钢丝绳失效机制研究

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第39卷 第5期V0L 39 No．5金 属 制 品Metal Products2013年 10月0ctober 2013doi：10．3969／j．issn．1003—4226．2013．05．001钢丝绳失效机制研究吕晓晖 ， 陈志平， 王松根 ， 徐恩道(杭州电子科技大学， 浙江 杭州 310018)摘 要 介绍钢丝绳常见失效形式。按其引起失效的机制可分为疲劳 、磨损和腐蚀，疲劳是钢丝绳主要的失效机制，实际运行过程中这 3类机制相互作用，最终引起钢丝绳的断裂。回顾钢丝绳失效机制的研究状况，研究钢丝绳的失效机制主要是通过疲劳试验、静力学分析和动力学仿真3种方法。对钢丝绳的多体动力学仿真研究基本停留在探讨建模阶段，阐述 3种建立钢丝绳刚柔耦合模型的方法，刚柔耦合计算机辅助软件能够很好的对刚柔耦合机械系统进行仿真分析。讨论钢丝绳失效机制研究存在的问题并对其发展方向进行展望。

关键词 钢丝绳失效机制；疲劳试验；静力学分析；动力学仿真；刚柔耦合技术中图分类号 TH141．1Research on steel wire rope’S failure mechanismL0 Xiao—hui，CHEN Zhi-ping，WANG Song—gen，XU En-dao(Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，China)Abstract To introduce steel wire rope’S common failure modes．Mechanism caused by failure can be divided into fatigue，abrasion and corrosion，and fatigue is the main failure mechanism of steel wire rope，during the actual practice，those threemechanisms work together and cause steel wire rope’S broken．The main way to research steel wire rope’S failure mecha—nism is through three ways of fatigue test，statics analysis and dynamics simulation．Multi·dynamics simulation researcheson steel wire rope stay in discussing modeling status，to state three ways of building steel wire rope rigid—flexible coupledtechnology，rigid—flexible coupled computer assistant software can help rigid—flexible coupled mechanical system to finishsimulation analysis wel1．To discuss the existing problem of steel wire rope failure mechanism and look forward to its devel—opment.

Keywords steel wire failure mechanism；fatigue test；statics analysis；dynamics simulation；rigid flexible coupled tech—nology钢丝绳因其强度高、自重轻、承载能力大、运行平稳、工作可靠等优点被广泛应用于煤炭、冶金、石油、交通运输、港 口等国民经济的各个领域。在役钢丝绳受工况影响，会产生各种物理、化学损伤，从而导致其强度降低 ，甚至破断。钢丝绳在实际使用过程中的受力状态复杂，不只承受单纯的拉伸、弯曲和扭转，而是多重复杂应力的组合。如 ：钢丝绳内部产生的摩擦力和挤压应力，随受荷条件的变化而承受交变负荷、冲击负荷的作用，所有这些都影响钢丝绳的持久强度和使用寿命。由于钢丝绳失效断裂机制复杂，钢丝绳的失效研究一直受到国内外研究者的重视，笔者结合国内外钢丝绳失效机制的研究现状，讨论钢丝绳失效研究存在的问题，阐述钢丝绳刚柔耦合模型的研究方法，为以后的研究奠定基础。

1 钢丝绳失效机制及研究现状由于钢丝绳的受载复杂，其失效形式也多样。

通常按钢丝绳失效后的外部形态可将其失效分为断裂、过量变形及表面损伤 3类；按其引起失效的机制可分为疲劳、磨损和腐蚀，在钢丝绳的实际运行过程中这 3类机制相互作用，最终引起钢丝绳的断裂。

Torkar等人?对起重机钢丝绳的失效进行了分析，发现钢丝的断口显示出疲劳断裂特征，表面可观察到由脱碳导致的疲劳裂纹源，得出钢丝绳失效的主要原因是疲劳和缺乏检查。Schrems_2 研究了与磨损相关的钢丝绳的疲劳行为，认为接触应力对这类疲劳损伤起到了重要的作用。Chaplin 详细讨· 2· 金 属 制 品 第 39卷论了磨损在钢丝绳检测和报废更换中的作用，主要对以下 3种应用场合下的钢丝绳损伤机制进行了深入的分析：(1)矿山提升用钢丝绳；(2)锚用钢丝绳；(3)起重机用钢丝绳 ，得出在不同工况下钢丝绳的损伤机制不同。由此可知，研究钢丝绳失效机制还要从其实际应用出发，使其尽量接近实际工况条件。

