熱點資訊
咨詢熱線：
0513-81100618
13861988658
郵件： linkai@ntcygs.cn
電話：13861988658
地址： 江蘇省南通市通州區(qū)張芝山鎮(zhèn)
熱門標簽
多層股鋼絲繩直線張拉狀態(tài)下接觸磨損機理研究
發(fā)布時間：2021-03-25 14:51 文章來源：未知 文章作者：admin 點擊數(shù)：
摘 要：為了解多層股鋼絲繩內(nèi)部接觸磨損情況，通過不同方法對其在直線張拉狀態(tài)下的力學特性進行了研究。基于Costello 的普通鋼絲繩彈性理論，建立了拉力作用下直線狀態(tài)鋼絲繩的受
摘 要：為了解多層股鋼絲繩內(nèi)部接觸磨損情況，通過不同方法對其在直線張拉狀態(tài)下的力學特性進行了研究?；贑ostello 的普通鋼絲繩彈性理論，建立了拉力作用下直線狀態(tài)鋼絲繩的受力模型，以18×7+IWS 多層股鋼絲繩為例，計算得出多層股鋼絲繩不同層繩股的應(yīng)力變化情況；根據(jù)鋼絲繩的空間幾何結(jié)構(gòu)，分析鋼絲在接觸狀態(tài)下的受力情況，研究了鋼絲接觸應(yīng)力的大小和鋼絲間的滑動位移量對鋼絲接觸狀態(tài)和鋼絲疲勞磨損的影響；利用Abaqus 對鋼絲繩進行有限元靜力學分析，研究了繩股鋼絲間的應(yīng)力變形情況；最后在DIC-MTS 試驗臺進行了鋼絲繩直線狀態(tài)下的拉伸實驗，從力學角度分析了多層股鋼絲繩疲勞損傷的主要原因，對上述理論分析進行了驗證，并得出了多層股鋼絲繩在使用中其失效先從內(nèi)部磨損開始，繼而擴展斷裂的結(jié)論。
關(guān)鍵詞： 多層股鋼絲繩；相對錯動位移量；接觸應(yīng)力；疲勞磨損；DIC-MTS 拉伸實驗
中圖分類號：TH532 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2020）09-0032-06
0 引言鋼絲繩能夠改變力的傳遞方向，強度高、韌性好、抗沖擊，因此被廣泛用作多領(lǐng)域各類機械裝置的傳動件，并且很難被其它現(xiàn)有結(jié)構(gòu)件取代。鋼絲繩工作過程中受力情況復(fù)雜，因而失效形式多樣，其中內(nèi)部斷絲等通常難以通過常規(guī)外觀檢測方法發(fā)現(xiàn)[1]。多層股鋼絲繩在實際使用過程中，內(nèi)部鋼絲間的接觸磨損相較外部鋼絲間的接觸磨損要嚴重得多。因此，研究多層股鋼絲繩內(nèi)部接觸磨損情況是其磨損失效研究的重點，能為多層股鋼絲繩安全使用及結(jié)構(gòu)改善提供有力的理論支撐。
1 直線狀態(tài)鋼絲繩的應(yīng)力特性分析1.1 鋼絲繩鋼絲拉應(yīng)力在計算直線狀態(tài)下鋼絲拉應(yīng)力時，不考慮泊松比，即vi，vj 的值均取零[2]，故第k 層單根鋼絲拉應(yīng)力為[3-5]
式中：F 為整繩所受拉力；ns 為繩股總層數(shù)；j 為繩股所在層數(shù)，j=0 時表示芯股；mj 為第j 層繩股的繩股總根數(shù)；βj 為第j 層繩股的捻角；ng 為第j 層單個繩股中鋼絲的總層數(shù)；mij 為第j 層繩股中第i 層鋼絲的總根數(shù)；β ij 為第j 層繩股中第i 層鋼絲的捻角。
以18×7+IWS 多層股鋼絲繩為例，假定鋼絲繩受到F=15 kN 外部載荷作用，則鋼絲繩各繩股中的鋼絲拉應(yīng)力可由式（1）計算得出，具體數(shù)值見表1。
從表1 可以看出，鋼絲所受拉伸應(yīng)力隨所在繩股位置靠內(nèi)而增加；各繩股中外側(cè)鋼絲受到的拉伸應(yīng)力均比中心鋼絲小，鋼絲拉伸應(yīng)力與整繩所受拉伸載荷間關(guān)系如圖1 所示。由于在拉伸載荷作用下各層鋼絲伸長量不同，繩股間會出現(xiàn)相對滑動，導致分層現(xiàn)象。
1.2 內(nèi)、外層股鋼絲間接觸應(yīng)力根據(jù)Costello[6] 接觸理論，忽略接觸點的變形，由單股鋼絲繩接觸均勻載荷公式導出多層股鋼絲繩內(nèi)、外層股之間的接觸均布載荷計算公式為
圖1 18×7+IWS 多層股鋼絲繩鋼絲拉伸應(yīng)力隨拉伸載荷變化曲線內(nèi)、外層股鋼絲之間最大接觸應(yīng)力為其中
