基于微动疲劳的矿井提升钢丝绳服役寿命预测研究
发布时间：2021-09-07 17:49
在煤矿立井提升过程中,提升钢丝绳受到交变的拉-拉疲劳载荷和弯曲疲劳载荷的作用,导致钢丝绳内部钢丝的疲劳载荷、相邻钢丝间的接触载荷和相对滑移,进而引起钢丝的微动磨损、裂纹萌生、扩展和最终断裂,即微动疲劳,严重降低提升钢丝绳的承载强度和服役寿命。《煤矿安全规程》规定:当钢丝绳直径缩小量或断丝数达到10%时,钢丝绳应报废。目前,缺少基于微动疲劳损伤的提升钢丝绳服役寿命定量评价方法,无法预知提升钢丝绳的实际服役寿命和使用可靠性,严重影响煤矿提升安全性和可靠性。本文运用自制钢丝微动疲劳实验机开展钢丝微动疲劳实验,揭示了钢丝磨损轮廓和裂纹扩展深度随循环次数的演化规律;结合有限元法、摩擦学理论、疲劳和断裂力学理论,构建了钢丝微动疲劳磨损演化模型、裂纹萌生预测模型、裂纹扩展预测模型,提出了考虑磨损、裂纹萌生和扩展的微动疲劳寿命预测模型,揭示了微动疲劳参数对钢丝微动疲劳寿命的影响规律;结合钢丝绳弯曲疲劳实验和有限元分析,揭示了变张力下钢丝绳弯曲疲劳失效机制,提出了基于微动疲劳的提升钢丝绳寿命预测模型。结果表明:钢丝的磨损轮廓尺寸及裂纹扩展深度随循环次数的增加而增大;所建模型预测钢丝微动疲劳寿命与验证实验...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
立井摩擦式提升机示意图
进行描述，依据疲劳裂纹扩展速率da/dN对裂纹长度随疲劳循环周次的变化率进行描述，疲劳裂纹扩展速率一般地表达为Paris公式[51,52]。综上所述，多轴疲劳寿命预测（裂纹萌生寿命）主要有等效应力（应变）法、能量法及临界平面法，而裂纹扩展寿命则主要通过Paris公式进行计算。1.3.3微动疲劳微动指两接触表面间发生的相对位移极小的运动，接触表面间的相对位移振幅通常在微米量级[53,54]。微动通常会造成两物体接触表面的磨损及加速裂纹的萌生和扩展[55]。（a）切向微动（b）径向微动（c）滚动微动（d）扭动微动图1-2微动的4种形式[55]Figure1-2Fourtypesoffretting根据相对运动方向，微动可分为（1）切向微动；（2）径向微动；（3）滚动微动；（4）扭动微动[56]（图1-2）。钢丝绳内部钢丝间属于切向微动工况。1.3.3.1微动疲劳影响因素根据相关学者研究，微动损伤至少有50个影响因素[7]，而这其中接触压力、摩擦力、相对滑移、摩擦系数是最重要的影响因素[57,58]。O’Halloran等[59]通过实验对080M40钢进行整体滑移区域内的微动疲劳进行研究，发现摩擦系数越大，疲劳寿命越短，认为随着相对滑移大小的变化，磨损对微动疲劳裂纹萌生起到促进或抑制的作用；Abbasi和Majzoobi[60]研制了一台变接触载荷微动疲劳实验机，通过实验开展变接触载荷微动疲劳行为研究，采用有限元对微动疲劳裂纹扩展进行了仿真，发现高周疲劳时裂纹萌生寿命占总微动疲劳寿命的主要部分，低周疲劳时裂纹扩展寿命占微动疲劳寿命的主要部分；Li等[61]同样研制了一台变接触载荷微动疲劳实验机，通过实验发现变化的接触载荷将缩短疲劳寿命，且随着接
