计入缺陷影响的车载提升钢丝绳服役特性研究

作     者：黄林 

作者单位：重庆交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈原培

授予年度：2024年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：提升钢丝绳 局部缺陷 承载特性 漏磁特性 力磁耦合特性 

摘      要：随着社会经济和科技的快速发展,我国的基础建设领域也随之快速发展。作为重要的工程机械,汽车起重机具有高机动性、使用便捷灵活和作用范围广等优点,在提高建设效率、加强施工质量、降低施工成本等方面起到重要作用,因此广泛应用于道路、土木建筑和市政工程的建造等建设领域。汽车起重机在提升作业过程中,车载提升钢丝绳是起升机构和变幅机构的重要组成部分,在恶劣的使用环境中易产生锈蚀、磨损、断丝和变形等损伤。提升钢丝绳结构的破坏会降低钢丝绳的服役性能,严重地威胁人身安全和提升系统的安全稳定运行。因此,为评估汽车起重提升机构的安全性能和维护起重提升机构安全平稳运行,本文以车载提升钢丝绳为研究对象,深入探究局部缺陷作用下车载提升钢丝绳承载特性、漏磁特性和力磁耦合特性的潜在规律,为车载提升钢丝绳的缺陷预防和损伤状态监测提供有益参考。 (1)考虑提升钢丝绳空间螺旋结构并计入丝间接触、摩擦、缺陷等因素,采用参数化建模的方式建立局部缺陷钢丝绳几何模型,采用ICEM CFD实现缺陷区域网格局部加密,分析轴向拉伸应变作用下局部缺陷钢丝绳的应力应变分布规律,探究材料参数和缺陷参数对提升钢丝绳承载特性的影响规律。结果表明:轴向拉伸应变作用下,缺陷区域产生应力集中,芯丝和侧丝接触区域等效应力和等效应变明显高于无接触区域的等效应力和等效应变;相对于泊松比和摩擦系数,弹性模量的变化对承载性能的影响较大;缺陷深度和缺陷宽度与最大等效应力和最大等效应变正相关,当缺陷宽度和缺陷深度较小时,较低拉伸应变作用下缺陷的存在对车载提升钢丝绳承载性能的影响很小。 (2)基于漏磁检测原理,建立提升钢丝绳缺陷漏磁有限元分析模型,考虑励磁结构参数和缺陷参数等因素影响,采用永磁激励方式将车载提升钢丝绳励磁至饱和磁化状态,进行漏磁特性仿真求解,探究缺陷钢丝绳的磁场分布和磁感应强度变化情况,分析结构参数和缺陷参数对漏磁场的影响规律。结果表明:缺陷位置处漏磁信号径向分量呈中心对称的趋势,在缺陷边缘处出现一正一负两个峰值,漏磁信号轴向分量呈轴对称分布且在缺陷处形成峰值;提离距离和周向位置距离缺陷越近磁感应强度峰值越大,永磁体距离和空气气隙的改变会影响背景磁场的大小;漏磁信号强度与缺陷深度、缺陷宽度均正相关,但缺陷深度和缺陷宽度的改变不会影响磁感应强度的峰谷值间距,缺陷长度改变不会影响径向分量磁感应强度峰值,但随着缺陷长度的增加,磁感应强度峰谷值间距增加明显。 (3)建立了局部缺陷车载提升钢丝绳力磁耦合特性分析有限元模型,考虑外加载荷和地磁场等影响,对局部缺陷车载提升钢丝绳进行静力学求解,采用APDL参数化设计语言获取静力学分析所得单元等效应力,利用力磁效应函数关系式求解应力对应磁导率,赋予单元对应磁导率并开展静磁学求解,从而分析载荷对漏磁信号的影响规律,并探究外加载荷作用下不同材料参数对漏磁场信号的影响规律。结果表明:外加载荷作用下缺陷位置处磁感应强度径向分量过零点且方向相反,磁感应强度径向分量梯度值出现最值,符合磁记忆检测理论特征;载荷的增加使得缺陷位置处的漏磁场信号增强;漏磁信号强度与弹性模量、初始磁导率正相关,弹性模量增大漏磁场信号增加的幅值很小,初始磁导率的增加引起缺陷位置处的漏磁场信号明显增大。 (4)考虑复合缺陷的存在对车载提升钢丝绳力磁耦合特性的影响,建立具有不同分布特征的复合缺陷车载提升钢丝绳力磁耦合分析有限元模型,探究复合缺陷分布特征对力磁耦合特性的影响规律。考虑载荷参数影响,分析不同拉伸位移对复合缺陷车载提升钢丝绳漏磁场信号的影响规律。结果表明:随着缺陷间距的增加,第二缺陷距离漏磁信号检测路径提离值逐渐增大,第二缺陷漏磁信号逐渐减小,漏磁信号径向分量表现为过零点且反向;缺陷间距越大,漏磁信号越弱,实际检测过程中通过漏磁信号对缺陷进行定量分析时需判别是否存在其他缺陷影响;当缺陷间距较小时,随着载荷的增加,中心缺陷漏磁信号和第二缺陷漏磁信号均增强。