影响钢丝绳工作寿命因素的初步分析

来源：网络|发布时间：2022-05-18 14:28:55| 浏览数：...

由于钢丝绳广泛应用于地质钻探设备的提升系统，钢丝绳的消耗量很大。钻探工作中，由于某些人员对钢丝绳的性能知识了解不够、选用不当、维护保管不善造成的浪费也是非常普遍的。如有的野外队在使用中发现钢丝绳损坏很快，便加粗绳径，结果导致钢丝绳的提前破坏，给国家和使用者都带来了很大的损失，因而研究钢丝绳的破坏因素，延长钢丝绳的使用寿命，仍是每个钻探工作者共同关心的课题。

一、钢丝绳的工作状况：

钻探设备的提升系统由天车、钢丝绳、游动滑车以及提引器组成。钢丝绳的一端固定于设备的卷筒上，经卷筒缠绕后，自由端绕过钻塔的天车，再绕过游动滑车，末端固定于天车或游动滑车提把上（图1）。

钢丝绳在起下钻过程中载荷性质属于波动拉伸循钢丝绳除了担负起下钻的任务外，钻进时还要承担钻具的重及钻具破碎岩石产生的振动。

py|Pa/B，|P：al图1钢丝绳工作状况示意图

1一天车；2一游动滑车；3一卷简二、钢丝绳的失效形式：

起下钻时，提升系统由卷筒绕出经天车滑轮与绳槽接触的一段钢丝绳，它经过卷筒的弯曲缠于最下层，由于排绳不均，钢丝绳任意交错、互相挤压、康擦，使钢丝绳表面严重损伤，形成许多应力集中点。起下钻时，它的静负荷以及由于起动所造成的动负荷都是最大。减压钻进时，它要承受钻具的重量以及由于钻具破碎岩石带来的振动，这便是钢丝绳的局部高应力发生区。虽然钢丝绳的工作应力最大值小于材料的强度极限，但它在变应力作用下，经多次循环后，

金属材料内部强度较弱的基体中品粒产生滑移，循环加载使滑移量渐渐加大并沿着与拉应力成45”的切应力方向传播，或是材料组织内的非金属夹杂物，或是应力腐蚀在金属表面产生的腐蚀小孔，或是高温下的晶界开裂，或是局部损伤等造成的应力集中点。它们在拉应力和塑性应变同时作用下，逐渐形成疲劳裂纹，随着循环周期以及提升累计重量的不断增加，钢丝绳股内钢丝表面的微裂纹不断扩展造成断丝。断丝数量的增加使钢丝绳内钢丝的破断速度也增加。当钢丝绳一个捻距内剩余有效金属面积的承载能力与外载荷等值时，继续使用便会导致钢丝绳的整绳断裂。分析表明，钢丝绳的失效形式主要是金属疲劳产生的断丝数量达到一定值造成的。

三、影响钢丝绳工作寿命的因案：

（一）钢丝绳的质量1.钢丝绳的材质：

为了提高材料的疲劳极限，钢丝绳的钢丝选用了优质碳素钢454、50*、60#、65材料制成，并通过冷拔，热处理等专门工艺，使其强度极限达140、155、

170、185、200公斤/平方毫米，它相当于相应钢材强度的2-3倍。在冶炼过程中，钢材的各种成份的含量按GB1178-74规定严格控制在一定范围内，如碗、磷含量不得超过0.035%，其它元素如锰允许在0.4~

0.7%的范围内。尽管如此，在冶炼中以及拔制，热处理的过程中，金属组织内仍会留下某些非金属夹杂物，组织不匀，热处理过程中留下的残余应力，都不同程度的削弱了钢丝基体的强度，这些缺陷在交变载荷下都是形成裂纹的根源。