1绪论7(a)磨损(b)断丝图1-3钢丝绳失效形式Figure1-3Failureformofwirerope国外学者主要通过开展实验，对钢丝绳疲劳过程中的损伤失效行为进行研究，通过拟合实验数据，实现钢丝绳的疲劳寿命预测。Fadel等[64]通过开展不同应力水平下的疲劳实验，统计钢丝绳的断丝数，建立了钢丝绳应力与疲劳寿命间的S-N曲线；Feyrer[9]通过对一系列型号钢丝绳的拉伸疲劳和弯曲疲劳实验数据进行拟合，获得钢丝绳的拉伸及弯曲疲劳寿命拟合公式，并分析了钢丝绳的直径、长度、润滑、摩擦轮材料等因素对钢丝绳疲劳寿命的影响；Kim等[75,76]对空气及腐蚀环境下的钢丝绳进行弯曲疲劳实验，发现钢丝绳强度随着断丝数增加而下降，腐蚀环境会加剧钢丝绳的疲劳损伤；Ridge等[77]针对含初始损伤（断丝、磨损、腐蚀、松弛等）的钢丝绳进行弯曲疲劳实验，发现钢丝绳的初始损伤对其弯曲疲劳极限影响较小，钢丝绳的结构及摩擦轮的尺寸为钢丝绳弯曲疲劳寿命的主要影响因素；Costello[8]总结前人实验研究成果，给出了7种钢丝绳寿命预测经验公式，并提出了一种S-N曲线结合Goodman公式的钢丝绳寿命预测理论；Saka等[78]则通过开展钢丝的微动疲劳实验，获取钢丝的寿命曲线，进而采用有限元获取钢丝绳内钢丝的应力状态，实现对钢丝绳寿命的预测。图1-4钢丝绳弯曲疲劳实验机Figure1-4Bendingfatiguetestingmachineofwirerope实验研究方面，国内学者主要通过钢丝绳弯曲疲劳实验，对钢丝绳疲劳断丝及磨损进行研究，如张德坤等[79-81]通过图1-4所示钢丝绳弯曲疲劳实验机，开展钢丝绳弯曲疲劳实验，探究了钢丝绳的预张力、摩擦轮材料、钢丝绳初始损伤（断丝）对钢丝绳弯曲疲劳损伤（磨损和断丝）的影响。钢丝绳的疲劳寿命预测方面，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微动磨损预测矿井提升钢丝绳安全系数[J]. 张俊,葛世荣,王大刚,张德坤. 机械工程学报. 2019(07)
[2]多绳摩擦提升系统钢丝绳横向振动分析与试验[J]. 吴娟,寇子明,梁敏,吴国雄. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(06)
[3]超高速电梯系统动态仿真分析[J]. 马幸福,陈炳炎. 图学学报. 2015(03)
[4]基于健康监测的悬索桥吊索疲劳可靠性评估[J]. 胡柏学,黄浩,曾威. 公路交通科技. 2015(06)
[5]弯曲钢丝绳股内钢丝应力应变数值模拟[J]. 吴娟,寇子明,刘玉辉,吴国雄. 煤炭学报. 2015(06)
[6]三角型和圆型钢丝绳股弯曲性能有限元比较研究[J]. 陈原培,陈志伟,孟鹏,孟凡明,龚宪生. 中国矿业大学学报. 2015(06)
[7]基于实测车流的悬索桥吊杆钢丝寿命期内的疲劳评定[J]. 曾勇,陈艾荣,谭红梅. 防灾减灾工程学报. 2014(02)
[8]变长度提升系统钢丝绳纵向振动特性[J]. 包继虎,张鹏,朱昌明. 振动与冲击. 2013(15)
[9]承载钢丝绳在不同预张力下的弯曲疲劳损伤研究[J]. 贾小凡,张德坤. 机械工程学报. 2011(24)
[10]机械重大装备寿命预测综述[J]. 张小丽,陈雪峰,李兵,何正嘉. 机械工程学报. 2011(11)
博士论文
[1]锈蚀钢丝疲劳性能及桥梁缆索疲劳可靠性评估方法研究[D]. 郑祥隆.浙江大学 2018
[2]钢丝绳股力学与摩擦磨损性能研究[D]. 陈原培.重庆大学 2016
[3]钢丝的微动损伤行为及其微动疲劳寿命预测研究[D]. 王大刚.中国矿业大学 2012
硕士论文
[1]酸性溶液中矿用钢丝拉扭复合微动疲劳裂纹扩展演化和电化学腐蚀行为研究[D]. 宋道柱.中国矿业大学 2019
[2]大跨悬索桥吊索可靠度及断裂分析[D]. 张波.西南交通大学 2017
