抓斗卸船机钢丝绳使用及管理分析

抓斗卸船机钢丝绳使用及管理分析

刘孟青

上海振华重工（集团）张家港港机有限公司 江苏张家港 215633

摘要：对外贸易自改革开放以来发展十分迅速，促使抓斗卸船机在能源装载与运输中扮演着越来越重要的角色。本文在对抓斗卸船机钢丝绳运行荷载进行分析的基础上，对其使用要点以及使用管理中存在的原因进行探究，然后提出一系列有针对性的钢丝绳使用管理建议，以及进一步提高搬运工作的安全性，从根本上避免钢丝绳断裂失效。

关键词：抓斗卸船机；钢丝绳；断裂失效；使用管理

前言：抓斗卸船机是各散口码头作业中重要的港口设备，由大车行走机构、抓斗、主小车、牵引传动、臂架俯仰等多种机构组成，通过开闭钢丝绳、执行起升等动作完成一系列的作业任务。因此，探究抓斗卸船机钢丝绳使用与管理方法，对提高能源、港口、冶金等行业的生产与服务效率，充分发挥出钢丝绳设计优势，具有十分重要的现实意义。

1钢丝绳运行荷载分析

钢丝绳是抓斗卸船机结构中最主要的受力部分，也是抓斗卸船机作业中应用频率最高的机构。对抓斗卸船机运行中钢丝绳承受的荷载进行分析之后，能够进一步明确钢丝绳的使用要点。

1.1弯应力荷载

弯应力荷载是指，抓斗卸船机在借助滑轮、卷筒进行作业的过程中，钢丝绳会缠绕在执行动作的卷筒与滑轮上，经过多次摩擦之后产生的附加荷载便是弯应力荷载。由于钢丝绳与滑轮、卷筒摩擦过程中，不可避免地会发生周期性弯曲，随着摩擦频率的逐渐增多，会对钢丝绳日后正常使用造成不同程度的影响。

1.2动荷载

钢丝绳在抓斗卸船机操作过程中，在冲击、加速等原因的作用下产生的惯性荷载称为动荷载。由于抓斗卸船机动作过程中产生的瞬间荷载会超过钢丝绳本身所能承受的荷载力，所以极易发生钢丝绳断裂失效，并且动荷载会增加钢丝绳磨损频率，从而出现断裂，不利于机械设备使用安全性的提升。

1.3阻力荷载

抓斗卸船机装卸物品的过程中，变幅、抓卸动作受到的力会作用到钢丝绳上，使得钢丝绳与抓斗卸船机、钢丝绳与卷筒和滑轮间均会产生摩擦力，进而转换为抓斗卸船机钢丝绳应承受的阻力荷载力^[1]。

1.4不均衡荷载

不均衡荷载是抓斗卸船机在启闭与升降过程中借助钢丝绳完成一系列作业动作而产生的荷载，这部分荷载会由于两根钢丝绳的长度以及其他因素不一致，而转换为不均衡荷载，会对抓斗卸船机正常工作造成一定影响。因此，为保证抓斗卸船机钢丝绳使用安全性，应做好钢丝绳的日常维护与管理，严格按照规范标准与流程使用钢丝绳，进而延长钢丝绳的使用寿命。

2抓斗卸船机钢丝绳使用分析

2.1钢丝绳具有多项选择性

抓斗卸船机钢丝绳是我国国内高质量钢丝绳的代表之一，相关单位必须按照国家规范标准JISG 3525进行生产，以此满足沿海港口卸船机对钢丝绳的个性化要求。在我国海运事业不断发展、规模不断扩大的背景下，抓斗卸船机使用的钢丝绳从国外进口逐渐向国内生产、购买转变。由于抓斗卸船机工作环境较为复杂，对钢丝绳的制作工艺有着较高要求，其性能与结构会根据抓斗卸船机实际作业任务而存在一定差异。通常情况下，会根据抓斗卸船机作业频率、工作环境、单次装载量、单机额定生产率等选择结构、性能、形式合理的钢丝绳。此外，为降低抓斗卸船机运行成本、减少设备外形尺寸、缩短设备作业线，需要考虑卷筒、滑轮的直径选择与之相匹配的钢丝绳，通过优化设计、科学调整提高钢丝绳的柔韧性，从而避免各类荷载、弯曲应力对钢丝绳使用性能造成影响。

