钢丝绳摩擦学

第1章 绪论 1.1 钢丝绳摩擦学研究的背景及意义 钢丝绳是一种由许多钢丝和其他一些材料（绳芯纤维、钢丝绳用油脂等）捻制成绳股，再由若干绳股围绕绳芯捻制成绳的挠性构件。特殊的结构和生产工艺决定了其具有弯曲性能好、重量轻、承载能力强、弹性好、工作平稳可靠和结构多样等优点。因此，钢丝绳作为牵引、承载构件广泛应用于矿井缠绕提升机、电梯、港口船舶、索道、吊桥、起重机、冶金、石油和航空航天等国民经济建设的各个领域，如图1-1所示。然而，作为重要承载部件的钢丝绳一旦出现损伤失效，将导致机毁人亡的重大事故，并严重影响生产、人员生命和国家财产的安全[1-5]。 图1-1 钢丝绳应用场景 钢丝绳在不同应用领域中的工况参数和环境条件存在较大差异，为保障其安全可靠，不同国家部门和机构制定了相应的国家规范和行业规程[6-9]，对钢丝绳选型、维护、更换时间和报废标准等做了明确规定。但是，由钢丝绳断裂失效造成的安全事故仍然时有发生，因提前更换造成的严重浪费依然普遍存在[10]。例如，《煤矿安全规程》明确规定，摩擦轮式提升钢丝绳的使用年限不应超过2年，如果钢丝绳的断丝、腐蚀等损伤满足规定要求，可以继续使用，但不得超过1年。这就很可能导致服役钢丝绳在实际使用过程中的不经济（未损伤钢丝绳提前报废）或不安全（具有安全隐患的钢丝绳继续使用）。近几年，由钢丝绳断裂导致的事故时有发生，例如，甘肃省白银市某煤矿发生的升井钢丝绳断裂事故；内蒙古锡林郭勒盟镶黄旗蒙金矿业加布斯铌钽矿发生的一起生产安全事故，提升吊桶钢丝绳断裂，吊桶坠落井下；安徽省合肥市某工地发生的吊车钢丝绳断裂事故等。上述事故均由钢丝绳断裂造成，可以看出：钢丝绳断裂引发的事故一般都会带来人员伤亡，且事故具有普遍性，发生的事故不仅涉及建筑行业塔吊、升降机等设备，还涉及煤矿、工厂、缆车、港口等领域，某些行业还属于技术密集型行业，或者国家重点监察安全生产的领域，但事故仍然时有发生。这主要是因为钢丝绳多丝-多股的空间螺旋结构使其在简单受力条件下也会出现拉伸-扭转-弯曲的耦合作用，内部钢丝接触复杂，加上恶劣的工作环境，造成钢丝绳损伤具有多样性和不确定性，其常见损伤类型如图1-2所示。这些特点共同导致钢丝绳损伤识别检测困难、性能退化严重和安全事故多发等问题。在尚未充分掌握钢丝绳损伤特性和失效机理的情况下，难以准确判断服役钢丝绳的剩余安全使用寿命。 图1-2 钢丝绳损伤类型 磨损、腐蚀、疲劳和结构变形是钢丝绳在实际工况下*常见的损伤失效形式，将会导致钢丝绳有效横截面积减小和断丝，严重影响钢丝绳使用强度[11， 12]。其中，磨损在钢丝绳多层缠绕应用中表现*为明显，并且随着深地和深海资源的开采，物料和人员等运送距离的快速增大，钢丝绳的多层缠绕应用将越来越广泛[13， 14]。如图1-3所示，多层缠绕传动作业不可避免地会出现上下层钢丝绳间、同层相邻钢丝绳间和钢丝绳与卷筒绳槽间的挤压接触，在系统振动和负载的作用下，造成钢丝绳表面磨损。特别是当卷筒上钢丝绳缠绕层数超过3层以后，钢丝绳的缠绕绳槽由下层相邻钢丝绳构成，容易出现跳绳、空槽、骑绳和咬绳等乱绳现象。这将进一步加剧钢丝绳表面磨损，威胁钢丝绳的安全使用。虽然钢丝绳通常会涂抹润滑油脂进行防护，能够有效降低磨损[15-17]，但其工作环境多为露天工况，高温、潮湿、淋水（雨水、海水等）、粉尘等恶劣自然条件极易造成润滑油脂的性能退化和失效[18]，继而引发钢丝绳腐蚀；*终，导致钢丝绳在恶劣润滑条件下发生摩擦磨损，并与腐蚀相互作用加速钢丝绳失效，严重影响钢丝绳服役寿命。 因此，不同服役工况下的磨损成为威胁钢丝绳安全可靠性的重要原因。系统开展钢丝绳摩擦磨损、机械强度预测、探伤检测和润滑脂改性研究，能够为钢丝绳设计、安全使用与维护、减少浪费和延长钢丝绳使用寿命提供重要基础数据和理论支撑。 图1-3 钢丝绳多层缠绕示意图 1.2 钢丝绳摩擦学研究的主要内容 本书主要研究钢丝绳在不同滑动参数、过渡冲击接触形式和恶劣环境等条件下的摩擦特性和磨损机理，利用自制试验机对钢丝绳开展了一系列摩擦磨损试验，揭示了不同工况因素对钢丝绳摩擦学特性的影响规律；同时，定量、定性地分析了钢丝绳表面磨损程度和磨损类型，探析了不同磨损钢丝绳剩余使用强度和断裂失效机理，并进一步探究了钢丝绳的磨损可靠性；探究了基于双级永磁励磁的钢丝绳无损检测装置及方法；*后，研制了钢丝绳复合润滑脂，并探析了其抗磨润滑特性。