起重機(jī)鋼絲繩疲勞損傷監(jiān)測研究

摘要：起重機(jī)鋼絲繩作為重要的承載構(gòu)件，長期承受復(fù)雜的載荷與環(huán)境作用，導(dǎo)致疲勞損傷不斷累積，危及設(shè)備運(yùn)行安全。鋼絲繩疲勞損傷表現(xiàn)形式多樣，損傷演化規(guī)律復(fù)雜，現(xiàn)有監(jiān)測手段在損傷識別與評估方面存在諸多局限。本文探討了起重機(jī)鋼絲繩疲勞損傷的主要形式、損傷特征及相應(yīng)的監(jiān)測方法，為鋼絲繩安全評估提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；鋼絲繩；疲勞損傷；監(jiān)測

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)步發(fā)展，工程領(lǐng)域、應(yīng)急救援等方面大量采用了起重機(jī)械。正是因?yàn)槠鹬貦C(jī)械的重要性，市場上陸續(xù)出現(xiàn)了多種型號的起重機(jī)械，這些設(shè)備在功能、性能等方面存在一定的差別，實(shí)際的工作中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求來合理選擇。綜合起重機(jī)械的使用情況，許多事故因鋼絲繩問題所引起。為體現(xiàn)鋼絲繩的作用，任何型號的起重機(jī)械使用中有關(guān)人員都需要認(rèn)識到鋼絲繩的作用，遵循操作規(guī)范，做好日常的檢修及維護(hù)，降低或消除鋼絲繩給起重機(jī)械帶來的負(fù)面影響。

一、起重機(jī)鋼絲繩疲勞損傷形式

（一）鋼絲繩斷絲損傷

起重機(jī)鋼絲繩在長期承受交變彎曲與拉伸載荷的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，外層鋼絲由于承受最大彎曲應(yīng)力而率先出現(xiàn)微小裂紋，裂紋在應(yīng)力循環(huán)作用下逐漸擴(kuò)展貫穿整根鋼絲，導(dǎo)致鋼絲發(fā)生疲勞斷裂?；啿叟c鋼絲繩的反復(fù)摩擦接觸產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力集中，使鋼絲繩在滑輪部位與固定端附近的斷絲密度明顯高于其他區(qū)域，外層鋼絲斷裂后內(nèi)層鋼絲所承受的載荷隨之增大，內(nèi)層鋼絲的疲勞損傷速率加快，致使鋼絲繩整體疲勞壽命顯著縮短。鋼絲繩斷絲損傷程度與工作載荷、使用時(shí)間和環(huán)境條件密切相關(guān)，在重載、高頻率循環(huán)和惡劣環(huán)境下工作的鋼絲繩斷絲損傷更為嚴(yán)重，當(dāng)斷絲數(shù)量超過安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，鋼絲繩的有效承載截面積減小，承載能力急劇下降，極易引發(fā)設(shè)備事故。

（二）鋼絲繩磨損損傷

起重機(jī)鋼絲繩在服役過程中經(jīng)受滑輪摩擦和繩股間相對運(yùn)動(dòng)的雙重磨損作用，鋼絲繩表面持續(xù)與滑輪槽發(fā)生機(jī)械摩擦導(dǎo)致材料表層被剝離，形成細(xì)小磨粒，這些磨粒在高接觸壓力下嵌入鋼絲表面或卡在股間空隙中，造成鋼絲繩表面和內(nèi)部的磨粒磨損，使鋼絲直徑逐漸減小，降低了鋼絲的有效承載面積。在往復(fù)運(yùn)動(dòng)工況下，鋼絲繩各股之間的相對滑動(dòng)引起的內(nèi)部磨損使鋼絲繩結(jié)構(gòu)松散，破壞了原有的應(yīng)力分布狀態(tài)，磨損部位的應(yīng)力集中效應(yīng)誘發(fā)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，加速了鋼絲繩的疲勞損傷進(jìn)程?；啿坌团c鋼絲繩直徑的匹配度影響摩擦接觸狀態(tài)，槽型過大或過小都會(huì)增加鋼絲繩的磨損損傷，磨損過程中產(chǎn)生的熱量使鋼絲繩局部溫度升高，在高溫和潮濕環(huán)境下工作時(shí)，磨損損傷更為顯著，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩過早失效^[1]。

