JFE开发吊车用钢丝绳寿命诊断新技术

　　 过去，JFE对钢丝寿命的判定是用外观目视以确认有无断裂的一般方法，故须在有较多残余寿命时就将之更换，以确保吊运安全；且因使用环境限制而难以发现单股钢丝的裂纹，甚至有断裂危险。为用定量判定方法代替定性判定，JFE成功开发了统计处理使用后拆卸钢丝样品试验数据的方法。然而，因此法也难以判定使用中钢丝的寿命，故进一步开发不取下钢丝而判定其剩余寿命的技术，可使钢丝使用达到极限寿命。另外，还查明了因钢丝扭绞方法不同而使扭绞性状对钢丝寿命产生大的影响，从而确立了定量评价扭绞的方法。以下概要介绍这些技术开发和使用结果。

　　2．钢丝使用后的机械性能变化

　　在吊车上使用的钢丝因绳轮而弯曲，从而产生了金属疲劳，降低了断裂载荷（即强度）和延伸率（即塑性）等机械性能。通常在各试验项目所有的特性都显示了递减的状况，但研究者以和寿命相关性最显著的扭缢试验次数作为寿命评价指标，以确立寿命判定技术。

　　分别从钢丝的使用寿命指数与延伸率（相对指数）以及与强度（相对指数）的关系可知：在接近断裂寿命时，强度指数只有10％左右的下降，而延伸率却有高达20％左右的显著下降。此现象正如钢绳的弹性系数增加而延伸率下降的情况。研究者着眼于此点，研究了在实机使用中的钢丝寿命评价方法。

　　3．钢丝的固有振动

　　3．1固有振动数计算式

　　直棒断面的纵向振动频率可表示为F＝λ／（2π·L）·（E／ρ）1／2。式中F为固有频率，λ为系数，L为长度，E为纵向弹性系数，ρ为密度。在该式中，若改变纵向弹性系数E，固有振动数F变会变化。由于表观弹性系数会随钢丝劣化而变化，故可推论在钢丝的纵向振动中，包含固有振动数的振动现象将如何变化。

　　3．2实机钢丝的振动波形比较

　　实测了冷轧厂正在运行的顶棚天车提升用的更换前已劣化钢丝和更换后的新钢丝的振动。钢丝的纵向振动是用天车实际吊运(提升或下放)载荷而施加紧急制动时所产生的振动。比较两种钢丝振动波形的不同之处在于：劣化钢丝的振动频率为3．42Hz，在6．0s内振动了20个周期；而新钢丝的振动频率为3．21Hz，在6．2s内振动了20个周期。由此可知，劣化钢丝的固有振动数较高，且从其波形变化可知，此钢丝振动波的衰减较慢。这就说明劣化钢丝的表观弹性系数变大了，此结果与从前式求出的固有振动数增加的理论是一致的。据此可以认为，固有振动和寿命之间存在相关关系，故采用了实机吊车的固有振动和寿命判定数据，评价了此相关关系。

　　3．3固有振动与寿命的关系

　　分别调查了钢丝的寿命指数与固有振动数比率f／f0和振动的振幅衰减到1／3的时间比率t／t0之间的关系。结果表明：在前一种关系中，较之新钢丝，劣化钢丝的固有振动数虽然变高了，但却与寿命不相关；而在后一种关系中，却发现寿命指数与时间比率(t／t0)明显相关，即在寿命末期，t／t0增加了20％。因此，最大振幅衰减到1／3的时间就可成为判定钢丝使用寿命的指标。然而由于误差范围较大，会阻碍高精度的寿命判定，故进一步仔细分析了钢丝的振动波形。从实测的振动波形中发现，在提升、下放载荷的动作中，刚紧急制动后的波形受冲击而过度振动，较一般的衰减锥度更突出，若以此最大波形作为标准求解1／3衰减时间，结果就会极短，从而获得与自然衰减不同的结果。因此应将从最大振幅发生到向自然衰减过渡的冲击波除外，而从以后的波形计算其衰减时间。

