集装箱起重机用钢丝绳研究

 

法尔胜泓昇集团有限公司

黄磊  刘红芳

 

摘要：研究集装箱起重机用钢丝绳，从控制原辅材料质量、学习世界先进钢丝绳技术、研究钢丝绳失效原因以及学习国外生产技术强势企业提供的良好技术服务支持，多方面阐述提高集装箱用钢丝绳质量的方法措施。原材料的非金属夹杂物的大小、形态、分布状况对钢丝和钢丝绳的疲劳寿命影响，集装箱用绳的特殊工作状况，从产品结构设计选型上作分析研究，并根据钢丝绳使用的卷筒选择合适的钢丝绳直径等。

 

关键词：集装箱用钢丝绳；疲劳寿命；钢丝绳结构；失效分析

 

国内集装箱港口码头装卸用提升钢丝绳的供货厂家比较多，产品结构型号也不尽相同。由于，港口装卸作业具有高效率、高风险以及国内外钢丝绳寿命存在较大差异，在国内港口钢丝绳市场，进口产品占据了极其可观的市场份额，特别是对集装箱起重机用钢丝绳（简称集装箱钢丝绳），国外钢丝绳甚至占据主导地位。从各个现场使用结果来看，进口钢丝绳的使用寿命普遍高于国产钢丝绳，相应的销售价格也远高于国产钢丝绳。近些年来，随着国内金属制品行业不断技术进步，具有较强技术实力的钢丝绳生产企业纷纷加大集装箱钢丝绳开发力度，不论是装备采用国外进口的先进装备还是自主研发的先进装备，生产技术实力较强的企业生产的集装箱用钢丝绳已经有了明显提高，使用寿命也基本上稳定在进口产品的75%以上，而产品的销售价格仅为进口产品的70%。

针对集装箱用钢丝绳，从国内几家主要港口装卸机使用的进口钢丝绳和国内钢丝绳进行跟踪，从使用的原材料、制造工艺、结构设计等方面进行分析，并从钢丝绳使用失效分析以及维护方面提出一些建议。

1. 集装箱用钢丝绳的结构设计和生产制造

1．1原辅材料

控制原辅材料质量对生产任何用途钢丝绳都很重要，对于集装箱钢丝绳生产尤为关键。这主要基于钢丝绳特殊的使用条件：一方面是钢丝绳从装到集装箱起重机开始之际，就等于开始了对钢丝绳的疲劳试验。一台集装箱起重机实际上就是一台钢丝绳疲劳试验机。根据不同港口的使用结果以及过程跟踪，发现国产钢丝绳在使用过程中一旦出现断丝，后续断丝的发展速度远高于进口钢丝绳，这种状况表面上是反应国产钢丝绳疲劳性能不佳，在一定程度上也是国产钢丝绳使用原材料质量水平不高的真实反映。另一方面国内港口地域分布辽阔，环境温度相差很大，而集装箱钢丝绳正常使用周期有具有跨季节的特点，钢丝绳在生产过程中进行涂油润滑，所用油脂品质既要保证其在钢丝绳使用过程中遇到高温条件不流淌，又要保证在低温条件时不脆裂。使用高品质的润滑油脂，不仅仅是满足集装箱装卸作业清洁文明生产的需要，更是保证钢丝绳安全使用的需要。因此选用优质线材做原料是生产优质钢丝绳的关键，生产集装箱用钢丝绳的主要原料是高碳低合金SWRH72A热轧控冷无扭线材，但是国内外使用相同牌号SWRH72A线材的化学成分还是有所区别，具体见表1。日本进口线材的硫、磷残留量很小，非金属夹杂物1-2级，而且分布弥散，而国内使用的线材非金属夹杂物级别2-3级，而且分布不均，基本上呈链状，个别地方为块状分布。众所周知，线材中磷含量影响到材料的低温性能，硫含量影响到材料的高温性能，氮氧残留量决定钢材经拉拔加工后对时效硬化敏感性的重要指标，非金属夹杂物的大小、形态和分布状况对钢丝和钢丝绳的疲劳寿命影响很大。假如在一根直径为1.8mm的钢丝横断面上有一个公称直径为0.001mm的非金属脆性夹杂物，当钢丝或钢丝绳在受到反复弯曲力作用而工作时，这个脆性夹杂物就是一个疲劳断裂源，裂纹会在此处产生，并且在交变应力作用下，裂纹不断扩展，直至钢丝断裂，从而导致钢丝绳疲劳寿命下降，这是国内集装箱用钢丝绳疲劳寿命低的根本原因^[1]。

