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鋼絲繩應(yīng)力場與疲勞壽命研究

文檔作者：魯信輝馬平王志勇文檔來源： 1廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 2建峰索具有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月08日
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第10期
2014年10月
機械設(shè)計與制造
Machinery Design &amp;amp; Manufacture 119
鋼絲繩應(yīng)力場與疲勞壽命研究
魯信輝-，馬平 ，王志勇
(1廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州510006；
2建峰索具有限公司，廣東廣州511356)
摘要：鋼絲繩以獨特的螺旋結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于起重裝備中，其應(yīng)力與疲勞壽命特性是評價鋼絲繩工作性能的重要指標(biāo)。
基于SolidWo~s—ANSYS平臺，運用空間扭曲特征建立一個完整捻距鋼絲繩模型，結(jié)合虛擬疲勞壽命分析方法，對不同鋼
絲捻矩6x7+IWS型鋼絲繩進行應(yīng)力與疲勞壽命有限元分析。通過分析發(fā)現(xiàn)，6x7+IWS型鋼絲繩芯股主要承擔(dān)著軸向載
荷的作用，鋼絲捻距的大小影響著鋼絲繩的應(yīng)力分布特性，同時應(yīng)力大小決定著鋼絲繩的疲勞壽命，應(yīng)力越大疲勞壽命
越小。研究結(jié)果表明，選取合適的鋼絲捻距值，直徑、側(cè)股捻距的6x7+IWS型鋼絲繩采用鋼絲捻距，能有效改善鋼絲繩應(yīng)
力分布和提高疲勞壽命，更好的滿足工作要求。
關(guān)鍵詞：鋼絲繩；捻距；應(yīng)力分析；疲勞壽命；FEA
中圖分類號：TH16；TD532 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1001—3997(2014)10—0119—04
The Research of Stress Field and Fatigue Life of the 6x7+IW S Steel Wire Ropes
LU Xin-hui ，MA Ping ，WANG Zhi—yong2
(1．Faculty of Electrical and Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangdong Guangzhou 5 10006，
China；2．Jianfeng SLING Co．，Ltd．，Guangdong Guangzhou 51 1356，China)
Abstract：The steel wire ropes are widely used in the lifting equipment by the unique spiral structure，and the stress and
fatigue life characteristics are grate indices ofpe~rmance evaluation on the steel wire ropes．Based on SolidWo~s ANSYS
platform，it used a new type ofspatial method ofdistorting modeling and virtualfatigue to conduct a加加element
analysis ofthe stress andfatigue life ofdifferent lay lengths steel wire ropes of6x7+IWS．Through the analysisfound that the
core of this type of steel wire ropes m ， share the axial loads，the wire lay length affect~the characteristic of stress
distribution ofthe steelwire rope，meanwhile the stress determines the向 life ofthe steelwire rope，the largerthe stress，
the less ofthef~igue life．The research shows that selecting the appropriate wire lay length，the diameter ofand the outer
