6×7-IWS（7*7）鍍鋅鋼絲繩的彎曲疲勞性能測(cè)試
0引言
鋼絲繩具有較高抗拉強(qiáng)度、承載能力、抗沖擊韌性l以及柔軟性和吸收阻尼的特點(diǎn)。在海洋工程、橋梁工程、礦山工程以及航空航天事業(yè)日中都離不開(kāi)鋼絲繩的應(yīng)用。不僅如此，日常生活中也隨處可見(jiàn)鋼絲繩的應(yīng)用，如升降電梯，自動(dòng)升降衣架。為了防止鋼絲繩使用過(guò)程中突然斷裂而造成的人員生命安全以及財(cái)產(chǎn)損失，研究鋼絲繩的失效過(guò)程以及疲勞壽命也就具有重要的意義。目前，有關(guān)鋼絲繩彎曲疲勞以及微動(dòng)疲勞的研究越來(lái)越多1]，但大多數(shù)均是針對(duì)大規(guī)格、粗規(guī)格的鋼絲繩，研究細(xì)規(guī)格鋼絲繩的學(xué)者很少，王春輝小組叫在研究小直徑鋼絲繩軸向疲勞時(shí)的鋼絲直徑也高達(dá)16mm。而隨著設(shè)備精細(xì)化、輕量化的發(fā)展，鋼絲繩也不再僅限于大規(guī)格、粗規(guī)格的應(yīng)用。因此，通過(guò)對(duì)6×7-IWS-①1.95mm細(xì)規(guī)格鍍鋅鋼絲繩進(jìn)行彎曲疲勞研究，分析掌握其彎曲失效的基本形式，探索影響鋼絲繩彎曲疲勞的影響因素也就具有重要的意義。
1實(shí)驗(yàn)方法
1.1試驗(yàn)材料
本實(shí)驗(yàn)采用日本進(jìn)口碳含量為0.72%左右的盤(pán)條作為原材料先生產(chǎn)出半成品鍍鋅鋼絲，然后再用半成品鍍鋅鋼絲生產(chǎn)出成品鋼絲。成品鋼絲經(jīng)捻股以及合繩工序后得到鋼絲繩樣品。其中盤(pán)條化學(xué)成分和半成品鍍鋅鋼絲的各項(xiàng)性能如表1與表2所示。
1.2樣品制備與實(shí)驗(yàn)設(shè)備
對(duì)半成品鍍鋅鋼絲進(jìn)行水箱拉拔，分別獲得直徑為0.21mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm四種規(guī)格的鋼絲，然后再經(jīng)過(guò)捻股機(jī)生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)為0.23+6×0.21的外繞股以及結(jié)構(gòu)為0.25+6×0.24的中心股，最后經(jīng)合繩機(jī)生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)為6×7-IWS的交互捻鍍鋅鋼絲繩，鋼絲繩破斷拉力為5050N。鋼絲繩橫截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。
00.2110一00.23一00.2400.251mm圖1鋼絲經(jīng)截面圖
對(duì)合繩后的鋼絲繩進(jìn)行取樣，以20m/份，共取16份。在如圖2所示的彎曲疲勞機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。疲勞機(jī)輥輪直徑為60mm，配重為45kg，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)對(duì)五根鋼絲繩進(jìn)行彎曲測(cè)試，每根鋼絲繩樣品的長(zhǎng)度為2m。
圖2考曲疲勞機(jī)
1.3實(shí)驗(yàn)方法與原理
以3000次實(shí)驗(yàn)為起始次數(shù)，每隔500次作為一次節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄，直到鋼絲繩全斷時(shí)停止。每個(gè)節(jié)點(diǎn)次數(shù)安排兩次實(shí)驗(yàn)，即每個(gè)次數(shù)節(jié)點(diǎn)有10根樣品。對(duì)不同彎曲次數(shù)下的鋼絲繩樣品進(jìn)行彎曲工作段（約1060mm）的拆股解捻處理，記錄鋼絲繩不同層中鋼絲的斷絲情況，并對(duì)不同層中的斷裂鋼絲進(jìn)行微觀形貌觀察。與多數(shù)學(xué)者的研究方法不同，本文中的疲勞機(jī)有三個(gè)被動(dòng)輥輪，三個(gè)輥輪之間的相對(duì)位置固定。鋼絲繩通過(guò)疲勞機(jī)中固定端的壓板進(jìn)行一端固定，另一端懸掛配重，鋼絲繩中間部分繞過(guò)三個(gè)輥輪，通過(guò)輥輪在導(dǎo)軌上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)鋼絲繩進(jìn)行彎曲測(cè)試，本實(shí)驗(yàn)機(jī)在業(yè)內(nèi)稱為三輥疲勞機(jī)吧。
