潘海寧，王保衛(wèi)

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，廣東深圳 518000）

0 引言

鋼絲繩內(nèi)部出現(xiàn)磨損與疲勞斷絲、斷股的缺陷，極大地降低了使用壽命。對(duì)鋼絲繩的內(nèi)部磨損與疲勞破壞的檢測(cè)缺乏有效的辦法，使得其在使用中存在極大的安全隱患。鋼絲繩結(jié)構(gòu)復(fù)雜，理論分析受力計(jì)算也比較困難。1993年朱永剛、劉桂森[1]和黃江水[2]就在疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行過(guò)鋼絲繩疲勞試驗(yàn)情況的研究。隨著鋼絲繩的使用量越來(lái)越大，迫切需要對(duì)鋼絲繩的摩擦磨損及疲勞壽命等方面的試驗(yàn)研究。本文依據(jù)GB/T12347-2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)方法》，利用鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)?zāi)康暮头椒?/h2>

（1）試驗(yàn)?zāi)康?/p>

測(cè)試試驗(yàn)鋼絲繩樣品在給定試驗(yàn)條件下，隨繞試驗(yàn)滑輪彎曲次數(shù)的累積，試驗(yàn)鋼絲繩樣品外層鋼絲磨損規(guī)律、鋼絲繩表面鋼絲斷絲發(fā)展變化規(guī)律，測(cè)定試驗(yàn)鋼絲繩樣品在給定試驗(yàn)張力、試驗(yàn)頻率、包角、彎曲比（D/d）、試驗(yàn)行程、試驗(yàn)段有效長(zhǎng)度、報(bào)廢條件等試驗(yàn)條件下的彎曲疲勞壽命。

（2）試驗(yàn)方法

在電液伺服式全自動(dòng)鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)上，依據(jù)GB/T12347-2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)方法》，對(duì)試驗(yàn)鋼絲繩施加給定試驗(yàn)張力，通過(guò)自動(dòng)控制的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)卷筒作正、反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)試驗(yàn)鋼絲繩繞試驗(yàn)輪進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，同時(shí)定期對(duì)試驗(yàn)鋼絲繩外層鋼絲的磨損、斷絲等損傷情況進(jìn)行測(cè)量。

（3）試驗(yàn)輪、導(dǎo)向輪參數(shù)

試驗(yàn)輪：外徑700 mm；內(nèi)徑610 mm；繩槽半徑17 mm。

導(dǎo)向輪：外徑1 230 mm；內(nèi)徑1 120 mm；繩槽半徑20 mm。

試驗(yàn)輪、導(dǎo)向輪的其他參數(shù)符合GB/T12347-2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求。

2 試驗(yàn)參數(shù)

（1）試驗(yàn)張力

式中：F為試樣的最小破斷拉力值[3]，kN；F′為試樣施加的張力值，kN；K為安全系數(shù)，可根據(jù)用戶(hù)使用時(shí)的安全系數(shù)選取。

本次試驗(yàn)的試驗(yàn)張力為180 kN。

（2）試驗(yàn)包角

平面單向彎曲疲勞試驗(yàn)中，試驗(yàn)鋼絲繩繞入和繞出試驗(yàn)輪兩切點(diǎn)法線(xiàn)所形成的角度，本次試驗(yàn)經(jīng)雙方協(xié)商后確定的試驗(yàn)包角為180°，如圖1所示。

（3）試驗(yàn)段長(zhǎng)度

圖1 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)段長(zhǎng)度取6倍鋼絲繩捻距，鋼絲繩捻距約為7倍鋼絲繩直徑，直徑32 mm的鋼絲繩的試驗(yàn)段長(zhǎng)度為7×6×32 mm=1 344 mm。本次試驗(yàn)經(jīng)雙方協(xié)商后確定的試驗(yàn)鋼絲繩有兩個(gè)試驗(yàn)段，每個(gè)試驗(yàn)段長(zhǎng)度為2 000 mm。

（4）試驗(yàn)行程

平面單向彎曲、試驗(yàn)鋼絲繩在試驗(yàn)輪上的包角為180°，鋼絲繩試驗(yàn)段完全繞過(guò)試驗(yàn)輪所走的總行程，試驗(yàn)行程計(jì)算示意如圖1，上試驗(yàn)段完全經(jīng)過(guò)試驗(yàn)輪，經(jīng)計(jì)算試驗(yàn)行程為3 008 mm，取3 010 mm。

（5）試驗(yàn)頻率

試驗(yàn)頻率可以在10～12次/min內(nèi)任意調(diào)整，允許偏差為±1次/min；鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的啟動(dòng)、停止的加速度為0.5 m/s2，完成1個(gè)平面單向彎曲鋼絲繩的試驗(yàn)行程為3 010 mm，鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)完成1個(gè)平面單向彎曲的速度時(shí)間曲線(xiàn)如圖2所示，由圖計(jì)算出完成一個(gè)疲勞循環(huán)所用的時(shí)間約為5.04 s，試驗(yàn)頻率為11.90次/min。

