雙折線式多層卷繞鋼絲繩失效機理研究

胡志輝 胡 勇 胡吉全 楊建國

武漢理工大學，武漢，430063

0 引言

鋼絲繩傳動具有傳動平穩、噪聲小、換向性好及適應長距離傳動等特點，被廣泛應用于各類起重機械中。隨著起重機械的大型化發展，傳統鋼絲繩單層卷繞方式受到繞繩量的限制，在許多應用場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［1］。在多層卷繞使用中，鋼絲繩的載荷工況極為復雜，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］等方面的研究已經取得了一些進展，但對于多層卷繞鋼絲繩失效行為問題，目前尚未有較系統的研究結論和試驗依據。本文在分析鋼絲繩雙折線式多層卷繞特征的基礎上，利用自制的多層卷繞鋼絲繩磨損試驗裝置開展雙折線式多層卷繞鋼絲繩失效試驗研究，探索雙折線式多層卷繞鋼絲繩失效機理。

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。從第2層開始，直線段鋼絲繩規則地卷繞在下一層鋼絲繩形成的繩槽內;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靠前一圈繩圈的推擠來實現。在每層最后一圈末段(折線1區域)，鋼絲繩卷繞在倒數第二圈鋼絲繩與卷筒側擋板形成的繩槽內，由于倒數第二圈鋼絲繩與卷筒側擋板間距越來越小，故鋼絲繩隨著卷繞的進行不斷被抬高，直至在此段折線的終點被抬高至下一層。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，可使每層鋼絲繩的各區域都處于規則卷繞狀態，從而有效地延長多層卷繞鋼絲繩的使用壽命，因此被廣泛地應用于工程實際中。

2 鋼絲繩失效試驗

以6×36 P.WS－IWRC面接觸鋼絲繩為研究對象，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參數如表1及表2所示。

表1 鋼絲繩技術參數

表2 雙折線式卷筒技術參數

2.1 試驗裝置工作原理

圖2為多層卷繞鋼絲繩磨損試驗裝置結構示意圖。兩套分別帶有相同雙折線式卷筒、驅動及加載裝置的主多層卷繞系統與副多層卷繞系統布置在中間滑輪組兩側，鋼絲繩由一側的多層卷繞卷筒繞出，經過中間滑輪組后繞入另一側多層卷繞卷筒，當卷筒中繞繩量達到設定值后，鋼絲繩開始反向卷繞。如此反復循環卷繞運行，直到鋼絲繩失效為止。試驗裝置運行時，鋼絲繩繞入側的多層卷繞系統提供卷筒卷繞驅動力，鋼絲繩繞出側的多層卷繞系統提供鋼絲繩模擬負載。

圖2 試驗裝置結構示意圖

2.2 試驗參數

根據GB/T5972－2009《起重機鋼絲繩保養、維護、安裝、檢驗和報廢》［9］規定，本試驗選用的鋼絲繩的失效報廢標準為6d(d為鋼絲繩直徑)長度范圍內可見斷絲數達18根或是30d長度范圍內達36根，或由于外部的磨損使鋼絲繩實際直徑比其公稱直徑減小7%。

鋼絲繩在額定試驗參數下從新繩開始試驗，在達到報廢標準時停止試驗。試驗運行參數為: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，滑輪數量為7，滑輪直徑為610mm;鋼絲繩在卷筒上的卷繞區間為第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工作循環。

2.3 鋼絲繩損傷檢測

實際工程應用表明，鋼絲繩多層卷繞的工作特點使其磨損與斷絲主要集中在鋼絲繩表層。因此，試驗過程中，每隔50個工作循環用電子游標卡尺對鋼絲繩直徑進行測量，同時以人工排查方式對鋼絲繩外層絲斷絲數進行檢測，以及時掌握鋼絲繩的損傷情況。

3 結果與討論

3.1 鋼絲繩外部損傷失效特征

表3為相同試驗工況下2根鋼絲繩失效后的損傷檢測結果。從表2中可以看出，2根鋼絲繩都是由于6d長度范圍內可見斷絲數達到報廢標準而被判報廢，而此時30d長度范圍內最大可見斷絲數均遠低于報廢標準。鋼絲繩6d長度范圍內可見斷絲數先于30d長度范圍達到報廢線，說明在雙折線式多層卷繞中，鋼絲繩承受的損傷分布不均，導致斷絲出現過分集中的現象。

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結果

同時，從表3中還可以看出，2根鋼絲繩在斷絲數達報廢標準時，鋼絲繩實際直徑比其公稱直徑最大減小量僅分別為0.77%與0.69%，遠遠低于GB/T5972－2009《起重機鋼絲繩保養、維護、安裝、檢驗和報廢》［9］規定的7%。這種現象的出現與雙折線式多層卷繞對鋼絲繩新繩的直徑公差要求有關。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較嚴重的磨損，其繩徑減小量也不大。