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1不同層鋼絲的斷絲率統(tǒng)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)中，6×7-IWS-b1.95mm鍍鋅鋼絲繩在疲勞機(jī)中的極限彎曲次數(shù)為9500次，通過(guò)記錄3000次至9500次每個(gè)節(jié)點(diǎn)不同鋼絲的斷絲率可得如圖3所示數(shù)據(jù)。從圖3中可知，6×7-IWS-51.95mm鍍鋅鋼絲繩從彎曲次數(shù)達(dá)到3500次時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)斷絲，斷絲的鋼絲為鋼絲繩最外層0.21mm鋼絲。隨著疲勞次數(shù)增加至4500次時(shí)，芯股的中心鋼絲50.25mm與芯股外繞絲50.24mm開(kāi)始出現(xiàn)斷絲。雖然，0.25mm與①0.24
mm鋼絲比鋼絲繩最外層（50.21mm鋼絲晚出現(xiàn)斷絲，但均比0.21mm鋼絲先達(dá)到100%的斷絲率。值得關(guān)注的是，鋼絲繩外繞股的中心鋼絲b0.23mm僅在鋼絲繩接近極限狀態(tài)時(shí)，才開(kāi)始有斷裂的鋼絲產(chǎn)生，（0.23
mm鋼絲基本都是隨著整繩斷裂而斷裂。根據(jù)實(shí)驗(yàn)推斷，
6×7-IWS結(jié)構(gòu)鋼絲繩中外繞股的中心鋼絲在鋼絲繩彎曲測(cè)試過(guò)程中具有重要的作用。
為了進(jìn)一步研究鋼絲繩中不同層鋼絲對(duì)鋼絲繩彎曲疲勞性能的影響，安排了同種結(jié)構(gòu)鋼絲繩的缺絲對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3中所示。從表3中數(shù)據(jù)可明顯看出，在缺少一根0.23mm單絲時(shí)，鋼絲繩的極限疲勞次數(shù)
2.2不同層鋼絲的結(jié)構(gòu)分析
圖4是6×7-JWS-01.95mm鍍鋅鋼絲繩拆股解捻后不同層鋼絲的宏觀形貌，從圖中可以看出，作為鋼絲繩芯股的中心絲，0.25mm鋼絲沒(méi)有任何波形結(jié)構(gòu)；b0.23mm與b0.24mm鋼絲均表現(xiàn)出單一的波形結(jié)構(gòu)：
而0.21mm鋼絲具有復(fù)合波形結(jié)構(gòu)。結(jié)合鋼絲繩捻制工藝可知，各鋼絲中波形的波高與波長(zhǎng)尺寸與鋼絲繩的捻制參數(shù)有關(guān)，即0.23mm鋼絲的波形波長(zhǎng)與鋼絲繩的繩捻距有關(guān)，波高與鋼絲繩的粗度和外繞股的粗度有關(guān)：0.24mm鋼絲的波形波長(zhǎng)與波高分別與芯股的捻距和粗度有關(guān)：而具有復(fù)合波形的（b0.21mm鋼絲的波形既和繩捻距、粗度有關(guān)，也與外繞股的捻距、粗度有關(guān)。通過(guò)對(duì)不同鋼絲中波形的曲率半徑進(jìn)行測(cè)量可得，b0.21mm鋼絲中存在三種曲率半徑的波形，分別為分析認(rèn)為：鋼絲繩彎曲疲勞測(cè)試過(guò)程中，具有不同波形結(jié)構(gòu)的鋼絲在鋼絲繩中的受力也各不相同。b0.23
mm的鋼絲在鋼絲繩彎曲測(cè)試過(guò)程中，波形曲率半徑大，由于鋼絲結(jié)構(gòu)的原因，鋼絲在軸向具有一定的結(jié)構(gòu)彈性，在鋼絲繩彎曲疲勞過(guò)程中抵抗斷裂的性能好。具有復(fù)合波形結(jié)構(gòu)的（b0.21mm鋼絲，由于具有多種波形，鋼絲上的應(yīng)力分布復(fù)雜。b0.24mm鋼絲的波形雖然不是復(fù)合波形，但整體波形尺寸小，波形曲率半徑最小，鋼絲繩彎曲疲勞過(guò)程中在波峰與波谷處產(chǎn)生的應(yīng)力比b0.23
mm和b0.21mm的都大。（b0.25mm鋼絲雖然不具有波形，但作為鋼絲繩繩芯的組成單元，在鋼絲繩受軸向拉應(yīng)力時(shí)，繩芯鋼絲產(chǎn)生的應(yīng)力最大，使得繩芯處鋼絲的疲勞壽命值低]：其次，相同規(guī)格的簾線成品，鋼絲的絲徑越粗，其抗疲勞性能越差“4，使得b0.25mm中心鋼絲在鋼絲繩彎曲疲勞過(guò)程中斷裂速度過(guò)快。
3結(jié)論
3結(jié)論
通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)為6×7-IWS-01.95mm的鋼絲繩進(jìn)行彎曲疲勞測(cè)試可知：
1）6×7-IWS結(jié)構(gòu)鋼絲繩外繞股中心鋼絲對(duì)鋼絲繩的彎曲疲勞壽命具有非常重要的影響，外繞股中心鋼絲所具有的相對(duì)較大且單一的波形結(jié)構(gòu)，是其在鋼絲繩彎曲疲勞過(guò)程中抵抗斷裂的主要原因：
2）鋼絲繩中鋼絲的彎曲測(cè)試斷口均為疲勞斷口，疲勞源產(chǎn)生的主要原因是鋼絲表面的摩擦磨損，改善鋼絲繩工作時(shí)與輥輪間的潤(rùn)滑狀態(tài)以及鋼絲繩內(nèi)部鋼絲與鋼絲間的潤(rùn)滑狀態(tài)均能在較大程度上提升鋼絲繩的彎曲疲勞壽命。
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