楊汀

重慶科技學(xué)院機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，中國·重慶 401331

1 引言

鋼絲繩柔性好、抗拉伸能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械、冶金、礦山等工程領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用于拉曳提升作業(yè)。隨著礦產(chǎn)資源開采力度增加，中國逐漸進(jìn)入深井開采模式，多繩纏繞式提升機(jī)是最適合超深礦井提升的提升方式，其通過鋼絲繩在卷筒上的纏繞與解纏繞行為，帶動(dòng)容積罐做起升和下降運(yùn)動(dòng)將地層礦物提升到地面。鋼絲繩作為連接卷筒、天輪和罐籠的重要部件，其力學(xué)性能與提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行和提升效率密切相關(guān)。

論文從提升機(jī)鋼絲繩的常見失效形式的角度出發(fā)，對(duì)目前針對(duì)鋼絲繩展開的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)與概括，分析鋼絲繩使用壽命的影響因素，并提出一些建議和展望。

2 提升機(jī)鋼絲繩常見失效形式

超深礦井多層纏繞提升機(jī)在工作時(shí)鋼絲繩主要承受沿鋼絲繩軸向的拉伸載荷，鋼絲繩在卷筒、天輪上纏繞時(shí)的彎曲載荷以及鋼絲繩在提升過程中自身產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)載荷。此外，鋼絲繩股內(nèi)以及繩股之間鋼絲在載荷作用下存在復(fù)雜的摩擦、磨損等相互作用。在不斷重復(fù)的提升與下降過程中，鋼絲繩承受多種載荷的耦合作用，并逐漸發(fā)生破壞，直至失效。提升鋼絲繩的主要失效形式有以下幾種。

2.1 磨損

提升鋼絲繩進(jìn)行提升和下放工作的過程中，由于與卷筒、天輪、制動(dòng)器以及調(diào)繩裝置等接觸造成磨損，導(dǎo)致鋼絲繩界面減小，機(jī)械性能降低，直至破壞。此外，由于鋼絲繩的提升過程中各鋼絲繩承受載荷情況不同，造成鋼絲張力、變形不均勻，各鋼絲之間的相互作用，也會(huì)對(duì)鋼絲繩造成內(nèi)部磨損。

2.2 疲勞

提升機(jī)工作時(shí)的提升速度并不是恒定不變的，其變化總體為加速—?jiǎng)蛩佟獪p速模式，整個(gè)過程中鋼絲繩所承受載荷不斷變化。鋼絲繩在提升過程中承受載荷情況較為復(fù)雜，且不斷變化的載荷對(duì)于鋼絲繩會(huì)造成疲勞損傷，最終影響鋼絲繩的使用壽命。此外，鋼絲繩在天輪和卷筒上重復(fù)進(jìn)行彎曲和纏繞，隨著鋼絲繩提升次數(shù)的增加，鋼絲繩的使用壽命也會(huì)存在一定程度的降低。

2.3 銹蝕

多數(shù)礦井提升機(jī)工作環(huán)境較為潮濕，空氣水分較大，提升鋼絲繩在此環(huán)境下工作時(shí)表面易發(fā)生氧化銹蝕。造成鋼絲繩表面鋼絲出現(xiàn)凹坑，影響鋼絲繩的機(jī)械性能，嚴(yán)重者由于鋼絲繩表面不平造成應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致斷絲現(xiàn)象，引發(fā)斷繩事故。因此，銹蝕對(duì)鋼絲繩使用壽命的影響不容忽視。

2.4 振動(dòng)

超深礦井提升機(jī)鋼絲繩的柔韌性較好，在進(jìn)行超深提升過程中易發(fā)生振動(dòng)、晃蕩現(xiàn)象，對(duì)鋼絲繩滋生造成劇烈沖擊，不僅影響鋼絲繩的提升效果，還對(duì)鋼絲繩使用壽命造成影響。

3 中國和其他國家的研究現(xiàn)狀

隨著有限元分析方法和相關(guān)軟件的發(fā)展，有限元技術(shù)以計(jì)算機(jī)分析代替人工演算，不僅節(jié)約了研究周期和研究成本，而且研究結(jié)果也與工程實(shí)際情況相符，因此被廣泛應(yīng)用于各大工程領(lǐng)域。近年來，中國和其他國家的諸多學(xué)者以有限元方法建立鋼絲繩仿真模型，對(duì)其各種載荷和材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，模擬鋼絲繩在實(shí)際工況中的工作狀態(tài)，針對(duì)鋼絲繩的力學(xué)性能進(jìn)行了很多研究。

Stanová E等人[1]對(duì)鋼絲繩軸向載荷下的應(yīng)力分布進(jìn)行研究。V Fontanari[2]對(duì)鋼絲繩在軸向拉伸載荷作用下的內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行了研究。但并未考慮鋼絲繩在軸向載荷作用下自身發(fā)生扭轉(zhuǎn)對(duì)鋼絲繩力學(xué)性能的影響。