，emoral lay length of 6x7+IWS wire rope which using the wire lay length Can effectively improve the wire rope stress
distribution and thefatigue life，and to better meet thejob requirements
KeyW ords：SteelW ireRopes；Laylength；StressAnalysis；FatigueLife；FEA
1引言
鋼絲繩是一種由鋼絲捻制成股、股捻制成繩的螺旋體，具有
撓性好、承載力強、傳動平穩(wěn)、耐磨性強和自重輕、獨特的螺旋結(jié)
構(gòu)等優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用于船舶運輸、礦山機械、海洋工程、航空航
天等領(lǐng)域。鋼絲繩內(nèi)部的應(yīng)力分布影響著鋼絲繩的使用壽命，決
定著鋼絲繩的工作性能。鋼絲繩以捻距為基本的長度單位，捻距
是鋼絲繩設(shè)計、生產(chǎn)、選購的重要參數(shù)之一。捻距小，鋼絲繩伸長
大受力較大；捻距大鋼絲繩結(jié)構(gòu)松散，受力不均勻，均降低了鋼絲
繩的疲勞壽命，造成鋼絲繩提前報廢，捻距是影響鋼絲繩的應(yīng)力
與疲勞壽命特『生重要因素[11。
鋼絲繩理論非常復(fù)雜，文獻日通過離散與半離散模型全面、
系統(tǒng)的闡述了彈l生鋼絲繩理論研究現(xiàn)狀。文商睬用Double Helical
Geometry理論建模方法研究了受軸向線載荷鋼絲繩應(yīng)力應(yīng)變情
況。文獻 建立了單股鋼絲繩或復(fù)雜的鋼絲繩在軸向力、彎矩、
扭矩下求解的數(shù)學(xué)模型，使鋼絲繩理論研究有了突破性的進展。
文獻聞應(yīng)用坐標(biāo)輪換原理推導(dǎo)了鋼絲繩側(cè)絲的空間螺旋線方程，
并采用典型的Archard粘著磨損理論建立鋼絲繩內(nèi)部接觸磨損
模型。
來稿日期：2014—03—14
基金項目：廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作項目(2012B091000042)
作者簡介：魯信輝，(1987一)，男，河南信陽人，碩士研究生，主要研究方向：機械制造裝備；
馬平，(1968一)，男，湖南汨羅人，博士，教授，主要研究方向：高速數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)、超精密驅(qū)動進給技術(shù)
120 魯信輝等：鋼絲繩應(yīng)力場與疲勞壽命研究 第10期
然而采川特殊空間曲線方程參數(shù)化建模較復(fù)雜。也少有學(xué)
者研究不同鋼絲捻距的鋼絲繩應(yīng)力分布以及在受拉伸交變載荷
下疲勞壽命特性 根據(jù)鋼絲繩二次捻制特性，通過SolidWorks拉
伸和空問扭轉(zhuǎn)特 建立6x7+lWS型鋼絲繩的幾何模型，然后運
川ANSYS塒不同鋼絲捻距鋼絲繩進行受力和疲勞壽命的FEA
分析，為鋼絲繩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、壽命評估提供理論支撐。
2鋼絲繩結(jié)構(gòu)特點
6x7結(jié)構(gòu)鋼絲繩具有多樣性、復(fù)雜性、同時具有點接觸鋼絲
繩的“股巾所有鋼絲的直徑均卡}I等，中心鋼絲的直徑略大于其他
鋼絲直徑”特征。6x7型鋼絲繩共7個股，每個股有7根鋼絲，絲一
次捻制螺旋纏繞成股，股二次捻制螺旋纏繞成繩。6x7+IWS型鋼絲
繩各層鋼絲的捻距均卡}1同，其r『I IWS代表鋼絲繩獨立股芯，鋼絲
內(nèi)部受力均勻，撓性好，使用壽命長，制造簡便，應(yīng)用較廣。目前
6~7+IWS型雙繞螺旋結(jié)構(gòu)剛絲繩常用做斜井提升的礦用鋼絲繩。
罔1 6x7+IWS型鋼絲繩的幾何模型圖
Fig．1 (；eometric Model of 6x7+IW S Type W ire Ropes
3鋼絲繩建模
以6~7+1WS型鋼絲繩為研究對象。鋼絲繩的彈性模量E為，
泊松比為，其芯絲、側(cè)絲直徑均為。其中芯股(側(cè)股) 占絲、側(cè)絲的捻
距均為、側(cè)股的捻距為，鋼絲繩直徑為。在Solid Works中通過托伸
f 絲、螺旋掃捕m側(cè)絲，建 芯股模型，隨后采用空間扭曲特征
建 側(cè)股模型。得到6x7+IWS型鋼絲繩幾何模型，如圖1所示。
(a)網(wǎng)格劃分
(b)邊界條件
罔2 6x7+IWS型鋼絲繩的有限元模型圖
Fig．2 Finite Element Model of 6x7+IWS Type Wire Ropes
采用如罔2(a)的ANSYS六面體的網(wǎng)格單元對鋼絲繩進行
網(wǎng)格劃分。PHILI IPS等15·7_捌的研究表明：忽略鋼絲間接觸摩擦，對
于拉仲載荷作用下鋼絲間潤滑很好的鋼絲繩結(jié)果與實際相接近。
