钢丝绳受力特性对疲劳寿命的影响.pdf

1、钢 丝 绳 受 力 特 性 对 疲 劳 寿 命 的 影 响武 汉 理 工 大 学 物 流 工 程 中 心 胡 吉 全 胡 正 权摘 要 : 从 钢 丝 绳 受 力 特 性 出 发 ,探 讨 影 响 钢 丝 绳 疲 劳 寿 命 的 因 素 ,对 其 中 最 主 要 的 两 种 因 素 弯 曲 应 力和 接 触 挤 压 应 力 进 行 具 体 研 究 ,并 根 据 尼 曼 公 式 ,结 合 相 关 数 据 对 钢 丝 绳 破 断 次 数 进 行 计 算 。关 键 词 : 钢 丝 绳 ; 疲 劳 寿 命 ; 受 力 特 性 ; 尼 曼 公 式Abstract: According to the lo

2、ading p roperty of the steel wire rope, this paper app roaches the factors that influencesthe steel wire rope s fatigue life, and gives a detailed analysis on the two kinds of main factors among them, the bendingstress and contacting stress1 By N iemann s formula and corresponding data, this paper c

3、alculates the number of brokentimes of the steel wire rope1Key words: steel wire rope; fatigue life; loading p roperty; N iemann s formula钢 丝 绳 是 起 重 运 输 机 械 中 最 常 用 的 挠 性 构 件 ,由 于 其 具 有 强 度 高 、 挠 性 好 、 运 动 平 稳 、 自 重 轻 等 优点 而 被 广 泛 地 应 用 于 起 升 机 构 、 变 幅 机 构 和 牵 引 机构 ,有 时 也 被 用 于 回 转 机 构 。钢 丝 绳 在 使 用

4、 过 程 中 会 发 生 疲 劳 、 锈 蚀 、 磨 损 甚至 出 现 骤 断 现 象 ,它 的 实 际 状 态 关 系 到 设 备 和 人 身安 全 。 许 多 国 家 早 就 针 对 钢 丝 绳 的 使 用 制 订 了 相 应的 行 业 安 全 规 程 和 国 家 检 测 标 准 ,但 是 ,因 钢 丝 绳 破断 而 造 成 的 事 故 却 时 有 发 生 ,因 而 对 钢 丝 绳 疲 劳 寿命 的 研 究 很 有 必 要 。在 实 际 使 用 过 程 中 ,影 响 钢 丝 绳 使 用 寿 命 的 因素 很 多 ,例 如 钢 丝 绳 的 卷 绕 系 统 、 钢 丝 绳 选 择 的 类型 、

5、 卷 筒 或 滑 轮 的 直 径 大 小 、 钢 丝 绳 加 油 或 润 滑 的 状况 及 周 期 。 另 外 ,钢 丝 绳 还 可 能 因 为 接 触 脏 物 、 石 料的 残 留 物 、 磨 料 或 碰 撞 船 上 箱 格 和 舱 口 围 板 而 发 生机 械 损 坏 。 本 文 仅 从 钢 丝 绳 的 受 力 状 态 来 研 究 对 其疲 劳 寿 命 的 影 响 。1 钢 丝 绳 的 受 力 状 态钢 丝 绳 的 疲 劳 寿 命 与 其 所 受 的 作 用 力 有 着 密 切的 关 系 。 在 实 际 工 作 中 ,钢 丝 绳 受 力 极 其 复 杂 ,不 是简 单 的 只 存 在 某

6、一 种 应 力 状 态 ,但 是 在 进 行 疲 劳 寿命 的 理 论 研 究 时 ,却 只 能 以 某 一 种 或 某 几 种 主 要 的应 力 状 态 为 研 究 对 象 。 钢 丝 绳 在 使 用 过 程 中 的 主 要受 力 状 态 一 般 有 以 下 几 种 :1)拉 应 力 钢 丝 绳 受 拉 时 ,会 受 到 拉 应 力 的 作用 : 拉 = K F An(N /mm2 ) (1) 1 式 中 , F为 钢 丝 绳 的 拉 伸 载 荷 , N; An 为 钢 丝 绳 中所 有 钢 丝 的 断 面 面 积 之 和 , mm2 ; K为 应 力 分 布 不 均匀 系 数 , K =

