鋼絲繩失效機(jī)理研究綜述

客圣俊 王 慧 宋 寶 崔衛(wèi)華 張建彪

（濟(jì)南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250022）

1 鋼絲繩概述

鋼絲繩是一種柔性的空間螺旋結(jié)構(gòu)鋼制品，具有承載能力大、彎曲柔韌性好、運(yùn)動平穩(wěn)無噪音等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于牽引作業(yè)（架空索道、客運(yùn)纜車）和運(yùn)輸有效載荷（起重機(jī)、電梯、礦井提升）等領(lǐng)域[1-2]。以上應(yīng)用場合的特殊性使得鋼絲繩的安全使用變得尤為重要。因此，研究鋼絲繩的失效機(jī)理具有十分重要的工程價值和理論研究意義。鋼絲繩長期處于摩擦、潮濕和腐蝕等張緊載荷下的工作環(huán)境中，承受著反復(fù)的拉扯、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷作用，因此，鋼絲繩的主要失效機(jī)理表現(xiàn)為磨損、疲勞和腐蝕三種情形[3]。復(fù)雜工況下承受交變載荷或機(jī)械振動的作用，股與股和絲與絲之間會發(fā)生微小幅度的滑動，從而產(chǎn)生微動。所謂微動通常是指在機(jī)械振動、疲勞載荷、電磁振動或熱循環(huán)交變載荷作用下，接觸表面間發(fā)生振幅極小的相對運(yùn)動（位移幅度一般為數(shù)微米至數(shù)百微米）[4]。微小振幅產(chǎn)生的微動磨損、微動磨損與循環(huán)的拉伸載荷或彎曲載荷共同作用發(fā)生的微動疲勞和接觸區(qū)域的腐蝕，將引起鋼絲表面的裂紋萌生、擴(kuò)展，最終產(chǎn)生斷裂失效。一旦鋼絲繩失效斷裂將導(dǎo)致重大事故，危及人員的生命安全。因此，有必要對鋼絲繩失效機(jī)理研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對其下一步研究熱點(diǎn)進(jìn)行探討，以期為鋼絲繩強(qiáng)度設(shè)計和鋼絲繩壽命預(yù)估提供理論依據(jù)。

2 鋼絲繩微動磨損研究

根據(jù)鋼絲繩在牽引作業(yè)及提升工況等中的應(yīng)用，鋼絲繩磨損主要分為外部磨損和內(nèi)部磨損兩種形式，外部磨損主要是指鋼絲繩與滑輪槽、鉤頭等表面接觸產(chǎn)生的磨損，內(nèi)部磨損主要發(fā)生在內(nèi)、外股接觸鋼絲上。而在交變載荷作用下內(nèi)、外股之間的相對運(yùn)動將會產(chǎn)生鋼絲之間的微動磨損（如圖1所示）。影響微動磨損的因素主要有：幾何形狀、材料性能（如硬度、強(qiáng)度、抗疲勞性能、延展性等）、微動條件（如接觸載荷、微動振幅、微動頻率和循環(huán)周次）、環(huán)境因素（如濕度、溫度、潤滑劑以及其他化學(xué)環(huán)境）[5]。國內(nèi)外學(xué)者主要從微動磨損模型和微動磨損試驗(yàn)兩個方面對鋼絲繩微動磨損進(jìn)行研究。

圖1 微動磨損示意圖

2.1 微動磨損模型

在微動磨損模型方面，張德坤教授針對提升鋼絲繩，在僅考慮機(jī)械參數(shù)情況下，根據(jù)鋼絲微動磨損深度和pv值（p為接觸應(yīng)力、v為微動速度）、pvt值（t為微動時間）之間的線性關(guān)系，建立了鋼絲微動磨損理論模型[6]：

式中，h(t)為微動磨損深度，a0為常數(shù)，R為鋼絲半徑，A為微動振幅，f為往復(fù)頻率。

鋼絲繩繞進(jìn)繞出滑輪的瞬間，鋼絲與輪槽之間出現(xiàn)微位移，進(jìn)而產(chǎn)生微動切削磨損、粘著磨損和氧化磨損。浦漢軍[7]研究了18×7起重機(jī)用不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，推導(dǎo)出其經(jīng)過卷筒和滑輪時鋼絲的外部相對磨損量I：~

式中，E為當(dāng)量彈性模量；?為粗糙度綜合系數(shù)；K1為表面上單位不平度沿高度分布所決定的系數(shù)；a為重疊系數(shù)；Ktv為疲勞特性系數(shù)；ty為摩擦疲勞曲線參數(shù)；k為表征接觸處應(yīng)力狀態(tài)特性系數(shù)；fM為摩擦系數(shù)分子分量；σ0為一次拉伸破壞應(yīng)力。

谷海濤[8]針對起重機(jī)用不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，通過分析直線段和彎曲段載荷譜，建立了內(nèi)股側(cè)絲磨損深度Wh模型：

