鋼絲的微動(dòng)損傷行為及其微動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)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(dòng)磨損和微動(dòng)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(dòng)損傷行為和微動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)對(duì)延長(zhǎng)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(duì)象，通過靜力學(xué)分析考察了礦井提升機(jī)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(dòng)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(duì)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(shí)，建立鋼絲繩所受張力和張力幅值與鋼絲微動(dòng)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(gè)過程礦井提升參數(shù)對(duì)微動(dòng)疲勞參數(shù)的影響。結(jié)果表明，在整個(gè)上提容器過程中，各微動(dòng)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(kuò)大或上升擴(kuò)大的趨勢(shì)，整個(gè)上提容器過程中繩內(nèi)鋼絲的拉力范圍是1.5N～175.6N，相對(duì)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(yùn)用精確的邊界條件和子模型技術(shù)對(duì)受拉三層直股進(jìn)行細(xì)致分析，探討了摩擦系數(shù)和材料模型對(duì)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(duì)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(yùn)用三維赫茲接觸理論分析了交叉角度和接觸載荷對(duì)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(shí)不同微動(dòng)參數(shù)下鋼絲試樣的微動(dòng)磨損深度實(shí)驗(yàn)值和演化模型預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)兩

6、者吻合較好。
　　運(yùn)用自制鋼絲微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)開展了低周疲勞下鋼絲的微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)，探討了微動(dòng)振幅、應(yīng)變幅值和接觸載荷對(duì)鋼絲微動(dòng)疲勞行為的影響。結(jié)果表明，不同微動(dòng)疲勞參數(shù)下實(shí)驗(yàn)過程中摩擦系數(shù)、微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域、磨損機(jī)理、微動(dòng)疲勞壽命以及裂紋萌生和擴(kuò)展特性均有所差異，而這些微動(dòng)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(dòng)疲勞行為，探討了微動(dòng)疲勞參數(shù)對(duì)微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域和接觸面應(yīng)力分布的影響，

7、運(yùn)用多軸疲勞準(zhǔn)則考察了微動(dòng)疲勞初期疲勞鋼絲微動(dòng)面的裂紋萌生特性及其受微動(dòng)參數(shù)的影響，運(yùn)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(dòng)振幅與鋼絲微動(dòng)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(dòng)疲勞參數(shù)均導(dǎo)致不同的微動(dòng)運(yùn)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(dòng)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(cè)法和擬合法得到的壽命值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，驗(yàn)證了理