影響鋼絲繩工作壽命因素的初步分析

來源：網(wǎng)絡(luò)|發(fā)布時間：2022-05-18 14:28:55| 瀏覽數(shù)：...

由于鋼絲繩廣泛應(yīng)用于地質(zhì)鉆探設(shè)備的提升系統(tǒng)，鋼絲繩的消耗量很大。鉆探工作中，由于某些人員對鋼絲繩的性能知識了解不夠、選用不當(dāng)、維護保管不善造成的浪費也是非常普遍的。如有的野外隊在使用中發(fā)現(xiàn)鋼絲繩損壞很快，便加粗繩徑，結(jié)果導(dǎo)致鋼絲繩的提前破壞，給國家和使用者都帶來了很大的損失，因而研究鋼絲繩的破壞因素，延長鋼絲繩的使用壽命，仍是每個鉆探工作者共同關(guān)心的課題。

一、鋼絲繩的工作狀況：

鉆探設(shè)備的提升系統(tǒng)由天車、鋼絲繩、游動滑車以及提引器組成。鋼絲繩的一端固定于設(shè)備的卷筒上，經(jīng)卷筒纏繞后，自由端繞過鉆塔的天車，再繞過游動滑車，末端固定于天車或游動滑車提把上（圖1）。

鋼絲繩在起下鉆過程中載荷性質(zhì)屬于波動拉伸循鋼絲繩除了擔(dān)負起下鉆的任務(wù)外，鉆進時還要承擔(dān)鉆具的重及鉆具破碎巖石產(chǎn)生的振動。

py|Pa/B，|P：al圖1鋼絲繩工作狀況示意圖

1一天車；2一游動滑車；3一卷簡二、鋼絲繩的失效形式：

起下鉆時，提升系統(tǒng)由卷筒繞出經(jīng)天車滑輪與繩槽接觸的一段鋼絲繩，它經(jīng)過卷筒的彎曲纏于最下層，由于排繩不均，鋼絲繩任意交錯、互相擠壓、康擦，使鋼絲繩表面嚴重損傷，形成許多應(yīng)力集中點。起下鉆時，它的靜負荷以及由于起動所造成的動負荷都是最大。減壓鉆進時，它要承受鉆具的重量以及由于鉆具破碎巖石帶來的振動，這便是鋼絲繩的局部高應(yīng)力發(fā)生區(qū)。雖然鋼絲繩的工作應(yīng)力最大值小于材料的強度極限，但它在變應(yīng)力作用下，經(jīng)多次循環(huán)后，

金屬材料內(nèi)部強度較弱的基體中品粒產(chǎn)生滑移，循環(huán)加載使滑移量漸漸加大并沿著與拉應(yīng)力成45”的切應(yīng)力方向傳播，或是材料組織內(nèi)的非金屬夾雜物，或是應(yīng)力腐蝕在金屬表面產(chǎn)生的腐蝕小孔，或是高溫下的晶界開裂，或是局部損傷等造成的應(yīng)力集中點。它們在拉應(yīng)力和塑性應(yīng)變同時作用下，逐漸形成疲勞裂紋，隨著循環(huán)周期以及提升累計重量的不斷增加，鋼絲繩股內(nèi)鋼絲表面的微裂紋不斷擴展造成斷絲。斷絲數(shù)量的增加使鋼絲繩內(nèi)鋼絲的破斷速度也增加。當(dāng)鋼絲繩一個捻距內(nèi)剩余有效金屬面積的承載能力與外載荷等值時，繼續(xù)使用便會導(dǎo)致鋼絲繩的整繩斷裂。分析表明，鋼絲繩的失效形式主要是金屬疲勞產(chǎn)生的斷絲數(shù)量達到一定值造成的。

三、影響鋼絲繩工作壽命的因案：

（一）鋼絲繩的質(zhì)量1.鋼絲繩的材質(zhì)：

為了提高材料的疲勞極限，鋼絲繩的鋼絲選用了優(yōu)質(zhì)碳素鋼454、50*、60#、65材料制成，并通過冷拔，熱處理等專門工藝，使其強度極限達140、155、

