鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算的探討

1、鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算的探討鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算的探討鋼絲繩作為礦井提升設(shè)備的一個(gè)重要承載部件，也是礦井提 升機(jī)械中易損且消耗最大的材料之一，其安全性對(duì)礦井提升運(yùn)輸安全 具有重要作用，我國(guó)因鋼絲繩斷裂而產(chǎn)生的重特大事故時(shí)有發(fā)生且防 不勝防，造成重大人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在礦井提升系統(tǒng)正常運(yùn)行中， 鋼絲繩除受到靜拉力外，其內(nèi)部還受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓等應(yīng)力的作 用，在各種應(yīng)力的作用下，鋼絲繩的壽命將大大降低，另外，機(jī)械磨 損、超載疲勞、腐蝕也會(huì)降低鋼絲繩壽命。 因此，合理選擇鋼絲繩尤 其重要，而安全系數(shù)是鋼絲繩選用的一個(gè)關(guān)鍵因素。一、基本術(shù)語1 1、鋼絲繩的 3 3 種破斷拉力1.11.1、鋼絲繩最小破斷

2、拉力鋼絲繩的最小破斷拉力值，是制造鋼絲繩或做整繩破斷拉力試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該達(dá)到的拉力值下限，是衡量或檢驗(yàn)鋼絲繩性能的重要指 標(biāo)之一，也是一個(gè)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，按下式計(jì)算:K方R(i)=Tooo式中：F Fo為鋼絲繩最小破斷拉力，kN;kN; KK為某一指定結(jié)構(gòu)鋼 絲繩的最小破斷拉力系數(shù)，可從 GB8918GB8918- - 20062006 表 2 2 中查得；D D 為鋼 絲繩公稱直徑，mmmmRo為鋼絲繩公稱抗拉強(qiáng)度，MPaMPa1.21.2、鋼絲繩整繩破斷拉力（又稱鋼絲繩拉斷力）鋼絲繩整繩破斷拉力 F Fs,是整根鋼絲繩受靜載荷單向拉伸破 斷時(shí)的實(shí)際拉力， 即鋼絲繩承載能力的實(shí)測(cè)值。 由于其考核鋼絲

3、繩的 實(shí)際承載能力，因而更具實(shí)際意義。1.31.3 、鋼絲繩鋼絲的破斷拉力總和鋼絲繩鋼絲的破斷拉力總和 F Fz,是采用拆股試驗(yàn)，全部或部 分地測(cè)試出鋼絲的實(shí)際破斷拉力， 其總和為實(shí)測(cè)的鋼絲繩鋼絲的破斷 拉力總和。由于為其鋼絲繩承載能力的初略估算值， 不能真實(shí)準(zhǔn)確地 反映鋼絲繩的承載能力。對(duì)于鋼絲繩， 由于鋼絲繩捻制質(zhì)量等的影響， 上述 3 3 種破斷 拉力一般有如下關(guān)系：F FWFsFz(2)(2)鋼絲繩拉斷力 F Fs比其組成鋼絲拉斷力總和 F Fz一般小 13%13%25%25%左右。GB8918GB8918-2006-2006 附錄 A A 中給出了 F Fs與 F Fz間的換算系數(shù)。

4、 2 2、鋼絲繩安全系數(shù)我國(guó)礦用鋼絲繩的強(qiáng)度計(jì)算依據(jù) 煤礦安全規(guī)程 規(guī)定，按 最大靜載荷并考慮一定安全系數(shù)的方法進(jìn)行計(jì)算， 即鋼絲繩的安全系 數(shù)為實(shí)測(cè)的破斷載荷與其所承受的最大靜載荷之比。根據(jù)煤礦提升鋼絲繩工作特點(diǎn)， 可繪制出其工作示意圖， 見 圖 1111。由圖可見，鋼絲繩的最大靜載荷作用于最上點(diǎn)( (天輪嚙合處) ), 其值為：圖 1 1 鋼絲繩工作示意圖/ = = C,C, + + G Ga a+ + + +式中：F Fmax為鋼絲繩承受的最大靜載荷，N；G G 為一次有益載 荷，N;N; G G2為容器重量，N;N; G G 為鋼絲繩單位長(zhǎng)度重量，N/m;N/m; H H 為鋼絲 繩懸