圖2 速度時(shí)間計(jì)算

（6）集中斷絲區(qū)

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)集中出現(xiàn)大量斷絲的區(qū)域，如圖1中的1 008 mm長(zhǎng)度的圓弧段區(qū)域。

（7）直徑等值減少量計(jì)算

式中：dref為參考直徑（鋼絲繩開(kāi)始使用后立即在沒(méi)有經(jīng)受彎曲的區(qū)段上測(cè)量的實(shí)測(cè)直徑）；dm為實(shí)測(cè)直徑（在兩個(gè)互相垂直的方向上測(cè)量的鋼絲繩同一橫截面外接圓直徑的平均值，本次試驗(yàn)中的實(shí)測(cè)直徑為在試驗(yàn)段上3個(gè)相距500 mm位置測(cè)量的6個(gè)直徑數(shù)據(jù)的平均值，如圖3所示的黑點(diǎn)標(biāo)記處）；d為公稱(chēng)直徑（鋼絲繩直徑規(guī)格的約定值）。

圖3 試驗(yàn)段鋼絲繩直徑測(cè)量位置

3 鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)依據(jù)

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T12347-2008《鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)方法》[4]；GB/T8358-2014《鋼絲繩實(shí)際破斷拉力測(cè)定方法》[5]。

鋼絲繩報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)：GB/T5972-2016《起重機(jī)鋼絲繩保養(yǎng)、維護(hù)、安裝、檢驗(yàn)和報(bào)廢》[6]中規(guī)定的報(bào)廢基準(zhǔn)，等同于ISO4309:2010[7]中相應(yīng)的條款。具體內(nèi)容為：可見(jiàn)斷絲（6d長(zhǎng)度范圍內(nèi)斷絲9根，或30d長(zhǎng)度范圍內(nèi)斷絲18根），或直徑減少（直徑的等值減少量達(dá)到7.5%），或斷股（出現(xiàn)斷股）。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)段鋼絲繩的整體磨損

試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)上下兩個(gè)試驗(yàn)段試驗(yàn)鋼絲繩的磨損情況進(jìn)行了測(cè)量，鋼絲繩直徑隨彎曲疲勞次數(shù)變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 直徑隨彎曲疲勞次數(shù)變化曲線(xiàn)

圖5 斷絲總數(shù)與彎曲疲勞次數(shù)關(guān)系

4.2 試驗(yàn)段鋼絲繩直徑等值減少量

上試驗(yàn)段：dref=32.47，dm=32.13，d=32.00；下試驗(yàn)段：dref=32.39，dm=32.20，d=32.00。

由此計(jì)算出的試驗(yàn)段鋼絲繩直徑等值減少量如下：

上下試驗(yàn)段鋼絲繩直徑等值減少量都沒(méi)有達(dá)到GB/T5972-2016《起重機(jī)鋼絲繩保養(yǎng)、維護(hù)、安裝、檢驗(yàn)和報(bào)廢》中規(guī)定的報(bào)廢基準(zhǔn)（直徑的等值減少量達(dá)到7.5%）。

4.3 試驗(yàn)鋼絲繩表面斷絲

鋼絲繩表面斷絲全部出現(xiàn)在集中斷絲區(qū)，合計(jì)斷絲數(shù)為20，斷絲總數(shù)與彎曲疲勞次數(shù)關(guān)系如圖5所示?？梢?jiàn)斷絲數(shù)已經(jīng)達(dá)到了報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6d長(zhǎng)度范圍內(nèi)斷絲9根或30d長(zhǎng)度范圍內(nèi)斷絲18根。

鋼絲繩表面斷絲如圖6所示，第1次斷絲、第2次斷絲、第3次斷絲均為股頂斷絲，如圖7所示，鋼絲繩股表面被壓平部位為股頂，股頂斷絲共4根；其余斷絲均為股溝斷絲，股溝斷絲共16根，如圖8所示。

原因分析：隨著上試驗(yàn)段完全經(jīng)過(guò)試驗(yàn)輪進(jìn)行一次平面單向彎曲，集中斷絲區(qū)相當(dāng)于從一個(gè)試驗(yàn)輪出來(lái)又完全進(jìn)入下一個(gè)試驗(yàn)輪，也就是說(shuō)集中斷絲區(qū)進(jìn)行了一次平面雙向S型彎曲，導(dǎo)致了圖1中的1 008 mm長(zhǎng)度的圓弧段區(qū)域出現(xiàn)大量斷絲，而其他任何試驗(yàn)區(qū)域都沒(méi)有出現(xiàn)斷絲。

圖6 鋼絲繩表面斷絲（在試驗(yàn)機(jī)上）

圖7 鋼絲繩表面斷絲（股頂斷絲）

圖8 鋼絲繩表面斷絲（股溝斷絲）

4.4 試驗(yàn)鋼絲繩拆股斷絲統(tǒng)計(jì)

