特种设备用钢丝绳断裂的原因

作者：admin 发布时间：2020-04-07 13:44点击：

0引言

某停车场升降平台用钢丝绳在提升过程中发生断裂。该钢丝绳型号为13NAT6×19W+

IWR1870ZS，结构为瓦林吞式，如图1所示，即每股外层包含粗细交替排列的两种钢丝，且外层纲丝数是内层钢丝数两倍的平行捡结构。钢丝绳外层股外层钢丝的直径分别为0.95，0.72mm，内层钢丝和中心钢丝直径为0.90mm。该升降平台属于特种设备，升降速度12m·min1，平移迷度16m·min'。

钢丝绳已服役2a。此次锅丝绳断裂事故虽未造成人员伤亡，但造成了较大的经济损失。为了找到钢丝绳断裂的原圈，从而采取有效措施避免类似事故的再次发生，作者对断裂钢丝绳进行了失效分析。

1理化检验及结果

1.1宏观形貌

由图2（a）可见，断裂钢丝呈现蓬松状，且钢丝绳多处出现绳股断裂、钢丝断裂现象，疑似磨损严重。

截取部分失效钢丝绳，在乙醇中超声波清洗后，发现钢丝纪上部分断裂钢丝向外翘曲，钢丝表面存在磨损现象，如图2（b）所示；部分断裂钢丝绳外层股锅丝的表面也存在摩擦磨损痕迹，由图2（c）所示。

拆除1股钢丝绳外层股后，发现绳芯上布满断丝，如图3（a）所示；在拆解过程中，有大量断成碎屑的钢丝从钢丝绳中散落；将外层股全部拆除后发现绳芯基本全部断裂，如图3（b）所示，在钢丝绳断裂处到远离断裂处1m左右均出现此类现象。此外，远离钢丝经断裂处的外层股表面也存在断丝，但断丝数量较绳芯上的少很多。

1.2断口形貌

拆解与清洗后，将26根钢丝（包括外层股和绳芯）的断口在乙醇中超声波清洗10min，烘千后置于ZEISSEVOMA15型扫描电子显微镜（SEM）下观察断口形貌。一般而言，钢丝断口有平齐状、台阶状和颈缩状3种形貌田。

26根断裂钢丝的断口绝大多数呈平齐状，如图4（a）所示，未发生塑性变形。绳芯钢丝的断口几乎全部呈平齐状。外层股断裂钢丝的断口部分呈平齐状，约占外层股断裂钢丝断口数量的70%，部分呈台阶状，如图4（b）所示，约占外层股断裂钢丝断口数量的20%。平齐找断口和台阶状断口均呈现疲劳断裂特征，疲劳裂纹源位于断裂钢丝外侧表面，颜色较暗，如图4（c）所示，微裂纹疑似因钢丝表面受挤压、磨损而产生；疲劳裂纹扩展区呈解理特征并伴随有二次裂纹，如图4（d）所示；瞬断区呈韧窝特征，如图4（e）所示。在其中一台阶状断口的断裂钢丝表面产生多处微小裂纹，微小裂纹沿着断裂方向扩晨，形成较大裂口，如图4（f）所示。
外层股断裂钢丝还存在少量颈缩状断口，如图5（a）所示，约占外层股断裂钢丝断口数量的10%，断口侧面存在挤压、磨损痕迹；颈缩状断口呈现韧窝形貌，如图5（b）所示，说明外层股钢丝发生了正常的塑性断裂，为典型的拉拔过载所致。绳芯断裂钢丝未发现颈缩状断口。

2断裂原因及改进措施

由断口分析可知：断裂钢丝的断口形貌共有平齐状、台阶状和颈缩状3种，其中平齐状断口和台阶状断口均存在疲劳断裂的典型特征；绳芯钢丝和90%外层股钢丝的断口均呈现平齐状或台阶状形貌，只有约10%的外层股钢丝断口呈正常断裂的颈缩状形貌，推断钢丝绳失效的主要原因是疲劳[]。

由显微组织和化学成分分析可知，钢丝的化学成分符合70钢的要求，钢丝绳加工过程中的铅浴等温淬火热处理工艺正常，钢丝的显微组织主要为索氏体十少量先共析铁素体相。钢丝绳已服役2a，其显微组织和化学成分仍满足要求；虽然未检测同批次未使用钢丝绳，但由其质保书确定其参数合格。因此，基本认定失效钢丝绳在2a前的出厂扶态应属正常，无质量问题。

