發(fā)布時間：2021-09-07 17:49

　　在煤礦立井提升過程中,提升鋼絲繩受到交變的拉-拉疲勞載荷和彎曲疲勞載荷的作用,導(dǎo)致鋼絲繩內(nèi)部鋼絲的疲勞載荷、相鄰鋼絲間的接觸載荷和相對滑移,進(jìn)而引起鋼絲的微動磨損、裂紋萌生、擴(kuò)展和最終斷裂,即微動疲勞,嚴(yán)重降低提升鋼絲繩的承載強(qiáng)度和服役壽命�！睹旱V安全規(guī)程》規(guī)定:當(dāng)鋼絲繩直徑縮小量或斷絲數(shù)達(dá)到10%時,鋼絲繩應(yīng)報廢。目前,缺少基于微動疲勞損傷的提升鋼絲繩服役壽命定量評價方法,無法預(yù)知提升鋼絲繩的實(shí)際服役壽命和使用可靠性,嚴(yán)重影響煤礦提升安全性和可靠性。本文運(yùn)用自制鋼絲微動疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)開展鋼絲微動疲勞實(shí)驗(yàn),揭示了鋼絲磨損輪廓和裂紋擴(kuò)展深度隨循環(huán)次數(shù)的演化規(guī)律;結(jié)合有限元法、摩擦學(xué)理論、疲勞和斷裂力學(xué)理論,構(gòu)建了鋼絲微動疲勞磨損演化模型、裂紋萌生預(yù)測模型、裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型,提出了考慮磨損、裂紋萌生和擴(kuò)展的微動疲勞壽命預(yù)測模型,揭示了微動疲勞參數(shù)對鋼絲微動疲勞壽命的影響規(guī)律;結(jié)合鋼絲繩彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)和有限元分析,揭示了變張力下鋼絲繩彎曲疲勞失效機(jī)制,提出了基于微動疲勞的提升鋼絲繩壽命預(yù)測模型。結(jié)果表明:鋼絲的磨損輪廓尺寸及裂紋擴(kuò)展深度隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大;所建模型預(yù)測鋼絲微動疲勞壽命與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)... 

【文章來源】：中國礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：142 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

立井摩擦式提升機(jī)示意圖

進(jìn)行描述，依據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN對裂紋長度隨疲勞循環(huán)周次的變化率進(jìn)行描述，疲勞裂紋擴(kuò)展速率一般地表達(dá)為Paris公式[51,52]。綜上所述，多軸疲勞壽命預(yù)測（裂紋萌生壽命）主要有等效應(yīng)力（應(yīng)變）法、能量法及臨界平面法，而裂紋擴(kuò)展壽命則主要通過Paris公式進(jìn)行計算。1.3.3微動疲勞微動指兩接觸表面間發(fā)生的相對位移極小的運(yùn)動，接觸表面間的相對位移振幅通常在微米量級[53,54]。微動通常會造成兩物體接觸表面的磨損及加速裂紋的萌生和擴(kuò)展[55]。（a）切向微動（b）徑向微動（c）滾動微動（d）扭動微動圖1-2微動的4種形式[55]Figure1-2Fourtypesoffretting根據(jù)相對運(yùn)動方向，微動可分為（1）切向微動；（2）徑向微動；（3）滾動微動；（4）扭動微動[56]（圖1-2）。鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間屬于切向微動工況。1.3.3.1微動疲勞影響因素根據(jù)相關(guān)學(xué)者研究，微動損傷至少有50個影響因素[7]，而這其中接觸壓力、摩擦力、相對滑移、摩擦系數(shù)是最重要的影響因素[57,58]。O’Halloran等[59]通過實(shí)驗(yàn)對080M40鋼進(jìn)行整體滑移區(qū)域內(nèi)的微動疲勞進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)越大，疲勞壽命越短，認(rèn)為隨著相對滑移大小的變化，磨損對微動疲勞裂紋萌生起到促進(jìn)或抑制的作用；Abbasi和Majzoobi[60]研制了一臺變接觸載荷微動疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)開展變接觸載荷微動疲勞行為研究，采用有限元對微動疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了仿真，發(fā)現(xiàn)高周疲勞時裂紋萌生壽命占總微動疲勞壽命的主要部分，低周疲勞時裂紋擴(kuò)展壽命占微動疲勞壽命的主要部分；Li等[61]同樣研制了一臺變接觸載荷微動疲勞實(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

1緒論7(a)磨損(b)斷絲圖1-3鋼絲繩失效形式Figure1-3Failureformofwirerope國外學(xué)者主要通過開展實(shí)驗(yàn)，對鋼絲繩疲勞過程中的損傷失效行為進(jìn)行研究，通過擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩的疲勞壽命預(yù)測。Fadel等[64]通過開展不同應(yīng)力水平下的疲勞實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)計鋼絲繩的斷絲數(shù)，建立了鋼絲繩應(yīng)力與疲勞壽命間的S-N曲線；Feyrer[9]通過對一系列型號鋼絲繩的拉伸疲勞和彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得鋼絲繩的拉伸及彎曲疲勞壽命擬合公式，并分析了鋼絲繩的直徑、長度、潤滑、摩擦輪材料等因素對鋼絲繩疲勞壽命的影響；Kim等[75,76]對空氣及腐蝕環(huán)境下的鋼絲繩進(jìn)行彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩強(qiáng)度隨著斷絲數(shù)增加而下降，腐蝕環(huán)境會加劇鋼絲繩的疲勞損傷；Ridge等[77]針對含初始損傷（斷絲、磨損、腐蝕、松弛等）的鋼絲繩進(jìn)行彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的初始損傷對其彎曲疲勞極限影響較小，鋼絲繩的結(jié)構(gòu)及摩擦輪的尺寸為鋼絲繩彎曲疲勞壽命的主要影響因素；Costello[8]總結(jié)前人實(shí)驗(yàn)研究成果，給出了7種鋼絲繩壽命預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式，并提出了一種S-N曲線結(jié)合Goodman公式的鋼絲繩壽命預(yù)測理論；Saka等[78]則通過開展鋼絲的微動疲勞實(shí)驗(yàn)，獲取鋼絲的壽命曲線，進(jìn)而采用有限元獲取鋼絲繩內(nèi)鋼絲的應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對鋼絲繩壽命的預(yù)測。圖1-4鋼絲繩彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)Figure1-4Bendingfatiguetestingmachineofwirerope實(shí)驗(yàn)研究方面，國內(nèi)學(xué)者主要通過鋼絲繩彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，對鋼絲繩疲勞斷絲及磨損進(jìn)行研究，如張德坤等[79-81]通過圖1-4所示鋼絲繩彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，開展鋼絲繩彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)，探究了鋼絲繩的預(yù)張力、摩擦輪材料、鋼絲繩初始損傷（斷絲）對鋼絲繩彎曲疲勞損傷（磨損和斷絲）的影響。鋼絲繩的疲勞壽命預(yù)測方面，

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