種海浪 王大剛 張 俊 王 博 馮存傲 張德坤

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)材料與物理學(xué)院 江蘇徐州 221116)

鋼絲繩是一種柔性的空間螺旋結(jié)構(gòu)鋼制品，具有承載能力大、彎曲柔韌性好、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械提升設(shè)備中[1-2]。礦井提升鋼絲繩在使用過程中鋼絲繩會(huì)反復(fù)地扭曲和拉伸，承受著動(dòng)態(tài)變化的疲勞載荷，導(dǎo)致鋼絲繩內(nèi)部鋼絲承受動(dòng)態(tài)變化的拉伸和接觸載荷[3]。鋼絲繩的疲勞載荷將導(dǎo)致其內(nèi)部相鄰鋼絲間產(chǎn)生接觸載荷和微米級(jí)的相對(duì)滑移，進(jìn)而引起鋼絲接觸位置產(chǎn)生磨損、裂紋萌生和擴(kuò)展，即鋼絲的微動(dòng)疲勞。微動(dòng)磨損和循環(huán)的拉伸載荷或彎曲載荷的共同作用使接觸鋼絲間發(fā)生微動(dòng)疲勞磨損，最終斷裂失效，加劇鋼絲繩的疲勞斷絲失效，縮短了鋼絲繩的使用壽命[4]。微動(dòng)疲勞過程中，不同微動(dòng)疲勞參數(shù)嚴(yán)重影響鋼絲微動(dòng)疲勞磨損特性，造成不同程度鋼絲疲勞損傷。因此，開展不同的微動(dòng)疲勞參數(shù)(接觸載荷、疲勞載荷、鋼絲交叉角度、鋼絲直徑)對(duì)鋼絲繩的微動(dòng)疲勞磨損規(guī)律研究，對(duì)保證礦井提升鋼絲繩安全服役和人員生命安全具有重要意義。