170、185、200公斤/平方毫米，它相當(dāng)于相應(yīng)鋼材強度的2-3倍。在冶煉過程中，鋼材的各種成份的含量按GB1178-74規(guī)定嚴格控制在一定范圍內(nèi)，如碗、磷含量不得超過0.035%，其它元素如錳允許在0.4~

0.7%的范圍內(nèi)。盡管如此，在冶煉中以及拔制，熱處理的過程中，金屬組織內(nèi)仍會留下某些非金屬夾雜物，組織不勻，熱處理過程中留下的殘余應(yīng)力，都不同程度的削弱了鋼絲基體的強度，這些缺陷在交變載荷下都是形成裂紋的根源。

2.鋼絲繩捻制工藝及構(gòu)造：

由于鋼絲繩的用途極廣，為了適應(yīng)各種使用條件，它的構(gòu)造繁多，而提升系統(tǒng)只采用圓型載面，故對圓截面鋼絲繩作較詳細的介紹。

（1）單捻鋼絲繩：以一根鋼絲為中心，它的外層由若干根鋼絲沿著這根鋼絲作螺旋線纏繞的鋼絲束稱單捻鋼絲繩。

（2）雙捻鋼絲繩：由若干股（常用6股或8股）沿金屬芯，或纖維、有機芯作螺旋線纏繞的鋼絲繩叫雙捻鋼絲繩。

（3）鋼絲繩的捻向：鋼絲繩的捻制方式分三種（見圖2）司習(xí)

（a）圖S右版

（C）圖2

（a）一同向卷；（b）一交互挖；（c）一混挖同向捻一鋼絲擰成股和股擰成繩的方向相同時稱同向捻。

交互捻一鋼絲擰成股和股擰成繩的方向相反稱交互捻。

混捻一上述兩種的混合型應(yīng)用極少，不贊述。上述三類繩，按股在繩中的搶制方向分為左旋和右旋兩種。

（4）鋼絲繩的結(jié)構(gòu)：雙捻鋼絲繩按結(jié)構(gòu)特點分點接觸鋼絲繩亦稱普通鋼絲繩，線接觸鋼絲繩亦稱復(fù)合型鋼絲繩（圖3）。

（a）（6）圖3

（a）一線接觸股；（b）一點接觸段

①點接觸鋼絲繩：股內(nèi)各層鋼絲直徑相同，捻制時各鋼絲捻角相同，同層鋼絲為絲接觸異層鋼絲互相交又形成點接觸，故稱點接觸鋼絲繩。

②線接觸鋼絲繩：股內(nèi)鋼絲采用粗細不同直徑、互相搭配填充間隙、各層鋼絲捻距相同，上下層一次捻成，所有相鄰的鋼絲在受捻搓的整個長度上成線狀接觸而稱線接觸鋼絲繩。

線接觸鋼絲繩又分三種：w型（瓦林吞型）一外層鋼絲粗細搭配；x型（西魯型）一外層鋼絲較粗，內(nèi)層鋼絲細，T型（填充型）一外層粗絲以細絲填充。由于鋼絲繩直徑很粗應(yīng)用不廣泛。

③線接觸鋼絲繩與點接觸鋼絲繩特點比較，

1）線接觸鋼絲繩股中鋼絲沿全長均勻線接觸，股內(nèi)鋼絲受力均勻，點接觸鋼絲繩股內(nèi)相鄰層鋼絲的橫切使繩具有二次彎曲現(xiàn)象，當(dāng)鋼絲繩受拉伸或扭轉(zhuǎn)時產(chǎn)生附加彎矩，此彎曲和拉力在點接觸處造成很大的應(yīng)力集中，點接觸鋼絲繩的應(yīng)力集中系數(shù)可為線接

