宁波梅东集装箱码头有限公司 凡钊    咸阳宝石钢管钢绳有限公司   秦万信

摘要：八绳缠绕场桥经过轴线相互垂直滑轮段钢丝绳使用寿命总是相对较低，主要是因为钢丝绳在经过2滑轮期间承受着高频次的扭转应力。绳槽尺寸偏小加大了绳槽与钢丝绳间摩擦，外层绳股与绳芯间的相互滑动，导致了绳芯钢丝的严重磨损并因此降低其对外层绳股的有效支撑时间。外层绳股与钢芯股间高的接触应力是导致钢芯早期失效的重要因素。使用8压实股钢丝绳，相对目前在用6平行捻股钢丝绳，提高了钢丝绳柔软性，增大了钢丝绳与绳槽接触面积，降低了绳槽对钢丝绳的扭转作用，辅助强化绳芯润滑，取得了提升八绳缠绕场桥钢丝绳使用寿命的明显效果，该钢丝绳成功试用的实践，对行业内其他集装箱码头八绳缠绕场桥钢丝绳的合理选型有积极的借鉴作用。

关键词：八绳缠绕场桥；钢丝绳；轴线垂直滑轮；扭转；钢芯；接触应力；压实股

1 问题提出

钢丝绳既是港口装卸设备更换量最大的易损件，也是港口装卸作业不可或缺的重要耗材。钢丝绳与岸桥、场桥、门机和卸船机等港口装卸机械总是如影相随。钢丝绳寿命的高低，既影响装卸成本，又影响装卸效率，还影响装卸安全。目前场桥，有的采用图1所示四绳缠绕系统，也的采用图2所示八绳缠绕系统，在这2种缠绕系统中，总是存在轴线相互垂直滑轮，前者有2根钢丝绳要经过这种布置滑轮，后者有4根钢丝绳要经过这种布置滑轮，其中1组轴线相互垂直滑轮如图1、图2箭头所示。场桥钢丝绳使用实践证明，无论是在四绳缠绕场桥，还是在八绳缠绕场桥，经过轴线线相互垂直滑轮相应钢丝绳使用寿命总是相对要短。八绳缠绕是 ZPMC 在港口场桥上的一个创举，有着传统防摇的不可比拟的优势，但新的缠绕方式确实降低了钢丝绳使用寿命，且八绳缠绕场桥使用钢丝绳寿命相对四绳缠绕场桥使用钢丝绳寿命相对要短。

宁波梅东集装箱码头有限公司（注：以下简称梅东公司）现有场桥175台，其中八绳缠绕场桥106台，占比61%，也就是说八绳缠绕场桥是本公司主力场桥。根据原机设计一直使用公称直径28mm、6×36WS-IWRC、交互捻、光面，1770MPa级（注：国产）或B种（注：进口日本或韩国）钢丝绳。在八绳缠绕场桥先后使用过不同品牌的钢丝绳，统计进口品牌钢丝绳作业量在7~8万TEU之间，统计国产品牌钢丝绳作业量在6~7万TEU之间，钢丝绳使用寿命均不理想。

频繁经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳，其表面断丝、外层绳股间断丝和钢芯断丝总是相对严重，特别是外层绳股间断丝与钢芯断丝因为具有隐蔽性对钢丝绳使用存在一定安全隐患。在如此多台八绳缠绕场桥已经落地情况下，如何尽可能提高钢丝绳使用寿命，显然是需要解决的迫切问题。为此，本公司与咸阳宝石钢管钢绳有限公司（注：以下简称咸阳公司）合作，由梅东公司提供试验场地，咸阳公司进行技术改进研究，协同攻关。经过密切合作，在8台八绳缠绕场桥使用了新设计8压实股钢芯钢丝绳，提高钢丝绳使用寿命效果显著，整体质量稳定，按照GB/T 5972-2023/ISO4309:2017 《起重机 钢丝绳 保养、维护、检验和报废》，钢丝绳最大装卸作业量10.78万TEU，为梅东公司八绳缠绕场桥用钢丝绳合理选型提供了重要实践。