18×7+IWS 多層股鋼絲繩的內(nèi)、外層股捻距分別為90 mm 和170 mm 時，若外層股捻向為右交互捻，在所受拉伸載荷為15 kN 時，內(nèi)、外層股鋼絲間接觸應(yīng)力的計算值為-431.87 MPa。這一數(shù)值在鋼絲繩所受各類應(yīng)力中相對較大，可以認為是多層股鋼絲繩內(nèi)部接觸磨損的重要誘因之一。計算鋼絲接觸應(yīng)力隨捻距的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)鋼絲接觸應(yīng)力隨鋼絲繩內(nèi)、外層股捻距的增大而遞減。因此，可以通過適當增大內(nèi)、外層股捻距改善多層股鋼絲繩內(nèi)部磨損情況，提高使用壽命。
1.3 鋼絲繩內(nèi)鋼絲間相對位移鋼絲繩中第j 股第i 絲層鋼絲的伸長量為
鋼絲繩中第j 股第i 絲層鋼絲的伸長量與其所受拉力的關(guān)系為
式中：△ Fij 為在拉伸過程中鋼絲拉力的變化量，△F ij =F ijmax -F ijmin；△Dij 為因第j 股第i 絲層鋼絲的拉伸變形引起與相鄰鋼絲之間的錯動位移量。
本文認為接觸磨損和接觸疲勞是由鋼絲繩拉伸變形引起的接觸應(yīng)力和鋼絲滑動位移量所導致的。因此，在第j 股同一層鋼絲的捻角和變形量均一致，鋼絲間的相對位移量近似為0；不同鋼絲層的鋼絲由于不同的捻角和變形量而導致不同的相對位移，可通過式（6）得到。
2 18×7+IWS 多層股鋼絲繩仿真分析2.1 鋼絲繩直線狀態(tài)幾何模型多層股鋼絲繩構(gòu)造呈現(xiàn)出復(fù)雜的空間螺旋結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。芯股中心鋼絲是一條直線，芯股外側(cè)鋼絲以一次空間螺旋線形式纏繞在中心鋼絲上；外側(cè)繩股（內(nèi)層股和外層股）中心鋼絲以一次空間螺旋線的形式圍繞芯股纏繞，外側(cè)繩股中的外側(cè)鋼絲以二次空間螺旋線形式纏繞在芯股上[7]。根據(jù)空間幾何學和Frenet 標架等數(shù)學知識推導出18×7+IWS 多層股鋼絲繩中任意一根鋼絲的空間螺旋線的表達式[8]，輸入Pro/E 軟件中即可通過數(shù)學函數(shù)建模功能直接建立實體模型。
（a）螺旋結(jié)構(gòu)簡圖
（b）鋼絲繩示意圖圖2 直線狀態(tài)鋼絲繩示意圖
2.2 有限元仿真結(jié)果及分析直線狀態(tài)下18×7+IWS 多層股鋼絲繩承受大小為的15 kN 軸向載荷時Abaqus 有限元仿真結(jié)果見圖3a。鋼絲等效應(yīng)力在不同繩股鋼絲接觸區(qū)域附近達到峰值，內(nèi)、外層股鋼絲接觸點處等效應(yīng)力值達到508.3 MPa，與理論計算值431.78 MPa 有一定的偏差。仿真變形云圖見圖3b，加載端變形量最大，遠離加載端時鋼絲變形量逐漸減小最終趨于穩(wěn)定。
（a）等效云圖
（b）變形云圖圖3 等效云圖和變形云圖
同一橫截面上鋼絲變形量之差稱為鋼絲間錯動位移量[9]，統(tǒng)計鋼絲繩芯股與內(nèi)層股、內(nèi)層股與外層股接觸區(qū)域選取加載端鋼絲及變形量變化圖如圖4 所示，不同層繩股接觸鋼絲間錯動位移由外而內(nèi)逐漸增加，且均遠大于同層繩股接觸鋼絲間錯動位移。
（a）芯股與內(nèi)層股兩接觸鋼絲伸長量
（b）內(nèi)層股兩相接觸側(cè)鋼絲伸長量
（c）內(nèi)層股股與外層股兩接觸鋼絲伸長量
（d）外層股兩相接觸側(cè)鋼絲伸長量圖4 相接觸鋼絲伸長量
3 鋼絲內(nèi)部磨損演化分析由前述可知，多層股鋼絲繩在直線狀態(tài)受到拉伸載荷時，鋼絲間會發(fā)生錯動位移，導致鋼絲的磨損，這種磨損在內(nèi)層股與外層股接觸鋼絲之間最為劇烈，嚴重時會導致斷絲使鋼絲繩失效。因此，研究鋼絲繩內(nèi)部磨損的演化過程，對了解由內(nèi)部磨損引起的鋼絲繩斷絲與疲勞失效具有重要意義[10]。