                        表1  国内外SWRH72A线材主要化学成分

                                                                               单位：w/%

厂家	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	AL
日本A	0.71	0.21	0.54	0.008	0.005	0.050	0.070	0.150	0.003
日本B	0.71	0.22	0.55	0.007	0.006	0.050	0.060	0.140	0.003
韩国A	0.72	0.22	0.52	0.006	0.007	0.015	0.050	0.140	0.001
韩国B	0.71	0.23	0.53	0.009	0.008	0.050	0.015	0.009	0.002
国内A	0.72	0.21	0.54	0.008	0.006	0.050	0.030	0.120	0.003
国内B	0.73	0.23	0.55	0.010	0.009	0.060	0.060	0.130	0.005

1．2热处理

   钢丝绳生产过程中，对半成品钢丝进行热处理的目的是获得易于形变即加工硬化的索氏体组织。一般热处理炉内的横向温度分布是否均匀，铅液温度是否稳定，钢丝运行速度是否平稳，都是影响并决定钢丝的最终性能^[2]。电加热炉、天然气加热炉能够实现炉内温度计算机自动控制，热处理炉内横向温度散差小，炉温波动很小，可以控制在±5℃以内。目前我们公司采用的韩国大成产业提供的天然气明火炉，采用计算机控制烧嘴的給气量、热风配给量、炉内压力。生产时将热处理工艺参数输入计算机，实际生产过程中炉膛温度、铅液温度由计算机跟踪控制，炉膛内横向温度差不大于5℃，铅液采用循环泵进行内部循环，温度散差不超过3℃，热处理收线采用大盘重工字轮周转，计算机调整钢丝收线张力，使每根钢丝在炉内始终保持匀速运行。热处理后的钢丝通条性能均匀、稳定、索氏体化率大于95%，每批热处理钢丝的抗拉强度散差不大于50MPa，断面收缩率大于45%，延伸率大于9.5%，在国内同行中处于先进水平。

1．3钢丝绳失效原因分析

    由于集装箱用钢丝绳使用条件的特殊性，因此对钢丝绳性能要求也非常严格，尤其是钢丝绳的抗疲劳性能，其次是钢丝绳的防腐蚀效果，除此之外，钢丝绳的最佳结构对其使用寿命也至关重要。材料的疲劳过程包括无裂纹阶段、裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段，实际上钢丝绳单根钢丝的疲劳过程也遵循这样的规律，而各阶段时间长短与其综合性能相关，在循环载荷作用下，单根钢丝整体抗疲劳性能及其表面抗疲劳应力直接影响疲劳损伤的无裂纹阶段寿命，而其表面质量对裂纹萌生更为重要。从钢丝绳的实际使用和实效情况来看，其报废的主要形式之一是整个钢丝绳在使用过程中钢丝出现早期疲劳断丝或磨损断丝，影响了钢丝绳的使用寿命。 提高钢丝绳质量必须注意对钢丝绳进行失效分析研究。国内多年从事钢丝绳行业生产，以制造产品和企业所获得的的荣誉为主要宣传资料，而在钢丝绳选择、维护、保养及对其在使用过程中出现问题的分析介绍上很不到位。国外高端钢丝绳行业如布莱顿（BRIDON）、凯撒（CASAR）、迪帕（DIEPA）、瑞德利（REDEALLI）、东京制钢（TOKYO）、帝国钢绳(TESAC)、神钢神线(SHINKO)、高丽制钢(KISWIRE)、美国钢绳(WRCA)、加拿大钢绳(WIRE ROPE INDUSTRIES)等许多钢丝绳强技术企业，不仅有详细的产品介绍，而且提供了许多钢丝绳失效案例分析。CASAR公司典型推荐的钢丝绳结构如下图1。

 

 

     a)8股压实填塑钢丝绳

 

 b)6股压实填塑钢丝绳

 

