FAST工程索網(wǎng)主索疲勞性能研究

雷 歡，黃永寧，黃 穎，蘇 韓，朱 元，韋耀淋

（1.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西柳州545005；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

中國制造2025進行時之高端講壇

FAST工程索網(wǎng)主索疲勞性能研究

雷 歡1，黃永寧2，黃 穎1，蘇 韓1，朱 元1，韋耀淋1

（1.柳州歐維姆機械股份有限公司，廣西柳州545005；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林537005）

柔性索網(wǎng)作為500 m口徑球面射電望遠鏡（FAST）三大自主創(chuàng)新之一——“應(yīng)用主動反射面技術(shù)在地面改正球差”的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，工作過程中索網(wǎng)主索實際承受的最高疲勞應(yīng)力幅可達到455 MPa，相比于目前國內(nèi)外拉索最高疲勞應(yīng)力幅250 MPa來說，難度非常巨大。本文針對索網(wǎng)主索的疲勞性能進行研究，通過對主索原材料、錨具結(jié)構(gòu)、索體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵制造工藝這四個方面進行創(chuàng)新性的設(shè)計與改進，并通過試驗進行驗證，研制出滿足FAST工程要求的高耐疲勞性能主索。

高應(yīng)力幅；500 MPa；拉索；疲勞；FAST

編者按：從第9期開始，本刊增設(shè)“中國制造2025進行時”專欄，并按“中國制造2025進行時之高端講壇”、“中國制造2025進行時之走進企業(yè)”、“中國制造2025進行時之工匠風采”等三個子欄目刊出。該專欄主要介紹在“中國制造2025”強國戰(zhàn)略的新形勢下，在裝備制造技術(shù)及其應(yīng)用方面有突出成就、成果的專家學者、企業(yè)與企業(yè)家，及其科研成果與論文論著、新技術(shù)、新工藝、新發(fā)明，以及機械制造行業(yè)的能工巧匠的科研成果與生產(chǎn)實踐經(jīng)驗總結(jié)。敬請廣大讀者關(guān)注，歡迎廣大專家學者、企業(yè)與企業(yè)家、能工巧匠向本刊踴躍投稿。

本期刊出的是“中國制造2025進行時之高端講壇”--雷歡工程師的論文：FAST工程索網(wǎng)主索疲勞性能研究。FAST是“500米口徑球面射電望遠鏡”的英文（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope）縮寫，隨著我國“十一五”重大科學工程項目之一的FAST在貴州平塘橫空出世，目前中國成為了該領(lǐng)域的世界引領(lǐng)者，并將在未來20～30年內(nèi)保持世界一流設(shè)備的地位。其中的索網(wǎng)是實現(xiàn)FAST主動變位功能的關(guān)鍵裝置，經(jīng)過工程技術(shù)人員的不懈地創(chuàng)新探索，柳州歐維姆機械股份有限公司終于研發(fā)出了符合FAST工程要求的新的主索材料、索體結(jié)構(gòu)、錨具結(jié)構(gòu)及制造工藝，為鑄就這一“國之利器”做出了重大貢獻。雷歡工程師的這篇論文雖然只從技術(shù)上對FAST索網(wǎng)的研制作出介紹，但我們?nèi)匀荒軌蚋惺艿搅輾W維姆人那種敢為人先、堅韌不拔的創(chuàng)新精神。

FAST工程是我國“十一五”重大科學工程項目，是國家科教領(lǐng)導小組審議確定的國家九大科技基礎(chǔ)設(shè)施之一，坐落于貴州省平塘縣克度鎮(zhèn)一片名叫大窩凼的喀斯特洼地中，建成后成為國際上最大、最靈敏的單口徑射電望遠鏡[1-2]，如圖1所示，它的工作頻率在70 MHz~3 GHz，分辨率可達到2.9’，指向精度可達到8”[3-4]。FAST主動變位功能就是根據(jù)需要觀察天體的角度，將索網(wǎng)面型由球面轉(zhuǎn)變?yōu)閽佄锩鎇5]，在500 m口徑范圍內(nèi)形成直徑300 m的拋物面即有效照明區(qū)域[6-7]。而作為實現(xiàn)FAST主動變位功能的關(guān)鍵機構(gòu)——索網(wǎng)，如圖2所示，它由2 225個主索、節(jié)點盤、下拉索、連接裝置組成的主索網(wǎng)單元組成，如圖3所示。通過最常用的耐疲勞應(yīng)力譜分解方法——雨流計數(shù)法[8-9]對FAST索網(wǎng)工作應(yīng)力幅進行分析可知，索網(wǎng)工作狀態(tài)下疲勞應(yīng)力幅最高達到455 MPa[10]，考慮到FAST工程結(jié)構(gòu)、使用年限及工況的復雜性，要求索網(wǎng)主索滿足500 MPa疲勞應(yīng)力幅，應(yīng)力上限0.4Fptk，應(yīng)力循環(huán)200萬次。