具体研究内容如下。 （1）设计并搭建钢丝绳滑动、层间过渡和冲击摩擦磨损试验装置和数据采集系统，开展钢丝绳在不同滑动参数、结构特性、接触形式、缠绕冲击、环境和润滑状态下的摩擦磨损试验研究，借助红外热像仪、光学显微镜和三维形貌仪等测量和检测设备，探究不同工况环境因素对钢丝绳摩擦特性（摩擦系数、摩擦温升）和磨损特征（磨损形貌、磨痕尺寸和磨损机理）的影响规律。为钢丝绳结构设计和实际工况中的合理使用与维护、设备系统的结构设计与优化提供重要基础数据。 （2）基于钢丝绳磨损类型、程度和磨痕特征参数，针对磨损试验获得的钢丝绳试样开展破断拉伸试验，揭示磨损钢丝绳机械性能（力-伸长量曲线、拉伸过程温升曲线），探究不同磨损特征类型对钢丝绳剩余使用强度的影响规律；利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM），分析磨损钢丝绳断裂微观形貌和破断失效机理；基于可靠性相关理论，探究磨损钢丝绳性能退化规律及其磨损可靠性。为减小钢丝绳浪费、保障安全使用和准确预测钢丝绳剩余使用寿命提供重要数据支撑和理论依据。 （3）结合钢丝绳漏磁场检测励磁强度要求，确定无损检测装置外观及内部励磁结构，实现检测装置结构可靠、方便拆卸的目标，并保障钢丝绳提升系统正常运行，满足钢丝绳损伤漏磁场励磁强度要求；对设计的新型钢丝绳励磁结构励磁优化，使其满足钢丝绳励磁强度要求，进而产生有效损伤漏磁场；基于漏磁场检测原理，设计完成漏磁场信号采集电路模块，将损伤磁场信号转换为电信号，并编写相应程序记录采集信号与位移信号，实现磁场信号与位移信号对应，保证信号采集的精确性，减少噪声信号干扰；结合磨损钢丝绳损伤特性，开展漏磁场检测试验研究，验证检测装置的有效性。为钢丝绳损伤定量识别提供可靠数据支撑，*终为实现钢丝绳寿命准确预测提供技术支撑。 （4）基于现有石墨烯制备方法和理论，进行复合石墨烯制备；开展复合石墨烯检测试验，分析自制复合石墨烯形貌、层数及缺陷等特征参数；设计润滑脂改性试验方案，开展润滑脂改性试验研究；以石墨烯作为润滑添加剂，选取添加比例为试验变量，开展润滑脂改性试验；基于润滑脂检测方法及理论，对改性润滑脂的极压润滑性能、抗腐蚀性能及抗氧化性能进行检测评价；开展以改性抗磨润滑脂为试验变量的四球摩擦磨损试验，分析不同润滑脂状态下钢球磨痕形貌、直径、体积以及*大磨损深度，优选抗磨效果*佳的润滑脂；开展不同润滑脂状态下钢丝绳摩擦磨损试验研究，进一步改进石墨烯润滑脂添加剂，提高其减摩抗磨性能。为钢丝绳减摩抗磨提供重要基础数据和技术支撑。 参考文献 [1] 潘志勇，邱煌明. 钢丝绳生产工艺[M]. 长沙：湖南大学出版社，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] 谭继文. 钢丝绳安全检测原理与技术[M]. 北京：科学出版社，2009. [6] 杨正旺. GB 8903—2005《电梯用钢丝绳》修订编制及问题探讨[J].金属制品，2007，33（1）：46-49. [7] 国家煤矿安全监察局. 煤矿安全规程[M].北京：国家煤矿安全监察局，2011. [8] 冶金工业部. 冶金矿山安全规程[M]. 北京：冶金工业出版社，1980. [9] 国家标准化管理委员会. 起重机 钢丝绳 保养、维护、检验和报废（GB/T 5972—2016）[S]. 北京：中国标准出版社，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] 殷艳，张德坤，沈燕. 润滑油脂对钢丝微动磨损特性的影响[J]. 摩擦学学报，2011，31（5）：492-497. [16] 崔影. 润滑对钢丝绳使用寿命的影响机制[J]. 金属制品，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