现代机械强度理论及应用

课程：现代机械强度理论及应用姓名：

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专业：机械工程

摘要

本文主要是对国内关于钢丝绳疲劳断裂问题研究的报告论文进行综述性的的总结，主要是关于钢丝绳在材料选择，加工工艺，热处理，表面磨损，疲劳强度等方向上的国内论文进行综述性的总结归纳，以更好的了解国内对钢丝绳疲劳断裂问题的研究进展。

Abstract

This paper mainly reviewed the summary of the domestic research on the problem of wire rope fatigue fracture report papers, mainly on the wire rope in the choice of materials, processing technology, heat treatment, surface wear, fatigue strength and direction of the domestic paper reviewed the summary of domestic research on the steel wire rope fatigue fracture problems the progress in understanding better

关键字疲劳断裂、磨损、

引言

钢丝绳是一种柔性空间螺旋结构钢制品，将热轧钢线材冷拉成钢丝，然后按一定规则捻制成螺旋状钢丝束，其承载力和强度较高，且具有柔软性和吸收阻尼等优点，被广泛应用于矿山机械、航空航天、机械加工、建筑施工、桥梁建设和交通通讯等领域，其安全与否直接影响到各行业的安全生产使用和经济问题。例如，电梯钢丝绳安全与否是保障电梯安全运行的重要因素，直接影响到人流的运输甚至危及生命，所以在对电梯进行安全检测时，应将电梯钢丝绳的安全检测作为核心部分;起重机用钢丝绳一般用来悬吊重物并传递动力，其安全性是人们长期以来一直关心的问题;在架空索道中，钢丝绳扮演着缆车牵引的角色，钢丝绳是否安全可靠直接关系到缆车的安全性能;矿井提升钢丝绳担负着提升煤炭、升降人员和下放材料等重要任务，是维系井下和地面的主要运输工具，在整个煤矿生产中占有非常重要的地位，其可靠性直接关系到矿井正常生产和人员生命安全，一旦出现钢丝绳断裂，轻则财产损失，重则井毁人亡，造成重大事故。

目前，国内对钢丝绳的研究已经十分丰富，研究手段也越来先进，比如，应用显微镜观察钢丝绳微观裂纹，研究其断裂源的萌生及裂纹的扩张。运用金相分析研究其表面磨损材料的组成等。下面我们就几种典型的方法进行综述。

一、国内状况

1.微动磨损对疲劳断裂的影响

张德坤等采用拉-拉疲劳试验并在显微镜下观察微动磨损导致钢丝绳磨损深度与横截面积损失对疲劳强度的影响。得到了疲劳试验中轴向应变随载荷变化保持稳定而疲劳寿命随磨损深度与横截面积损失而减小的结论。证明在微动磨损中疲劳强度与轴向应变关系不大，疲劳寿命减小的主要原因是:随着时间的增加微动磨损缺口处磨损深度不断增加应力集中现象严重，使缺口深度进一步增加并向周围扩散形成裂纹源，随着施加应力裂纹进一步扩散造成大量横截面积损失致使疲劳强度下降超过其断裂强度导致材料断裂。

2.小直径钢丝绳的轴向疲劳特征分析

王春晖等通过运用合声发射技术与显微分析手段对小直径钢丝绳进行疲劳断裂分析画出其S-N曲线。发现：以第六根钢丝断裂为准，第一根断丝与第二根断丝断丝时间间隔较长而后三根断丝时间间隔较短且后断丝所受载荷大小对其寿命影响不明显。当疲劳载荷降低到某一值时后三根钢丝几乎同时断裂而继续下降则疲劳寿命又极大增长。这说明正根钢丝绳并不存在真正的疲劳寿命极限，主要原因是钢丝绳是丝股捻织成的复杂组合体，丝与丝之间股与股之间在运作过程中存在接触应力，摩擦应力以及微动磨损导致其疲劳失效原因十分复杂。同时通过显微观察先断丝疲劳区大瞬断区小断面更光滑，这主要是由于先断区受力较小且被夹在诸丝之间不断被挤压研磨，而后断丝瞬时区较大且较为松散断裂较为迅速致使其断裂面较为粗糙。

3.断裂区表面材料金相分析钢丝绳断裂原因

张德英通过宏观检验与金相分析研究发现：在同一截面断裂处磨损一侧有白亮层其为马氏体组织，而未磨损一侧处为正常索氏体组织与少量铁素体钢丝绳外表面马氏体连续而钢丝表面马氏体不连续，从而说明钢丝绳在高速运转过程中由于润滑不良而产生极大的摩擦使钢丝绳表面产生大量马氏体组织而马氏体相本身是一脆性相，耐磨性极差疲劳裂纹首先在马氏体处产生使钢丝绳断裂，所以表面马氏体极大降低了钢丝绳的疲劳强度。

4.钢丝绳的外观缺陷对其疲劳强度的影响

徐涛通过实验发现钢丝绳表面损伤，腐蚀，断丝与钢丝交错对钢丝绳疲劳强度都有影响，首先绳股松弛不均一般其疲劳强度与正常钢丝绳无异，但其会使钢丝绳更易于与滑轮发生摩擦导致其疲劳强度下降。锈蚀与表面磨损易使钢丝绳产生表面裂纹，其在拉力作用下发生应力集中现象从而使裂纹不断扩张直到钢丝绳断裂。存在断丝会使其余钢丝上的载荷加剧，而断丝处往往又是应力集中处这样又会使此处钢丝绳载荷加大断裂进而导致整个钢丝绳断裂。钢丝的交错对钢丝绳的拉伸性能影响并不明显，但是钢丝的交错处是疲劳裂纹，应力集中发生的根源，发生交错会极大减少钢丝绳的疲劳寿命。

5.钢丝绳的热处理及拔拉过程对其强度的影响

黄忠渠通过分析钢丝绳热处理过程中的索氏体化是否完全发现：在热处理过程中如果淬火阶段钢丝绳索氏体化越完全其疲劳强度高，但由于钢丝绳加热温度，淬火温度及淬火速度不易控制致使钢丝绳索氏体化不完全从而极大降低了钢丝绳的强度。

同时，在钢丝绳的拔拉过程中由于拔模质量的原因致使钢丝绳在拔模孔中变形不均匀，在远离钢丝绳中心的边缘区受到过多外摩擦力与孔模影响使其变形较大硬度较高，所以当孔模表面较粗糙时，由于受力变形不均致使钢丝绳内部残余应力较大疲劳强度降低。

二、国外情况

Jeong-In Suh运用了拉丁方设计法进行吊桥钢丝绳绳的疲劳试验，以测试其应力范围，平均应力和试样长度三种参数对吊桥钢丝绳的轴向疲劳的影响，结果发现应力范围的影响结果和预期是一致的，但试样长度的影响却与预期结果相悖，而平均应力的影响则随着所选的应力范围的变化而变化。Marco Giglio等进行了在恒定载荷下直升机救援提升钢丝绳的弯曲疲劳试验，发现如果减少要钢丝绳的机械性能的损伤，必须限制测试装置的摆角在28。以下这样才不会发生疲劳损伤，而在较大摆角的情况下，钢丝绳内部会经常断丝，Paton等开展了六股绳与螺旋钢丝绳的拉一拉疲劳行为研究，来检测实验过程中钢丝绳强度和刚度度的变化，得出了刚度和强度之间的线性关系，并且确定了剩余疲劳强度和疲劳周期的关系，并且确定了六股绳和螺旋绳新的疲劳下界为其损失10%的强度，它有益于制定钢丝绳报废标准