（机械设计及理论专业论文）钢丝绳的疲劳行为特征与损伤机理研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 钢丝绳绕滑轮工作的疲劳损伤机理问题，关系到钢丝绳传动的安全性、可靠 性和经济性。由于国内外新品种、新规格钢丝绳和滑轮的不断出现，迫切要求 广大起重机设计、制造和使用者了解钢丝绳的疲劳行为特征、损伤规律和损伤 机理，以便用科学的知识和方法合理设计和选配钢丝绳与滑轮。 为此，本文采用新型电液伺服式全自动钢丝绳一滑轮综合疲劳试验装置，综 合应用扫描电子显微镜、显微硬度测试和图象处理等技术，对绕滑轮工作钢丝 绳的疲劳行为特征和损伤机理进行了系统深入的研究，主要包括疲劳性能试验 评价、滑轮材质对钢丝绳疲劳寿命影响、钢丝绳疲劳失效分析和钢丝绳显微组 织等的研究。 本文在大量钢丝绳疲劳试验研究的基础上，提出了钢丝绳疲劳断丝数扩展动 态曲线的概念。它是依据起重机械用钢丝绳检验和报废实用规范g b 5 9 7 2 8 6 ，以6 d 和3 0 d ( d 是钢丝绳的直径) 长度范围内的可见断丝数作为纵坐标， 钢丝绳绕滑轮工作的弯曲疲劳次数作为横坐标，描绘出钢丝绳可见断丝数的扩 展和分布情况。该曲线能够反映绕滑轮工作钢丝绳在弯曲和磨损综合疲劳作用 下，疲劳损伤的累积而导致钢丝断裂的动态发展过程。它不仅可用于研究钢丝 绳疲劳损伤的宏观规律，而且也可为钢丝绳的工程应用提供理论依据。 对于以疲劳磨损为主的绕滑轮工作钢丝绳的疲劳损伤，提出了基于图象处理 的钢丝绳外层丝磨损的非损伤测量法。它是一种既具有理论基础，又易于实际 操作的测量方法。通过试验，将预量的外层丝磨损与钢丝绳断裂强度的损失率 比较，两者基本吻合。说明这种方法能够较精确地反映钢丝绳外层丝磨损的程 度。 对绳槽硬度从h b l 7 0 h r c 6 0 的各种滑轮对钢丝绳疲劳损伤的影响进行了 研究。结果显示，试验钢丝绳的使用寿命曲线呈双峰形( 倒w 形) ，滑轮绳槽表 面硬度过低和过高，均对钢丝绳使用寿命不利。对绕软、硬滑轮工作钢丝绳的 疲劳性能进行了对比试验。引入了钢丝绳疲劳寿命对滑轮绳槽硬度的敏感指数 n ，将其定义为钢丝绳绕软滑轮组和绕硬滑轮组工作时疲劳寿命的比值。它对 研究滑轮绳槽硬度对钢丝绳疲劳寿命的影响非常有效，它还可以作为评价钢丝 武汉理工大学博士学位论文 绳是否与滑轮绳槽匹配的一个重要依据。 带尼龙绳槽衬垫滑轮工作初期时，其尼龙绳槽的磨损量比较大，但经磨合后， 磨损量大大下降，并趋于平稳。实验表明，使用带尼龙绳槽的滑轮，钢丝绳的 寿命比使用钢质滑轮至少提高1 倍以上，其机理为：尼龙绳槽能使钢丝绳的外 层丝磨损比绕钢质滑轮工作钢丝绳的小得多；断丝断口具有平滑的疲劳裂纹源 区、较宽且分布大量二次裂纹的疲劳裂纹扩展区及较窄的撕裂区。 为了探索起重机钢丝绳疲劳损伤特征和机理，本文还对岸边集装箱装卸桥上 因失效而报废的钢丝绳样绳进行了疲劳断丝的失效分析。结果表明：绳股疲劳 断丝断口的裂纹源位于钢丝表面层，且较光滑。疲劳裂纹扩展区较大，分布了 细小的二次裂纹。而瞬断区较小，呈现明显的撕裂棱形态。股芯疲劳断丝断口 裂纹源也位于钢丝的表面层，但裂纹源的产生是股芯中丝与丝之间的微动磨损 所致。这种微动磨损不仅在钢丝的侧面产生磨损面，而且在磨损面上形成了排 列规则、间距为3 衄1 左右的微观条纹。因此可以确定其微动位移为微米级。这 种微观条纹为研究其微动磨损机理提供了重要的基础。 由疲劳断裂钢丝的显微组织分析可知，钢丝绳疲劳裂纹扩展区出现二次裂纹 的主要的原因是：一方面，钢丝在断裂扩展过程中，承受了复杂的外应力和组 织内应力的叠加：另一方面，钢丝中纤维组织的织构导致材料出现各向异性。 从铜丝绳疲劳断丝断口的特征出发，提出了基于图象处理的二次裂纹断口定 量分析方法。它主要用于出现了数量较多、尺寸较大的二次裂纹的疲劳断口， 将疲劳断口上分布的二次裂纹面积率作为定量分析构件疲劳寿命的一个参数。 初步的试验结果表明，二次裂纹面积率与疲劳寿命之间有较好的相关性。 为了进一步提高钢丝绳的抗疲劳性能，本文还进行了用聚乙稀醇水溶液水浴 淬火索氏体化处理替代铅浴处理的实验室研究，找到了一种能使钢丝得到细而 均匀的索氏体组织和具有较高显微硬度值的热处理工艺。该工艺对提高钢丝机 械性能，降低钢丝热处理的铅污染均有实际应用价值。 关键词：钢丝绳；滑轮；疲劳行为：损伤机理；断口分析；显微组织 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i s m so ff a t i g u ef a i l u r eo f w i r er o p ew o r k i n gw i t hs h e a v ea r er e l a t e dt o s a f e t y , r e l i a b i l i t ya n de c o n o m yo fw i r er o p et r a n s n f i s s i o md e s i g n e r , m a n u f a c t u r e r a n du s e ro fa 锄ca r eu r g e n t l yd e m a n d e dt ou n d e r s