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鋼絲繩結(jié)構(gòu)性伸長問題研究

發(fā)布時(shí)間：2022-06-18 14:01　文章來源：未知　文章作者：admin　點(diǎn)擊數(shù)：

   1. 前言一般鋼絲繩由于加載在使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性伸長，而造成這種伸長的主要原因是鋼絲繩生產(chǎn)中產(chǎn)生的工藝應(yīng)力和變形，鋼絲在股內(nèi)、股在鋼絲繩內(nèi)的相對(duì)位置不順當(dāng)，而當(dāng)鋼絲繩一經(jīng)使用，經(jīng)過反復(fù)的徑向荷載的作用，逐步理順了這些相對(duì)的位置，同時(shí)也使鋼絲繩產(chǎn)生了永久性的伸長，這就是所謂的結(jié)構(gòu)性伸長。鋼絲繩的結(jié)構(gòu)性伸長一般在0.7%~1.0%之間［1］。其結(jié)構(gòu)性伸長通過張拉可有效消除，使之能在一些對(duì)結(jié)構(gòu)性伸長有要求（諸如架空索道、高速、高層電梯、懸吊橋等）的環(huán)境里使用，而在這些地方使用時(shí)其結(jié)構(gòu)伸長必須控制在0.2%~0.5%。本文對(duì)此進(jìn)行了分析研究。
        2. 結(jié)構(gòu)性伸長分析
        2.1鋼絲的受力分析。鋼絲繩中的鋼絲是經(jīng)過拉拔制成的，在拉制過程中要在鋼絲內(nèi)形成殘余拉拔應(yīng)力；由鋼絲捻制成股，再由股捻成繩時(shí)，也要產(chǎn)生捻制應(yīng)力。因此鋼絲繩在制造過程中主要產(chǎn)生兩類應(yīng)力：殘余拉拔應(yīng)力和捻制應(yīng)力。
        2.1.1殘余拉拔應(yīng)力。殘余拉拔應(yīng)力有三種存在形式：
        (1)殘余拉應(yīng)力：鋼絲在拉拔過程中，由于模子的角度、潤滑條件、冷卻條件上的差異，變形時(shí)，鋼絲的內(nèi)部各層“晶粒纖維”出現(xiàn)位移差和變形差，因此在鋼絲的縱向產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種拉應(yīng)力將部分殘存在鋼絲內(nèi)部形成殘余拉應(yīng)力。
        (2)殘余彎曲應(yīng)力：拉制過程中，鋼絲在拉絲機(jī)的輥輪、卷筒中彎曲時(shí)要形成彎曲應(yīng)力殘存于鋼絲的內(nèi)部。尤其是當(dāng)卷筒的直徑與鋼絲的直徑不協(xié)調(diào)（既彎曲比不合）時(shí)，殘余彎曲應(yīng)力更為明顯。此外，如果模子的出口中心與鋼絲在卷筒的切點(diǎn)不在自然水平切線上，也會(huì)加劇彎曲應(yīng)力的形成。
        (3)滑輪式拉絲機(jī)拉制鋼絲時(shí)，鋼絲將繞自身軸線產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，而形成扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)次數(shù)的多少要取決于卷筒上線桿的旋轉(zhuǎn)情況及配模情況。 
        2.1.2捻制應(yīng)力。捻制應(yīng)力也有三種形式：
        (1)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（俗稱“反撥力”）。鋼絲或者股繩在捻制時(shí)，機(jī)身每旋轉(zhuǎn)一周，則被扭轉(zhuǎn)一次。如果不采取工字輪翻身措施（筒體式捻制機(jī)無法使工字輪翻身），則在鋼絲或股繩內(nèi)必然產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，使鋼絲或股繩“松捻”，同時(shí)使鋼絲繩旋轉(zhuǎn)和松散。
        (2)彎曲應(yīng)力：鋼絲在股中或者在繩中以圓柱螺旋線形式存在，這種螺旋線依靠捻制變形獲得。在變形中，是彈性變形和塑性變形共存，且具有一定的彎曲率。這樣，必然會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。這種彎曲應(yīng)力是捻制應(yīng)力的主要存在形式。
        (3)拉伸應(yīng)力：鋼絲或股在捻制時(shí)，由于牽引力的作用而處于拉伸狀態(tài)，雖然是在彈性極限之內(nèi)，并未產(chǎn)生塑性變形，但由于螺旋的約束，也將產(chǎn)生拉伸應(yīng)力。這種拉伸應(yīng)力在鋼絲繩中表現(xiàn)不太明顯，往往被忽略［2］。由于鋼絲殘余拉拔應(yīng)力及捻制應(yīng)力的存在，導(dǎo)致鋼絲在股（繩）捻制后的位置發(fā)生“錯(cuò)位”，雖經(jīng)校直，有部分也難以“歸位”，這樣就使得鋼絲繩或單股鋼絲繩受負(fù)荷時(shí)，促使鋼繩各股和鋼絲之間便發(fā)生相互位移，使鋼絲繩的原始形狀發(fā)生變化，使其“歸位”。這種變化與鋼絲繩的結(jié)構(gòu)，繩內(nèi)有機(jī)物纖維的多少、捻距的長短等因索有關(guān)。
