JFE開(kāi)發(fā)吊車用鋼絲,鋼繩壽命診斷新技術(shù)

[ 來(lái)自:不銹鋼絲     時(shí)間:2009.08.30 ] 1．前言
    過(guò)去，JFE對(duì)鋼絲壽命的判定是用外觀目視以確認(rèn)有無(wú)斷裂的一般方法，故須在有較多殘余壽命時(shí)就將之更換，以確保吊運(yùn)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(xiǎn)。為用定量判定方法代替定性判定，JFE成功開(kāi)發(fā)了統(tǒng)計(jì)處理使用后拆卸鋼絲樣品試驗(yàn)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(kāi)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(duì)鋼絲壽命產(chǎn)生大的影響，從而確立了定量評(píng)價(jià)扭絞的方法。以下概要介紹這些技術(shù)開(kāi)發(fā)和使用結(jié)果。
    2．鋼絲使用后的機(jī)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(qiáng)度）和延伸率（即塑性）等機(jī)械性能。通常在各試驗(yàn)項(xiàng)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(yàn)次數(shù)作為壽命評(píng)價(jià)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(duì)指數(shù)）以及與強(qiáng)度（相對(duì)指數(shù)）的關(guān)系可知：在接近斷裂壽命時(shí)，強(qiáng)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(diǎn)，研究了在實(shí)機(jī)使用中的鋼絲壽命評(píng)價(jià)方法。
    3．鋼絲的固有振動(dòng)
    3．1固有振動(dòng)數(shù)計(jì)算式
    直棒斷面的縱向振動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)數(shù)F變會(huì)變化。由于表觀彈性系數(shù)會(huì)隨鋼絲劣化而變化，故可推論在鋼絲的縱向振動(dòng)中，包含固有振動(dòng)數(shù)的振動(dòng)現(xiàn)象將如何變化。
    3．2實(shí)機(jī)鋼絲的振動(dòng)波形比較
    實(shí)測(cè)了冷軋廠正在運(yùn)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(dòng)。鋼絲的縱向振動(dòng)是用天車實(shí)際吊運(yùn)(提升或下放)載荷而施加緊急制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)。比較兩種鋼絲振動(dòng)波形的不同之處在于：劣化鋼絲的振動(dòng)頻率為3．42Hz，在6．0s內(nèi)振動(dòng)了20個(gè)周期；而新鋼絲的振動(dòng)頻率為3．21Hz，在6．2s內(nèi)振動(dòng)了20個(gè)周期。由此可知，劣化鋼絲的固有振動(dòng)數(shù)較高，且從其波形變化可知，此鋼絲振動(dòng)波的衰減較慢。這就說(shuō)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(dòng)數(shù)增加的理論是一致的。據(jù)此可以認(rèn)為，固有振動(dòng)和壽命之間存在相關(guān)關(guān)系，故采用了實(shí)機(jī)吊車的固有振動(dòng)和壽命判定數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)了此相關(guān)關(guān)系。
    3．3固有振動(dòng)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(dòng)數(shù)比率f／f0和振動(dòng)的振幅衰減到1／3的時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(huì)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(dòng)波形。從實(shí)測(cè)的振動(dòng)波形中發(fā)現(xiàn)，在提升、下放載荷的動(dòng)作中，剛緊急制動(dòng)后的波形受沖擊而過(guò)度振動(dòng)，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(shí)間，結(jié)果就會(huì)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(guò)渡的沖擊波除外，而從以后的波形計(jì)算其衰減時(shí)間。
    3．4鋼絲固有振動(dòng)計(jì)量器的應(yīng)用
    在上述研究的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的固有振動(dòng)計(jì)量器的誤差小、精度高，即使不具有振動(dòng)計(jì)量專門(mén)知識(shí)的人也能使用：在下降滑輪或吊運(yùn)的載荷上，用磁鐵吸住振動(dòng)傳感器，只在地面上即可通過(guò)按鈕使振動(dòng)計(jì)量完全自動(dòng)進(jìn)行。結(jié)果，利用最大振幅衰減到1／3的時(shí)間的FFT（快速傅立葉變換）解析，就能求出鋼絲的固有振動(dòng)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(dòng)和壽命的相關(guān)性，且作為實(shí)機(jī)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(kāi)發(fā)
    4．1鋼絲的扭絞
    鋼絲繩是將多股鋼絲通過(guò)捻繩機(jī)的運(yùn)行滾筒將之合股而成為山形的花紋。由于此時(shí)運(yùn)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(zhǎng)的使用壽命，必須對(duì)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(shí)際使用均表明，鋼絲繩的山形花紋走樣（也稱對(duì)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(gè)長(zhǎng)度（420m）范圍的繩間距和繩直徑的測(cè)定值可知，較之制造時(shí)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(shí)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(shí)，鋼絲壽命就會(huì)下降。例如當(dāng)繩間距變化率從1．0％增大至8．0％以上時(shí)，鋼絲壽命比率就會(huì)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(jì)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?yàn)椋菏紫葟木噤摻z末端2m處測(cè)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(cè)定，從而確認(rèn)解體前后測(cè)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(shí)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(cè)定值和末端解體前的相應(yīng)測(cè)定值之比率，橫坐標(biāo)的壽命比率是將同一吊車過(guò)去實(shí)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(shí)，鋼絲使用壽命比率即可從0．8延長(zhǎng)至1．1。
    以上述數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)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(yǔ)
    以前，因不敢冒鋼絲繩可能斷裂的風(fēng)險(xiǎn)而完全用完其壽命，故不能安全地延長(zhǎng)其更換周期。
    JFE除了對(duì)鋼絲繩取樣評(píng)價(jià)其使用壽命之外，還利用鋼絲繩在實(shí)機(jī)吊車運(yùn)行中的固有振動(dòng)以及使用后繩間距與繩直徑的變化來(lái)判定其使用壽命，不但提高了壽命判定精度，且可安全延長(zhǎng)其更換周期。

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