2.钢丝绳捻制工艺及构造：

由于钢丝绳的用途极广，为了适应各种使用条件，它的构造繁多，而提升系统只采用圆型载面，故对圆截面钢丝绳作较详细的介绍。

（1）单捻钢丝绳：以一根钢丝为中心，它的外层由若干根钢丝沿着这根钢丝作螺旋线缠绕的钢丝束称单捻钢丝绳。

（2）双捻钢丝绳：由若干股（常用6股或8股）沿金属芯，或纤维、有机芯作螺旋线缠绕的钢丝绳叫双捻钢丝绳。

（3）钢丝绳的捻向：钢丝绳的捻制方式分三种（见图2）司习

（a）图S右版

（C）图2

（a）一同向卷；（b）一交互挖；（c）一混挖同向捻一钢丝拧成股和股拧成绳的方向相同时称同向捻。

交互捻一钢丝拧成股和股拧成绳的方向相反称交互捻。

混捻一上述两种的混合型应用极少，不赞述。上述三类绳，按股在绳中的抢制方向分为左旋和右旋两种。

（4）钢丝绳的结构：双捻钢丝绳按结构特点分点接触钢丝绳亦称普通钢丝绳，线接触钢丝绳亦称复合型钢丝绳（图3）。

（a）（6）图3

（a）一线接触股；（b）一点接触段

①点接触钢丝绳：股内各层钢丝直径相同，捻制时各钢丝捻角相同，同层钢丝为丝接触异层钢丝互相交又形成点接触，故称点接触钢丝绳。

②线接触钢丝绳：股内钢丝采用粗细不同直径、互相搭配填充间隙、各层钢丝捻距相同，上下层一次捻成，所有相邻的钢丝在受捻搓的整个长度上成线状接触而称线接触钢丝绳。

线接触钢丝绳又分三种：w型（瓦林吞型）一外层钢丝粗细搭配；x型（西鲁型）一外层钢丝较粗，内层钢丝细，T型（填充型）一外层粗丝以细丝填充。由于钢丝绳直径很粗应用不广泛。

③线接触钢丝绳与点接触钢丝绳特点比较，

1）线接触钢丝绳股中钢丝沿全长均匀线接触，股内钢丝受力均匀，点接触钢丝绳股内相邻层钢丝的横切使绳具有二次弯曲现象，当钢丝绳受拉伸或扭转时产生附加弯矩，此弯曲和拉力在点接触处造成很大的应力集中，点接触钢丝绳的应力集中系数可为线接

触钢丝绳的双倍。

2）线接触钢丝绳由于消除了横切，降低了钢丝间的接触应力和局部磨损。由于横切，点接触钢丝绳股中钢丝接触点处的接触应力约为线接触钢丝绳的五倍。

3）线接触钢丝绳股内各层钢丝捻距相同，受拉力时外层钢丝受力最小，内层稍大，中心钢丝受力最大，点接触钢丝绳内外层钢丝捻角相同，受拉力时内外层钢丝受力相同，仅中心钢丝受力最大。当工作条件相同时，股内外层钢丝与设备接触机会较多，股与股的互相滑动，都使它磨损较严重，因而减轻外层锅丝的负荷，便能减缓外层钢丝的疲劳裂纹的扩展速度。

.4）线接触钢丝绳胶结构紧密，采用粗丝细丝合理配制，金属断面利用系数K比点接触钢丝绳高，以6×19钢丝绳为例：

6×19普通型k=0.76；

6W（19）型k=0.845，

6x（19）型k=0.76。

故对于同一直径的钢丝绳，线接触钢丝绳的拉断力比点接触绳大，同一工作负荷下可选用较细的绳径。

5）线接触钢丝绳由于粗细钢丝的合理配制，锅丝间有害间隙减少，防止水位和污物侵入绳中能力比点接触钢丝绳增强，腐蚀机会减少。

6）线接触钢丝绳由于具备上述优点，因而在使用中寿命比点接触钱高，当一比值越大时，效果更为显著。

（二）钢丝绳的工作条件：

钢丝绳在交变载荷下所能承受的最大工作循环次数除受材质、捻制工艺、构造等因素影响外，再便是工作中载荷的大小、弯曲次数的多少、设备安装位置、挂绳方式的影响。

1.钢丝绳拉伸应力与钢丝绳工作循环次数钢丝绳有负荷时产生拉伸应力，它的大小与钢丝绳的弹性模量、制绳时钢丝的趁角等因素有关，因影响因素太多，不能精确计算，双绕绳的控伸应力大约0g心1.2Sa'

