随着煤炭井下开采深度的日益增加,具有多钢丝绳结构的超深矿井提升系统成为必要。多钢丝绳提升系统在运行中必然存在钢丝绳间运动不同步及提升系统变形失谐现象,这将引起钢丝绳间的张力差,严重时会导致提升系统不能正常工作,甚至引发断绳等事故。可见钢丝绳作为超深矿井提升装备中至关重要的部件,是安全生产的重要保障。钢丝绳的力学与摩擦磨损性能是影响提升系统安全运行的重要因素。长期服役中,钢丝绳因其绳间、丝间的摩擦磨损而须进行定期维护和更换,这需要大量的资金投入。然而相关资料表明,目前我国超深矿井提升钢丝绳仍很大程度依赖于进口,可见对钢丝绳进行深入的力学与摩擦磨损性能研究,对打破国外技术封锁、实现我国高性能钢丝绳自主研发设计具有重要的战略意义。本文在国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“超深矿井提升系统的变形失谐规律与并行驱动同步控制研究”(课题编号:2014CB049403)的资助下,以单股钢丝绳(简称钢丝绳股)为对象,对其轴向拉伸、扭转及弯曲特性和丝间摩擦磨损性能进行深入研究,以期为超深矿井提升钢丝绳的理论分析与设计选用提供理论支撑。论文主要研究内容及成果如下:(1)根据三角型和圆型钢丝绳股的结构特点,推导两种绳股的参数化空间曲线方程。考虑钢丝泊松比效应和弹塑性等因素,建立两种绳股的有限元模型,并通过与文献结果对比验证模型的有效性。通过有限元求解,对比分析两类绳股在不同拉伸、扭转及弯曲载荷下的整体力学性能及丝间局部接触性能的差异。发现三角股具有比圆股小的拉伸、扭转及弯曲刚度;三角股在拉伸和扭转载荷下更易发生较大变形和应力屈服,而弯曲情况下相反;三角股因丝间接触压力大于圆股而更容易发生接触失效。(2)建立圆型钢丝绳股丝间螺旋接触性能模型,并借助共轭梯度法及快速傅里叶变换等方法进行求解。将所建立的螺旋接触模型与曲杆理论相结合,建立并验证钢丝绳股轴向力学性能与丝间接触性能耦合模型,进而揭示出芯丝-侧丝接触变形等因素对绳股丝间接触特性和轴向力学性能的影响规律。本方法可实现绳股丝间接触性能的准确求解,且计算效率高于商用软件。研究发现绳股丝间接触引起的钢丝内部最大等效应力发生在接触界面下一定深度的区域,该区域最容易发生应力屈服;接触变形会导致大捻角绳股轴向拉伸和扭转刚度的减小。(3)基于曲杆理论、弹性接触理论和半解析法,建立变载荷圆型钢丝绳股丝间全接触模型,并验证模型有效性。由此揭示出钢丝绳股芯丝-侧丝及侧丝-侧丝间的接触性能参数随轴向载荷变化的演变规律,以及丝间接触状态对绳股轴向力学性能的影响机制。发现拉伸载荷使绳股芯丝-侧丝趋于接近,扭转载荷则使相邻侧丝趋于接近;绳股在一定载荷下处于侧丝同时与芯丝及相邻侧丝发生接触的同步接触状态,此时丝间接触载荷分配相对均匀;轴向拉伸、扭转载荷的增大会导致大捻角绳股相应刚度的增大。(4)计入摩擦力和接触变形等因素的影响,对弯曲圆型钢丝绳股进行力学建模。采用改进Euler预测-校正法等方法,对摩擦力进行自动求解,克服了商用软件的不足。基于验证的模型,研究绳股弯曲特性和丝间摩擦接触性能。发现芯丝-侧丝间的摩擦接触作用将增大绳股的弯曲刚度;距离弯曲曲率中心最远处的芯丝-侧丝摩擦力为零,且该位置易发生拉伸断丝和应力屈服;绳股弯曲疲劳易发生在其弯曲中性层;大捻角绳股具有比小捻角绳股更好的抗弯曲疲劳性能,但其抵抗应力屈服及摩擦磨损的性能相对较差。(5)建立周期弯曲钢丝绳股摩擦磨损求解模型,进行钢丝摩擦磨损试验,获取钢丝磨损系数并对丝间摩擦磨损模型进行验证。通过数值求解,分析绳股丝间磨损演变及其对丝间接触性能的影响规律。发现绳股芯丝-侧丝间的磨损发生在弯曲中性层外侧,且最大磨损深度出现在中性层到距离弯曲中心最远位置的一半处;丝间磨损会导致接触面积的增大和接触压力、变形的减小;距离绳股曲率中心最远位置处的芯丝-侧丝接触界面易出现明显的应力集中和局部变形;绳股捻角的增大将引起更严重的丝间磨损和接触,进而易导致断丝等危险。