鋼絲繩在鋼制繩輪上的壽命試驗(yàn)研究

鋼絲繩在鋼制繩輪上的壽命試驗(yàn)研究

中國石油礦山的機(jī)械廠通常采用鋼鋼絲繩夾固定鋼絲繩。由于鋼制繩輪與鋼絲繩的接觸應(yīng)力高,鋼絲磨損嚴(yán)重,鋼絲繩使用壽命短。如何延長鋼絲繩使用壽命已是目前各油田所關(guān)注的事情。文獻(xiàn)通過理論分析,論證了當(dāng)采用低彈性模量的復(fù)合材料制作繩輪時(shí),可降低鋼絲繩與繩輪的接觸應(yīng)力,減少鋼絲繩的磨損,從而提高其使用壽命。但是,由于人們對(duì)低彈性模量材料的強(qiáng)度和耐磨性能等的研究和了解尚不透徹,故而對(duì)使用這種材料代替鋼制作繩輪,往往表示懷疑與擔(dān)心。近幾年來,隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展,復(fù)合材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)大為改善,由復(fù)合材料制作的各種機(jī)械零件在嚴(yán)酷條件下使用已成為可能。本文對(duì)鋼絲繩在鋼制繩輪和塑料繩輪上的使用壽命進(jìn)行了比較。試驗(yàn)證明,采用低彈性模量的材料制作繩輪,可以提高鋼絲繩的使用壽命。一、試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)方法1.繩輪鋼絞線安裝由于試驗(yàn)需要,我們?cè)O(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)鋼絲繩試驗(yàn)機(jī)(圖1)。在設(shè)計(jì)時(shí),為了避免鋼絲繩接頭接觸繩輪,采用了曲柄連桿機(jī)構(gòu),使鋼絲繩在一定區(qū)間內(nèi)作往返運(yùn)動(dòng)。鋼制繩輪與塑料繩輪水平安裝,鋼制繩輪由軸承座固定,塑料繩輪軸安裝在支承導(dǎo)軌槽內(nèi),并由軸上的滾動(dòng)軸承支持塑料繩輪。加載時(shí),在稱盤上放置鋼制圓盤,用杠桿原理給繩輪鋼絲繩加載,載荷值可由測(cè)力傳感器測(cè)得。試驗(yàn)選用JTC502A齒輪減速異步電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力機(jī),額定功率1.5kW,輸出軸轉(zhuǎn)速48r/min,額定轉(zhuǎn)矩20N·m,曲柄連桿機(jī)構(gòu)使鋼絲繩作往返運(yùn)動(dòng),減速電動(dòng)機(jī)輸出軸每轉(zhuǎn)一圈,兩繩輪都正、反旋轉(zhuǎn)360°。2.繩輪與繩輪接觸角試驗(yàn)繩輪采用MC尼龍制作,材料的物理性能如下:鋼制繩輪采用45號(hào)鋼切削加工而成。在繩輪橫截面內(nèi),鋼絲繩與繩輪的接觸角為140°。試驗(yàn)時(shí),鋼絲繩分別在塑料繩輪與鋼制繩輪上同時(shí)運(yùn)動(dòng),這樣,在鋼絲繩上載荷相同的情況下,比較兩邊繩輪上鋼絲繩的壽命。3.拉伸性能分析試驗(yàn)采用GB1102—74的6×19普通鋼絲繩,鋼絲繩直徑為6.2mm,破斷拉力為20655N。繩輪的幾何尺寸見圖2,槽底直徑為150mm,繩輪繩槽形狀適用于直徑為6～7mm的鋼絲繩。4.繩斷裂強(qiáng)度試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)輪繩徑比D/d為24,并以相當(dāng)于鋼絲繩斷裂強(qiáng)度的11%、24%、34%3種拉伸載荷值進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)中,鋼絲繩的平均線速度為0.754m/s,并且不給鋼絲繩加潤滑劑。5.a可更換拉伸斷裂tsi當(dāng)鋼絲繩達(dá)到換繩標(biāo)準(zhǔn)時(shí),試驗(yàn)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ANSI)B30·5規(guī)定:一根鋼絲繩上有6處鋼絲斷裂,或一根鋼絲繩的一捻距上有3根鋼絲斷裂,鋼絲繩就要更換。二、鋼繩輪使用時(shí)及鋼絞線使用時(shí),液下表概要地列出了試驗(yàn)達(dá)到換繩標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鋼絲繩工作循環(huán)次數(shù)的最大值、最小值和平均值,以及鋼絲繩使用于鋼制繩輪和MC尼龍繩輪上的壽命比等數(shù)據(jù)。由試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)載荷達(dá)鋼絲繩斷裂強(qiáng)度的11%、24%和34%時(shí),MC尼龍繩輪上的鋼絲繩壽命分別是鋼制繩輪上鋼絲繩壽命的11倍、5倍和3倍。三、起繩輪繩槽回歸的必要性試驗(yàn)結(jié)果表明,采用低彈性模量的高分子材料作繩輪,降低鋼絲繩與繩輪繩槽間的接觸應(yīng)力,提高鋼絲繩的耐磨性能,可延長鋼絲繩的使用壽命。顯然,鋼絲繩在尼龍繩輪上的壽命與鋼絲繩承受的載荷有一定的關(guān)系,鋼絲繩壽命隨著載荷的增大而降低。為便于分析,對(duì)鋼絲繩在尼龍繩輪上的工作壽命進(jìn)行回歸,以確定鋼絲繩壽命與載荷的定量關(guān)系。由表1知,當(dāng)載荷為鋼絲繩破斷拉力的11%、24%和34%時(shí),鋼絲繩在尼龍繩輪上的工作周期數(shù)分別為1739232、393600和196416。假設(shè)檢驗(yàn)鋼絲繩壽命服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,通過變換,其一元線性回歸方程為上式中,y——鋼絲繩載荷,以鋼絲繩破斷力的百分?jǐn)?shù)計(jì);Ni——鋼絲繩工作周期數(shù)。鋼絲繩工作周期數(shù)與載荷的關(guān)系如圖3所示,從圖中可見,只要已知鋼絲繩承受的載荷值,即可預(yù)估鋼絲繩的壽命。考慮上式中回歸的標(biāo)準(zhǔn)差,按“3σ”建立鋼絲繩與載荷的回歸關(guān)系(圖中虛線所示),此時(shí)其可靠性為0.99。據(jù)調(diào)查,目前我國鏈條抽油機(jī)鋼絲繩使用壽命大部分不超過半年。如果采用低彈性模量的高分子材料制作繩輪繩槽,這將大幅度提高鋼絲繩的使用壽命。鏈條抽油機(jī)鋼絲繩上的載荷一般不到鋼絲繩破斷拉力的20%,在可靠性為0.99界線下,估計(jì)鏈條抽油機(jī)鋼絲繩的使用壽命可達(dá)一年以上。四、尼龍繩輪上的培養(yǎng)周期鋼絲繩在尼龍繩輪和鋼制繩輪上的工作試驗(yàn)結(jié)果表明:1.在試驗(yàn)載荷為鋼絲繩破斷拉力的11%、24%和34%時(shí),在尼龍繩輪上的鋼絲繩