目前,針對(duì)鋼絲繩靜力學(xué)分析,主要有理論建模和有限元分析2種手段。COSTELLO[5]和FEYRER[6]均從鋼絲繩的空間幾何關(guān)系出發(fā)，詳細(xì)地闡述了鋼絲繩的數(shù)學(xué)模型，獲得了鋼絲繩在拉伸及彎曲等載荷作用下變形的理論模型。ARGATOV[7]通過考慮繩股的徑向收縮效應(yīng)，提出拉伸-扭轉(zhuǎn)載荷作用下鋼絲繩繩股的力學(xué)響應(yīng)模型，解決了鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間的非線性接觸問題。WANG等[8]建立了6×19鋼絲繩有限元模型，探究了鋼絲繩截面上的應(yīng)力分布，獲得了繩股應(yīng)力分布與其軸向變形間的關(guān)系。FOTI和MARTINELLI[9]分析了拉伸-扭轉(zhuǎn)-彎曲載荷作用下繩股的力學(xué)響應(yīng)，研究了鋼絲繩內(nèi)部鋼絲的軸向應(yīng)變、曲率、軸向應(yīng)力和剪切模量。KNAPP[10]通過使用鋼絲的中心線對(duì)其變形進(jìn)行描述，假設(shè)鋼絲繩的捻角恒定，建立了鋼絲間無摩擦和無相對(duì)滑移2種情況下計(jì)算均勻彎曲鋼絲繩內(nèi)部鋼絲復(fù)合壓力的近似理論。NABIJOU和HOBBS[11]通過以中心線描述鋼絲的變形，假設(shè)鋼絲間處于無摩擦狀態(tài)，對(duì)彎曲段鋼絲繩內(nèi)部接觸鋼絲間的相對(duì)滑移進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相鄰繩股間鋼絲的相對(duì)滑移最大。NAWROCKI和LABROSSE[12]通過有限元對(duì)存在小彎曲的鋼絲繩進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)鋼絲間的相對(duì)滑移對(duì)鋼絲繩的彎曲行為影響較大。針對(duì)微動(dòng)疲勞影響因素，LI等[13]研制了一臺(tái)變接觸載荷微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)變化的接觸載荷將縮短疲勞壽命，且隨著接觸載荷幅值與平均值的增加，微動(dòng)疲勞壽命降低。趙維建和劉洪洪[14]在自制微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上開展中性腐蝕環(huán)境下單根鋼絲的微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在較小振幅下，磨損機(jī)制主要為磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損和塑性變形，鋼絲疲勞壽命隨著微動(dòng)振幅的增大而減小。VERMA等[15]對(duì)2種接觸載荷和應(yīng)力比下的鈦合金進(jìn)行微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)裂紋萌生于接觸區(qū)域，應(yīng)力比的增加將提高疲勞壽命。O’HALLORAN等[16]通過實(shí)驗(yàn)對(duì)080M40鋼進(jìn)行整體滑移區(qū)域內(nèi)的微動(dòng)疲勞進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摩擦因數(shù)越大，疲勞壽命越短，認(rèn)為隨著相對(duì)滑移大小的變化，磨損對(duì)微動(dòng)疲勞裂紋萌生起到促進(jìn)或抑制的作用。蔡強(qiáng)等人[17]對(duì)高強(qiáng)度鑄造鋁合金的微動(dòng)疲勞特性進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)在法向夾緊力不變時(shí)，微動(dòng)疲勞壽命會(huì)隨著軸向力的增大而減小，且軸向力存在一個(gè)臨界值,超過這個(gè)臨界值，構(gòu)件壽命會(huì)急劇下降。ABBASI和MAJZOOBI[18]研制了一臺(tái)變接觸載荷微動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)開展變接觸載荷微動(dòng)疲勞行為研究，采用有限元對(duì)微動(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)高周疲勞時(shí)裂紋萌生壽命占總微動(dòng)疲勞壽命的主要部分，低周疲勞時(shí)裂紋擴(kuò)展壽命占微動(dòng)疲勞壽命的主要部分。然而，不同微動(dòng)疲勞參數(shù)(接觸載荷、疲勞載荷、鋼絲交叉角度、鋼絲直徑)對(duì)鋼絲微動(dòng)疲勞磨損演化規(guī)律的影響尚未見報(bào)道。因此，本文作者基于摩擦學(xué)理論和Marc軟件構(gòu)建了鋼絲微動(dòng)疲勞磨損模型，探究接觸載荷、疲勞載荷、交叉角度和鋼絲直徑等微動(dòng)疲勞參數(shù)對(duì)鋼絲微動(dòng)疲勞磨損演化的影響規(guī)律。

1 鋼絲微動(dòng)疲勞磨損模型及參數(shù)

1.1 微動(dòng)疲勞磨損理論背景

由Archard公式可知，磨損體積與接觸載荷和相對(duì)滑移量的乘積成正比[19-21]，即

W=2KFnΔx

(1)

式中：W為磨損體積；K為磨損系數(shù)；Fn為接觸載荷；Δx為相對(duì)滑移。

在接觸面為平面時(shí)，記接觸面積為Sc，式(1)等號(hào)兩側(cè)同除以接觸面積可得[22]

h=2KσΔx

(2)

式中：h為磨損深度；σ為接觸正應(yīng)力。

式(2)等號(hào)兩側(cè)同時(shí)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，即可獲得Marc軟件中進(jìn)行磨損計(jì)算時(shí)所采用的磨損計(jì)算公式[23]

(3)

式(3)為有限元計(jì)算時(shí)單個(gè)增量步下磨損深度變化率，對(duì)各增量步下的磨損深度變化進(jìn)行累加，則第n+1個(gè)增量步的總磨損深度[23]為

(4)

式中:hn+1為第n+1增量步總磨損深度；hn為第n增量步總磨損深度；Δt為時(shí)間步長。

式(1)—(3)的推導(dǎo)過程中假設(shè)了接觸面為平面，而鋼絲間的接觸雖然為圓柱體相互接觸，但在進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)，若網(wǎng)格劃分得足夠精細(xì)，計(jì)算模型中各單元間的接觸仍可近似視為平面接觸，故式(3)中的磨損系數(shù)仍可采用平面接觸時(shí)的磨損系數(shù)。