觸鋼絲繩的雙倍。

2）線接觸鋼絲繩由于消除了橫切，降低了鋼絲間的接觸應(yīng)力和局部磨損。由于橫切，點接觸鋼絲繩股中鋼絲接觸點處的接觸應(yīng)力約為線接觸鋼絲繩的五倍。

3）線接觸鋼絲繩股內(nèi)各層鋼絲捻距相同，受拉力時外層鋼絲受力最小，內(nèi)層稍大，中心鋼絲受力最大，點接觸鋼絲繩內(nèi)外層鋼絲捻角相同，受拉力時內(nèi)外層鋼絲受力相同，僅中心鋼絲受力最大。當(dāng)工作條件相同時，股內(nèi)外層鋼絲與設(shè)備接觸機會較多，股與股的互相滑動，都使它磨損較嚴重，因而減輕外層鍋絲的負荷，便能減緩?fù)鈱愉摻z的疲勞裂紋的擴展速度。

.4）線接觸鋼絲繩膠結(jié)構(gòu)緊密，采用粗絲細絲合理配制，金屬斷面利用系數(shù)K比點接觸鋼絲繩高，以6×19鋼絲繩為例：

6×19普通型k=0.76；

6W（19）型k=0.845，

6x（19）型k=0.76。

故對于同一直徑的鋼絲繩，線接觸鋼絲繩的拉斷力比點接觸繩大，同一工作負荷下可選用較細的繩徑。

5）線接觸鋼絲繩由于粗細鋼絲的合理配制，鍋絲間有害間隙減少，防止水位和污物侵入繩中能力比點接觸鋼絲繩增強，腐蝕機會減少。

6）線接觸鋼絲繩由于具備上述優(yōu)點，因而在使用中壽命比點接觸錢高，當(dāng)一比值越大時，效果更為顯著。

（二）鋼絲繩的工作條件：

鋼絲繩在交變載荷下所能承受的最大工作循環(huán)次數(shù)除受材質(zhì)、捻制工藝、構(gòu)造等因素影響外，再便是工作中載荷的大小、彎曲次數(shù)的多少、設(shè)備安裝位置、掛繩方式的影響。

1.鋼絲繩拉伸應(yīng)力與鋼絲繩工作循環(huán)次數(shù)鋼絲繩有負荷時產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，它的大小與鋼絲繩的彈性模量、制繩時鋼絲的趁角等因素有關(guān)，因影響因素太多，不能精確計算，雙繞繩的控伸應(yīng)力大約0g心1.2Sa'

.xd

'4式中：g鋼絲的拉應(yīng)力；Sasx——繩最大軸向拉力；do——鋼絲直徑；

：——鋼絲繩中鋼絲的總根數(shù)。

據(jù)大量試驗證明：隨著拉力的增加，鋼絲的拉應(yīng)力也增加，鋼絲繩的工作循環(huán)次數(shù)急劇下降。

2.鋼絲繩的彎曲應(yīng)力與輪繩直徑比，鋼絲繩繞過卷筒、滑輪時產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，鋼絲繩內(nèi)鋼絲彎曲應(yīng)力aa為：

0.=E告

式中：D——卷筒、滑輪直徑；d.——鋼絲直徑；Ea——鋼絲繩整繩彈性模量

~1000公斤/毫米。

理論及試驗證明，彎曲應(yīng)力的大小以及疲勞壽命取決于卷筒和鋼絲繩直徑比，同一鋼絲繩直徑下，卷筒直徑越大，彎曲應(yīng)力越低，同一卷筒直徑下，繩徑越小，彎曲應(yīng)力越小，亦即D/Ha越大，彎曲應(yīng)力越小，D/da比的選擇，一般根據(jù)工作條件選用，除此之外亦與各國生產(chǎn)鋼絲繩的工藝水平及質(zhì)量有關(guān)，當(dāng)材質(zhì)及捻制工藝水平提高時，繩經(jīng)可以選小，對同一卷筒直徑時，比值便增大，常用比值在16-25內(nèi)選取，當(dāng)設(shè)備條件不受限制時，D/da比值越大，對鋼絲繩的壽命更有利。