.xd

'4式中：g钢丝的拉应力；Sasx——绳最大轴向拉力；do——钢丝直径；

：——钢丝绳中钢丝的总根数。

据大量试验证明：随着拉力的增加，钢丝的拉应力也增加，钢丝绳的工作循环次数急剧下降。

2.钢丝绳的弯曲应力与轮绳直径比，钢丝绳绕过卷筒、滑轮时产生弯曲应力，钢丝绳内钢丝弯曲应力aa为：

0.=E告

式中：D——卷筒、滑轮直径；d.——钢丝直径；Ea——钢丝绳整绳弹性模量

~1000公斤/毫米。

理论及试验证明，弯曲应力的大小以及疲劳寿命取决于卷筒和钢丝绳直径比，同一钢丝绳直径下，卷筒直径越大，弯曲应力越低，同一卷筒直径下，绳径越小，弯曲应力越小，亦即D/Ha越大，弯曲应力越小，D/da比的选择，一般根据工作条件选用，除此之外亦与各国生产钢丝绳的工艺水平及质量有关，当材质及捻制工艺水平提高时，绳经可以选小，对同一卷筒直径时，比值便增大，常用比值在16-25内选取，当设备条件不受限制时，D/da比值越大，对钢丝绳的寿命更有利。

3.钢丝绳与支撑表面

钢丝绳与卷筒、天车、潜轮的接触表面称为支撑表面，计算时以钢丝绳横截面的四周与觉槽间接触点的多少表示。支撑表面越大则钢丝绳与它接触时，作用于钢丝上的单位工作应力越小，故对绳槽半径有一定的要求：绳槽半径过大，绳负荷工作时钢丝绳的横截面成椭圆形，绳股内钢丝互相摩擦挤压，绳槽半径过小，绳内钢丝受挤，绳股与绳槽两侧摩擦加剧，对钢丝绳的寿命影响很大。

钢丝绳与支撑表面接触时，支撑表面的破坏形式主要是接触疲劳破坏，当钢丝绳与接触面的比压超过3公斤/平方毫米时，材料表层损伤，摩擦系数增大，锅丝绳与绳精的相对滑动，使摩损加快，滑轮的轮径变小，对钢丝绳的寿命不利，必须提高滑轮接触面的疲劳强度。

钢丝绳与支撑表面间接触时的相对滑动是钢丝绳磨损的主要原因之一，当滑轮转动不灵活或由于滑轮轮缘重量过大，都会引起接触面的相对滑动，因而在设计时应注意减轻轮缘的重量，在使用中要注意天车滑轮以及游动滑车滑轮的润滑状况，减少由滑动带来的钢丝绳磨损。

4.钢丝绳的缠绕、弯曲次数及弯曲方向：由于钻探时提升高度很大，为了减小卷筒的宽

度，钻机上采用了多层卷绕的平滑卷筒，其缺点是内层钢丝绳受到外层钢丝绳的挤压，钢丝绳容易损坏，为了保证绳素在卷筒上均匀缠绕，滑轮绳槽的中心线应在卷简的垂直平分线上（如图4），偏斜角度应保持下面的条件，否则会发生疏密不匀或叠绕现象，对多层缠绕的平滑卷筒a1≤2*，当a；=d时，t4a山=%

当天车滑轮中心线不能垂直平分卷筒的中心线时，a，÷a：应符合下面条件LL

7么，“7a=h当天车轴中心线

与卷简输中心线不平

—天车

行时，中间应增设导向轮，并符合上面的条件，此时虽对排绳

dh有利，但因为增加了

附加扭转和康擦次

数，对绳的寿命是不

利的。上苍海

钢丝绳挂绳时的1弯曲方向应尽量一

致，当只有一个方向图4弯曲时，所能承受的弯曲次数比有反向弯曲的次数约大一倍。一次反向弯曲，相当正向弯曲两次，而且弯曲次数愈多，磨损也愈严重，所以在设计安装中应注意绳的弯曲次数及弯曲方向。

回绳过程中，钢丝绳在卷筒上的缠绳紧度取决于游动滑车及提引器的重量，这部分重量太轻，钢丝绳由于有僵性而缠不紧，对排绳不利，下钻时上层绳有可能拉入下层，钢丝绳会剧烈损坏。

（三）钢丝绳的维护、检查、保管：

由于环境因素的影病，钢丝绳被腐蚀，它在交变循环载荷作用下，钢丝绳的寿命将大大缩短。它的主要破坏形式是点蚀，表层下的腐蚀、晶间开裂，如果我们注意钢丝绳的维护、润滑、保管将大大减慢它的腐蚀破坏作用。