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水雷用特种钢丝绳微动磨损分析

作者： admin 编辑： admin 来源：admin 发布日期：2022-07-08 15:43

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摘要：对水雷用特种钢丝绳的微动磨损运动进行分析，建立微动磨损的理论模型，得出微动磨损深度和综合参数pvt值之间的关系。依据钢丝绳试验结果，拟合出微动磨损深度同微动时间

摘要：对水雷用特种钢丝绳的微动磨损运动进行分析，建立微动磨损的理论模型，得出微动磨损深度和综合参数pvt值之间的关系。依据钢丝绳试验结果，拟合出微动磨损深度同微动时间之间的关系，对钢丝绳微动磨损分析具有指导意义，并提出减缓微动磨损的技术措施。
关键词：钢丝绳；微动磨损；pvt值

0 引言
        钢丝绳在运动过程中，相邻钢丝之间有微动摩擦，由于受到法向应力和切应力的反复作用，能够引起表层材料塑性变形而导致表面硬化，最后在表面的应力集中出现初始裂纹，在微动损伤的初期，损伤区表面没有较长的裂纹，表面划伤所造成的划痕方向与微动方向平行，初始裂纹如果沿钢丝轴向扩展则造成钢丝表面局部材料的脱落，即发生钢丝表面的局部磨损，而钢丝绳在围绕滑轮或卷筒变形时要受到弯曲应力的作用，滑轮直径越小则钢丝绳受到的弯曲应力越大，这将使初始损伤处的裂纹向钢丝径向扩展的几率和扩展速率大幅度升高，即剥离磨损过程中某些裂纹沿钢丝径向扩展至材料内部成为疲劳裂纹，微动疲劳裂纹扩展方向与微动方向(轴向)垂直，并最终造成钢丝破坏性断裂。
        钢丝绳在经过滑轮变形时，钢丝绳受到弯曲应力和与过滑轮之间接触而引起的接触应力作用，钢丝绳中的股绳或钢丝之间如果发生在钢丝轴向的微动，微动产生的周向裂纹在弯曲应力作用下向钢丝径向扩展将导致钢丝断裂，因此这种周向的微动损伤将比轴向的危害更大。
        综上所述，钢丝绳使用过程中，内部相邻钢丝受力不均致弹性伸长不同步而发生微动，微动造成钢丝表面产生微动磨损损伤，钢丝间接触应力越大则损伤越严重，微动磨损宏观上造成钢丝横截面积的减小而产生应力集中，磨损过程中会使钢丝表面形成微裂纹，微裂纹沿钢丝轴向扩展则造成钢丝表面部分材料被撕脱剥离，这种微裂纹在钢丝绳受到弯曲应力作用下如果沿钢丝径向扩展将导致钢丝的疲劳断裂，钢丝表面周向初始微裂纹的危害大于轴向微裂纹，微动疲劳是钢丝绳失效的主要原因所在。
1钢丝微动磨损运动分析
1.1 接触应力分析
        钢丝绳在承受轴向载荷或弯曲时，股与股、钢丝与钢丝之间会存在一定幅度的微动磨损。钢丝的微动损伤研究是分析钢丝疲劳寿命以及预测钢丝绳使用寿命的重要基础。受接触载荷、微动振幅、磨损时间以及往复频率等参数的影响，微动磨损过程中接触形式是一个复杂的变化过程。对于两圆柱体相互正交接触的上、下钢丝来说，如果微动过程中所施加的载荷是恒定的，那么随着微动参数的变化，接触应力是一个变化的参数，由开始时点接触的大接触应力，随着磨损深度的加深、磨损面积的增加而使接触应力减小。
        核查有关钢丝磨损试验数据，发现磨损深度变化与微动磨损过程中接触应力的大小及磨损机制、磨屑等密切相关。在微动磨损过程中，接触应力的大小和所施加的接触载荷及钢丝间的接触面积相关，而接触面积又和钢丝的微动磨损程度相关，磨损时间长或接触载荷大，其磨损程度越严重，此时两钢丝接触面积增大，接触应力小。在接触载荷为恒定值时，随着微动时间增加，钢丝间的磨损量增加，主要体现在钢丝的磨损宽度、长度、深度增加，从而使上、下钢丝间的接触面积加大，接触应力必然减小，接触应力的下降趋势和接触面积的增长趋势相同。在微动磨损时间相同时，接触载荷增加，钢丝的磨损量增加，从而也体现在上、下钢丝之间的接触面积增加，但是由于接触载荷的增加趋势比接触载荷变化时磨损面积增加的趋势要快。因此，接触载荷增加时，虽然接触面积加大，但接触应力仍然呈增长趋势。
        为了分析微动磨损过程中钢丝的接触状况，利用有限元方法建立钢丝的接触模型。得出其共同特征是：在接触区的中心一带出现较大面积的最大接触应力，然后以不同的应力梯度向周围逐渐减小。在小的嵌入深度时，应力向周围减小的梯度较快，而在大的嵌入深度时，应力向周围减小的梯度较慢，应力区的范围较宽。但是在微动磨痕周围边缘棱边接触处会出现比中心带大的应力集中。
        将各种计算条件下接触区中心带的最大接触应力提取出来，建立不同接触载荷、不同嵌入深度和最大接触应力的关系曲线，如下图所示。曲线表明，中心带的最大应力随着施加载荷的增加而增大，随着嵌入深度的加深而减小。但是，在小的嵌入深度变化时应力的变化梯度较大，而嵌入深度达到一定值时，应力变化梯度减小。在小的相同嵌入深度下，接触应力随施加载荷增加的趋势较快，而在大的相同嵌入深度下，应力随施加载荷增加的趋势变缓。这说明嵌入深度的大小，即是磨损深度应是影响应力分布的重要因素。

