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繩芯工藝對鋼絲繩彎曲疲勞性能影響

作者： admin 編輯： admin 來源：admin 發(fā)布日期：2022-02-02 11:45

信息摘要：

鋼絲繩在牽引設備、電梯和起重機行業(yè)[1]被廣泛使用。鋼絲繩的結構通常有點接觸和線接觸。鋼絲繩中鋼絲的接觸面形狀取決于鋼絲繩的結構，也受到鋼絲和股的捻角和捻向的影響。鋼

鋼絲繩在牽引設備、電梯和起重機行業(yè)[1]被廣泛使用。鋼絲繩的結構通常有點接觸和線接觸。鋼絲繩中鋼絲的接觸面形狀取決于鋼絲繩的結構，也受到鋼絲和股的捻角和捻向的影響。鋼絲優(yōu)先在橢圓形磨損面上發(fā)生斷裂[21。宏觀上看，鋼絲繩疲勞失效會因為受到往復彎曲應力而加速，包括鋼絲繩和滑輪之間的彎曲應力[3-4]。提高鋼絲繩疲勞壽命的方法有繩芯涂塑和壓實兩種，但涂塑和壓實工藝制備的鋼絲繩疲勞壽命還沒有精確估算方法，相關疲勞失效機理也多為理論模型分析[5]。筆者通過改變載荷，對3種不同工藝的鋼絲繩進行了彎曲疲勞試驗。試驗后測量鋼絲繩的殘余破斷拉力、拆股鋼絲力學性能，并統(tǒng)計了不同磨損斷口類型的占比，研究了壓實與涂塑工藝對鋼絲繩彎曲疲勞性能的影響。

1試驗過程

1.1試驗材料

試驗選取了某廠生產的3種公稱直徑8mm工程機械用鋼絲繩，結構規(guī)格見表1。3種鋼絲繩由相同的8根面股構成，每股由19根鋼絲組成。3種鋼絲繩的區(qū)別在于繩芯狀態(tài)不同，分別為7×7、

7xK7、7×7涂塑。制繩鋼絲原料選用沙鋼

SWRH82A。

表1鋼絲繩不同結構規(guī)格與繩芯狀態(tài)

Table 1 Different construction specification and core state of wire ropes種類結構繩芯狀態(tài)

A8xK19S-IWRC7×7

B8xK19S-IWRC7xK7

C8xK19S-EPIWRC7×7涂塑

1.2試驗設備與方法

試驗設備采用鋼絲繩彎曲疲勞試驗機。試驗機

電機驅動鋼絲繩在3個滑輪上發(fā)生循環(huán)往復彎曲，3個滑輪位于同一平面上，循環(huán)速度為3000次/h，并通過增添標準塊對鋼絲繩載荷進行調節(jié)，模擬8mm工程機械繩起吊工況。彎曲疲勞試驗機設備參數(shù)及

運行條件見表2。將繩樣在疲勞試驗機上進行4次疲勞試驗，加載載荷分別為客戶要求最小破斷拉力Famn的5%、

10%、15%和20%，疲勞循環(huán)次數(shù)均為70萬次。試驗結束后，取下鋼絲繩進行疲勞分析。截取疲勞繩樣中最嚴重的區(qū)域，根據(jù)需求分為M區(qū)和N區(qū)。M區(qū)用于清點表面斷絲數(shù)以及檢測鋼絲繩殘余破斷拉力；N區(qū)用于拆股檢測鋼絲的力學性能，并通過掃描電鏡SEM觀察鋼絲疲勞程度。

2試驗結果與討論

2.1載荷對不同繩芯鋼絲繩殘余破斷拉力影響不同載荷下，疲勞試驗后A、B、C3種繩樣表面的疲勞斷絲數(shù)及對應的鋼絲繩殘余破斷拉力見表3。

由表3可知，隨著載荷遞增，疲勞試驗后鋼絲繩表面斷絲數(shù)呈非線性遞增，殘余破斷拉力呈非線性遞減。疲勞后鋼絲繩表面斷絲越多，說明對應的鋼絲繩疲勞壽命越低。A樣品斷絲數(shù)增加與殘余破斷拉力降低最為明顯，B樣品與C樣品斷絲數(shù)與殘余破斷拉力降低較為緩慢。B樣品初始破斷拉力高于A樣品和C樣品。

為了能更直觀地研究載荷對不同鋼絲繩殘余破斷拉力的影響，引入鋼絲繩破斷拉力損失率n，n計算方法見式（1）。計算得到A、B、C3種繩樣的破斷拉力損失率與加載載荷的關系如圖1所示。

Fo-F.

n=10-2×100%。（1）

式（1）中，F(xiàn)o為鋼絲繩初始破斷拉力，F(xiàn)；為一定載荷下70萬次彎曲疲勞后鋼絲繩殘余破斷拉力。

由圖1可知，A、B、C鋼絲繩的破斷拉力損失率n隨著載荷的增加都呈非線性增長。低載荷下，斜率較低，高載荷下，斜率升高，這是由于高載荷彎曲疲勞產生的斷絲數(shù)更多，有效承載的金屬橫截面積降低導致的。A樣品破斷拉力損失最嚴重，最高達到39.5%。B、C樣品破斷拉力損失率相對較低，這表明壓實與涂塑工藝會增加鋼絲繩彎曲疲勞后殘余破斷拉力，提高鋼絲繩疲勞壽命。在B、C樣品中，高、低載荷下的破斷拉力損失率不同，高載荷下B樣品的破斷拉力損失率大于C樣品的，低載荷下B、C樣品破斷拉力損失率接近，這表示高、低載荷下鋼絲繩疲勞損傷程度是有區(qū)別的。

