鋼絲繩股力學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，具有多鋼絲繩結構的超深礦井提升系統成為必要。多鋼絲繩提升系統在運行中必然存在鋼絲繩間運動不同步及提升系統變形失諧現象，這將引起鋼絲繩間的張力差，嚴重時會導致提升系統不能正常工作，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重要的部件，是安全生產的重要保障。鋼絲繩的力學與摩擦磨損性能是影響提升系統安全運行的重要因素。長期服役中，鋼絲繩因其繩間、絲間的摩擦磨損而須進行定期維護和更換，這需要大量的資

2、金投入。然而相關資料表明，目前我國超深礦井提升鋼絲繩仍很大程度依賴于進口，可見對鋼絲繩進行深入的力學與摩擦磨損性能研究，對打破國外技術封鎖、實現我國高性能鋼絲繩自主研發(fā)設計具有重要的戰(zhàn)略意義。
　　本文在國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)項目“超深礦井提升系統的變形失諧規(guī)律與并行驅動同步控制研究”(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、扭轉及彎曲特性和絲間摩擦磨損性能進

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計選用提供理論支撐。論文主要研究內容及成果如下：
　?、俑鶕切秃蛨A型鋼絲繩股的結構特點，推導兩種繩股的參數化空間曲線方程?？紤]鋼絲泊松比效應和彈塑性等因素，建立兩種繩股的有限元模型，并通過與文獻結果對比驗證模型的有效性。通過有限元求解，對比分析兩類繩股在不同拉伸、扭轉及彎曲載荷下的整體力學性能及絲間局部接觸性能的差異。發(fā)現三角股具有比圓股小的拉伸、扭轉及彎曲剛度；三角股在拉伸和

4、扭轉載荷下更易發(fā)生較大變形和應力屈服，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。
　　②建立圓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行求解。將所建立的螺旋接觸模型與曲桿理論相結合，建立并驗證鋼絲繩股軸向力學性能與絲間接觸性能耦合模型，進而揭示出芯絲-側絲接觸變形等因素對繩股絲間接觸特性和軸向力學性能的影響規(guī)律。本方法可實現繩股絲間接觸性能的準確求解，且計算效率高于商用軟件

5、。研究發(fā)現繩股絲間接觸引起的鋼絲內部最大等效應力發(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)生應力屈服；接觸變形會導致大捻角繩股軸向拉伸和扭轉剛度的減小。
　　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，并驗證模型有效性。由此揭示出鋼絲繩股芯絲-側絲及側絲-側絲間的接觸性能參數隨軸向載荷變化的演變規(guī)律，以及絲間接觸狀態(tài)對繩股軸向力學性能的影響機制。發(fā)現拉伸載荷使繩股芯絲-側絲趨于接近，扭轉載荷則

6、使相鄰側絲趨于接近；繩股在一定載荷下處于側絲同時與芯絲及相鄰側絲發(fā)生接觸的同步接觸狀態(tài)，此時絲間接觸載荷分配相對均勻；軸向拉伸、扭轉載荷的增大會導致大捻角繩股相應剛度的增大。
　?、苡嬋肽Σ亮徒佑|變形等因素的影響，對彎曲圓型鋼絲繩股進行力學建模。采用改進Euler預測-校正法等方法，對摩擦力進行自動求解，克服了商用軟件的不足?；隍炞C的模型，研究繩股彎曲特性和絲間摩擦接觸性能。發(fā)現芯絲-側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處的芯絲-側絲摩擦力為零，且該位置易發(fā)生拉伸斷絲和應力屈服；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，但其抵抗應力屈服及摩擦磨損的性能相對較差。
　?、萁⒅芷趶澢摻z繩股摩擦磨損求解模型，進行鋼絲摩擦磨損試驗，獲取鋼絲磨損系數并對絲間摩擦磨損模型進行驗證。通過數值求解，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)現繩股芯絲-側絲間的磨損發(fā)生在彎曲中性層外側，且最