t a n dc h a r a c t e r i s t i c so ff a t i g u e b e h a v i o r , l a wo ff a i l u r ea n dm e c h a n i s m so ff a i l u r eo fw i r er o p ed u et oc e a s e l e s s a p p c a r a n c co fn e wt y p ea n dn 咖s p e c i f i c a t i o n so f w i r er o p ea n ds h e a v e i no r d e rt o d c s i g na n dc h o o s et om a t c hw i r er o p et os h e a v ep r o p e r l yb ys c i e n t i f i cm e t h o d f o rt h i sr e a s o n , t e s ta s s e s s m e n to ff a t i g u ep r o p e r t yo f w i r er o p ew i n d i n gs h e a v e s ， i n f l u e n c eo fg r o o v em a t e r i a lo fs h e a v eo nf a t i g u el i f eo fw i r er o p e ，f a t i g u ef a i l u r e a n a l y s i so f w i r er o p ea n dm i o r o s t r u c t u r eo fw i r er o p eh a v eb e e ns t u d i e db yan e w t y p ee l e c 缸oh y d r a u l i cs e r v ea u t o m a t i cw i r er o p e - s h e a v es y n t h e t i ct e s t e r , s c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y , m i c r o - h a r d n e s sm e a s u r e m e n t ，i m a g i n ep r o c e s s i n ga n d8 0o i l b a s e do nm a s s i v ef a t i g u et e s t s ，d y 衄n i cc q l r v eo f d e v e l o p m e n to f f a t i g u eb r o k e n w i r eo f w i r er o p ei sp r o p o s e d i tt a k e sn a n a b c ro f b r o k e nw i r ei n s i d e6 da n d3 0 d ( di s r o p ed i a m e t e r ) a sx - a x i s ，a n dt a k e sc y c l eo f b e n d i n gf a t i g u eo f r o p ea sy - a x i s ，w h i c h r e v e a l sd e v e l o p m e n ta n dd i s t r i b u t i o no fb r o k e nw i r ew i t hi n c r e a s i n go fc y c l eo f b e n d i n gf a t i g u e t h ea 咖r y es h o w sd y n a m i cp r o c e d u r eo fd e v e l o p m e n to f b r o k e nw i r e i n d u c e db ya c c u m u l a t i o no f f a t i g u ef a i l u r e ，w h i c hi sc o n t r i b u t e db o t hb yw e a r i n ga n d b e n d i n g f a t i g u eo f w i r er o p e i tc a n b e n o t o n l y u s e d t os t u d y m a c r o l a wo f f a t i g u eo f w i r er o p e b u ta l s o 幻p r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i s 幻e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fw i r e r o p e - f o rw e a ro fo u t s i d ew i r e sa s p r e d o m i n a t e df o r mo fr o p ef a t i g u e ，a n o n - d e s