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起重机用不旋转钢丝绳理论研究及其寿命估算

浦汉军  
【摘要】:钢丝绳是起重设备的重要部件,被广泛应用于旅游、交通、采矿、港口等工程实际中。在吊装作业中使用较多的是普通钢丝绳,但普通钢丝绳在作业中会发生旋转,这给作业带来一定的危险,甚至会危及生命与财产安全。因此,在单绳吊重及要求高速、平稳、高行程的场合,不旋转钢丝绳逐步代替普通钢丝绳,成为起重机的主要部件。然而不旋转钢丝绳有内部磨损与内部疲劳断丝、断股的缺陷,极大地降低了使用寿命。目前对不旋转钢丝绳的内部磨损与疲劳破坏的检测缺乏有效办法,使得其在使用中存在极大的安全隐患。由于不旋转钢丝绳的结构复杂性造成其受力计算的困难,目前国内外对其深入研究较少,随着不旋转钢丝绳的使用量越来越大,对不旋转钢丝绳的力学分析、摩擦磨损及疲劳寿命等方面的理论研究存在迫切需要。 本文首先仿真研究了起重机提升工况的受力情况,获得不旋转钢丝绳吊重起升的动载。接着,应用坐标变换原理分别推导了不旋转钢丝绳在直线段和绕滑轮弯曲段下其钢丝的空间螺旋线方程;根据该螺旋线方程,首次在三维CAD软件PROE中建立了不旋转钢丝绳的三维实体几何实体模型,并给出了钢丝曲率与接触角的计算方法;借鉴Costello的普通钢丝绳的弹性理论,建立了不旋转钢丝绳在直线状态受拉力作用下的受力模型;分析了单股钢丝绳、钢芯不旋转钢丝绳及麻芯不旋转钢丝绳的内应力,把所建立的实体模型导入ANSYS软件中,对不旋转钢丝绳进行了有限元分析,对所建立力学模型进行了验证;通过对不旋转钢丝绳的内应力、弯曲应力的计算分析,研究了不旋转钢丝绳的侧丝捻距、内股捻距、外股捻距、滑轮直径对不旋转钢丝绳应力大小及分布的影响规律,为如何提高不旋转钢丝绳强度及寿命提供指导。 然后,通过分析不旋转钢丝绳与滑轮的接触情况,推导了不旋转钢丝绳与滑轮的接触模型,并对钢丝绳与滑轮的外部接触应力及磨损进行理论分析;建立了不旋转钢丝绳内部摩擦磨损模型,着重研究不旋转钢丝绳的内部磨损问题,并采用现在典型的Archard粘着磨损理论对不旋转钢丝绳的内部磨损进行了仿真研究;分别进行了港口起重机在用不旋转钢丝绳的内部磨粒铁谱试验及在用绳拆股试验,试验研究了不旋转钢丝绳的摩擦磨损机理;提出了以内部接触钢丝截面损失因子为衡量的基于摩擦磨损的不旋转钢丝绳换绳准则,并通过调研所得经验数据,验证了该换绳准则的可行性,为不旋转钢丝绳的更换标准提供了新的方法与思路。 最后,综合考虑不旋转钢丝绳的摩擦磨损与疲劳,以前面章节导出的力学模型和磨损模型及为基础,提出以不旋转钢丝绳内最危险钢丝的疲劳寿命来预测不旋转钢丝绳整绳寿命的方法;在假设不旋转钢丝绳的疲劳损伤是由直线段损伤和反复过滑轮弯曲时的疲劳损伤的叠加的基础上,通过实测起重机提升工况下的动载,建立了不旋转钢丝绳内最危险钢丝的疲劳载荷谱;根据此载荷谱,应用线性疲劳累积理论对不旋转钢丝绳的疲劳寿命进行预估,并通过相关试验数据验证了所建立寿命预测模型及方法的正确性,为不旋转钢丝绳的寿命估算提供了理论与方法;研究了安全系数及滑轮直径对不旋转钢丝绳理论寿命的影响规律,为不旋转钢丝绳的安全使用提供了理论指导;通过对不旋转钢丝绳的受力特性和磨擦磨损与疲劳的研究,从力学角度分析了不旋转钢丝绳失效的主要原因,提出不旋转钢丝绳在使用中其失效应先从内股磨损与断裂开始的结论。


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