雙折線式多層卷繞鋼絲繩失效機(jī)理研究

胡志輝 胡 勇 胡吉全 楊建國

武漢理工大學(xué)，武漢，430063

0 引言

鋼絲繩傳動(dòng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小、換向性好及適應(yīng)長距離傳動(dòng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類起重機(jī)械中。隨著起重機(jī)械的大型化發(fā)展，傳統(tǒng)鋼絲繩單層卷繞方式受到繞繩量的限制，在許多應(yīng)用場(chǎng)合中已不能滿足使用要求，而只能采用多層卷繞方式。

鋼絲繩是由絲捻制成股、股捻制成繩的，這種特殊構(gòu)造決定了它從承受損傷到最終失效的過程與使用條件密切相關(guān)［1］。在多層卷繞使用中，鋼絲繩的載荷工況極為復(fù)雜，卷繞過程中鋼絲繩間的接觸行為更是增加了其損傷與失效行為的研究難度。目前，雖然在多層卷繞鋼絲繩磨損損傷行為［2-4］、多層卷繞鋼絲繩摩擦機(jī)理［5-6］及鋼絲繩多層卷繞工作條件選配［7-8］等方面的研究已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但對(duì)于多層卷繞鋼絲繩失效行為問題，目前尚未有較系統(tǒng)的研究結(jié)論和試驗(yàn)依據(jù)。本文在分析鋼絲繩雙折線式多層卷繞特征的基礎(chǔ)上，利用自制的多層卷繞鋼絲繩磨損試驗(yàn)裝置開展雙折線式多層卷繞鋼絲繩失效試驗(yàn)研究，探索雙折線式多層卷繞鋼絲繩失效機(jī)理。

1 鋼絲繩雙折線式多層卷繞特征

圖1 雙折線式卷筒表面展開圖

在正常卷繞中，第1層鋼絲繩卷繞在卷筒的雙折線式繩槽內(nèi)。從第2層開始，直線段鋼絲繩規(guī)則地卷繞在下一層鋼絲繩形成的繩槽內(nèi);折線段鋼絲繩因卷繞旋向與下一層相反，兩層鋼絲繩呈軸線交叉排列，鋼絲繩沿卷筒軸向的移動(dòng)靠前一圈繩圈的推擠來實(shí)現(xiàn)。在每層最后一圈末段(折線1區(qū)域)，鋼絲繩卷繞在倒數(shù)第二圈鋼絲繩與卷筒側(cè)擋板形成的繩槽內(nèi)，由于倒數(shù)第二圈鋼絲繩與卷筒側(cè)擋板間距越來越小，故鋼絲繩隨著卷繞的進(jìn)行不斷被抬高，直至在此段折線的終點(diǎn)被抬高至下一層。因此，每層最后一圈末段也被稱為躍層爬升段［3］。

鋼絲繩采用雙折線式多層卷繞方式時(shí)，可使每層鋼絲繩的各區(qū)域都處于規(guī)則卷繞狀態(tài)，從而有效地延長多層卷繞鋼絲繩的使用壽命，因此被廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)際中。

2 鋼絲繩失效試驗(yàn)

以6×36 P.WS－IWRC面接觸鋼絲繩為研究對(duì)象，考察鋼絲繩雙折線式多層卷繞過程的損傷與失效行為。鋼絲繩及雙折線式卷筒技術(shù)參數(shù)如表1及表2所示。

表1 鋼絲繩技術(shù)參數(shù)

表2 雙折線式卷筒技術(shù)參數(shù)