（三）鋼絲繩腐蝕損傷

起重機(jī)鋼絲繩在含鹽、酸堿等腐蝕性介質(zhì)環(huán)境中長期工作，表面易發(fā)生化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，腐蝕作用使鋼絲表面生成疏松的氧化皮層，并在應(yīng)力作用下剝落，導(dǎo)致鋼絲直徑減小，局部區(qū)域形成腐蝕坑，這些腐蝕坑成為應(yīng)力集中源，降低了鋼絲的抗疲勞性能。鋼絲繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的間隙為腐蝕介質(zhì)提供了聚集空間，腐蝕性物質(zhì)在股間縫隙中難以排出，造成鋼絲繩內(nèi)部持續(xù)遭受腐蝕侵蝕，表面腐蝕坑的應(yīng)力集中效應(yīng)與內(nèi)部腐蝕的材料劣化作用相互促進(jìn)，加劇了鋼絲繩的疲勞損傷。腐蝕損傷改變了鋼絲表面的物理化學(xué)性質(zhì)和摩擦學(xué)性能，增加了鋼絲繩與滑輪之間的摩擦系數(shù)，使鋼絲繩的磨損速率加快，腐蝕性介質(zhì)對防護(hù)層的侵蝕導(dǎo)致防護(hù)效果下降，鋼絲繩在服役環(huán)境中的抗腐蝕能力持續(xù)降低，最終因腐蝕和機(jī)械損傷的耦合作用而失效。

二、起重機(jī)鋼絲繩疲勞損傷特征

（一）幾何特征演變

起重機(jī)鋼絲繩在長期疲勞損傷演化過程中，金屬材料表面的微觀組織結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了形貌轉(zhuǎn)變過程，均勻分布的晶粒在循環(huán)應(yīng)力作用下發(fā)生取向性改變，晶界處積累的應(yīng)力集中引起位錯(cuò)密度增加，形成大量滑移帶和微觀裂紋網(wǎng)絡(luò)。金屬晶粒在反復(fù)載荷作用下產(chǎn)生再結(jié)晶現(xiàn)象，局部區(qū)域的晶粒尺寸分布由細(xì)化向粗化演變，組織結(jié)構(gòu)的不均勻性隨之增強(qiáng)，這種微觀組織的演化過程深刻影響材料的力學(xué)性能。金屬表層疲勞損傷區(qū)域形成了獨(dú)特的顯微硬度梯度，硬度值從表面向內(nèi)部逐漸過渡，構(gòu)成了明顯的性能劣化層，該區(qū)域的顯微組織中存在疲勞條帶和局部塑性變形痕跡，這些特征形貌的空間分布規(guī)律體現(xiàn)了疲勞損傷的演化程度^[2]。

（二）動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化

鋼絲繩結(jié)構(gòu)在疲勞損傷演化過程中呈現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的剛度退化與阻尼增大改變了振動(dòng)信號的衰減特征，能量耗散機(jī)制由線性阻尼向非線性阻尼轉(zhuǎn)變，損傷區(qū)域的應(yīng)變能在空間上形成不均勻分布。頻率響應(yīng)函數(shù)的諧振峰帶寬隨損傷程度加深呈增大趨勢，相位角變化幅度加大，鋼絲繩的橫向振動(dòng)與縱向振動(dòng)之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合效應(yīng)，使振型發(fā)生畸變，破壞了模態(tài)振型的正交性。瞬態(tài)動(dòng)力響應(yīng)受損傷狀態(tài)影響具有明顯的非平穩(wěn)性，沖擊響應(yīng)信號的能量在時(shí)域上出現(xiàn)延遲集中現(xiàn)象，振動(dòng)能量在時(shí)域和頻域的分布規(guī)律隨損傷程度發(fā)生系統(tǒng)性變化，構(gòu)成了表征鋼絲繩損傷狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特征參數(shù)集。

三、鋼絲繩疲勞損傷監(jiān)測方法

（一）傳統(tǒng)監(jiān)測方法

1.視覺檢查法

鋼絲繩檢修人員在設(shè)備停機(jī)狀態(tài)下開展定期檢查工作，主要針對鋼絲繩表面的斷絲、磨損與腐蝕等外觀損傷特征進(jìn)行觀察記錄，檢查過程中需要借助照明設(shè)備與放大鏡等專業(yè)工具仔細(xì)觀察每處可疑部位，特別是滑輪區(qū)域與固定端附近等應(yīng)力集中區(qū)域更需重點(diǎn)排查。檢修人員根據(jù)長期積累的工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮鋼絲繩的使用時(shí)間、工作載荷與環(huán)境條件等因素，對損傷的位置分布與程度等級做出綜合評估，為維修決策提供依據(jù)。目視檢查雖然操作簡單直觀，但檢查質(zhì)量嚴(yán)重依賴于檢修人員的專業(yè)素養(yǎng)與責(zé)任心，對損傷程度的判斷存在較大的主觀性，且鋼絲繩內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷無法被發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致檢測結(jié)果的可靠性與完整性難以保證。

