水雷用特種鋼絲繩微動磨損分析
作者： admin 編輯： admin 來源：admin 發(fā)布日期：2022-07-08 15:43
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摘 要：對水雷用特種鋼絲繩的微動磨損運(yùn)動進(jìn)行分析，建立微動磨損的理論模型，得出微動磨損深度和綜合參數(shù)pvt值之間的關(guān)系。依據(jù)鋼絲繩試驗結(jié)果，擬合出微動磨損深度同微動時間
摘 要：對水雷用特種鋼絲繩的微動磨損運(yùn)動進(jìn)行分析，建立微動磨損的理論模型，得出微動磨損深度和綜合參數(shù)pvt值之間的關(guān)系。依據(jù)鋼絲繩試驗結(jié)果，擬合出微動磨損深度同微動時間之間的關(guān)系，對鋼絲繩微動磨損分析具有指導(dǎo)意義，并提出減緩微動磨損的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞：鋼絲繩；微動磨損；pvt值
0 引 言
鋼絲繩在運(yùn)動過程中，相鄰鋼絲之間有微動摩擦，由于受到法向應(yīng)力和切應(yīng)力的反復(fù)作用，能夠引起表層材料塑性變形而導(dǎo)致表面硬化，最后在表面的應(yīng)力集中出現(xiàn)初始裂紋，在微動損傷的初期，損傷區(qū)表面沒有較長的裂紋，表面劃傷所造成的劃痕方向與微動方向平行，初始裂紋如果沿鋼絲軸向擴(kuò)展則造成鋼絲表面局部材料的脫落，即發(fā)生鋼絲表面的局部磨損，而鋼絲繩在圍繞滑輪或卷筒變形時要受到彎曲應(yīng)力的作用，滑輪直徑越小則鋼絲繩受到的彎曲應(yīng)力越大，這將使初始損傷處的裂紋向鋼絲徑向擴(kuò)展的幾率和擴(kuò)展速率大幅度升高，即剝離磨損過程中某些裂紋沿鋼絲徑向擴(kuò)展至材料內(nèi)部成為疲勞裂紋，微動疲勞裂紋擴(kuò)展方向與微動方向(軸向)垂直，并最終造成鋼絲破壞性斷裂。
鋼絲繩在經(jīng)過滑輪變形時，鋼絲繩受到彎曲應(yīng)力和與過滑輪之間接觸而引起的接觸應(yīng)力作用，鋼絲繩中的股繩或鋼絲之間如果發(fā)生在鋼絲軸向的微動，微動產(chǎn)生的周向裂紋在彎曲應(yīng)力作用下向鋼絲徑向擴(kuò)展將導(dǎo)致鋼絲斷裂，因此這種周向的微動損傷將比軸向的危害更大。
綜上所述，鋼絲繩使用過程中，內(nèi)部相鄰鋼絲受力不均致彈性伸長不同步而發(fā)生微動，微動造成鋼絲表面產(chǎn)生微動磨損損傷，鋼絲間接觸應(yīng)力越大則損傷越嚴(yán)重，微動磨損宏觀上造成鋼絲橫截面積的減小而產(chǎn)生應(yīng)力集中，磨損過程中會使鋼絲表面形成微裂紋，微裂紋沿鋼絲軸向擴(kuò)展則造成鋼絲表面部分材料被撕脫剝離，這種微裂紋在鋼絲繩受到彎曲應(yīng)力作用下如果沿鋼絲徑向擴(kuò)展將導(dǎo)致鋼絲的疲勞斷裂，鋼絲表面周向初始微裂紋的危害大于軸向微裂紋，微動疲勞是鋼絲繩失效的主要原因所在。
1鋼絲微動磨損運(yùn)動分析
1.1 接觸應(yīng)力分析