图1四绳缠绕场桥轴线垂直滑轮  图2八绳缠绕场桥轴线垂直滑轮  图3钢丝绳沿槽壁滚入槽底

2 经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳使用寿命相对较短原因分析

为什么无论是在四绳缠绕场桥，还在八绳缠绕场桥，经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳使用寿命总是相对要短？其中原因显然需要研究，因为只有清楚问题产生的根源，才能做到对症下药。经过认真观察，仔细分析，总结其中原因有三：其一，钢丝受到交变扭转载荷而疲劳。绝大多数钢丝绳使用中都要频繁经过滑轮（卷筒）并被反复弯曲，场桥钢丝绳也是如此。由于钢丝绳进出滑轮（卷筒）偏角的存在，钢丝绳总是沿滑轮（卷筒）槽壁滚到滑轮（卷筒）绳槽底部，如图3所示，这意味着钢丝绳进出滑轮（卷筒）绳槽，钢丝绳与绳槽壁之间必然存在摩擦，摩擦所产生的力矩会使钢丝绳在进出槽底过程中，或被加捻，或被松捻，对此相关文献也曾提及。如果钢丝绳进出绳槽前后有足够的自由长度，摩擦力矩引起钢丝绳松捻、加捻对钢丝绳性能影响可以忽略，否则，松捻、加捻将会使组绳钢丝在承受拉伸载荷、弯曲载荷、摩擦载荷的同时，承受交变扭转载荷。在八绳缠绕系统场桥和四缠绕系统场桥，轴线相互垂直滑轮空间距离非常近，钢丝绳在经过前一个滑轮被加（松）捻而生产的附加应力还来不及充分释放又随即进入另外一个滑轮，钢丝绳使用期间这种循环总是在不停重复，也就是说，钢丝绳在经过轴线相互垂直滑轮期间，在绳槽壁摩擦力的作用下导致钢丝绳始终承受着交变扭转载荷，并最终引起外层绳股钢丝疲劳，正如文献之“造成小车牵引钢丝绳异常断丝的原因主要是该钢丝绳（前绳）在张紧装置的部位要连续近距离缠绕3个改向滑轮加剧了疲劳和磨损”。其二，绳槽尺寸偏小加大了绳槽与钢丝绳间摩擦。GB/T 5972-2023/ISO4309:2017有：“4.4 安装钢丝绳前的准备......滑轮绳槽的有效直径宜比钢丝绳公称直径大5%~10%。且至少比钢丝绳的实际直径大1%。”GB/T34529-2017/ISO1665:2013《起重机和葫芦钢丝绳、卷筒和滑轮的选择》有：“B.3.2滑轮槽型......滑轮绳槽半径r应在0.525d到0.550d之间，最优值为0.537d，其中d是钢丝绳公称直径。”GB/T 24811.1-2009/ISO4308-1:2003 《起重机和起重机械  钢丝绳选择  第1部分：总则》有：“C.3.2滑轮槽型......滑轮绳槽半径r应在0.525d到0.550d之间，而以0.537d，其中d是钢丝绳公称直径。”相关标准之所以对绳槽尺寸予以强制规定，乃基于绳槽尺寸大小是否合适对钢丝绳使用寿命确实具有重要影响：绳槽尺寸偏小，钢丝绳容易被挤压变形、强制磨损，摩擦热甚至导致钢丝表面出现脆性组织而迅速断裂。绳槽尺寸偏大，钢丝绳不能得到绳槽的有效支撑，其与绳槽接触应力大，也容易引起疲劳断丝。Casar、Dieap等企业在相关资料中图示了绳槽尺寸对钢丝绳寿命的影响。港口通常认为，相对钢丝绳，卷筒、滑轮是耐磨损件，另外，其绳槽修复或更换卷筒、滑轮比较麻烦，在这种思维下，尽管服役滑轮（卷筒）的绳槽尺寸随着被钢丝绳磨损而减小已经不符合相关规范要求，但仍继续使用的现象普遍存在。咸阳公司相关人员对国内不同地域港口场桥滑轮绳槽采用R规进行尺寸检查，绳槽直径不到钢丝绳公称直径的1.05倍现象并不少见。绳槽尺寸不很理想的现象其实存在。绳槽尺寸偏小，显然，会加速外层绳股钢丝扭转疲劳。其三，钢芯寿命短增加了外层绳股股间断丝。从多年场桥使用钢丝绳经验看，有时外层绳股断丝似乎并不严重，但拆绳发现，不仅外层绳股间有断丝，且钢芯断丝非常严重。分析认为钢芯严重断丝乃基于钢芯股与外层绳股之间存在高的接触应力，这种高的接触应力，会导致钢芯钢丝疲劳，另外，外层绳股与钢芯相互运动产生的摩擦会导致钢芯钢丝磨损，其不仅会降低钢芯承载能力，还会缩短钢芯对外层绳股有效支撑时间，并连锁引起外层绳股接触而产生股间断丝。再之，在外层绳股与钢芯接触部位，外层绳股外层虽然也有断丝现象，但这种断丝不多。