1.2 微动磨损分析结论
        1)微动磨损深度随微动时间和接触载荷的增加而呈增长趋势，但由于接触面积、接触应力在微动磨损过程中也随上述参数的变化而变化，同时磨屑作为第三体的介入，使磨损深度在不同磨损阶段下增长速率不同；
        2)钢丝试样之间接触面积和平均接触应力的变化和所施加的接触载荷及微动磨损时间密切相关；
        3)在微动磨痕接触区的中心一带出现较大面积的最大接触应力，并以不同的应力梯度向周围逐渐减小；中心带的最大接触应力随着施加载荷的增加而增大，随着嵌入深度的加深而减小。
2钢丝微动磨损的理论模型
        经过上面分析表明影响微动磨损的机械参数主要有接触载荷、微动振幅、磨损时间以及往复频率等；各个参数往往相互叠加、共同作用，从而使得微动磨损过程更加复杂；就钢丝的微动磨损而言，很难用单一的参数来描述，采用综合参数pv（接触应力p和微动速度v的乘积）值及pvt（pv值和微动时间的乘积）值来比较全面地反映接触载荷、微动振幅、微动时间和往复频率等参数对微动磨损的影响，进而描述微动磨损深度的变化，并根据钢丝磨损线性关系建立微动磨损理论模型。
        据有关微动磨损的试验数据，以水雷用线接触结构特种镀锌钢丝绳中的钢丝为试验对象，进行不同微动振幅、不同频率和不同接触载荷时的钢丝磨损试验。
        图2表示出了微动振幅108.3μm、频率3.6Hz、接触载荷14N条件下的上、下钢丝试样磨损深度随微动时间变化的关系曲线。

可见，试样微动磨损深度随微动时间的延长而增大。就上试样而言，当微动时间小于270min时，磨损深度的变化趋势较快，而后趋于平缓。就下试样而言，当微动时间小于420min时，磨损深度的变化趋势较快，随后变化趋势略微减缓。磨损深度的这种变化同微动磨损过程中接触应力的大小及磨损机制密切相关，在磨损开始阶段，主要发生材料的粘着转移和磨粒的犁削，钢丝试样的材料损失较大，磨损深度增长迅速；而随着磨损时间的延长，磨屑从接触表面排出的难度增大，粘附于接触表面之间的磨屑可起到减缓磨损的作用。
图3表示出了微动振幅108.3μm、频率3.6Hz，接触载荷14N条件下的接触面积和接触应力随微动时间变化的曲线。

        可见随微动时间的增加，上、下试样间的名义接触面积增大，当微动时间小于300min时，名义接触面积随时间延长而呈线性增长趋势，且增长速度较快，当微动时间达到并超过300min时，接触面积的增长趋势减缓，与此同时，当接触载荷固定时，接触应力随着接触面积的增大呈降低趋势，当微动时间小于300min时其降低趋势较快，随后接触面积增长减慢，接触应力降低减缓，对应的微动磨损深度增长亦减缓。
        总体而言，在微动磨损过程中，接触应力的大小和所施加的接触载荷及两试样间的接触面积相关，而接触面积又和试样的微动磨损程度相关，随着磨损时间的延长，磨损程度加剧，两钢丝之间的接触面积增大，接触应力减小，微动速度同微动振幅和往复频率相关，在相同频率下，微动振幅越大，则速度越低，因此，采用pv值或pvt值可以在一定程度上反映接触载荷、微动振幅、微动时间、频率等参数对钢丝微动磨损行为的影响。
        图4表示出了微动振幅108.3μm、频率3.6Hz，接触载荷14N条件下对应的钢丝微动磨损深度随pv值变化的关系曲线。

可见磨损深度随pv值的增加呈下降趋势，其原因在于，当接触载荷固定时，磨损深度随微动磨损时间的延长而增大，钢丝之间的接触面积增大，接触应力随之降低，从而使得磨损深度和接触应力呈反比，对应的pv值减小。
图5为微动振幅分别为108.3μm和139.8μm时的钢丝微动磨损深度随综合参数pvt值变化的关系曲线。可见钢丝微动磨损深度同pvt值之间呈近似线性关系，将曲线进行拟合，

可以用两钢丝试样之间的接触载荷与接触面积之比来表示其接触应力；钢丝试样之间的接触面积是微动磨损时间的函数，可以用S（t）表示；而钢丝试样之间的相对微动速度取决于微动振幅和往复频率，因此上式可改写为：

3延缓微动磨损发生的技术措施
正是因为钢丝绳内部钢丝间微动的存在，才使得钢丝绳具有非常良好的柔韧性和围绕滑轮卷筒变形的能力(假如捻股合绳时在钢丝表面喷涂强力胶将钢丝粘接固定在一起，钢丝绳将与均质钢棒无异，失去其特有的使用性能)，所以钢丝绳的微动不能使用技术手段予以消除，只能通过技术措施削弱微动带来的危害。
微动磨损是造成钢丝绳失效的主要原因之一，微动磨损防护措施包括表面改性技术、材料的选择和改进结构设计等，即通过技术措施强化制绳钢丝表面功能，提高钢丝表面耐腐蚀、耐磨损性能，抑制、减缓疲劳微裂纹的发生，从而达到提高钢丝绳耐疲劳性能延长使用寿命的目的。材料的耐损伤能力往往与材料的表面性能密切相关，利用表面改性技术提高材料的抗微动疲劳性能，主要是通过降低摩擦因数或提高微动接触面的硬度、屈服强度来改善材料的抗微动疲劳损伤性能，常用方法有表面机械强化、表面热处理、化学热处理、电化学处理、热喷涂技术、干膜润滑层、离子镀膜及离子注入技术、化学气相沉积和物理气相沉积等。