1.2 鋼絲微動(dòng)疲勞磨損模型

文中選用直徑為1 mm的鋼絲構(gòu)建模型，鋼絲彈性模量E=2×105MPa，強(qiáng)度極限σb=2 140 MPa，屈服強(qiáng)度σs=1 670 MPa，名義斷裂真應(yīng)變?chǔ)舊和名義斷裂真應(yīng)力εf分別為0.593和3 870 MPa，頸縮處最小截面積Amin=0.434 mm2，斷面收縮率為47%。運(yùn)用Marc軟件構(gòu)建鋼絲微動(dòng)疲勞磨損模型，見圖1[20]。采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)接觸區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，接觸區(qū)域網(wǎng)格，精細(xì)網(wǎng)格尺寸為20 μm×20 μm，該模型網(wǎng)格單元數(shù)為89 850，節(jié)點(diǎn)數(shù)為98 268。鋼絲間接觸控制方法采用節(jié)點(diǎn)對(duì)面段方法(Node To Segment)，鋼絲間摩擦力模型采用雙線性(庫侖)模型，對(duì)鋼絲間施加穩(wěn)定后的摩擦因數(shù)[19,24]，鋼絲間摩擦因數(shù)取0.55。根據(jù)前期開展的試驗(yàn)與仿真模型結(jié)果對(duì)比[22]，表明仿真模型磨損輪廓短軸尺寸與各對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù)下的實(shí)驗(yàn)值分別相等，各磨損輪廓長軸尺寸與各對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差均在10%以內(nèi)，并依據(jù)K=Ks·Ns/Ne計(jì)算疲勞鋼絲實(shí)際磨損系數(shù)(式中Ks為試算磨損系數(shù)參考值Ks=1×10-8mm3/(N·mm)，Ns為各計(jì)算循環(huán)次數(shù)，Ne為對(duì)應(yīng)的各實(shí)驗(yàn)循環(huán)次數(shù))。選取微動(dòng)疲勞過程中穩(wěn)定磨損階段磨損系數(shù)平均值4.8×10-9mm3/(N·mm)進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖1 鋼絲微動(dòng)疲勞有限元模型[20]

1.3 鋼絲微動(dòng)疲勞參數(shù)

為探究不同接觸載荷、疲勞載荷、交叉角度及鋼絲直徑對(duì)鋼絲微動(dòng)疲勞磨損的影響，采用1.2節(jié)中鋼絲微動(dòng)疲勞磨損有限元模型對(duì)鋼絲的磨損進(jìn)行計(jì)算，模型參數(shù)設(shè)置均與1.2節(jié)相同，以接觸載荷35 N、疲勞載荷范圍50～600 N、鋼絲之間交叉角度90°及加載鋼絲直徑1 mm為初始邊界條件，通過改變鋼絲間的接觸載荷(25、35、45 N)、疲勞載荷(50～600、100～550、150～500 N)、交叉角度(90°、60°、30°)、鋼絲直徑(1、0.9、0.8 mm)進(jìn)行鋼絲的微動(dòng)疲勞磨損計(jì)算。圖2為不同交叉角度和不同加載鋼絲直徑接觸區(qū)域網(wǎng)格示意圖。

