立井提升鋼絲繩失效機(jī)理及其防護(hù)

陳尚尚

摘要：本文闡述了煤礦立井提升鋼絲繩的失效形式與機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其防護(hù)措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：煤礦立井;立井提升系統(tǒng);提升鋼絲繩

提升鋼絲繩是煤礦立井提升設(shè)備的重要組成部分，對(duì)立井提升設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及安全作業(yè)具有至關(guān)重要的影響。在煤礦立井生產(chǎn)作業(yè)實(shí)踐中，由于提升鋼絲繩失效斷裂而造成的重大煤礦安全事故如箕斗墜落井底、鋼絲繩運(yùn)輸跑車事故等時(shí)有發(fā)生，給煤礦生產(chǎn)作業(yè)安全造成重大不利影響，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失甚至是人員傷亡。因此，對(duì)煤礦立井提升鋼絲繩的失效機(jī)理進(jìn)行分析研究并制定具有針對(duì)性的防護(hù)措施，對(duì)于煤礦安全作業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文就此方面進(jìn)行一些探討，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)研究提供一些參考與借鑒。

1煤礦立井提升鋼絲繩失效形式及其機(jī)理

煤礦立井提升鋼絲繩是由數(shù)量不等的優(yōu)質(zhì)碳素細(xì)鋼絲捻制成股，然后再由若干股圍繞繩芯捻制成繩，繩中間夾有浸過防腐、防銹油的纖維繩芯制成。鋼絲繩性能受惡劣工況的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種物理、化學(xué)損傷，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，甚至破斷。其失效形式主要有斷裂、磨損、腐蝕等幾種。

1.1斷裂

斷裂是鋼絲繩最常見的失效類型，由于鋼絲繩的特殊結(jié)構(gòu)，斷裂失效又可分為斷絲、斷股和斷繩3類。斷股和斷繩都是斷絲發(fā)展到一定程度的結(jié)果，因此分析斷絲的失效機(jī)理是揭示鋼絲繩斷裂的關(guān)鍵所在。

斷絲是指鋼絲繩表面出現(xiàn)鋼絲開裂、有毛刺甚至繩股斷裂等特征，其失效形式主要有3種形式，分別為一次加載斷絲、疲勞斷絲以及由環(huán)境介質(zhì)引起的斷絲。一次加載斷絲由于載荷作用導(dǎo)致鋼絲繩變形形式的不同，這種失效形式在立井提升鋼絲繩中比較常見，主要表現(xiàn)為拉力破斷與剪切破斷。鋼絲繩疲勞斷絲的失效形式有很多種，但其基本形式只有2種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞及由正應(yīng)力引起的正斷疲勞，其他形式的疲勞，都是這2種基本形式在不同條件下的復(fù)合。常見提升鋼絲繩的疲勞斷絲主要是由于鋼絲繩在承受一定的拉力下，反復(fù)彎曲，使繩股內(nèi)鋼絲由于金屬的疲勞效應(yīng)所引起的斷絲，通常發(fā)生在繩股彎曲程度最厲害的一側(cè)的外層鋼絲繩上。鋼絲繩斷裂失效不僅與材料的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，而且在很大程度上取決于它的環(huán)境條件。當(dāng)?shù)V井提升系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不良時(shí)，鋼絲繩磨損會(huì)日趨嚴(yán)重，最終導(dǎo)致斷絲;腐蝕斷絲一般發(fā)生在鋼絲繩在具有腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下（如礦井，一般具有較強(qiáng)酸性或者堿性的淋水）運(yùn)行，使鋼絲被腐蝕、銹蝕，有效工作面積逐漸減少，最后導(dǎo)致斷絲。

1.2磨損

立井提升鋼絲繩由于同滑輪或者相鄰繩股的接觸表面有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使得鋼絲繩形狀、尺寸或者重量發(fā)生變化，這一過程即為磨損。磨損會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩尺寸減少和表面狀態(tài)改變，并最終喪失其功能。該失效形式在提升鋼絲繩中也比較常見。磨損失效是逐步發(fā)展、漸變的過程，不像斷裂失效事故那樣具有突然性，但磨損通常導(dǎo)致受載截面面積減少以及疲勞敏感性的增加，造成斷裂失效，特別在腐蝕介質(zhì)中，磨損將加速腐蝕過程。

鋼絲繩各種磨損過程都是由其特殊機(jī)制所決定的，并表現(xiàn)出相應(yīng)的失效模式，主要分為機(jī)械磨損和塑性磨損。機(jī)械磨損主要為外部鋼絲磨損，是在使用過程中鋼絲繩外層鋼絲與繩槽、吊鉤、地面等表面接觸而引起的磨損。這種現(xiàn)象在加速或者減速時(shí)，鋼絲繩與滑輪接觸的部位特別明顯。表現(xiàn)為鋼絲繩外周表面的鋼絲被磨平，繩徑變細(xì)，受載截面積減少，受載能力也隨之降低。此外，鋼絲繩潤(rùn)滑不足以及鋼絲繩上、繩股間有灰塵、沙粒和石子會(huì)加劇機(jī)械磨損的產(chǎn)生。塑性磨損是由于振動(dòng)、碰撞、內(nèi)部擠壓造成的鋼絲繩表面撞損，屬于一種局部磨損現(xiàn)象。如提升鋼絲繩相互纏繞、咬繩現(xiàn)象，同時(shí)，由于鋼絲繩的彎曲，鋼絲繩內(nèi)部各根細(xì)鋼絲就會(huì)相互產(chǎn)生作用力并且產(chǎn)生滑移，這時(shí)股與股之間接觸應(yīng)力增大，使相鄰股間的鋼絲產(chǎn)生局部壓痕深凹，都會(huì)使鋼絲繩產(chǎn)生塑性磨損。