2.2一次使用长度存在差异

不同型号、不同用途的抓斗卸船机，其使用的钢丝绳长度存在一定差异。例如燃煤港口电厂，配置多台差动式牵引桥式抓斗卸船机负责电厂燃料供给装卸任务。因此，相关人员在选择钢丝绳的过程中，应明确抓斗卸船机的结构，进而明确起升、开闭、张紧、前牵引与后牵引钢丝绳的长度、结构、直径等参数，以此满足实际作业环境、作业要求对钢丝绳类别与型号的要求，为提高抓斗卸船机安全使用性能奠定坚实基础。燃煤港口电厂抓斗卸船机不同结构处使用的钢丝绳长度如下表所示^[2]。

表 1 卸船机用不同结构钢丝绳参数

3抓斗卸船机钢丝绳管理方法分析

3.1影响钢丝绳使用寿命的原因

3.1.1磨损引起的钢丝绳断裂失效

抓斗卸船机钢丝绳经常会发生外部磨损与内部磨损。其中，外部磨损是指抓斗卸船机钢丝绳在执行作业动作过程中与卷筒、滑轮间产生摩擦，使得钢丝绳在长时间的摩擦作用下直径逐渐减小，最终钢丝绳无法承受设备运行时的负载而发生断裂。内部磨损是指抓斗卸船机钢丝绳在起重动作中，绳的股与股、丝与丝间的摩擦，并且曲率半径不同的钢丝绳，内部磨损的频率存在一定差异，最终会发生断裂。例如，在清仓作业中，由于船舱较深，需要将钢丝绳放松到一定程度才能保证抓斗作业海陆两侧、前后排的煤。当起升、下斗、闭斗时的抓斗段开闭，起升钢丝绳会在舱口受到较大的摩擦力，极易因为磨损而发生断裂失效。

3.1.2腐蚀引起的钢丝绳断裂失效

由于抓斗卸船机作业环境较为复杂，经常受到高温、海风、盐雾等因素的影响，或是煤炭、水泥、化肥等具有慢性腐蚀作用的物料，对钢丝绳使用寿命造成不同程度的影响。

3.1.3变形引起的钢丝绳断裂失效

一方面，抓斗卸船机在装卸大吨位物料时，强大的扭结作用会导致钢丝绳发生永久变形。另一方面，钢丝绳与其他设备间的不正常接触，将会导致绳子局部发生变形。例如，抓斗卸船机的过载作业，抓斗下降量转变为零时的过载，会增大钢丝绳的受力，若此时绳子发生剧烈跳动、抖动，或是过载保护断电，将会进一步增大钢丝绳的疲劳程度，使得钢丝绳极易发生断裂失效现象。

3.2有效管理方法

3.2.1规范钢丝绳作业方式

首先，更换部分作业方式。以清仓作业为例，在抓斗卸船机以往的作业过程中，通常是将仓中的煤甩干净后下耙机，此时仓中还有800t煤。改进清仓作业方式之后，当仓中还有1500t煤时下耙机，停止甩仓后沿着仓边将剩余煤料抓出来，不仅保证抓斗卸船机的作业效果，而且在一定程度上延长了钢丝绳的使用寿命。其次，规范抓斗卸船机司机作业方式。港口装卸企业应按照平等的绩效管理制度规范司机的作业行为，充分发挥出奖惩制度的优势，让司机充分认识到规范操作的重要性，以此从根本上保证钢丝绳的使用寿命，避免粗暴作业带来的较大磨损、过载而影响钢丝绳的安全性能。最后，加强钢丝绳日常管理。一方面，跟踪了解抓斗卸船机钢丝绳的运行状况，做好相关记录避免同类问题的发生，避免钢丝绳与卷筒、滑轮间的互相摩擦作用逐渐加大，避免钢丝绳微应变效应逐渐增大。另一方面，加强抓斗卸船机点检。点检分为日检、周检等专项检查与完全检查，对保证钢丝绳能够正常使用水平具有重要意义，以便快速解决钢丝绳存在的故障问题，有效避免钢丝绳的使用超过部件的弹性极限。

3.2.2完善钢丝绳润滑措施

抓斗卸船机使用到的钢丝绳属于安全件，在出厂前一定要做好初级防锈润滑处理，避免钢丝绳在储存、运输、使用初期出现锈蚀。出厂前放入防锈润滑处理只能在短时间的保证钢丝绳的使用安全性，随着时间的推移润滑油会流失、散发。因此，相关单位以及技术人员必须定期在钢丝绳表面涂抹一定量的润滑油，使得钢丝绳内外均受到油膜的保护，保证钢丝绳牵引力的正常发挥，为延长使用寿命、减少安全事故具有重要意义。渗透性良好、挥发性较小、粘附性优异、抗腐蚀能力高、抗干扰能力强是选择润滑油的主要原则。与此同时，应根据抓斗卸船机钢丝绳使用频率，合理制定润滑措施用的时间与次数，从而提高润滑措施的有效性。大多数抓斗卸船机钢丝绳在长时间使用过程中，虽表面不出现锈蚀，但内部结构已经发生严重破损。因此，可采用弱磁检测技术定期诊断钢丝绳的内部结构情况，使得钢丝绳的使用功能不会发生较大变化，对节省更换钢丝绳的成本具有重要作用。

