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鋼絲繩受力特性對疲勞壽命的影響

文檔作者：胡吉全胡正權(quán) 文檔來源：武漢理工大學(xué)物流工程中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月08日
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鋼絲繩受力特性對疲勞壽命的影響
武漢理工大學(xué)物流工程中心　胡吉全　胡正權(quán)
　　摘　要: 從鋼絲繩受力特性出發(fā),探討影響鋼絲繩疲勞壽命的因素,對其中最主要的兩種因素———彎曲應(yīng)力
和接觸擠壓應(yīng)力進(jìn)行具體研究,并根據(jù)尼曼公式,結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)對鋼絲繩破斷次數(shù)進(jìn)行計算。
　　關(guān)鍵詞: 鋼絲繩; 疲勞壽命; 受力特性; 尼曼公式
　　Abstract: According to the loading p roperty of the steelwire rope, this paper app roaches the factors that influences
the steelwire rope’s fatigue life, and gives a detailed analysis on the two kinds of main factors among them, the bending
stress and contacting stress1 By Niemann’s formula and corresponding data, this paper calculates the number of broken
times of the steelwire rope1
　　Key words: steelwire rope; fatigue life; loading p roperty; Niemann’s formula
　　鋼絲繩是起重運(yùn)輸機(jī)械中最常用的撓性構(gòu)件,
由于其具有強(qiáng)度高、撓性好、運(yùn)動平穩(wěn)、自重輕等優(yōu)
點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和牽引機(jī)
構(gòu),有時也被用于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
鋼絲繩在使用過程中會發(fā)生疲勞、銹蝕、磨損甚
至出現(xiàn)驟斷現(xiàn)象,它的實(shí)際狀態(tài)關(guān)系到設(shè)備和人身
安全。許多國家早就針對鋼絲繩的使用制訂了相應(yīng)
的行業(yè)安全規(guī)程和國家檢測標(biāo)準(zhǔn),但是,因鋼絲繩破
斷而造成的事故卻時有發(fā)生,因而對鋼絲繩疲勞壽
命的研究很有必要。
在實(shí)際使用過程中,影響鋼絲繩使用壽命的因
素很多,例如鋼絲繩的卷繞系統(tǒng)、鋼絲繩選擇的類
型、卷筒或滑輪的直徑大小、鋼絲繩加油或潤滑的狀
況及周期。另外,鋼絲繩還可能因?yàn)榻佑|臟物、石料
的殘留物、磨料或碰撞船上箱格和艙口圍板而發(fā)生
機(jī)械損壞。本文僅從鋼絲繩的受力狀態(tài)來研究對其
疲勞壽命的影響。
1　鋼絲繩的受力狀態(tài)
鋼絲繩的疲勞壽命與其所受的作用力有著密切
的關(guān)系。在實(shí)際工作中,鋼絲繩受力極其復(fù)雜,不是
簡單的只存在某一種應(yīng)力狀態(tài),但是在進(jìn)行疲勞壽
命的理論研究時,卻只能以某一種或某幾種主要的
應(yīng)力狀態(tài)為研究對象。鋼絲繩在使用過程中的主要
受力狀態(tài)一般有以下幾種:
1)拉應(yīng)力　鋼絲繩受拉時,會受到拉應(yīng)力的作
用:
σ拉= K
F
ΣAn