因此也采用忽略接觸摩擦假設(shè)，沒置接觸類型為No separation，
采用Augmented Lagrange method接觸算法、如圖2(b)的鋼絲繩
邊界條件：約束鋼絲繩一端面繞Z軸的旋轉(zhuǎn)位移 ，同時對該端
面施加軸向托力載荷 ，最后在另一端面施加全約束條件C。
4靜應(yīng)力FEA分析
鋼絲繩在_[作時各鋼絲都有著力的相互作用，其內(nèi)部的力
學(xué)特性非常復(fù)雜。為了探究6x7+IWS型鋼絲繩在軸向拉力作用
下的應(yīng)力分布特性，施加軸向面載荷100MPa的拉力，對鋼絲繩
進行靜應(yīng)力的FEA仿真分析，如圖3、圖4所示。
圖3 6x7+IWS型鋼絲繩應(yīng)力場分布
Fig．3 Stress Fiehl Distribution of 6x7+IW S Type W ire Ropes
圖4 6x7+IWS型鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力場分布
Fig．4 Inner Stress Field Distribution of 6~7+1WS Type Wire Ropes
分析結(jié)果如圖3、4，6~7+IWS型鋼絲繩在軸向載荷下，心H-股
芯絲與側(cè)絲接觸應(yīng)力最大為305．24MPa，同時6x7螺旋側(cè)股結(jié)構(gòu)
能有效的降低芯股芯絲的應(yīng)力分布。為了更精確分析鋼絲繩側(cè)絲
間力的作用，截取鋼絲繩中部單元，鋼絲繩各側(cè)絲的應(yīng)力分布特
性，如 5所示。結(jié)果表明，鋼絲繩芯股芯絲與 股側(cè)絲接觸處的
應(yīng)力達到130．64MPa，其中， 股層應(yīng)力場高于側(cè)股層，接觸應(yīng)力的
芯絲為116．66MPa、側(cè)股芯絲為l10．69MPa、側(cè)股側(cè)絲為
1 1 2．06MPa。在指定型號鋼絲繩情況下，捻距是影響鋼絲繩應(yīng)力特
性重要因素，不改變側(cè)股捻距，選取鋼絲捻距為28mm、30ram、
32mm、34ram、36mm、38ram、40mm分析6x7+IWS型鋼絲繩不同捻
距下鋼絲的應(yīng)力特性。研究表明，鋼絲捻距為32mm、36mm時，鋼絲
繩最大接觸應(yīng)力最小。鋼絲繩最大接觸應(yīng)力與捻距的關(guān)系曲線．如
圖6所示。鋼絲捻距32ram時最大接觸應(yīng)力為307．26MPa，鋼絲捻
距36mm時最大接觸應(yīng)力為305．24MPa，當(dāng)捻距達到40mm時，鋼
絲繩最大接觸應(yīng)力達到1 106．15MPa，已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，故
重點分析32ram、36ram鋼絲繩鋼絲的應(yīng)力分布規(guī)律，同時對比鋼
絲捻距為34ram時鋼絲繩的應(yīng)力分布。
NO．10
()(：t．2014 機械設(shè)計與制造 12l
網(wǎng)5 6x7+IWS型鋼絲繩剛絲內(nèi)部應(yīng)力值
Fig．5 hmer Stress Value of 6x7+IWS Type Steel Wire Ropes
=
鍾
鯔
嘣
／
|
|
l
|
|
＼ ， ＼ ； ．
＼ ＼ ／
26 28 30 32 34 36 38 4O
捻距長度(mil1)
圖6不同鋼絲捻距6x7+IWS型鋼絲繩最大接觸應(yīng)力值
Fig．6 Maximum Contact Stress Values of Different
Lay l,engths of 6xT+IWS Type Wire Ropes
(a)鋼絲捻距為32ram
(b)鋼絲捻肼i為34mm
I硐7小川鋼絲捻 6x7+IWS型鋼絲繩應(yīng)力場分布
Fig．7 Stress Fieht Distribution of Different Lay
l~ngths of 6x7+IWS Type W ire Ropes
根據(jù)鋼絲捻距為32mm、36mm、34mm時鋼絲應(yīng)力分布情
況，沿鋼絲繩截面徑向，選取6x7+IWS型鋼絲繩特征點： 股芯
絲中心、 股芯絲與側(cè)絲接觸部位、 股與側(cè)股接觸部位、側(cè)股側(cè)
絲中心、側(cè)股芯絲與側(cè)絲接觸部位、側(cè)股芯絲中心，如閉7每組共6
個位置處的應(yīng)力值。對比捻距為34mm、36mm、32mm時鋼絲的應(yīng)力
分布特性，如罔8所示?？芍?2mm的鋼絲捻距，鋼絲繩中間截面的
接觸應(yīng)力最小，且鋼絲繩各鋼絲的應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力波動為
8．3 l％。綜合考慮捻距對鋼絲繩應(yīng)力特f生的影響規(guī)律，選取32mm鋼
絲捻距，可以改善鋼絲繩應(yīng)力特性。32mm為最佳鋼絲捻距。