5、垂長(zhǎng)度，m m m m 為一次提升有益質(zhì)量，kgkg； m m 為容器質(zhì)量，kgkg ； m m 為鋼絲繩單位長(zhǎng)度質(zhì)量，kgkg。其中：H H二H+H+HH+H+H (4)(4)式中：H為鋼絲繩懸垂長(zhǎng)度，m m HiHi 為井架高度，m mH為礦 井深度，m m H Hl為容器裝載高度，鋼絲繩的安全系數(shù)可由下式計(jì)算得到：FF“、肌=云一=- - - (5(5 ) )式中：m m 為鋼絲繩安全系數(shù)；F F 為鋼絲繩本身所能承受的極限載荷，即破斷載荷。對(duì)于鋼絲繩所能承受的極限載荷即為致使鋼絲繩破斷的載荷。由上可知，目前對(duì)鋼絲繩破斷載荷有 3 3 種表示方式， 即鋼絲繩最 小破斷拉力 (F(F0)

6、) 、鋼絲繩整繩破斷拉力 (F(Fs) ) 和鋼絲的破斷拉力總和 (F(Fz) )。二、鋼絲繩安全系數(shù)的計(jì)算基準(zhǔn)由式 (5)(5) 可見，鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算的正確與否與鋼絲繩本 身所能承受的極限載荷 (F)(F) 的合理確定密切相關(guān)，即鋼絲繩安全系數(shù) 計(jì)算基準(zhǔn)問題。煤礦安全規(guī)程第四百條規(guī)定：鋼絲繩的安全系數(shù)，等于 實(shí)測(cè)的合格鋼絲繩拉斷力的總和與其所承受的最大靜拉力 ( ( 包括繩端 載荷和鋼絲繩自重所引起的靜拉力 ) ) 之比。煤礦安全規(guī)程 第四百零二條規(guī)定： 以合格鋼絲拉斷力總 和為準(zhǔn)算出的安全系數(shù)， 如低于本規(guī)程第四百條的規(guī)定時(shí)， 該鋼絲繩 不得使用。從字面上看， 上述兩種規(guī)定間存在矛盾。

7、 計(jì)算鋼絲繩安全系 數(shù)時(shí)，前者以合格鋼絲繩拉斷力的總和 (F(Fs) ) 為基準(zhǔn)，后者以合格鋼絲 拉斷力總和(F(Fz) )為準(zhǔn)。由于鋼絲繩拉斷力(F(Fs) ) 般小于合格鋼絲拉斷 力總和(F(Fz) )，因而前者要求更為嚴(yán)酷。筆者就此問題進(jìn)行了專門研究， 并廣泛征求了檢測(cè)檢驗(yàn)、 設(shè) 計(jì)、研究、使用方面的專家和標(biāo)準(zhǔn)起草人的意見，認(rèn)為煤礦安全規(guī) 程所規(guī)定的礦井提升用鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算基準(zhǔn)應(yīng)是“合格鋼絲拉 斷力總和(F(Fz) ) ”，而不應(yīng)是“合格鋼絲繩拉斷力的總和(實(shí)測(cè)的合格鋼絲繩拉斷力的總和) (F(Fs) ) ”。理由有以下幾方面：(1)(1) 從煤礦安全規(guī)程制修訂過程和原煤炭工業(yè)部有關(guān)

8、規(guī) 定的沿革看，煤礦安全規(guī)程實(shí)際上規(guī)定的應(yīng)是后者。其中第四百 條“鋼絲繩拉斷力”的出現(xiàn)是 19961996 版出版時(shí)的印刷錯(cuò)誤，以后各版 本一直沿用。因?yàn)?19921992 版及其執(zhí)行說明中均明確“以合格鋼絲 拉斷力總和為準(zhǔn)”，而 19961996 年修訂時(shí)并未對(duì)該條款進(jìn)行修改。(2)(2) 由中國(guó)煤炭工業(yè)勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)組織權(quán)威專家編 寫的 煤礦安全規(guī)程 讀本中明確指出“安全系數(shù)是每根鋼絲的破 斷力之和與最大靜張力之比，不是鋼絲繩的破斷力?！?3)(3) 金屬非金屬礦山安全規(guī)程 (GB16423(GB16423 2006)2006)規(guī)定，鋼 絲繩安全系數(shù)計(jì)算以合格鋼絲拉斷力總和為準(zhǔn)。(4

