鋼絲繩股力學(xué)與摩擦磨損性能研究.pdf

1、隨著煤炭井下開采深度的日益增加，具有多鋼絲繩結(jié)構(gòu)的超深礦井提升系統(tǒng)成為必要。多鋼絲繩提升系統(tǒng)在運(yùn)行中必然存在鋼絲繩間運(yùn)動不同步及提升系統(tǒng)變形失諧現(xiàn)象，這將引起鋼絲繩間的張力差，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致提升系統(tǒng)不能正常工作，甚至引發(fā)斷繩等事故?？梢婁摻z繩作為超深礦井提升裝備中至關(guān)重要的部件，是安全生產(chǎn)的重要保障。鋼絲繩的力學(xué)與摩擦磨損性能是影響提升系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要因素。長期服役中，鋼絲繩因其繩間、絲間的摩擦磨損而須進(jìn)行定期維護(hù)和更換，這需要大量的資

2、金投入。然而相關(guān)資料表明，目前我國超深礦井提升鋼絲繩仍很大程度依賴于進(jìn)口，可見對鋼絲繩進(jìn)行深入的力學(xué)與摩擦磨損性能研究，對打破國外技術(shù)封鎖、實(shí)現(xiàn)我國高性能鋼絲繩自主研發(fā)設(shè)計(jì)具有重要的戰(zhàn)略意義。
　　本文在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目“超深礦井提升系統(tǒng)的變形失諧規(guī)律與并行驅(qū)動同步控制研究”(課題編號：2014CB049403)的資助下，以單股鋼絲繩(簡稱鋼絲繩股)為對象，對其軸向拉伸、扭轉(zhuǎn)及彎曲特性和絲間摩擦磨損性能進(jìn)

3、行深入研究，以期為超深礦井提升鋼絲繩的理論分析與設(shè)計(jì)選用提供理論支撐。論文主要研究內(nèi)容及成果如下：
　?、俑鶕?jù)三角型和圓型鋼絲繩股的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，推導(dǎo)兩種繩股的參數(shù)化空間曲線方程。考慮鋼絲泊松比效應(yīng)和彈塑性等因素，建立兩種繩股的有限元模型，并通過與文獻(xiàn)結(jié)果對比驗(yàn)證模型的有效性。通過有限元求解，對比分析兩類繩股在不同拉伸、扭轉(zhuǎn)及彎曲載荷下的整體力學(xué)性能及絲間局部接觸性能的差異。發(fā)現(xiàn)三角股具有比圓股小的拉伸、扭轉(zhuǎn)及彎曲剛度；三角股在拉伸和

4、扭轉(zhuǎn)載荷下更易發(fā)生較大變形和應(yīng)力屈服，而彎曲情況下相反；三角股因絲間接觸壓力大于圓股而更容易發(fā)生接觸失效。
　?、诮A型鋼絲繩股絲間螺旋接觸性能模型，并借助共軛梯度法及快速傅里葉變換等方法進(jìn)行求解。將所建立的螺旋接觸模型與曲桿理論相結(jié)合，建立并驗(yàn)證鋼絲繩股軸向力學(xué)性能與絲間接觸性能耦合模型，進(jìn)而揭示出芯絲-側(cè)絲接觸變形等因素對繩股絲間接觸特性和軸向力學(xué)性能的影響規(guī)律。本方法可實(shí)現(xiàn)繩股絲間接觸性能的準(zhǔn)確求解，且計(jì)算效率高于商用軟件

5、。研究發(fā)現(xiàn)繩股絲間接觸引起的鋼絲內(nèi)部最大等效應(yīng)力發(fā)生在接觸界面下一定深度的區(qū)域，該區(qū)域最容易發(fā)生應(yīng)力屈服；接觸變形會導(dǎo)致大捻角繩股軸向拉伸和扭轉(zhuǎn)剛度的減小。
　　③基于曲桿理論、彈性接觸理論和半解析法，建立變載荷圓型鋼絲繩股絲間全接觸模型，并驗(yàn)證模型有效性。由此揭示出鋼絲繩股芯絲-側(cè)絲及側(cè)絲-側(cè)絲間的接觸性能參數(shù)隨軸向載荷變化的演變規(guī)律，以及絲間接觸狀態(tài)對繩股軸向力學(xué)性能的影響機(jī)制。發(fā)現(xiàn)拉伸載荷使繩股芯絲-側(cè)絲趨于接近，扭轉(zhuǎn)載荷則

6、使相鄰側(cè)絲趨于接近；繩股在一定載荷下處于側(cè)絲同時(shí)與芯絲及相鄰側(cè)絲發(fā)生接觸的同步接觸狀態(tài)，此時(shí)絲間接觸載荷分配相對均勻；軸向拉伸、扭轉(zhuǎn)載荷的增大會導(dǎo)致大捻角繩股相應(yīng)剛度的增大。
　?、苡?jì)入摩擦力和接觸變形等因素的影響，對彎曲圓型鋼絲繩股進(jìn)行力學(xué)建模。采用改進(jìn)Euler預(yù)測-校正法等方法，對摩擦力進(jìn)行自動求解，克服了商用軟件的不足?；隍?yàn)證的模型，研究繩股彎曲特性和絲間摩擦接觸性能。發(fā)現(xiàn)芯絲-側(cè)絲間的摩擦接觸作用將增大繩股的彎曲剛度；

7、距離彎曲曲率中心最遠(yuǎn)處的芯絲-側(cè)絲摩擦力為零，且該位置易發(fā)生拉伸斷絲和應(yīng)力屈服；繩股彎曲疲勞易發(fā)生在其彎曲中性層；大捻角繩股具有比小捻角繩股更好的抗彎曲疲勞性能，但其抵抗應(yīng)力屈服及摩擦磨損的性能相對較差。
　　⑤建立周期彎曲鋼絲繩股摩擦磨損求解模型，進(jìn)行鋼絲摩擦磨損試驗(yàn)，獲取鋼絲磨損系數(shù)并對絲間摩擦磨損模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過數(shù)值求解，分析繩股絲間磨損演變及其對絲間接觸性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)繩股芯絲-側(cè)絲間的磨損發(fā)生在彎曲中性層外側(cè)，且最