　　(N /mm2 ) (1) [ 1 ]
式中, F為鋼絲繩的拉伸載荷, N; ΣAn 為鋼絲繩中
所有鋼絲的斷面面積之和,mm2 ; K為應(yīng)力分布不均
勻系數(shù), K = 112。
2)彎曲應(yīng)力　鋼絲繩繞上卷筒或滑輪時,鋼絲
因?yàn)閺澢鷷a(chǎn)生彎曲應(yīng)力,而內(nèi)部鋼絲之間互相擠
壓出現(xiàn)細(xì)微變形也會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。鋼絲繩中的鋼
絲受到反復(fù)出現(xiàn)的載荷作用,在最弱和應(yīng)力最大的
地方先是形成裂紋,然后裂紋逐漸擴(kuò)大,最終導(dǎo)致疲
勞斷絲。
3)接觸擠壓應(yīng)力　鋼絲繩與卷筒或滑輪表面
接觸時,鋼絲所受的拉伸載荷不僅會使鋼絲之間產(chǎn)
生擠壓應(yīng)力,而且在鋼絲繩與卷筒或滑輪輪槽之間
也會產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。在這些擠壓應(yīng)力的作用下,鋼
絲繩會發(fā)生快速的磨損,導(dǎo)致使用壽命大大降低。
4)扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力　鋼絲在鋼絲繩中呈螺旋形,
位于鋼絲繩軸線上的拉伸載荷,有將鋼絲拉直的趨
勢,從而使鋼絲受扭,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力。
盡管鋼絲繩應(yīng)用的范圍十分廣泛,但人們對于
鋼絲繩臨界應(yīng)力的研究相對較少,在實(shí)際的研究中,
更多的是采用試驗(yàn)的方法,例如拆股試驗(yàn)、整繩破斷
拉力試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)等。以往試驗(yàn)的結(jié)果表明,在
以上幾種受力狀態(tài)中,引起鋼絲繩外層鋼絲的疲勞、
磨損直至破斷的主要因素是鋼絲繩繞過卷筒或滑輪
時,反復(fù)出現(xiàn)的彎曲應(yīng)力和接觸擠壓應(yīng)力。
2　彎曲應(yīng)力
1)滑輪或卷筒直徑大小對彎曲疲勞強(qiáng)度的影
響　由于反復(fù)彎曲所引起的疲勞主要取決于卷筒或
滑輪的直徑D與鋼絲繩直徑d的比值D / d。D / d越
小,彎曲應(yīng)力越大。表1為通過試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)。
10
PortOperation　2005. No. 1 ( SerialNo. 159)
　　從表1可以看出,在其它技術(shù)參數(shù)和試驗(yàn)條件
相同的情況下,不銹鋼絲繩No1、No3、No5用9015
表1　滑輪直徑對鋼絲繩破斷拉力的影響
鋼絲
繩號
鋼絲繩結(jié)構(gòu)
滑輪直
徑/mm
彎曲
次數(shù)
破斷拉
力/kN
№1 6 ×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 2910
mm滑輪彎曲疲勞后的破斷拉力值,分別比不銹鋼
絲繩No2、No4、No6用8515 mm滑輪彎曲疲勞后的
破斷拉力值高47%、69%、98%, 滑輪直徑僅差5
mm,疲勞后的拉力卻相差如此之大。由此可見,滑
輪直徑的增大可顯著提高鋼絲繩的壽命,這是因?yàn)?
滑輪直徑的增大,減小了鋼絲繩中鋼絲的彎曲應(yīng)力。
2)鋼絲繩彎曲疲勞壽命的計算　鋼絲繩的疲
勞壽命與D / d之間存在一定的關(guān)系,具體計算可采
用尼曼(Niemann)公式,壽命用造成破斷的彎折總
次數(shù)n來表示。該公式用來求鋼絲繩在1個螺距內(nèi)
斷絲10%時所需的彎折次數(shù):
n = 17 ×104 D / d - 9
σB / (10Sf ) + 4
2
(2) [ 2 ]
式中,D為卷筒或滑輪的直徑, cm; d為鋼絲繩的直
徑, cm;σB 為鋼絲繩破斷應(yīng)力,MPa; Sf 為安全系數(shù)。
