高硬度钢质滑轮的耐磨性及其对钢丝绳使用寿命的影响

钢丝绳传动是起重机械不可缺少的传动方式,其传动的安全性、耐用性和可靠性对起重机整机工作性能的发挥有着重要影响。提高钢丝传动性能的重要途径之一,是提高滑轮的品质,即使得滑轮具有高的耐磨性、高的轮缘强度和高的运动精度。而滑轮是钢丝绳传动中承受载荷、传力和改变力的方向的重要部件,在大型港口起重机中又是数量大、分布广、位于高空、难于更换的易损部位,因此研究与改进的目标主要集中在减轻滑轮重量、提高耐磨性上。近年来,根据港口起重机国际市场的需求,上海振华港机公司提出“不更换滑轮”的理念,采用高硬度钢质滑轮,以此改变了滑轮作为易损部件的性质。为此,对不同材质、表面硬度的滑轮与不同结构的钢丝绳配合工作下的疲劳磨损问题进行全面、系统的研究,来合理匹配滑轮和钢丝绳,处理好两者在耐磨性方面的矛盾对广大用户具有重要意义。

1.钢质滑轮的磨损机理与耐磨性比较研究

滑轮工作时,绳槽与钢丝绳构成一对摩擦副,它们之间的磨损速度,主要取决于绳槽与钢丝绳两者接触部位的相对运动关系、接触状态及应力大小、材料的机械特性及金相组织结构等因素。钢丝绳绕过滑轮时,侧壁起导向作用,使钢丝绳顺利地进入槽内,防止发生跳槽,槽底的圆弧曲面则起到支承钢丝绳并改变其传力方向的作用。由于槽底与侧壁的工作性质不同,它们的磨损形式与机制不同,在钢丝绳与滑轮槽的偏角小于允许偏角5º时,钢丝绳绕滑轮运动时不发生与绳槽侧壁的干涉,可不考虑绳槽侧壁的磨损,其磨损和疲劳损伤主要发生于钢丝绳与滑轮绳槽底的接触部位。

滑轮绳槽底部的磨损机理     

钢丝绳绕过滑轮运转时,摩擦副起主导作用的是两者之间滚动接触引起的疲劳磨损,还存在着钢丝绳绕进绕出瞬间由于股与丝间的微位移产生的对滑轮槽底的微切削磨损或粘着磨损,氧化磨损等综合磨损作用。经大量的试验研究,表明滑轮磨损速度与它对钢丝绳相对硬度有密切关系。以钢丝绳硬度范围(通常为HRC47~52)为基准,将钢质滑轮的绳槽硬度分为高硬度、中高硬度、中硬度和低硬度4级(见表1),其中中高硬度级滑轮与钢丝硬度范围相当。

表1:钢质滑轮的硬度分级

硬度范围 低硬度 中硬度 中高硬度 高硬度
硬度范围 HB140~280 (HB280~425)

HRC28~45

HRC45~55 HRC55~65
材质 Q235或ZG35 16M或35,   35CrMo 35,35 CrMo,42 CrMo 42 CrMo
热处理工艺 水冷或空气冷却 表面淬火或调质 调质、表面淬火 调质、表面淬火
运转后槽底表面形貌 有压痕 有轻微压痕 无压痕 无压痕

钢丝绳滑轮磨损试验表明,对于未经热处理的Q235、ZG35等低硬度钢质滑轮,绳槽底表面形成明显的钢丝绳压痕,而中高硬度以上的滑轮绳槽表面无明显压痕显示。新滑轮开始使用阶段存在早期磨合磨损现象,滑轮表面硬度不同其磨损量也不同(见表2)。经过早期磨合后,磨损曲线普遍趋于平缓,斜率便小(见图1)。其原因,对于中、低硬度滑轮而言,主要是这两种滑轮的硬度低于钢丝绳钢丝的硬度,在配合运动过程中,实际上产生了对滑轮槽底的冷作加工,形成表面硬化效应,根据实测冷作加工前后的硬度如表3;对于中高硬度和高硬度滑轮,由于绳槽底部表面硬度等于或大于钢丝硬度,滑轮经过早期非稳定磨损后,磨损曲线逐渐趋于水平,即经初期磨合后绳槽底部继续磨损的速度极慢。

 

表2:不同硬度滑轮的磨损量(mm)

滑轮磨损次数f 42CrMo淬火HRC52 35CrMo调质HRC28 ZG35铸造HB195
35100 0.070 0.110 0.150
72000 0.130 0.230 0.310
108000 0.135 .0240 0.350
144810 0.140 0.245 0.360
180000 0.140 0.255 0.360
241200 0.145 0.260 0.365