1．4钢丝绳的结构设计

集装箱用钢丝绳的工作状况较为特殊，具体表现为：⑴冲击载荷大。港口装卸机工作频率高，从装货到卸货时间很短，提升速度快，下降速度更快，钢丝绳受到的冲击力较大。⑵钢丝绳频繁处于从提升货物（载荷最大）到卸货（载荷最小）的状况，受到交变应力的作用，钢丝绳承受的应力幅很大。⑶钢丝绳在卷筒上多层缠绕，提升货物时钢丝绳承受最大载荷，钢丝绳一边牵引货物一边缠绕到卷筒上，这是钢丝绳的上下层之间受到非常大的侧向和正向挤压力作用。在这些条件下工作的钢丝绳以反复弯曲疲劳破坏为主，钢丝绳之间的钢丝相互挤压、磨损破坏为辅^[3]。因此在钢丝绳设计中，既要保证组股钢丝直径变幅尽量小，有要使外层钢丝具有一定的抗磨性，这样才能有效地提高钢丝绳的疲劳寿命。跟进世界先进钢丝绳制造技术，港口相对其他行业更容易接受新技术产品，符合国外钢丝绳生产企业依靠技术领先引导产品市场。在集装箱钢丝绳的设计上，国外钢丝绳企业，特别是欧洲地区企业，8捻制股填塑钢丝绳、8压实填塑钢丝绳制造技术十分成熟，即使镀锌钢丝绳，级别也可以达到2160MPa，其优异的疲劳性能得到了国内众多港口的普遍认可，对传统的6股钢丝绳形成强劲冲击。因此在集装箱钢丝绳的结构上重点选择以下几类：⑴钢丝绳外层股为8股的钢丝绳。与传统6股钢丝绳相比，8股以上钢丝绳具有柔软性好，金属填充率高，钢丝绳与卷筒、滑轮间的接触面积大，钢丝绳在此处的接触应力小。这些优点有利于提高钢丝绳的耐疲劳寿命，适合在提升高度大、冲击载荷大、装卸频率高等恶劣工况下使用。⑵压实股钢丝绳。压实股钢丝绳一般是由压实股捻制而成的钢丝绳，其成型原理是在捻股机的过程中，通过滚压、模拉或者锻打，使得钢丝股边成型边挤压变形。经过挤压变形的股中钢丝，尤其是外层钢丝由圆形被挤压成不规则的异形，从而提高了钢丝间的接触面积，钢丝间的接触面积和股的金属填充系数进一步提高，股的外层表面平滑、结构紧凑，钢丝绳的抗冲击和抗挤压性能显著提高。⑶金属芯钢丝绳。使用7*7、7*19S等钢丝绳做集装箱用钢丝绳的绳芯可以大幅提高钢丝绳的抗冲击和抗挤压能力。7*19S绳芯属于线接触钢丝绳，比较柔软，再采用适当的配丝和捻距选择，使钢丝绳的外层钢丝、外层股之间留有适当的承载间隙，同时确保钢丝绳额可挠性控制在与卷筒和滑轮相适应的的范围内。在钢丝绳外层股之间、外层股和金属绳芯之间嵌入抗磨、耐挤压的含油高分子聚合物，可以起到缓解外层股之间、外层股和金属绳芯之间钢丝与钢丝的相互摩擦，减小钢丝间的接触应力，这是提高钢丝绳疲劳寿命的有效措施。参照国外文献资料，钢丝绳中填入含油聚合物，钢丝绳疲劳寿命可以提高50%左右^[4]。集装箱用钢丝绳在结构设计中应充分考虑钢丝绳股中钢丝间的间隙、股与股之间的间隙，以及股中心钢丝、钢丝绳芯直径加大量。结合国外先进的技术经验，设计集装箱用钢丝绳的典型结构，及其主要特征见表2。

                             表2  集装箱用钢丝绳的典型结构和特征

钢丝绳结构	公称直径mm	股径mm	捻距mm			抗拉强度MPa	备注
			外层股	钢芯	钢丝绳
K6T36SW+IWRC	28.0	9.30	75	70	178	1770	外层股压实股间填入含油高分子聚合物
K6T25F+IWRC	32.0	10.50	85	77	200	1770	外层股压实股间填入含油高分子聚合物
4V18S+FC	18.0	8.40	51	/	145	1770	异形三角股加剑麻芯
K6T29F+IWRC	40.0	13.10	105	145	262	1770	外层股压实股间填入含油高分子聚合物

2. 集装箱用钢丝绳的使用

根据集装箱用钢丝绳的使用状况分析和现场钢丝绳的使用结果来看，由于钢丝绳的相互挤压、摩擦造成的失效多于钢丝绳在使用中反复弯曲疲劳而导致的失效^[5]。在多层缠绕状况下使用的钢丝绳在确定钢丝绳的直径时，应着重考虑以下几个因素：⑴卷筒和导轮的大小，一般选择卷筒或滑轮与钢丝绳公称直径之比为25—35；⑵卷筒上绕线槽的宽度；⑶从天轮到卷筒边缘的偏角，一般为0.5°-2.5°，对于阻旋转钢丝绳，绳索偏角应不大于2°，对于单层股钢丝绳，绳索偏角应 4°。还有就是钢丝绳捻向的选择，当钢丝绳在卷筒上横向左卷绕时，应选择右捻钢丝绳，当钢丝绳在卷筒上横向右卷绕时，应选择左捻钢丝绳，以防钢丝绳在运行中出现由于卷绕不当而导致捻距缩小或增大现象。