3.鋼絲繩與支撐表面

鋼絲繩與卷筒、天車、潛輪的接觸表面稱為支撐表面，計算時以鋼絲繩橫截面的四周與覺槽間接觸點的多少表示。支撐表面越大則鋼絲繩與它接觸時，作用于鋼絲上的單位工作應(yīng)力越小，故對繩槽半徑有一定的要求：繩槽半徑過大，繩負荷工作時鋼絲繩的橫截面成橢圓形，繩股內(nèi)鋼絲互相摩擦擠壓，繩槽半徑過小，繩內(nèi)鋼絲受擠，繩股與繩槽兩側(cè)摩擦加劇，對鋼絲繩的壽命影響很大。

鋼絲繩與支撐表面接觸時，支撐表面的破壞形式主要是接觸疲勞破壞，當(dāng)鋼絲繩與接觸面的比壓超過3公斤/平方毫米時，材料表層損傷，摩擦系數(shù)增大，鍋絲繩與繩精的相對滑動，使摩損加快，滑輪的輪徑變小，對鋼絲繩的壽命不利，必須提高滑輪接觸面的疲勞強度。

鋼絲繩與支撐表面間接觸時的相對滑動是鋼絲繩磨損的主要原因之一，當(dāng)滑輪轉(zhuǎn)動不靈活或由于滑輪輪緣重量過大，都會引起接觸面的相對滑動，因而在設(shè)計時應(yīng)注意減輕輪緣的重量，在使用中要注意天車滑輪以及游動滑車滑輪的潤滑狀況，減少由滑動帶來的鋼絲繩磨損。

4.鋼絲繩的纏繞、彎曲次數(shù)及彎曲方向：由于鉆探時提升高度很大，為了減小卷筒的寬

度，鉆機上采用了多層卷繞的平滑卷筒，其缺點是內(nèi)層鋼絲繩受到外層鋼絲繩的擠壓，鋼絲繩容易損壞，為了保證繩素在卷筒上均勻纏繞，滑輪繩槽的中心線應(yīng)在卷簡的垂直平分線上（如圖4），偏斜角度應(yīng)保持下面的條件，否則會發(fā)生疏密不勻或疊繞現(xiàn)象，對多層纏繞的平滑卷筒a1≤2*，當(dāng)a；=d時，t4a山=%

當(dāng)天車滑輪中心線不能垂直平分卷筒的中心線時，a，÷a：應(yīng)符合下面條件LL

7么，“7a=h當(dāng)天車軸中心線

與卷簡輸中心線不平

—天車

行時，中間應(yīng)增設(shè)導(dǎo)向輪，并符合上面的條件，此時雖對排繩

dh有利，但因為增加了

附加扭轉(zhuǎn)和康擦次

數(shù)，對繩的壽命是不

利的。上蒼海

鋼絲繩掛繩時的1彎曲方向應(yīng)盡量一

致，當(dāng)只有一個方向圖4彎曲時，所能承受的彎曲次數(shù)比有反向彎曲的次數(shù)約大一倍。一次反向彎曲，相當(dāng)正向彎曲兩次，而且彎曲次數(shù)愈多，磨損也愈嚴重，所以在設(shè)計安裝中應(yīng)注意繩的彎曲次數(shù)及彎曲方向。

回繩過程中，鋼絲繩在卷筒上的纏繩緊度取決于游動滑車及提引器的重量，這部分重量太輕，鋼絲繩由于有僵性而纏不緊，對排繩不利，下鉆時上層繩有可能拉入下層，鋼絲繩會劇烈損壞。

（三）鋼絲繩的維護、檢查、保管：

由于環(huán)境因素的影病，鋼絲繩被腐蝕，它在交變循環(huán)載荷作用下，鋼絲繩的壽命將大大縮短。它的主要破壞形式是點蝕，表層下的腐蝕、晶間開裂，如果我們注意鋼絲繩的維護、潤滑、保管將大大減慢它的腐蝕破壞作用。