2.1 試驗(yàn)裝置工作原理

圖2為多層卷繞鋼絲繩磨損試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。兩套分別帶有相同雙折線式卷筒、驅(qū)動(dòng)及加載裝置的主多層卷繞系統(tǒng)與副多層卷繞系統(tǒng)布置在中間滑輪組兩側(cè)，鋼絲繩由一側(cè)的多層卷繞卷筒繞出，經(jīng)過中間滑輪組后繞入另一側(cè)多層卷繞卷筒，當(dāng)卷筒中繞繩量達(dá)到設(shè)定值后，鋼絲繩開始反向卷繞。如此反復(fù)循環(huán)卷繞運(yùn)行，直到鋼絲繩失效為止。試驗(yàn)裝置運(yùn)行時(shí)，鋼絲繩繞入側(cè)的多層卷繞系統(tǒng)提供卷筒卷繞驅(qū)動(dòng)力，鋼絲繩繞出側(cè)的多層卷繞系統(tǒng)提供鋼絲繩模擬負(fù)載。

圖2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)GB/T5972－2009《起重機(jī)鋼絲繩保養(yǎng)、維護(hù)、安裝、檢驗(yàn)和報(bào)廢》［9］規(guī)定，本試驗(yàn)選用的鋼絲繩的失效報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)為6d(d為鋼絲繩直徑)長度范圍內(nèi)可見斷絲數(shù)達(dá)18根或是30d長度范圍內(nèi)達(dá)36根，或由于外部的磨損使鋼絲繩實(shí)際直徑比其公稱直徑減小7%。

鋼絲繩在額定試驗(yàn)參數(shù)下從新繩開始試驗(yàn)，在達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)為:鋼絲繩張力61.8kN;鋼絲繩卷繞線速度40m/min;中間滑輪組滑輪為普通鋼制滑輪，滑輪數(shù)量為7，滑輪直徑為610mm;鋼絲繩在卷筒上的卷繞區(qū)間為第1層17圈到第4層12圈，主卷筒每完成一次收繩和放繩過程定義為一個(gè)工作循環(huán)。

2.3 鋼絲繩損傷檢測(cè)

實(shí)際工程應(yīng)用表明，鋼絲繩多層卷繞的工作特點(diǎn)使其磨損與斷絲主要集中在鋼絲繩表層。因此，試驗(yàn)過程中，每隔50個(gè)工作循環(huán)用電子游標(biāo)卡尺對(duì)鋼絲繩直徑進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)以人工排查方式對(duì)鋼絲繩外層絲斷絲數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以及時(shí)掌握鋼絲繩的損傷情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 鋼絲繩外部損傷失效特征

表3為相同試驗(yàn)工況下2根鋼絲繩失效后的損傷檢測(cè)結(jié)果。從表2中可以看出，2根鋼絲繩都是由于6d長度范圍內(nèi)可見斷絲數(shù)達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)而被判報(bào)廢，而此時(shí)30d長度范圍內(nèi)最大可見斷絲數(shù)均遠(yuǎn)低于報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)。鋼絲繩6d長度范圍內(nèi)可見斷絲數(shù)先于30d長度范圍達(dá)到報(bào)廢線，說明在雙折線式多層卷繞中，鋼絲繩承受的損傷分布不均，導(dǎo)致斷絲出現(xiàn)過分集中的現(xiàn)象。

其菜系常用烹飪技法有炒、滑、爆、煸、溜、熗、炸、煮、燙、糝、煎、蒙、貼、釀、卷、蒸、燒、火靠、燜、燉、攤、煨、燴、淖、烤、烘、焯、粘、氽、糟、醉、沖、拌、鹵、熏、腌、臘、凍、醬等幾十種之多。

表3 鋼絲繩失效損傷檢測(cè)結(jié)果

同時(shí)，從表3中還可以看出，2根鋼絲繩在斷絲數(shù)達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，鋼絲繩實(shí)際直徑比其公稱直徑最大減小量僅分別為0.77%與0.69%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB/T5972－2009《起重機(jī)鋼絲繩保養(yǎng)、維護(hù)、安裝、檢驗(yàn)和報(bào)廢》［9］規(guī)定的7%。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與雙折線式多層卷繞對(duì)鋼絲繩新繩的直徑公差要求有關(guān)。由于鋼絲繩的橫向彈性特征，在雙折線式多層卷繞中，為保證鋼絲繩在卷筒上的規(guī)則、有序排列，一般要求新繩直徑公差值為鋼絲繩公稱直徑的2%～4%，因此，即使鋼絲繩外部出現(xiàn)較嚴(yán)重的磨損，其繩徑減小量也不大。