2.2拆股鋼絲力學性能分析A、B、C鋼絲繩出現(xiàn)疲勞斷絲主要集中在外層股1×19S以及繩芯股1×7的最外層鋼絲。對這2種最外層鋼絲進行力學性能分析，鋼絲繩面股絲及繩芯面股絲力學性能檢測結果如圖2所示。

A、B、C樣品鋼絲繩面股鋼絲不同載荷下70萬次疲勞試驗后的拉伸與扭轉情況分別如圖2a、圖2c所示，鋼絲規(guī)格為0.50mm，分別比較5%Famn與20%Fn載荷下70萬次疲勞試驗后的破斷拉力，A樣品面股鋼絲破斷拉力降低了45.1%，B、C樣品分別降低了36.6%，22.5%。A樣品面股鋼絲扭轉性能最低為4次，而B、C面股鋼絲扭轉性能較好。

A、B、C樣品鋼絲繩繩芯面股鋼絲的拉伸與扭轉情況分別如圖2b、2d所示，A、C樣品繩芯鋼絲規(guī)格為0.28mm，B樣品繩芯鋼絲規(guī)格為0.38mm。比較5%Fna與20%Fnn載荷下70萬次疲勞試驗后的破斷拉力，A、B、C繩芯鋼絲的破斷拉力分別降低了54.2%，

36.7%，26.9%。A繩芯鋼絲扭轉性能最低為3次，B、C繩芯鋼絲扭轉性能情況與面股絲情況相同。根據(jù)分析，鋼絲繩和繩芯面股鋼絲破斷拉力降低是鋼絲繩破斷拉力損失率增大的重要原因。比較B樣品和C樣品中鋼絲破斷拉力與扭轉性能，在20%F。載荷下，B樣品中2種鋼絲力學性能降低幅度明顯大于C樣品，這說明高載荷下，壓實股工藝鋼絲繩抵抗磨損、彎曲應變能力低于涂塑工藝鋼絲繩。

2.3不同載荷下鋼絲疲勞斷口分析

B樣品和C樣品在不同載荷下彎曲和磨損導致疲勞斷裂，斷口如圖3所示。圖3a是磨損疲勞斷口形貌，圖3b是彎曲疲勞斷口形貌。不同載荷下，B樣品和C樣品中鋼絲發(fā)生磨損疲勞斷口的個數(shù)占總斷口個數(shù)的百分比如圖4所示。

由圖4可以看出，當鋼絲繩處于低載荷狀態(tài)（5%Fain和10%Fain）時，B樣品中磨損疲勞斷口的數(shù)量少于彎曲疲勞斷口數(shù)量，且B樣品中磨損疲勞斷口更少。當載荷為15%Fm、20%F時，B樣品中磨損疲勞斷口的數(shù)量大于彎曲疲勞斷口數(shù)量，且B樣品中磨損疲勞斷口占比超過了C樣品。隨著載荷變高，兩種磨損疲勞斷口占比明顯提高，磨損會加速鋼絲發(fā)生疲勞斷裂。相對于涂塑繩芯，壓實繩芯（B樣品）在20%F。時出現(xiàn)了力學性能下降，同時磨損斷口占比超過60%，因此壓實繩芯在高載荷下疲勞性能低于涂塑繩芯。

從繩芯結構考慮，壓實繩芯內部繩芯股的接觸方式為面接觸，同載荷下獲得較小鋼絲接觸應力與摩擦力，使得磨損裂紋形核孕育期延長，載荷越低，延長效果越好。而在高載荷下，壓實繩芯不足以抵消高載荷帶來的鋼絲接觸應力與摩擦力的增加，因此對延長疲勞壽命的貢獻有限。而涂塑繩芯，鋼絲間同樣存在接觸應力與摩擦力，但緊密包裹的塑料可以限制鋼絲的位移，通過減少磨損區(qū)域面積，緩解微動磨損，使得多數(shù)鋼絲發(fā)生疲勞斷裂而非磨損斷裂，延長了鋼絲疲勞壽命。

3結語

涂塑與壓實繩芯工藝都可以提高鋼絲繩疲勞壽命。制繩鋼絲的破斷拉力與扭轉性能共同影響鋼絲繩彎曲壽命。低載荷下，壓實繩芯鋼絲繩在破斷拉力上更有優(yōu)勢，斷絲數(shù)與涂塑繩芯鋼絲繩接近。高載荷下，涂塑繩芯工藝通過限制股位移，減少微動磨損，保障了多數(shù)鋼絲的彎曲疲勞壽命，從而延長鋼絲繩使用壽命。壓實與涂塑結合的工藝路線是應對高載荷服役環(huán)境下的一種較好的方式。