Page 122 - 《摩擦学学报》2021年第5期
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第 5 期 王大刚, 等: 考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究 711
钢丝绳广泛应用于矿井提升机、起重机、电梯、索 磨损中钢丝磨损演化和力学行为，发现循环周次增加
道和船舶等工程领域 [1-2] . 在矿井提升过程中，提升钢 导致钢丝磨损深度增长率降低. 因此，前期研究主要
丝绳承受循环拉伸和弯曲载荷，导致其内部钢丝微动 集中在不同环境介质中钢丝微动疲劳试验和微动磨
磨损、裂纹萌生和扩展，即微动疲劳 [3-4] . 微动疲劳会引 损仿真分析. 然而，考虑微动磨损的钢丝微动疲劳裂
起提升钢丝绳横截面积损失和断丝现象，进而造成提 纹扩展寿命预测研究尚未见报道.
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升钢丝绳提前报废，甚至是井毁人亡恶性安全事故 .
1 钢丝微动疲劳试验机和试验参数
在微动疲劳过程中，微动磨损导致钢丝微动区材料磨
削损耗，严重影响钢丝裂纹萌生和扩展特性，进而制 图1(a)和(b)分别为自制钢丝微动疲劳试验机结构
约钢丝微动疲劳断裂机制. 研究表明裂纹扩展寿命约 图和工作原理图，图1(c)为加载钢丝夹具结构图. 在试
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占钢丝微动疲劳寿命80%~90% . 因此，开展考虑微 验时，运用伺服电动缸对疲劳钢丝施加疲劳载荷，采
动磨损的钢丝微动疲劳裂纹扩展寿命预测研究，对揭 用张力传感器记录疲劳钢丝两端疲劳载荷F 和F ；应
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示钢丝微动疲劳断裂机理、提前预知提升钢丝绳失效 用激光位移传感器测量疲劳钢丝疲劳端变形Δl，对疲
报废和保障矿井提升钢丝绳服役安全可靠性具有重 劳钢丝变形比例缩小可获得钢丝间相对滑移D(Δl·Δx/l ，
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要意义. l为疲劳钢丝夹具端面之间距离)；通过悬挂砝码方式
近年来，国内外研究学者开展了钢丝微动疲劳试 对加载钢丝和疲劳钢丝之间施加恒定接触载荷；接触
验，Guo等 研究了微动疲劳参数对桥梁缆索钢丝摩
[7]
钢丝与疲劳钢丝间摩擦力为(F -F )/2，摩擦系数等于
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1
[5]
擦、疲劳和断裂机理的影响规律；Wang等 考察了不
1个疲劳周次0.8F tmax ~F tmax (摩擦力峰值)平均值与接
同环境介质和摩擦疲劳参数下钢丝拉扭复合摩擦疲
触载荷之比[图1(d)] ；疲劳钢丝微动疲劳寿命(微动疲
[5]
劳行为，认为酸性电解质溶液中钢丝电化学腐蚀损伤
劳断裂时对应疲劳周次)通过张力传感器间接记录.
和裂纹扩展速率最大，摩擦疲劳参数增加导致钢丝磨
在本文中选用浅部矿井6×19W+IWS提升钢丝绳
损深度和裂纹扩展速率均增加、电化学腐蚀损伤降
用钢丝，直径为1 mm，化学组分(质量分数)为Fe 98.71%、
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低；Wang等 认为微动疲劳过程中钢丝磨痕面积、磨 [21]
C 0.87%、Mn 0.39%、Si 0.02%和Ni 0.01% ；钢丝弹性
损深度增长率均随疲劳周次增加而降低，钢丝磨痕中
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模量E=2×10 MPa，泊松比ν=0.3，屈服强度σ =1 670 MPa，
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心区域裂纹扩展速率较大；Wang等 对比分析了钢丝 s
强度极限σ =2 140 MPa，名义断裂真应力σ 和真应变
扭动微动、微动疲劳和拉扭复合微动疲劳行为，发现 b f
ε 分别为3 870 MPa和0.593，颈缩处最小截面积为
拉扭复合微动疲劳导致钢丝接触面损伤最严重； f
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0.434 mm .文中开展了两组试验参数下钢丝微动疲劳
Zhang等 和Llavori等 探讨了交叉角对微动疲劳过
[10]
[11]
试验，试验参数一：疲劳载荷150~550 N、接触载荷为
程钢丝接触状态和摩擦磨损特性的影响规律；Sun等 [12]
35 N、微动频率5 Hz、微动幅值56 μm、钢丝间交叉角
分析了含石墨烯和石墨复合添加剂的润滑脂对预拉
90° [21-23] ，用以开展钢丝微动磨损预测和微动疲劳裂纹
力下钢丝微动摩擦学性能的影响，认为添加多层石墨
扩展寿命预测；试验参数二：疲劳载荷150~650 N和接
烯或微米级石墨可提高润滑脂抗磨性；Xu等 研究了
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触载荷45 N，其余参数同试验参数一，用以验证钢丝
预拉力和扭转疲劳耦合作用下钢丝微动磨损行为，认
微动疲劳裂纹扩展寿命预测模型. 分别开展不同疲劳
为滑移幅值比接触载荷对钢丝磨损行为影响更大. 赵
[14]
维建等 开展了碱性腐蚀环境钢丝微动疲劳行为研 周次时钢丝微动疲劳试验、不同疲劳周次微动疲劳后
究，认为不同接触载荷时钢丝接触状态均为滑移状态 疲劳钢丝拉断试验和微动疲劳断裂试验，每种工况下
以及钢丝疲劳寿命与磨损量呈现反比例关系；宋道柱 [15] 重复试验5次，运用高速度数码显微系统观察疲劳钢
考察了酸性电解质溶液环境矿用钢丝裂纹扩展速率、 丝磨痕和断口形貌以获得疲劳钢丝磨痕尺寸、裂纹萌
电化学腐蚀速率和疲劳寿命及其受到拉扭微动疲劳 生特性和裂纹扩展深度，进而揭示微动疲劳过程中疲
参数的影响规律. 在钢丝微动疲劳和微动磨损仿真分 劳钢丝微动磨损演化特性、裂纹萌生寿命和裂纹扩展
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析方面，贾如钊和王春江 开展了基于SWT法的钢丝 演化特性.
微动疲劳裂纹萌生位置预测，认为微动疲劳过程初始
2 钢丝微动磨损预测
裂纹萌生于接触区边缘；Cruzado等 [17-18] 获得了交叉角
对接触钢丝微动磨痕的影响规律及微动磨损过程中 2.1 钢丝微动磨损试验结果
[19]
钢丝疲劳裂纹萌生寿命；Chen和Meng 研究了微动 由图2(a)可知，疲劳钢丝磨痕轮廓呈椭圆状，为定