t r u c t i v em e t h o do fm e a s u r e m e n to fw e a ro fo u t s i d ew i r e si sp u tf o r w a r do nt h e b a s eo f 嘲n e p r o c e s s i n g i tp o s s e s s e st h e o r e t i c a lb a s i s ，a n di ti se a s yt o 哪啾i n p r a c t i c e w e a ro f o u t s i d ew i r e sc o i n c i d e sb a s i c a l l yw i t hl o s so f r o p eb r e a k i n gs t r e n g t h b ye x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n lt h u st h em e t h o di sl a t h e ra c c u r a t ef o rw e a l o f o u t s i d e w i r e s i n f l u e n c eo fg r o o v eh a r d n e s so fs t e e ls h e a v e0 1 1f a t i g u el i f eo fw i r er o p ef r o m h b l 7 0t oh r c 6 0i si n v e s t i g a t e d t h et e s tr e s u l tp r e s e n t sao t l l v eo ff a t i g u el i f ew i t h 武汉理工大学博士学位论文 t w op e a k s ( 1 i k ea l li n v e r t e d ，t h u st o oh a r da n dt o os o f to fg r o o v eb o t ha r e d e t r i m e n t a lt of a t i g u el i f eo fw i r er o p e i n f l u e n c eo fs o f ta n dh a r dg r o o v eo fs t e e l s h e a v eo i lf a t i g u el i f eo f w i r er o p ei ss t u d i e db yc o n t r a s tt e s t s e n s i t i v ei n d e x o f i n f l u e n c eo fg r o o v eh a r d n e s so fs h e a v e s0 1 1 f a t i g u ef i f eo faw i r er o p ei sp r o p o s e d ， w h i e hi sar a t i oo f f a t i g u el i f eo f w i r er o p ew i n d i n gs o f ts h e a v eg r o u pt oo n e ：o f h a r d s h e a v eg r o u p i ti se f f e c t i v et o s t u d yi n t u e n c eo fg r o o v eh a r d n e s so fs l a e a 、j eo n f a t i g u el i f eo fw i r er o p e a n di ti sa l li m p o r t a n tb a s i sf o re v a l u a t i n gam a t c h i n go fa w i r er o p ea n ds h e a v e s v a l u eo fai sr e l a t e dt os t r e n g t hg r a d eo fw i r er o p ew h e nt h e o t h e rc o n d i t i o ni ss a m eb yt e s t t h eh i g h e rt h es t r e n g t hg r a d ei s ，t h es m a l l e rt h ev a l u e o f c t i s a m o u n to f w e a ro f t h eg r o o v eo f t h e s h e a v ew i t l lp o l y m i d eg r o o v ei sm u c hm o l e t h a no n eo f t h es t e e lg r o o v e si nt h eb e g i n n i n go f w o r k i n g , a n dt h e nt h er a t eo f w e a ro f t h ep o l y a m i d eg r o o v eg o e sd o w nr a p i d l ya n dt e n d st os