港口起重机钢丝绳应用与无损检测技术

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。
(1)钢丝绳的破坏形式---表面磨损 和断丝
三. 钢丝绳应用的几个热点问题
3. 滑轮压痕
形成机理 防止措施
三. 钢丝绳应用的几个热点问题
4. 钢丝绳断丝 定量检测
方便性 准确性 重复性
四、钢丝绳磨损、断丝与疲劳寿命研究
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
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）+SF1770ZS GB/T8918用简 化标记表示：

18ZAA6×19S+SF1700ZS GB/T8918
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＋2×150＝540 m/min
滑轮最高转速：190 rpm，提高1.5~1.8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
2. 港口起重机用绳条件新的变化
2. 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)
2. 港口起重机用绳条件新的变化 3）滑轮结构、材质、表面硬度
一种轻型重载焊接免维护冷轧滑轮（由振华重工宁波伟隆传动机械研制，直径400 ～2100mmd的产品 已定型批量生产）。主要特点：
①轻，比热轧滑轮约轻30%～50%； ②免维护型，可以4～5年不必加油； ③绳槽经热处理，耐磨损，寿命长； ④一般非重要部位与起重机相同寿命 （二十年）。
(3)钢丝绳卷绕系统设计应用注意事项
5）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。 6）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。
(3)钢丝绳卷绕系统设计应用注意事项 GB/T 3811-2008 起重机设计规范
3）滑轮绳槽半径 R 一般取R=（0.53~0.60）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%。
4）钢丝绳允许偏斜角 钢丝绳绕进绕出滑轮绳槽的最大偏角：5° 钢丝绳绕进绕出卷筒绳槽的最大偏角：3.5°
EV
EFD
(a)
(b)
时间
刚丝绳轴向拉伸能量历史曲线
(c)
(d)
外层螺旋股等效应力云图(45KN)
(e)
钢丝绳断面等效应力云图 (a)15KN；(b)30KN； (c)45KN；(d)60KN ； (e)80KN
三. 钢丝绳应用的几个热点问题
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。
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) 钢丝绳的表面磨损和断丝
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
1498.61 1570.51 1634.2 1657.56 1680.94 1690.94 1696.52
塑性应变 0
0.000107 0.000739 0.00158 0.00228 0.00290 0.00359 0.00429
7）钢丝绳受拉时的应力分析---应力云图
EW
EI
能量
Etotal,EKE
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)钢丝绳的破坏形式---表面磨损 和断丝
压实股（面接触钢丝绳）断丝损伤
(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 。
（2）钢丝绳报废标准
1. 试验装置研制思路与设备特点
4）试验装置研制思路与设备特点
钢丝绳弯曲疲劳试验机绕绳图
L3
L2 伸缩油缸
R2
R3
M1
M2
L4 L5
R4
R5
L1
R1
驱动卷筒
试验装置照片
试验装置照片
试验装置照片
试验装置可视化操作界面
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
5）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
2. 港口起重机用绳条件新的变化
6） 多层卷绕--新型折线卷筒应用研究
1、折线卷筒可变参数 影响研究

a. 绳槽距;

b. 预张力;
c. 边板抗张措施;

d. 绳张角;
e. 斜槽在圆周上的比例;
f. 钢丝绳直径。
2、Lebus对拉试验台研究
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。多层卷绕和高温环境应采用钢芯绳。 大起升高度宜采用多股不旋转绳。高速重载起重机 中,面接触绳已得到较多应用。
(2)对钢丝绳性能的要求 选用国产钢丝绳时，
宜采用 1570MPa~1770 MPa的强度等级
空间变换的方式推导钢丝二次螺旋线参量方程
原始坐标系oxyz沿x轴正向平移Rs，再绕x轴旋转-β 在新坐标系o′x′y′z′里S点绕坐标轴z′旋转，沿坐标轴z′移动 将坐标系o′x′y′z′沿x′轴负向平移Rs，再绕x′轴旋转β 原始坐标系oxyz里坐标系o′x′y′z′作绕z轴作螺旋运动
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
2. 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，但钢丝绳对滑轮绳槽 的比压增大，疲劳寿命的结果趋于 复杂。
(1)滑轮的早期磨损和磨损钝化现象
4) 疲劳、磨损量化分析
(2)三种典型硬度滑轮的线磨率特征
（2）钢丝绳报废标准
(3)钢丝绳卷绕系统设计应用注意事项 GB/T 3811-2008 起重机设计规范
1）安全系数 n
n=F0/S n随机构工作级别提高而增大，港机的起升、 牵引机构工作级别多为M7~M8,对应的安全系数n 为7.1~9，集装箱起重机最小n≥6。 2） D/d比 h 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。港机机构M7~M8,对应的滑轮直径 D与钢丝绳d比为25~28。
三. 钢丝绳应用的几个热点来自百度文库题
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？
三. 钢丝绳应用的几个热点问题
3. 滑轮压痕
滑轮压痕问题是多年来困扰滑轮制造商和港口用户的难题， 它多发生在重载的岸桥上（场桥因技术参数低，从不发生）。
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， 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。
起重机械用钢丝绳检验和报废实用规范
GB/T 5972-2006 标准列举了11条钢丝绳需要报废的情况， 其中，量化判据共2条，3个量化指标：
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；
（2）钢丝绳报废标准
GB/T 5972-2006 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（丝径磨损大于40%； 绳径减小量大于7%） i.外部及内部腐蚀：（往往是存放不当） j.变形； （往往是使用不当，扭结拉伸等） k.由于热或电弧造成的损坏
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
3）滑轮结构、材质、表面硬度
过梨型接头的轻型重载焊接冷轧滑轮应用
2. 港口起重机用绳条件新的变化
3）滑轮结构、材质、表面硬度
上海振华重工-宁 波宁波伟隆传动机 械有限公司试验台
2. 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:
港口起重机钢丝绳应用 与无损检测技术
陶德馨 武汉理工大学
２０１5 年 5 月
主要内容
钢丝绳基本知识 技术演进和使用条件新的变化 几个热点问题 钢丝绳磨损、断丝与疲劳寿命 钢丝绳无损检测技术 钢丝绳点检方法与日常维护
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
二、钢丝绳技术演进和使用条件 新的变化
1、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
2. 港口起重机用绳条件新的变化
S点运动轨迹上各点在扩 展欧氏空间的齐次坐标
7）钢丝绳有限元建模及应力分析
z
z
z
z
x
y
右旋同 向捻
x y
右旋交 互捻
y
x 左旋同 向捻
y
x 左旋交 互捻
各种旋向及捻绕方式的钢丝绳中钢丝中心线
Matlab和Pro/E生 成IWRC6×36WS 钢丝绳空间几何 模型
钢丝绳绳股的三维实体模型的生成过程 IWRC绳芯及钢丝绳三维几何模型
7）钢丝绳有限元建模及应力分析
2
3
1186304个单元，1530819个节点
1
4
1
6
7
5
8
C3D8R单元结构
钢丝绳有限元网格
钢丝塑性特性
S
载荷条件
破断张力的5%、10%、20%、26.7% （S1=15KN，S2=30KN，S3=45KN，S4=60KN， S5=80KN）
应力（MPa） 1450
2、港口起重机钢丝绳使用情况的新变化
7)钢丝绳有限元建模及应力分析
利用有限元工具进行钢丝绳应力分析 研制钢丝绳-滑轮疲劳试验机，开展试
验研究，并进行微观分析 寻找并研究对钢丝绳损伤（断丝）进行
在线实时监测的有效仪器和方法
7）钢丝绳有限元建模及应力分析
钢丝绳空间几何结构模型
钢丝绳的基本结构