3 钢丝绳经过轴线相互垂直滑轮容易断丝试验

咸阳公司安装有2台钢丝绳疲劳试验机，其中一台试验机上没有轴线相互垂直滑轮，一台试验机上有轴线相互垂直滑轮。在没有轴线相互垂直滑轮试验机上进行钢丝绳疲劳对比试验发现，疲劳试验后即使钢芯断丝严重，但钢芯还会保留在钢丝绳内部。在有轴线相互垂直滑轮上进行钢丝绳劳对比试验，发现经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳钢芯断丝总是相对严重，甚至出现“缺钢芯”现象，分析其应为钢芯钢丝严重断裂后从内部脱落，该试验现象与场桥经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳钢芯出现严重断丝现象相一致，变相证明了场桥轴线相互垂直滑轮之布局确实影响钢芯寿命。在疲劳试验机上钢丝绳经过轴线相互垂直滑轮如图4，场桥上钢丝绳经过轴线相互垂直滑轮如图5。另外，在试验过程中观察发现，钢丝绳在经过轴线垂直滑轮时确实存在转动现象。

图4 钢丝绳经过疲劳试验机轴线相互垂直滑轮  图5 钢丝绳经过场桥轴线相互垂直滑轮

4提高经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳使用寿命研究

4.1 降低钢丝绳与绳槽接触应力

4.1.1 采用8股钢丝绳

既然分析认为在场桥上经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳寿命相对要短的一个重要原因是因为钢丝绳在2个滑轮间受到了高频次的扭转应力，故减小钢丝绳与绳槽壁间摩擦自然成为减轻钢丝绳受扭的技术出发点。减小摩擦方法有二：其一，降低钢丝绳与绳槽之间摩擦系数，其二，减小钢丝绳与绳槽间接触应力。在钢丝绳材料、滑轮材质已经确定情况，如果滑轮转动正常，钢丝绳与绳槽间摩擦系数大小主要受钢丝绳润滑质量的影响。考虑到不同品牌6股钢丝绳使用效果均不理想，故不将减小摩擦系数作为解决问题之技术首选，也就是说不特备强调钢丝绳润滑，而是将重点放在减小钢丝绳与绳槽接触应力上。考虑到国外有将7股、8股、9股、10股钢丝绳推荐用于港口，依次如Union自定义代号FLEX-X 7 CC图6所示钢丝绳、CASAR自定义代号TURBOPLAST图7所示钢丝绳、Arcelor Mittal自定义代号Complast 9/9×K26WS图8所示钢丝绳、veroproe自定义代号veropro10图9所示钢丝绳。经过慎重考虑，先选择8股钢丝绳。因为相对目前在用6股钢丝绳，外层绳股增加2根可以明显增加钢丝绳与滑轮绳槽接触点数而降低钢丝绳与绳槽表面接触应力。6股、8股钢丝绳与绳槽接触示意依次如图10、图11所示。另外，增加外层绳股数，既可以提高钢丝绳柔软性，同时可适当减小外层绳股组股钢丝直径，其显然也有利于改善钢丝疲劳性能。再之，8股钢丝绳在国内港口使用早有道，且相对7股、9股、10股钢丝绳，8股钢丝绳的生产和使用更具有普遍性，制造技术也相对成熟。

图9 veropro 10 图10股绳与绳槽接触  图11 10股绳与绳槽接触

4.1.2 采用压实股组绳

将8绳缠绕场桥钢丝绳由6股结构调整为8股结构，虽然可以增加钢丝绳与滑轮绳槽接触点数而降低钢丝绳与绳槽表面接触应力与提高钢丝绳的柔软性，但随之带来的问题是因为组股钢丝直径小，钢丝耐磨损性降低，也就是说，直接用8×36WS-IWRC结构替代6×36WS-IWRC结构可能未必合理，故8股钢丝绳采用压实股组绳，借鉴Arcelor Mittal资料，钢丝绳结构设计为8×K26WS-IWRC。值得说明的是，采用压实股组绳，不仅提高了外层绳股外层钢丝耐磨损性能，同时增加了钢丝绳与绳槽接触面积，捻制股、压实股与绳槽接触依次如图12、图13所示。另外，采用压实股组绳还可提高钢丝绳最小破断拉力，如对公称直径28mm、1770MPa级钢丝绳，GB8918-2006《重要用途钢丝绳》给出6×36类钢芯钢丝绳最小破断拉力为494kN，而YB/T5359-2020《压实股钢丝绳》给出相应规格、级别、6×K36类钢芯钢丝绳最小破断拉力为569kN。设计28mm、1770MPa、8×K26WS-IWRC钢丝绳最小破断拉力569kN，与目前在用钢丝绳最小破断拉力494kN相比，显然新设计钢丝绳完全能够保证钢丝绳使用安全系数。