t a b l eg r a d u a u yd u et ot h e r u n n i n g - i n t h ef i f eo f w i r er o p ew o r k i n ga r o u n dt h es h e a v e s w i t hn y l o ng l o o v ci sa t l e a s tt w i c eo f w o r k i n ga r o u n dt h es t e e ls h e a v e sb yt e s t t h em e c h a n i s m sa r e ：w e a l o f t h e i ro u t e rw i r e si sl e s sc o n s i d e r a b l yc o m p a r e dw i t hw i n d i n gs t e e ls h e a v e s a n dt h e i r f l a c t u r es u r f a c e sh a v ef e a t u r eo fas m o o t hc r a c ki n i t i a t i o n7 , 0 1 1 c aw i d ec r a c k p r o p a g a t i o nz o n e w i t hm a n ys e c o n dc r a c k s ，a n dan a r r o wt e a r i n g7 _ , 0 1 1 e i no r d e rt os t u d yc h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s m so ff a t i g u eo fa 龇w i r er o p e f a i l u r ea n a l y s i so f w i r er o p e si nb a n kc o n t a i n e rh a n d l i n gb r i d g ei ss t u d i e d t h er e s u l t s h o w s ：t h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o no fr o p es t r a l l di sl o c a t e di ns u r f a c el a y e ro ft h e b r o k e nw i r e 、i l hs m o o t hf r a c t u r e 吼l r f a c e i t sc r a c kp r o p a g a t i o nz o n ei s1 i d ca n d t h e r ea r cs m a l ls e c o l a dc r a c k si nt h er e g i o l l i t st e a r i n g7 - 0 1 3 ei si i a l t o wa n dt h e r ea ” c o n s i d e r a b l et e a r i n gr i d g e si nt h er e g i o n w h i l et h ef a t i g u ec r a c ki n i t i a t i o no fr o p e c o r ei sa l s ol o c a t e di ns u r f a c el a y e ro ft h eb r o k e nw i r ew i t hs m o o t hf r a c t u r es u r f a c e b u tt h ec r a c ki n i t i a t i o ni si n d u c e db y f r e t t i n gb e t w e e n c ：o i ew i r e s n o to n l yh a saw e a r p l a n ep r e s e n t e di nt h es i d eo f c o r ew i r ed u et of r e t t i n gw e a r b u ta l s ot h e r ea r er e g u l a r m i c r os t r i a t i o n sw i t ha p p r o x i m a t e l y3 9 mi n t e r v a li nt h ep l a n e s od i s p l a c e m e n to f t h e f r e t t i n gi sd e t e r m i n e dt ob em i c r o no r d e r t h e s em i c r os l r i a t i o n sp r o v i d ei m p o r t a n t b a s i so i lr e s e a r c ho f m e c h a n i s m so f f r e t t i n gw e a r b ya n a l y s i so fm i c r o s t r u e t u r eo