3.2.3优化钢丝绳应用方案

（1）增加滑轮传感器数量

将传感器安装在抓斗卸船机钢丝绳的前后大梁上，使得原有传感器只能检测其中几根钢丝绳拉力转变为可检测多个钢丝绳的拉力，传感器增加数量根据实际作业需求而定。此外，抓斗操作应保证内部物料均匀，避免增大检测误差。若抓斗内物体重力分布情况无法有效控制，随着传感器数量的增大，对前后轮组以及钢丝绳拉力的检测误差也会相应减小，但仍需控制误差在合理范围内。

（2）滑轮销轴式传感器

钢丝绳会与抓斗卸船机滑轮之间存在一定误差，进而影响钢丝绳的使用寿命，针对这种情况，可使用销轴式传感器对滑轮应用设计进行优化，使得传感器直接检测滑轮受力，以此精准分析出钢丝绳的受力情况。由于销轴式传感器在应用中，会使得应用一根销轴的两个滑轮的受力检测精度下降，并且改进成本较高，需要结合实际作业环境与要求合理应用销轴式传感器^[4]。

（3）钢丝绳滚筒转矩

完成钢丝绳卷筒转矩检测工作之后，会得到绳子所受拉力的具体数值，从而为改善钢丝绳使用与管理方法提供科学、可行的依据。减速器在起升电机的驱动作用下，带动钢丝绳卷筒运动，结构上配备的变频器会检测出卷筒的实时转矩参数，进而明确钢丝绳的传统效率、卷筒直径、矫正参数以及减速比，根据各项检测数据便会计算出抓斗卸船机钢丝绳所受的拉力，为进一步解决钢丝绳远端剧烈抖动问题、提高钢丝绳应用方案经济性与使用性奠定坚实基础。滚筒上钢丝绳拉力的计算流程如下图所示。

图 1 滚筒上钢丝绳拉力计算流程图

（4）应用PLC控制技术

应用PLC技术对抓斗卸船机的控制程序进行优化后，可在系统中设定好开闭机构电机力矩，关键系数与力矩信号相乘之后，便能清楚地计算出抓斗卸船机对应结构中钢丝绳受到的拉力总和。在电机起升阶段，利用PLC控制技术进一步区分加速段转矩数值。假设，额定负载状态下的电机起升加速段时间为2.7s，2倍的额定转矩为实时状态的转矩，加速度为1m/s²，此时可将挂仓、超载持续时间设定为3倍的正常额定负载，加速段时间同样为3倍的负载；持续监测时间可与抓斗卸船机闭斗后的均速上升时间相同，当漏斗上方前10m为抓斗闭斗上升的高度。一旦应用PLC技术的控制系统检测到负载状态为额定值的三倍时，并持续3s以上，报警系统便会向工作人员发出过载警报，以此保证钢丝绳始终保持较高水平的安全性能。PLC控制技术的有效应用，在抓斗卸船机动作的加速阶段以及匀速上升阶段均设定了相应的报警上限数值，进一步增强了卸船机的可靠性，实现钢丝绳日常使用与管理水平的提升，推进能源装卸运输工作信息化、智能化发展进程。

结论：综上所述，钢丝绳作为抓斗卸船机的重要零部件，对机械设备整体运行安全性发挥着重要作用。因此，为避免磨损、腐蚀、变形等原因影响钢丝绳的使用寿命，进一步提高钢丝绳承受弯应力荷载、动荷载、阻力荷载等多种荷载的能力，应切实规范钢丝绳的作业方式、完善使用与管理措施、优化应用设计方案，以此降低抓斗卸船机出现安全隐患的几率。

参考文献：

[1]刘寿恩.抓斗卸船机钢丝绳使用及管理[J].科学技术创新,2020(29):187-188.

[2]孙江涛.桥式抓斗卸船机钢丝绳的使用分析[J].计算机产品与流通,2018(02):263.

[3]孙艳秀,张俊娜,聂文杰.桥式抓斗卸船机四卷筒差动小车牵引机构的设计[J].机械制造,2019,57(09):12-14+20.

[4]李国栋,蒲明军.托绳小车缠绕系统钢丝绳干涉问题研究[J].港口装卸,2019(03):21-23.