　　3．4钢丝固有振动计量器的应用

　　在上述研究的基础上开发的固有振动计量器的误差小、精度高，即使不具有振动计量专门知识的人也能使用：在下降滑轮或吊运的载荷上，用磁铁吸住振动传感器，只在地面上即可通过按钮使振动计量完全自动进行。结果，利用最大振幅衰减到1／3的时间的FFT（快速傅立叶变换）解析，就能求出钢丝的固有振动数，从而提供能立刻进行其寿命判定的数据。在数据的解析中，去除了前述的冲击波，并编入了演算逻辑中。这些研究和改进提高了钢丝固有振动和寿命的相关性，且作为实机判定钢丝寿命的方法得到应用。

　　4．钢丝品质检查方法的开发

　　4．1钢丝的扭绞

　　钢丝绳是将多股钢丝通过捻绳机的运行滚筒将之合股而成为山形的花纹。由于此时运行滚筒间距的调整，在捻股成绳的钢丝上产生了扭绞和反扭绞的旋转：扭绞钢丝是向勒紧的方向旋转，而反扭绞钢丝则向折回的方向旋转。在顶棚吊车上，为了防止钢丝的弯曲和绳股脱落等散乱，以稳定确保其长的使用寿命，必须对钢丝进行扭绞而成为钢丝绳。
　　4．2花纹走样与寿命的关系

　　研究和实际使用均表明，钢丝绳的山形花纹走样（也称对花不准）与其使用寿命相关。从发生了弯曲、在被取出钢丝整个长度（420m）范围的绳间距和绳直径的测定值可知，较之制造时都发生了大的变化：绳间距初始值为290mm，用后取下的最大值为310mm，最小值为275mm；绳直径初始值为36．2mm，用后取下的最大值为36．8mm、最小值为35．5mm。
　　从造成花纹走样钢丝绳间距的变化率（间距变化值／制造时的间距）与钢丝寿命的关系可知：当绳间距变化率增大时，钢丝寿命就会下降。例如当绳间距变化率从1．0％增大至8．0％以上时，钢丝寿命比率就会从大约1．1降至0．8以下。

　　4．3钢丝扭绞检查法

　　一般的扭绞检查法受多种因素影响，难以准确定量判断扭绞情况。因此，为了准确计量钢丝的扭绞倾向，决定在扭股解体后，根据其伸缩性的改变，查明解体前后绳间距和直径的变化。具体检查顺序为：首先从距钢丝末端2m处测定绳间距和绳直径；将绳股解体后使之还原到原状态，再次进行上述测定，从而确认解体前后测定值的变化。从2根制造批次不同钢丝的检查结果，大致可确认扭绞钢丝的扭绞情况(含绳间距和直径的变化)。在制造时和制品检查中使用此检查法，可以定量判定钢丝扭绞状况。

　　4．4扭绞检查结果和钢丝使用寿命

　　若以直角坐标图的纵坐标表示将钢丝末端解体后再度编织状态的绳间距与直径测定值和末端解体前的相应测定值之比率，横坐标的寿命比率是将同一吊车过去实际寿命作为1．0而算出的。从坐标图上的钢丝扭绞检查结果与其寿命之间的关系可知，使用寿命比率随绳间距或绳直径比率减小而变化。例如当绳间距比率从0．998降至0．994或绳直径比率从1．000降至0．997时，钢丝使用寿命比率即可从0．8延长至1．1。

　　以上述数据为基础，对于重要吊车用钢丝（绳），JFE在制品的检查中确保品质合格的基准值，从而确保钢丝（绳）具有稳定的寿命。

　　5．结语

　　以前，因不敢冒钢丝绳可能断裂的风险而完全用完其寿命，故不能安全地延长其更换周期。
　　JFE除了对钢丝绳取样评价其使用寿命之外，还利用钢丝绳在实机吊车运行中的固有振动以及使用后绳间距与绳直径的变化来判定其使用寿命，不但提高了寿命判定精度，且可安全延长其更换周期。