图1:低、中、高硬度三种滑轮的磨损实验曲线

 

 

表3:早期磨损阶段的冷作加工效应

  Q235A普遍热轧滑轮 35CM调质滑轮 ZG35铸造滑轮
滑轮槽底初始硬度 HB170 HRC28 HB195
早期磨损后硬度 HB192 HRC31 HB218

 

②钢丝绳结构形式,滑轮与钢丝绳D/d比等因素对滑轮磨损的影响

不同的钢丝绳结构形式,其表面与绳槽底部的接触面积亦不同,绳槽底部的法向载荷也随之差异,以普通6股绳与18×7多股不旋转绳相比,6股绳至多有3股可与绳槽底部接触,而多股绳外层有12股,其中有5~6股可与绳槽底部接触,其单个接触点的法向载荷约为普通6股绳的一半;而钢丝绳与滑轮的接触弧长,进出绳间的夹角等,它们又与D/d相关,D/d越大,法向载荷越小。故选用大比值D/d比的滑轮和选用多层不旋转绳,均能有效降低绳槽槽底法向载荷,从而减少滑轮磨损。

2.不同硬度的钢质滑轮对钢丝绳使用寿命的影响

采用美国通用钢丝绳公司生产直径14.5mm的钢丝绳,配用常州滑轮厂按试验要求设计制造的六种不同硬度的滑轮(见表4),在试验台上进行分别循环试验,试验的参数(载荷、行程、频率、滑轮与钢丝绳直径等)完全相同,钢丝绳报废标准按GB5972-86《起重机械用钢丝绳检验和报废实用规范》执行。

表4:试验滑轮参数

滑轮编号 滑轮材质 绳槽热处理 绳槽底部硬度
1 35 火焰淬火 HRC30
2 35 火焰淬火 HRC50
3 35 火焰淬火 HRC40
4 Q235A 渗碳淬火 HRC53
5 Q235A 热轧风冷 HB170
6 Q235A 渗碳淬火 HRC60

实验表明,从低硬度滑轮到中硬度、中高硬度滑轮和高硬度滑轮,与其匹配的试验钢丝绳使用寿命曲线呈双峰形(倒W形),绳槽表面硬度过高或过低均对钢丝绳使用寿命不利,而表面硬度控制在HRC30和HRC50附近范围对钢丝绳使用寿命有利(见表5与图2)。

表5:钢丝绳使用寿命对比试验结果

滑轮编号 绳槽底部硬度 试验绳平均使用寿命 相对寿命(与HB170比)
1 HRC30 174485 1.78
2 HRC50 141318 1.44
3 HRC40 126305 1.29
4 HRC53 113796 1.16
5 HB170 97882 1.00
6 HRC60 89964 0.92

 

3.钢丝绳滑轮最佳匹配建议

钢丝绳与滑轮是互为匹配的一对磨损件。从降低设备营运成本角度看,提高钢丝绳寿命有显著经济效益;滑轮在大型起重机上数量多,多数安装在高空结构件上,维护更换比较困难,提高滑轮耐磨性,减少维护和更换频率,对提高整机使用可靠性和降低维护成本同样十分重要。

 

 

综合滑轮耐磨性及不同硬度滑轮对钢丝绳使用寿命影响的研究结果,提出如下钢丝绳与滑轮最佳匹配建议。

①港口起重机滑轮槽硬度的最佳硬度范围为HRC28-HRC35;HRC45-HRC50。其中HRC28-HRC35适合用于钢丝绳线速度低于200m/min、滑轮槽无侧向磨损的情况,如门座起重机除了臂架头部以外的各部分导向滑轮等;HRC45-HRC50适用于钢丝绳线速度高于200 m/min或滑轮绳槽有侧向磨损的情况,如门座起重机臂架头部导向滑轮、岸边集装箱起重机的各部分滑轮等情况。

②根据我国国产我钢丝绳材质和工艺水平的实际状况,对于6股钢丝绳,应优先考虑选用1770N/mm2强度等级,并与HRC28~HRC35的中硬度滑轮匹配使用,可以使滑轮耐用性与钢丝绳的抗疲劳性及使用寿命达到最佳状态。

③对于多股不旋转钢丝绳,由于与滑轮槽的接触压力偏低,可考虑与HRC45~HRC50的中高硬度滑轮匹配使用,对滑轮与钢丝绳均有利。

④普通铸钢滑轮及用Q235、16Mn板材热轧成型制成的滑轮,其自身耐磨性在各类钢质滑轮中相对最差,与之配合使用的钢丝绳寿命也相对较短;同时,当滑轮槽硬度高于HRC53时,钢丝绳使用寿命明显下降。这一点,在起重机滑轮造型时,应予以充分注意。

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