        2.2股及鋼絲在股（繩）內(nèi)的變形分析。彎曲變形：除中心鋼絲（股）以外，捻成股（繩）后，形成一條空間螺旋曲線產(chǎn)生彎曲變形，其曲率半徑：ρ=R0/Sinα其中：α——捻角。扭轉(zhuǎn)變形：在一個(gè)捻距內(nèi)，鋼絲（股）繞自身軸線扭轉(zhuǎn)（沒有退扭的鋼絲/股），此時(shí)其扭轉(zhuǎn)角為：θ=2πcosα其中：α——捻角。因而，鋼絲（股）在其固有狀態(tài)下受彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形以及少量的塑性變形，而當(dāng)沿其軸線方向施加拉應(yīng)力時(shí)，彎曲、扭轉(zhuǎn)變形將得以釋放一部分，而壓應(yīng)力增加,使股（繩）剛度增加。長度的伸長，與施加的拉應(yīng)力成正比例關(guān)系。
        3. 實(shí)驗(yàn)鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)是在我公司索具公司YZ-2500預(yù)張拉設(shè)備上進(jìn)行。
        3.1鋼絲繩結(jié)構(gòu)(1)6×19S+PPC-16-IPS進(jìn)行載荷與伸長量的關(guān)系試驗(yàn)，公稱破斷拉力：150KN，參數(shù)取樣長度為25m。(2)6×36WS+IWR-54-1960MPa進(jìn)行施加50%R.B.S（R.B.S-鋼絲繩最小破斷拉力）拉力時(shí)的平均伸長量試驗(yàn)，鋼絲繩最小破斷拉力：2035KN，鋼絲繩金屬芯總面積：1384.30mm2，以107m作為標(biāo)注長度。
        3.2試驗(yàn)方法。在YZ-2500預(yù)張拉設(shè)備上將鋼絲繩兩頭用夾具夾緊，逐漸給試樣先加載至5%R.B.S，然后繼續(xù)緩慢加載至鋼絲繩最小破斷拉力的50%，鋼絲繩直徑＜30mm，第一次張拉時(shí)間為30min，卸載至5%R.B.S.，第二次預(yù)張拉時(shí)間為20 min：鋼絲繩直徑≥30mm，第一次預(yù)張拉時(shí)間為25 min，卸載至5%R.B.S.，第二次預(yù)張拉時(shí)間為15 min，鋼絲繩連續(xù)承受兩次拉伸負(fù)荷。
        4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析鋼繩直徑、捻距與伸長量的關(guān)系。鋼繩直徑、捻距與伸長量數(shù)據(jù)負(fù)荷平均繩徑(mm)捻距(mm)伸長量(mm)無負(fù)荷16.525108-12KN16.325108.613075KN16.10109265卸載至12KN16.2108.6100 從表1可以看出，隨著負(fù)荷的增加，繩徑逐漸變小，捻距逐漸增大，伸長量也逐漸增加，卸載后伸長量減小。原因是鋼繩預(yù)張拉逐漸理順了股中絲與絲之間，繩中股與股之間，股與繩芯的相對(duì)位置，從而發(fā)生了永久性的結(jié)構(gòu)性伸長，而卸載后伸長量減小，是由于一部分彈性伸長隨載荷的去除得以回復(fù)。因此張拉處理能有效消除鋼繩的結(jié)構(gòu)伸長，鋼繩結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定，繩股受力的均勻性得到了改善，有利于提高鋼繩耐疲勞性，延長使用壽命［3］。進(jìn)行一次張拉的平均伸長量，分析數(shù)據(jù)，考慮測量誤差的影響，去掉最大和最小數(shù)據(jù)，可以得出：施加50%R.B.S拉力時(shí)其伸長量為865.13mm，回復(fù)至5%R.B.S 拉力時(shí)其平均伸長量為：311mm，進(jìn)行第二次張拉時(shí)，在50%R.B.S 時(shí)平均伸長量：918.43mm，5% R.B.S時(shí)平均伸長量：330mm（去掉最大、最?。?。進(jìn)行一次、二次張拉的伸長量(mm)試樣50%R.B.S的伸長量進(jìn)行第一次預(yù)張拉進(jìn)行第二次預(yù)張拉5%R.B.S的伸長量進(jìn)行第一次預(yù)張拉進(jìn)行第二次預(yù)張拉結(jié)束語由于鋼絲繩中鋼絲（股）的殘余應(yīng)力雖經(jīng)成繩后變形的作用，但依然部分存在，這樣使得絲（股）的變形不穩(wěn)定。而經(jīng)過預(yù)張拉后，繩中鋼絲的殘余拉拔應(yīng)力以及繩中股和股中絲的殘余捻制應(yīng)力得以釋放、轉(zhuǎn)換和重新分布，并且股及鋼絲的彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形得以更加穩(wěn)定。而這一過程與張拉保持時(shí)間長短，以及張拉次數(shù)成一定的關(guān)系，在一定載荷作用下保持合理的時(shí)間，結(jié)構(gòu)性伸長能夠較徹底的消除，當(dāng)進(jìn)行第二次張拉時(shí)，將“回復(fù)”部分的結(jié)構(gòu)性伸長加以消除。同時(shí)鋼絲繩結(jié)構(gòu)性伸長還與鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等級(jí)有關(guān)，要減小和消除鋼絲繩的結(jié)構(gòu)性伸長最有效的方式是經(jīng)過預(yù)張拉，而這些問題還有待以后做進(jìn)一步分析研究。