ff a t i g u ew i r e s ，p r i m a r yr e a s o nf o rs e c o n d a r y c r a c k si nc r a c kp r o p a g a t i o nz o n eo f f i - a e t u r e 州u - f a c ei s ：0 1 3 o n eh a n d , t h ef a t i g u ew i r e s a l eb e a r i n gs u p e r i m p o s e ds t r e s so fc o m p l e xe x t e r n a ls l l - e s sa n dm i e r o s t r u c t u r e 武汉理工大学博士学位论文 i n t e r n a ls 扛e s s d u r i n gc r a c kp r o p a g a t i o n o nt h eo t h e rb a n & t e x t u r ei nf i b e r m i c r o s t r u c t u r eo f w i r e sl e a d st oi t sa n i s o t r o p i cp r o p e r t y a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i co ff a t i g u ef l a g t u r es u r f a c eo f w i r e so f r o p e ，am e t h o d o fs e c o n d a r yc r a c kq u a n t i t a t i v ef l a c t u r es u r f a c ea n a l y s i si sp r o p o s e do nt h eb a s eo f i m a g i n ep r o c e s s i n g i ti sm a i n l ya p p l i e dt ot h o s ec a s e st h e r ea r em a n yl a r g es e c o n d a r y c r a c k si nf r a c t u r eb - u r f a g e s e c o n d a r yc r a c ka r e ar a t i oi sr e g a r d e da sap a r a m e t e ro f q u a n t i t a t i v ea n a l y s i si ne v a l u a t i n gf a t i g u el i f eo fc o m p o n e n t t h ep r e l i m i n a r yr e s u l t s h o w st h a tt h e r ei sc o r r e l a t i o nb e t w e e ns e c o n d a r yc r a c ka r e ar a t i oa n df a t i g u el i f eo f c o m p o n e n t i no r d e rt oi m p r o v ea n t i - f a t i g u ep r o p e r t yo f w i r er o p e ，p o v a ls o l u t i o ns o r b i t i z e d u e a t m e n tb yw a t e rq u e n c h i n gr e p l a c i n gb yl e a dq u e n c h i n gh a sb e e ns t u d i e di n l a b o r a t o r y , a n da h e a tt r e a t m e n tp r o c e s st oo b t a i nf i n ea n dh o m o g e n e o u ss o r b i t ea n d p o s s e s sh i g hm i c r o - h a r d n e s sh a sb e e nf o u n d t h ep r o c e s sh a sp r a c t i c ev a l u et o i m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dr e d u c el e a dp o l l u t i o no f h e a tt r e a t m e n t k e yw o r d s ：s t e e lw i r er o p e ；s h e a v e ； f l - a c t u r es u r f a c ea n a l y s i s ；m i c r o s t r u c t u r e v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 2 ，口6 ，；j 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存论文。 