7、112。2)弯 曲 应 力 钢 丝 绳 绕 上 卷 筒 或 滑 轮 时 ,钢 丝因 为 弯 曲 会 产 生 弯 曲 应 力 ,而 内 部 钢 丝 之 间 互 相 挤压 出 现 细 微 变 形 也 会 产 生 弯 曲 应 力 。 钢 丝 绳 中 的 钢丝 受 到 反 复 出 现 的 载 荷 作 用 ,在 最 弱 和 应 力 最 大 的地 方 先 是 形 成 裂 纹 ,然 后 裂 纹 逐 渐 扩 大 ,最 终 导 致 疲劳 断 丝 。3)接 触 挤 压 应 力 钢 丝 绳 与 卷 筒 或 滑 轮 表 面接 触 时 ,钢 丝 所 受 的 拉 伸 载 荷 不 仅 会 使 钢 丝 之 间 产生 挤 压

8、应 力 ,而 且 在 钢 丝 绳 与 卷 筒 或 滑 轮 轮 槽 之 间也 会 产 生 挤 压 应 力 。 在 这 些 挤 压 应 力 的 作 用 下 ,钢丝 绳 会 发 生 快 速 的 磨 损 ,导 致 使 用 寿 命 大 大 降 低 。4)扭 转 剪 切 应 力 钢 丝 在 钢 丝 绳 中 呈 螺 旋 形 ,位 于 钢 丝 绳 轴 线 上 的 拉 伸 载 荷 ,有 将 钢 丝 拉 直 的 趋势 ,从 而 使 钢 丝 受 扭 ,产 生 扭 转 剪 切 应 力 。尽 管 钢 丝 绳 应 用 的 范 围 十 分 广 泛 ,但 人 们 对 于钢 丝 绳 临 界 应 力 的 研 究 相 对 较 少

9、,在 实 际 的 研 究 中 ,更 多 的 是 采 用 试 验 的 方 法 ,例 如 拆 股 试 验 、 整 绳 破 断拉 力 试 验 和 疲 劳 试 验 等 。 以 往 试 验 的 结 果 表 明 ,在以 上 几 种 受 力 状 态 中 ,引 起 钢 丝 绳 外 层 钢 丝 的 疲 劳 、磨 损 直 至 破 断 的 主 要 因 素 是 钢 丝 绳 绕 过 卷 筒 或 滑 轮时 ,反 复 出 现 的 弯 曲 应 力 和 接 触 挤 压 应 力 。2 弯 曲 应 力1)滑 轮 或 卷 筒 直 径 大 小 对 弯 曲 疲 劳 强 度 的 影响 由 于 反 复 弯 曲 所 引 起 的 疲 劳 主 要

10、 取 决 于 卷 筒 或滑 轮 的 直 径 D与 钢 丝 绳 直 径 d的 比 值 D / d。 D / d越小 ,弯 曲 应 力 越 大 。 表 1为 通 过 试 验 所 得 的 数 据 。01Port Operation 2005. No. 1 ( Serial No. 159)从 表 1可 以 看 出 ,在 其 它 技 术 参 数 和 试 验 条 件相 同 的 情 况 下 ,不 锈 钢 丝 绳 No1、 No3、 No5用 9015表 1 滑 轮 直 径 对 钢 丝 绳 破 断 拉 力 的 影 响钢 丝绳 号 钢 丝 绳 结 构滑 轮 直径 /mm弯 曲次 数破 断 拉力 /kN 1 6

11、 19W + 1 + 37 9015 130 000 4516 2 6 19W + 1 + 37 8515 130 000 2310 3 6 19W + 1 + 37 9015 130 000 2810 4 6 19W + 1 + 37 8515 130 000 1910 5 6 19W + 1 + 37 9015 130 000 4910 6 6 19W + 1 + 37 8515 130 000 2910mm滑 轮 弯 曲 疲 劳 后 的 破 断 拉 力 值 ,分 别 比 不 锈 钢丝 绳 No2、 No4、 No6用 8515 mm滑 轮 弯 曲 疲 劳 后 的破 断 拉 力 值 高 4

