钢丝绳在船舶作业中的受力特点和可靠性研究

钢丝绳在船舶作业中的受力特点和可靠性研究

【摘 要】 在船舶作业中，钢丝绳的消耗量是非常大的，但是到目前为止，依然没有一个可以准确判定钢丝绳强度的通用方法。并且国内外生产的钢丝绳质量参差不齐，且种类繁多，如何选择最为经济又可保证生产安全，一直是用户关心的问题。文章从钢丝绳的结构特点，使用过程中的受力特点，以及它的成绳特点出发，分析其报废的原因，并对钢丝绳在船舶上的选用以及日常维护中应该注意的问题提出了几点建议。

【关键词】 钢丝绳 受力 疲劳强度 维护 寿命

钢丝绳在普通货船上的使用主要是各种缆绳，有带缆、锚缆、起重缆等；也用于捆绑货物的绳索，吊艇索，车中索等；在从事海洋工程作业的船舶上主要用于卷扬机，高架承载钢丝等。由于钢丝绳在构造上较一般的柔性物体复杂，制造工艺和使用条件各不相同，因而对其选型和日常维护也不相同，这也是造成了无法准确描述它的疲劳强度的一个原因。在生产过程中如何保证安全可靠必须引起重视。

1 钢丝绳的结构

钢丝绳由绳芯和绳股绕制而成，每根绳股也由多根钢丝绕制。绳芯有纤维绳芯、金属绳芯和石棉绳芯三种。纤维绳芯柔性较好，绳芯可储存一定量的液体润滑剂；金属绳芯结构稳定，破断强度较大。如果各股的捻向与成绳的捻向相同，例如同为右捻或同为左捻，则称为同向捻钢丝绳，反之则称为交互捻钢丝绳。

钢丝绳的绕制过程决定了其各丝之间以及各股之间的接触方式，包括点接触、线接触和面接触。点接触钢丝绳由直径相等的钢丝围绕中心钢丝，按照相等的捻距捻制而成，这种捻制方法的弊端在于各层钢丝之间接触面积小，触点之间极易形成应力集中，因而抗疲劳性能差，寿命短，不适合用于频繁重载的船舶设备上。线接触钢丝绳采用直径不等的钢丝等捻距绕制而成，各条钢丝相互平行，并以线接触的方式分担负荷，在很大程度上避免了点接触钢丝绳应力集中的缺点，并且疲劳强度高，使用寿命也长。面接触钢丝绳是在线接触钢丝绳的基础上进一步增大其受力面积，通过拉拔的方式，使各股钢丝形状改变，其特点是结构紧凑，耐磨损，但疲劳强度不如线接触钢丝绳。

2 受力特点分析与损坏形式

2.1 钢丝绳的受力特性分析

钢丝绳属柔性受力件，但由于其结构上的复杂性和润滑条件、制造工艺以及材料等因素，使得它的受力异常复杂，除了会轴向伸缩、扭转、弯曲之外，还会产生纵向收缩，内部各绳股挤压、磨损等。

2.1.1 钢丝绳受到拉应力时内部变形不均匀

在起货过程中，钢丝绳受到轴向的拉应力，会在轴向产生拉伸效应，同时由于每根绳股都由单独的钢丝相互绕制，会产生一个径向的收缩应力，各层钢丝相互挤压，并产生不规则的切向应力，导致变形不均匀。钢丝绳缠绕在滑轮、系缆柱等圆形部件上时，由于弯曲变形，其中性面以内的部分会受到压应力，而中性面以外的部分会受到拉应力，每一单独的绳股也会受到成股钢丝的作用力。缠绕部件的半径越小，绳端的拖动力越大，这种压力现象和不均匀变形就会越明显。除了上面两个原因之外，钢丝绳的润滑程度、金相组织、金属杂质、载荷增加的速率等，都会不同程度的造成其不均匀变形。