签名：乏辇二! 一导师签名： 日期：丝堑：! ：! 武汉理工大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 钢丝绳传动及其关键技术【l 】 钢丝绳传动是各类起重机械不可缺少且关系到设备生产效率、安全性和可 靠性的重要传动方式。随着我国加入w 1 0 及全球经济一体化的发展，港口起重 机( 尤其是集装箱起重机) 日趋大型化、高速化。与此相应，钢丝绳传动的传 统设计方法和产品性能结构的某些不足日益显现。 从现代起重机的使用特点和实际需要出发，如何提高钢丝绳使用寿命是实 现钢丝绳传动高性能的关键技术之一。 1 2 钢丝绳及其工作特点2 。9 】 在结构上钢丝绳为挠性构件，而在受拉时会发生刚化。钢丝绳的优点有：1 ) 较安全，不会突然断裂；2 ) 传动噪声小，吸震性好；3 ) 换向性好等。因此钢 丝绳主要用在下面三个方面：1 ) 作为动绳，起卷绕和交旋转运动为直线运动； 2 ) 作为静绳，起张拉、支撑、紧固和捆绑作用；3 ) 其吸收能量，具有缓冲和 抗震的作用。 钢丝绳的工作特点与承载有关，所承受的载荷均为疲劳载荷。国内外对钢 丝绳的疲劳行为进行了大量的研究。起重机钢丝绳工作时须绕过滑轮，必定发 生弯曲疲劳和磨损，因此存在一定的使用寿命。国家标准制定了相应的起重机 械用钢丝绳检验和报废使用规范。t 9 1 3 钢丝绳的研究现状1 锚8 】 1 3 i 钢丝绳的数学模型 1 7 - 3 3 】 钢丝绳的结构导致其受力状态很复杂，即使在固定张拉的情况下，都要承受 拉应力、丝与丝之间的接触应力、弯曲应力和扭转应力，而作为动绳在绕经滑 轮工作时，还要承受绕过滑轮的弯曲应力和钢丝绳与滑轮之间的接触应力。因 武汉理工大学博士学位论文 此不可能从理论上去精确地预测钢丝绳的疲劳强度，但钢丝绳的理论计算仍然 可在工程中得到应用。例如对钢丝绳动力学的计算可以应用于钢丝绳牵引系统 的紧急制动参数和加( 减) 速度极限的设置。 在c o s t e l l o 的书7 】中对钢丝绳的数学模型理论进行了详细阐明，包括钢丝 绳的结构、单根钢丝的运动学、绳股的静态特性、整绳的受力分析和钢丝绳的 摩擦特性等内容。v d i n s k - y 等【l 田对复杂横截面钢丝绳的静态特性进行了计算， 其中对非线性的平衡方程采用线性化处理，并被证明在大多数情况下是有效的。 v e l i n s k ，哪更进一步提出了解决复杂钢丝绳模型的非线性理论，并将其应用于单 根丝绳芯( i w r c ) 、纤维绳芯( f c ) 和绳股绳芯( w s c ) 三种绳芯的钢丝绳中。 k l 蛐肚等【2 0 】在c o s t e l l o 工作的基础上提出了另外一个线性模型来分析多层股在 拉伸和扭转载荷作用下的弹性变形特性。在其文章【”j 中，还用这种方法分析了 一个纤维芯钢丝绳的实例。在丝与丝的摩擦特性方面也有许多人提出了理论模 型，如l 成i a i r f 捌和n o 础、，【2 3 1 等。 随着计算钢丝绳及其绳股的力学特性的理论和模型的发展，对于钢丝绳这种 受力复杂的系统，非常有必要用有限元方法分析其所承受的拉伸、剪切、弯曲、 扭转、接触和摩擦等应力，其结果对钢丝绳的失效机理分析起重要的作用。j i a n g 掣卅和n a w r o c k i 等f 瑚都对钢丝绳股的有限元模型进行了分析计算，其结果与 c o s t e l l o 17 】的理论分析和一些实验结果相吻合。 1 3 2 钢丝绳的疲劳行为排5 6 】 钢丝绳的疲劳行为是用户关心的主要问题，因而国内外学者进行了大量的 研究。下面把近期的有关钢丝绳疲劳行为的一些研究工作进行综述，更早期的 可参看综述性文献【l “6 1 。 a t i a n x a 在连续发表的几篇文献【3 4 - 3 6 】中，对钢丝绳的疲劳强度的计算进行了 研究，其从钢丝绳的几何特征入手，依据钢丝绳的工作条件，依次计算了它所 承受的交变拉应力、弯曲应力和接触应力，从理论上对钢丝绳的疲劳强度给出 了定量的讨论。b e r c t t a 等【3 7 】提出了一种预测钢丝疲劳强度的方法，并将其应用 于两种不同表面处理的共析钢钢丝。岳文选【3 w 则应用系列实验资料与相关基础 理论建立了较为完善的钢丝绳疲劳强度数一力计算模型，并据此导出了制定有关 规程( 或标准) 应依据的基本公式。新计算公式较全面地概括了影响钢丝绳疲 劳强度的主要因素，即钢丝绳质量、负载特征、设备条件、环境约束、报废标 2 武汉理工大学博士学位论文 准等。 疲劳行为的实验研究与试验方法关系密切，因此有很多文献重点研究钢丝 绳疲劳实验方法。f eb r a n c a 等【3 9 - , 0 1 和n ec a s e y l 4 ”都对当前使用的各种钢丝 绳疲劳试验机进行了分析，指出了它们的局限性，提出了克服已有缺陷的设计 原理，设计出符合指定要求的原型机和相关设备，并且报告了一批结构和直径 相同、但经不同表面处理的钢丝绳的测试结果。朱永刚等【4 3 】介绍了在w p 1 型 疲劳试验机上对不同材质、不同结构、规格、强度和韧性的钢丝绳进行疲劳试 验的情况，在试验数据基础上，验证了影响钢丝绳疲劳寿命的已知规律，考察 了w p 1 型疲劳试验机的性能。