圖3為2根鋼絲繩嚴(yán)重?cái)嘟z部位外部損傷形貌照片。從圖3可以看出，2根鋼絲繩嚴(yán)重?cái)嘟z部位同時(shí)表現(xiàn)出斷絲分布密集、外層鋼絲磨損與擠壓變形嚴(yán)重的特征，與單層卷繞使用鋼絲繩因疲勞損傷導(dǎo)致斷絲時(shí)的外部形貌相差較大。

圖3 鋼絲繩嚴(yán)重?cái)嘟z部位外部形貌

鋼絲繩的這種外部損傷特征與其多層卷繞過程中鋼絲繩在卷筒上的卷繞排列特征密切相關(guān)。在單層卷繞中，鋼絲繩規(guī)則地卷繞排列在卷筒繩槽內(nèi)，卷繞過程只與卷筒、滑輪的光滑繩槽接觸。而在雙折線式多層卷繞中，鋼絲繩繞入卷筒并呈規(guī)則多層排列過程不可避免地要與相鄰層、圈鋼絲繩發(fā)生相互擠壓與摩擦滑動(dòng)，而這種擠壓與摩擦滑動(dòng)必然會(huì)引起鋼絲繩外層鋼絲的磨損與擠壓變形。

3.2 鋼絲繩斷絲分布規(guī)律

對(duì)2根鋼絲繩在達(dá)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的斷絲出現(xiàn)部位進(jìn)行檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)所有斷絲出現(xiàn)部位均位于兩側(cè)卷筒折線段區(qū)域。下面分析此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因。如圖4所示，在雙折線式多層卷繞中，由于卷筒折線段區(qū)域上下層鋼絲繩卷繞旋向相反，故上下層鋼絲繩間呈軸線交叉排列。由兩彈性長圓柱體接觸力學(xué)特性可知，鋼絲繩間這種呈軸線交叉排列的接觸情況比卷筒直線段鋼絲繩呈軸線相平行接觸時(shí)要惡劣得多，鋼絲繩在折線段區(qū)域卷繞排列過程中相互擠壓、摩擦滑動(dòng)引起的損傷也更為嚴(yán)重。

圖4 雙折線式卷筒鋼絲繩卷繞排列圖

圖5為2根鋼絲繩在兩側(cè)卷筒折線段區(qū)域的斷絲分布圖，從圖中可以看出，2根鋼絲繩試驗(yàn)中兩側(cè)卷筒第3層20圈折線段1區(qū)域與第3層21圈折線段1區(qū)域鋼絲繩的斷絲數(shù)要明顯要多于卷筒其他區(qū)域的斷絲數(shù)。

鋼絲繩斷絲的這種分布特征與雙折線式卷筒的特殊結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在雙折線式卷筒中，由于導(dǎo)向墊塊只對(duì)第1層到第2層與第2層到第3層的躍層爬升起引導(dǎo)作用，因此在第3層到第4層的躍層卷繞中，最后一圈(第21圈)鋼絲繩排列在倒數(shù)第二圈(第20圈)鋼絲繩與卷筒側(cè)擋板形成的空繩槽內(nèi)，形成“斜楔”式排列，如圖6a所示。此時(shí)，由于鋼絲繩的橫向彈性特征與鋼絲繩沿卷筒周向繞緊力的作用，躍層爬升段區(qū)域鋼絲繩將在一定程度上向下楔入空繩槽內(nèi)，從圖6a中的虛線位置擠壓滑動(dòng)到實(shí)線位置。在向下擠壓滑動(dòng)過程中，鋼絲繩與倒數(shù)第二圈鋼絲繩間發(fā)生劇烈的擠壓、摩擦滑移，從而造成這兩個(gè)區(qū)域鋼絲繩外部嚴(yán)重?fù)p傷。