2.1.2 钢丝绳易受到冲击载荷的作用

所谓冲击载荷，是指在很短的时间内应力变化量很大的受力现象。船舶使用的钢丝绳大多会受到冲击载荷的作用，例如在系泊期间，由于风浪作用，船舶会摇摆晃动；在海上拖带时，被拖带的船舶与拖带的船舶相对运动的速度变化；起重设备在起重的瞬间，钢丝绳由松弛突然绷劲。在受到冲击载荷时，由于应力的变化率很大，作用力来不及扩散，集中作用在钢丝绳的某一段上。长时间、高频率的作用会使其疲劳破坏加速，严重影响使用寿命。

2.1.3 扭转和弯曲应力的作用

钢丝绳还会受到扭转力和弯曲应力的综合影响。当钢丝绳两端作用两个大小相等，方向相反且作用面垂直与轴线的力偶时，钢丝绳截面将会发生绕轴线的相对扭转，即发生扭转变形，在使用过程中，若扭转力超过极限值，将会使钢丝绳扭断。由于钢丝绳拖动端有滑轮或卷筒的存在使得其受到垂直于轴线的横向外力作用，在起重机运行过程中，钢丝绳反复受到弯曲应力的作用，使之疲劳。这种疲劳强度取决于卷扬筒或滑轮的直径与钢丝绳的直径之比，因此选择合适的钢丝绳尤为重要的。

2.2 钢丝绳的损坏形式及寿命的影响因素

钢丝绳的损坏主要是应力疲劳造成的，除此之外还有腐蚀、磨损和制造上的缺陷，其表现形式主要有断丝、断股、锈迹、松散等。

2.2.1 疲劳损坏造成的断丝、断股

钢丝绳在连续作业过程中，会逐渐疲劳，产生疲劳裂纹，后继使用时，疲劳裂纹会逐渐扩展，在某一应力集中的瞬间即会断裂。股数较少的钢丝绳断丝一般从最外层开始，股数较多的钢丝绳要经常注意其内部断丝的情况。单条钢丝绳的断丝会导致整绳的承载能力下降，引起断股，如不及时发现予以处理，就有可能发生安全事故。

对断丝断股的判废，在GB/T5972-2009有明确的规定，其难点在于断丝数

的确定。对于外层钢丝，可通过直接观测，发现有破断严重的区域即可用涂粉笔的方式，先在6d的范围内进行核算，如果附近区域还有明显的断丝可进一步对30d长度的范围进行检查。对于内部断丝的检验，近年来主要采用的有超声波，磁粉等无损检验技术，其精度已经相当可靠。由于内部损伤不可见，在外观良好的情况下很容易被忽视。

2.2.2 磨损和腐蚀对钢丝绳寿命的影响

船舶作业中使用的钢丝绳相对于陆地，室内作业，使用条件要恶劣的多，磨损和腐蚀自然不可避免。通常，磨损会导致钢丝绳的润滑油膜遭到破坏，金属部分暴露在空气中，直接与氧气和水蒸气接触，摩擦同时会产生大量的热，在工作过程中和工作结束后的冷却时间里，氧化会更加严重。

钢丝绳的磨损有内部各丝之间的磨损和绳股外部与滑轮、系缆柱等部件相对运动而产生的摩损。钢丝绳的内部磨损与其润滑有关，良好的油润可以有效防止干摩擦，纤维绳芯即具有储油的功能。按照相关的判废标准，当直径减小到原直径的7%以上时，即便未发生断丝，也应予以报废。腐蚀的主要表现是出现麻坑和绳股之间松弛。对腐蚀的检查主要是外观的检查，假如有明显的锈迹，则应该擦去锈斑，再检查是否=有麻坑。内部腐蚀的判断主要是检查绳股的松紧状态，必要时可以向成绳的反方向强制扭转，再用专用钢钳撬开检查。

2.2.3 制造上的缺陷对钢丝绳寿命的影响

除了使用过程中的各种因素造成钢丝绳的报废，钢丝绳出厂时的质量对它的使用寿命的影响也非常大，在生产时的配丝直接决定了它的受力特性。钢丝绳在成股时，粗细钢丝的排列、所用金属材料本身的晶粒、硫磷的含量、钢丝绳的表面处理等，对它的受力特性都有非常大的影响。