黄江水州研究了钢丝绳疲劳试验与疲劳性能的 关系，认为为了真实反映钢丝绳质量，应尽快制定出检验标准并生产定型疲劳 试验机。s u b 等 4 0 3 对于斜拉桥拉索等钢丝绳的轴向疲劳行为，提出了用拉丁方 格设计法( l a t i ns q u a r ed e s i g nm e t h o d ) 进行试验，具有很大的优越性。 p a t o n 等f 4 7 】对钢丝绳拉拉疲劳过程中刚度与绳的疲劳强度之间的关系进行 了深入的研究，认为这对于制定钢丝绳报废标准很有好处。文宏光等 4 9 1 采用s - n 曲线族及其曲线方程、g o o d m a n - s m i t h 图和疲劳计算经验公式研究了钢丝绳的拉 伸疲劳性能和疲劳破坏规律，并从宏观和微观两方面对钢丝绳的疲劳破坏机理 进行了初步探讨。c a s e ) , 等【硼对大直径钢丝绳( 4 0 、7 0 、1 2 7 m m ) 的疲劳性能 进行了研究，重点研究了试验期间稳定性和长度变化的情况，认为疲劳试验期 间钢丝绳稳定性的测定也可能是一种评价钢丝绳疲劳性能的方法。试验结果表 明外层绳股钢丝的破断比较晚，因此对破断钢丝所进行的目检，就无法准确反 映整根钢丝绳的断丝情况。d h 锄e 等【5 ”从显微结构、力学性能等材料内部因 素和表面脱碳、裂纹等表面因素两个方面研究了影响钢丝疲劳性能的各种因素。 s c h r e m s 5 2 3 研究了与磨损有关的钢丝绳的疲劳行为，认为接触应力对加速 这类疲劳起到很重要的作用。张德坤等【5 3 】和周仲荣等【划都对钢丝绳中钢丝间微 动磨损对其疲劳性能的影响进行了研究。m e c o u 等芦曰分析了高强度共析钢钢 丝绳钢丝在润滑状态下的微动磨损过程。 1 3 3 钢丝绳的失效机理【5 8 - 9 3 对钢丝绳失效机理的探索，不仅对钢丝绳的研制开发及规范使用有很重大 的意义。而且在实际使用时，判断钢丝绳是否报废，最重要的并不是确定其是 否已经变得不安全了，而是在下次检测之前，它会不会变得不安全。这种要求 对钢丝绳断丝数扩展的预测使研究钢丝绳的失效机理显得尤为重要。 武汉理工大学博士学位论文 1 3 3 1 钢丝绳的损伤规律 5 s - 7 6 1 t o r k a r 等【5 8 1 对起重机钢丝绳的失效进行了分析，发现钢丝的断口显示出疲 劳断裂特征，表面可观察到由脱碳导致的疲劳裂纹源。王春晖等【5 9 】运用疲劳试 验结合声发射技术和显微分析手段，对小直径钢丝绳的拉拉疲劳裂纹特征进行 分析，绘制了钢丝绳的s - n 曲线，测定了钢丝绳的断丝根数和位置，试图对钢 丝绳进行失效预报。 对钢丝绳的不同应用情况，c h a p l i n 删详细讨论了磨损在钢丝绳检测和报废 更换标准中的作用。他主要对以下三种应用场合下的钢丝绳损伤机理进行了深 入的分析：1 ) 矿山提升用钢丝绳；2 ) 锚用钢丝绳；3 ) 起重机用钢丝绳。其结 果是：工作条件不同，钢丝绳的损伤机理也不同。因此，在实际应用中采用通 则对钢丝绳进行维护、检测和报废更换是不科学的，只有先弄清了各种工况下 钢丝绳的损伤机理，才能确定采用何种策略对钢丝绳进行维护、检测和报废更 换。 钢丝绳的疲劳断丝与其材料特性( 如显微组织和热处理工艺等) 有着直接 的关系。张德英等【6 1 】对失效后钢丝绳的宏观检验和金相分析的结论为：钢丝绳 在使用中由于剧烈摩擦，表面产生一脆性马氏体薄层，是断丝的根本原因。范 旭琪等f 蚓探讨了热处理工艺与钢丝绳疲劳性能之间的关系，用正交试验法确定 最佳热处理工艺并用扫描电镜进行组织观察，结果最佳工艺得到的组织为晶粒 度达1 5 级的细小均匀的索氏体，只有这种强度、塑性和韧性配合合理的组织， 才能获得理想的疲劳性能。韩晋民等嘲研究了钢丝的力学性能与化学成分及金 相组织的关系，发现在钢丝化学成分含量相差不大的情况下，其延伸率及极限 应力与化学成分相差不大，而与金相组织密切相关。 1 3 3 2 影响钢丝绳使用寿命的因素及寿命的计算 8 0 - 9 3 】 由于钢丝绳的使用范围很广，使用条件多种多样，影响其使用寿命的原因 也有很多：1 ) 绳、丝直径比d 6 的影响：2 ) 绳槽形状和衬垫物的影响；3 ) 钢 丝绳张力的影响；4 ) 钢丝的张力及不均匀性的影响；5 ) 捻法的影响；6 ) 预拉 伸的影响：7 ) 接触角( 包角) 的影响；8 ) 环境腐蚀的影响：9 ) 绳芯的影响； 1 0 ) 涂油的影响等。 h a n s e l 等【8 0 】认为钢丝绳承受载荷及绳中钢丝的位置的多样性，使单根丝的 应力状态呈现三向交变应力状态，因此其分析了钢丝绳所承受的各种应力对其 使用寿命的影响。陶德馨等【b l 】研究了钢丝绳接触应力状态对弯曲疲劳寿命的影 4 武汉理工大学博士学位论文 响，指出在同等弯曲条件下，钢丝绳表层钢丝的内、外接触状态对弯曲疲劳断 丝的发生、发展有着重要影响，并由此提出了延长钢丝绳使用寿命的若干技术 途径。 唐晓东编译的文献f 8 刁对各种钢丝绳寿命的计算方法进行了分析，文中强调 了钢丝绳疲劳发展阶段与普通金属疲劳的发展阶段的不同，认为每一个计算公 式都有其局限性。王以元【8 3 】分析出提升钢丝绳的失效机理主要是钢丝绳中的微 动磨损，并由此建立了钢丝绳的寿命预测方法。 