钢丝绳股内钢丝张力分布及钢丝间摩擦力研究

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钢丝绳作为一种高强度柔性构件,具有良好的承载能力,广泛应用在工矿业、旅游和交通等领域。由于钢丝绳结构复杂,股内钢丝受力也很复杂,尤其是钢丝绳绕过天轮弯曲时,钢丝的受力情况更加复杂,在弯曲状态下钢丝张力各不相同。钢丝绳在承受载荷时,钢丝绳在其轴向方向上会产生较大的变形,同时钢丝间也存在滑动摩擦力,摩擦力导致钢丝间产生磨损,在磨损区域产生应力和萌生微裂纹。在实际使用中钢丝绳绕天轮循环往复弯曲,交变载荷和摩擦力会逐渐降低钢丝绳的疲劳寿命和抗拉强度,发生钢丝绳失效等严重故障。以1+6型钢丝绳(该绳由1根中心丝和6根外侧丝组成)为对象,采用理论分析、实验和仿真分析计算的方法对直线承载和弯曲承载两种状态下绳股内钢丝的张力和钢丝间的摩擦力进行研究。建立了直线承载和弯曲承载两种状态下绳股内各丝中心线的数学方程,根据中心线的数学方程,利用Pro/E软件生成了钢丝绳模型;基于圆柱螺旋弹簧理论建立侧丝受力模型,依据侧丝-中心丝在钢丝绳轴向变形量相等建立侧丝-中心丝的力-位移平衡方程,推导出直线承载状态下侧丝-中心丝的摩擦力关系式。基于欧拉公式和接触力学的方法分析了钢丝间的摩擦力,建立了弯曲承载状态下钢丝间的摩擦力关系式;通过钢丝张力测定实验,得到了钢丝张力,并以此计算了钢丝间的摩擦力;建立钢丝绳在直线承载和弯曲承载两种状态下的有限元分析计算模型,并分别对两种状态下股内钢丝的张力和钢丝间的摩擦力进行分析计算。基于有限元分析计算的结果与实验测定的张力值和理论计算的摩擦力值进行对比,验证实验测定的张力值和摩擦力关系。研究结果表明:在直线承载状态下绳股内各侧丝承受的张力相等,中心丝比侧丝承受的载荷大,中心丝和侧丝分别承受约18.4%和13.6%的轴向载荷,中心丝和侧丝的张力随着钢丝绳拉力的增大而增大。绳股内各侧丝承受的摩擦力也相等,其数值随着钢丝绳拉力的增大而增大;弯曲承载状态下绳股内钢丝承受的张力和摩擦力均不相等,当钢丝绳-天轮的接触弧长为钢丝绳捻距的整数倍时,绳股内钢丝的张力和摩擦力分布差异都较小,张力最小差值约为98N,摩擦力最小差值约为55N。中心丝和侧丝分别承担约24.4%和12.6%的轴向载荷。
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