图12 捻制股与绳槽接触  图13 压实股与绳槽接触

4.2 注意提高钢芯寿命

对场桥更换钢丝绳观察发现，经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳，不仅往往表面断丝相对严重，而且钢芯断丝也相对严重，钢芯断丝程度往往超过钢丝绳生产者和使用者的想象。另外，钢芯钢丝表面存在严重的磨痕。关于钢芯早期严重断丝，CASAR相关资料的解释是因为钢芯股钢丝与外层绳股钢丝之间存在高的接触应力。考虑到8股钢丝绳相对6股钢丝绳绳芯直径明显加大，也就是说绳芯质量对钢丝绳使用效果影响相对会更大。为延长绳芯寿命，首先想到的是必须强化绳芯润滑，因为从原电池角度看，有效的润滑油脂充填裂纹后能够阻止裂纹扩展，故咸阳公司在试制钢丝绳钢芯生产中采用了钢芯股捻股淋油与合钢芯再加重涂油的富油润滑工艺。当然，考虑参考图7、图8、图9钢丝绳钢芯，咸阳公司后续还会在延长钢芯寿命上做文章。值得说明的是，虽然对绳芯包塑或填塑加包塑是提高钢芯寿命的有效方法，但需要对塑料有精细研究及掌握填包塑技术，本次试用钢丝绳生产并未采用，但不排除后期进行尝试。

5 试制钢丝绳使用效果

本次一次试制公称直径28mm、1770MPa、8×K26WS-IWRC、交互捻、光面钢丝绳3000m，梅东公司按照使用要求定尺截短，陆续安装在8台八绳缠绕场桥，每月统计钢丝绳作业量，并对钢丝绳表面断丝与直径减小进行检查。由于是初次使用新结构钢丝绳，其中6台机钢丝绳，尽管表面断丝与直径减小量远没有达到钢丝绳报废标准，考虑到是初次使用8压实股钢丝绳，为了安全期间又恰逢节日，参考以往钢丝绳使用经验，在作业7.5-8.5万TEU间进行了更换，同时为进一步验证新结构钢丝绳真正使用寿命，在加强检查情况下，以钢丝绳报废标准为换绳依据，一台机钢丝绳（注：电龙）服役约15个月，因为其中1根钢丝绳30d范围断丝数达到标准已更换，另外1根钢丝绳直径减小也接近报废标准，而同机其余6根钢丝绳，断丝磨损情况相对正常，该机钢丝绳作业量10.78万TEU，另外一台机钢丝绳（注：油龙）服役约15个月，目前作业量约9万TEU，绳断丝、磨损距达到报废尚有一定距离，仍继续使用。梅东公司会将断丝相对较多与磨损相对严重更换钢丝绳试样供咸阳公司做进行进一步研究。

6结论

国内港口场桥经过轴线相互垂直滑轮钢丝绳寿命相对降低，八绳缠绕场桥用钢丝绳使用寿命相对四绳缠绕场桥用钢丝绳寿命又低。通过对影响钢丝绳寿命的主因分析，用8压实股钢丝绳替代目前使用的6平行股钢丝绳，从装卸作业量看，钢丝绳寿命显著提高，事实证明，导致钢丝绳寿命降低原因分析准确，采用提高钢丝绳寿命设计的技术措施得当。宁波梅东集装箱码头有限公司拟进一步加量使用，在降低场桥装卸成本、提高生产效率的同时，实现场桥钢丝绳结构的升级换代。新结构钢丝绳成功试用的实践，对行业内其他集装箱码头八绳缠绕场桥钢丝绳的合理选型有积极的借鉴作用。当然，产品质量的提升永无止境，后续将进一步增加与咸阳宝石钢管钢绳有限公司深度合作，以持续提高场桥钢丝绳使用寿命。