鋼絲繩安全系數(shù)計算的探討

1、鋼絲繩安全系數(shù)計算的探討鋼絲繩作為礦井提升設備的一個重要承載部件，也是礦井提升機械中易損且消耗最大的材料之一，其安全性對礦井提升運輸安全具有重要作用，我國因鋼絲繩斷裂而產(chǎn)生的重特大事故時有發(fā)生且防不勝防，造成重大人身傷亡和財產(chǎn)損失。在礦井提升系統(tǒng)正常運行中，鋼絲繩除受到靜拉力外，其內(nèi)部還受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、擠壓等應力的作用，在各種應力的作用下，鋼絲繩的壽命將大大降低，另外，機械磨損、超載疲勞、腐蝕也會降低鋼絲繩壽命。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關鍵因素。一、基本術語1、鋼絲繩的3種破斷拉力1.1、鋼絲繩最小破斷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

2、驗時，應該達到的拉力值下限，是衡量或檢驗鋼絲繩性能的重要指標之一，也是一個統(tǒng)計經(jīng)驗值，按下式計算:5%looo式中：Fo為鋼絲繩最小破斷拉力，kN;K為某一指定結構鋼絲繩的最小破斷拉力系數(shù)，可從GB8918-2006表2中查得；D為鋼絲繩公稱直徑，mmR0為鋼絲繩公稱抗拉強度，MPa1.2、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E，是整根鋼絲繩受靜載荷單向拉伸破斷時的實際拉力，即鋼絲繩承載能力的實測值。由于其考核鋼絲繩的實際承載能力，因而更具實際意義。1.3、鋼絲繩鋼絲的破斷拉力總和鋼絲繩鋼絲的破斷拉力總和Fz，是采用拆股試驗，全部或部分地測試出鋼絲的實際破斷拉力，其總和為實

3、測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，不能真實準確地反映鋼絲繩的承載能力。對于鋼絲繩，由于鋼絲繩捻制質(zhì)量等的影響，上述3種破斷拉力一般有如下關系：FoWFsWFz(2)鋼絲繩拉斷力Fs比其組成鋼絲拉斷力總和Fz一般小13%25%左右。GB8918-2006附錄A中給出了Fs與Fz間的換算系數(shù)。2、鋼絲繩安全系數(shù)我國礦用鋼絲繩的強度計算依據(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)的方法進行計算，即鋼絲繩的安全系數(shù)為實測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，可繪制出其工作示意圖，見圖11。由圖可見，鋼絲繩的最大靜載荷作用于最上點(天輪

4、嚙合處),其值為：圖1鋼絲繩工作示意圖=+G3+G3*W=g+pi2g+jh-jgW式中：Fmax為鋼絲繩承受的最大靜載荷，N；G為一次有益載荷，N;G為容器重量，N;G為鋼絲繩單位長度重量，N/m;H為鋼絲繩懸垂長度，mm為一次提升有益質(zhì)量，kg；m為容器質(zhì)量，kg；m為鋼絲繩單位長度質(zhì)量，kg。其中：H二H+H+H(4)式中：h為鋼絲繩懸垂長度，mh為井架高度，m“為礦井深度，mh為容器裝載高度，ni鋼絲繩的安全系數(shù)可由下式計算得到:鋼絲繩的安全系數(shù)可由下式計算得到:式中：m為鋼絲繩安全系數(shù)；F為鋼絲繩本身所能承受的極限載荷，即破斷載荷。對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

5、。由上可知，目前對鋼絲繩破斷載荷有3種表示方式，即鋼絲繩最小破斷拉力（F。）、鋼絲繩整繩破斷拉力（Fs）和鋼絲的破斷拉力總和二、鋼絲繩安全系數(shù)的計算基準由式（5）可見，鋼絲繩安全系數(shù)計算的正確與否與鋼絲繩本身所能承受的極限載荷（F）的合理確定密切相關，即鋼絲繩安全系數(shù)計算基準問題。煤礦安全規(guī)程第四百條規(guī)定：鋼絲繩的安全系數(shù)，等于實測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算出的安全系數(shù)，如低于本規(guī)程第四百條的規(guī)定時，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。計算鋼絲繩安全系數(shù)