[3]车辆荷载作用下骑跨式吊索腐蚀疲劳性能分析[D]. 冯小敏.郑州大学 2016
[4]铁路悬索桥钢丝绳吊索应力数值分析及疲劳评估[D]. 官快.西南交通大学 2015
[5]超深矿井提升系统钢丝绳多层缠绕关键问题的研究[D]. 张鹏.重庆大学 2015
[6]金属材料应变寿命曲线估算的新方法[D]. 徐鹏.南京航空航天大学 2012
[7]W6Mo5Cr4V2钢传动轴强度与疲劳寿命分析[D]. 程远存.武汉理工大学 2010
本文编号：3389984
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
立井摩擦式提升机示意图
进行描述，依据疲劳裂纹扩展速率da/dN对裂纹长度随疲劳循环周次的变化率进行描述，疲劳裂纹扩展速率一般地表达为Paris公式[51,52]。综上所述，多轴疲劳寿命预测（裂纹萌生寿命）主要有等效应力（应变）法、能量法及临界平面法，而裂纹扩展寿命则主要通过Paris公式进行计算。1.3.3微动疲劳微动指两接触表面间发生的相对位移极小的运动，接触表面间的相对位移振幅通常在微米量级[53,54]。微动通常会造成两物体接触表面的磨损及加速裂纹的萌生和扩展[55]。（a）切向微动（b）径向微动（c）滚动微动（d）扭动微动图1-2微动的4种形式[55]Figure1-2Fourtypesoffretting根据相对运动方向，微动可分为（1）切向微动；（2）径向微动；（3）滚动微动；（4）扭动微动[56]（图1-2）。钢丝绳内部钢丝间属于切向微动工况。1.3.3.1微动疲劳影响因素根据相关学者研究，微动损伤至少有50个影响因素[7]，而这其中接触压力、摩擦力、相对滑移、摩擦系数是最重要的影响因素[57,58]。O’Halloran等[59]通过实验对080M40钢进行整体滑移区域内的微动疲劳进行研究，发现摩擦系数越大，疲劳寿命越短，认为随着相对滑移大小的变化，磨损对微动疲劳裂纹萌生起到促进或抑制的作用；Abbasi和Majzoobi[60]研制了一台变接触载荷微动疲劳实验机，通过实验开展变接触载荷微动疲劳行为研究，采用有限元对微动疲劳裂纹扩展进行了仿真，发现高周疲劳时裂纹萌生寿命占总微动疲劳寿命的主要部分，低周疲劳时裂纹扩展寿命占微动疲劳寿命的主要部分；Li等[61]同样研制了一台变接触载荷微动疲劳实验机，通过实验发现变化的接触载荷将缩短疲劳寿命，且随着接
1绪论7(a)磨损(b)断丝图1-3钢丝绳失效形式Figure1-3Failureformofwirerope国外学者主要通过开展实验，对钢丝绳疲劳过程中的损伤失效行为进行研究，通过拟合实验数据，实现钢丝绳的疲劳寿命预测。Fadel等[64]通过开展不同应力水平下的疲劳实验，统计钢丝绳的断丝数，建立了钢丝绳应力与疲劳寿命间的S-N曲线；Feyrer[9]通过对一系列型号钢丝绳的拉伸疲劳和弯曲疲劳实验数据进行拟合，获得钢丝绳的拉伸及弯曲疲劳寿命拟合公式，并分析了钢丝绳的直径、长度、润滑、摩擦轮材料等因素对钢丝绳疲劳寿命的影响；Kim等[75,76]对空气及腐蚀环境下的钢丝绳进行弯曲疲劳实验，发现钢丝绳强度随着断丝数增加而下降，腐蚀环境会加剧钢丝绳的疲劳损伤；Ridge等[77]针对含初始损伤（断丝、磨损、腐蚀、松弛等）的钢丝绳进行弯曲疲劳实验，发现钢丝绳的初始损伤对其弯曲疲劳极限影响较小，钢丝绳的结构及摩擦轮的尺寸为钢丝绳弯曲疲劳寿命的主要影响因素；Costello[8]总结前人实验研究成果，给出了7种钢丝绳寿命预测经验公式，并提出了一种S-N曲线结合Goodman公式的钢丝绳寿命预测理论；Saka等[78]则通过开展钢丝的微动疲劳实验，获取钢丝的寿命曲线，进而采用有限元获取钢丝绳内钢丝的应力状态，实现对钢丝绳寿命的预测。