鋼絲繩的結(jié)構(gòu)型式有多種,這里僅以結(jié)構(gòu)型式
8 ×19S + FC,公稱抗拉強(qiáng)度等級為1 670 MPa的鋼
芯鋼絲繩進(jìn)行實(shí)例計算。
用式(2)進(jìn)行計算可得不同安全系數(shù)下的鋼絲
繩彎曲疲勞壽命n,結(jié)果可表示為圖1。
圖1　鋼絲繩彎曲疲勞壽命曲線圖
從圖上可以直觀地看出,對于同種鋼絲繩而
言,所繞的卷筒或滑輪直徑增大,鋼絲繩的疲勞壽命
會隨之顯著增大。但是在鋼絲繩的實(shí)際使用過程
中,又會產(chǎn)生另外一個問題,那就是增大輪徑的同時
卷筒或滑輪自身的轉(zhuǎn)動慣量也隨之增大,這對于鋼
絲繩的正常工作是極為不利的,時間一長肯定也會
影響鋼絲繩的使用壽命。也就是說,鋼絲繩在彎曲
受力的工況下,其使用壽命與滑輪或卷筒的直徑和
自身的直徑大小都有關(guān)系,在設(shè)計時對它們必須進(jìn)
行合理的匹配。
3　擠壓應(yīng)力
鋼絲繩的疲勞壽命和鋼絲繩與滑輪之間以及鋼
絲繩鋼絲之間的接觸擠壓應(yīng)力都有著密切的關(guān)系,
鋼絲繩鋼絲之間一般有3種接觸狀態(tài):點(diǎn)接觸、線接
觸和面接觸。從受力角度看,面接觸鋼絲繩鋼絲之
間有效接觸面積最大,接觸擠壓應(yīng)力最小,因而這種
鋼絲繩的使用壽命最高。線接觸鋼絲繩的使用壽命
也明顯高于點(diǎn)接觸鋼絲繩。現(xiàn)代鋼絲繩的生產(chǎn)逐漸
由點(diǎn)接觸過渡到線接觸和面接觸。
圖2　鋼絲繩與繩槽的理想配合狀態(tài)
假設(shè)鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)在配合很好的繩槽中(見圖
2) ,則鋼絲繩和繩槽之間的接觸擠壓應(yīng)力可由下式
給出:
P =
2F
Dd
(3)
式中, P為接觸擠壓應(yīng)力,MPa; F為鋼絲繩拉力,N;
D為滑輪或卷筒的直徑,mm; d為鋼絲繩直徑,mm。
由于鋼絲繩最大允許擠壓應(yīng)力在一般的資料中
難以查得,而滑輪或卷筒所用材料的彈性模量卻是
易知的,為此可以考慮通過下面的途徑加以解決。
接觸擠壓應(yīng)力P 與滑輪或卷筒的材料存在一定關(guān)
系,有下列公式:
點(diǎn)接觸時
Pmax = f 4 E1 E2
E1 + E2
2
(4) [ 3 ]
　　線接觸時
Pmax = f 2 E1 E2
E1 + E2
2
(5) [ 4 ]
式中, E1 為鋼絲繩所用材料的彈性模量; E2 為滑輪
或卷筒所用材料的彈性模量; f為摩擦系數(shù),在點(diǎn)接
觸時f = 01460,在線接觸時f = 01543。
11
港口裝卸　2005年第1期(總第159期)
　　在具體計算時,將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)中,算得
鋼絲繩和繩槽之間的接觸擠壓應(yīng)力P,而鋼絲繩最
大允許擠壓應(yīng)力,則可根據(jù)鋼絲繩受力狀態(tài),將彈性
模量的值代入式(4)或式(5)中算得,然后將兩個計
算結(jié)果進(jìn)行比較,即可得出結(jié)論。
4　結(jié)語
鋼絲繩使用的安全性是人們長期以來一直關(guān)注
的問題,因鋼絲繩的損傷或破斷而造成的重大事故
時有發(fā)生。造成鋼絲繩斷裂的原因很多,疲勞是最
主要的因素,因而從受力角度研究鋼絲繩疲勞壽命
對于鋼絲繩的選用有較好的指導(dǎo)作用。但在實(shí)際使
用中,應(yīng)考慮更多因素,如定期檢查鋼絲繩和滑輪,
經(jīng)常加油保持良好的潤滑等,這樣對提高鋼絲繩的
壽命也會大有好處。
參考文獻(xiàn)
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社, 1983.
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成淵譯1北京:中國鐵道出版社, 1987.
