信息摘要:
1前言 鋼絲繩是一種撓性零件,具有強度高、重量輕、彈性好、運行平穩、適合于變向傳力以及在需要時具有可以迅速破斷的優點,從而是航空、船舶、橋梁及機械等設備中的常用零件
1前言
鋼絲繩是一種撓性零件,具有強度高、重量輕、彈性好、運行平穩、適合于變向傳力以及在需要時具有可以迅速破斷的優點,從而是航空、船舶、橋梁及機械等設備中的常用零件,主要用于起升機構、牽引機構及需要變向的傳力機構等。航空鋼絲繩是大型客機及運輸機揉縱和控制系統的重要元件,主要用于通信、控制飛機的方向舵,副翼、引擎、著陸齒輪、羅盤針矯正器等。航空鋼絲繩由于使用環境特殊、要求安全可靠性高并能長時間使用,有比一般普通鋼絲繩更高的性能要求,尤其是在抗拉強度要求方面。某型飛機任務系統最重要的零件之一就是鋼絲繩,在鋼絲繩的使用過程中,如果不注意鋼絲繩的合理使用和及時更換,就會嚴重降低鋼絲繩的承載能力,最終導致鋼絲繩斷裂,而鋼絲繩的突然斷裂往往會對相關設備的安全造成極大的損害。作為某型飛機重要的牽引機構的關鍵零件,在外場試飛時,鋼絲繩發生了斷裂事件,經斷口分析,鋼絲斷口主要有斜斷口、平斷口和縮頸斷口,鋼絲繩斷口處發黑,放大鏡觀察斷后處有擠壓、磨損等損傷,見圖1,為分析鋼絲繩斷裂原因,有必要對鋼絲繩進行受力分析,以便改進設計及后續使用維護。
2鋼絲繩受力分析
鋼絲繩的理論受力只受軸向外力作用,在這樣的狀況下,對鋼絲繩進行有限元建模,建立鋼絲模型,根據鋼絲繩技術條件規定的螺旋角建立鋼絲繩模型,鋼絲的彈性模量E取210000MPa,泊松比取0.33,在每根鋼絲之間建立線接觸,劃分網格,施加軸向載荷500Kg,建立的鋼絲繩有限元模型如圖2所示。
圖2鋼絲繩有限元模型圖3鋼絲繩有限元應力云圖
有限元分析結果見圖3,從應力云圖可以看出鋼絲繩整體應力水平不高,遠小于強度極限,和疲勞極限,在7根股中,中心股的應力最大,既受力最嚴重。外層鋼絲對鋼絲繩中線成各種不同的角度,且鋼絲按螺旋狀處在每股鋼絲繩中,每股又繞中線纏繞。鋼絲繩承受軸向拉力時,實際在每根鋼絲中,既產生拉力,又產生彎曲和扭轉應力。繞鋼絲繩產生彎曲變形時,鋼絲繩中鋼絲不同截面而產生不同的彎曲應力和扭轉應力。
3鋼絲繩斷裂原因分析及改進
某型飛機任務系統鋼絲繩在作業時,主要載荷為拉載,但經鋼絲繩受力分析,鋼絲繩在受拉載荷時,靜強度和疲勞強度均滿足要求,后續進行了靜強度試驗和疲勞強度試驗,鋼絲繩均滿足要求,既故障不能復現。
重新梳理鋼絲繩的受力和使用環境,影響航空鋼絲繩斷裂的的主要因素,符合國家標準的鋼絲繩在正常使用中出現早期失效現象,結合鋼絲繩斷口分析,鋼絲繩最有可能的斷裂原因為拉伸載荷在附加應力引起的疲勞斷裂。鋼絲繩由外層鋼絲繞中心股組成,通過對鋼絲繩受力分析,分析出影響鋼絲繩斷裂的因素,有原材料質量缺陷、鋼絲繩的直徑、使用環境等因素。
a)原材料對鋼絲疲勞斷裂的影響
鋼絲質量的好壞對鋼絲繩的疲勞壽命有著重要的影響,鋼絲質量的純凈度越高,碳成分波動越小,氣體含量及夾雜物含量越低,則鋼絲的內部缺陷越少,疲勞裂紋則不易萌生,鋼絲繩的疲勞壽命越高。鋼絲的表面質量同樣很重要,如存在表面劃傷,微裂紋等表面缺陷,也會影響鋼絲力學壽命的分散性,從而大幅降低鋼絲繩的疲勞壽命。
b)鋼絲繩的直徑對鋼絲疲勞斷裂的影響
和鋼絲繩的疲勞壽命有關的參數還有鋼絲繩的直徑,但對直徑并不超標的鋼絲繩,還應該進一步分析直徑的組成。以本文所選外層六股鋼絲繩為例,鋼絲繩直徑是否大于兩邊股直徑加中心股直徑的和,是反映捻制緊密程度的指標。鋼絲繩直徑小于兩邊股加中心繩(股)直徑的差值愈大,鋼絲繩的抗疲勞性能愈好。
d)鋼絲中心股的加粗
鋼絲繩中心股是比其他股直徑粗,中心股的加粗使得外層股受力時產生的橫向壓力完全落在中心股上,這應該是好現象,但這種壓力不應對中心股的鋼絲造成點接觸的強壓痕跡。如果造成點接觸壓痕,它同樣也是斷裂的隱患,從本文有限元分析的結果也可以看出,中心股的應力較其他外層股的應力高。
綜上分析,鋼絲繞鋼絲繩中線成各種不同的角度,且鋼絲按螺旋狀處在每股鋼絲繩中,每股又繞中線纏繞,鋼絲繩承受軸向拉力時,實際在每根鋼絲中,既產生拉力,又產生彎曲和扭轉應力。繞鋼絲繩產生彎曲變形時,鋼絲繩中鋼絲不同截面而產生不同的彎曲應力和扭轉應力。實際工作中,這些應力共同作用形成復雜的應力狀態,鋼絲繩的疲勞壽命與其受力狀態有著密切的關系,而且鋼絲繩受力也與鋼絲材料、直徑及使用狀態密切相關。針對某型機鋼絲繩斷裂,改進方式使用更柔性的材料,重新設計喇叭口,盡量消除鋼絲繩由氣流擾動產生的附加彎曲應力,后續試驗取得了良好的效果。
4結論
鋼絲繞鋼絲繩中線成各種不同的角度,且鋼絲按螺旋狀處在每股鋼絲繩中,每股又繞中線纏繞,鋼絲繩承受軸向拉力時,實際在每根鋼絲中,既產生拉力,又產生彎曲和扭轉應力。繞鋼絲繩產生彎曲變形時,鋼絲繩中鋼絲不同截面而產生不同的彎曲應力和扭轉應力。實際工作中,這些應力共同作用形成復雜的應力狀態,鋼絲繩的疲勞壽命與其受力狀態有著密切的關系,而且鋼絲繩受力也與鋼絲材料、直徑及使用狀態密切相關。