影响钢丝绳疲劳寿命的几种因素

  摘  要  引入了钢丝疲劳试验定义。大量试验证实：素氏体化率高、组织均匀的材质，结合紧密、丝径较粗的线、面接触结构，适宜的强度和韧性，适当的预变形处理，均匀充分的润滑，并配合直径较大、轮槽喷涂或衬胶的滑轮可以有效地提高钢丝绳的疲劳寿命。

  关键词  钢丝绳  疲劳寿命  影响因素

    钢丝绳在使用过程中受力状态很复杂，在各种不同工作状况下，随拉伸、压缩、扭转及弯曲变形等力的作用。而交变负荷和冲击负荷使钢丝绳产生纵向和横向振动，内部产生摩擦力及挤压应力，导致钢丝绳几何形状的破坏及疲劳寿命缩短。目前，国内评价钢丝绳优劣大都是通过拆股和整绳破断拉力检验来进行的，这种方法与钢丝绳使用中实际受力状况差异很大。因此，一种模拟钢丝绳实际使用状况的试验方法――钢丝绳疲劳试验应运而生。

1  疲劳试验

  疲劳试验是将钢丝绳试样绕在疲劳试验机的主动轮和试验轮上，施加一定的负荷，主动轮按一定的摆动频率往返摆动，带动钢丝绳在试验轮内做反复弯曲运动，直到试样断丝或断股为止，考核其反复弯曲次数即弯曲疲劳次数（也称疲劳寿命）的试验方法。

2  影响钢丝绳疲劳寿命的几种因素

  通过对数十根钢丝绳弯曲疲劳试验，找出了影响钢丝绳疲劳性能的几路因素，有钢丝绳本身的因素，如材质、结构、强度、韧性、绳芯表面涂油、预处理工艺等，也有钢丝绳工作状况因素，如滑轮等。下面介绍各种不同因素对钢丝绳疲劳寿命的影响。

2.1 材质

  用日本盘条和国产盘条分别制成的石油用的钢丝绳，如表1所示。在其它技术参数及试验参数相同的条件下，日本盘条制成的钢丝绳比国产盘条制成的钢丝绳疲劳寿命分别高49%、39%。这说明日本盘条材质优于国产盘条，材质均匀稳定。究其原因，日本盘条S、P含量低，热轧控冷好，组织均匀，索氏体化率高。关于索氏体化率高、组织均匀与钢丝绳疲劳寿命的关系，笔者与河南某钢丝绳企业作了专题试验。从热处理线上下来的钢丝逐根作金相检验，挑出索氏体化率高且组织均匀的钢丝，制成的钢丝绳在煤矿上使用，其平均使用寿命与未经挑选制成的钢丝绳相比，由150天提高到250天。这充分说明了盘条的组织及索氏体化率直接影响到钢丝绳的疲劳寿命。另外，有关资料对日本钢丝绳的进一步分析发现，日本在钢丝绳生产中，对股中不同层的钢丝强度和化学成分搭配也有一定要求。外层丝碳含量比内层丝稍低一点，以使其有较好的韧性，不易弯曲断丝；使锰含量较高一点，增加其耐磨性，且不易脆断。

表1   不同材质钢丝绳的疲劳寿命

2.2  结构

2.2.1 点、线、面接触钢丝绳

  如表2所示，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，线接触钢丝绳No10劳后破断拉力为28.9kN，而点接触钢丝绳No11劳后破断拉力仅为4.2kN。前者是后者的7倍。再如3根近似直径（φ28mm、φ28mm、φ28.5mm）相同强度的点、线、面接触钢丝绳，线接触钢丝绳No48疲劳寿命比点接触的钢丝绳No47高105%，面接触钢丝绳No46的疲劳寿命也比点接触的钢丝绳No47高34%。同样，两根规格（φ26mm）、同强度、同韧性的点、线接触钢丝绳，线接触钢丝绳No45的疲劳寿命比点接触钢丝绳No44高27%。从表2中的数据还可以看出，线接触钢丝绳No3的疲劳寿命远高于同规格的点接触钢丝绳No4。以上结果充分说明，线、面接触钢丝绳的疲劳寿命明显高于点接触钢丝绳。这主要是因为点接触钢丝绳股中丝与丝之间是点接触状态，钢丝表面承受挤压应力很大，且丝在股中受到二次弯曲应力，缩短了钢丝绳的疲劳寿命。面线、面接触钢丝绳却避免了这些问题。

表2   点、线、面结构钢丝绳的疲劳寿命

2.2.2  6*7与6*19钢丝绳

  如表3所示，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，6*7结构钢丝绳No39的疲劳寿命比6*19结构钢丝绳No41高195%。这主要是6*7结构钢丝绳的钢丝直径比6*19的粗，耐磨性能较好的缘故。

表3   6*7与6*19结构钢丝绳的疲劳寿命

2.2.3  7*7和1*37金属绳芯的钢丝绳

  从表4可以看出，对于不锈钢丝绳6*19W-8.75，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，1*37金属绳芯的不锈钢丝绳No8、No14的劳后破断拉力值与7*7绳芯的不锈钢丝绳No12相比，高70%左右。同样，具有1*37金属绳芯的不锈钢丝绳No7、No10、No15劳后破断拉力值比7*7绳芯不锈钢丝绳No9、No13高73%。因此可以说6*19W-8.75不锈钢丝绳，金属绳芯1*37结构疲劳性能优于7*7金属绳芯。

