捻制方式對鋼絲繩繩絲力學性能影響研究

段中強，趙子龍

(太原科技大學應用科學學院，太原030024)

鋼絲繩類產品的工作環境差[1]，且對鋼絲繩的分析非常復雜，以往的理論分析、結構設計以及損傷程度判斷，通常由設計者的經驗和大量的實驗決定[2]。這不僅需要高素質人員和高精度儀器，而且需要消耗大量人力、物力和財力，其結果也不一定達到要求。對鋼絲繩性能進行分析和研究已經有100多年的歷史[3]，在不同假設條件下也提出了不同的力學模型[4]。早期的力學模型多為國外科學家研究建立的。近年來，隨著研究的深入，國內在鋼絲繩理論研究方面也取得了很大進展。王世文[5]等分析并總結了彈性鋼絲繩的理論研究進展。張德坤[6]等對提升過程中由于繩中鋼絲的微動摩擦引起的繩絲磨損特性進行了深入研究。王桂蘭[7-8]等建立了捻制鋼絲繩的雙螺旋模型和彈塑性有限元模型，還成功地將有限元方法應用到鋼絲繩力學分析中。馬軍[9]等人對鋼絲繩股內鋼絲的載荷分布進行了研究。秦萬信[10]對鋼絲繩的一些設計參數進行了討論。劉方根[11]探討了繩股捻距不均的問題。梁清香[12]等對打結鋼絲繩的有限元數值模擬方法進行了研究。熊艷華[13]等論述了提升鋼絲繩的合理選用及防護。這些研究多集中在理論方面，從實驗層面對鋼絲繩類產品的研究還不是很多。

對6×19S+FC右交互捻及右同向捻鋼絲繩繩絲分別進行靜態實驗，得到它們的拉伸、彎折、扭轉實驗數據;對這些數據進行統計分析，分別得到它們的均值與方差，從實驗層面探討捻制方式對鋼絲繩繩絲力學性能的影響。另外，根據鋼絲繩結構特點，利用Solidworks軟件建立了繩絲計算模型，利用ANSYS軟件進行有限元的分析與計算，分析了鋼絲繩中繩絲的受力和變形情況，從數值模擬層面探討鋼絲繩捻制方式對繩絲力學性能的影響。研究表明，對于鋼絲繩繩絲力學性能而言，右交互捻優于右同向捻。

1 實驗研究

對6×19S+FC右同向捻和右交互捻鋼絲繩繩絲分別進行拉伸、彎折、扭轉實驗，實驗繩股內、外層鋼絲及中心絲絲徑分別為1.2 mm，2.1 mm和2.4 mm.實驗時，兩種規格鋼絲繩(右同向捻和右交互捻)各取8根繩樣(注:兩種繩樣的生產廠家、繩徑、絲徑及公稱抗拉強度均相同，只是捻向不同)，每根繩樣抽取三股進行試驗，每股中內外層鋼絲數目同為9根，中心處為1根中心絲。這樣，每種鋼絲繩繩樣測得480組實驗數據(每根絲的拉伸、彎折、扭轉的實驗數據稱為一組)，外層絲、內層絲各216組，中心絲為48組(中心絲只進行拉伸實驗)。

1.1 繩絲拉伸實驗

采用WJ-10B型機械式萬能試驗機對繩樣外層絲、內層絲進行拉伸實驗，得到其破斷拉力值。對這些拉伸實驗數據進行合理的統計分析，分析結果見表1.

表1 繩絲破斷拉力統計結果(kN)Tab.1 Statistical analysis on ultimate force of wire(kN)

從表1可以看出，6×19S+FC右交互捻鋼絲繩繩絲中外層絲與內層絲的破斷拉力均值均略大于右同向捻鋼絲繩外層絲與內層絲的破斷拉力均值，且前者的均方差低于后者。這表明，就繩絲拉伸性能及其拉伸性能穩定性而言，右交互捻優于右同向捻。

1.2 繩絲彎折實驗

采用WJJ-6C型機動式彎折試驗機對繩樣外層絲、內層絲進行彎折實驗，得到其彎曲折斷次數。對這些彎折實驗數據進行統計分析，分析結果見表2.

表2 彎曲折斷次數統計結果(次數)Tab.2 Statistical analysis on bending times of wire(times)

從表2可以看出，6×19S+FC右交互捻鋼絲繩繩絲中外層絲與內層絲的彎曲折斷次數均值均略大于右同向捻鋼絲繩外層絲與內層絲的彎曲折斷次數均值，且前者的均方差低于后者。研究表明，就繩絲彎折性能及其彎折性能穩定性而言，右交互捻要優于右同向捻。

1.3 繩絲扭轉實驗

采用EJJ-3型線材扭轉試驗機分別對繩樣外層絲、內層絲進行扭轉實驗，得到其扭斷次數。對得到的實驗數據進行合理的統計分析，分析結果見表3.