鋼絲內(nèi)部磨損過程中，因接觸鋼絲間的接觸應(yīng)力與鋼絲間錯動位移量的不同，磨損痕跡也不盡相同。鋼絲內(nèi)部磨損初期時鋼絲表面只有淺顯的摩擦痕跡，對鋼絲的受力與使用影響不大；當接觸鋼絲間接觸應(yīng)力較大而鋼絲相對錯動位移較小時，容易出現(xiàn)深度較深的馬鞍形磨損痕跡，隨著鋼絲內(nèi)部磨損的不斷加深，鋼絲的有效承載面積不斷減小，應(yīng)力集中情況愈發(fā)嚴重，直至發(fā)生鋼絲斷絲，這種情況常見于內(nèi)層股與外層股的接觸鋼絲之間，因為內(nèi)、外層股接觸鋼絲間接觸應(yīng)力最大且相對錯動位移量也較高。當接觸鋼絲間接觸應(yīng)力較小而鋼絲間相對錯動位移較大時，內(nèi)部鋼絲表面容易細長且深度較淺的磨損痕跡。
接觸鋼絲在不斷的磨損過程中，當內(nèi)、外層股接觸鋼絲的接觸角為φ 時，接觸處會產(chǎn)生馬鞍形的磨損，此時磨損量可用磨損體積近似值表示[11]，即
式中：h 為最大磨損深度；φ 為接觸處鋼絲夾角；r1 為接觸區(qū)域內(nèi)層股鋼絲半徑；r2 為接觸區(qū)域外層股鋼絲半徑。本文所選18×7+IWS 多層股鋼絲繩r1= r2= r，即表達式可改寫為
在多層股鋼絲繩磨損的模擬研究中，Archard 模型與實際情況更為契合，故將其用于鋼絲繩接觸磨損程度的計算[12]，即
式中：karc 為磨損系數(shù)；△S 為鋼絲錯動位移; F c 為接觸載荷。由上式可推導出有關(guān)磨損深度h 的演化公式
其中，磨損系數(shù)karc 為實驗參數(shù)。
4 DIC-MTS 拉伸試驗4.1 實驗設(shè)計疲勞磨損是導致鋼絲繩斷裂的主要因素之一，是鋼絲繩使用過程中大量存在的損傷形式，為研究多層股鋼絲繩的磨損規(guī)律，以18×7-26 mm 多層股鋼絲繩為試驗研究對象設(shè)計了該實驗。1）實驗原理 去除鋼絲繩中的污漬后將鋼絲繩表面噴上散斑，試驗開始后采集鋼絲繩在拉伸載荷作用下的一系列散斑圖像，通過Vic-3D 軟件對采集到的圖像進行分析得到鋼絲繩全場應(yīng)變分布。
2）試驗參數(shù) 試驗載荷為15 kN，實驗開始前先進行幾次預(yù)加載，消除殘余應(yīng)力；試驗臺每加、卸載一次作為一次試驗循環(huán)，模擬鋼絲繩工作中鋼絲繩的拉伸受力；試驗總共進行5 次加、卸載，即5 次試驗循環(huán)。
3）檢測方法 在試驗過程中，高速相機拍攝下每時刻鋼絲繩的整體狀態(tài)圖，然后用軟件分析鋼絲繩的應(yīng)變。試驗循環(huán)結(jié)束后清除鋼絲繩中的污漬，拍照記錄下鋼絲繩鋼絲外觀，拍攝時注意以鏡頭垂直磨損面，并用標尺輔助以便真實記錄磨損區(qū)域形狀及大小。試驗結(jié)束后，拆分繩股，用光學顯微鏡觀察磨損區(qū)域并記錄。
4.2 拉伸應(yīng)變試驗結(jié)果及分析樣本鋼絲繩長500 mm，鋼絲繩加、卸載循環(huán)受力圖如圖5 所示。試驗數(shù)據(jù)可知整繩拉伸伸長量為0.441 4 mm， 繩長500 mm， 上下夾具夾持深度各100 mm 且需手動調(diào)節(jié)，實際軟件視野內(nèi)380 mm，整繩應(yīng)變?yōu)?.161 5×10-3，圖6 為系統(tǒng)分析18×7+IWS 鋼絲繩整繩拉伸應(yīng)變變化圖。
圖6 中Average 表示系統(tǒng)整個分析區(qū)域內(nèi)鋼絲繩拉伸應(yīng)變變化，R 0 表示選中區(qū)域內(nèi)鋼絲繩拉伸應(yīng)變變化；系統(tǒng)分析得鋼絲繩整繩拉伸應(yīng)變?yōu)?.168 4×10-3；理論計算應(yīng)變?yōu)?.161 5×10-3，兩者誤差不超過4%，驗證了理論計算與試驗的準確性。
圖5 18×7+IWS 鋼絲繩加、卸載循環(huán)受力圖
圖6 18×7+IWS 鋼絲繩整繩拉伸應(yīng)變變化圖
圖7 為18×7+IWS 鋼絲繩兩繩股接觸區(qū)域應(yīng)變分析圖。圖7a 中從左到右取點依次為p 0、p 1、p 2，在圖7b 中，p 0、p 1 所在的兩根鋼絲相互接觸，應(yīng)變p 2> p 1> p 0，由于在兩繩股接觸區(qū)域存在接觸應(yīng)力外加兩鋼絲之間的錯動位移量，導致接觸區(qū)域鋼絲拉伸應(yīng)變要較小于同股其他區(qū)域內(nèi)鋼絲拉伸應(yīng)變。
（a）兩繩股接觸區(qū)域
