影響鋼絲繩工作壽命因素的初步分析

來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)|發(fā)布時(shí)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(duì)鋼絲繩的性能知識(shí)了解不夠、選用不當(dāng)、維護(hù)保管不善造成的浪費(fèi)也是非常普遍的。如有的野外隊(duì)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(guó)家和使用者都帶來(lái)了很大的損失，因而研究鋼絲繩的破壞因素，延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命，仍是每個(gè)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(chē)、鋼絲繩、游動(dòng)滑車(chē)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(guò)鉆塔的天車(chē)，再繞過(guò)游動(dòng)滑車(chē)，末端固定于天車(chē)或游動(dòng)滑車(chē)提把上（圖1）。

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

py|Pa/B，|P：al圖1鋼絲繩工作狀況示意圖

1一天車(chē)；2一游動(dòng)滑車(chē)；3一卷簡(jiǎn)二、鋼絲繩的失效形式：

起下鉆時(shí)，提升系統(tǒng)由卷筒繞出經(jīng)天車(chē)滑輪與繩槽接觸的一段鋼絲繩，它經(jīng)過(guò)卷筒的彎曲纏于最下層，由于排繩不均，鋼絲繩任意交錯(cuò)、互相擠壓、康擦，使鋼絲繩表面嚴(yán)重?fù)p傷，形成許多應(yīng)力集中點(diǎn)。起下鉆時(shí)，它的靜負(fù)荷以及由于起動(dòng)所造成的動(dòng)負(fù)荷都是最大。減壓鉆進(jìn)時(shí)，它要承受鉆具的重量以及由于鉆具破碎巖石帶來(lái)的振動(dòng)，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(qiáng)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(qiáng)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(kāi)裂，或是局部損傷等造成的應(yīng)力集中點(diǎn)。它們?cè)诶瓚?yīng)力和塑性應(yīng)變同時(shí)作用下，逐漸形成疲勞裂紋，隨著循環(huán)周期以及提升累計(jì)重量的不斷增加，鋼絲繩股內(nèi)鋼絲表面的微裂紋不斷擴(kuò)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(gè)捻距內(nèi)剩余有效金屬面積的承載能力與外載荷等值時(shí)，繼續(xù)使用便會(huì)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(dá)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(guò)冷拔，熱處理等專(zhuān)門(mén)工藝，使其強(qiáng)度極限達(dá)140、155、

170、185、200公斤/平方毫米，它相當(dāng)于相應(yīng)鋼材強(qiáng)度的2-3倍。在冶煉過(guò)程中，鋼材的各種成份的含量按GB1178-74規(guī)定嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，如碗、磷含量不得超過(guò)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(guò)程中，金屬組織內(nèi)仍會(huì)留下某些非金屬夾雜物，組織不勻，熱處理過(guò)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(qiáng)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(duì)圓截面鋼絲繩作較詳細(xì)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(chēng)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(jī)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(jiàn)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(shí)稱(chēng)同向捻。

交互捻一鋼絲擰成股和股擰成繩的方向相反稱(chēng)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(lèi)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(diǎn)分點(diǎn)接觸鋼絲繩亦稱(chēng)普通鋼絲繩，線接觸鋼絲繩亦稱(chēng)復(fù)合型鋼絲繩（圖3）。

（a）（6）圖3

（a）一線接觸股；（b）一點(diǎn)接觸段

①點(diǎn)接觸鋼絲繩：股內(nèi)各層鋼絲直徑相同，捻制時(shí)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(diǎn)接觸，故稱(chēng)點(diǎn)接觸鋼絲繩。

②線接觸鋼絲繩：股內(nèi)鋼絲采用粗細(xì)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(gè)長(zhǎng)度上成線狀接觸而稱(chēng)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(xì)搭配；x型（西魯型）一外層鋼絲較粗，內(nèi)層鋼絲細(xì)，T型（填充型）一外層粗絲以細(xì)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(diǎn)接觸鋼絲繩特點(diǎn)比較，

1）線接觸鋼絲繩股中鋼絲沿全長(zhǎng)均勻線接觸，股內(nèi)鋼絲受力均勻，點(diǎn)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(shí)產(chǎn)生附加彎矩，此彎曲和拉力在點(diǎn)接觸處造成很大的應(yīng)力集中，點(diǎn)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(diǎn)接觸鋼絲繩股中鋼絲接觸點(diǎn)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(shí)外層鋼絲受力最小，內(nèi)層稍大，中心鋼絲受力最大，點(diǎn)接觸鋼絲繩內(nèi)外層鋼絲捻角相同，受拉力時(shí)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(shí)，股內(nèi)外層鋼絲與設(shè)備接觸機(jī)會(huì)較多，股與股的互相滑動(dòng)，都使它磨損較嚴(yán)重，因而減輕外層鍋絲的負(fù)荷，便能減緩?fù)鈱愉摻z的疲勞裂紋的擴(kuò)展速度。