12、7%、 69%、 98% ,滑 轮 直 径 仅 差 5mm ,疲 劳 后 的 拉 力 却 相 差 如 此 之 大 。 由 此 可 见 ,滑轮 直 径 的 增 大 可 显 著 提 高 钢 丝 绳 的 寿 命 ,这 是 因 为滑 轮 直 径 的 增 大 ,减 小 了 钢 丝 绳 中 钢 丝 的 弯 曲 应 力 。2)钢 丝 绳 弯 曲 疲 劳 寿 命 的 计 算 钢 丝 绳 的 疲劳 寿 命 与 D / d之 间 存 在 一 定 的 关 系 ,具 体 计 算 可 采用 尼 曼 (N iemann)公 式 ,寿 命 用 造 成 破 断 的 弯 折 总次 数 n来 表 示 。 该 公 式 用 来 求

13、钢 丝 绳 在 1个 螺 距 内断 丝 10%时 所 需 的 弯 折 次 数 :n = 17 104 D / d - 9B / (10Sf ) + 42(2) 2 式 中 , D为 卷 筒 或 滑 轮 的 直 径 , cm; d为 钢 丝 绳 的 直径 , cm; B 为 钢 丝 绳 破 断 应 力 ,MPa; Sf 为 安 全 系 数 。钢 丝 绳 的 结 构 型 式 有 多 种 ,这 里 仅 以 结 构 型 式8 19S + FC,公 称 抗 拉 强 度 等 级 为 1 670 MPa的 钢芯 钢 丝 绳 进 行 实 例 计 算 。用 式 (2)进 行 计 算 可 得 不 同 安 全 系

14、数 下 的 钢 丝绳 弯 曲 疲 劳 寿 命 n,结 果 可 表 示 为 图 1。图 1 钢 丝 绳 弯 曲 疲 劳 寿 命 曲 线 图从 图 上 可 以 直 观 地 看 出 ,对 于 同 种 钢 丝 绳 而言 ,所 绕 的 卷 筒 或 滑 轮 直 径 增 大 ,钢 丝 绳 的 疲 劳 寿 命会 随 之 显 著 增 大 。 但 是 在 钢 丝 绳 的 实 际 使 用 过 程中 ,又 会 产 生 另 外 一 个 问 题 ,那 就 是 增 大 轮 径 的 同 时卷 筒 或 滑 轮 自 身 的 转 动 惯 量 也 随 之 增 大 ,这 对 于 钢丝 绳 的 正 常 工 作 是 极 为 不 利 的 ,

15、时 间 一 长 肯 定 也 会影 响 钢 丝 绳 的 使 用 寿 命 。 也 就 是 说 ,钢 丝 绳 在 弯 曲受 力 的 工 况 下 ,其 使 用 寿 命 与 滑 轮 或 卷 筒 的 直 径 和自 身 的 直 径 大 小 都 有 关 系 ,在 设 计 时 对 它 们 必 须 进行 合 理 的 匹 配 。3 挤 压 应 力钢 丝 绳 的 疲 劳 寿 命 和 钢 丝 绳 与 滑 轮 之 间 以 及 钢丝 绳 钢 丝 之 间 的 接 触 挤 压 应 力 都 有 着 密 切 的 关 系 ,钢 丝 绳 钢 丝 之 间 一 般 有 3种 接 触 状 态 :点 接 触 、 线 接触 和 面 接 触 。

16、从 受 力 角 度 看 ,面 接 触 钢 丝 绳 钢 丝 之间 有 效 接 触 面 积 最 大 ,接 触 挤 压 应 力 最 小 ,因 而 这 种钢 丝 绳 的 使 用 寿 命 最 高 。 线 接 触 钢 丝 绳 的 使 用 寿 命也 明 显 高 于 点 接 触 钢 丝 绳 。 现 代 钢 丝 绳 的 生 产 逐 渐由 点 接 触 过 渡 到 线 接 触 和 面 接 触 。图 2 钢 丝 绳 与 绳 槽 的 理 想 配 合 状 态假 设 钢 丝 绳 运 转 在 配 合 很 好 的 绳 槽 中 (见 图2) ,则 钢 丝 绳 和 绳 槽 之 间 的 接 触 挤 压 应 力 可 由 下 式给 出

