晋 跃
江苏省特种设备安全监督检验研究院江阴分院 江阴 214400
摘 要：为提高起重机的起升安全性能，对某15 t 桥式起重机用钢丝绳进行有限元分析，得到其受力分布特点，基于结果结合局部应力应变法进行疲劳寿命预测，并与有限元软件结果相比较。结果显示：钢丝绳在绳和芯的接触部位存在应力集中，应力峰值116.61 MPa，变形峰值0.008 291 4 mm，预测得到的疲劳寿命为67 433.8 次，与软件计算结果的误差为8.04%，最后提出了几点提高钢丝绳疲劳寿命的措施，研究结果可为起重机钢丝绳的制造、设计和选用提供一定理论参考。
关键词：钢丝绳；疲劳寿命；局部应力应变法；有限元
中图分类号：TH165 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）01-0073-04
0 引言
钢丝绳作为起重机械、电梯等各类特种设备的主要起升承载构件，在经长期服役运行后，常出现局部磨损甚至断裂的现象，严重影响特种设备的安全性能和使用寿命。据统计，近年来因钢丝绳问题引发的事故中超过80% 是由长期使用发生疲劳破坏引起的[1]。钢丝绳作为起升重物承载部件，一旦在起升、运行过程中发生破坏，势必将造成严重的后果[2]。所以，对起升钢丝绳的受力特点进行研究，预测其寿命显得十分重要。目前，传统的安全系数法虽然设计安全性得到一定保证，但对钢丝绳疲劳破坏机理和疲劳寿命相关理论研究较少。基于此，本文在Ansys 中建立了钢丝绳模型，对其进行有限元分析, 利用局部应力法进行疲劳寿命预测。
1 基于Workbench 有限元分析
1.1 模型建立和网格划分
采用某16 t×25 m 桥式起重机的钢丝绳为研究对象，钢丝绳采用型号为22NAT6×19W-IWR-1670 的标准起重机用钢丝绳，材料选择为16 Mn。该桥式起重机的起升载荷为16 t，离地起升高度值为10 m，工作级别M7，滑轮组倍率为4，钢丝绳起升速率范围1. 3 ～ 11.5m/min，钢丝绳直径为22 mm 钢丝绳所受拉力区间为1. 8～ 21. 95 kN，则钢丝绳的最小和最大应力计算为
型号为22NAT6×19W-IWR-1670 的模型由6 股钢丝绳及绳芯组成，钢丝绳直径为 7. 439 mm，截取其中20 mm 为研究对象，选择Geometry-Import Geometry，将建好的几何模型导入有限元分析软件中。按钢丝绳实引 用际参数定义相关属性，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.3，剪切模量为7.692 3×1010Pa。选择六面体单元进行网格划分，定义网格相关度为60，定义划分质量为Medium，定义划分方法为HexDominant Method，定义网格大小为0.5 mm，在不影响结构分析结果的前提下，最大程度减少结构的计算时间。网格模型如图1 所示，通过统计可知，节点数量共57746 个，总单元数量共14 378 个。
图 1 钢丝绳有限元网格划分
1.2 静力分析
在Ansys Workbench 中对钢丝绳进行静态承载研究，将每股钢丝绳之间的连接方式设置为对称紧密接触，钢丝绳在实际运行条件下，其中一侧受到固定约束的作用。对钢丝绳模型施加载荷，以上步骤全部设置完成之后，并采用增强的拉格朗日法，对模型开始进行求解，如图2 所示。
图 2 钢丝绳载荷和约束施加
1.3 仿真结果
图3 为钢丝绳位移变形情况，位移峰值为0.008291 4 mm，发生在受载一侧；在约束一侧，云图分布以蓝色为主，结构位移较小；整体结构的最大位移较小，并不会影响结构的正常运行，故结构在此荷载工况下能安全稳定运行。
