表面损伤对钢丝绳的弯曲疲劳性能影响研究

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表面损伤对钢丝绳弯曲疲劳性能影响较大,是造成钢丝绳过早失效的主要原因之一,因此,开展表面损伤钢丝绳的疲劳性能影响研究,掌握其疲劳规律和损伤机制有着重要的工程意义。本文在自制的钢丝绳弯曲疲劳试验平台上,研究表面损伤对绕轮工作钢丝绳的弯曲疲劳行为,结合人工检测和无损检测方式,采用扫描电子显微镜、光学显微镜等仪器分析钢丝绳的疲劳损伤机理,考察损伤形式、疲劳次数对钢丝绳的断丝数、磨损量、损伤量值(金属有效截面积的损失率)及疲劳寿命、疲劳失效的影响。运用计算机仿真软件,开展有表面损伤的1×7IWS钢丝绳绕尼龙轮弯曲时的静力学分析和疲劳寿命预测,并将计算结果和部分实验现象进行探讨。试验研究结果表明:(1)表面断丝改变了绳股内钢丝的应力状态,且在高应力作用下碾压相邻侧钢丝,造成了表面断丝处及相邻捻距内断丝的局部聚集和严重磨损,并加速了断丝的增长速率,降低了钢丝绳的疲劳寿命。由于钢丝绳的过早报废,其综合损伤量值整体较低,人工检测判定报废时,钢丝绳的损伤量值仍未到达无损检测损伤上限。(2)表面磨损减少了钢丝绳的有效承载截面积,降低了其承载能力。在钢丝磨损面形成应力集中,产生了断丝的聚集,整绳依据人工检测被判报废。磨损处钢丝断裂机制主要是磨损断裂和疲劳断裂。钢丝磨损处易形成疲劳源,在复合应力的作用下,裂纹逐步扩展,导致钢丝疲劳断裂。钢丝绳内部股与股之间接触钢丝相互作用产生了微动磨损断丝。(3)表面腐蚀损伤了钢丝表层材料的组织,产生锈蚀痕迹和腐蚀坑。腐蚀区域的断丝较为集中,其综合损伤量值较大,但整绳仍依据人工检测被判报废。表面腐蚀钢丝绳的疲劳机制主要是阳极溶解引发裂纹萌生,在腐蚀和疲劳的交互作用下,钢丝表面的腐蚀坑产生应力集中,导致钢丝最终疲劳断裂,且其裂纹扩展区域的断口形貌均为准解理断裂,表面存在腐蚀后的微孔。(4)由仿真结果可知,表面损伤钢丝的等效应力值随磨损深度的增加而增加,且磨损增大了相邻股钢丝的变形量。在疲劳载荷的作用下,磨损处钢丝的疲劳寿命预测值最低,且随磨损深度增加而呈快速下降趋势。最大载荷相同时,钢丝绳的疲劳寿命和应力比呈正相关性,应力比越大,其疲劳寿命越大。
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