李丽等人 从钢丝绳使用角度出发，探讨钢丝绳中心线与卷筒轴向线的偏角 和摩擦因数对钢丝绳疲劳寿命的影响，得出在设计时 的数值越小越好，为减小摩擦力，可对钢丝绳进行润滑，以减小摩擦因数。

各类失效机制中，疲劳是钢丝绳主要的失效机制，大部分的研究集中在此。F．F．J．Atienxa 针对钢丝绳疲劳强度计算进行了研究，根据钢丝绳工况条件，计算其交变拉应力、弯曲应力以及接触应力，从理论上对钢丝绳的疲劳强度进行了讨论。S．Be—reta¨6 提出了一种预估钢丝绳疲劳强度的方法，并应用于经不同表面处理的钢丝绳。J．I．Suh针对斜拉桥用钢丝绳的轴向疲劳行为，提出了用拉丁方格设计 法进 行试验，具有很 大 的优越 性。u．D’Heane|l 从材料内部因素和脱碳、裂纹等表面因素研究了影响钢丝疲劳性能的原因。

国内学者从理论出发，结合试验对钢丝绳疲劳失效做了深入研究。岳文选 通过一系列试验资料与相关基础理论建立了较为完善的钢丝绳疲劳强度数 一力计算模型，并导出了制定有关规程(或标准)应依据的基本公式。新计算公式较全面地概括了影响钢丝绳疲劳强度的主要因素，即钢丝绳质量、负载特征、设备条件、环境约束、报废标准等。陶德馨等人 研究了钢丝绳接触应力状态对弯曲疲劳寿命的影响，指出在同等弯曲条件下，钢丝绳表层钢丝的接触状态对弯曲疲劳断丝的发生、发展有着重要影响，并由此提出了延长钢丝绳使用寿命的若干技术途径。王以元 分析出提升钢丝绳的失效机制主要是钢丝绳中的微动磨损，并由此建立了钢丝绳的寿命预测方法。文宏光等人¨¨ 研究得到钢丝绳的 一Ⅳ曲线族及其曲线方程、Goodman—Smith图及疲劳强度计算公式，从宏观、微观2个方面对钢丝绳疲劳破坏机制进行初步研究，为工程设计人员提供了有益的参考。

从钢丝绳固定载荷出发，景天虎 建立了钢丝绳疲劳寿命的预测数学模型，此模型可提前预估钢丝绳寿命，以便及时更换钢丝绳，防止事故发生，在此基础上，又根据迈因纳线性疲劳建立随机载荷模式下的预估公式，此模型更适用于实际工况下的钢丝绳。

除分析载荷对钢丝绳的影响，钢丝绳 自身因素对疲劳失效也有重要影响。J．1lorca、J．M．varona等人对钢丝绳进行疲劳分析，发现疲劳结果与钢丝绳自身或股不同的直径、几何构造、捻距和材料有关 ，并在此基础上提出了提高钢丝绳疲劳强度的方法。

黄忠渠 及朱维军等人 分别通过钢丝绳的弯曲疲劳试验，从钢丝绳的材质、结构、强度、韧性等方面研究了对钢丝绳疲劳寿命的影响：原材料盘条钢的纯净度越高，疲劳强度越高；钢丝绳疲劳次数在钢丝完全索氏体化下是不完全索氏体化的几倍；钢丝的拉拔过程也影响着钢丝绳疲劳寿命 ；线、面接触钢丝绳的疲劳寿命远高于同规格的点接触钢丝绳。

钢丝绳失效机制研究对钢丝绳的结构优化、材料优化和工况优化等提供参考。目前对钢丝绳的研究基本在实验室完成，其结果有一定的参考价值，但与实际有所出入，对结构、材料、工况等不同条件下的钢丝绳失效缺乏系统的研究和总结。由于钢丝绳工作环境复杂、使用工况多种多样，往往是几种失效形式共同作用导致其最终失效，这给研究钢丝绳的失效机制带来了困难。

2 钢丝绳失效机制研究方法对钢丝绳的失效机制研究，主要通过观察其疲劳破坏点的位置，从而得出各因素对钢丝绳的影响。

在役钢丝绳出现失效不仅与钢丝绳本身的材料、结构、直径有关，还要结合与其接触的部件结构、使用工况、环境等因素。近年来学者对钢丝绳的失效机制研究主要从疲劳试验、静力学分析和动力学仿真3方面着手。

疲劳试验是将钢丝绳试样绕在疲劳试验机上，施加一定的载荷，带动钢丝绳在试验轮内做反复弯曲运动，考察其弯曲疲劳次数(也称疲劳寿命)的试验方法。图 1为一种电梯用钢丝绳的疲劳试验机。