图1-4钢丝绳弯曲疲劳实验机Figure1-4Bendingfatiguetestingmachineofwirerope实验研究方面，国内学者主要通过钢丝绳弯曲疲劳实验，对钢丝绳疲劳断丝及磨损进行研究，如张德坤等[79-81]通过图1-4所示钢丝绳弯曲疲劳实验机，开展钢丝绳弯曲疲劳实验，探究了钢丝绳的预张力、摩擦轮材料、钢丝绳初始损伤（断丝）对钢丝绳弯曲疲劳损伤（磨损和断丝）的影响。钢丝绳的疲劳寿命预测方面，
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于微动磨损预测矿井提升钢丝绳安全系数[J]. 张俊,葛世荣,王大刚,张德坤. 机械工程学报. 2019(07)
[2]多绳摩擦提升系统钢丝绳横向振动分析与试验[J]. 吴娟,寇子明,梁敏,吴国雄. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(06)
[3]超高速电梯系统动态仿真分析[J]. 马幸福,陈炳炎. 图学学报. 2015(03)
[4]基于健康监测的悬索桥吊索疲劳可靠性评估[J]. 胡柏学,黄浩,曾威. 公路交通科技. 2015(06)
[5]弯曲钢丝绳股内钢丝应力应变数值模拟[J]. 吴娟,寇子明,刘玉辉,吴国雄. 煤炭学报. 2015(06)
[6]三角型和圆型钢丝绳股弯曲性能有限元比较研究[J]. 陈原培,陈志伟,孟鹏,孟凡明,龚宪生. 中国矿业大学学报. 2015(06)
[7]基于实测车流的悬索桥吊杆钢丝寿命期内的疲劳评定[J]. 曾勇,陈艾荣,谭红梅. 防灾减灾工程学报. 2014(02)
[8]变长度提升系统钢丝绳纵向振动特性[J]. 包继虎,张鹏,朱昌明. 振动与冲击. 2013(15)
[9]承载钢丝绳在不同预张力下的弯曲疲劳损伤研究[J]. 贾小凡,张德坤. 机械工程学报. 2011(24)
[10]机械重大装备寿命预测综述[J]. 张小丽,陈雪峰,李兵,何正嘉. 机械工程学报. 2011(11)
博士论文
[1]锈蚀钢丝疲劳性能及桥梁缆索疲劳可靠性评估方法研究[D]. 郑祥隆.浙江大学 2018
[2]钢丝绳股力学与摩擦磨损性能研究[D]. 陈原培.重庆大学 2016
[3]钢丝的微动损伤行为及其微动疲劳寿命预测研究[D]. 王大刚.中国矿业大学 2012
硕士论文
[1]酸性溶液中矿用钢丝拉扭复合微动疲劳裂纹扩展演化和电化学腐蚀行为研究[D]. 宋道柱.中国矿业大学 2019
[2]大跨悬索桥吊索可靠度及断裂分析[D]. 张波.西南交通大学 2017
[3]车辆荷载作用下骑跨式吊索腐蚀疲劳性能分析[D]. 冯小敏.郑州大学 2016
[4]铁路悬索桥钢丝绳吊索应力数值分析及疲劳评估[D]. 官快.西南交通大学 2015
[5]超深矿井提升系统钢丝绳多层缠绕关键问题的研究[D]. 张鹏.重庆大学 2015
[6]金属材料应变寿命曲线估算的新方法[D]. 徐鹏.南京航空航天大学 2012
[7]W6Mo5Cr4V2钢传动轴强度与疲劳寿命分析[D]. 程远存.武汉理工大学 2010
本文编号：3389984
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