表3 扭斷次數統計結果(次數)Tab.3 Statistical analysis on torsion times of wire(times)

從表3可以看出，6×19S+FC右同向捻鋼絲繩外層絲與內層絲扭斷次數的均值均低于右交互捻鋼絲繩外層絲與內層絲的相應值，且前者的均方差要高于后者;根據分析數據還需要注意的是，兩種結構繩樣的內層絲與外層絲扭斷次數的方差都比較大。這也就表明，兩種繩樣的繩絲扭轉性能穩定性都不太好，但在此基礎上，就繩絲的扭轉性能及其穩定性而言，右交互捻要優于右同向捻。此外，還需要說明的是，依據機構能力標準AQ8006-2010及相關檢測標準判斷，在右交互捻鋼絲繩中無扭轉不合格的繩絲，而在右同向捻鋼絲繩中則出現了扭轉不合格的繩絲。

綜上所述，實驗結果表明，對于鋼絲繩繩絲力學性能，右交互捻優于右同向捻。

2 鋼絲繩繩絲模型的建立及其數值模擬

利用Solidworks軟件建立6×19S+FC右同向捻和右交互捻鋼絲繩繩絲的有限元模型。再利用ANSYS軟件對繩絲進行有限元分析，分析內容包括繩絲的等效應力、橫截面正應力、橫截面剪應力及繩絲變形量。最終得出繩絲的等效應力，截面應力和總變形的模擬數據。

2.1 鋼絲繩繩絲模型

利用Solidworks軟件分別建立起了6×19S+FC右同向捻和右交互捻的繩絲模型如圖1和圖2所示。

2.2 6×19S+FC鋼絲繩繩絲網格的劃分

在創建繩絲的有限元模型時，為了使有限元模型能夠較好地反映實際情況，定義單元類型為8節點的實體單元Solid45.為了使模型網格均勻致密，以利于后續計算，網格劃分時的體單元選取網格精度較好的六面體。此外，建模時采用了曲線邊界。

圖1 6×19S+FC右同向鋼絲繩側絲模型Fig.1 The side wire model of the 6 ×19S+FC right lang lay wire rope

圖2 6×19S+FC右交互鋼絲繩側絲模型Fig.2 The side wire model of the 6 ×19S+FC right regular lay wire rope

圖3 6×19S+FC右同向捻鋼絲繩繩絲網格劃分型Fig.3 The side wire mesh generation of 6 ×19S+FC right lang lay wire rope

圖4 6×19S+FC右交互捻鋼絲繩繩絲網格劃分 Fig.4 The side wire mesh generation of 6 ×19S+FC right regular lay wire rope

2.3 數值計算與結果分析

鋼絲繩的受力問題屬于小應變大轉動幾何非線性彈塑性問題。所以，工作時繩股內鋼絲橫截面存在著較大轉動。本節研究6×19S+FC右同向捻與右交互捻鋼絲繩中繩絲的應力分布和變形規律。在有限元模型中，一端固定，另一端自由，在自由端的節點上施加上集中載荷。

(1)6×19S+FC右同向捻鋼絲繩繩絲

對6×19S+FC右同向捻鋼絲繩繩絲的等效應力、橫截面正應力、橫截面剪應力和繩絲總變形進行數值計算，計算結果如圖5-圖8所示。

圖5 右同向捻鋼絲繩繩絲等效應力Fig.5 The side wire equivalent stress of the right lang lay wire rope

圖6 右同向捻鋼絲繩繩絲橫截面正應力Fig.6 The side wire cross-sectional normal stress of the right lang lay wire rope

(2)6×19S+FC右交互捻鋼絲繩繩絲

對6×19S+FC右交互捻鋼絲繩繩絲的等效應力、橫截面正應力、橫截面剪應力和繩絲總變形進行數值計算，計算結果如圖9-圖12所示。

對6×19S+FC右同向捻鋼絲繩與右交互捻鋼絲繩繩絲模型的數值模擬結果比較分析，可以看出:右同向捻鋼絲繩的繩絲等效應力、繩絲橫截面正應力、繩絲橫截面剪應力和繩絲總變形的數值均比右交互捻時相應的數值大。數值模擬結果表明，對于鋼絲繩繩絲力學性能，右交互捻優于右同向捻。

圖7 右同向捻鋼絲繩繩絲橫截面剪應力Fig.7 The side wire cross-sectional shear stress of the right lang lay wire rope

圖8 右同向捻鋼絲繩繩絲總變形Fig.8 The side wire total deformation of the right lang lay wire rope

圖9 右交互捻鋼絲繩繩絲等效應力Fig.9 The side wire equivalent stress of the right Regular lay wire rope

圖10 右交互捻鋼絲繩繩絲橫截面正應力Fig.10 The side wire cross-sectional normal stress of the right regular lay wire rope

圖11 右交互捻鋼絲繩繩絲橫截面剪應力Fig.11 The side wire cross-sectional shear stress of the right regular lay wire rope

圖12 右交互捻鋼絲繩繩絲總變形Fig.12 The side wire total deformation of regular lay wire rope

3 結論

首先對6×19S+FC右同向捻及右交互捻鋼絲繩繩絲進行靜態實驗，分別得到它們拉伸、彎折、扭轉的實驗數據;對這些實驗數據進行合理的統計分析，計算出它們的均值與方差，從實驗層面探討捻制方式對鋼絲繩繩絲力學性能的影響。其次，運用Solidworks軟件建立起了6×19S+FC右同向捻及右交互捻鋼絲繩繩絲的有限元模型，并運用ANSYS軟件對鋼絲繩中繩絲的受力和變形情況進行了數值計算和分析，從數值模擬層面探討捻制方式對鋼絲繩繩絲力學性能的影響。通過實驗研究和數值模擬得出以下結論:

(1)交互捻鋼絲繩繩絲的拉伸、彎折及扭轉性能均優于同向捻鋼絲繩;

(2)右交互捻鋼絲繩繩絲的等效應力、繩絲橫截面上的正應力、剪應力以及繩絲總變形的數值均明顯低于右同向捻鋼絲繩繩絲的相應數值;

(3)實驗研究和數值模擬結果均表明，對于6×19S+FC鋼絲繩繩絲力學性能，右交互捻優于右同向捻。

應當說明的是，本文只是對6×19S+FC這一結構的鋼絲繩進行了實驗研究和數值模擬，并未對其它結構的鋼絲繩進行研究，結論是否適用于其它結構的鋼絲繩，有待進一步的研究。

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