鋼絲繩摩擦學 節選

第1章 緒論 1.1 鋼絲繩摩擦學研究的背景及意義 鋼絲繩是一種由許多鋼絲和其他一些材料（繩芯纖維、鋼絲繩用油脂等）捻制成繩股，再由若干繩股圍繞繩芯捻制成繩的撓性構件。特殊的結構和生產工藝決定了其具有彎曲性能好、重量輕、承載能力強、彈性好、工作平穩可靠和結構多樣等優點。因此，鋼絲繩作為牽引、承載構件廣泛應用于礦井纏繞提升機、電梯、港口船舶、索道、吊橋、起重機、冶金、石油和航空航天等國民經濟建設的各個領域，如圖1-1所示。然而，作為重要承載部件的鋼絲繩一旦出現損傷失效，將導致機毀人亡的重大事故，并嚴重影響生產、人員生命和國家財產的安全[1-5]。 圖1-1 鋼絲繩應用場景 鋼絲繩在不同應用領域中的工況參數和環境條件存在較大差異，為保障其安全可靠，不同國家部門和機構制定了相應的國家規范和行業規程[6-9]，對鋼絲繩選型、維護、更換時間和報廢標準等做了明確規定。但是，由鋼絲繩斷裂失效造成的安全事故仍然時有發生，因提前更換造成的嚴重浪費依然普遍存在[10]。例如，《煤礦安全規程》明確規定，摩擦輪式提升鋼絲繩的使用年限不應超過2年，如果鋼絲繩的斷絲、腐蝕等損傷滿足規定要求，可以繼續使用，但不得超過1年。這就很可能導致服役鋼絲繩在實際使用過程中的不經濟（未損傷鋼絲繩提前報廢）或不安全（具有安全隱患的鋼絲繩繼續使用）。近幾年，由鋼絲繩斷裂導致的事故時有發生，例如，甘肅省白銀市某煤礦發生的升井鋼絲繩斷裂事故；內蒙古錫林郭勒盟鑲黃旗蒙金礦業加布斯鈮鉭礦發生的一起生產安全事故，提升吊桶鋼絲繩斷裂，吊桶墜落井下；安徽省合肥市某工地發生的吊車鋼絲繩斷裂事故等。上述事故均由鋼絲繩斷裂造成，可以看出：鋼絲繩斷裂引發的事故一般都會帶來人員傷亡，且事故具有普遍性，發生的事故不僅涉及建筑行業塔吊、升降機等設備，還涉及煤礦、工廠、纜車、港口等領域，某些行業還屬于技術密集型行業，或者國家重點監察安全生產的領域，但事故仍然時有發生。這主要是因為鋼絲繩多絲-多股的空間螺旋結構使其在簡單受力條件下也會出現拉伸-扭轉-彎曲的耦合作用，內部鋼絲接觸復雜，加上惡劣的工作環境，造成鋼絲繩損傷具有多樣性和不確定性，其常見損傷類型如圖1-2所示。這些特點共同導致鋼絲繩損傷識別檢測困難、性能退化嚴重和安全事故多發等問題。在尚未充分掌握鋼絲繩損傷特性和失效機理的情況下，難以準確判斷服役鋼絲繩的剩余安全使用壽命。 圖1-2 鋼絲繩損傷類型 磨損、腐蝕、疲勞和結構變形是鋼絲繩在實際工況下*常見的損傷失效形式，將會導致鋼絲繩有效橫截面積減小和斷絲，嚴重影響鋼絲繩使用強度[11， 12]。其中，磨損在鋼絲繩多層纏繞應用中表現*為明顯，并且隨著深地和深海資源的開采，物料和人員等運送距離的快速增大，鋼絲繩的多層纏繞應用將越來越廣泛[13， 14]。如圖1-3所示，多層纏繞傳動作業不可避免地會出現上下層鋼絲繩間、同層相鄰鋼絲繩間和鋼絲繩與卷筒繩槽間的擠壓接觸，在系統振動和負載的作用下，造成鋼絲繩表面磨損。特別是當卷筒上鋼絲繩纏繞層數超過3層以后，鋼絲繩的纏繞繩槽由下層相鄰鋼絲繩構成，容易出現跳繩、空槽、騎繩和咬繩等亂繩現象。這將進一步加劇鋼絲繩表面磨損，威脅鋼絲繩的安全使用。雖然鋼絲繩通常會涂抹潤滑油脂進行防護，能夠有效降低磨損[15-17]，但其工作環境多為露天工況，高溫、潮濕、淋水（雨水、海水等）、粉塵等惡劣自然條件極易造成潤滑油脂的性能退化和失效[18]，繼而引發鋼絲繩腐蝕；*終，導致鋼絲繩在惡劣潤滑條件下發生摩擦磨損，并與腐蝕相互作用加速鋼絲繩失效，嚴重影響鋼絲繩服役壽命。 因此，不同服役工況下的磨損成為威脅鋼絲繩安全可靠性的重要原因。系統開展鋼絲繩摩擦磨損、機械強度預測、探傷檢測和潤滑脂改性研究，能夠為鋼絲繩設計、安全使用與維護、減少浪費和延長鋼絲繩使用壽命提供重要基礎數據和理論支撐。 