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架空索道钢丝绳断裂原因分析

                          姚戈尹万全
(中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室110016)

摘要某水泥厂运送矿石架空索道采用的34 5NAT6×7+FC1520重要ZZ钢丝绳,负载运行368天后,在其
正绳部位发生整绳破断:检验分析表明,钢丝绳的断裂属性为疲劳断裂,疲劳断裂原因是由于钢丝绳在运行过程
中受到严重摩擦和弯曲振动载荷,使其表面磨损和硬化,并在磨损面出现剥落坑和小裂纹,成为疲劳源,最终导致
疲劳断裂。

关键词钢丝绳丝绳断裂磨损和硬化
Fracture ReasonAnalysis ofW ireRopeforOver-gromadRopeway
Yao Ge Yin Wanquan
(Instma~ofMetalResearch,Chir~eseAcadmny ofScieTwes,Shen)~,ngNationd LaboratoryforMaterials Science 110016)
Abslxaet Iml~rtant ZZ wirewpe with 34 5NAT6×7+FC1520 was usedfor ropc~aytotransport ina cdrn factor/After
rtmning 368 days with load,round wire tope fractured at the t'lo/mJtl posi~on of the wire tope.The inspection and analysis showed
thatthefracture ofwire rope wasfatiguefracttwe—which ws duetothe severefriction and berd fatigue existinginthetopenma'fing
ploeess withload,resultedinthewear andhrd 】1g ofthe wire slllf2ti)e and some spaⅡiIlg b and eracks presented atthe
J ace of the wire,wher~fatigue crack initiated and de~elop,q.fmany fiactllred
X wire rope; fracture; wear and hardening

某钢绳厂生产的34.5NAT6×7+FE1520重要盈钢丝绳用于某水泥厂运送矿石架空索道,该索道是单线循环式索道,上端连矿山碎石库,下端与工厂储矿库相连,用于将粉碎后的矿石由碎石库运到储矿库。索道全线分为上下两段,各自单独驱动,其中下段全长5 592 nl,高度落差242 nl,中间经过两个转角站,其最末端挂有40 t的配重。矿斗由运转的钢丝绳携带运行,下行时满载,重约1 012 ks;上行时空载,重约212 kg,矿斗间距离70 nl。在负载运行368天后突然发生整绳破断,钢绳断裂处位于下段索道靠储矿库出站一侧的钢丝绳正绳部位 索道工作环境恶劣,粉尘严重。使用1 520 MPa级的钢丝绳比设计的1 570 MPa级钢丝绳强度稍低,且索道钢丝绳在断裂前已连续8个月处于超负荷运行(约超负荷5%)状态。本文主要对钢丝绳断裂原因进行分析。
1 钢丝绳质量检验
检验样品取自与断裂的钢丝绳同批出厂的相同规格钢丝绳,未经使用过,但已经露天放置一年多,外观上无异常现象。样品共两段,长度分别为2.0m和1.6m。
1.1 化学成分
钢丝绳拆股钢丝的化学成分见表1。

 

1.2 金相组织与显微硬度
钢丝绳拆股钢丝(外层)试样的横向金相组织为正常索氏体组织。在未腐蚀试样上任取三点测量其显微硬度(Hm),分别为413,455,455,平均值为441
1.3 力学性能
钢丝绳的整绳破断拉力和拆股钢丝(名义直径3.8mm)的抗拉强度、弯曲值、扭转值如表2所示。
表2 整绳破断拉力和拆股钢丝的抗拉强度、弯曲值、扭转值


注:(1)实测全部钢丝破断力总和为740.4 kN,标准规定为720 3 kN。
(2)整绳破断拉力试验时绳断于靠近绳夹持处。

    上述检验结果说明,该34.5NAT6 x 7+FC1520重要ZZ钢丝绳化学成分合格,组织正常,力学性能也符合有关标准,所以认为该钢丝绳是合格的。
2断口与金相
2.1断丝检验分析
    钢丝绳断裂后,断口处的钢丝以不规则状态散开,断口分布在长约1 m的范围内,因被雨水淋湿,钢丝已见锈迹。将6股共4?根钢丝从1一1一6一42依次编号,并截取断丝断口,清洗后用体视显微镜和扫描电镜观察,统计分析所有断丝断裂特征及断口
宏观、微观形貌。
2.2断丝断裂特征
    6般42根断ff的断裂特征可分为三类:(1}6根中心丝都没有受到磨损,断口均有缩颈,断口面起伏不平,应为一次性拉断:(2)36根外层丝中有34根断丝的断口附近表面纵向都受到不同程度的磨损,磨损程度多数都在0.S一0. 8~,严重者被磨掉超过一半;断口面一部分较为平坦,另一部分凹凸不平,无缩颈,具有疲劳断裂特证_(3)有2根外层丝基本上未受到磨损,其中之一断口有缩颈,为一次性拉断,另一根断口无缩颈,也具有疲劳断裂特征。
2.3断丝纵向表面特征
    34根受到磨损的外层钢丝中共有24根钢丝的纵向表面都有不同程度的剥落坑,沟槽和纵、横向不规则微细裂纹,如图1(a},}b)所示:在非断绳处的断丝纵向表面的磨损面上也有类似的特征。





