JFE開發(fā)吊車用鋼絲,鋼繩壽命診斷新技術(shù)

[ 來自:不銹鋼絲     時間:2009.08.30 ] 1．前言
    過去，JFE對鋼絲壽命的判定是用外觀目視以確認(rèn)有無斷裂的一般方法，故須在有較多殘余壽命時就將之更換，以確保吊運安全；且因使用環(huán)境限制而難以發(fā)現(xiàn)單股鋼絲的裂紋，甚至有斷裂危險。為用定量判定方法代替定性判定，JFE成功開發(fā)了統(tǒng)計處理使用后拆卸鋼絲樣品試驗數(shù)據(jù)的方法。然而，因此法也難以判定使用中鋼絲的壽命，故進(jìn)一步開發(fā)不取下鋼絲而判定其剩余壽命的技術(shù)，可使鋼絲使用達(dá)到極限壽命。另外，還查明了因鋼絲扭絞方法不同而使扭絞性狀對鋼絲壽命產(chǎn)生大的影響，從而確立了定量評價扭絞的方法。以下概要介紹這些技術(shù)開發(fā)和使用結(jié)果。
    2．鋼絲使用后的機械性能變化
    在吊車上使用的鋼絲因繩輪而彎曲，從而產(chǎn)生了金屬疲勞，降低了斷裂載荷（即強度）和延伸率（即塑性）等機械性能。通常在各試驗項目所有的特性都顯示了遞減的狀況，但研究者以和壽命相關(guān)性最顯著的扭縊試驗次數(shù)作為壽命評價指標(biāo)，以確立壽命判定技術(shù)。
    分別從鋼絲的使用壽命指數(shù)與延伸率（相對指數(shù)）以及與強度（相對指數(shù)）的關(guān)系可知：在接近斷裂壽命時，強度指數(shù)只有10％左右的下降，而延伸率卻有高達(dá)20％左右的顯著下降。此現(xiàn)象正如鋼繩的彈性系數(shù)增加而延伸率下降的情況。研究者著眼于此點，研究了在實機使用中的鋼絲壽命評價方法。
    3．鋼絲的固有振動
    3．1固有振動數(shù)計算式
    直棒斷面的縱向振動頻率可表示為F＝λ／（2π·L）·（E／ρ）1／2。式中F為固有頻率，λ為系數(shù)，L為長度，E為縱向彈性系數(shù)，ρ為密度。在該式中，若改變縱向彈性系數(shù)E，固有振動數(shù)F變會變化。由于表觀彈性系數(shù)會隨鋼絲劣化而變化，故可推論在鋼絲的縱向振動中，包含固有振動數(shù)的振動現(xiàn)象將如何變化。
    3．2實機鋼絲的振動波形比較
    實測了冷軋廠正在運行的頂棚天車提升用的更換前已劣化鋼絲和更換后的新鋼絲的振動。鋼絲的縱向振動是用天車實際吊運(提升或下放)載荷而施加緊急制動時所產(chǎn)生的振動。比較兩種鋼絲振動波形的不同之處在于：劣化鋼絲的振動頻率為3．42Hz，在6．0s內(nèi)振動了20個周期；而新鋼絲的振動頻率為3．21Hz，在6．2s內(nèi)振動了20個周期。由此可知，劣化鋼絲的固有振動數(shù)較高，且從其波形變化可知，此鋼絲振動波的衰減較慢。這就說明劣化鋼絲的表觀彈性系數(shù)變大了，此結(jié)果與從前式求出的固有振動數(shù)增加的理論是一致的。據(jù)此可以認(rèn)為，固有振動和壽命之間存在相關(guān)關(guān)系，故采用了實機吊車的固有振動和壽命判定數(shù)據(jù)，評價了此相關(guān)關(guān)系。
    3．3固有振動與壽命的關(guān)系
    分別調(diào)查了鋼絲的壽命指數(shù)與固有振動數(shù)比率f／f0和振動的振幅衰減到1／3的時間比率t／t0之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在前一種關(guān)系中，較之新鋼絲，劣化鋼絲的固有振動數(shù)雖然變高了，但卻與壽命不相關(guān)；而在后一種關(guān)系中，卻發(fā)現(xiàn)壽命指數(shù)與時間比率(t／t0)明顯相關(guān)，即在壽命末期，t／t0增加了20％。因此，最大振幅衰減到1／3的時間就可成為判定鋼絲使用壽命的指標(biāo)。然而由于誤差范圍較大，會阻礙高精度的壽命判定，故進(jìn)一步仔細(xì)分析了鋼絲的振動波形。從實測的振動波形中發(fā)現(xiàn)，在提升、下放載荷的動作中，剛緊急制動后的波形受沖擊而過度振動，較一般的衰減錐度更突出，若以此最大波形作為標(biāo)準(zhǔn)求解1／3衰減時間，結(jié)果就會極短，從而獲得與自然衰減不同的結(jié)果。因此應(yīng)將從最大振幅發(fā)生到向自然衰減過渡的沖擊波除外，而從以后的波形計算其衰減時間。