17、:P = 2FD d (3)式 中 , P为 接 触 挤 压 应 力 ,MPa; F为 钢 丝 绳 拉 力 , N;D为 滑 轮 或 卷 筒 的 直 径 , mm; d为 钢 丝 绳 直 径 , mm。由 于 钢 丝 绳 最 大 允 许 挤 压 应 力 在 一 般 的 资 料 中难 以 查 得 ,而 滑 轮 或 卷 筒 所 用 材 料 的 弹 性 模 量 却 是易 知 的 ,为 此 可 以 考 虑 通 过 下 面 的 途 径 加 以 解 决 。接 触 挤 压 应 力 P与 滑 轮 或 卷 筒 的 材 料 存 在 一 定 关系 ,有 下 列 公 式 :点 接 触 时Pmax = f 4 E1 E

18、2E1 + E22(4) 3 线 接 触 时Pmax = f 2 E1 E2E1 + E22(5) 4 式 中 , E1 为 钢 丝 绳 所 用 材 料 的 弹 性 模 量 ; E2 为 滑 轮或 卷 筒 所 用 材 料 的 弹 性 模 量 ; f为 摩 擦 系 数 ,在 点 接触 时 f = 01460,在 线 接 触 时 f = 01543。11港 口 装 卸 2005年 第 1期 (总 第 159期 )在 具 体 计 算 时 ,将 相 关 数 据 代 入 式 (3)中 ,算 得钢 丝 绳 和 绳 槽 之 间 的 接 触 挤 压 应 力 P,而 钢 丝 绳 最大 允 许 挤 压 应 力 ,

19、则 可 根 据 钢 丝 绳 受 力 状 态 ,将 弹 性模 量 的 值 代 入 式 (4)或 式 (5)中 算 得 ,然 后 将 两 个 计算 结 果 进 行 比 较 ,即 可 得 出 结 论 。4 结 语钢 丝 绳 使 用 的 安 全 性 是 人 们 长 期 以 来 一 直 关 注的 问 题 ,因 钢 丝 绳 的 损 伤 或 破 断 而 造 成 的 重 大 事 故时 有 发 生 。 造 成 钢 丝 绳 断 裂 的 原 因 很 多 ,疲 劳 是 最主 要 的 因 素 ,因 而 从 受 力 角 度 研 究 钢 丝 绳 疲 劳 寿 命对 于 钢 丝 绳 的 选 用 有 较 好 的 指 导 作 用

20、。 但 在 实 际 使用 中 ,应 考 虑 更 多 因 素 ,如 定 期 检 查 钢 丝 绳 和 滑 轮 ,经 常 加 油 保 持 良 好 的 润 滑 等 ,这 样 对 提 高 钢 丝 绳 的寿 命 也 会 大 有 好 处 。参 考 文 献1 张 质 文 ,刘 全 德 1起 重 运 输 机 械 1北 京 : 中 国 铁 道 出 版社 , 1983.2 日 坂 本 种 芳 ,长 谷 川 政 弘 1桥 式 起 重 机 设 计 计 算 1池成 渊 译 1北 京 :中 国 铁 道 出 版 社 , 1987.3 英 Ing1J1Verschoof1起 重 机 设 计 使 用 和 保 养 1刘 宝 静译

21、1上 海 :上 海 科 学 技 术 出 版 社 , 2002.4 郭 奕 珊 ,周 国 强 1绳 轮 材 料 对 钢 丝 绳 使 用 寿 命 的 影 响 1矿 山 机 械 , 1995 (5) : 22 23胡 吉 全 : 430063, 武 汉 市 武 昌 区 和 平 大 道 1040号收 稿 日 期 : 2004 - 12 - 03门 座 起 重 机 用 特 殊 结 构 钢 丝 绳咸 阳 石 油 钢 管 钢 绳 有 限 责 任 公 司 秦 万 信摘 要 : 分 析 18 7 + FC结 构 钢 丝 绳 在 使 用 过 程 中 早 期 失 效 的 原 因 ,介 绍 根 据 国 外 相 关 资