2.拉力測試法

拉力測試系統(tǒng)利用專業(yè)的加載裝置對鋼絲繩施加預(yù)設(shè)載荷，配備高精度的測力與位移傳感器采集鋼絲繩在加載過程中的力學(xué)響應(yīng)，測試裝置的加載速率需嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi)，避免載荷過大或加載過快對鋼絲繩造成二次損傷。測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄載荷與位移數(shù)據(jù)，鋼絲繩的應(yīng)力應(yīng)變曲線反映了材料的剛度特性與非線性程度，根據(jù)曲線的異常特征可判斷鋼絲繩的力學(xué)性能退化情況。這種測試方法需要將鋼絲繩從設(shè)備上拆卸下來，占用大量停機(jī)時(shí)間，且測試結(jié)果僅能反映鋼絲繩的整體受力狀態(tài)，對局部區(qū)域的損傷特征缺乏有效識別能力，測試過程繁瑣且效率較低^[3]。

（二）在線監(jiān)測技術(shù)

1.磁通漏檢測技術(shù)

鋼絲繩磁通漏檢測裝置采用永磁體與勵(lì)磁線圈相結(jié)合的復(fù)合磁化方式，在鋼絲繩表面形成穩(wěn)定的強(qiáng)磁場，磁化強(qiáng)度的合理設(shè)計(jì)確保了鋼絲繩處于充分磁化狀態(tài)，當(dāng)鋼絲繩出現(xiàn)斷絲或裂紋等損傷時(shí)，缺陷處的磁通密度分布發(fā)生畸變，產(chǎn)生局部磁力線泄漏。檢測系統(tǒng)沿鋼絲繩周向布置高靈敏度的霍爾傳感器陣列與差動(dòng)式線圈檢測器，實(shí)現(xiàn)對整根鋼絲繩橫截面的全方位掃描，采集到的磁通漏信號經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的調(diào)理電路進(jìn)行放大、濾波與特征提取，磁通漏信號的幅值大小與波形特征蘊(yùn)含了豐富的缺陷信息，系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測與故障預(yù)警等功能。

2.聲發(fā)射檢測技術(shù)

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)利用鋼絲繩在損傷演化過程中釋放的彈性波能量，在鋼絲繩表面沿軸向與周向合理布置壓電傳感器陣列，捕捉損傷源產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波信號，聲發(fā)射波在鋼絲繩中的傳播特性決定了信號的空間分布規(guī)律。監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的聲源定位算法，基于多個(gè)傳感器接收到的聲發(fā)射信號時(shí)間差確定損傷位置，聲發(fā)射信號的能量、頻譜等特征參數(shù)與損傷類型和程度建立了內(nèi)在聯(lián)系。系統(tǒng)對采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行自適應(yīng)濾波與特征提取，建立聲發(fā)射參數(shù)與疲勞損傷程度的定量映射關(guān)系，該技術(shù)對鋼絲繩內(nèi)部微觀損傷的檢測具有獨(dú)特優(yōu)勢，可在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)持續(xù)監(jiān)測^[4]。

四、結(jié)語

綜上所述，起重機(jī)鋼絲繩疲勞損傷表現(xiàn)為斷絲、磨損與腐蝕等形式，損傷發(fā)展過程中表現(xiàn)出獨(dú)特的幾何特征演變規(guī)律與動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。視覺檢查法與拉力測試法等傳統(tǒng)監(jiān)測手段存在較大局限性，磁通漏檢測技術(shù)與聲發(fā)射檢測技術(shù)等在線監(jiān)測方法能夠?qū)崿F(xiàn)對疲勞損傷的有效識別與評估。鋼絲繩疲勞損傷監(jiān)測研究對提升起重機(jī)運(yùn)行安全性具有重要科學(xué)價(jià)值，未來應(yīng)加強(qiáng)損傷機(jī)理分析與監(jiān)測技術(shù)研究，建立更加完善的損傷評估體系。

文章來源：《產(chǎn)品可靠性報(bào)告》 http://www.00559.cn/w/kj/32519.html