    3．4鋼絲固有振動計量器的應(yīng)用
    在上述研究的基礎(chǔ)上開發(fā)的固有振動計量器的誤差小、精度高，即使不具有振動計量專門知識的人也能使用：在下降滑輪或吊運的載荷上，用磁鐵吸住振動傳感器，只在地面上即可通過按鈕使振動計量完全自動進(jìn)行。結(jié)果，利用最大振幅衰減到1／3的時間的FFT（快速傅立葉變換）解析，就能求出鋼絲的固有振動數(shù)，從而提供能立刻進(jìn)行其壽命判定的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)的解析中，去除了前述的沖擊波，并編入了演算邏輯中。這些研究和改進(jìn)提高了鋼絲固有振動和壽命的相關(guān)性，且作為實機判定鋼絲壽命的方法得到應(yīng)用。
    4．鋼絲品質(zhì)檢查方法的開發(fā)
    4．1鋼絲的扭絞
    鋼絲繩是將多股鋼絲通過捻繩機的運行滾筒將之合股而成為山形的花紋。由于此時運行滾筒間距的調(diào)整，在捻股成繩的鋼絲上產(chǎn)生了扭絞和反扭絞的旋轉(zhuǎn)：扭絞鋼絲是向勒緊的方向旋轉(zhuǎn)，而反扭絞鋼絲則向折回的方向旋轉(zhuǎn)。在頂棚吊車上，為了防止鋼絲的彎曲和繩股脫落等散亂，以穩(wěn)定確保其長的使用壽命，必須對鋼絲進(jìn)行扭絞而成為鋼絲繩。
    4．2花紋走樣與壽命的關(guān)系
    研究和實際使用均表明，鋼絲繩的山形花紋走樣（也稱對花不準(zhǔn)）與其使用壽命相關(guān)。從發(fā)生了彎曲、在被取出鋼絲整個長度（420m）范圍的繩間距和繩直徑的測定值可知，較之制造時都發(fā)生了大的變化：繩間距初始值為290mm，用后取下的最大值為310mm，最小值為275mm；繩直徑初始值為36．2mm，用后取下的最大值為36．8mm、最小值為35．5mm。
    從造成花紋走樣鋼絲繩間距的變化率（間距變化值／制造時的間距）與鋼絲壽命的關(guān)系可知：當(dāng)繩間距變化率增大時，鋼絲壽命就會下降。例如當(dāng)繩間距變化率從1．0％增大至8．0％以上時，鋼絲壽命比率就會從大約1．1降至0．8以下。
    4．3鋼絲扭絞檢查法
    一般的扭絞檢查法受多種因素影響，難以準(zhǔn)確定量判斷扭絞情況。因此，為了準(zhǔn)確計量鋼絲的扭絞傾向，決定在扭股解體后，根據(jù)其伸縮性的改變，查明解體前后繩間距和直徑的變化。具體檢查順序為：首先從距鋼絲末端2m處測定繩間距和繩直徑；將繩股解體后使之還原到原狀態(tài)，再次進(jìn)行上述測定，從而確認(rèn)解體前后測定值的變化。從2根制造批次不同鋼絲的檢查結(jié)果，大致可確認(rèn)扭絞鋼絲的扭絞情況(含繩間距和直徑的變化)。在制造時和制品檢查中使用此檢查法，可以定量判定鋼絲扭絞狀況。
    4．4扭絞檢查結(jié)果和鋼絲使用壽命
    若以直角坐標(biāo)圖的縱坐標(biāo)表示將鋼絲末端解體后再度編織狀態(tài)的繩間距與直徑測定值和末端解體前的相應(yīng)測定值之比率，橫坐標(biāo)的壽命比率是將同一吊車過去實際壽命作為1．0而算出的。從坐標(biāo)圖上的鋼絲扭絞檢查結(jié)果與其壽命之間的關(guān)系可知，使用壽命比率隨繩間距或繩直徑比率減小而變化。例如當(dāng)繩間距比率從0．998降至0．994或繩直徑比率從1．000降至0．997時，鋼絲使用壽命比率即可從0．8延長至1．1。
    以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對于重要吊車用鋼絲（繩），JFE在制品的檢查中確保品質(zhì)合格的基準(zhǔn)值，從而確保鋼絲（繩）具有穩(wěn)定的壽命。
    5．結(jié)語
    以前，因不敢冒鋼絲繩可能斷裂的風(fēng)險而完全用完其壽命，故不能安全地延長其更換周期。
    JFE除了對鋼絲繩取樣評價其使用壽命之外，還利用鋼絲繩在實機吊車運行中的固有振動以及使用后繩間距與繩直徑的變化來判定其使用壽命，不但提高了壽命判定精度，且可安全延長其更換周期。

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