起重機鋼絲繩疲勞損傷監測研究

摘要：起重機鋼絲繩作為重要的承載構件，長期承受復雜的載荷與環境作用，導致疲勞損傷不斷累積，危及設備運行安全。鋼絲繩疲勞損傷表現形式多樣，損傷演化規律復雜，現有監測手段在損傷識別與評估方面存在諸多局限。本文探討了起重機鋼絲繩疲勞損傷的主要形式、損傷特征及相應的監測方法，為鋼絲繩安全評估提供理論支撐。

關鍵詞：起重機；鋼絲繩；疲勞損傷；監測

近年來，隨著經濟社會的穩步發展，工程領域、應急救援等方面大量采用了起重機械。正是因為起重機械的重要性，市場上陸續出現了多種型號的起重機械，這些設備在功能、性能等方面存在一定的差別，實際的工作中應根據實際需求來合理選擇。綜合起重機械的使用情況，許多事故因鋼絲繩問題所引起。為體現鋼絲繩的作用，任何型號的起重機械使用中有關人員都需要認識到鋼絲繩的作用，遵循操作規范，做好日常的檢修及維護，降低或消除鋼絲繩給起重機械帶來的負面影響。

一、起重機鋼絲繩疲勞損傷形式

（一）鋼絲繩斷絲損傷

起重機鋼絲繩在長期承受交變彎曲與拉伸載荷的復雜應力狀態下，外層鋼絲由于承受最大彎曲應力而率先出現微小裂紋，裂紋在應力循環作用下逐漸擴展貫穿整根鋼絲，導致鋼絲發生疲勞斷裂。滑輪槽與鋼絲繩的反復摩擦接觸產生較大的局部應力集中，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域，外層鋼絲斷裂后內層鋼絲所承受的載荷隨之增大，內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、使用時間和環境條件密切相關，在重載、高頻率循環和惡劣環境下工作的鋼絲繩斷絲損傷更為嚴重，當斷絲數量超過安全標準時，鋼絲繩的有效承載截面積減小，承載能力急劇下降，極易引發設備事故。

（二）鋼絲繩磨損損傷

起重機鋼絲繩在服役過程中經受滑輪摩擦和繩股間相對運動的雙重磨損作用，鋼絲繩表面持續與滑輪槽發生機械摩擦導致材料表層被剝離，形成細小磨粒，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。在往復運動工況下，鋼絲繩各股之間的相對滑動引起的內部磨損使鋼絲繩結構松散，破壞了原有的應力分布狀態，磨損部位的應力集中效應誘發疲勞裂紋的萌生和擴展，加速了鋼絲繩的疲勞損傷進程。滑輪槽型與鋼絲繩直徑的匹配度影響摩擦接觸狀態，槽型過大或過小都會增加鋼絲繩的磨損損傷，磨損過程中產生的熱量使鋼絲繩局部溫度升高，在高溫和潮濕環境下工作時，磨損損傷更為顯著，嚴重時會導致鋼絲繩過早失效^[1]。

（三）鋼絲繩腐蝕損傷

起重機鋼絲繩在含鹽、酸堿等腐蝕性介質環境中長期工作，表面易發生化學腐蝕和電化學腐蝕反應，腐蝕作用使鋼絲表面生成疏松的氧化皮層，并在應力作用下剝落，導致鋼絲直徑減小，局部區域形成腐蝕坑，這些腐蝕坑成為應力集中源，降低了鋼絲的抗疲勞性能。鋼絲繩內部結構存在的間隙為腐蝕介質提供了聚集空間，腐蝕性物質在股間縫隙中難以排出，造成鋼絲繩內部持續遭受腐蝕侵蝕，表面腐蝕坑的應力集中效應與內部腐蝕的材料劣化作用相互促進，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性質和摩擦學性能，增加了鋼絲繩與滑輪之間的摩擦系數，使鋼絲繩的磨損速率加快，腐蝕性介質對防護層的侵蝕導致防護效果下降，鋼絲繩在服役環境中的抗腐蝕能力持續降低，最終因腐蝕和機械損傷的耦合作用而失效。

二、起重機鋼絲繩疲勞損傷特征

（一）幾何特征演變

起重機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構經歷了形貌轉變過程，均勻分布的晶粒在循環應力作用下發生取向性改變，晶界處積累的應力集中引起位錯密度增加，形成大量滑移帶和微觀裂紋網絡。金屬晶粒在反復載荷作用下產生再結晶現象，局部區域的晶粒尺寸分布由細化向粗化演變，組織結構的不均勻性隨之增強，這種微觀組織的演化過程深刻影響材料的力學性能。金屬表層疲勞損傷區域形成了獨特的顯微硬度梯度，硬度值從表面向內部逐漸過渡，構成了明顯的性能劣化層，該區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律體現了疲勞損傷的演化程度^[2]。

