鋼絲繩彎曲疲勞與磨損試驗研究

潘海寧，王保衛(wèi)

（深圳市特種設備安全檢驗研究院，廣東深圳 518000）

0 引言

鋼絲繩內(nèi)部出現(xiàn)磨損與疲勞斷絲、斷股的缺陷，極大地降低了使用壽命。對鋼絲繩的內(nèi)部磨損與疲勞破壞的檢測缺乏有效的辦法，使得其在使用中存在極大的安全隱患。鋼絲繩結構復雜，理論分析受力計算也比較困難。1993年朱永剛、劉桂森[1]和黃江水[2]就在疲勞試驗機進行過鋼絲繩疲勞試驗情況的研究。隨著鋼絲繩的使用量越來越大，迫切需要對鋼絲繩的摩擦磨損及疲勞壽命等方面的試驗研究。本文依據(jù)GB/T12347-2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗方法》，利用鋼絲繩彎曲疲勞試驗機進行了鋼絲繩彎曲疲勞試驗。

1 試驗目的和方法

（1）試驗目的

測試試驗鋼絲繩樣品在給定試驗條件下，隨繞試驗滑輪彎曲次數(shù)的累積，試驗鋼絲繩樣品外層鋼絲磨損規(guī)律、鋼絲繩表面鋼絲斷絲發(fā)展變化規(guī)律，測定試驗鋼絲繩樣品在給定試驗張力、試驗頻率、包角、彎曲比（D/d）、試驗行程、試驗段有效長度、報廢條件等試驗條件下的彎曲疲勞壽命。

（2）試驗方法

在電液伺服式全自動鋼絲繩彎曲疲勞試驗機上，依據(jù)GB/T12347-2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗方法》，對試驗鋼絲繩施加給定試驗張力，通過自動控制的傳動裝置驅動卷筒作正、反向旋轉運動，拖動試驗鋼絲繩繞試驗輪進行彎曲疲勞試驗，同時定期對試驗鋼絲繩外層鋼絲的磨損、斷絲等損傷情況進行測量。

（3）試驗輪、導向輪參數(shù)

試驗輪：外徑700 mm；內(nèi)徑610 mm；繩槽半徑17 mm。

導向輪：外徑1 230 mm；內(nèi)徑1 120 mm；繩槽半徑20 mm。

試驗輪、導向輪的其他參數(shù)符合GB/T12347-2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗方法》的相關要求。

2 試驗參數(shù)

（1）試驗張力

式中：F為試樣的最小破斷拉力值[3]，kN；F′為試樣施加的張力值，kN；K為安全系數(shù)，可根據(jù)用戶使用時的安全系數(shù)選取。

本次試驗的試驗張力為180 kN。

（2）試驗包角

平面單向彎曲疲勞試驗中，試驗鋼絲繩繞入和繞出試驗輪兩切點法線所形成的角度，本次試驗經(jīng)雙方協(xié)商后確定的試驗包角為180°，如圖1所示。

（3）試驗段長度

圖1 試驗結構

試驗段長度取6倍鋼絲繩捻距，鋼絲繩捻距約為7倍鋼絲繩直徑，直徑32 mm的鋼絲繩的試驗段長度為7×6×32 mm=1 344 mm。本次試驗經(jīng)雙方協(xié)商后確定的試驗鋼絲繩有兩個試驗段，每個試驗段長度為2 000 mm。

（4）試驗行程

平面單向彎曲、試驗鋼絲繩在試驗輪上的包角為180°，鋼絲繩試驗段完全繞過試驗輪所走的總行程，試驗行程計算示意如圖1，上試驗段完全經(jīng)過試驗輪，經(jīng)計算試驗行程為3 008 mm，取3 010 mm。

（5）試驗頻率

試驗頻率可以在10～12次/min內(nèi)任意調整，允許偏差為±1次/min；鋼絲繩彎曲疲勞試驗機的啟動、停止的加速度為0.5 m/s2，完成1個平面單向彎曲鋼絲繩的試驗行程為3 010 mm，鋼絲繩彎曲疲勞試驗機完成1個平面單向彎曲的速度時間曲線如圖2所示，由圖計算出完成一個疲勞循環(huán)所用的時間約為5.04 s，試驗頻率為11.90次/min。

