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钢丝绳结构性伸长问题研究

发布时间:2022-06-18 14:01 文章来源:未知 文章作者:admin 点击数:

1. 前言一般钢丝绳由于加载在使用一段时间后会产生结构性伸长,而造成这种伸长的主要原因是钢丝绳生产中产生的工艺应力和变形,钢丝在股内、股在钢丝绳内的相对位置不顺当,而


   1. 前言一般钢丝绳由于加载在使用一段时间后会产生结构性伸长,而造成这种伸长的主要原因是钢丝绳生产中产生的工艺应力和变形,钢丝在股内、股在钢丝绳内的相对位置不顺当,而当钢丝绳一经使用,经过反复的径向荷载的作用,逐步理顺了这些相对的位置,同时也使钢丝绳产生了永久性的伸长,这就是所谓的结构性伸长。钢丝绳的结构性伸长一般在0.7%~1.0%之间[1]。其结构性伸长通过张拉可有效消除,使之能在一些对结构性伸长有要求(诸如架空索道、高速、高层电梯、悬吊桥等)的环境里使用,而在这些地方使用时其结构伸长必须控制在0.2%~0.5%。本文对此进行了分析研究。
        2. 结构性伸长分析
        2.1钢丝的受力分析。钢丝绳中的钢丝是经过拉拔制成的,在拉制过程中要在钢丝内形成残余拉拔应力;由钢丝捻制成股,再由股捻成绳时,也要产生捻制应力。因此钢丝绳在制造过程中主要产生两类应力:残余拉拔应力和捻制应力。
        2.1.1残余拉拔应力。残余拉拔应力有三种存在形式:
        (1)残余拉应力:钢丝在拉拔过程中,由于模子的角度、润滑条件、冷却条件上的差异,变形时,钢丝的内部各层“晶粒纤维”出现位移差和变形差,因此在钢丝的纵向产生拉应力。这种拉应力将部分残存在钢丝内部形成残余拉应力。
        (2)残余弯曲应力:拉制过程中,钢丝在拉丝机的辊轮、卷筒中弯曲时要形成弯曲应力残存于钢丝的内部。尤其是当卷筒的直径与钢丝的直径不协调(既弯曲比不合)时,残余弯曲应力更为明显。此外,如果模子的出口中心与钢丝在卷筒的切点不在自然水平切线上,也会加剧弯曲应力的形成。
        (3)滑轮式拉丝机拉制钢丝时,钢丝将绕自身轴线产生扭转,而形成扭转应力。扭转次数的多少要取决于卷筒上线杆的旋转情况及配模情况。 
        2.1.2捻制应力。捻制应力也有三种形式:
        (1)扭转应力(俗称“反拨力”)。钢丝或者股绳在捻制时,机身每旋转一周,则被扭转一次。如果不采取工字轮翻身措施(筒体式捻制机无法使工字轮翻身),则在钢丝或股绳内必然产生扭转力将产生扭转力矩,使钢丝或股绳“松捻”,同时使钢丝绳旋转和松散。
        (2)弯曲应力:钢丝在股中或者在绳中以圆柱螺旋线形式存在,这种螺旋线依靠捻制变形获得。在变形中,是弹性变形和塑性变形共存,且具有一定的弯曲率。这样,必然会产生弯曲应力。这种弯曲应力是捻制应力的主要存在形式。
        (3)拉伸应力:钢丝或股在捻制时,由于牵引力的作用而处于拉伸状态,虽然是在弹性极限之内,并未产生塑性变形,但由于螺旋的约束,也将产生拉伸应力。这种拉伸应力在钢丝绳中表现不太明显,往往被忽略[2]。由于钢丝残余拉拔应力及捻制应力的存在,导致钢丝在股(绳)捻制后的位置发生“错位”,虽经校直,有部分也难以“归位”,这样就使得钢丝绳或单股钢丝绳受负荷时,促使钢绳各股和钢丝之间便发生相互位移,使钢丝绳的原始形状发生变化,使其“归位”。这种变化与钢丝绳的结构,绳内有机物纤维的多少、捻距的长短等因索有关。