（二）動態響應變化

鋼絲繩結構在疲勞損傷演化過程中呈現復雜的動態響應特性，內部結構的剛度退化與阻尼增大改變了振動信號的衰減特征，能量耗散機制由線性阻尼向非線性阻尼轉變，損傷區域的應變能在空間上形成不均勻分布。頻率響應函數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，鋼絲繩的橫向振動與縱向振動之間產生強烈的耦合效應，使振型發生畸變，破壞了模態振型的正交性。瞬態動力響應受損傷狀態影響具有明顯的非平穩性，沖擊響應信號的能量在時域上出現延遲集中現象，振動能量在時域和頻域的分布規律隨損傷程度發生系統性變化，構成了表征鋼絲繩損傷狀態的動態特征參數集。

三、鋼絲繩疲勞損傷監測方法

（一）傳統監測方法

1.視覺檢查法

鋼絲繩檢修人員在設備停機狀態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行觀察記錄，檢查過程中需要借助照明設備與放大鏡等專業工具仔細觀察每處可疑部位，特別是滑輪區域與固定端附近等應力集中區域更需重點排查。檢修人員根據長期積累的工程經驗，綜合考慮鋼絲繩的使用時間、工作載荷與環境條件等因素，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。目視檢查雖然操作簡單直觀，但檢查質量嚴重依賴于檢修人員的專業素養與責任心，對損傷程度的判斷存在較大的主觀性，且鋼絲繩內部產生的缺陷無法被發現，導致檢測結果的可靠性與完整性難以保證。

2.拉力測試法

拉力測試系統利用專業的加載裝置對鋼絲繩施加預設載荷，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響應，測試裝置的加載速率需嚴格控制在合理范圍內，避免載荷過大或加載過快對鋼絲繩造成二次損傷。測試數據采集系統實時記錄載荷與位移數據，鋼絲繩的應力應變曲線反映了材料的剛度特性與非線性程度，根據曲線的異常特征可判斷鋼絲繩的力學性能退化情況。這種測試方法需要將鋼絲繩從設備上拆卸下來，占用大量停機時間，且測試結果僅能反映鋼絲繩的整體受力狀態，對局部區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）在線監測技術

1.磁通漏檢測技術

鋼絲繩磁通漏檢測裝置采用永磁體與勵磁線圈相結合的復合磁化方式，在鋼絲繩表面形成穩定的強磁場，磁化強度的合理設計確保了鋼絲繩處于充分磁化狀態，當鋼絲繩出現斷絲或裂紋等損傷時，缺陷處的磁通密度分布發生畸變，產生局部磁力線泄漏。檢測系統沿鋼絲繩周向布置高靈敏度的霍爾傳感器陣列與差動式線圈檢測器，實現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過專門設計的調理電路進行放大、濾波與特征提取，磁通漏信號的幅值大小與波形特征蘊含了豐富的缺陷信息，系統具備實時監測與故障預警等功能。

2.聲發射檢測技術

聲發射監測系統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，捕捉損傷源產生的瞬態彈性波信號，聲發射波在鋼絲繩中的傳播特性決定了信號的空間分布規律。監測系統采用先進的聲源定位算法，基于多個傳感器接收到的聲發射信號時間差確定損傷位置，聲發射信號的能量、頻譜等特征參數與損傷類型和程度建立了內在聯系。系統對采集到的聲發射信號進行自適應濾波與特征提取，建立聲發射參數與疲勞損傷程度的定量映射關系，該技術對鋼絲繩內部微觀損傷的檢測具有獨特優勢，可在設備運行狀態下實現持續監測^[4]。

四、結語

綜上所述，起重機鋼絲繩疲勞損傷表現為斷絲、磨損與腐蝕等形式，損傷發展過程中表現出獨特的幾何特征演變規律與動態響應特性。視覺檢查法與拉力測試法等傳統監測手段存在較大局限性，磁通漏檢測技術與聲發射檢測技術等在線監測方法能夠實現對疲勞損傷的有效識別與評估。鋼絲繩疲勞損傷監測研究對提升起重機運行安全性具有重要科學價值，未來應加強損傷機理分析與監測技術研究，建立更加完善的損傷評估體系。

文章來源：《產品可靠性報告》 http://www.007hgw.com/w/kj/32519.html