式中，kws為磨損系數(shù)；Pwear為法向載荷；Aa,1、Aa,2分別為鋼絲磨損前后的理論接觸面積；σy為屈服極限；△S為滑動距離。

謝小鵬等[9]將高揚(yáng)程起吊用不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩內(nèi)外層鋼絲微動磨損形狀假定為橢圓或圓形，推導(dǎo)出接觸應(yīng)力σ和磨損深度h(t)的關(guān)系式：

式中，pws為外股側(cè)絲軸向力；β為鋼絲間夾角；d1為內(nèi)層鋼絲直徑。

Argatov等[10]和王大剛[3]針對礦井提升鋼絲繩，基于Archard-Kragelsky模型建立了鋼絲微動磨損數(shù)學(xué)模型，圖2（a）、（b）、（c）分別為兩鋼絲平行接觸、垂直交叉、任意角交叉時的情形，式（5）～式（7）分別為三種情形下對應(yīng)的磨損量：

式中，WP、W為磨損體積；R為鋼絲半徑；a為線性磨痕寬度；a0為初始接觸半徑；R3、R4為上、下接觸鋼絲半徑；h為磨損深度。

鋼絲接觸示意圖如圖2所示。

圖2 鋼絲接觸示意圖

2.2 微動磨損試驗(yàn)

為驗(yàn)證微動磨損模型的合理性，進(jìn)一步分析鋼絲繩失效機(jī)理，有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了微動磨損試驗(yàn)研究。圖3為交叉接觸鋼絲微動磨損原理圖，圖4為交叉角φ=18°時鋼絲微動接觸磨痕。驗(yàn)證了微動磨損深度與微動參數(shù)關(guān)系模型的合理性[11-12]。

圖3 鋼絲磨損原理圖

圖4 交叉角為18°時鋼絲微動接觸磨痕

廖紅衛(wèi)[13]截取6×WS（36）IWRC鋼絲繩斷絲斷口制成金相樣品，運(yùn)用掃描電子顯微鏡分析其顯微組織，發(fā)現(xiàn)交變接觸應(yīng)力下的短行程相對運(yùn)動導(dǎo)致了股芯鋼絲的微動磨損。沈燕等[14]和張德坤等[15-17]將礦井提升鋼絲繩拆股為鋼絲制成90°相互對摩的形式（如圖5所示），運(yùn)用自制的微動摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，考察不同接觸載荷對鋼絲的微動磨損行為的影響，并用X-射線能譜分析儀分析磨痕的化學(xué)成分，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)載荷較大、試驗(yàn)時間較短時，主要磨損機(jī)制為粘著磨損，一般情況下，呈現(xiàn)疲勞和坑蝕脫落跡象。認(rèn)為鋼絲損傷機(jī)制主要為磨粒磨損、疲勞磨損和摩擦氧化。

圖5 鋼絲試樣間微動磨損滑動簡圖

蒲漢軍[7]和賈尚雨[18]針對起重機(jī)用不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，運(yùn)用鐵譜分析技術(shù)，在鐵譜分析顯微鏡下得到磨損磨粒圖譜（如圖6所示），球狀磨粒、層次磨粒磨損機(jī)理為疲勞磨損，而滑動磨損磨粒產(chǎn)生機(jī)理為粘著磨損，分析認(rèn)為較為嚴(yán)重的內(nèi)部磨損和疲勞損傷是不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩失效的主要原因。

圖6 磨損磨粒圖譜

3 鋼絲繩微動疲勞研究

微動疲勞（如圖7所示）是指在外界壓力、機(jī)械振動或熱循環(huán)等交變載荷作用下，名義上靜止的接觸表面間發(fā)生微幅相對運(yùn)動（通常在微米量級），促使疲勞裂紋早期萌生和加速擴(kuò)展，并導(dǎo)致構(gòu)件過早破壞的現(xiàn)象。按承載類型可歸納為三種基本模式（拉壓微動疲勞、彎曲微動疲勞和扭轉(zhuǎn)微動疲勞）和兩種復(fù)合模式（拉扭復(fù)合微動疲勞和旋轉(zhuǎn)彎曲微動疲勞）[19]。

圖7 微動疲勞示意圖

3.1 微動疲勞模型

鋼絲繩微動疲勞研究主要集中在理論建模和失效機(jī)理試驗(yàn)研究。理論建模方面，針對礦井提升鋼絲繩，主要基于線彈性斷裂力學(xué)和引入歸一化應(yīng)力強(qiáng)度因子，得到鋼絲裂紋擴(kuò)展壽命

式中，h為微動磨損深度；h1為初始裂紋深度；hf為斷裂時裂紋深度；C、m為材料常數(shù)；△K為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍。

