起重机钢丝绳疲劳损伤监测研究

摘要：起重机钢丝绳作为重要的承载构件，长期承受复杂的载荷与环境作用，导致疲劳损伤不断累积，危及设备运行安全。钢丝绳疲劳损伤表现形式多样，损伤演化规律复杂，现有监测手段在损伤识别与评估方面存在诸多局限。本文探讨了起重机钢丝绳疲劳损伤的主要形式、损伤特征及相应的监测方法，为钢丝绳安全评估提供理论支撑。

关键词：起重机；钢丝绳；疲劳损伤；监测

近年来，随着经济社会的稳步发展，工程领域、应急救援等方面大量采用了起重机械。正是因为起重机械的重要性，市场上陆续出现了多种型号的起重机械，这些设备在功能、性能等方面存在一定的差别，实际的工作中应根据实际需求来合理选择。综合起重机械的使用情况，许多事故因钢丝绳问题所引起。为体现钢丝绳的作用，任何型号的起重机械使用中有关人员都需要认识到钢丝绳的作用，遵循操作规范，做好日常的检修及维护，降低或消除钢丝绳给起重机械带来的负面影响。

一、起重机钢丝绳疲劳损伤形式

（一）钢丝绳断丝损伤

起重机钢丝绳在长期承受交变弯曲与拉伸载荷的复杂应力状态下，外层钢丝由于承受最大弯曲应力而率先出现微小裂纹，裂纹在应力循环作用下逐渐扩展贯穿整根钢丝，导致钢丝发生疲劳断裂。滑轮槽与钢丝绳的反复摩擦接触产生较大的局部应力集中，使钢丝绳在滑轮部位与固定端附近的断丝密度明显高于其他区域，外层钢丝断裂后内层钢丝所承受的载荷随之增大，内层钢丝的疲劳损伤速率加快，致使钢丝绳整体疲劳寿命显著缩短。钢丝绳断丝损伤程度与工作载荷、使用时间和环境条件密切相关，在重载、高频率循环和恶劣环境下工作的钢丝绳断丝损伤更为严重，当断丝数量超过安全标准时，钢丝绳的有效承载截面积减小，承载能力急剧下降，极易引发设备事故。

（二）钢丝绳磨损损伤

起重机钢丝绳在服役过程中经受滑轮摩擦和绳股间相对运动的双重磨损作用，钢丝绳表面持续与滑轮槽发生机械摩擦导致材料表层被剥离，形成细小磨粒，这些磨粒在高接触压力下嵌入钢丝表面或卡在股间空隙中，造成钢丝绳表面和内部的磨粒磨损，使钢丝直径逐渐减小，降低了钢丝的有效承载面积。在往复运动工况下，钢丝绳各股之间的相对滑动引起的内部磨损使钢丝绳结构松散，破坏了原有的应力分布状态，磨损部位的应力集中效应诱发疲劳裂纹的萌生和扩展，加速了钢丝绳的疲劳损伤进程。滑轮槽型与钢丝绳直径的匹配度影响摩擦接触状态，槽型过大或过小都会增加钢丝绳的磨损损伤，磨损过程中产生的热量使钢丝绳局部温度升高，在高温和潮湿环境下工作时，磨损损伤更为显著，严重时会导致钢丝绳过早失效^[1]。

（三）钢丝绳腐蚀损伤

起重机钢丝绳在含盐、酸碱等腐蚀性介质环境中长期工作，表面易发生化学腐蚀和电化学腐蚀反应，腐蚀作用使钢丝表面生成疏松的氧化皮层，并在应力作用下剥落，导致钢丝直径减小，局部区域形成腐蚀坑，这些腐蚀坑成为应力集中源，降低了钢丝的抗疲劳性能。钢丝绳内部结构存在的间隙为腐蚀介质提供了聚集空间，腐蚀性物质在股间缝隙中难以排出，造成钢丝绳内部持续遭受腐蚀侵蚀，表面腐蚀坑的应力集中效应与内部腐蚀的材料劣化作用相互促进，加剧了钢丝绳的疲劳损伤。腐蚀损伤改变了钢丝表面的物理化学性质和摩擦学性能，增加了钢丝绳与滑轮之间的摩擦系数，使钢丝绳的磨损速率加快，腐蚀性介质对防护层的侵蚀导致防护效果下降，钢丝绳在服役环境中的抗腐蚀能力持续降低，最终因腐蚀和机械损伤的耦合作用而失效。

二、起重机钢丝绳疲劳损伤特征

（一）几何特征演变

起重机钢丝绳在长期疲劳损伤演化过程中，金属材料表面的微观组织结构经历了形貌转变过程，均匀分布的晶粒在循环应力作用下发生取向性改变，晶界处积累的应力集中引起位错密度增加，形成大量滑移带和微观裂纹网络。金属晶粒在反复载荷作用下产生再结晶现象，局部区域的晶粒尺寸分布由细化向粗化演变，组织结构的不均匀性随之增强，这种微观组织的演化过程深刻影响材料的力学性能。金属表层疲劳损伤区域形成了独特的显微硬度梯度，硬度值从表面向内部逐渐过渡，构成了明显的性能劣化层，该区域的显微组织中存在疲劳条带和局部塑性变形痕迹，这些特征形貌的空间分布规律体现了疲劳损伤的演化程度^[2]。

