基于半解析法的多层结构钢丝绳接触与摩擦磨损研究

Multilayer structured wire ropes are widely used in many fields such as construction, bridge and mining. During the service process, interwire contact fatigue and friction wear of the rope significantly affect its service performance. Nevertheless, there lacks related in-depth research on the multidirectional contact and complex friction wear between the multilayer wires of the rope. Aimed at solving the above problem and considering critical factors (including the interwire multidirectional contact, friction wear, surface defect, variable load as well as the tension, torsion, bending and Poisson's ratio effect of the wires), the present project establishes a solution model for the interwire contact and friction wear performances of a multilayer structured wire rope based on theories of tribology, contact mechanics and structural mechanics. Numerical solving process based on the accurate and efficient semi-analytical method (i.e., the conjugate gradient method, influence coefficient method and fast Fourier transform) and improved Euler's predictor-corrector method is adopted to reveal the distribution laws of long-term performance parameters including the contact pressure, contact deformation, stress, strain, friction force and wear depth of the rope. Then the evolutions of long-term service performance and failure behavior of the rope under the influence of the interwire multidirectional contact, friction wear and surface defect are studied. The research results will provide an analysis method to study the long-term service performance and failure behavior of multilayer structured wire ropes, and offer a basis for their long-life design and seasonable selection.

多层结构钢丝绳广泛应用于建筑、桥梁和采矿等大型工程领域，其使用中出现的丝间接触疲劳和摩擦磨损将显著影响其长期服役性能，但目前缺乏其丝间多向接触与复杂摩擦磨损问题的深入研究。对此，本项目基于摩擦学、接触力学和结构力学等学科理论，综合考虑丝间多向接触、摩擦磨损、表面缺陷、时变载荷以及钢丝的拉伸、扭转、弯曲及泊松比效应等因素，建立多层结构钢丝绳接触与摩擦磨损分析模型。采用精确快速的半解析法（共轭梯度法、影响系数法、快速傅里叶变换等）和改进欧拉预测-校验法等数值方法，研究多层结构钢丝绳接触压力、接触变形、应力应变、摩擦力和磨损深度等长期服役性能参数的分布规律，并揭示丝间多向接触、摩擦磨损和表面缺陷等因素影响下的多层结构钢丝绳长期服役性能演变机制和失效机理。本项目研究成果可为多层结构钢丝绳长期服役性能和失效机理分析提供科学的分析方法，为其长寿命设计与合理选型提供依据。

多层结构钢丝绳广泛应用于建筑、桥梁和采矿等大型工程领域，其使用中出现的丝间接触疲劳和摩擦磨损将显著影响其长期服役性能，但目前缺乏其丝间多向接触与复杂摩擦磨损问题的深入研究。对此，本项目基于多层结构钢丝绳的复杂几何结构特征和承载特点，对多层结构钢丝绳多向接触行为进行了建模与求解，获取了不同工况下的的多层结构钢丝绳内部、外部丝间接触压力、接触变形以及周期拉伸、弯曲交变载荷下钢丝绳的接触应力、疲劳寿命等性能参数；建立了不同多层结构钢丝绳内部丝间以及绳-轮摩擦磨损模型，获取了其磨损进程中磨损深度、磨损体积、相对滑移等参数，并通过摩擦磨损试验验证了模型有效性；建立了具有典型表面缺陷的多层结构钢丝绳模型，研究了不同表面缺陷对多层结构钢丝绳丝间接触、承载等长期服役性能的影响。结果表明：多层结构钢丝绳丝间接触压力、接触载荷随轴向拉伸、扭转载荷增大而非线性增大，且捻角增大也会加剧多层结构钢丝绳的丝间接触作用，周期拉伸、弯曲交变载荷下侧丝直径、捻角及钢丝弹性模量会对钢丝绳疲劳寿命造成显著影响；多层结构钢丝绳内部钢丝间的非垂直位置关系导致了钢丝狭长的椭圆形磨痕，且磨痕随交叉角的增大逐渐趋近于圆形，磨损区的主轴始终位于两根钢丝轴线形成的锐角区域，静钢丝比动钢丝承受了较大的磨损界面损失和磨损体积，且二者间的差异随钢丝交叉角的增大而愈加明显；在相同磨损次数情况下，相位角为45度位置处磨损导致的磨损深度和接触面积更大；典型表面缺陷多层结构钢丝绳在拉伸载荷作用下，最大应力和应变均发生在缺陷内，缺陷的存在将减小钢丝绳的轴向承载力，有明显的应力集中发生在缺陷内，表面缺陷发生位置、腐蚀方向等参数对多次结构钢丝绳的丝间接触、承载等长期服役性能均有影响。通过开展多层结构钢丝绳关键服役性能及失效机理的研究，实现了其服役状态的准确预测及评估，对提高其使用寿命、降低资金投入和保障安全生产具有重要的理论和现实意义。