圖1-3 鋼絲繩多層纏繞示意圖 1.2 鋼絲繩摩擦學研究的主要內容 本書主要研究鋼絲繩在不同滑動參數、過渡沖擊接觸形式和惡劣環境等條件下的摩擦特性和磨損機理，利用自制試驗機對鋼絲繩開展了一系列摩擦磨損試驗，揭示了不同工況因素對鋼絲繩摩擦學特性的影響規律；同時，定量、定性地分析了鋼絲繩表面磨損程度和磨損類型，探析了不同磨損鋼絲繩剩余使用強度和斷裂失效機理，并進一步探究了鋼絲繩的磨損可靠性；探究了基于雙級永磁勵磁的鋼絲繩無損檢測裝置及方法；*后，研制了鋼絲繩復合潤滑脂，并探析了其抗磨潤滑特性。具體研究內容如下。 （1）設計并搭建鋼絲繩滑動、層間過渡和沖擊摩擦磨損試驗裝置和數據采集系統，開展鋼絲繩在不同滑動參數、結構特性、接觸形式、纏繞沖擊、環境和潤滑狀態下的摩擦磨損試驗研究，借助紅外熱像儀、光學顯微鏡和三維形貌儀等測量和檢測設備，探究不同工況環境因素對鋼絲繩摩擦特性（摩擦系數、摩擦溫升）和磨損特征（磨損形貌、磨痕尺寸和磨損機理）的影響規律。為鋼絲繩結構設計和實際工況中的合理使用與維護、設備系統的結構設計與優化提供重要基礎數據。 （2）基于鋼絲繩磨損類型、程度和磨痕特征參數，針對磨損試驗獲得的鋼絲繩試樣開展破斷拉伸試驗，揭示磨損鋼絲繩機械性能（力-伸長量曲線、拉伸過程溫升曲線），探究不同磨損特征類型對鋼絲繩剩余使用強度的影響規律；利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM），分析磨損鋼絲繩斷裂微觀形貌和破斷失效機理；基于可靠性相關理論，探究磨損鋼絲繩性能退化規律及其磨損可靠性。為減小鋼絲繩浪費、保障安全使用和準確預測鋼絲繩剩余使用壽命提供重要數據支撐和理論依據。 （3）結合鋼絲繩漏磁場檢測勵磁強度要求，確定無損檢測裝置外觀及內部勵磁結構，實現檢測裝置結構可靠、方便拆卸的目標，并保障鋼絲繩提升系統正常運行，滿足鋼絲繩損傷漏磁場勵磁強度要求；對設計的新型鋼絲繩勵磁結構勵磁優化，使其滿足鋼絲繩勵磁強度要求，進而產生有效損傷漏磁場；基于漏磁場檢測原理，設計完成漏磁場信號采集電路模塊，將損傷磁場信號轉換為電信號，并編寫相應程序記錄采集信號與位移信號，實現磁場信號與位移信號對應，保證信號采集的精確性，減少噪聲信號干擾；結合磨損鋼絲繩損傷特性，開展漏磁場檢測試驗研究，驗證檢測裝置的有效性。為鋼絲繩損傷定量識別提供可靠數據支撐，*終為實現鋼絲繩壽命準確預測提供技術支撐。 （4）基于現有石墨烯制備方法和理論，進行復合石墨烯制備；開展復合石墨烯檢測試驗，分析自制復合石墨烯形貌、層數及缺陷等特征參數；設計潤滑脂改性試驗方案，開展潤滑脂改性試驗研究；以石墨烯作為潤滑添加劑，選取添加比例為試驗變量，開展潤滑脂改性試驗；基于潤滑脂檢測方法及理論，對改性潤滑脂的極壓潤滑性能、抗腐蝕性能及抗氧化性能進行檢測評價；開展以改性抗磨潤滑脂為試驗變量的四球摩擦磨損試驗，分析不同潤滑脂狀態下鋼球磨痕形貌、直徑、體積以及*大磨損深度，優選抗磨效果*佳的潤滑脂；開展不同潤滑脂狀態下鋼絲繩摩擦磨損試驗研究，進一步改進石墨烯潤滑脂添加劑，提高其減摩抗磨性能。為鋼絲繩減摩抗磨提供重要基礎數據和技術支撐。 參考文獻 [1] 潘志勇，邱煌明. 鋼絲繩生產工藝[M]. 長沙：湖南大學出版社，2008. [2] Cruzado A，Hartelt M，W？sche R，et al. Fretting wear of thin steel wires. Part 1：Influence of contact pressure[J]. Wear，2010，268（11/12）：1409-1416. [3] Cruzado A，Hartelt M，W？