
鋼絲繩使用過程中產(chǎn)生變形的原因主要是沖擊、碰撞和擠壓。一般除損傷鋼絲外還可能會(huì)改變鋼絲繩的原有形狀，從而導(dǎo)致鋼絲繩的損傷和破斷。沖擊產(chǎn)生鋼絲繩變形的成因主要為塔機(jī)突然起吊重物或卸載時(shí)，鋼絲繩的繩芯滑移導(dǎo)致部分鋼絲繩股超載，使鋼絲繩外層繩股松弛形成“燈籠”形狀。
塔機(jī)起重鋼絲繩除以上3種主要失效形式外，鋼絲繩跳槽、銹蝕和維修施焊結(jié)構(gòu)件時(shí)電擊使鋼絲繩變脆等損壞形式也偶爾發(fā)生，不予贅述。
2鋼絲繩在卷筒上橫向受力分析
鋼絲繩纏繞在卷筒上的狀態(tài)如圖2所示。鋼絲繩運(yùn)行過程中，除了受到軸向拉力外，還受到橫向壓力。筆者主要分析鋼絲繩在受橫向壓力情況下的問題，也就是鋼絲繩在卷筒上受到擠壓時(shí)，鋼絲繩形態(tài)穩(wěn)定性問題。
不同塔機(jī)生產(chǎn)企業(yè)對(duì)卷筒、輪槽等設(shè)計(jì)參數(shù)略有不同，通常鋼絲繩卷筒繩槽半徑R=（0.53~0.6）d，節(jié)距t=（1.04~1.05）d（d為鋼絲繩公稱直徑），合理的繩槽半徑和節(jié)距可有效避免鋼絲繩在卷筒上“咬繩”問題。
由圖2可知，層與層之間的鋼絲繩在卷筒上受到4個(gè)不同方向的橫向壓力。以A點(diǎn)為例，其橫向受力情況如圖3所示，隨著軸向載荷的增大，鋼絲繩橫向載荷也在增加，當(dāng)橫向壓力驅(qū)使鋼絲繩達(dá)到塑性變形時(shí)，鋼絲繩由圓形向橢圓形變化或有此趨勢(shì)，它的結(jié)構(gòu)便發(fā)生了破壞。在這樣的情況下，會(huì)引起鋼絲繩相互擠壓損傷、排繩不平等問題，嚴(yán)重影響鋼絲繩使用壽命。
由此可見，鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性在多層纏繞系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，一方面鋼絲繩在卷筒上靜態(tài)受壓產(chǎn)生變形；另一方面在導(dǎo)向輪、滑輪組中動(dòng)態(tài)運(yùn)行將加速磨損、疲勞，因此，選擇優(yōu)質(zhì)鋼絲繩、正確使用鋼絲繩，讓其發(fā)揮最佳使用效果，測(cè)定鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性則顯得尤為重要。
3鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性測(cè)試
由此可見，鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性在多層纏繞系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，一方面鋼絲繩在卷筒上靜態(tài)受壓產(chǎn)生變形；另一方面在導(dǎo)向輪、滑輪組中動(dòng)態(tài)運(yùn)行將加速磨損、疲勞，因此，選擇優(yōu)質(zhì)鋼絲繩、正確使用鋼絲繩，讓其發(fā)揮最佳使用效果，測(cè)定鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性則顯得尤為重要。
3鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性測(cè)試
GB/T 8918-20061和GB/T20118-2017日等鋼絲繩生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了必須對(duì)鋼絲繩不松散性能、鋼絲繩力學(xué)性能等進(jìn)行檢查與測(cè)試，但對(duì)鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性并未做出相關(guān)要求；GB/T13752-20170與GB/T3811-20080等與塔機(jī)設(shè)計(jì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也沒有對(duì)鋼絲繩的抗側(cè)壓穩(wěn)定性做出測(cè)定要求。對(duì)于鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性的測(cè)試，國(guó)內(nèi)尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可借鑒，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO16839中有模擬測(cè)試鋼絲繩在多層纏繞中受到橫向壓力的規(guī)定。I5016839指出出“根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，多層纏繞鋼絲繩的橫向壓力p可達(dá)到60MPa。試驗(yàn)過程中施加的最大側(cè)向力Fom、按式（1）計(jì)算”：
Fomk=PxdxL/1000。（1）
式（1）中：Fot.一試驗(yàn)時(shí)施加的最大側(cè)向力，kN；P一壓力，60MPa；d一鋼絲繩的公稱直徑，mm；L一夾鉗的長(zhǎng)度，mm。
通過施加最大側(cè)向力，得出鋼絲繩變形情況，不同鋼絲繩結(jié)構(gòu)、規(guī)格，其抗側(cè)壓變形能力也不一樣，鋼絲繩形態(tài)穩(wěn)定性可根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算，V值即為鋼絲繩橢圓度，試驗(yàn)方法如圖5所示。
按照試驗(yàn)方法，測(cè)定了幾種塔機(jī)常用捻向均為交互捻的旋轉(zhuǎn)和阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩的抗側(cè)壓穩(wěn)定性，測(cè)定數(shù)據(jù)見表1。不同鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)，由于設(shè)計(jì)參數(shù)不同，鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性也不一樣。
從表1可以看出，鋼絲繩橢圓度隨著側(cè)向壓力的增加而增加。在相同的規(guī)格前提下，鋼絲繩結(jié)構(gòu)不同，其抗側(cè)壓穩(wěn)定性不同；結(jié)構(gòu)規(guī)格相同條件下，壓實(shí)股鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性比圓股鋼絲繩的強(qiáng)，阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性比旋轉(zhuǎn)鋼絲繩的強(qiáng)。
4結(jié)語
4結(jié)語
鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性即為其形態(tài)穩(wěn)定性，是衡量鋼絲繩在橫向擠壓條件下抵抗變形能力的特性。給出鋼絲繩抗側(cè)壓穩(wěn)定性的技術(shù)參數(shù)，能有效避免因鋼絲繩選擇不當(dāng)造成的鋼絲繩擠壓變形、咬繩、排繩不平等問題，該指標(biāo)不僅對(duì)塔機(jī)起重鋼絲繩選擇提供有力依據(jù)，而且對(duì)多層纏繞的鋼絲繩均具有同樣價(jià)值。起重設(shè)備制造廠家可借鑒該指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)工況和科學(xué)選配鋼絲繩；同時(shí)，對(duì)于多層纏繞的鋼絲繩，筆者建議鋼絲繩生產(chǎn)廠家給出其相應(yīng)的檢測(cè)指標(biāo)，利于用戶科學(xué)合理選擇鋼絲繩，以延長(zhǎng)其使用壽命、降低使用成本。