钢丝绳在提升运行中，受力状态相当复杂。正常情况下钢丝绳除受弯曲应力外，还承受拉应力σ₁、加减速的动应力σ_d。钢丝绳所承受的拉应力为

σ₁=Q_j / S                     （1）

式（1）中：Q_j—钢丝绳的终端最大静荷重；

            S—钢丝绳金属横截面积。

当钢丝绳在垂直提升时，

Q_j=Q_t+Q_h+P*H                  （2）

式（2）中：Q_t —被提升的有效重量；

           Q_h—容器或提升工具的重量；

           P—钢丝绳单位长度重量；

           H—最大提升高度。

当钢丝绳在提升加速时，钢丝绳本身必须满足安全条件Q_j=F/M（F为钢丝绳最小破断拉力，M为安全系数），其动应力σ_d= Q_j /（g* S）*a=σ₁a/g（a为提升时加速度；g为重力加速度）。

由以上钢丝绳过程受力分析来看，当装卸机紧急制动时钢丝绳产生很大的动张力，承受的动应力也达到最大。在实际使用中要避免急速提升或紧急制动，一般要建议新安装的钢丝绳应当在较低载荷水平下运转一定时间，然后再施加较大载荷，在满足钢丝绳破断拉力的前提下，使钢丝绳保持较好的强韧性匹配。

3. 集装箱用绳的维保和技术支持

钢丝绳用户相对钢丝绳制造者而言，在产品技术特性认识上存在一定差距，而产品制造者在提高产品使用寿命研究上也离不开使用者提供的有效信息支持。例如有的客户对钢丝绳的结构不是很了解，盲目的选用纤维芯结构，这就必须通过钢丝绳的制造者和使用者进行有效的技术交流，从国外尖端产品到国内的普通产品，进行有利害分析，帮使用者正确选择钢丝绳的结构。还有就是钢丝绳用户非常关心钢丝绳在使用过程中的维护润滑，而使用者无法对钢丝绳生产使用的油脂进行统一或者兼容，可能或造成油脂的相互排斥导致不能起到良好的润滑，因此油脂的相关信息要做到互通有无，节约成本，更加有利于产品使用的疲劳寿命。钢丝绳匹配滑轮虽然相对钢丝绳是磨损件，但磨损问题同样存在，特别是在滑轮质量不高时问题更加突出。如果轮槽磨损得不到有效控制，钢丝绳使用寿命将会受很大影响，而用户恰恰缺乏关于轮槽磨损到何种程度需要进行维修或更换材料的标准或相关资料。国外企业对轮槽规定数据可以提供参考，对于新绳，最小槽轮半径（0.53-0.535）d，最大槽轮半径（0.55-0.56）d，槽轮深度1.5d。单层鼓轮最小螺距为沟槽半径的2.065倍，最大螺距为沟槽半径的2.18倍，螺旋沟槽鼓轮的沟槽深度不小于0.375d。当钢丝绳的硬度在50-55HRC时，推荐槽轮和鼓轮硬度至少35HRC。

4. 结语

集装箱用钢丝绳市场是国内大多数金属制品企业瞄准的重要用途钢丝绳市场，蕴含巨大的发展潜力。从实际使用的失效原因分析，进一步提高产品的疲劳寿命，钢丝绳早期表面疲劳断丝的主要因素可以总结为：一是加载过程中，钢丝绳表面产生的双坑状压痕、带状螺旋形磨损沟痕；二是钢丝的组织均匀性不良。三是使用过程中先在较低载荷下运转一定时间，然后再加大载荷。通过生产过程原料控制、热处理工艺的优化、产品结构设计选择，生产出高端质量的产品，缩短与国外产品质量的差距，甚至赶超国外产品质量，不仅需要强劲的技术支持、设备改造支持，还需要多和使用用户进行技术交流沟通，积累产品多方面的信息渠道。

 

参考文献

[1] 徐效谦，明绍芬.特殊钢钢丝[M].北京:冶金工业出版社,2005.

[2] 邱从怀, 吴建峰, 程渊,等. 钢丝绳微动疲劳磨损产生红锈现象的研究[J]. 金属制品, 2018(4):46-50.

[3]郭占林, 周斌, 张国辉. 旋转挖泥钻用钢丝绳的研制[J]. 金属制品, 2005(6):5-6,9.

[4]王大刚，张俊，朱辉龙，等. 定,变载弯曲疲劳钢丝绳失效机理对比研究[J]. 摩擦学学报, 2020（6):79-90.

[5] 张俊. 基于微动疲劳的矿井提升钢丝绳服役寿命预测研究[D].北京：中国矿业大学,2020.

 

 

 

 

作者简介

黄  磊 1982年生，江苏法尔胜泓昇集团有限公司工程师。

刘红芳 1975年生，江苏法尔胜泓昇集团有限公司高级工程师。