吳娟、寇子明等人[3]就捻向?qū)ν鈱愉摻z的應(yīng)力分布和變形規(guī)律的影響進(jìn)行了研究。C Erdem imrak、Cengiz Erd?nmez利用abaqus對(duì)鋼絲繩實(shí)體模型進(jìn)行力學(xué)分析，對(duì)鋼絲繩應(yīng)變與軸向力的關(guān)系進(jìn)行研究。馬軍等人就軸向載荷作用下鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力分布與變形規(guī)律進(jìn)行了研究。C Erdonmez、C E Imrak、劉玉輝、戴珊珊等人對(duì)承受軸向載荷的鋼絲繩的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行闡述，但忽略了鋼絲繩內(nèi)部鋼絲之間的接觸摩擦與相對(duì)變形。

Dagang Wang、陳原培、姜海波等人考慮鋼絲繩內(nèi)部鋼絲之間的接觸和摩擦，對(duì)鋼絲繩使用壽命進(jìn)行研究。任志乾等從載荷沖擊的角度對(duì)鋼絲繩進(jìn)行研究，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)沖擊載荷造成鋼絲繩失效的原因是內(nèi)部鋼絲的接觸損傷?？紤]鋼絲繩在載荷作用下內(nèi)部鋼絲之間的相互行為，對(duì)鋼絲繩的接觸損傷和使用壽命的影響進(jìn)行分析。

Yusuf Aytac Onur和C Erdem Imrak對(duì)繞過滑輪承受拉伸載荷的6×36Warrington-Seale型鋼絲繩疲勞壽命情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)載荷和彎曲程度對(duì)鋼絲繩使用壽命都有影響。熊偉紅等將有限元分析方法與Manson-Coffin鋼絲繩結(jié)合建立了鋼絲繩的疲勞壽命計(jì)算模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。賈小凡、張德坤、李巍等人對(duì)鋼絲繩在載荷作用下疲勞壽命的影響因素展開研究。胡志輝發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的纏繞形式對(duì)鋼絲繩使用壽命影響較大，且不同纏繞位置的鋼絲繩壽命損傷程度有所不同。

綜上所述，鋼絲繩自身結(jié)構(gòu)獨(dú)特以及其在工作時(shí)所承受載荷狀態(tài)復(fù)雜，關(guān)于鋼絲繩使用壽命方面的研究，主要集中在拉伸、彎曲以及扭轉(zhuǎn)載荷以及鋼絲繩鋼絲之間的相互作用等因素對(duì)鋼絲繩使用壽命的影響。

4 延長提升鋼絲繩使用壽命的措施

鋼絲繩的正確選型。提升鋼絲繩的種類繁多，不同的提升鋼絲繩力學(xué)性能存在較大差異，適用于不同的工作環(huán)境。因此，鋼絲繩是否正確選型，對(duì)提升效果以及鋼絲繩的使用壽命有很大影響。

消除鋼絲繩之間提升不同步現(xiàn)象。超深礦井纏繞式提升機(jī)與淺井纏繞式提升機(jī)不同，采用多繩同步作用對(duì)提升容器進(jìn)行提升和下降。提升過程中由于制造、安裝以及提升重心的影響，各根鋼絲繩之間變形伸長量存在差異，并隨著提升不斷累積，造成鋼絲繩提升不同步的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)鋼絲繩驟斷，造成安全事故。此外，提高浮動(dòng)天輪或游動(dòng)卷筒等結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲繩變形差進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)延長鋼絲繩的使用壽命很有必要。

鋼絲繩的正確保養(yǎng)與維護(hù)。提升機(jī)鋼絲繩新繩在安裝時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行浸油、注油處理。但提升鋼絲繩的工作具有高強(qiáng)度、高重復(fù)的特點(diǎn)，在使用一段時(shí)間后鋼絲繩變得干澀，此時(shí)為保證鋼絲繩正常工作和穩(wěn)定提升，需要對(duì)鋼絲繩進(jìn)行定期保養(yǎng)，否則由于缺乏潤滑，鋼絲繩磨損加劇，且由于礦井潮濕易發(fā)生銹蝕破壞，嚴(yán)重降低鋼絲繩的機(jī)械性能和使用壽命。因此，正確合理的保養(yǎng)維護(hù)措施一定程度上可以延長鋼絲繩的使用壽命。

5 結(jié)語

隨著對(duì)超深礦井鋼絲繩研究的逐漸深入，在現(xiàn)有單一工作載荷研究基礎(chǔ)上，對(duì)鋼絲繩多種載荷耦合作用下的力學(xué)特性進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井提升系統(tǒng)鋼絲繩復(fù)雜的實(shí)際工況進(jìn)行深度模擬仿真分析將成為研究趨勢(shì)。從而對(duì)鋼絲繩使用壽命做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，及時(shí)更換鋼絲繩，避免安全事故的產(chǎn)生。此外，對(duì)鋼絲繩在瞬態(tài)載荷沖擊下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行分析，并研究瞬態(tài)沖擊對(duì)鋼絲繩力學(xué)性能和使用壽命的影響對(duì)于超深礦井提升技術(shù)具有重要意義。