鋼絲繩在鋼制繩輪上的壽命試驗研究

鋼絲繩在鋼制繩輪上的壽命試驗研究

中國石油礦山的機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力高,鋼絲磨損嚴重,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注的事情。文獻通過理論分析,論證了當采用低彈性模量的復合材料制作繩輪時,可降低鋼絲繩與繩輪的接觸應力,減少鋼絲繩的磨損,從而提高其使用壽命。但是,由于人們對低彈性模量材料的強度和耐磨性能等的研究和了解尚不透徹,故而對使用這種材料代替鋼制作繩輪,往往表示懷疑與擔心。近幾年來,隨著化學工業(yè)的發(fā)展,復合材料的各項性能指標大為改善,由復合材料制作的各種機械零件在嚴酷條件下使用已成為可能。本文對鋼絲繩在鋼制繩輪和塑料繩輪上的使用壽命進行了比較。試驗證明,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、試驗設備和試驗方法1.繩輪鋼絞線安裝由于試驗需要,我們設計并制作了一臺鋼絲繩試驗機(圖1)。在設計時,為了避免鋼絲繩接頭接觸繩輪,采用了曲柄連桿機構,使鋼絲繩在一定區(qū)間內(nèi)作往返運動。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軌槽內(nèi),并由軸上的滾動軸承支持塑料繩輪。加載時,在稱盤上放置鋼制圓盤,用杠桿原理給繩輪鋼絲繩加載,載荷值可由測力傳感器測得。試驗選用JTC502A齒輪減速異步電動機作動力機,額定功率1.5kW,輸出軸轉(zhuǎn)速48r/min,額定轉(zhuǎn)矩20N·m,曲柄連桿機構使鋼絲繩作往返運動,減速電動機輸出軸每轉(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°。試驗時,鋼絲繩分別在塑料繩輪與鋼制繩輪上同時運動,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.繩斷裂強度試驗試驗時輪繩徑比D/d為24,并以相當于鋼絲繩斷裂強度的11%、24%、34%3種拉伸載荷值進行試驗。在試驗中,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當鋼絲繩達到換繩標準時,試驗機停止運轉(zhuǎn)。根據(jù)美國標準協(xié)會(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、鋼繩輪使用時及鋼絞線使用時,液下表概要地列出了試驗達到換繩標準時鋼絲繩工作循環(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)。由試驗結果可知,當載荷達鋼絲繩斷裂強度的11%、24%和34%時,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結果表明,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系,鋼絲繩壽命隨著載荷的增大而降低。為便于分析,對鋼絲繩在尼龍繩輪上的工作壽命進行回歸,以確定鋼絲繩壽命與載荷的定量關系。由表1知,當載荷為鋼絲繩破斷拉力的11%、24%和34%時,鋼絲繩在尼龍繩輪上的工作周期數(shù)分別為1739232、393600和196416。假設檢驗鋼絲繩壽命服從對數(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數(shù)計;Ni——鋼絲繩工作周期數(shù)。鋼絲繩工作周期數(shù)與載荷的關系如圖3所示,從圖中可見,只要已知鋼絲繩承受的載荷值,即可預估鋼絲繩的壽命?？紤]上式中回歸的標準差,按“3σ”建立鋼絲繩與載荷的回歸關系(圖中虛線所示),此時其可靠性為0.99。據(jù)調(diào)查,目前我國鏈條抽油機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,估計鏈條抽油機鋼絲繩的使用壽命可達一年以上。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結果表明:1.在試驗載荷為鋼絲繩破斷拉力的11%、24%和34%時,在尼龍繩輪上的鋼絲繩