您的位置: 主页 > 钢绳百科 >

6×7-IWS镀锌钢丝绳的弯曲疲劳性能测试

作者： admin 编辑： admin 来源：admin 发布日期：2020-03-14 14:13

信息摘要：

0引言钢丝绳具有较高抗拉强度、承载能力、抗冲击韧性以及柔软性和吸收阻尼的特点。在海洋工程、桥梁工程、矿山工程以及航空航天事业中都离不开钢丝绳的应用。不仅如此，日常

0引言

钢丝绳具有较高抗拉强度、承载能力”、抗冲击韧性“以及柔软性和吸收阻尼”的特点。在海洋工程、桥梁工程、矿山工程“以及航空航天事业”中都离不开钢丝绳的应用。不仅如此，日常生活中也随处可见钢丝绳的应用，如升降电梯，自动升降衣架。为了防止钢丝绳使用过程中突然断裂而造成的人员生命安全以及财产损失，研究钢丝绳的失效过程以及疲劳寿命也就具有重要的意义。目前，有关钢丝绳弯曲疲劳以及微动疲劳的研究越来越多“l，但大多数均是针对大规格、粗规格的钢丝绳，研究细规格钢丝绳的学者很少，王春辉小组“四在研究小直径钢丝绳轴向疲劳时的钢丝直径也高达16mm。而随着设备精细化、轻量化的发展，钢丝绳也不再仅限于大规格、粗规格的应用""。因此，通过对6×7-lWS-p1.95mm细规格镀锌钢丝绳进行弯曲疲劳研究，分析掌握其弯曲失效的基本形式，探索影响钢丝绳弯曲疲劳的影响因素也就具有重要的意义。

1实验方法

1.1试验材料

本实验采用日本进口碳含量为0.72%左右的盘条作为原材料先生产出半成品镀锌钢丝，然后再用半成品镀锌钢丝生产出成品钢丝。成品钢丝经捻股以及合绳工序后得到钢丝绳样品。其中盘条化学成分和半成品镀锌钢丝的各项性能如表1与表2所示。

1.2样品制备与实验设备

对半成品镀锌钢丝进行水箱拉拔，分别获得直径为0.21mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm四种规格的钢丝，然后再经过捻股机生产出结构为0.23+6×0.21的外绕股以及结构为0.25+6×0.24的中心股，最后经合绳机生产出结构为6×7-IWS的交互捻镀锌钢丝绳，钢丝绳破断拉力为5050N。钢丝绳横截面结构如图1所示。
钢丝绳截面图

1.3实验方法与原理

以3000次实验为起始次数，每隔500次作为一次节点进行实验记录，直到钢丝绳全断时停止。每个节点次数安排两次实验，即每个次数节点有10根样品。对不同弯曲次数下的钢丝绳样品进行弯曲工作段（约1060mm）的拆股解捻处理，记录钢丝绳不同层中钢丝的断丝情况，并对不同层中的断裂钢丝进行微观形貌观察。与多数学者的研究方法不同，本文中的疲劳机有三个被动辊轮，三个辊轮之间的相对位置固定。钢丝绳通过疲劳机中固定端的压板进行一端固定，另一端悬挂配重，钢丝绳中间部分绕过三个辊轮，通过辊轮在导轨上的往复运动对钢丝绳进行弯曲测试，本实验机在业内称为三辊疲劳机]。

2实验结果与分析

2.1不同层钢丝的断丝率统计

本实验中，6×7-lWS-p1.95mm镀锌钢丝绳在疲劳机中的极限弯曲次数为9500次，通过记录3000次至9500次每个节点不同钢丝的断丝率可得如图3所示数据。从图3中可知，6×7-lWS-p1.95mm镀锌钢丝绳从弯曲次数达到3500次时开始出现断丝，断丝的钢丝为钢丝绳最外层00.21mm钢丝。随着疲劳次数增加至4500次时，芯股的中心钢丝④0.25mm与芯股外绕丝40.24mm开始出现断丝。虽然，④0.25mm与①0.24

mm钢丝比钢丝绳最外层p0.21mm钢丝晚出现断丝，但均比40.21mm钢丝先达到100%的断丝率。值得关注的是，钢丝绳外绕股的中心钢丝（④0.23mm仅在钢丝绳接近极限状态时，才开始有断裂的钢丝产生，0.23mm钢丝基本都是随着整绳断裂而断裂。根据实验推断，