F．P．Branca等人 刮¨对当前使用的各种钢丝绳疲劳试验机进行了分析，提出了克服已有缺陷的设计原理，设计出符合指定要求的原型机和相关设备，得出一 批结构和直径相同、但经不同表面处理的钢丝绳的测试结果。

通过疲劳试验，可得出单个因素变化的 |s一Ⅳ曲线，再 进行对 比选 优。王春晖 分别在德 国Schenck公司的250 kN疲劳试验机和日本岛津株式会社的5 kN疲劳试验机上进行拉 一拉疲劳试验，绘第 5期 吕晓晖，等：钢丝绳失效机制研究 ·3·图 1 电梯 用钢 丝绳疲劳试验机Fig．1 Fatigue test machine of steel wire rope forelevator制了钢丝绳的 S—N曲线，测定了钢丝绳的断丝根数和位置，试图对钢丝绳进行失效预报。黄江水 ¨
通过 2种钢丝绳疲劳试验机试验得出结论，钢丝绳拆股检验不能真实反映钢丝绳质量，按韧性好坏来选用钢丝绳不尽可靠，主张对钢丝绳进行疲劳试验方法的研究，尽快制定出检验标准。马光全 ¨研究滑轮硬度对钢丝绳疲劳寿命影响时，采用曲柄连杆短行程弧段的试验机检测钢丝绳寿命，结果表明，滑轮表面硬度过高或过低都会降低钢丝绳使用寿命，滑轮表面硬度一般控制在 3O～50 HRC。

运用试验机对钢丝绳进行疲劳损伤试验，能预估钢丝绳的弯曲寿命，为钢丝绳的结构、材料等因素的优化设计提供依据。但是在实际使用过程中，不同工况对钢丝绳寿命影响相差很大，钢丝绳的受力情况，卷筒 、滑轮的结构，钢丝绳的缠绕方式等都会对钢丝绳的失效有影响，这些因素都是同时作用 ，而疲劳试验机只针对同等环境下单个或少数几个条件组合的变化进行测试。

疲劳试验机作为研究钢丝绳疲劳寿命的手段已被广泛应用，随着 ANSYS等有限元分析软件的问世，静力学分析也被运用在钢丝绳研究上。静力学分析是指建立钢丝绳的实体模型，再对钢丝绳进行力学分析。马军等人 应用微分几何理论分析钢丝绳结构特点及钢丝的空间螺旋缠绕关系，利用ANSYS建立6 X 19+IWS右同向捻和右交互捻 2种钢丝绳的几何模型进行数值分析，得出钢丝绳股内处于不同位置钢丝在长度方向上应力呈螺旋状分布，钢丝截面上应力呈中心对称分布的规律。谢小鹏等人 研究了阻旋转钢丝绳的力学特性，并对阻旋转钢丝绳内层绳的外股钢丝进行受力分析，找出内层外股钢丝磨损深度与外力的关系，建立内层绳的力学模型。李婷等人 。 基于 Workbench对钢丝绳进行静力分析和疲劳分析，得到钢丝绳内部应力分布以及交变载荷下钢丝绳疲劳寿命云图，指出其疲劳破坏点位置。

对钢丝绳的静力学分析虽然能得到受力状态下钢丝绳的应力集中点和钢丝绳易出现疲劳断裂位置，但仅局限于钢丝绳直线受拉状态，与实际应用情况出入较大。

相比静力学仿真，钢丝绳的动力学仿真是通过模拟钢丝绳的动态运行过程，进行钢丝绳的多体动力学仿真。近年来，随着多体动力学仿真软件的功能越来越完善，很多学者开始将多体动力学仿真运用到钢丝绳研究中。

由于钢丝绳结构特殊，在其使用过程中具有不确定性，在实际建立钢丝绳的模型进行分析时须定义钢丝绳为柔性件。加之钢丝绳在使用过程中往往不是直线状态，而是有弯曲或缠绕，所以很难建立其实体，只能使用现有模块和现有约束进行近似模拟。

龙靖宇等人 在建立钢丝绳模型时通过对钢丝绳绕组的简化确定了衬套力的参数，然后用小球和衬套力的组合完成了钢丝绳的建模，并对钢丝绳模型进行了验证。李爱平等人 利用 ADAMS软件二次开发功能，建立钢丝绳模型，分析其仿真速度受约束的原因，并运用脚本仿真控制实现仿真速度的优化。刘义等人 纠利用多体动力学仿真软件 Re.