圖3為2根鋼絲繩嚴重斷絲部位外部損傷形貌照片。從圖3可以看出，2根鋼絲繩嚴重斷絲部位同時表現出斷絲分布密集、外層鋼絲磨損與擠壓變形嚴重的特征，與單層卷繞使用鋼絲繩因疲勞損傷導致斷絲時的外部形貌相差較大。

圖3 鋼絲繩嚴重斷絲部位外部形貌

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。在單層卷繞中，鋼絲繩規則地卷繞排列在卷筒繩槽內，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則多層排列過程不可避免地要與相鄰層、圈鋼絲繩發生相互擠壓與摩擦滑動，而這種擠壓與摩擦滑動必然會引起鋼絲繩外層鋼絲的磨損與擠壓變形。

3.2 鋼絲繩斷絲分布規律

對2根鋼絲繩在達報廢標準時的斷絲出現部位進行檢測統計，發現所有斷絲出現部位均位于兩側卷筒折線段區域。下面分析此現象出現的原因。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要惡劣得多，鋼絲繩在折線段區域卷繞排列過程中相互擠壓、摩擦滑動引起的損傷也更為嚴重。

圖4 雙折線式卷筒鋼絲繩卷繞排列圖

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

鋼絲繩斷絲的這種分布特征與雙折線式卷筒的特殊結構密切相關。在雙折線式卷筒中，由于導向墊塊只對第1層到第2層與第2層到第3層的躍層爬升起引導作用，因此在第3層到第4層的躍層卷繞中，最后一圈(第21圈)鋼絲繩排列在倒數第二圈(第20圈)鋼絲繩與卷筒側擋板形成的空繩槽內，形成“斜楔”式排列，如圖6a所示。此時，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，躍層爬升段區域鋼絲繩將在一定程度上向下楔入空繩槽內，從圖6a中的虛線位置擠壓滑動到實線位置。在向下擠壓滑動過程中，鋼絲繩與倒數第二圈鋼絲繩間發生劇烈的擠壓、摩擦滑移，從而造成這兩個區域鋼絲繩外部嚴重損傷。

圖5 鋼絲繩在兩側卷筒折線段區域的斷絲分布

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

圖6 躍層爬升區域鋼絲繩卷繞排列示意圖

3.3 鋼絲繩斷絲發展規律

圖7所示為2根鋼絲繩斷絲數發展動態曲線，表示2根鋼絲繩6d范圍內最大可見斷絲數出現部位斷絲數隨工作循環次數變化的情況?？梢钥闯?，2根鋼絲繩分別在第2400至第2500個工作循環開始出現斷絲后，隨著工作循環次數的增加，6d范圍內最大可見斷絲數也在逐步增長，其中，斷絲發展后期的斷絲數增長速度要明顯快于前期的斷絲數增長速度。

圖7 鋼絲繩斷絲數發展動態曲線

鋼絲繩斷絲數發展規律表現出的這種特征說明，鋼絲繩斷絲發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次數增加而不斷累積作用的結果;另一方面，隨著斷絲數的增加，鋼絲繩橫截面內承載鋼絲數減少，導致承載鋼絲應力增大，從而加速了鋼絲的斷裂進程。

3.4 外層鋼絲損傷斷裂機理分析

圖8為試驗結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重，鋼絲斷面內材料損失較大，通過對斷口面積測繪計算，發現斷口面積損失率已達近40%;②外層鋼絲塑性變形嚴重，鋼絲斷絲斷口的形貌呈不規則幾何形狀，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，斷口疲勞裂紋源區及疲勞裂紋擴展區分布很不明顯，基本呈現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面微觀形貌。從圖9中可以看出，鋼絲表面塑性流動層內形成了白層組織，且在白層與鋼絲基體材料間有明顯的開裂裂紋?？疾熹摻z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，使外層絲橫截面內承載面積越來越小，在裂紋尖端附近區域應力達到斷裂條件時，鋼絲斷裂。

圖9 外層鋼絲磨痕側面微觀形貌

4 結論

(1)鋼絲繩可見斷絲數是判斷雙折線式多層卷繞鋼絲繩是否報廢的主要參數。

(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引起的外層鋼絲磨損與塑性變形是導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有效承載面積的影響，鋼絲繩斷絲發展后期的斷絲數增長速度要快于前期的斷絲數增長速度。

(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，卷筒折線段區域，尤其是躍層爬升段呈“斜楔”式排列及相鄰區域鋼絲繩卷繞過程承受的損傷最為嚴重。

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