6×7-IWS结构钢丝绳中外绕股的中心钢丝在钢丝绳弯曲测试过程中具有重要的作用。

为了进一步研究钢丝绳中不同层钢丝对钢丝绳弯曲疲劳性能的影响，安排了同种结构钢丝绳的缺丝对比实验，实验数据如表3中所示。从表3中数据可明显看出，在缺少一根④0.23mm单丝时，钢丝绳的极限疲劳次数下降的幅度最大，由此可见，与钢丝绳中其它位置的钢丝相比，外套股中心钢丝的有无对钢丝绳整体的弯曲疲劳寿命影响最大。

2.2不同层钢丝的结构分析

图4是6×7-IWS-1.95mm镀锌钢丝绳拆股解捻后不同层钢丝的宏观形貌，从图中可以看出，作为钢丝绳芯股的中心丝，60.25mm钢丝没有任何波形结构；b0.23mm与60.24mm钢丝均表现出单一的波形结构；而50.21mm钢丝具有复合波形结构。结合钢丝绳捻制工艺可知，各钢丝中波形的波高与波长尺寸与钢丝绳的捻制参数有关，即50.23mm钢丝的波形波长与钢丝绳的绳捻距有关，波高与钢丝绳的粗度和外绕股的粗度有关；50.24mm钢丝的波形波长与波高分别与芯股的捻距和粗度有关；而具有复合波形的50.21mm钢丝的波形既和绳捻距、粗度有关，也与外绕股的捻距、粗度有关。通过对不同钢丝中波形的曲率半径进行测量可得，

50.21mm钢丝中存在三种曲率半径的波形，分别为R280、R172、R135；0.23mm钢丝中只存在曲率半径为R344的波形；0.24mm钢丝中也只存在一种曲率半径为R1l3的波形。

分析认为：钢丝绳弯曲疲劳测试过程中，具有不同波形结构的钢丝在钢丝绳中的受力也各不相同。50.23

mm的钢丝在钢丝绳弯曲测试过程中，波形曲率半径大，由于钢丝结构的原因，钢丝在轴向具有一定的结构弹性，在钢丝绳弯曲疲劳过程中抵抗断裂的性能好。具有复合波形结构的50.21mm钢丝，由于具有多种波形，钢丝上的应力分布复杂。0.24mm钢丝的波形虽然不是复合波形，但整体波形尺寸小，波形曲率半径最小，钢丝绳弯曲疲劳过程中在波峰与波谷处产生的应力比0.23

mm和（50.21mm的都大。0.25mm钢丝虽然不具有波形，但作为钢丝绳绳芯的组成单元，在钢丝绳受轴向拉应力时，绳芯钢丝产生的应力最大，使得绳芯处钢丝的疲劳寿命值低：其次，相同规格的帘线成品，钢丝的丝径越祖，其抗疲劳性能越差"，使得（0.25mm中心钢丝在钢丝绳弯曲疲劳过程中断裂速度过快。

2.3钢丝表面形貌与断口观察图5是钢丝绳最外层钢丝的表面形貌图。从图5a图可以看出经过弯曲测试后钢丝绳最外层钢丝（40.21

mm）表面沿轴向存在椭圆状的磨损伤疤（图中A处），与微动磨损产生的磨损形貌类似四。结合弯曲疲劳机的工作原理可知，此损伤主要是由钢丝绳外层钢丝与三辊疲劳机辊轮的相互摩擦所致。从图5b图可以看出外层股与外层股中钢丝之间的相互挤压摩擦同样使钢丝表面产生了磨损伤疤。相邻股接触表面存在严重的挤压磨痕，不仅使单丝截面变形较大，而且也容易在早期形成裂纹的萌生。

如图6是钢丝绳内芯股表面钢丝的损伤观察，从图中可观察到芯股表面钢丝（50.24mm）存在明显的磨损伤疤，且磨损伤疤的边缘还残留着少许磨屑。根据钢丝绳的捻制工艺可知，钢丝绳内外绕股与芯股呈点接触状态，即外绕股中50.21mm钢丝和芯股中的（50.24mm钢丝两者在钢丝绳弯曲疲劳测试过程中为点接触状态。随着弯曲疲劳次数的增加，接触点处钢丝逐渐磨损，沿轴向形成椭圆状的磨损伤疤，与倪响国在研究表面损伤对钢丝绳弯曲疲劳性能时观察到的股与股之间钢丝微动磨损形貌一致。M，Torkar，B.Areznsek等人也认为交互轮钢丝绳在使用时，金属绳芯中钢丝与外绕股钢丝存在点接触微动磨损，并引起芯股的严重断丝。截止目前，经过弯曲疲劳测试后的钢丝绳中主要存在上述磨损缺陷，暂未发现其他类型的磨损形貌或腐蚀现象。

