钢丝绳的受力特性及弯曲疲劳寿命分析

钢丝绳的受力特性及弯曲疲劳寿命分析

张路

国家能源投资集团有限责任公司准格尔能源集团有限责任公司设备维修中心内蒙古自治区鄂尔多斯市010399

摘要：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。本文分析了钢丝绳的受力特性，并提出钢丝绳疲劳寿命的措施。

关键词：钢丝绳；受力特性；疲劳寿命

钢丝绳是由一定规格的细钢丝拧成的柔性绳索，可用于牵引、承载、提升和拉紧，具有韧性好、无噪音、强度高、使用方便等优点，广泛应用于机械、采矿、造船、林业和冶金等行业。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。

一、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,却只能以某种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、弯曲应力。钢丝绳在滑轮或卷筒上卷绕时，会由于弯曲而产生弯曲应力，且钢丝绳横截面上不同位置处钢丝的弯曲应力是不同的。当钢丝绳结构和滑轮的直径确定时，钢丝绳内钢丝的最大弯曲应力与其所处位置相关。内外股接触处的钢丝会产生较严重的内部磨损，此类钢丝通过滑轮时产生的弯曲应力是影响钢丝绳寿命的主要因素。实验证明：增大滑轮直径可减小钢丝绳内危险钢丝的最大弯曲应力。因此在条件允许的情况下，选择较大直径的滑轮能有效降低钢丝绳通过滑轮时产生的弯曲应力而提高其使用寿命。但值得注意的是，当增大滑轮的直径时，其转动惯量也会相应增大，较大的转动惯量会对钢丝绳及其系统造成冲击，反过来又会降低钢丝绳的使用寿命。因此，当钢丝绳经过滑轮筒产生弯曲时，应对钢丝绳和滑轮直径进行合理的配对，配对原则是在钢丝绳的弯曲应力较小的情况下尽量减小滑轮直径。

2、接触挤压应力。钢丝绳在使用过程中其外部与滑轮槽、卷筒壁等表面接触时，钢丝绳上所受的拉伸载荷会使钢丝绳与滑轮间产生挤压应力，挤压应力会引起钢丝绳的外部磨损，这样会减小钢丝绳的直径从而使其横截面积变小，钢丝绳的破断载荷也会随之降低。拉伸载荷还会引起钢丝之间的挤压应力而产生内部磨损，内部磨损主要发生在内股和外股的接触钢丝上，钢丝绳通过滑轮时会产生反复拉伸和弯曲，在其磨损深凹处会产生应力集中，导致其内部钢丝易被折断，从而减少钢丝绳的疲劳寿命。钢丝绳中丝与丝之间的接触状态有：点接触、线接触和面接触。从受力角度看，面接触钢丝绳是用异型断面钢丝绕成的密封型结构，其接触挤压应力最小，使用寿命最长。线接触钢丝绳的使用寿命也高于点接触钢丝绳，目前起重机上广泛使用的都是线接触钢丝绳和面接触钢丝绳。

3、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,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。

二、钢丝绳弯曲疲劳寿命的计算

钢丝绳的疲劳寿命与滑轮（卷筒）与钢丝绳的直径之比有很大的关系，前人常用尼曼公式计算钢丝绳的弯曲疲劳寿命，其形式如下：

三、提高钢丝绳寿命的措施

钢丝绳失效的主要原因是弯曲疲劳，因此提高钢丝绳的疲劳强度可有效地提高钢丝绳的使用寿命，其具体措施如下：①选择合理的滑轮（卷筒）直径及材料，优化钢丝绳的结构，降低钢丝绳内部丝与丝之间的摩擦力，降低内部磨损；②在对起升机构钢丝绳卷绕方式设计时，应尽量减少钢丝绳的弯折次数，尤其是反向弯折次数，反向弯折所引起的疲劳是同向弯折的两倍；③加强钢丝绳的维护保养，定期润滑保养防止锈蚀。

随着钢丝绳制造企业装备水平和管理水平的提高，钢丝绳的质量也越来越好。在实际使用过程中,影响钢丝绳使用寿命的因素很多,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。

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