圖1 FAST完工現(xiàn)場

圖2 索網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 主索網(wǎng)單元示意圖

橋梁及大型建筑結(jié)構(gòu)所采用的拉索主要結(jié)構(gòu)形式有：冷鑄錨鋼絲拉索、熱鑄錨鋼絲拉索、夾片錨鋼絞線拉索及鋼絞線整束擠壓成品拉索[11]。近年來，隨著拉索母材性能的提高，錨固技術(shù)的深入研究，拉索的性能得到明顯提升。現(xiàn)階段鋼絲拉索疲勞應(yīng)力幅最高可以達到300 MPa要求，鋼絞線拉索疲勞應(yīng)力幅最高可以達到250 MPa的要求，拉索索長精度可以控制在±5 mm以內(nèi)，但這離FAST工程要求還有較遠距離。為此，從主索原材料、錨具結(jié)構(gòu)、索體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵制造工藝這四個方面對拉索疲勞性能進行系統(tǒng)的研究是十分必要的。

1 母材疲勞性能研究

由于制成拉索后，鋼絞線與鋼絞線之間，鋼絞線與錨具之間，鋼絞線與填充料之間均存在摩擦腐蝕，將對拉索疲勞性能產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)疲勞實驗經(jīng)驗，原材料相對于拉索至少需要具備約50 MPa疲勞強度儲備，即拉索要滿足500 MPa應(yīng)力幅要求，則鋼絞線至少需要滿足550 MPa應(yīng)力幅要求。結(jié)合鋼絞線廠家的意見，分別選擇A、B兩種強度級別為1 860 MPa的鋼絞線，其中A為普通鋼絞線，B為特殊材料鋼絞線，取每種鋼絞線在光面、鍍鋅及單絲環(huán)氧噴涂表面狀態(tài)下各三根。試驗樣品標距為1 m，按照應(yīng)力上限0.4Fptk，應(yīng)力幅550 MPa，加載頻率10 Hz的要求在50 tMTS液壓試驗機上進行疲勞實驗。試驗圖片如圖4所示，試驗結(jié)果如表1所示。

圖4 單絲環(huán)氧噴涂鋼絞線疲勞試驗

表1 原材料疲勞試驗結(jié)果

由表1可以看出，采用普通鋼絞線，其疲勞性能遠遠無法滿足項目要求。對比光面、鍍鋅、單絲環(huán)氧噴涂鋼絞線可以發(fā)現(xiàn)，鍍鋅后對鋼絞線疲勞性能沒有明顯影響，單絲環(huán)氧噴涂可以明顯提高鋼絞線的疲勞性能。原因分析，可能是組成鋼絞線的鋼絲環(huán)氧噴涂后，鋼絲之間的摩擦系數(shù)減小，有效降低了鋼絲之間的微動磨損，使接觸應(yīng)力趨于平均。根據(jù)實驗結(jié)果，選擇鋼絞線B的單絲環(huán)氧噴涂鋼絞線作為制作主索的原材料。

2 拉索結(jié)構(gòu)

盡管由特殊材料制作的單絲環(huán)氧噴涂鋼絞線通過了550 MPa應(yīng)力幅的疲勞試驗，且相對于拉索具有50 MPa的疲勞強度儲備，但就拉索而言仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。拉索結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了組成拉索的鋼絞線應(yīng)力集中大小、是否存在損傷、鋼絞線受力是否均勻等因素，這些因素對拉索的疲勞性能具有重要的影響。

2.1 錨具結(jié)構(gòu)