6、時，前者以合格鋼絲繩拉斷力的總和（Fs）為基準，后者以合格鋼絲拉斷力總和（Fz）為準。由于鋼絲繩拉斷力（Fs）般小于合格鋼絲拉斷力總和（Fz），因而前者要求更為嚴酷。筆者就此問題進行了專門研究，并廣泛征求了檢測檢驗、設計、研究、使用方面的專家和標準起草人的意見，認為煤礦安全規(guī)程所規(guī)定的礦井提升用鋼絲繩安全系數(shù)計算基準應是“合格鋼絲拉斷力總和（Fz）”，而不應是“合格鋼絲繩拉斷力的總和（實測的合格鋼絲繩拉斷力的總和)(Fs)”。理由有以下幾方面:從煤礦安全規(guī)程制修訂過程和原煤炭工業(yè)部有關規(guī)定的沿革看，煤礦安全規(guī)程實際上規(guī)定的應是后者。其中第四百條“鋼絲繩拉斷力”的出現(xiàn)是1996版出版時的印刷錯誤

7、，以后各版本一直沿用。因為1992版及其執(zhí)行說明中均明確“以合格鋼絲拉斷力總和為準”，而1996年修訂時并未對該條款進行修改。由中國煤炭工業(yè)勞動保護科學技術學會組織權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。”金屬非金屬礦山安全規(guī)程(GB16422006)規(guī)定，鋼絲繩安全系數(shù)計算以合格鋼絲拉斷力總和為準。我國幾十年的應用實踐表明，以合格鋼絲拉斷力總和為基準計算鋼絲繩安全系數(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計算安全系數(shù)相當于提高了安全系數(shù)，絕大部分在用設備可能不能滿足這種要求。三、合格鋼絲繩拉斷力總和

8、(Fz)的確定方法2006年，我國修訂發(fā)布了強制性國家標準重要用途鋼絲繩(GB8918-2006),其中第條規(guī)定以鋼絲繩最小破斷拉力考核鋼絲繩相關性能，刪除了前一版本中的鋼絲破斷拉力總和這一指標。其附錄C中還進一步明確：“測鋼絲繩破斷拉力，除能測定鋼絲繩拉力外，還能考核鋼絲繩捻制質(zhì)量水平，更能保證鋼絲繩的實際使用性能；測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，是一個代用指標?！币虼?，GB8918-2006的規(guī)定是科學合理的。為貫徹執(zhí)行國家標準，同時執(zhí)行煤礦安全規(guī)程等的規(guī)定，并考慮礦山實際和鋼絲繩檢測、取樣等相關問題，提出以下意見和建議：安全系數(shù)的計算基準以合格鋼絲拉斷力總和

9、（Fz）為準，但對新、在用鋼絲繩，采用不同的確定方法，并以此為基準計算鋼絲繩安全系數(shù)：（1）對于新鋼絲繩，其合格鋼絲拉斷力總和不采用實測值，而以鋼絲繩破斷拉力為基礎，利用GB8918-2006附錄A中給出的換算系數(shù)求得。據(jù)了解，這也是部分礦山設計院鋼絲繩選型的通用做法。（2）對于在用鋼絲繩，由于樣品取樣問題（進行鋼絲繩破斷力試驗需3m以上樣品）及檢測檢驗機構的檢驗能力（目前僅有2家安全生產(chǎn)甲級檢測檢驗機構具備整繩破斷力試驗能力，具備相應檢測能力的鋼絲繩生產(chǎn)廠家也為數(shù)不多），仍以實測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力非常復雜，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度安全儲備值，而僅僅表示經(jīng)過實踐證明在規(guī)定的安全系數(shù)的條件下，鋼絲繩才能安全可靠地運行。為確保礦井提升安全，應該對鋼絲繩安全系數(shù)的合理計算與確定予以更多的關注。四、結論通過對鋼絲繩安全系數(shù)計算方法研究，得出以下結論:以合格鋼絲拉斷力總和為準計算鋼絲繩安全系數(shù)符合現(xiàn)行煤礦安全規(guī)程規(guī)定，并能