3 提高钢丝绳可靠性的方法

为了尽可能的延长钢丝绳的使用寿命，除了在安全负荷的范围内使用外，还应注意对绳的维护和保养，注重日常检查，并且应当注意一些使用技巧，如左捻钢丝绳在卷筒上应当右旋前进，并且要严格执行报废标准，以确保安全生产。

3.1 严禁钢丝绳超负荷使用

超负荷使用是造成安全事故的主要原因。在受到拉伸、扭转、弯曲等应力作用时，应力不能有效的传递而导致局部超负荷。在作业过程中要特别注意对不明质量的物体坚决不起吊，货物被卡死或挂住也会造成钢丝绳超负荷，并有可能造成附带的安全事故。为了防止钢丝绳超负荷使用，应在起重机上装设超负荷报警器等安全装置。

3.2 根据使用要求，选择合适的钢丝绳

钢丝绳的选择需要考虑的因素很多，但归结起来还是安全系数和经济性的问题。综合来看，面接触钢丝绳的载荷分布最为均匀，安全系数高，使用寿命也最长，线接触次之，点接触最差，已经基本淘。进口产品的性能普遍比国产的要好，国内产品的性能质量差异较大，除少数品牌以外，使用寿命都较短。但是国外产品的价格偏高，特别是欧美产品更贵。因此选用时要全面考虑其性价比，根据使用条件和影响使用寿命的主要因素，作出合理选择。

对频繁承受冲击载荷、重负荷或者需要在滑轮上缠绕变形的场合，优先选用金属绳芯，因为它具有结构稳定，抗挤压能力强，破断拉力大等优点。相比于金属绳芯，纤维绳芯虽具有内部储油提供润滑的优点，但在实际使用中发现，由于内部不能提供有效的支撑，微动变形造成的磨损严重，以至于在尚未发挥出它润滑好的优点之前，外层钢丝已经已经破断。但是目前普遍认为，选择金属绳芯会增加钢丝绳的刚度，不适合在滑轮或卷筒上使用。因而建议在设计滑轮和卷筒时适当增大其直径，以改善钢丝绳的受力状况。

3.3 保持良好的润滑

钢丝绳的润滑对其安全性和寿命的也有很大的影响。润滑脂的作用主要是为了减小钢丝绳内部各丝之间，以及外层与滑轮等接触时产生的摩擦，并且可以使钢丝与空气和水汽隔离，起到防止腐蚀的作用。船舶作业在高湿的海洋环境中进行，工程船的抓斗等钢丝还需要伸到海水中，因而隔离防腐相当重要。润滑油膜在一定程度上还可起到减缓冲击力的作用，例如绳股之间以及绳股与滑轮、卷筒之间。

钢丝绳需要采用专用的润滑油脂，并且后继润滑油要与说明书规定的润滑油一致，因为不同的油脂可能使用了不同的添加剂，混合时有可能发生化学反应如乳化而使润滑失效。润滑油脂要求流动性能好，渗透能力强，一般采用的侵油或涂抹方式都不能使油脂直接进入钢丝绳内部，只能依靠油的流动性渗入内部，以改善内部工作环境。其次还要求抗水性能好，化学性能稳定，在露天潮湿或强太阳光和紫外线的环境下使用时，润滑油脂不能发生乳化变质，并且其本身也不能含有能引起锈蚀的成分，同时还要有较强的抗氧化能力，以防止海水中盐分的影响。润滑油脂还应能在较大范围的温差工作，在低温环境里不易硬化，高温环境里不易流失，并且要有一定的透明度，以便及时发现断丝和损坏的情况。

3.4 注意日常维护和检查

在日常维护和检查时，除了检查润滑、磨损、腐蚀、断丝等情况外，应特别注意装夹连接的部位是否有松动腐蚀和断丝的情况。检查时要同时注意内部和外部的情况，对老化的钢丝绳更换时，应当与同组当中其他的钢丝绳规格一致。

4 结语

为了满足船舶作业对钢丝绳的要求，除了在使用时注意维护保养，操作人员严格按照安全标准操作外，还需要研发更高强度、高韧性、耐磨损的产品，不断

提高国内产品的质量。理论分析和结合实践经验相结合，生产和研发长寿命，受力特性好，安全可靠度高的产品。

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