圖2 接觸區(qū)域網(wǎng)格示意

2 結(jié)果與討論

2.1 接觸載荷的影響

圖3(a)—(c)所示分別為疲勞鋼絲的最大磨損深度、最大磨損深度位置處磨損率及磨損體積隨循環(huán)次數(shù)變化曲線。

圖3 疲勞鋼絲磨損特性

由圖3可知，隨著循環(huán)次數(shù)增加，疲勞鋼絲最大磨損深度和磨損體積均增大，磨損率則在磨損初期迅速下降并隨著循環(huán)次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定，這是由于磨損初期鋼絲接觸表面粗糙度相對(duì)較大，磨損比較劇烈，隨著循環(huán)次數(shù)的增加接觸表面粗糙度降低，最后趨于穩(wěn)定。疲勞鋼絲的磨損深度、磨損率及磨損體積隨著接觸載荷的增加而增大，且不同接觸載荷下疲勞鋼絲磨損體積均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而呈線性增加。由于接觸載荷增大，使鋼絲接觸表面的剪切應(yīng)力變大，進(jìn)而導(dǎo)致疲勞鋼絲磨損深度、磨損率及磨損體積增大。

圖4所示為11 000次循環(huán)時(shí)最大磨損深度位置對(duì)應(yīng)疲勞鋼絲截面上的應(yīng)力分布云圖。圖5(a)所示為疲勞鋼絲最大磨損深度位置(圖4中點(diǎn)A)的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？芍?，隨著接觸載荷的增加，最大磨損深度位置處的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)減小的趨勢；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大磨損深度位置處的等效應(yīng)力幅值整體呈現(xiàn)上升趨勢，而最大主應(yīng)力幅值則呈現(xiàn)先迅速下降然后再緩慢上升的趨勢。當(dāng)達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)后，磨損率達(dá)到較小穩(wěn)定值，磨損所導(dǎo)致鋼絲接觸區(qū)域隨循環(huán)次數(shù)的變形減小，故最大磨損深度位置處等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值的變化均較小。圖5(b)所示為不同接觸載荷下疲勞鋼絲中心位置處(圖4中點(diǎn)O)的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？芍?，與最大磨損深度位置處不同，由于遠(yuǎn)離接觸區(qū)域，受到磨損的影響較小，疲勞鋼絲中心位置的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨著循環(huán)次數(shù)的增加保持相對(duì)恒定；隨著接觸載荷的增加，疲勞鋼絲中心位置處的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)減小的趨勢。

圖4 11 000次循環(huán)時(shí)最大磨損深度位置鋼絲截面應(yīng)力云圖(MPa)

圖5 不同接觸載荷下疲勞鋼絲應(yīng)力幅值

2.2 疲勞載荷的影響

圖6(a)—(c)所示分別為疲勞鋼絲的最大磨損深度、最大磨損深度位置處磨損率及疲勞鋼絲磨損體積隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？芍?，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞鋼絲的最大磨損深度和磨損體積均增大，磨損率則在磨損初期迅速下降并隨著循環(huán)次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定。依據(jù)Archard公式，磨損量與接觸載荷和相對(duì)滑移量的乘積成正比，而疲勞載荷幅值的增加將導(dǎo)致鋼絲變形范圍的增大，進(jìn)而使得鋼絲間相對(duì)滑移量增大，故隨著疲勞載荷幅值的增加，疲勞鋼絲的磨損深度、磨損率及磨損體積均呈增加趨勢；在不同的疲勞載荷范圍下疲勞鋼絲的磨損體積均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而呈線性增加。

圖6 疲勞鋼絲磨損特性

圖7所示為15 000次循環(huán)時(shí)最大磨損深度位置對(duì)應(yīng)疲勞鋼絲截面上的應(yīng)力云圖?？芍摻z接觸區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)，隨著最小拉伸載荷的增加，鋼絲接觸區(qū)域的等效應(yīng)力增加，而最大主應(yīng)力則呈現(xiàn)降低趨勢。

圖8(a)所示為疲勞鋼絲最大磨損深度位置(圖7中點(diǎn)A)的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？芍?，由于疲勞載荷幅值的增加，最大磨損深度位置處的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)增大的趨勢；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞載荷范圍50～600 N和100～550 N的最大磨損深度位置處的等效應(yīng)力幅值整體呈現(xiàn)上升趨勢，而疲勞載荷范圍150～500 N的最大磨損深度位置處的等效應(yīng)力幅值則呈先減小后上升的趨勢；最大主應(yīng)力幅值則呈現(xiàn)先迅速下降然后再緩慢上升的趨勢；當(dāng)達(dá)到一定循環(huán)次數(shù)后，磨損所導(dǎo)致鋼絲接觸區(qū)域變形隨循環(huán)次數(shù)的變化減小，故最大磨損深度位置處等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值的變化均較小。

