钢丝绳在钢制绳轮上的寿命试验研究

钢丝绳在钢制绳轮上的寿命试验研究

中国石油矿山的机械厂通常采用钢钢丝绳夹固定钢丝绳。由于钢制绳轮与钢丝绳的接触应力高,钢丝磨损严重,钢丝绳使用寿命短。如何延长钢丝绳使用寿命已是目前各油田所关注的事情。文献通过理论分析,论证了当采用低弹性模量的复合材料制作绳轮时,可降低钢丝绳与绳轮的接触应力,减少钢丝绳的磨损,从而提高其使用寿命。但是,由于人们对低弹性模量材料的强度和耐磨性能等的研究和了解尚不透彻,故而对使用这种材料代替钢制作绳轮,往往表示怀疑与担心。近几年来,随着化学工业的发展,复合材料的各项性能指标大为改善,由复合材料制作的各种机械零件在严酷条件下使用已成为可能。本文对钢丝绳在钢制绳轮和塑料绳轮上的使用寿命进行了比较。试验证明,采用低弹性模量的材料制作绳轮,可以提高钢丝绳的使用寿命。一、试验设备和试验方法1.绳轮钢绞线安装由于试验需要,我们设计并制作了一台钢丝绳试验机(图1)。在设计时,为了避免钢丝绳接头接触绳轮,采用了曲柄连杆机构,使钢丝绳在一定区间内作往返运动。钢制绳轮与塑料绳轮水平安装,钢制绳轮由轴承座固定,塑料绳轮轴安装在支承导轨槽内,并由轴上的滚动轴承支持塑料绳轮。加载时,在称盘上放置钢制圆盘,用杠杆原理给绳轮钢丝绳加载,载荷值可由测力传感器测得。试验选用JTC502A齿轮减速异步电动机作动力机,额定功率1.5kW,输出轴转速48r/min,额定转矩20N·m,曲柄连杆机构使钢丝绳作往返运动,减速电动机输出轴每转一圈,两绳轮都正、反旋转360°。2.绳轮与绳轮接触角试验绳轮采用MC尼龙制作,材料的物理性能如下:钢制绳轮采用45号钢切削加工而成。在绳轮横截面内,钢丝绳与绳轮的接触角为140°。试验时,钢丝绳分别在塑料绳轮与钢制绳轮上同时运动,这样,在钢丝绳上载荷相同的情况下,比较两边绳轮上钢丝绳的寿命。3.拉伸性能分析试验采用GB1102—74的6×19普通钢丝绳,钢丝绳直径为6.2mm,破断拉力为20655N。绳轮的几何尺寸见图2,槽底直径为150mm,绳轮绳槽形状适用于直径为6～7mm的钢丝绳。4.绳断裂强度试验试验时轮绳径比D/d为24,并以相当于钢丝绳断裂强度的11%、24%、34%3种拉伸载荷值进行试验。在试验中,钢丝绳的平均线速度为0.754m/s,并且不给钢丝绳加润滑剂。5.a可更换拉伸断裂tsi当钢丝绳达到换绳标准时,试验机停止运转。根据美国标准协会(ANSI)B30·5规定:一根钢丝绳上有6处钢丝断裂,或一根钢丝绳的一捻距上有3根钢丝断裂,钢丝绳就要更换。二、钢绳轮使用时及钢绞线使用时,液下表概要地列出了试验达到换绳标准时钢丝绳工作循环次数的最大值、最小值和平均值,以及钢丝绳使用于钢制绳轮和MC尼龙绳轮上的寿命比等数据。由试验结果可知,当载荷达钢丝绳断裂强度的11%、24%和34%时,MC尼龙绳轮上的钢丝绳寿命分别是钢制绳轮上钢丝绳寿命的11倍、5倍和3倍。三、起绳轮绳槽回归的必要性试验结果表明,采用低弹性模量的高分子材料作绳轮,降低钢丝绳与绳轮绳槽间的接触应力,提高钢丝绳的耐磨性能,可延长钢丝绳的使用寿命。显然,钢丝绳在尼龙绳轮上的寿命与钢丝绳承受的载荷有一定的关系,钢丝绳寿命随着载荷的增大而降低。为便于分析,对钢丝绳在尼龙绳轮上的工作寿命进行回归,以确定钢丝绳寿命与载荷的定量关系。由表1知,当载荷为钢丝绳破断拉力的11%、24%和34%时,钢丝绳在尼龙绳轮上的工作周期数分别为1739232、393600和196416。假设检验钢丝绳寿命服从对数正态分布,通过变换,其一元线性回归方程为上式中,y——钢丝绳载荷,以钢丝绳破断力的百分数计;Ni——钢丝绳工作周期数。钢丝绳工作周期数与载荷的关系如图3所示,从图中可见,只要已知钢丝绳承受的载荷值,即可预估钢丝绳的寿命。考虑上式中回归的标准差,按“3σ”建立钢丝绳与载荷的回归关系(图中虚线所示),此时其可靠性为0.99。据调查,目前我国链条抽油机钢丝绳使用寿命大部分不超过半年。如果采用低弹性模量的高分子材料制作绳轮绳槽,这将大幅度提高钢丝绳的使用寿命。链条抽油机钢丝绳上的载荷一般不到钢丝绳破断拉力的20%,在可靠性为0.99界线下,估计链条抽油机钢丝绳的使用寿命可达一年以上。四、尼龙绳轮上的培养周期钢丝绳在尼龙绳轮和钢制绳轮上的工作试验结果表明:1.在试验载荷为钢丝绳破断拉力的11%、24%和34%时,在尼龙绳轮上的钢丝绳