圖5 鋼絲繩在兩側(cè)卷筒折線段區(qū)域的斷絲分布

而在卷筒第1、2層的躍層爬升段，由于這兩層倒數(shù)第二圈繩圈與卷筒側(cè)擋板形成的空繩槽被卷筒導(dǎo)向墊塊填補(bǔ)，如圖6b所示，此處鋼絲繩卷繞避免了“斜楔”式排列的出現(xiàn)，卷繞排列過程鋼絲繩受到的損傷相對(duì)較小，因此試驗(yàn)中卷筒第1、2層的躍層區(qū)鋼絲繩沒有發(fā)現(xiàn)斷絲。

圖6 躍層爬升區(qū)域鋼絲繩卷繞排列示意圖

3.3 鋼絲繩斷絲發(fā)展規(guī)律

圖7所示為2根鋼絲繩斷絲數(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)曲線，表示2根鋼絲繩6d范圍內(nèi)最大可見斷絲數(shù)出現(xiàn)部位斷絲數(shù)隨工作循環(huán)次數(shù)變化的情況。可以看出，2根鋼絲繩分別在第2400至第2500個(gè)工作循環(huán)開始出現(xiàn)斷絲后，隨著工作循環(huán)次數(shù)的增加，6d范圍內(nèi)最大可見斷絲數(shù)也在逐步增長，其中，斷絲發(fā)展后期的斷絲數(shù)增長速度要明顯快于前期的斷絲數(shù)增長速度。

圖7 鋼絲繩斷絲數(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)曲線

鋼絲繩斷絲數(shù)發(fā)展規(guī)律表現(xiàn)出的這種特征說明，鋼絲繩斷絲發(fā)展一方面是卷繞過程磨損、擠壓及彎曲疲勞等各種損傷隨工作循環(huán)次數(shù)增加而不斷累積作用的結(jié)果;另一方面，隨著斷絲數(shù)的增加，鋼絲繩橫截面內(nèi)承載鋼絲數(shù)減少，導(dǎo)致承載鋼絲應(yīng)力增大，從而加速了鋼絲的斷裂進(jìn)程。

3.4 外層鋼絲損傷斷裂機(jī)理分析

圖8為試驗(yàn)結(jié)束后鋼絲繩外層鋼絲斷口的掃描電鏡形貌。從圖8中可以看出，鋼絲斷口具有如下特征:①外層鋼絲斷絲斷口處磨損嚴(yán)重，鋼絲斷面內(nèi)材料損失較大，通過對(duì)斷口面積測(cè)繪計(jì)算，發(fā)現(xiàn)斷口面積損失率已達(dá)近40%;②外層鋼絲塑性變形嚴(yán)重，鋼絲斷絲斷口的形貌呈不規(guī)則幾何形狀，與外層絲原始斷面形狀有明顯差別，其中斷口與最大磨損面相交處棱邊的長度達(dá)1.38mm，比原始鋼絲直徑(1.14mm)伸長0.24mm;③斷絲斷口形貌與鋼絲因疲勞斷裂形貌特征相差較大，斷口疲勞裂紋源區(qū)及疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)分布很不明顯，基本呈現(xiàn)出瞬間斷裂的形貌特征。

圖8 外層鋼絲斷口掃描電鏡形貌

鋼絲繩外層鋼絲斷口的這種形貌特征說明，雙折線式多層卷繞中，鋼絲繩外層絲斷裂的主要原因并不是疲勞，而是卷繞過程中卷筒上相鄰鋼絲繩間相互擠壓和摩擦滑動(dòng)引起的磨損與塑性變形。