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4　郭奕珊,周國強(qiáng)1 繩輪材料對鋼絲繩使用壽命的影響1
礦山機(jī)械, 1995 (5) : 22～23
　　胡吉全: 430063, 武漢市武昌區(qū)和平大道1040號
　　收稿日期: 2004 - 12 - 03
門座起重機(jī)用特殊結(jié)構(gòu)鋼絲繩
咸陽石油鋼管鋼繩有限責(zé)任公司　秦萬信
　　摘　要: 分析18 ×7 + FC結(jié)構(gòu)鋼絲繩在使用過程中早期失效的原因,介紹根據(jù)國外相關(guān)資料研發(fā)的兩種特
殊結(jié)構(gòu)鋼絲繩在門座起重機(jī)上的試用情況。
　　關(guān)鍵詞: 門機(jī); 不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩; 結(jié)構(gòu)
　　Abstract: This paper analyzes the reason that the 18 ×7 + FC structural steel wire rope got failure earlier in the
during time1 It introduces the two kinds of special structural steelwire ropes that are manufactured by the reference of for2
eign technicalmaterials and their app lications to the portal cranes1
　　Key words: portal crane; non - twisting steelwire rope; structure
1　問題的提出
門座式起重機(jī)(以下簡稱門機(jī))是港口行業(yè)普
遍采用的裝卸機(jī)械。鋼絲繩不僅對其作業(yè)活動的正
常進(jìn)行具有不可替代的作用,而且是最大的易損件,
因而產(chǎn)品質(zhì)量一直受到用戶的關(guān)注。
從筆者了解的情況看,目前門機(jī)用鋼絲繩結(jié)構(gòu)
似乎不像岸邊集裝箱起重機(jī)、抓斗式卸船機(jī)用繩那
樣規(guī)范,受使用習(xí)慣、地域、裝卸物種類、起重機(jī)起升
高度等因素影響較大,在用鋼絲繩主要有6 ×37 +
FC、6 ×36SW + FC、6 ×36SW + IWRC和18 ×7 + FC
等結(jié)構(gòu)。
根據(jù)門機(jī)的作業(yè)特點(diǎn),雖然目前公認(rèn)18 ×7 +
FC結(jié)構(gòu)鋼絲繩比較合理,且作為最典型的不旋轉(zhuǎn)結(jié)
構(gòu)鋼絲繩。國內(nèi)能夠生產(chǎn)它的金屬制品企業(yè)較多,
采購也比較方便。但該鋼絲繩在使用過程中始終存
在著似乎無法克服的致命缺陷,即鋼絲繩的失效通
常并不起因于外層繩股斷絲根數(shù)超標(biāo)或因鋼絲磨損
引起鋼絲繩直徑明顯減小,而是因?yàn)? ①內(nèi)層繩、股
早期斷裂; ②外層繩個別股凸起或塌陷出現(xiàn)早期斷
絲、斷股; ③內(nèi)層繩、股跳出。第①種情況尤其普遍,
而且比較危險,因?yàn)閮?nèi)層繩、股的早期斷裂有很強(qiáng)的
隱蔽性,將直接危及作業(yè)安全。
門機(jī)用鋼絲繩在港口機(jī)械鋼絲繩中所占比重較
大,用戶急切需要改進(jìn)產(chǎn)品的使用壽命。本文從鋼
絲繩自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及生產(chǎn)過程入手,分析18 ×7 +
FC結(jié)構(gòu)鋼絲繩早期失效的原因,并在此基礎(chǔ)上,介
紹根據(jù)國外資料研發(fā)的兩種特殊結(jié)構(gòu)門機(jī)用鋼絲繩
( SWAGED4 ×39S + FC、FNR35 )的試用情況,其目
的是使門機(jī)用鋼絲繩結(jié)構(gòu)更趨合理。
2　18 ×7 + FC結(jié)構(gòu)鋼絲繩早期失效原因分析
　　通過對從港口采集到的18 ×7 + FC結(jié)構(gòu)鋼絲
繩失效實(shí)物樣品的研究,并結(jié)合鋼絲繩制造理論分
12
PortOperation　2005. No. 1 ( SerialNo. 159)

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