（二）动态响应变化

钢丝绳结构在疲劳损伤演化过程中呈现复杂的动态响应特性，内部结构的刚度退化与阻尼增大改变了振动信号的衰减特征，能量耗散机制由线性阻尼向非线性阻尼转变，损伤区域的应变能在空间上形成不均匀分布。频率响应函数的谐振峰带宽随损伤程度加深呈增大趋势，相位角变化幅度加大，钢丝绳的横向振动与纵向振动之间产生强烈的耦合效应，使振型发生畸变，破坏了模态振型的正交性。瞬态动力响应受损伤状态影响具有明显的非平稳性，冲击响应信号的能量在时域上出现延迟集中现象，振动能量在时域和频域的分布规律随损伤程度发生系统性变化，构成了表征钢丝绳损伤状态的动态特征参数集。

三、钢丝绳疲劳损伤监测方法

（一）传统监测方法

1.视觉检查法

钢丝绳检修人员在设备停机状态下开展定期检查工作，主要针对钢丝绳表面的断丝、磨损与腐蚀等外观损伤特征进行观察记录，检查过程中需要借助照明设备与放大镜等专业工具仔细观察每处可疑部位，特别是滑轮区域与固定端附近等应力集中区域更需重点排查。检修人员根据长期积累的工程经验，综合考虑钢丝绳的使用时间、工作载荷与环境条件等因素，对损伤的位置分布与程度等级做出综合评估，为维修决策提供依据。目视检查虽然操作简单直观，但检查质量严重依赖于检修人员的专业素养与责任心，对损伤程度的判断存在较大的主观性，且钢丝绳内部产生的缺陷无法被发现，导致检测结果的可靠性与完整性难以保证。

2.拉力测试法

拉力测试系统利用专业的加载装置对钢丝绳施加预设载荷，配备高精度的测力与位移传感器采集钢丝绳在加载过程中的力学响应，测试装置的加载速率需严格控制在合理范围内，避免载荷过大或加载过快对钢丝绳造成二次损伤。测试数据采集系统实时记录载荷与位移数据，钢丝绳的应力应变曲线反映了材料的刚度特性与非线性程度，根据曲线的异常特征可判断钢丝绳的力学性能退化情况。这种测试方法需要将钢丝绳从设备上拆卸下来，占用大量停机时间，且测试结果仅能反映钢丝绳的整体受力状态，对局部区域的损伤特征缺乏有效识别能力，测试过程繁琐且效率较低^[3]。

（二）在线监测技术

1.磁通漏检测技术

钢丝绳磁通漏检测装置采用永磁体与励磁线圈相结合的复合磁化方式，在钢丝绳表面形成稳定的强磁场，磁化强度的合理设计确保了钢丝绳处于充分磁化状态，当钢丝绳出现断丝或裂纹等损伤时，缺陷处的磁通密度分布发生畸变，产生局部磁力线泄漏。检测系统沿钢丝绳周向布置高灵敏度的霍尔传感器阵列与差动式线圈检测器，实现对整根钢丝绳横截面的全方位扫描，采集到的磁通漏信号经过专门设计的调理电路进行放大、滤波与特征提取，磁通漏信号的幅值大小与波形特征蕴含了丰富的缺陷信息，系统具备实时监测与故障预警等功能。

2.声发射检测技术

声发射监测系统利用钢丝绳在损伤演化过程中释放的弹性波能量，在钢丝绳表面沿轴向与周向合理布置压电传感器阵列，捕捉损伤源产生的瞬态弹性波信号，声发射波在钢丝绳中的传播特性决定了信号的空间分布规律。监测系统采用先进的声源定位算法，基于多个传感器接收到的声发射信号时间差确定损伤位置，声发射信号的能量、频谱等特征参数与损伤类型和程度建立了内在联系。系统对采集到的声发射信号进行自适应滤波与特征提取，建立声发射参数与疲劳损伤程度的定量映射关系，该技术对钢丝绳内部微观损伤的检测具有独特优势，可在设备运行状态下实现持续监测^[4]。

四、结语

综上所述，起重机钢丝绳疲劳损伤表现为断丝、磨损与腐蚀等形式，损伤发展过程中表现出独特的几何特征演变规律与动态响应特性。视觉检查法与拉力测试法等传统监测手段存在较大局限性，磁通漏检测技术与声发射检测技术等在线监测方法能够实现对疲劳损伤的有效识别与评估。钢丝绳疲劳损伤监测研究对提升起重机运行安全性具有重要科学价值，未来应加强损伤机理分析与监测技术研究，建立更加完善的损伤评估体系。

文章来源：《产品可靠性报告》 https://www.zzqklm.com/w/kj/32519.html