圖8(b)所示為不同疲勞載荷范圍下疲勞鋼絲中心位置處(圖7中點(diǎn)O)的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。可知，與不同接觸載荷下相似，由于遠(yuǎn)離接觸區(qū)域而受磨損影響較小，不同疲勞載荷范圍下疲勞鋼絲中心位置的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨著循環(huán)次數(shù)的增加保持相對(duì)恒定；隨著疲勞載荷幅值增加，疲勞鋼絲中心位置處的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖7 15 000次循環(huán)時(shí)最大磨損深度位置鋼絲截面應(yīng)力云圖(MPa)

圖8 不同疲勞載荷范圍下疲勞鋼絲應(yīng)力幅值

2.3 交叉角度的影響

圖9(a)—(c)所示分別為疲勞鋼絲的最大磨損深度、最大磨損深度位置處磨損率及疲勞鋼絲磨損體積隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？芍?，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞鋼絲的最大磨損深度和磨損體積均增大，磨損率則在磨損初期迅速下降并隨著循環(huán)次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定。隨著鋼絲間交叉角度的增加，疲勞鋼絲的磨損深度、磨損率均呈現(xiàn)增加的趨勢，而不同交叉角度下疲勞鋼絲的磨損體積則未發(fā)生變化。由圖9(c)可知，不同的交叉角度下磨損體積隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線完全重合，疲勞鋼絲磨損體積與交叉角度無關(guān)。不同交叉角度下鋼絲的磨損量同樣符合Archard公式所描述規(guī)律，故當(dāng)接觸載荷、疲勞載荷及鋼絲間摩擦因數(shù)相同時(shí)，不同交叉角度下疲勞鋼絲的磨損體積相同。

圖9 不同交叉角度疲勞鋼絲磨損特性

圖10所示為15 000次循環(huán)時(shí)最大磨損深度位置對(duì)應(yīng)疲勞鋼絲截面上的應(yīng)力分布云圖。圖11(a)所示為不同交叉角度下疲勞鋼絲最大磨損深度位置(圖10中點(diǎn)A)的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？芍?，在疲勞加載的初期，不同交叉角度下最大磨損深度位置處等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值有較大差異；隨著疲勞加載循環(huán)次數(shù)的增加，不同交叉角度下的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值差異逐漸減小，這表明達(dá)到穩(wěn)定磨損階段后，交叉角度的變化對(duì)磨損區(qū)域中心位置的應(yīng)力影響較小。圖11(b)所示為不同交叉角度下疲勞鋼絲中心位置處(圖10中點(diǎn)O)的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線。可知，與不同接觸載荷及疲勞載荷范圍下相似，不同交叉角度下疲勞鋼絲中心位置的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨著循環(huán)次數(shù)的增加保持相對(duì)恒定。疲勞載荷和接觸載荷相同時(shí)，鋼絲間交叉角度主要影響接觸區(qū)域附近的應(yīng)力分布，由于遠(yuǎn)離接觸區(qū)域，不同交叉角度下疲勞鋼絲中心位置的等效應(yīng)力幅值較為接近，最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線則幾乎完全重合。

圖10 15 000次循環(huán)時(shí)最大磨損深度位置鋼絲截面應(yīng)力云圖(MPa)