如圖9所示，將試驗(yàn)鋼絲繩外層股按從上往下順序編號(hào)為股1～8，每股的最左側(cè)白色標(biāo)記為股編號(hào)標(biāo)簽，其余位置的每個(gè)白色標(biāo)簽至少代表1個(gè)斷絲點(diǎn)，卷尺顯示長(zhǎng)度為1.10 m，每股的斷絲數(shù)如表1所示。股4和股6被截取的部分用于做鋼絲繩表面斷絲斷口、金相、成分等分析，截取部分包含6個(gè)完整斷絲點(diǎn)（即表1中的+4和+2），斷絲嚴(yán)重區(qū)域如圖10所示。合計(jì)斷絲數(shù)為76，與試驗(yàn)至報(bào)廢時(shí)在試驗(yàn)機(jī)上數(shù)出的表面斷絲數(shù)20差別很大，說(shuō)明了試驗(yàn)鋼絲繩的斷絲既有外層股的表面可見(jiàn)斷絲也有外層股的表面不可見(jiàn)斷絲。

圖9 外層股鋼絲繩拆股斷絲位置

表1 斷絲數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖10 外層股嚴(yán)重?cái)嘟z區(qū)

拆解外層股后，去除內(nèi)層股表面的填充物，內(nèi)層股拆解如圖11所示，鋼絲繩內(nèi)層股編號(hào)為股1～6（圖中從上往下順序?yàn)楣?～7，股7為繩芯，每股的最左側(cè)白色標(biāo)記為股編號(hào)標(biāo)簽，其余位置的每個(gè)白色標(biāo)簽至少代表1個(gè)斷絲點(diǎn)，卷尺顯示長(zhǎng)度為1.10 m），內(nèi)層股表面可見(jiàn)斷絲數(shù)合計(jì)為22，繩芯表面可見(jiàn)斷絲數(shù)為10，合計(jì)斷絲數(shù)為32。內(nèi)層股嚴(yán)重?cái)嘟z區(qū)如圖12所示。

綜上所述，將試驗(yàn)鋼絲繩拆解后，外層股、內(nèi)層股、繩芯合計(jì)斷絲數(shù)合計(jì)為76+32=108。

圖11 內(nèi)層股鋼絲繩拆股斷絲位置

圖12 內(nèi)層股嚴(yán)重?cái)嘟z區(qū)（直股為繩芯）

4.5 試驗(yàn)鋼絲繩彎曲疲勞壽命

試驗(yàn)鋼絲繩彎曲疲勞壽命為19 534次。

4.6 破斷拉伸試驗(yàn)

破斷拉伸試驗(yàn)采用《GB/T8358-2014鋼絲繩實(shí)際破斷拉力測(cè)定方法》中5.3條套壓法試樣制備破斷拉伸鋼絲繩試樣，試樣最小有效長(zhǎng)度為30d～2 000 mm。

破斷拉伸鋼絲繩試樣1：在鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷筒上最外側(cè)選取一段，這一段鋼絲繩在進(jìn)行鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)一直在驅(qū)動(dòng)卷筒上，受到鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)影響較小，截取長(zhǎng)度5 m的鋼絲繩，制作破斷拉伸鋼絲繩試樣1，在300 t臥式拉力試驗(yàn)機(jī)[8]上進(jìn)行破斷拉伸試驗(yàn)。

破斷拉伸鋼絲繩試樣2：試驗(yàn)后，選取試驗(yàn)鋼絲繩上一端選在集中斷絲區(qū)的端點(diǎn)，表面完好，沒(méi)有達(dá)到報(bào)廢條件的試驗(yàn)鋼絲繩上截取長(zhǎng)度5 m的鋼絲繩，制作破斷拉伸鋼絲繩試樣2，在300 t臥式拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行破斷拉伸試驗(yàn)。

試樣1破斷拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖13所示，最大拉伸力為849.0 kN。試樣2破斷拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn)如圖14所示，最大拉伸力為836.7 kN，與試樣1相比，試樣2破斷拉力沒(méi)有明顯降低。

圖13 試樣1破斷拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖14 試樣2破斷拉伸試驗(yàn)曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)鋼絲繩進(jìn)行了19 534次平面單向彎曲疲勞試驗(yàn)后，試驗(yàn)前后試驗(yàn)鋼絲繩所能承受的拉力沒(méi)有明顯損失，但表面可見(jiàn)斷絲為20根，拆開(kāi)外層股、內(nèi)層股后，外層股、內(nèi)層股及繩芯的表面斷絲達(dá)到了108根，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了鋼絲繩整繩表面可見(jiàn)斷絲僅僅是鋼絲繩全部斷絲的一小部分，大部分?jǐn)嘟z都隱藏在鋼絲繩的內(nèi)部。