圖2 速度時間計算

（6）集中斷絲區(qū)

試驗過程中發(fā)現(xiàn)集中出現(xiàn)大量斷絲的區(qū)域，如圖1中的1 008 mm長度的圓弧段區(qū)域。

（7）直徑等值減少量計算

式中：dref為參考直徑（鋼絲繩開始使用后立即在沒有經(jīng)受彎曲的區(qū)段上測量的實測直徑）；dm為實測直徑（在兩個互相垂直的方向上測量的鋼絲繩同一橫截面外接圓直徑的平均值，本次試驗中的實測直徑為在試驗段上3個相距500 mm位置測量的6個直徑數(shù)據(jù)的平均值，如圖3所示的黑點標記處）；d為公稱直徑（鋼絲繩直徑規(guī)格的約定值）。

圖3 試驗段鋼絲繩直徑測量位置

3 鋼絲繩彎曲疲勞試驗依據(jù)

試驗標準：GB/T12347-2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗方法》[4]；GB/T8358-2014《鋼絲繩實際破斷拉力測定方法》[5]。

鋼絲繩報廢標準：GB/T5972-2016《起重機鋼絲繩保養(yǎng)、維護、安裝、檢驗和報廢》[6]中規(guī)定的報廢基準，等同于ISO4309:2010[7]中相應的條款。具體內(nèi)容為：可見斷絲（6d長度范圍內(nèi)斷絲9根，或30d長度范圍內(nèi)斷絲18根），或直徑減少（直徑的等值減少量達到7.5%），或斷股（出現(xiàn)斷股）。

4 試驗結果

4.1 試驗段鋼絲繩的整體磨損

試驗過程中分別對上下兩個試驗段試驗鋼絲繩的磨損情況進行了測量，鋼絲繩直徑隨彎曲疲勞次數(shù)變化曲線如圖4所示。

圖4 直徑隨彎曲疲勞次數(shù)變化曲線

圖5 斷絲總數(shù)與彎曲疲勞次數(shù)關系

4.2 試驗段鋼絲繩直徑等值減少量

上試驗段：dref=32.47，dm=32.13，d=32.00；下試驗段：dref=32.39，dm=32.20，d=32.00。

由此計算出的試驗段鋼絲繩直徑等值減少量如下：

上下試驗段鋼絲繩直徑等值減少量都沒有達到GB/T5972-2016《起重機鋼絲繩保養(yǎng)、維護、安裝、檢驗和報廢》中規(guī)定的報廢基準（直徑的等值減少量達到7.5%）。

4.3 試驗鋼絲繩表面斷絲

鋼絲繩表面斷絲全部出現(xiàn)在集中斷絲區(qū)，合計斷絲數(shù)為20，斷絲總數(shù)與彎曲疲勞次數(shù)關系如圖5所示?？梢姅嘟z數(shù)已經(jīng)達到了報廢標準規(guī)定的6d長度范圍內(nèi)斷絲9根或30d長度范圍內(nèi)斷絲18根。

鋼絲繩表面斷絲如圖6所示，第1次斷絲、第2次斷絲、第3次斷絲均為股頂斷絲，如圖7所示，鋼絲繩股表面被壓平部位為股頂，股頂斷絲共4根；其余斷絲均為股溝斷絲，股溝斷絲共16根，如圖8所示。

原因分析：隨著上試驗段完全經(jīng)過試驗輪進行一次平面單向彎曲，集中斷絲區(qū)相當于從一個試驗輪出來又完全進入下一個試驗輪，也就是說集中斷絲區(qū)進行了一次平面雙向S型彎曲，導致了圖1中的1 008 mm長度的圓弧段區(qū)域出現(xiàn)大量斷絲，而其他任何試驗區(qū)域都沒有出現(xiàn)斷絲。