圖9所示為外層鋼絲磨損與塑性變形后磨痕側(cè)面微觀形貌。從圖9中可以看出，鋼絲表面塑性流動(dòng)層內(nèi)形成了白層組織，且在白層與鋼絲基體材料間有明顯的開裂裂紋。考察鋼絲繩雙折線式多層卷繞過程，卷筒上相鄰鋼絲繩間劇烈的相互擠壓與摩擦滑動(dòng)使外層鋼絲表層完全具備白層形成的條件［10-11］，因此，雙折線式多層卷繞中，鋼絲繩外層鋼絲的斷裂極有可能是卷繞過程中鋼絲繩間的相互擠壓與摩擦滑動(dòng)使鋼絲表層形成白層組織后，外層鋼絲以白層與鋼絲基體材料間的開裂裂紋為裂紋源，隨著鋼絲繩卷繞次數(shù)的增加，外層鋼絲磨損與塑性變形等損傷不停累積，使外層絲橫截面內(nèi)承載面積越來越小，在裂紋尖端附近區(qū)域應(yīng)力達(dá)到斷裂條件時(shí)，鋼絲斷裂。

圖9 外層鋼絲磨痕側(cè)面微觀形貌

4 結(jié)論

(1)鋼絲繩可見斷絲數(shù)是判斷雙折線式多層卷繞鋼絲繩是否報(bào)廢的主要參數(shù)。

(2)在雙折線式卷筒多層卷繞中，鋼絲繩多層卷繞排列過程相互擠壓與摩擦滑動(dòng)引起的外層鋼絲磨損與塑性變形是導(dǎo)致鋼絲繩外層絲斷裂并最終失效的主要原因。

(3)受損傷累積作用和鋼絲繩橫截面內(nèi)有效承載面積的影響，鋼絲繩斷絲發(fā)展后期的斷絲數(shù)增長速度要快于前期的斷絲數(shù)增長速度。

(4)鋼絲繩在雙折線式卷筒上卷繞位置不同，其承受的磨損與塑性變形損傷程度也不同，卷筒折線段區(qū)域，尤其是躍層爬升段呈“斜楔”式排列及相鄰區(qū)域鋼絲繩卷繞過程承受的損傷最為嚴(yán)重。

［1］廖紅衛(wèi).鋼絲繩的疲勞行為特征與損傷機(jī)理研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2006.

［2］Madhavarao K，Maude L，Lakshmanan V I，et al.Failure Analysis of Failed Wire Rope［J］.Journal of Failure Analysis and Prevention，2010，10(4):341-348.

［3］胡志輝，胡吉全.雙折線式卷筒多層卷繞中鋼絲繩磨損損傷分析［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2011，35(6):1289-1292.Hu Zhihui，Hu Jiquan.Wear Analysis of Wire Ropes during Multi－layer Winding in Lebus Drum［J］.Journal of Wuhan University of Technology(Transportation Science ＆ Engineering)，2011，35(6):1289-1292.

［4］Chaplin C R.The Fatigue and Degradation Mechanisms of Hoisting Ropes［C］//Hoist and Haul Conference.Perth，WA，2005:359-366.

［5］Gerhard R，Roland V.Radial Pressure Damage Analysis of Wire Ropes Operating on Multi－layer Drum Winders［C］//Hoist Haul－Proc.Int.Conf.Hoisting Haulage.United States:Society for Mining，Metallurgy and Exploration，2010:317-327.

［6］Chaplin C R.Failure Mechanisms in Wire Ropes［J］.Engineering Failure Analysis，1995，2(1):45-57.

［7］Hu Zhihui，Hu Jiquan，Hu Yong.Experimental Study on Effect of Pulley Diameter and Lubricant Grease on Multi－layer Winding Wire Rope’s Fatigue Endurance［J］.Advanced Materials Research，2011，301/303:1618-1623.

［8］李哲.多層纏繞折線卷筒導(dǎo)向墊塊對(duì)鋼絲繩磨損影響分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2012.

［9］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 5972－2006起重機(jī)鋼絲繩保養(yǎng)、維護(hù)、安裝、檢驗(yàn)和報(bào)廢［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

［10］Yang Y Y，F(xiàn)ang H S，Huang W G.A Study on Wear Resistance of the White Layers［J］.Tribology International，1996，29(5):425-428.

［11］Xu L Q，Clough S，Howard P，et al.Laboratory Assessment of the Effect of White Layers on Wear Resistance for Digger Teeth［J］.Wear，1995，181/183:112-117.