圖11 不同交叉角度下疲勞鋼絲應(yīng)力幅值

2.4 鋼絲直徑的影響

圖12(a)—(c)所示分別為疲勞鋼絲的最大磨損深度、最大磨損深度位置處磨損率及疲勞鋼絲磨損體積隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，各曲線均輸出至鋼絲的裂紋萌生時(shí)刻?？芍S著循環(huán)次數(shù)的增加，疲勞鋼絲的最大磨損深度和磨損體積均增大，磨損率則在磨損初期迅速下降并隨著循環(huán)次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定；隨著加載鋼絲直徑的減小，疲勞鋼絲的磨損深度、磨損率及磨損體積差別不大。依據(jù)Archard公式，磨損量與接觸載荷和相對(duì)滑移量的乘積成正比，由圖12(c)可知，接觸載荷和疲勞載荷相同時(shí)，由于不同加載鋼絲直徑對(duì)鋼絲間相對(duì)滑移量影響較小，故磨損體積隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線幾乎重合。

圖12 不同加載鋼絲直徑疲勞鋼絲磨損

圖13所示為9 000次循環(huán)時(shí)最大磨損深度位置對(duì)應(yīng)疲勞鋼絲截面上的應(yīng)力云圖。可知，隨著加載鋼絲直徑的減小，接觸區(qū)域的應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢。圖14(a)所示為不同加載鋼絲直徑下疲勞鋼絲最大磨損深度位置(圖13中點(diǎn)A)的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？芍?，在疲勞加載的初期，不同加載鋼絲直徑下最大磨損深度位置處等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值有較大差異；隨著疲勞加載循環(huán)次數(shù)的增加，加載鋼絲直徑為0.9 mm時(shí)的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值在3個(gè)參數(shù)下最大。圖14(b)所示為不同加載鋼絲直徑下疲勞鋼絲中心位置處(圖13中點(diǎn)O)的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線?？芍?，與其他計(jì)算參數(shù)下相似，不同加載鋼絲直徑下疲勞鋼絲中心位置的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨著循環(huán)次數(shù)的增加保持相對(duì)恒定；由于遠(yuǎn)離接觸區(qū)域受加載鋼絲直徑變化的影響較小，不同加載鋼絲直徑下疲勞鋼絲中心位置的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線幾乎完全重合。

圖13 9 000次循環(huán)時(shí)最大磨損深度位置鋼絲截面應(yīng)力云圖(MPa)

圖14 不同加載鋼絲直徑下疲勞鋼絲應(yīng)力幅值

3 結(jié)論

(1)磨損深度、磨損率及磨損體積隨著接觸載荷的增加而增大，且不同接觸載荷下疲勞鋼絲磨損體積均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而呈線性增加。隨著接觸載荷的增加，鋼絲最大磨損深度位置處的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值和鋼絲中心位置處的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)減小的趨勢。

(2)疲勞載荷幅值的增加，疲勞鋼絲的磨損深度、磨損率及磨損體積均呈增加趨勢，在不同疲勞載荷范圍下疲勞鋼絲的磨損體積均隨著循環(huán)次數(shù)的增加而呈線性增加。隨著最小拉伸載荷的增加，鋼絲接觸區(qū)域的等效應(yīng)力增加，而最大主應(yīng)力則呈現(xiàn)降低趨勢。隨著疲勞載荷幅值的增加，最大磨損深度位置處的等效應(yīng)力幅值及最大主應(yīng)力幅值和疲勞鋼絲中心位置處的等效應(yīng)力幅值和最大主應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)增大的趨勢。

(3)當(dāng)接觸載荷、疲勞載荷及鋼絲間摩擦因數(shù)相同時(shí)，隨著鋼絲間交叉角度的增加，疲勞鋼絲的磨損深度、磨損率均呈現(xiàn)增加的趨勢，而不同交叉角度下疲勞鋼絲的磨損體積則未發(fā)生變化。隨著加載鋼絲直徑的減小，疲勞鋼絲的磨損深度、磨損率及磨損體積差別不大。而加載鋼絲直徑的減小，接觸區(qū)域的應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢。

(4)鋼絲微動(dòng)疲勞磨損體積主要與接觸載荷和疲勞載荷有關(guān)，且隨循環(huán)次數(shù)的增加呈線性增加，建議在鋼絲繩服役過程中，針對(duì)接觸疲勞損傷嚴(yán)重部分，進(jìn)行定期檢修與維護(hù)。