要提高拉索疲勞性能，在保證錨固效率系數(shù)的前提下，錨具結(jié)構(gòu)形式需要盡可能的減少鋼絞線的應(yīng)力集中、損傷以及受力均勻性的問題。目前國內(nèi)外主要的錨固結(jié)構(gòu)形式有冷鑄錨鋼絲拉索、熱鑄錨鋼絲拉索、夾片錨鋼絞線拉索及鋼絞線整束擠壓成品拉索。FAST工程為保證索網(wǎng)的柔性選擇彈性模量較小的鋼絞線成品索，現(xiàn)有鋼絞線成品索只有鋼絞線整束擠壓拉索此種形式，項目組采用夾片錨和鋼絞線整束擠壓錨進行500 MPa應(yīng)力幅疲勞試驗，初步測試現(xiàn)有拉索錨固形式在500 MPa應(yīng)力幅下的疲勞性能，試驗數(shù)據(jù)見表2，試驗結(jié)果表明，現(xiàn)有技術(shù)中無論是夾片錨還是鋼絞線整束擠壓錨的疲勞性能，都不能滿足超高應(yīng)力幅的要求。圖5為擠壓拉索的失效形式，從圖中可以看出，在超高應(yīng)力幅條件下，鋼絞線從錨具內(nèi)滑脫出來。

表2 現(xiàn)有鋼絞線拉索疲勞性能試驗結(jié)果

圖5 擠壓拉索疲勞失效形式

現(xiàn)有拉索形式無法滿足FAST工程索網(wǎng)超高應(yīng)力幅疲勞性能的要求，但每種結(jié)構(gòu)形式均有其各自的優(yōu)缺點，綜合冷鑄錨無損傷握裹與整束擠壓應(yīng)力集中小的優(yōu)點，研究出擠壓冷鑄相結(jié)合的復合錨固方式，即降低拉索錨具內(nèi)部鋼絞線發(fā)散角的同時使鋼絞線無損傷錨固，使拉索疲勞性能與母材疲勞性能趨近。

如圖6所示鋼絞線在錨杯中與填料擠壓握裹，組成環(huán)氧鐵砂冷鑄與擠壓握裹的復合錨固方式。采用這樣的錨固方式，無論拉索受力如何，錨固單元的握裹力都是不變的，在拉索低應(yīng)力，甚至受負應(yīng)力狀態(tài)下都錨固可靠，并在拉索加工完成后，對拉索進行超張拉檢驗，在保證拉索可靠性的前提下消減了拉索的松弛。

圖6 錨具結(jié)構(gòu)示意圖

與現(xiàn)有錨具結(jié)構(gòu)形式相比，優(yōu)化后的錨具具有以下優(yōu)點：

（1）錨固連接可靠，安全性高。錨具內(nèi)錨板處，每根鋼絞線中心絲套有錐套，并鐓頭，將鋼絞線端部發(fā)散為錐形，共同楔入錨板錐孔中，用冷鑄環(huán)氧鐵砂作為握裹填料，將錨板、鋼絞線鑄為一個整體；采用擠壓工藝使冷鑄環(huán)氧鐵砂與預應(yīng)力筋及錨具接合更緊密，錨具與預應(yīng)力筋之間的握裹力更致密、更均勻有效，并且是無損錨固；

（2）拉索錨固段采用雙內(nèi)錐結(jié)構(gòu)。盡可能最大剪應(yīng)力趨同，鋼絲的咬合壓緊力隨著拉應(yīng)力減少而反向加大；降低接觸面應(yīng)力集中，使得錨具可以達到很高的錨固性能，錨固效率系數(shù)接近于1.0；

（3）不管鋼絞線受力如何，錨固套對其的握裹力都是不變的，在鋼絞線低應(yīng)力，甚至是負應(yīng)力狀態(tài)下都不會松脫；

（4）錨具內(nèi)鋼絞線間有隔離物，使得其從自由段索體到錨具內(nèi)均可處于相互隔離狀態(tài)，有效降低索體內(nèi)部的微動磨損。

2.2 索體結(jié)構(gòu)

由多年的拉索疲勞性能研究經(jīng)驗可知，影響拉索疲勞性能的因素除了母材性能、錨具結(jié)構(gòu)這2個主要因素外，索體的結(jié)構(gòu)形式及生產(chǎn)工藝也將對拉索疲勞性能產(chǎn)生一定的影響。經(jīng)過項目組深入的分析研究，認為拉索索體的扭角及微動磨損，將對拉索疲勞性能產(chǎn)生影響。為此索體設(shè)計扭角小于0.8°，使索體內(nèi)每根鋼絞線等長錨固，消除因扭角造成的周邊鋼絞線略長于中心鋼絞線而產(chǎn)生的受力不均；每根鋼絞線有內(nèi)層HDPE護套，使索體內(nèi)各鋼絞線間隔離避免微動磨損。成品索截面見圖7.