22、 料 研 发 的 两 种 特殊 结 构 钢 丝 绳 在 门 座 起 重 机 上 的 试 用 情 况 。关 键 词 : 门 机 ; 不 旋 转 钢 丝 绳 ; 结 构Abstract: This paper analyzes the reason that the 18 7 + FC structural steel wire rope got failure earlier in theduring time1 It introduces the two kinds of special structural steel wire ropes that are manufactured by

23、the reference of for2eign technical materials and their app lications to the portal cranes1Key words: portal crane; non - twisting steel wire rope; structure1 问 题 的 提 出门 座 式 起 重 机 (以 下 简 称 门 机 )是 港 口 行 业 普遍 采 用 的 装 卸 机 械 。 钢 丝 绳 不 仅 对 其 作 业 活 动 的 正常 进 行 具 有 不 可 替 代 的 作 用 ,而 且 是 最 大 的 易 损 件 ,因 而 产 品

24、质 量 一 直 受 到 用 户 的 关 注 。从 笔 者 了 解 的 情 况 看 ,目 前 门 机 用 钢 丝 绳 结 构似 乎 不 像 岸 边 集 装 箱 起 重 机 、 抓 斗 式 卸 船 机 用 绳 那样 规 范 ,受 使 用 习 惯 、 地 域 、 装 卸 物 种 类 、 起 重 机 起 升高 度 等 因 素 影 响 较 大 ,在 用 钢 丝 绳 主 要 有 6 37 +FC、 6 36SW + FC、 6 36SW + IWRC和 18 7 + FC等 结 构 。根 据 门 机 的 作 业 特 点 ,虽 然 目 前 公 认 18 7 +FC结 构 钢 丝 绳 比 较 合 理 ,且 作

25、 为 最 典 型 的 不 旋 转 结构 钢 丝 绳 。 国 内 能 够 生 产 它 的 金 属 制 品 企 业 较 多 ,采 购 也 比 较 方 便 。 但 该 钢 丝 绳 在 使 用 过 程 中 始 终 存在 着 似 乎 无 法 克 服 的 致 命 缺 陷 ,即 钢 丝 绳 的 失 效 通常 并 不 起 因 于 外 层 绳 股 断 丝 根 数 超 标 或 因 钢 丝 磨 损引 起 钢 丝 绳 直 径 明 显 减 小 ,而 是 因 为 : 内 层 绳 、 股早 期 断 裂 ; 外 层 绳 个 别 股 凸 起 或 塌 陷 出 现 早 期 断丝 、 断 股 ; 内 层 绳 、 股 跳 出 。 第

26、种 情 况 尤 其 普 遍 ,而 且 比 较 危 险 ,因 为 内 层 绳 、 股 的 早 期 断 裂 有 很 强 的隐 蔽 性 ,将 直 接 危 及 作 业 安 全 。门 机 用 钢 丝 绳 在 港 口 机 械 钢 丝 绳 中 所 占 比 重 较大 ,用 户 急 切 需 要 改 进 产 品 的 使 用 寿 命 。 本 文 从 钢丝 绳 自 身 结 构 特 点 及 生 产 过 程 入 手 ,分 析 18 7 +FC结 构 钢 丝 绳 早 期 失 效 的 原 因 ,并 在 此 基 础 上 ,介绍 根 据 国 外 资 料 研 发 的 两 种 特 殊 结 构 门 机 用 钢 丝 绳( SWAGED4 39S + FC、 FNR35 )的 试 用 情 况 ,其 目的 是 使 门 机 用 钢 丝 绳 结 构 更 趋 合 理 。2 18 7 + FC结 构 钢 丝 绳 早 期 失 效 原 因 分 析通 过 对 从 港 口 采 集 到 的 18 7 + FC结 构 钢 丝绳 失 效 实 物 样 品 的 研 究 ,并 结 合 钢 丝 绳 制 造 理 论 分21Port Operation 2005. No. 1 ( Serial No. 159)