表4   金属绳芯7*7与1*37结构钢丝绳的疲劳寿命

2.3   强度

  如表5所示，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，1 520MPa强度级的钢丝绳No42的疲劳寿命比1 670MPa强度级的钢丝绳No43高57%。这说明低强度钢丝绳的疲劳寿命较高，主要是低强度钢丝绳中钢丝弯曲、扭转性能好的缘故。

表5   不同强度钢丝绳的疲劳寿命

2.4   韧性

  如表6所示，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，6*19结构中，特号韧性的钢丝绳No26的疲劳寿命比I号韧性的钢丝绳No25高44%。6*7结构中，I号韧性的钢丝绳No39的疲劳寿命比Ⅱ号韧性的钢丝绳No40高37%。可见高韧性号的钢丝绳疲劳寿命高。这是因为高韧性号钢丝绳中钢丝间强度差小，弯曲、扭转性能好的缘故。

表6   不同韧性钢丝绳的疲劳寿命

2.5   绳芯

  钢丝绳芯分金属芯和纤维芯。纤维芯又分天然纤维芯和合成纤维芯。从表7可以看出，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，纤维芯钢丝绳No29疲劳后的断丝数比尼龙芯钢丝绳No28少，而劳后破断拉力值却高，这说明麻芯钢丝绳的疲劳性能优于尼龙芯的钢丝绳。究其原因，主要是麻芯钢丝绳柔性好，而且浸油效果好，提高了钢丝绳的润滑条件，从而延长钢丝绳的疲劳寿命。

表7   麻芯与尼龙芯钢丝绳的疲劳寿命

2.6   钢丝绳的预变形处理

  从表8可以看出，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，经过锻打的钢丝绳No32的疲劳寿命比不锻打的钢丝绳No31高93%。同样，经过锻打的钢丝绳No28、No29疲劳性能也远远优于未经锻打的钢丝绳No30。这说明，经过预变形处理，可以提高钢丝绳疲劳性能。这主要是因为，钢丝绳经过预变形，包括预张拉、紧压、锻打等工艺，可以消除钢丝绳中股与股、丝与丝之间的应力和不均匀性，增加彼此间的接触面积，减少内部磨擦及相对运动，从而提高其疲劳寿命。

表8   锻打与不锻打钢丝绳的疲劳寿命

2.7   钢丝绳的涂油

  从表9可以看出，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，涂油的钢丝绳No19劳后/劳前破断拉力比值比不涂油的钢丝绳No20高119%。这说明涂油的钢丝绳的疲劳性能优于不涂油的钢丝绳。这是因为涂油改善了钢丝绳的润滑条件，减少了磨损程度。

表9   涂油与不涂油钢丝的疲劳寿命

2.8   滑轮

  （1）滑轮直径。从表10可以看出，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，不锈钢丝绳No8、No12、No14用90.5mm弯曲滑轮疲劳后破断拉力值分别比不锈钢丝绳No7、No13、No15用85.5mm弯曲滑轮疲劳后破断拉力值高47%、69%、98%。滑轮直径仅差5mm，疲劳寿命却相关很大。可见，滑轮直径的增大可显著提高钢丝绳的疲劳寿命。这是因为滑轮直径的增大，减少了钢丝绳中钢丝的弯曲应力，增大了弯曲角度。

表10   滑轮直径对φ8.75mm钢丝绳劳后拉力的影响

  (2)滑轮槽。从表11可以看出，在其它技术参数和试验参数相同的条件下，钢丝绳No17经过滑轮槽内侧衬上橡皮的滑轮疲劳后的破断拉力比经过不衬橡皮的轮疲劳后的钢丝绳No12破断拉力值高28%。同样，钢丝绳No2在表面喷涂后的滑轮上的疲劳寿命比钢丝绳No1在表面未喷涂滑轮上疲劳寿命高16%。这说明弯曲滑轮内表面材质也影响钢丝绳的疲劳寿命，衬上橡皮或表面喷涂，改善了钢丝绳的接触条件，减少了磨擦系数，从而提高了钢丝绳的疲劳寿命。

表11   不同滑轮槽的钢丝绳疲劳寿命

3   结语

  虽然影响钢丝绳疲劳寿命的还有其它因素，但主要的是以上几种，理论上，只要减少疲劳源区（即裂纹）的产生机率，减缓疲劳源的扩张，就可以提高疲劳寿命。因此，我们认为索氏化率高、组织均匀的材质，结合紧密、丝径较粗的线、面接触结构，适宜的强度和韧性，适当的预变形处理、均匀充分的润滑，配合直径较大、轮槽喷涂或衬胶的滑轮使用，可以有效地提高钢丝绳的疲劳寿命。生产企业在选择盘条、安排生产工艺时若充分考虑这些因素的影响，就可以在满足产品标准要求的同时，提高钢丝绳的使用寿命，实际上也就大大提高了钢丝绳的实物质量；对于使用单位，了解影响钢丝绳疲劳寿命的这些因素，可以合理、科学地使用钢丝绳，有效地延长其使用寿命；而对于生产企业和使用单位之外的第三方（钢丝绳弯曲疲劳试验），也找到了科学、公正评价钢丝绳的办法。因此，我们相信，钢丝绳的疲劳试验和整绳破断试验在不远的将来，必将取代拆股试验，成为检验钢丝绳质量好坏的重要依据。