2.4断丝断口的宏观和微观形貌
6根中心丝断口均有缩颈现象,且断口面凹凸不平;其微观形貌为韧窝形态,如图2(a)、(b)所示。另有l根呈缩颈断裂的外层丝断口也有相似的宏观、微观形貌。。
36根外层丝中的35根断口宏观上均无缩颈现象,断口面一部分较为平坦,为疲劳裂纹扩展所致;另一部分凹凸不平,为过载瞬时拉断。所有断丝的疲劳源均位于受磨损一侧的磨损面,有的疲劳源与其磨损面的微细裂纹相连,有的疲劳裂纹起源于磨损面的剥落坑,如图3(a)、(b)所示。
经扫描电镜观察,35根非中心丝断口的平坦部位的微观形貌均呈现典型的解理小平面的疲劳断裂特征,如图4(a)、(b)
 
 


2.5断丝磨损面侧面的金相组织与显微硬度
    我们选择了两根磨损程度不同的断丝,进行了断口附近横向金相组织观察。
    磨损较严重的钢丝(3-18),断口处未受磨损一侧的横向金相组织为均匀的索氏体;受磨损一侧内部仍为索氏体组织,磨损面附近为一层厚度约为2b脚白亮组织,其上存在着穿透性的裂纹,经深腐蚀后白亮层处呈现细化致密的组织,如图5(a) ,}b)}
    测量靠近白亮层的索氏体组织的显微硬度(Hm)为473和525,稍高于未使用钢丝绳拆股钢丝索氏体组织的显微硬度441;而测量在白亮层处的显微硬度(Hm)为882和854,比正常索氏体显微硬度高出1倍。由此,有人从硬度值考虑,将这白亮层称为“马氏体”;但白亮层经深腐蚀后,显示出细化致密的组织,不同于正常的马氏体组织,也不同于正常的索氏体组织。无论称谓如何,或者形成机理是否清楚,笔者认为,这种白亮层是由于组织细化,而使硬度增高,应属于一种硬化相或脆性相。这种脆性相在钢丝绳变形时很容易产生裂纹,最终导致钢丝绳的疲劳断裂。
    磨损较轻的断丝(3一?U)断口处靠近心部的组织为正常的索氏体组织,该处的显微硬度(Hrn)为443*靠近磨损面的横向金相组织、虽显示异常组织特征,基本上也是索氏体组织、并且其显微硬度( Hrn)也为443:此根钢丝与未使用过的钢丝绳拆股钢丝相比,组织相似,显微硬度也无变化,可以认为这根断丝是处于摩擦的初期。

3讨论
3.1断丝磨损面缺陷及其白亮层的形成
    架空索道钢丝绳负载运行过程中,其外层钢丝长期处于与轨道、托轮和转向轮的摩擦状态,因而其表面严重变形,组织细化(硬化),导致晶粒度变小,形成不易腐蚀的所谓白亮层。此处硬度高出正常索氏体组织一倍,因此有人认为这一白亮层是因应变而诱发的马氏体组织。但白亮层经深度腐蚀,却显示出细小致密的组织,这不能用常规的金属学组织转变来分析,我们暂且称之为“纳米化索氏体”组织,它是一种硬化相或脆性相。当钢丝绳在复杂,}力(摩擦、弯曲、拉伸、振动等)作用下,其外层丝的磨损面上易出现剥落坑和微细裂纹,形成疲劳源,在变化载荷作用下形成疲劳裂纹,慢慢扩展,导致外层钢丝陆续地发生疲劳断裂,最终发生整绳断裂:合理控制钢丝绳外层钢丝组织细化(纳米化)的程度0,是否有利于抗疲劳和耐磨损性能,尚需研究。钢丝绳外层丝磨损面凹坑或剥落坑形成原因,是由于钢丝塑性差或润滑不当,在与轨道面、托轮面和转向轮面反复摩擦接触出现的小麻点经扩展所致:特别是水泥粉尘、沙粒嵌人钢丝绳与轮接触面间,加速了外层丝的磨损,在摩擦表面出现了更多的凹坑。另外,索道钢丝绳在断裂前8个月一直处于超负荷运行状态(约超额5%),在此条件下外层丝表面所承受的应力则有可能接近或超过其接触疲劳极限fz},因而,进一步促进外层丝磨损面上剥落坑的形成和微细裂纹的出现。由于综合因素的影响,钢丝绳的抗疲劳性能被降低了。
3.2索道钢丝绳的安全系数影嗬
    众所周知,索道钢丝绳的安全系数越大,则其使用寿命就越长。根据“煤炭安全规程”,运物钢丝绳的安全系数不得小于3.5。经计算,此处索道钢丝绳的受力合力为241.9 kN,而选用的1 520 MPa级钢丝绳拆股钢丝的破断力总和为7"10 . 4 k1Y(见表2
注),索道的安全系数仅为3.1,显然安全系数比设计钢丝绳(1 5?0 MPa级)要偏低。若按索道设计要求选用1 570 MPa级钢丝绳,则其安全系数可稍加提高。为了延长索道钢丝绳使用寿命,应选用1 670MPa级的钢丝绳,则可以接近或达到规定的安全系
数。其次应注意改善索道钢丝绳操作工艺规范,以延长其使用寿命。
4结论
    (11钢丝绳断裂属于疲劳断裂,疲劳断裂的原因是钢丝绳受到严重的磨损造成钢丝表面变脆,并在其上出现剥落坑和小裂纹。
    (2)索道钢丝绳使用寿命与其安全系数和工况条件密切相关,安全系数选择偏小。

《架空索道钢丝绳断裂原因分析》2012-6-15 12:18:34 拖飞宝 浏次数

 




















系方
式:
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