.4）線接觸鋼絲繩膠結(jié)構(gòu)緊密，采用粗絲細(xì)絲合理配制，金屬斷面利用系數(shù)K比點(diǎn)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(duì)于同一直徑的鋼絲繩，線接觸鋼絲繩的拉斷力比點(diǎn)接觸繩大，同一工作負(fù)荷下可選用較細(xì)的繩徑。

5）線接觸鋼絲繩由于粗細(xì)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(diǎn)接觸鋼絲繩增強(qiáng)，腐蝕機(jī)會(huì)減少。

6）線接觸鋼絲繩由于具備上述優(yōu)點(diǎn)，因而在使用中壽命比點(diǎn)接觸錢(qián)高，當(dāng)一比值越大時(shí)，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(fù)荷時(shí)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，它的大小與鋼絲繩的彈性模量、制繩時(shí)鋼絲的趁角等因素有關(guān)，因影響因素太多，不能精確計(jì)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(yàn)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(guò)卷筒、滑輪時(shí)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(yàn)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(guó)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(shí)，繩經(jīng)可以選小，對(duì)同一卷筒直徑時(shí)，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(shí)，D/da比值越大，對(duì)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(chē)、潛輪的接觸表面稱(chēng)為支撐表面，計(jì)算時(shí)以鋼絲繩橫截面的四周與覺(jué)槽間接觸點(diǎn)的多少表示。支撐表面越大則鋼絲繩與它接觸時(shí)，作用于鋼絲上的單位工作應(yīng)力越小，故對(duì)繩槽半徑有一定的要求：繩槽半徑過(guò)大，繩負(fù)荷工作時(shí)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(guò)小，繩內(nèi)鋼絲受擠，繩股與繩槽兩側(cè)摩擦加劇，對(duì)鋼絲繩的壽命影響很大。

鋼絲繩與支撐表面接觸時(shí)，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(guò)3公斤/平方毫米時(shí)，材料表層損傷，摩擦系數(shù)增大，鍋絲繩與繩精的相對(duì)滑動(dòng)，使摩損加快，滑輪的輪徑變小，對(duì)鋼絲繩的壽命不利，必須提高滑輪接觸面的疲勞強(qiáng)度。

鋼絲繩與支撐表面間接觸時(shí)的相對(duì)滑動(dòng)是鋼絲繩磨損的主要原因之一，當(dāng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活或由于滑輪輪緣重量過(guò)大，都會(huì)引起接觸面的相對(duì)滑動(dòng)，因而在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意減輕輪緣的重量，在使用中要注意天車(chē)滑輪以及游動(dòng)滑車(chē)滑輪的潤(rùn)滑狀況，減少由滑動(dòng)帶來(lái)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(shí)提升高度很大，為了減小卷筒的寬

度，鉆機(jī)上采用了多層卷繞的平滑卷筒，其缺點(diǎn)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(jiǎn)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(huì)發(fā)生疏密不勻或疊繞現(xiàn)象，對(duì)多層纏繞的平滑卷筒a1≤2*，當(dāng)a；=d時(shí)，t4a山=%

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

7么，“7a=h當(dāng)天車(chē)軸中心線

與卷簡(jiǎn)輸中心線不平

—天車(chē)

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

dh有利，但因?yàn)樵黾恿?/p>

附加扭轉(zhuǎn)和康擦次

數(shù)，對(duì)繩的壽命是不

利的。上蒼海

鋼絲繩掛繩時(shí)的1彎曲方向應(yīng)盡量一

致，當(dāng)只有一個(gè)方向圖4彎曲時(shí)，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(yán)重，所以在設(shè)計(jì)安裝中應(yīng)注意繩的彎曲次數(shù)及彎曲方向。

回繩過(guò)程中，鋼絲繩在卷筒上的纏繩緊度取決于游動(dòng)滑車(chē)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(duì)排繩不利，下鉆時(shí)上層繩有可能拉入下層，鋼絲繩會(huì)劇烈損壞。

（三）鋼絲繩的維護(hù)、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(diǎn)蝕，表層下的腐蝕、晶間開(kāi)裂，如果我們注意鋼絲繩的維護(hù)、潤(rùn)滑、保管將大大減慢它的腐蝕破壞作用。