一· 捻距32mm
— ·一捻距36mm
—·一捻距34mm
／，，=—、÷、．
?— ， 、 一 — —— ， ’
圖8不同鋼絲捻距6x7+IWS型鋼絲繩接觸應(yīng)力值
Fig．8 Contact Stress Values of Different Lay Lengths
of 6x7+IW S Type W ire Ropes
5疲勞壽命分析
鋼絲繩的疲勞壽命是評價其工作性能的重要指標(biāo)，采用名
義應(yīng)力法l 寸鋼絲繩的疲勞壽命進行分析。結(jié)合工程上從材料的
S-N曲線理論．建立虛擬疲勞壽命分析流程，如圖9所示。
加載ANSYS疲勞模塊，使用接近T況的交變比例載荷，采
用goodman應(yīng)力修正模型，設(shè)置載荷比例為3，比例因子為1，交
變循環(huán)次數(shù)為1 e6次。對36mm鋼絲捻距的6x7+IWS型鋼絲繩
其進行疲勞壽命的分析。
圖9基于FEA虛擬疲勞分析流程圖
Fig．9 Flow Chart of Virtual Fatigue Based on FEA
圖lO捻距36mm鋼絲繩鋼絲疲勞壽命云圖
Fig．1 0 Fatigue Life Nephogram of lay Length
of 36mm Steel Wire Ropes
一 譬一 藿
122 機械設(shè)計與制造
No．10
Oct．2014
經(jīng)計算捻距36ram鋼絲繩疲勞壽命分布云圖，如圖10所
示。表明在受比例交變軸向載荷下，6~7+IWS型鋼絲繩芯股芯絲
與芯股側(cè)絲的接觸應(yīng)力最大，該部位疲勞壽命達到3941次，芯絲
的疲勞壽命次數(shù)為6859次明顯高于芯股側(cè)絲，芯股與側(cè)股接觸
處疲勞壽命為6084次。同時對比研究側(cè)股捻距72mm、鋼絲捻距
為32mm時鋼絲繩內(nèi)部鋼絲的疲勞壽命特性，如圖1 1所示。結(jié)果
指出6~7+IWS型鋼絲繩芯股芯絲與芯股側(cè)絲的接觸應(yīng)力最大，
對應(yīng)鋼絲的疲勞壽命次數(shù)最少。
因此以鋼絲繩側(cè)絲接觸應(yīng)力最大的部位為研究對象，即芯
股芯絲與芯股側(cè)絲接觸處，考察捻距對鋼絲的疲勞壽命的影響。
選取捻距28mm、30mm、34mm、36mm、38mm (40mm 已塑性變
形)，探究6x7+IWS型鋼絲繩疲勞壽命的變化規(guī)律。
圖1 1捻距32mm鋼絲繩鋼絲疲勞壽命云圖
Fig．1 1 Fatigue Life Nephogram of Lay Length
of 32ram Steel W ire Ropes
如圖12所示，6x7+IWS型鋼絲繩鋼絲的疲勞壽命與捻距的
關(guān)系曲線結(jié)果可知，鋼絲捻距32mm芯股芯側(cè)絲接觸處鋼絲疲勞
壽命次數(shù)最高為9280次，鋼絲捻距36mm為7243次，鋼絲捻距
過長或者過短都會降低鋼絲的疲勞壽命；鋼絲繩疲勞壽命和應(yīng)力
分布有著直接的關(guān)系，應(yīng)力越大的地方疲勞壽命越小。接觸應(yīng)力
最大的位置就是鋼絲繩疲勞特I生最危險的位置，該處的疲勞壽命
次數(shù)也最小，也是鋼絲繩整股的疲勞壽命次數(shù)。
量
籟
藿
士
／ ＼
?7 ． 、 ／ ＼
i 、
捻距長度(mm)
圖12不同捻距鋼絲疲勞壽命
Fig．12 Fatigue Life of Wire with Diferent Lay Lengths
因此選取合適的捻距長度能改善鋼絲繩的應(yīng)力分布，提高
鋼絲繩的疲勞壽命。鋼絲繩捻距不能過長也不能過小，過大或過
小鋼絲捻距都對鋼絲繩的應(yīng)力與疲勞壽命不利，捻距的選取應(yīng)有
個合適值。32mm為6x7+IWS型鋼絲繩最佳鋼絲捻距。
6結(jié)論
(1)提出了簡單高效的6x7+IWS鋼絲繩建模方法，通過Solid
Works中拉伸建立鋼絲繩芯股模型，采用空間扭曲特征建立鋼絲
繩側(cè)股模型。
(2)6×7+1ws型鋼絲繩芯股主要承擔(dān)著軸向載荷的作用，鋼
絲繩的芯股芯絲與側(cè)絲接觸處應(yīng)力最大，鋼絲繩應(yīng)力決定著疲勞
壽命，應(yīng)力越大疲勞壽命越低。應(yīng)力最大的位置是接疲勞最危險
的區(qū)域，對應(yīng)著鋼絲繩疲勞壽命次數(shù)。
(3)捻距長度的大小影響著鋼絲繩應(yīng)力與疲勞壽命特性，鋼
絲捻距既不能過長，鋼絲捻距40mm時承載力減小，發(fā)生塑性變
形，鋼絲捻距也不能過短，鋼絲捻距28mm時接觸應(yīng)力較大為
788．21MPa，此時鋼絲繩鋼絲疲勞壽命次數(shù)只有次。
(4)直徑9mm、側(cè)股捻距72mm的6x7+IWS型鋼絲繩，采用
32mm股內(nèi)鋼絲捻距，能有效的降低接觸應(yīng)力與提高鋼絲的疲勞
壽命。32mm為最佳鋼絲捻距。
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