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鋼絲繩受力分析

鋼絲繩是起重運輸機械中最常用的撓性構件,由于其具有強度高、撓性好、運動平穩、自重輕等優點而被廣泛地應用于起升機構、變幅機構和牽引機構,有時也被用于回轉機構。

 

鋼絲繩在使用過程中會發生疲勞、銹蝕、磨損甚至出現驟斷現象,它的實際狀態關系到設備和人身安全。許多國家早就針對鋼絲繩的使用制訂了相應的行業安全規程和國家檢測標準,但是,因鋼絲繩破斷而造成的事故卻時有發生,因而對鋼絲繩疲勞壽命的研究很有必要。

 

在實際使用過程中,影響鋼絲繩使用壽命的因素很多,例如鋼絲繩的卷繞系統、鋼絲繩選擇的類型、卷筒或滑輪的直徑大小、鋼絲繩加油或潤滑的狀況及周期。另外,鋼絲繩還可能因為接觸臟物、石料的殘留物、磨料或碰撞船上箱格和艙口圍板而發生機械損壞。本文僅從鋼絲繩的受力狀態來研究對其疲勞壽命的影響。

 

1 鋼絲繩的受力狀態

鋼絲繩的疲勞壽命與其所受的作用力有著密切的關系。在實際工作中,鋼絲繩受力極其復雜,不是簡單的只存在某一種應力狀態,但是在進行疲勞壽命的理論研究時,卻只能以某一種或某幾種主要的應力狀態為研究對象。鋼絲繩在使用過程中的主要受力狀態一般有以下幾種:

 

1)拉應力 鋼絲繩受拉時,會受到拉應力的作

:

σ拉=KFΣAn  (N/mm2)(1)[1]

 

式中,F為鋼絲繩的拉伸載荷,N;ΣAn為鋼絲繩中所有鋼絲的斷面面積之和,mm2;K為應力分布不均勻系數,K=1·2

 

2)彎曲應力 鋼絲繩繞上卷筒或滑輪時,鋼絲因為彎曲會產生彎曲應力,而內部鋼絲之間互相擠壓出現細微變形也會產生彎曲應力。鋼絲繩中的鋼絲受到反復出現的載荷作用,在最弱和應力最大的地方先是形成裂紋,然后裂紋逐漸擴大,最終導致疲勞斷絲。

 

3)接觸擠壓應力 鋼絲繩與卷筒或滑輪表面接觸時,鋼絲所受的拉伸載荷不僅會使鋼絲之間產生擠壓應力,而且在鋼絲繩與卷筒或滑輪輪槽之間也會產生擠壓應力。在這些擠壓應力的作用下,鋼絲繩會發生快速的磨損,導致使用壽命大大降低。

 

4)扭轉剪切應力 鋼絲在鋼絲繩中呈螺旋形,位于鋼絲繩軸線上的拉伸載荷,有將鋼絲拉直的趨勢,從而使鋼絲受扭,產生扭轉剪切應力。盡管鋼絲繩應用的范圍十分廣泛,但人們對于

鋼絲繩臨界應力的研究相對較少,在實際的研究中,更多的是采用試驗的方法,例如拆股試驗、整繩破斷拉力試驗和疲勞試驗等。以往試驗的結果表明,在以上幾種受力狀態中,引起鋼絲繩外層鋼絲的疲勞、磨損直至破斷的主要因素是鋼絲繩繞過卷筒或滑輪時,反復出現的彎曲應力和接觸擠壓應力。

 

2 彎曲應力

1)滑輪或卷筒直徑大小對彎曲疲勞強度的影響 由于反復彎曲所引起的疲勞主要取決于卷筒或滑輪的直徑D與鋼絲繩直徑d的比值D /dD /d越小,彎曲應力越大。表1為通過試驗所得的數據。



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