鋼絲的微動損傷行為及其微動疲勞壽命預(yù)測研究.pdf

1、礦井提升過程中，提升鋼絲繩內(nèi)部股與股、絲與絲之間存在微動磨損和微動疲勞，將加速鋼絲繩的疲勞斷絲，導(dǎo)致鋼絲繩承載能力的降低，影響了鋼絲繩的使用可靠性以及煤礦的安全生產(chǎn)。因此，研究鋼絲的微動損傷行為和微動疲勞壽命預(yù)測對延長鋼絲繩服役壽命和提高鋼絲繩的使用可靠性具有重要的意義。
　　本文以6×19+IWS鋼絲繩為研究對象，通過靜力學(xué)分析考察了礦井提升機上提容器始、末鋼絲繩的承載狀況及其受終端質(zhì)量的影響?；谏咸崛萜鬟^程中鋼絲繩張力的動力

2、學(xué)模型建立了Simulink仿真模型，分析了最大提升速度、提升加（減）速度和終端質(zhì)量對鋼絲繩所受峰值張力和張力幅值的影響。仿真結(jié)果表明，在上提容器始、末階段，過渡段鋼絲繩張力的總范圍分別為2102.1N～18762.1N和191.1N～16851.1N。在上提容器過程中，最大峰值張力、最大張力幅值、最小峰值張力和最小張力幅值的總變化范圍分別為9793.3N～19896.9N、176N～4817.6N、1240N～19821.3N和39.

3、5N～2366N。
　　依據(jù)鋼絲繩靜力學(xué)理論和接觸力學(xué)知識，建立鋼絲繩所受張力和張力幅值與鋼絲微動疲勞參數(shù)間的數(shù)學(xué)關(guān)系模型并建立Simulink仿真模型，探討了上提容器整個過程礦井提升參數(shù)對微動疲勞參數(shù)的影響。結(jié)果表明，在整個上提容器過程中，各微動疲勞參數(shù)的總范圍幾乎均隨著礦井提升參數(shù)的增大而呈擴大或上升擴大的趨勢，整個上提容器過程中繩內(nèi)鋼絲的拉力范圍是1.5N～175.6N，相對位移范圍是0.2μm～99.6μm，接觸載荷的范圍

4、是0.2N～452.1N。
　　應(yīng)用有限元法分析了6×19+IWS鋼絲繩的應(yīng)力和變形狀況，運用精確的邊界條件和子模型技術(shù)對受拉三層直股進行細致分析，探討了摩擦系數(shù)和材料模型對應(yīng)力分布和徑向變形的影響。結(jié)果表明，鋼絲表面的應(yīng)力和變形均呈空間二次曲線狀分布，鋼絲繩軸向中間位置的截面上各應(yīng)力均呈對稱分布，直股和螺旋股中鋼絲截面上的應(yīng)力均分別沿徑向向外降低，相鄰螺旋股接觸鋼絲的變形差值最大。三層直股中，摩擦系數(shù)、材料模型和股軸向應(yīng)變的變化

5、均導(dǎo)致各絲的應(yīng)力水平、相鄰絲層鋼絲接觸區(qū)的應(yīng)力突變和徑向變形的不同。
　　運用三維赫茲接觸理論分析了交叉角度和接觸載荷對交叉接觸鋼絲的接觸尺寸和最大接觸應(yīng)力的影響，建立了微動磨損過程中以不同角度交叉接觸鋼絲的磨損深度的演化模型以及磨損深度與微動參數(shù)間的關(guān)聯(lián)模型。結(jié)果表明，不同的接觸載荷和交叉角度會導(dǎo)致接觸尺寸和最大接觸應(yīng)力的差異。比較鋼絲交叉角度分別為90°和18°時不同微動參數(shù)下鋼絲試樣的微動磨損深度實驗值和演化模型預(yù)測，發(fā)現(xiàn)兩

6、者吻合較好。
　　運用自制鋼絲微動疲勞試驗機開展了低周疲勞下鋼絲的微動疲勞實驗，探討了微動振幅、應(yīng)變幅值和接觸載荷對鋼絲微動疲勞行為的影響。結(jié)果表明，不同微動疲勞參數(shù)下實驗過程中摩擦系數(shù)、微動運行區(qū)域、磨損機理、微動疲勞壽命以及裂紋萌生和擴展特性均有所差異，而這些微動疲勞行為要素是相互作用的。
　　采用有限元法研究了垂直交叉接觸鋼絲（無損傷和帶磨損缺口）的微動疲勞行為，探討了微動疲勞參數(shù)對微動運行區(qū)域和接觸面應(yīng)力分布的影響，

7、運用多軸疲勞準則考察了微動疲勞初期疲勞鋼絲微動面的裂紋萌生特性及其受微動參數(shù)的影響，運用線彈性斷裂力學(xué)理論和冪函數(shù)擬合法建立了循環(huán)應(yīng)力參數(shù)、接觸載荷和微動振幅與鋼絲微動疲勞壽命間的定量關(guān)系。結(jié)果表明，在兩種情況下，不同微動疲勞參數(shù)均導(dǎo)致不同的微動運行區(qū)域、應(yīng)力分布和接觸邊緣的應(yīng)力突變。隨著接觸載荷和微動振幅的增大，疲勞鋼絲接觸面上裂紋萌生分別變得困難和容易，與應(yīng)力分析結(jié)果一致。通過理論預(yù)測法和擬合法得到的壽命值與實驗值吻合較好，驗證了理