Li等[20]研究了吊橋用鋼絲繩，引入可描述從微觀到宏觀的材料損傷過程的約束應(yīng)力帶，建立了宏/微雙尺度邊緣裂紋模型，表達(dá)式為：

3.2 微動疲勞試驗(yàn)

鋼絲繩微動疲勞失效僅從理論模型分析是不夠的，必須通過試驗(yàn)進(jìn)一步研究。通過拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)，分析拉伸載荷下鋼絲繩的伸長量和斷面形貌，進(jìn)而研究鋼絲繩的失效形式[21]。在液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上對微動磨損試驗(yàn)后的鋼絲試樣進(jìn)行拉-拉疲勞試驗(yàn)。利用掃描電鏡觀察試樣磨痕和磨屑的表面形貌，發(fā)現(xiàn)鋼絲試樣的疲勞壽命與磨損深度成反比[16]。Argatov學(xué)者通過滑輪疲勞試驗(yàn)機(jī)（如圖8所示）對絞合鋼絲繩進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，建立了鋼絲間滑移距離和接觸力與繩-輪比的關(guān)系，研究了彎曲狀態(tài)下鋼絲繩的微動疲勞性能[10]，確立了三種不同的磨損形式：芯股芯絲和內(nèi)層絲間的磨痕、外層股芯絲和內(nèi)層絲間的磨痕（A型）、外層相鄰股鋼絲間的磨痕（B型）。指出應(yīng)考慮磨損系數(shù)對接觸壓力的依賴性。

Giglio等[22]針對直升機(jī)救援用鋼絲繩，使用臥式脈動試驗(yàn)機(jī)對中心鋼絲試樣進(jìn)行軸向疲勞試驗(yàn)（疲勞極限和疲勞強(qiáng)度行為），得到疲勞行為與應(yīng)力曲線。將小直徑不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩在鋼絲繩-滑輪綜合疲勞試驗(yàn)臺上進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)（如圖9所示），結(jié)果表明，鋼絲繩繞過滑輪時由于彎曲造成的內(nèi)部疲勞是其失效的最主要原因[7]。

4 腐蝕

大濕度、高鹽堿等惡劣環(huán)境往往使鋼絲繩表面發(fā)生腐蝕（如圖10所示），致使鋼絲截面產(chǎn)生變化，性能下降。此外，受復(fù)雜應(yīng)力作用，極易造成應(yīng)力腐蝕開裂，導(dǎo)致鋼絲繩失效[23]。

圖10 腐蝕示意圖

圖9 疲勞試驗(yàn)原理圖

圖8 試驗(yàn)機(jī)原理圖

一般運(yùn)用定量分析法評價腐蝕程度。吳佳東[24]根據(jù)均勻腐蝕和局部腐蝕兩個評價指標(biāo)，闡述了腐蝕評定方法。Zhang等[25]和沈燕等[26]在干摩擦和3種腐蝕溶液（酸性、中性、堿性）條件下，對6×19提升鋼絲繩開展微動損傷試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，干摩擦條件下的磨損機(jī)理為磨粒磨損、疲勞磨損和氧化磨損，而腐蝕性溶液中的磨損機(jī)理為磨粒磨損和電化學(xué)腐蝕磨損。Périer等[27-28]對橋梁工程鋼絲在氯化鈉溶液、水溶液和空氣中進(jìn)行微動疲勞試驗(yàn)，借助掃描電子顯微鏡分析了斷口微觀形貌，結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，對比空氣，氯化鈉溶液對微動疲勞壽命沒有顯著影響。同時，在空氣和水溶液中進(jìn)行了鋼絲接觸的微動測試（增量位移測試和固定位移測試），發(fā)現(xiàn)損傷機(jī)理取決于微動循環(huán)的次數(shù)和鋼絲之間的相對位移。

圖11 斷口形貌

5 結(jié)論

近年來關(guān)于鋼絲繩失效機(jī)理的研究越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，尤其在微動磨損、微動疲勞和腐蝕等方面進(jìn)行了理論模型建立和試驗(yàn)研究，取得了一系列令人矚目的成果。

（1）針對礦井提升用、起吊用以及橋梁用鋼絲繩等不同工況進(jìn)行了微動磨損、微動疲勞和腐蝕方面的研究，建立了微動磨損、微動疲勞理論模型，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)比對驗(yàn)證。

（2）研究結(jié)果表明，礦井提升和起重機(jī)用鋼絲繩的失效機(jī)理主要為粘著磨損和疲勞磨損，而大濕度、高鹽堿等惡劣環(huán)境下如橋梁工程用鋼絲繩其磨損主要為磨粒磨損和電化學(xué)腐蝕磨損。

（3）目前，就不同工況下三種失效機(jī)理分別進(jìn)行了理論分析及試驗(yàn)研究，而綜合分析幾種失效機(jī)理之間的相互耦合作用，從而更加科學(xué)地預(yù)測鋼絲繩使用壽命或?qū)⒊蔀殇摻z繩研究方向之一。

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