圖7 鋼絞線成品索索體截面圖

2.3 工藝保證

良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，還需完備的工藝保證。試制拉索的制錨過程中，對冷鑄工藝采用原有固定方式，拉索與錨具間存在一定角度，如圖8所示，導致填充料在錨具內(nèi)不均勻、預應(yīng)力筋在錨具內(nèi)不對中等情況，從而使得鋼絞線受力不均勻。針對以上不足之處，項目組對制索工藝進行了改進，設(shè)計完全垂直的專用裝備，保證錨具內(nèi)部鋼絞線分布均勻、對中，如圖9所示的垂直固化裝置，可以有效保證填充料在錨具內(nèi)的均勻性。

圖8 原有制錨裝置

圖9 現(xiàn)有制錨裝置

3 試驗驗證

通過對拉索從原材料、錨具結(jié)構(gòu)、索體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵制造工藝進行相應(yīng)的優(yōu)化后，按照擠壓冷鑄復合式錨固拉索的要求，制造了4×φ15.2與6×φ15.2這2種規(guī)格拉索各3根用于疲勞試驗，試驗在國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進行，使用設(shè)備為電液式脈動疲勞試驗機PMW800-4000，按照FAST工程索網(wǎng)疲勞性能要求進行試驗。拉索疲勞應(yīng)力幅設(shè)置為500 MPa，應(yīng)力上限按照0.4 Fptk，試驗頻率2 Hz.試驗圖片如圖10所示，試驗結(jié)果見表3所示。

圖10 高應(yīng)力幅拉索疲勞試驗

表3 拉索疲勞試驗結(jié)果

由表3可以看出，2種規(guī)格形式的復合式拉索能夠穩(wěn)定的通過超高應(yīng)力幅疲勞試驗，證明該結(jié)構(gòu)形式能夠滿足FAST工程的要求。

本項目研制的擠壓冷鑄復合式錨固拉索目前已在FAST工程上得到應(yīng)用，整個安裝及調(diào)節(jié)過程均具有高的適應(yīng)性，說明此種結(jié)構(gòu)形式能夠滿足FAST工程的要求，圖11為本項目拉索在FAST工程的應(yīng)用情況。

圖11 索網(wǎng)安裝竣工圖

4 結(jié)論

實驗表明，從拉索原材料與錨具結(jié)構(gòu)這兩個方面著手，通過優(yōu)化設(shè)計，可以有效提高拉索疲勞性能。通過對實驗結(jié)果進行分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）單絲環(huán)氧噴涂后，鋼絲之間的摩擦系數(shù)減小，降低了鋼絲間的摩擦腐蝕，能夠有效提高鋼絞線的疲勞性；

（2）當拉索需要滿足0.4 Fptk應(yīng)力上限，應(yīng)力幅500 MPa，應(yīng)力循環(huán)500萬次時，拉索母材具備50 MPa的疲勞強度儲備是合適的；

（3）采用環(huán)氧鐵砂冷鑄與擠壓握裹的復合錨固方式可以有效提高拉索疲勞性能，其疲勞性能遠優(yōu)于其它錨固方式；

（4）擠壓冷鑄復合錨固式拉索，可滿足應(yīng)力上限0.4 Fptk，500 MPa應(yīng)力幅，200萬次應(yīng)力循環(huán)的要求。

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Study on Fatigue Performance of Main Cable in FAST Project

LEI Huan1，HUANG Yong-ning2，HUANG Ying1，SU Han1，ZHU Yuan1，WEI Yao-lin1
（1.Liu Zhou OVM Machinery Co.，Ltd.，liuzhou Guangxi 545005，China；2.Guangxi Yuchai Machinery Co.，Ltd.，Yulin Guangxi 537005，China）

“Use the active shift technology of the reflector to change the cable-net shape”is one of the three innovation for the five hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope（FAST），the cable-net is the key structure of FAST.The highest stress amplitude of the main cable is up to 455MPa when the cable-net is work.This is a huge challenge that compare with the existing technology.In this paper we will put forward innovation and improbement from the cable’s raw materials，anchorage structure，cable structure，the main manufacturing process to research the cable fatigue performance.And then we improve our research is successful by experimental verification.

high stress amplitude；500 MPa；cable；fatigue；FAST

TU311

A

1672-545X（2016）11-0001-05

2016-08-18

本項目依托中國科學院國家天文臺承擔的FAST工程子工程——索網(wǎng)制造和安裝工程進行研究開發(fā)。工程名稱：FAST工程反射面索網(wǎng)制造和安裝。工程立項批準號文號：發(fā)改高技【2008】2878號；合同編號：FAST/HT013-2013-ZF-003

雷歡(1985-)，男，湖南常德人，副主任工程師，碩士，主要研究方向：預應(yīng)力錨固技術(shù)，建筑結(jié)構(gòu)拉索。