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原文传递钢丝绳的疲劳行为特征与损伤机理研究

论文题名：	钢丝绳的疲劳行为特征与损伤机理研究
关键词：	钢丝绳;滑轮;疲劳行为;损伤机理;显微组织;集装箱;装卸桥
摘要：	钢丝绳绕滑轮工作的疲劳损伤机理问题，关系到钢丝绳传动的安全性、可靠性和经济性。由于国内外新品种、新规格钢丝绳和滑轮的不断出现，迫切要求广大起重机设计、制造和使用者了解钢丝绳的疲劳行为特征、损伤规律和损伤机理，以便用科学的知识和方法合理设计和选配钢丝绳与滑轮。为此，本文采用新型电液伺服式全自动钢丝绳-滑轮综合疲劳试验装置，综合应用扫描电子显微镜、显微硬度测试和图象处理等技术，对绕滑轮工作钢丝绳的疲劳行为特征和损伤机理进行了系统深入的研究，主要包括疲劳性能试验评价、滑轮材质对钢丝绳疲劳寿命影响、钢丝绳疲劳失效分析和钢丝绳显微组织等的研究。本文在大量钢丝绳疲劳试验研究的基础上，提出了钢丝绳疲劳断丝数扩展动态曲线的概念。它是依据《起重机械用钢丝绳检验和报废实用规范》GB5972—86，以6d和30d(d是钢丝绳的直径)长度范围内的可见断丝数作为纵坐标，钢丝绳绕滑轮工作的弯曲疲劳次数作为横坐标，描绘出钢丝绳可见断丝数的扩展和分布情况。该曲线能够反映绕滑轮工作钢丝绳在弯曲和磨损综合疲劳作用下，疲劳损伤的累积而导致钢丝断裂的动态发展过程。它不仅可用于研究钢丝绳疲劳损伤的宏观规律，而且也可为钢丝绳的工程应用提供理论依据。对于以疲劳磨损为主的绕滑轮工作钢丝绳的疲劳损伤，提出了基于图象处理的钢丝绳外层丝磨损的非损伤测量法。它是一种既具有理论基础，又易于实际操作的测量方法。通过试验，将测量的外层丝磨损与钢丝绳断裂强度的损失率比较，两者基本吻合。说明这种方法能够较精确地反映钢丝绳外层丝磨损的程度。对绳槽硬度从HB170～HRC60的各种滑轮对钢丝绳疲劳损伤的影响进行了研究。结果显示，试验钢丝绳的使用寿命曲线呈双峰形(倒W形)，滑轮绳槽表面硬度过低和过高，均对钢丝绳使用寿命不利。对绕软、硬滑轮工作钢丝绳的疲劳性能进行了对比试验。引入了钢丝绳疲劳寿命对滑轮绳槽硬度的敏感指数α，将其定义为钢丝绳绕软滑轮组和绕硬滑轮组工作时疲劳寿命的比值。它对研究滑轮绳槽硬度对钢丝绳疲劳寿命的影响非常有效，它还可以作为评价钢丝绳是否与滑轮绳槽匹配的一个重要依据。带尼龙绳槽衬垫滑轮工作初期时，其尼龙绳槽的磨损量比较大，但经磨合后，磨损量大大下降，并趋于平稳。实验表明，使用带尼龙绳槽的滑轮，钢丝绳的寿命比使用钢质滑轮至少提高1倍以上，其机理为：尼龙绳槽能使钢丝绳的外层丝磨损比绕钢质滑轮工作钢丝绳的小得多；断丝断口具有平滑的疲劳裂纹源区、较宽且分布大量二次裂纹的疲劳裂纹扩展区及较窄的撕裂区。为了探索起重机钢丝绳疲劳损伤特征和机理，本文还对岸边集装箱装卸桥上因失效而报废的钢丝绳样绳进行了疲劳断丝的失效分析。结果表明：绳股疲劳断丝断口的裂纹源位于钢丝表面层，且较光滑。疲劳裂纹扩展区较大，分布了细小的二次裂纹。而瞬断区较小，呈现明显的撕裂棱形态。股芯疲劳断丝断口裂纹源也位于钢丝的表面层，但裂纹源的产生是股芯中丝与丝之间的微动磨损所致。这种微动磨损不仅在钢丝的侧面产生磨损面，而且在磨损面上形成了排列规则、间距为3μm左右的微观条纹。因此可以确定其微动位移为微米级。这种微观条纹为研究其微动磨损机理提供了重要的基础。由疲劳断裂钢丝的显微组织分析可知，钢丝绳疲劳裂纹扩展区出现二次裂纹的主要的原因是：一方面，钢丝在断裂扩展过程中，承受了复杂的外应力和组织内应力的叠加；另一方面，钢丝中纤维组织的织构导致材料出现各向异性。从钢丝绳疲劳断丝断口的特征出发，提出了基于图象处理的二次裂纹断口定量分析方法。它主要用于出现了数量较多、尺寸较大的二次裂纹的疲劳断口，将疲劳断口上分布的二次裂纹面积率作为定量分析构件疲劳寿命的一个参数。初步的试验结果表明，二次裂纹面积率与疲劳寿命之间有较好的相关性。为了进一步提高钢丝绳的抗疲劳性能，本文还进行了用聚乙稀醇水溶液水浴淬火索氏体化处理替代铅浴处理的实验室研究，找到了一种能使钢丝得到细而均匀的索氏体组织和具有较高显微硬度值的热处理工艺。该工艺对提高钢丝机械性能，降低钢丝热处理的铅污染均有实际应用价值。
作者：	廖红卫
专业：	机械设计及理论
导师：	陶德馨
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文