如图7是不同层钢丝断口的电子扫描照片，其中0.23mm样品来自疲劳次数为8000次时，出现的唯一一根断裂的60.23mm钢丝。通过断口形貌的观察可知，这四种钢丝均属于疲劳断裂，例如图7b和图7c中均可以观察到明显的疲劳源区（A区），疲劳源区呈现出光滑的平面形貌，这种形貌的产生是因为裂纹在疲劳源处产生后随着钢丝后续不断的弯折，使得裂纹部位不断的张开与闭合，疲劳源处逐渐被磨平，从而形成疲劳源区这种特殊的断口形貌。裂纹从疲劳源区诞生后会逐渐的向钢丝中心部位扩展形成裂纹扩展区（B区），并裂纹扩展过程中形成较多的二次裂纹。在裂纹扩展区之后，钢丝在存在较大的轴向载荷的情况下便会发生瞬时断裂形成瞬断区，并且瞬断区会在钢丝瞬时断裂时与钢丝横截面成较大的倾斜角度（C区）。图7b和图c就是典型的钢丝疲劳断口，与倪响在对6×19点接触钢丝绳弯曲疲劳实验中所观察的结果一致。而图7a与图7d仅能够观察到疲劳断裂的部分特征，如裂纹源区。引起疲劳源区的因素有很多，主要有钢丝材质以及表面本身的缺陷、钢丝表面的摩擦磨损、钢丝表面的腐蚀。结合图5与图6中钢丝表面的形貌分析，本文中各规格钢丝疲劳源产生的主要原因应是钢丝表面的摩擦磨损，如图7a中的0.21mm钢丝横截面已不再是圆形，它反映的是具有椭圆状磨损伤疤处钢丝截面的形貌。

如图8是外绕股40.23mm中心钢丝随整绳断裂后的断口形貌，从图中可以看出④0.23mm钢丝断口中存在明显的颈缩现象，钢丝被拉断。但是与常规的钢丝颈缩断口形貌相比，又有着不同之处。40.23mm钢丝断口中芯部有明显的二次裂纹，而常规钢丝颈缩断口芯部会形成细小的韧窝。分析认为，0.23mm钢丝在钢丝绳弯曲疲劳过程中形成了疲劳损伤，从而使钢丝在较大载荷的情况下，形成芯部具有二次裂纹而不是韧窝的颈缩形貌。
为了研究摩擦磨损对钢丝绳弯曲过程中影响因素的大小，安排了涂油润滑后的钢丝绳弯曲疲劳实验。图9是涂油润滑后钢丝绳弯曲疲劳次数的对比图，结果表明，仅对疲劳机辊轮的轮槽内表面进行润滑处理时，钢丝绳的极限弯曲疲劳次数提升至原来的1.5倍左右；而直接对钢丝绳弯曲工作段进行全面润滑处理时，钢丝绳的极限弯曲疲劳次数提升至原来的4倍左右。

根据实验推断，直接在钢丝绳中涂油的润滑效果要比仅在疲劳机辊轮上涂油的润滑效果好，因为对钢丝绳直接涂油时，钢丝绳内部也会由于润滑油的浸入而得到润滑：而在辊轮上涂油，滚轮上润滑油量有限，仅仅能改善钢丝绳表层钢丝与辊轮间的润滑状态。但不管改善钢丝绳与辊轮间的润滑状况，还是改善钢丝绳内部钢丝与钢丝的润滑状况均可以在较大程度上推迟裂纹产生的时间，提高钢丝绳的弯曲疲劳寿命。

3结论

通过对结构为6×7-IWS-01.95mm的钢丝绳进行弯曲疲劳测试可知：

1）6×7-IWS结构钢丝绳外绕股中心钢丝对钢丝绳的弯曲疲劳寿命具有非常重要的影响，外绕股中心钢丝所具有的相对较大且单一的波形结构，是其在钢丝绳弯曲疲劳过程中抵抗断裂的主要原因；

2）钢丝绳中钢丝的弯曲测试断口均为疲劳断口，疲劳源产生的主要原因是钢丝表面的摩擦磨损，改善钢丝绳工作时与辊轮间的润滑状态以及钢丝绳内部钢丝与钢丝间的润滑状态均能在较大程度上提升钢丝绳的弯曲疲劳寿命。