sche R，et al. Fretting wear of thin steel wires. Part 2：Influence of crossing angle[J]. Wear，2011，273（1）：60-69. [4] Argatov I I，Gómez X，Tato W，et al. Wear evolution in a stranded rope under cyclic bending：Implications to fatigue life estimation[J]. Wear，2011，271（11/12）：2857-2867. [5] 譚繼文. 鋼絲繩安全檢測原理與技術[M]. 北京：科學出版社，2009. [6] 楊正旺. GB 8903—2005《電梯用鋼絲繩》修訂編制及問題探討[J].金屬制品，2007，33（1）：46-49. [7] 國家煤礦安全監察局. 煤礦安全規程[M].北京：國家煤礦安全監察局，2011. [8] 冶金工業部. 冶金礦山安全規程[M]. 北京：冶金工業出版社，1980. [9] 國家標準化管理委員會. 起重機 鋼絲繩 保養、維護、檢驗和報廢（GB/T 5972—2016）[S]. 北京：中國標準出版社，2016. [10] Weischdel H R. The inspection of wire ropes in service：A critical review[J]. Materials Evaluation，1985，43（13）：1592-1605. [11] Verreet R，Ridge I. Wire rope forensics[EB/OL]. [12] Singh R P，Mallick M，Verma M K. Studies on failure behaviour of wire rope used in underground coal mines[J]. Engineering Failure Analysis，2016，70：290-304. [13] Peng X，Gong X，Liu J. Vibration control on multilayer cable moving through the crossover zones on mine hoist[J]. Shock and Vibration，2016：1-7. [14] Peng X，Gong X S，Liu J J. The study on crossover layouts of multi-layer winding grooves in deep mine hoists based on transverse vibration characteristics of catenary rope[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part I：Journal of Systems and Control Engineering，2019，233（2）：118-132. [15] 殷艷，張德坤，沈燕. 潤滑油脂對鋼絲微動磨損特性的影響[J]. 摩擦學學報，2011，31（5）：492-497. [16] 崔影. 潤滑對鋼絲繩使用壽命的影響機制[J]. 金屬制品，2013，1：60-62. [17] Peng Y，Chang X，Sun S，et al. The friction and wear properties of steel wire rope sliding against itself under impact load[J]. Wear，2018，400：194-206. [18] Kopanakis G A. Basic lubrication and re-lubrication for steel wire ropes[C]. Characteristics and Inspection of Ropes，Grenobl