鋼絲繩在承受軸向載荷或彎曲時，股與股、鋼絲與鋼絲之間會存在一定幅度的微動磨損。鋼絲的微動損傷研究是分析鋼絲疲勞壽命以及預(yù)測鋼絲繩使用壽命的重要基礎(chǔ)。受接觸載荷、微動振幅、磨損時間以及往復(fù)頻率等參數(shù)的影響，微動磨損過程中接觸形式是一個復(fù)雜的變化過程。對于兩圓柱體相互正交接觸的上、下鋼絲來說，如果微動過程中所施加的載荷是恒定的，那么隨著微動參數(shù)的變化，接觸應(yīng)力是一個變化的參數(shù)，由開始時點(diǎn)接觸的大接觸應(yīng)力，隨著磨損深度的加深、磨損面積的增加而使接觸應(yīng)力減小。
核查有關(guān)鋼絲磨損試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)磨損深度變化與微動磨損過程中接觸應(yīng)力的大小及磨損機(jī)制、磨屑等密切相關(guān)。在微動磨損過程中，接觸應(yīng)力的大小和所施加的接觸載荷及鋼絲間的接觸面積相關(guān)，而接觸面積又和鋼絲的微動磨損程度相關(guān)，磨損時間長或接觸載荷大，其磨損程度越嚴(yán)重，此時兩鋼絲接觸面積增大，接觸應(yīng)力小。在接觸載荷為恒定值時，隨著微動時間增加，鋼絲間的磨損量增加，主要體現(xiàn)在鋼絲的磨損寬度、長度、深度增加，從而使上、下鋼絲間的接觸面積加大，接觸應(yīng)力必然減小，接觸應(yīng)力的下降趨勢和接觸面積的增長趨勢相同。在微動磨損時間相同時，接觸載荷增加，鋼絲的磨損量增加，從而也體現(xiàn)在上、下鋼絲之間的接觸面積增加，但是由于接觸載荷的增加趨勢比接觸載荷變化時磨損面積增加的趨勢要快。因此，接觸載荷增加時，雖然接觸面積加大，但接觸應(yīng)力仍然呈增長趨勢。
為了分析微動磨損過程中鋼絲的接觸狀況，利用有限元方法建立鋼絲的接觸模型。得出其共同特征是：在接觸區(qū)的中心一帶出現(xiàn)較大面積的最大接觸應(yīng)力，然后以不同的應(yīng)力梯度向周圍逐漸減小。在小的嵌入深度時，應(yīng)力向周圍減小的梯度較快，而在大的嵌入深度時，應(yīng)力向周圍減小的梯度較慢，應(yīng)力區(qū)的范圍較寬。但是在微動磨痕周圍邊緣棱邊接觸處會出現(xiàn)比中心帶大的應(yīng)力集中。
將各種計算條件下接觸區(qū)中心帶的最大接觸應(yīng)力提取出來，建立不同接觸載荷、不同嵌入深度和最大接觸應(yīng)力的關(guān)系曲線，如下圖所示。曲線表明，中心帶的最大應(yīng)力隨著施加載荷的增加而增大，隨著嵌入深度的加深而減小。但是，在小的嵌入深度變化時應(yīng)力的變化梯度較大，而嵌入深度達(dá)到一定值時，應(yīng)力變化梯度減小。在小的相同嵌入深度下，接觸應(yīng)力隨施加載荷增加的趨勢較快，而在大的相同嵌入深度下，應(yīng)力隨施加載荷增加的趨勢變緩。這說明嵌入深度的大小，即是磨損深度應(yīng)是影響應(yīng)力分布的重要因素。
1.2 微動磨損分析結(jié)論
1)微動磨損深度隨微動時間和接觸載荷的增加而呈增長趨勢，但由于接觸面積、接觸應(yīng)力在微動磨損過程中也隨上述參數(shù)的變化而變化，同時磨屑作為第三體的介入，使磨損深度在不同磨損階段下增長速率不同；
2)鋼絲試樣之間接觸面積和平均接觸應(yīng)力的變化和所施加的接觸載荷及微動磨損時間密切相關(guān)；
3)在微動磨痕接觸區(qū)的中心一帶出現(xiàn)較大面積的最大接觸應(yīng)力，并以不同的應(yīng)力梯度向周圍逐漸減??；中心帶的最大接觸應(yīng)力隨著施加載荷的增加而增大，隨著嵌入深度的加深而減小。
2鋼絲微動磨損的理論模型