失效钢丝绳的结构为瓦林吞式，外层股最外层交替排列着直径0.95mm和0.72mm的两种钢丝，这两种钢丝是与附件直接接触的钢丝，直径

0.90mm的钢丝为第二层钢丝。力学性能测试结果表明，最外层钢丝的力学性能下降较快，结合宏观形貌观察可知，钢丝绳在使用中发生了严重的磨损。最外层钢丝的磨损和与钢丝绳长期接触的附件直接相关。在工作过程中，该钢丝绳要反复经过六组滑轮，且滑轮间距很小；工作环境非封闭环境，会受到来自外部环境的污染和腐蚀；其工作强度大、载重大、逸度高，每天需反复升降8h，每天升降在80次左右。因此，钢丝绳长期承受着拉、弯、担、挤、振动等复杂交变应力的作用，这使得其外层股以及绳芯钢丝局部应力集中，且在挤压、摩擦过程中温度升高，导致组织发生相变，从而产生如图7所示的淬火马氏体组织。马氏体是一种硬而脆的组织，在反复弯曲变形过程中极易萌生微裂纹，成为疲劳裂纹源；裂纹扩展导致疲劳断裂。

在拆解钢丝绳过程中发现，绳芯钢丝基本全部断裂，断裂时间明显早于外层股钢丝，也早于钢丝绳的整体断裂。这是因为绳芯本身是一根7×7结构的钢丝绳，其钢丝间为点接触，该接触方式明显劣于钢丝绝外层股钢丝间的线接触；绳芯虽然主要起支撑钢丝绳整体结构的作用（力主要集中于外层股钢丝上），但是在钢丝绳升降过程中也承受着一定力的作用；钢丝绳长期承受着挤压和磨损作用，同时外层股与绳芯间也接触不佳。所以，绳芯钢丝比外层股钢丝磨损得更快，首先失效。在绳芯钢丝失效后，由于钢丝绳缺少了绳芯的支撑作用，其外层股钢丝磨损加速，进而导致钢丝绳整体失效。

失效钢丝绳为全钢芯钢丝绳。全锅芯钢丝绳具有密实、椭圆度好、支撑作用佳、同直径承载力大等优点，适用于索道、港口吊装等场合。但是全钢芯钢丝绳也同时存在柔性差，绳内股与股间、股与芯间易磨损等缺点，通常不适合用于反复经过滑轮的场合，因为在该工况下，高强度钢丝绳韧性会不可避免地下降，且高强度钢丝绳存在不耐磨损、不抗疲劳的缺点。因此，建议该升降平台用钢丝绳重新选型。考虑到升降平台对钢丝绳耐磨性和抗疲劳要求较高，作者认为首先应考虑将钢芯更换为剑麻芯，因为剑麻芯钢丝绳更柔软、弯曲性能更好，在受到碰撞和冲击时，剑麻芯能起到缓冲作用；而且，剑麻芯储油多，在工作过程中能保证其内部的润滑性，缓解钢丝的腐蚀；剑麻芯耐挤压，在动载荷作用下不易变形，尺寸稳定，可避免因钢丝间的反复挤压、弯曲而导致的断裂。其次，还可选择双强度等级钢丝绳，即：外层股钢丝强度较低，通常在1320~1620MPa；内层股钢丝强度较高，通常在1770~1960MPa。这种钢丝绳外层股钢丝的表面硬度较低，在钢丝绳与滑轮组成的摩擦副中，可以与清轮轮槽硬度相匹配，从而提高钢丝的疲劳性能，延长其使用寿命。最后，还可考虑将结构改为西鲁式结构。西鲁式结构常用于经过清轮的场合，因为该结构的外层股锅丝比瓦林吞结构的粗，在同为线接触的结构中更耐磨。

3结论

（1）钢丝绳发生了疲劳断裂。在使用过程中，钢丝绳承受着拉、弯、扭、挤、振动等复杂交变应力，使得钢丝绳外层股以及绳芯钢丝局部应力集中，且在挤压、摩擦过程中温度的井高使钢丝表面组织发生相变，产生硬而脆的马氏体组织，导致微裂纹萌生；裂纹扩展导致断裂。绳芯钢丝比外层股钢丝磨损得更快，首先失效；在绳芯失效后，外层股钢丝磨损加速，进而导致钢丝绳整体失效。

（2）应结合钢丝绳使用的实际工况，重点关注其直径、强度、结构、绳芯材料等参数，通过合理选型来抑制或推迟疲劳的发生时间。另外，在使用过程中要做好钢丝绳的维护保养工作，定期检查钢丝绳断丝、磨损情况，断丝、磨损达到报废标准时应及时更换。

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