6×7-IWS（7*7）鍍鋅鋼絲繩的彎曲疲勞性能測試
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)日中都離不開鋼絲繩的應(yīng)用。不僅如此，日常生活中也隨處可見鋼絲繩的應(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)疲勞的研究越來越多1]，但大多數(shù)均是針對大規(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，通過對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)對五根鋼絲繩進(jìn)行彎曲測試，每根鋼絲繩樣品的長度為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)輥輪之間的相對位置固定。鋼絲繩通過疲勞機(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三個(gè)輥輪，通過輥輪在導(dǎo)軌上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對鋼絲繩進(jìn)行彎曲測試，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試過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)。通過對不同鋼絲中波形的曲率半徑進(jìn)行測量可得，b0.21mm鋼絲中存在三種曲率半徑的波形，分別為分析認(rèn)為：鋼絲繩彎曲疲勞測試過程中，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試過程中，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程中斷裂速度過快。
3結(jié)論
3結(jié)論
通過對結(jié)構(gòu)為6×7-IWS-01.95mm的鋼絲繩進(jìn)行彎曲疲勞測試可知：
1）6×7-IWS結(jié)構(gòu)鋼絲繩外繞股中心鋼絲對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較大且單一的波形結(jié)構(gòu)，是其在鋼絲繩彎曲疲勞過程中抵抗斷裂的主要原因：
2）鋼絲繩中鋼絲的彎曲測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)與輥輪間的潤滑狀態(tài)以及鋼絲繩內(nèi)部鋼絲與鋼絲間的潤滑狀態(tài)均能在較大程度上提升鋼絲繩的彎曲疲勞壽命。