1 4 绕滑轮工作钢丝绳疲劳损伤机理研究中目前存在的问题 综合以上文献及绕滑轮工作钢丝绳的生产和应用要求，在绕滑轮工作钢丝 绳疲劳损伤机理研究方面目前需解决的问题如下： 一) 更接近于各种工作条件下的钢丝绳绳股的有限元模型有待开发，它可以 对钢丝绳失效的机理进行实际指导。 二) 钢丝绳损伤的宏观规律需深入研究，它对钢丝绳的结构选型和滑轮匹 配、检测方法和报废标准的制定有重要的意义。 1 ) 与软、硬钢质滑轮、尼龙滑轮匹配下，钢丝绳的疲劳损伤规律的比较。 2 ) 多层股钢丝绳内、外层钢丝的疲劳损伤规律的比较。 3 ) 润滑条件对钢丝绳疲劳损伤规律的影响。 4 ) 强力张力处理对延长钢丝绳使用寿命的机理。 5 ) 国产钢丝绳与进口钢丝绳的耐用性比较。 三) 钢丝绳损伤的微观规律需深入研究，它对开发新型高性能钢丝绳传动 件和预测其使用寿命有重要的意义。 1 ) 添加微量合金元素和选择最佳的热处理工艺，改善显微组织，提高钢丝 绳的疲劳寿命。在应用中，疲劳断丝表面白亮层的形成机理及其对断丝过程的 影响存在争论，值得研究。 2 ) 钢质和尼龙滑轮对钢丝绳疲劳损伤微观机制的比较。 3 ) 多层股钢丝绳内、外层钢丝断口和组织分析的比较。 4 ) 润滑条件对钢丝绳磨损作用的微观机制。 四) 塑料材料( 如特种尼龙等) 制造的滑轮或绳槽对钢丝绳传动件性能的 影响。 武汉理工大学博士学位论文 1 ) 以塑料为绳槽时，绳轮摩擦副的磨损机理。 2 ) 采用塑料做绳槽，多层股钢丝绳外层丝磨损的减少，会加剧内层比外层 提前断丝的程度，这种断丝很大程度上取决于丝与丝之间的微动磨损。因此， 这种由微动磨损导致的断丝损伤机理需深入研究。 1 5 本课题的研究目的和主要研究内容 经过国内外研究者的不懈努力，目前在钢丝绳的数学模型、钢丝绳疲劳行 为、钢丝绳失效机理的宏观、微观损伤规律、滑轮耐磨性研究及滑轮材料对钢 丝绳使用寿命的影响等方面都取得了较大的成绩，有很多成果不仅具有理论指 导意义，而且已经直接应用于生产实践中，例如c a s e y 等人 5 0 l 对大直径钢丝绳 ( 4 0 、7 0 、1 2 7 r a m ) 的疲劳性能进行了研究，发现疲劳试验期间钢丝绳稳定性 的测定可以评价钢丝绳疲劳性能。这种方法解决了实际工作中目检无法对大直 径钢丝绳内部大量断丝进行检验的难题。 但由于钢丝绳传动件本身的复杂性和新材料新工艺的应用，使钢丝绳传动 件在损伤机理方面仍有许多亟待解决的问题，仅拿滑轮来说，就经历了铸铁滑 轮铸钢滑轮焊接滑轮一轧制滑轮一尼龙滑轮双幅板压制滑轮，选用新型 滑轮后，与之配合的钢丝绳的疲劳损伤机理需深入研究 另一方面，尽管钢丝绳疲劳损伤机理研究取得一定进展，但仍有许多重要 闯题没有解决。如断丝磨损侧表面白亮层的形成机理及其对断丝过程的影响就 存在争论，需深入研究。 在定量性研究方面，对钢丝绳断丝无损检测进行研究的文献非常多。而对 于绕滑轮工作钢丝绳的疲劳损伤影响因素进行定量研究，以及对钢丝绳外层丝 磨损进行测量研究的文献都很少。但它们对定量评价钢丝绳的疲劳损伤程度具 有重要的意义。 本课题的研究，是运用自行研制的钢丝绳一滑轮综合试验装置，对不同结 构的钢丝绳的疲劳损伤机理，以及不同的滑轮材料与不同结构的钢丝绳配合工 作下的疲劳性能等问题进行全面、系统的研究，为我国起重机在钢丝绳传动方 面的技术进步提供依据。在实际工程中，判断钢丝绳是否报废，最重要的并不 是确定其是否已经变得不安全了，而是在下次检测之前，它会不会变得不安全。 这就要求对钢丝绳疲劳断丝发展进行准确预测。钢丝绳疲劳损伤机理的研究可 6 武汉理工大学博士学位论文 为钢丝绳疲劳断丝发展的预测和钢丝绳的断丝检测提供理论基础。 绕滑轮工作钢丝绳的疲劳损伤主要由弯曲疲劳和磨损疲劳综合贡献，对其 机理的研究，尤其是以上两者对钢丝绳疲劳寿命的定量性研究，对实际工程中 钢丝绳与滑轮的匹配选择和钢丝绳使用时的报废判断等，都具有重要的理论和 实际指导意义。 通过对绕滑轮工作钢丝绳的疲劳试验、失效钢丝绳断丝断口特征、金相组 织特征等的研究，分析出钢丝绳损伤的宏观规律和微观机理。并对绕滑轮工作 铜丝绳损伤的影响因素进行定量评价，找出对实际工程具有直接指导的定量性 参数。 主要研究内容： 钢丝绳一滑轮疲劳综合试验：选择结构型式不同的钢丝绳，模拟港口起重 机钢丝绳工作，进行疲劳性能试验。选用软、硬钢质滑轮、尼龙滑轮进行对比， 研究滑轮材质对钢丝绳使用寿命的影响。由此分析出钢丝绳疲劳损伤的宏观规 律。 断丝断口、显微组织和硬度研究：对疲劳试验后的钢丝绳和实际港口起重 机上失效的钢丝绳取样，进行断口分析、金相组织观察和显微硬度测试，结合 宏观损伤规律，分析出钢丝绳损伤的微观机理。 对绕滑轮工作钢丝绳的疲劳损伤进行定量性研究：通过试验，找出能够定 量描述绕滑轮工作钢丝绳疲劳损伤影响因素的参数。对钢丝绳外层丝的磨损进 行无损测量。 7 武汉理工大学博士学位论文 第2 章绕滑轮工作钢丝绳疲劳性能的评价方法 对钢丝绳疲劳损伤机理研究，除了以实际工作钢丝绳的失效作为对象进行 研究以外，还需要设计钢丝绳的疲劳试验，对其疲劳性能进行评价，本章主要 研究了绕滑轮工作钢丝绳疲劳损伤的宏观规律及其试验评价方法问题。 2 1钢丝绳疲劳性能现有的试验评价方法 钢丝绳