        2.2股及钢丝在股(绳)内的变形分析。弯曲变形:除中心钢丝(股)以外,捻成股(绳)后,形成一条空间螺旋曲线产生弯曲变形,其曲率半径:ρ=R0/Sinα其中:α——捻角。扭转变形:在一个捻距内,钢丝(股)绕自身轴线扭转(没有退扭的钢丝/股),此时其扭转角为:θ=2πcosα其中:α——捻角。因而,钢丝(股)在其固有状态下受弯曲变形、扭转变形以及少量的塑性变形,而当沿其轴线方向施加拉应力时,弯曲、扭转变形将得以释放一部分,而压应力增加,使股(绳)刚度增加。长度的伸长,与施加的拉应力成正比例关系。
        3. 实验钢丝绳的结构和实验方法实验是在我公司索具公司YZ-2500预张拉设备上进行。
        3.1钢丝绳结构(1)6×19S+PPC-16-IPS进行载荷与伸长量的关系试验,公称破断拉力:150KN,参数取样长度为25m。(2)6×36WS+IWR-54-1960MPa进行施加50%R.B.S(R.B.S-钢丝绳最小破断拉力)拉力时的平均伸长量试验,钢丝绳最小破断拉力:2035KN,钢丝绳金属芯总面积:1384.30mm2,以107m作为标注长度。
        3.2试验方法。在YZ-2500预张拉设备上将钢丝绳两头用夹具夹紧,逐渐给试样先加载至5%R.B.S,然后继续缓慢加载至钢丝绳最小破断拉力的50%,钢丝绳直径<30mm,第一次张拉时间为30min,卸载至5%R.B.S.,第二次预张拉时间为20 min:钢丝绳直径≥30mm,第一次预张拉时间为25 min,卸载至5%R.B.S.,第二次预张拉时间为15 min,钢丝绳连续承受两次拉伸负荷。
        4. 实验结果与分析钢绳直径、捻距与伸长量的关系。钢绳直径、捻距与伸长量数据负荷平均绳径(mm)捻距(mm)伸长量(mm)无负荷16.525108-12KN16.325108.613075KN16.10109265卸载至12KN16.2108.6100 从表1可以看出,随着负荷的增加,绳径逐渐变小,捻距逐渐增大,伸长量也逐渐增加,卸载后伸长量减小。原因是钢绳预张拉逐渐理顺了股中丝与丝之间,绳中股与股之间,股与绳芯的相对位置,从而发生了永久性的结构性伸长,而卸载后伸长量减小,是由于一部分弹性伸长随载荷的去除得以回复。因此张拉处理能有效消除钢绳的结构伸长,钢绳结构更趋稳定,绳股受力的均匀性得到了改善,有利于提高钢绳耐疲劳性,延长使用寿命[3]。进行一次张拉的平均伸长量,分析数据,考虑测量误差的影响,去掉最大和最小数据,可以得出:施加50%R.B.S拉力时其伸长量为865.13mm,回复至5%R.B.S 拉力时其平均伸长量为:311mm,进行第二次张拉时,在50%R.B.S 时平均伸长量:918.43mm,5% R.B.S时平均伸长量:330mm(去掉最大、最小)。进行一次、二次张拉的伸长量(mm)试样50%R.B.S的伸长量进行第一次预张拉进行第二次预张拉5%R.B.S的伸长量进行第一次预张拉进行第二次预张拉结束语由于钢丝绳中钢丝(股)的残余应力虽经成绳后变形的作用,但依然部分存在,这样使得丝(股)的变形不稳定。而经过预张拉后,绳中钢丝的残余拉拔应力以及绳中股和股中丝的残余捻制应力得以释放、转换和重新分布,并且股及钢丝的弯曲变形、扭转变形得以更加稳定。而这一过程与张拉保持时间长短,以及张拉次数成一定的关系,在一定载荷作用下保持合理的时间,结构性伸长能够较彻底的消除,当进行第二次张拉时,将“回复”部分的结构性伸长加以消除。同时钢丝绳结构性伸长还与钢丝绳的结构、强度等级有关,要减小和消除钢丝绳的结构性伸长最有效的方式是经过预张拉,而这些问题还有待以后做进一步分析研究。