9、)(4) 我國(guó)幾十年的應(yīng)用實(shí)踐表明，以合格鋼絲拉斷力總和為 基準(zhǔn)計(jì)算鋼絲繩安全系數(shù)并未發(fā)現(xiàn)存有不妥，能夠保證礦山使用安 全。而以鋼絲繩破斷拉力為準(zhǔn)計(jì)算安全系數(shù)相當(dāng)于提高了安全系數(shù)， 絕大部分在用設(shè)備可能不能滿足這種要求。三、合格鋼絲繩拉斷力總和 (F(Fz) ) 的確定方法20062006 年，我國(guó)修訂發(fā)布了強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)重要用途鋼絲繩(GB8918(GB8918- - 2006)2006),其中第 626626 條規(guī)定以鋼絲繩最小破斷拉力考 核鋼絲繩相關(guān)性能，刪除了前一版本中的鋼絲破斷拉力總和這一指 標(biāo)。其附錄 C C 中還進(jìn)一步明確：“測(cè)鋼絲繩破斷拉力，除能測(cè)定鋼絲 繩拉力外， 還能考核鋼

10、絲繩捻制質(zhì)量水平， 更能保證鋼絲繩的實(shí)際使 用性能；測(cè)鋼絲破斷拉力總和不能反映捻制質(zhì)量水平， 不能完全保證 使用性能，是一個(gè)代用指標(biāo)?！币虼耍?GB8918GB891820062006 的規(guī)定是科學(xué)合理的。為貫徹執(zhí)行國(guó) 家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)執(zhí)行煤礦安全規(guī)程等的規(guī)定，并考慮礦山實(shí)際和鋼 絲繩檢測(cè)、取樣等相關(guān)問題，提出以下意見和建議：安全系數(shù)的計(jì)算基準(zhǔn)以合格鋼絲拉斷力總和 (F(Fz) ) 為準(zhǔn)，但對(duì) 新、在用鋼絲繩， 采用不同的確定方法， 并以此為基準(zhǔn)計(jì)算鋼絲繩安 全系數(shù)：(1)(1) 對(duì)于新鋼絲繩，其合格鋼絲拉斷力總和不采用實(shí)測(cè)值， 而以鋼絲繩破斷拉力為基礎(chǔ)，利用 GB8918GB8918- - 20

11、062006 附錄 A A 中給出的換 算系數(shù)求得。據(jù)了解，這也是部分礦山設(shè)計(jì)院鋼絲繩選型的通用做法。(2)(2) 對(duì)于在用鋼絲繩，由于樣品取樣問題 ( ( 進(jìn)行鋼絲繩破斷力 試驗(yàn)需3 3 m m 以上樣品) )及檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)?zāi)芰? (目前僅有 2 2 家安全 生產(chǎn)甲級(jí)檢測(cè)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)具備整繩破斷力試驗(yàn)?zāi)芰Γ?具備相應(yīng)檢測(cè)能力 的鋼絲繩生產(chǎn)廠家也為數(shù)不多 ) ) ，仍以實(shí)測(cè)方法確定合格鋼絲拉斷力 的總和。待條件成熟后再采用與新鋼絲繩同樣的方法， 計(jì)算安全系數(shù)。需要說明的是，由于提升鋼絲繩在工作過程中所引起的應(yīng)力 非常復(fù)雜，影響鋼絲繩使用壽命的因素又很多， 所以安全系數(shù)并不代 表鋼絲繩真正強(qiáng)度安全儲(chǔ)備值， 而僅僅表示經(jīng)過實(shí)踐證明在規(guī)定的安 全系數(shù)的條件下，鋼絲繩才能安全可靠地運(yùn)行。 為確保礦井提升安全， 應(yīng)該對(duì)鋼絲繩安全系數(shù)的合理計(jì)算與確定予以更多的關(guān)注。四、結(jié)論通過對(duì)鋼絲繩安全系數(shù)計(jì)算方法研究，得出以下結(jié)論：(1)(1) 以合格鋼絲拉斷力總和為準(zhǔn)計(jì)算鋼絲繩安全系數(shù)符合現(xiàn) 行煤礦安全規(guī)程規(guī)定