钢丝绳受力分析
钢丝绳是起重运输机械中最常用的挠性构件,由于其具有强度高、挠性好、运动平稳、自重轻等优点而被广泛地应用于起升机构、变幅机构和牵引机构,有时也被用于回转机构。
钢丝绳在使用过程中会发生疲劳、锈蚀、磨损甚至出现骤断现象,它的实际状态关系到设备和人身安全。许多国家早就针对钢丝绳的使用制订了相应的行业安全规程和国家检测标准,但是,因钢丝绳破断而造成的事故却时有发生,因而对钢丝绳疲劳寿命的研究很有必要。
在实际使用过程中,影响钢丝绳使用寿命的因素很多,例如钢丝绳的卷绕系统、钢丝绳选择的类型、卷筒或滑轮的直径大小、钢丝绳加油或润滑的状况及周期。另外,钢丝绳还可能因为接触脏物、石料的残留物、磨料或碰撞船上箱格和舱口围板而发生机械损坏。本文仅从钢丝绳的受力状态来研究对其疲劳寿命的影响。
1 钢丝绳的受力状态
钢丝绳的疲劳寿命与其所受的作用力有着密切的关系。在实际工作中,钢丝绳受力极其复杂,不是简单的只存在某一种应力状态,但是在进行疲劳寿命的理论研究时,却只能以某一种或某几种主要的应力状态为研究对象。钢丝绳在使用过程中的主要受力状态一般有以下几种:
1)拉应力 钢丝绳受拉时,会受到拉应力的作
用:
σ拉=KFΣAn(N/mm2)(1)[1]
式中,F为钢丝绳的拉伸载荷,N;ΣAn为钢丝绳中所有钢丝的断面面积之和,mm2;K为应力分布不均匀系数,K=1·2。
2)弯曲应力 钢丝绳绕上卷筒或滑轮时,钢丝因为弯曲会产生弯曲应力,而内部钢丝之间互相挤压出现细微变形也会产生弯曲应力。钢丝绳中的钢丝受到反复出现的载荷作用,在最弱和应力最大的地方先是形成裂纹,然后裂纹逐渐扩大,最终导致疲劳断丝。
3)接触挤压应力 钢丝绳与卷筒或滑轮表面接触时,钢丝所受的拉伸载荷不仅会使钢丝之间产生挤压应力,而且在钢丝绳与卷筒或滑轮轮槽之间也会产生挤压应力。在这些挤压应力的作用下,钢丝绳会发生快速的磨损,导致使用寿命大大降低。
4)扭转剪切应力 钢丝在钢丝绳中呈螺旋形,位于钢丝绳轴线上的拉伸载荷,有将钢丝拉直的趋势,从而使钢丝受扭,产生扭转剪切应力。尽管钢丝绳应用的范围十分广泛,但人们对于
钢丝绳临界应力的研究相对较少,在实际的研究中,更多的是采用试验的方法,例如拆股试验、整绳破断拉力试验和疲劳试验等。以往试验的结果表明,在以上几种受力状态中,引起钢丝绳外层钢丝的疲劳、磨损直至破断的主要因素是钢丝绳绕过卷筒或滑轮时,反复出现的弯曲应力和接触挤压应力。
2 弯曲应力
1)滑轮或卷筒直径大小对弯曲疲劳强度的影响 由于反复弯曲所引起的疲劳主要取决于卷筒或滑轮的直径D与钢丝绳直径d的比值D /d。D /d越小,弯曲应力越大。表1为通过试验所得的数据