curDyn和有限元分析软件 ANSYS建立了缠绕式提升机的多柔体动力学仿真模型，进行动力学研究。

其仿真结果能更真实、准确地反映出提升系统的实际运动特性，能更准确地预测机构性能。李益琴等人 基于 RecurDyn虚拟样机仿真，建立 了 RMG(轨道式集装箱门式起重)虚拟样机，并对模型的起升工况进行动力学仿真，得到起升过程中钢丝绳所受的动载荷以及门架的动应力和动变形。方子帆等人 建立了钢丝绳的动力学仿真模型，使其在 自重与一端拉力的载荷条件下进行钢丝绳动力学仿真研究，结果表明自重下其产生的最大锤度值与理论公式值相差 5％左右，证明其动力学模型的可靠性。

现虽有学者已开展对钢丝绳的多体动力学仿真，但基本都停留在探讨建模阶段，没有真正的深入研究。而动力学仿真结果相较于其他方法更加直观、可靠，所以很有必要对钢丝绳进行动力学分析。

3 总结与展望3．1 多体系统刚柔耦合技术多体系统刚柔耦合是指由多个刚性体或柔性体· 4· 金 属 制 品 第 39卷通过一定方式相互连接，形成刚性体运动和柔性体变形的相互耦合。钢丝绳提升系统包括卷筒、滑轮和钢丝绳，卷筒和滑轮为刚性体，钢丝绳为柔性体，在动力传输过程中同样产生刚柔耦合现象。

刚柔耦合计算机辅助软件能够很好的对刚柔耦合机械系统进行仿真分析，其中韩国 FunctionBay公司的RecurDyn多体动力学仿真软件比较有代表性。

为了能反映钢丝绳的柔性和其动态特性，一般采用3种方法建立钢丝绳的动力学仿真模型。

(1)采用 Bushing(轴套力)将一段段的小圆柱体连接来近似模拟钢丝绳。在钢丝绳的建模中，首先建立小圆柱体，一次排列成连续体，此时，各个小圆柱体之间没有任何联系；其次施加轴套力，根据所选钢丝绳，定义其刚性系数、阻尼系数等参数，使其与现实绳索性能相吻合。

(2)采用 BEAM4单元对几何模型进行单元划分。运用此方法，利用有限元分析软件 ANSYS提供的BEAM4单元对模型进行单元划分，得到梁单元序列，定义材料密度、弹性模量等属性，划分网格后生成 cdb文件，通过 RecurDyn的 Fflex模块将信息导人 RecurDyn中，通过设定材料密度、弹性模量、旋转惯量，来建立钢丝绳的多体动力学仿真模型。

(3)采用 Recurdyn提供的 belt toolkit进行钢丝绳的建模并装配，钢丝绳系统采用 belt／beambelt进行装配，并对其有限元划分网格，列出 patch set，以便对钢丝绳传动过程中的应力、应变等有限元特性进行分析。

3．2 展望对钢丝绳的研究已有上百年历史，且学者也致力于研究其失效形式，欲得出钢丝绳的疲劳寿命。

由于钢丝绳的特殊结构、使用工况和使用环境，其实际疲劳寿命有待考验。故此提出几点建议以期能促进钢丝绳失效机制研究领域的发展。

(1)评价钢丝绳是否报废，不能简单的考虑一种失效形式，应对各项因素进行综合考虑；(2)当前钢丝绳疲劳寿命预估基本采用疲劳试验机，此方法虽然能预估寿命，但与实际使用情况还是有所出入；(3)虽然已有学者对钢丝绳进行动力学仿真，但没有专门的模块用于钢丝绳仿真，建模只是建立其简化模型，因此应重视设置专门的钢丝绳模块；(4)不同类型的钢丝绳工作过程的损伤部位有差异，在后续试验过程中应对其整理，形成对应数据库，得出不同工况下各类钢丝绳使用的优缺点。

钢丝绳失效机制的研究还需要从多方面进行努力，因此，应引入基于刚柔耦合理论、基于 RecurDyn多体系统动力学仿真软件的钢丝绳失效理论与试验研究，为钢丝绳失效研究的完善、发展做出贡献。

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(收稿日期：2013—06—09)作者简介吕晓晖 1988年生，杭州电子科技 大学机械工程 学院硕士研 究生。

陈志平 1970年生，教授 ，杭州电子科技大学卓越学院副院长。

王松根 1988年生，杭州电子科技 大学机械工程学院硕士研究生。

徐恩道 1990年生，杭州电子科技大学机械工程学院硕士研 究生。