（b）接觸區(qū)域應(yīng)變圖7 兩繩股接觸區(qū)域應(yīng)變分析
5 結(jié)論1）多層股鋼絲繩鋼絲接觸應(yīng)力隨鋼絲繩內(nèi)、外層股捻距的增大而遞減，適當改變繩股鋼絲在繩中的捻距，鋼絲的拉伸應(yīng)力、鋼絲間接觸應(yīng)力同樣改變。研究發(fā)現(xiàn)繩股中內(nèi)、外層股鋼絲接觸間的接觸應(yīng)力要遠大于繩股中鋼絲所受到的拉應(yīng)力，接觸應(yīng)力是對鋼絲繩影響較大的一個應(yīng)力，也是對鋼絲繩的內(nèi)部磨損有重要影響的因素之一。
2）多層股鋼絲繩不同層繩股接觸鋼絲間的相對錯動位移由外而內(nèi)逐漸增加，且均遠大于同層繩股接觸鋼絲間的相對錯動位移。對于多層股鋼絲繩來說，接觸鋼絲之間的相對錯動導致鋼絲之間的摩擦磨損，由于多層股鋼絲繩的外層股與內(nèi)層股接觸間鋼絲具有應(yīng)力水平最大的接觸應(yīng)力，且相對錯動位移較大，因此這部分區(qū)域比較容易產(chǎn)生斷絲，即多層股鋼絲繩在使用中其失效先從內(nèi)部磨損開始，繼而擴展斷裂。
參考文獻[1] 譚繼文. 鋼絲繩安全檢測原理與技術(shù)[M]. 北京：科學出版社，2009.[2] Czitary E.Seilschwebebahnen[M].Wien：Springer，1952.[3] Costello G A，Miller R E.Lay effect of wire rope [J].Journal of the Soil Mechanics and Foundation Engineering Division，ASCE，1979，105 (EMS)：597-608.[4] Costello G A，Sinha S K.Static behavior of wire rope [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundation Engineering Division，ASCE，1977103 (EMS)：1 011-1 022.[5] Pilkey W D.Formulas for stress, strain, and structural matrices[D].New Jersey：John Wiley & Sons，Inc.，2005.[6] Laura P A A，Rossit C A.Theory of Wire Rope : by George A.Costello，Second Edition pp.122，1997.Springer：New York，N.Y[J].Ocean Engineering，2001(3)：343，344.[7] 陳德斌. 多層股阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩受力特性與疲勞失效機理研究[D]. 武漢：武漢理工大學，2016.[8] 徐承軍，羅會超，盧茹利.18×7+IWS 多層股阻旋轉(zhuǎn)鋼絲繩彎曲特性研究[J]. 武漢理工大學學報，2017(2)：66-71.[9] Boresi A P，Schmidt R J，Sidebottom O.M.Advanced Me chanics of materials[M].New York：Wiley，1993.[10] 張德坤. 鋼絲的微動磨損及其損傷疲勞行為研究[M]. 徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2005.[11] Warburton J，Bradford R.The progressive wear of tubes： The volumes of the intersections of cylinders with each other and with flats[J].Wear，1986，113：331-352.[12] McColl I R，Ding J，Leen S B.Finite element simulation and experimental validation of fretting wear[J].Wear，2004，256：1 114-1 127.