1.3磨蝕

鋼絲繩一般處于較為惡劣的工作環(huán)境中，鋼絲與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)會(huì)造成鋼絲腐蝕。腐蝕與斷裂、磨損是鋼絲繩損傷的最重要形式。與鋼絲繩斷裂不同的是，腐蝕和磨損一樣都是一個(gè)漸進(jìn)的過程，而且在很多情況下，兩者通常是相互作用，導(dǎo)致鋼絲繩的早期失效;同時(shí)，腐蝕是鋼絲繩斷裂的條件，甚至直接導(dǎo)致斷裂的產(chǎn)生。

鋼絲繩的腐蝕基本可分成兩類：一是空氣接觸發(fā)生的腐蝕，如一些鋼絲繩在酸性環(huán)境內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，另外在潮濕大氣環(huán)境中就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕;另一類是局部的腐蝕，如孔蝕，其形成過程是介質(zhì)中的活性陰離子被吸附在金屬表層氧化膜上，并對(duì)氧化膜產(chǎn)生破壞作用，這類腐蝕失效往往發(fā)生在一些有鍍層的鋼絲繩上。

2煤礦立井鋼絲繩的防護(hù)措施

2.1根據(jù)提升方式合理選擇鋼絲繩

煤礦立井提升方式不同，所選擇的鋼絲繩型號(hào)也不同。對(duì)于單繩纏繞式提升，一般宜選用光面同向左捻、斷面形狀為圓形股或三角形股，接觸形式為點(diǎn)或線接觸的鋼絲繩，且多采用價(jià)格較低的 6 股19 絲的普通圓形股鋼絲繩。對(duì)于礦井淋水大，酸或堿度高和作為出風(fēng)井的井筒中使用時(shí)，為防止鋼絲繩銹蝕，宜選用鍍鋅面鋼絲繩。對(duì)于多繩摩擦提升，一般宜選用鍍鋅面、同向捻的鋼絲繩，且左捻、右捻各半，并且斷面形狀是三角股的較好。

2.2減小彎曲及接觸應(yīng)力以避免鋼絲繩過度磨損

在確定提升鋼絲繩斷面尺寸時(shí)，應(yīng)保證提升機(jī)滾筒的直徑與繩徑之間有足夠的比值，以減少?gòu)澢鷳?yīng)力;繩槽直徑必須合理，若繩槽過小會(huì)引起鋼絲繩擠壓而造成斷絲，繩槽過寬則會(huì)使鋼絲繩在繩槽中受壓面積減小，增大接觸應(yīng)力，產(chǎn)生繩與繩槽之間的過度磨損。

2.3保持良好的潤(rùn)滑以防止鋼絲銹蝕

潤(rùn)滑對(duì)鋼絲繩的使用壽命影響甚大。潤(rùn)滑的作用是保護(hù)繩外部鋼絲不受侵蝕，使絲與絲之間得到潤(rùn)滑，減少磨損，防止水分浸入繩芯。鋼絲繩所用潤(rùn)滑油脂一般均采用專用的鋼絲繩油，并要注意與鋼絲繩廠家制造時(shí)所使用的油脂相適應(yīng)。要求其黏稠性能好，振動(dòng)、淋水沖甩不掉;遇低溫不硬化，高溫不流失;防銹潤(rùn)滑性能好，具有一定的透明度，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩斷絲和損壞的情況。

2.4定期檢查與測(cè)試以防止斷繩事故發(fā)生

提升鋼絲繩在使用過程中，若發(fā)生容器過卷、卡罐、掉道或松繩打結(jié)等現(xiàn)象，鋼絲繩必將承受巨大的沖擊載荷，易造成斷繩事故發(fā)生。為確保提升鋼絲繩的使用安全，必須對(duì)提升鋼絲繩進(jìn)行定期的檢查和試驗(yàn)。具體來說，提升鋼絲繩必須每天以0 .5m/s 以下的速度進(jìn)行詳細(xì)檢查，并記錄斷絲情況;鋼絲繩如果遭受卡罐或突然停車等猛烈拉伸時(shí)，必須立即停車檢查遭受猛烈拉伸的區(qū)域;鋼絲繩作多層纏繞時(shí)，應(yīng)盡量避免“咬繩”現(xiàn)象發(fā)生。由下層轉(zhuǎn)到上層的臨界段必須加強(qiáng)檢查，并且每季度錯(cuò)繩1/4 圈。

3結(jié)束語

煤礦立井提升鋼絲繩的失效破壞表現(xiàn)形態(tài)多樣，且多種原因交錯(cuò)，同時(shí)存在幾種失效形式共同出現(xiàn)的可能，有些可以根據(jù)定量計(jì)算確定，有些需要根據(jù)檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷和程度定性判斷，必要時(shí)利用檢測(cè)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)。評(píng)價(jià)鋼絲繩是否報(bào)廢，不能孤立分析某一種失效形式，應(yīng)該對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行綜合考慮，按標(biāo)準(zhǔn)掌握，一旦發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的損壞達(dá)到了危險(xiǎn)程度應(yīng)立即更換。另外在更換新鋼絲繩前，還應(yīng)明確并消除對(duì)鋼絲繩有不利影響的設(shè)備缺陷。

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