圖6 鋼絲繩表面斷絲（在試驗機上）

圖7 鋼絲繩表面斷絲（股頂斷絲）

圖8 鋼絲繩表面斷絲（股溝斷絲）

4.4 試驗鋼絲繩拆股斷絲統(tǒng)計

如圖9所示，將試驗鋼絲繩外層股按從上往下順序編號為股1～8，每股的最左側白色標記為股編號標簽，其余位置的每個白色標簽至少代表1個斷絲點，卷尺顯示長度為1.10 m，每股的斷絲數(shù)如表1所示。股4和股6被截取的部分用于做鋼絲繩表面斷絲斷口、金相、成分等分析，截取部分包含6個完整斷絲點（即表1中的+4和+2），斷絲嚴重區(qū)域如圖10所示。合計斷絲數(shù)為76，與試驗至報廢時在試驗機上數(shù)出的表面斷絲數(shù)20差別很大，說明了試驗鋼絲繩的斷絲既有外層股的表面可見斷絲也有外層股的表面不可見斷絲。

圖9 外層股鋼絲繩拆股斷絲位置

表1 斷絲數(shù)統(tǒng)計

圖10 外層股嚴重斷絲區(qū)

拆解外層股后，去除內(nèi)層股表面的填充物，內(nèi)層股拆解如圖11所示，鋼絲繩內(nèi)層股編號為股1～6（圖中從上往下順序為股1～7，股7為繩芯，每股的最左側白色標記為股編號標簽，其余位置的每個白色標簽至少代表1個斷絲點，卷尺顯示長度為1.10 m），內(nèi)層股表面可見斷絲數(shù)合計為22，繩芯表面可見斷絲數(shù)為10，合計斷絲數(shù)為32。內(nèi)層股嚴重斷絲區(qū)如圖12所示。

綜上所述，將試驗鋼絲繩拆解后，外層股、內(nèi)層股、繩芯合計斷絲數(shù)合計為76+32=108。

圖11 內(nèi)層股鋼絲繩拆股斷絲位置

圖12 內(nèi)層股嚴重斷絲區(qū)（直股為繩芯）

4.5 試驗鋼絲繩彎曲疲勞壽命

試驗鋼絲繩彎曲疲勞壽命為19 534次。

4.6 破斷拉伸試驗

破斷拉伸試驗采用《GB/T8358-2014鋼絲繩實際破斷拉力測定方法》中5.3條套壓法試樣制備破斷拉伸鋼絲繩試樣，試樣最小有效長度為30d～2 000 mm。

破斷拉伸鋼絲繩試樣1：在鋼絲繩彎曲疲勞試驗機驅動卷筒上最外側選取一段，這一段鋼絲繩在進行鋼絲繩彎曲疲勞試驗機一直在驅動卷筒上，受到鋼絲繩彎曲疲勞試驗影響較小，截取長度5 m的鋼絲繩，制作破斷拉伸鋼絲繩試樣1，在300 t臥式拉力試驗機[8]上進行破斷拉伸試驗。

破斷拉伸鋼絲繩試樣2：試驗后，選取試驗鋼絲繩上一端選在集中斷絲區(qū)的端點，表面完好，沒有達到報廢條件的試驗鋼絲繩上截取長度5 m的鋼絲繩，制作破斷拉伸鋼絲繩試樣2，在300 t臥式拉力試驗機上進行破斷拉伸試驗。

試樣1破斷拉伸試驗曲線如圖13所示，最大拉伸力為849.0 kN。試樣2破斷拉伸試驗曲線如圖14所示，最大拉伸力為836.7 kN，與試樣1相比，試樣2破斷拉力沒有明顯降低。

圖13 試樣1破斷拉伸試驗曲線

圖14 試樣2破斷拉伸試驗曲線

5 結束語

試驗鋼絲繩進行了19 534次平面單向彎曲疲勞試驗后，試驗前后試驗鋼絲繩所能承受的拉力沒有明顯損失，但表面可見斷絲為20根，拆開外層股、內(nèi)層股后，外層股、內(nèi)層股及繩芯的表面斷絲達到了108根，通過試驗驗證了鋼絲繩整繩表面可見斷絲僅僅是鋼絲繩全部斷絲的一小部分，大部分斷絲都隱藏在鋼絲繩的內(nèi)部。