經(jīng)過上面分析表明影響微動磨損的機(jī)械參數(shù)主要有接觸載荷、微動振幅、磨損時間以及往復(fù)頻率等；各個參數(shù)往往相互疊加、共同作用，從而使得微動磨損過程更加復(fù)雜；就鋼絲的微動磨損而言，很難用單一的參數(shù)來描述，采用綜合參數(shù)pv（接觸應(yīng)力p和微動速度v的乘積）值及pvt（pv值和微動時間的乘積）值來比較全面地反映接觸載荷、微動振幅、微動時間和往復(fù)頻率等參數(shù)對微動磨損的影響，進(jìn)而描述微動磨損深度的變化，并根據(jù)鋼絲磨損線性關(guān)系建立微動磨損理論模型。
據(jù)有關(guān)微動磨損的試驗數(shù)據(jù)，以水雷用線接觸結(jié)構(gòu)特種鍍鋅鋼絲繩中的鋼絲為試驗對象，進(jìn)行不同微動振幅、不同頻率和不同接觸載荷時的鋼絲磨損試驗。
圖2表示出了微動振幅108.3μm、頻率3.6Hz、接觸載荷14N條件下的上、下鋼絲試樣磨損深度隨微動時間變化的關(guān)系曲線。
可見，試樣微動磨損深度隨微動時間的延長而增大。就上試樣而言，當(dāng)微動時間小于270min時，磨損深度的變化趨勢較快，而后趨于平緩。就下試樣而言，當(dāng)微動時間小于420min時，磨損深度的變化趨勢較快，隨后變化趨勢略微減緩。磨損深度的這種變化同微動磨損過程中接觸應(yīng)力的大小及磨損機(jī)制密切相關(guān)，在磨損開始階段，主要發(fā)生材料的粘著轉(zhuǎn)移和磨粒的犁削，鋼絲試樣的材料損失較大，磨損深度增長迅速；而隨著磨損時間的延長，磨屑從接觸表面排出的難度增大，粘附于接觸表面之間的磨屑可起到減緩磨損的作用。
圖3表示出了微動振幅108.3μm、頻率3.6Hz，接觸載荷14N條件下的接觸面積和接觸應(yīng)力隨微動時間變化的曲線。
可見隨微動時間的增加，上、下試樣間的名義接觸面積增大，當(dāng)微動時間小于300min時，名義接觸面積隨時間延長而呈線性增長趨勢，且增長速度較快，當(dāng)微動時間達(dá)到并超過300min時，接觸面積的增長趨勢減緩，與此同時，當(dāng)接觸載荷固定時，接觸應(yīng)力隨著接觸面積的增大呈降低趨勢，當(dāng)微動時間小于300min時其降低趨勢較快，隨后接觸面積增長減慢，接觸應(yīng)力降低減緩，對應(yīng)的微動磨損深度增長亦減緩。
總體而言，在微動磨損過程中，接觸應(yīng)力的大小和所施加的接觸載荷及兩試樣間的接觸面積相關(guān)，而接觸面積又和試樣的微動磨損程度相關(guān)，隨著磨損時間的延長，磨損程度加劇，兩鋼絲之間的接觸面積增大，接觸應(yīng)力減小，微動速度同微動振幅和往復(fù)頻率相關(guān)，在相同頻率下，微動振幅越大，則速度越低，因此，采用pv值或pvt值可以在一定程度上反映接觸載荷、微動振幅、微動時間、頻率等參數(shù)對鋼絲微動磨損行為的影響。
圖4表示出了微動振幅108.3μm、頻率3.6Hz，接觸載荷14N條件下對應(yīng)的鋼絲微動磨損深度隨pv值變化的關(guān)系曲線。
可見磨損深度隨pv值的增加呈下降趨勢，其原因在于，當(dāng)接觸載荷固定時，磨損深度隨微動磨損時間的延長而增大，鋼絲之間的接觸面積增大，接觸應(yīng)力隨之降低，從而使得磨損深度和接觸應(yīng)力呈反比，對應(yīng)的pv值減小。
圖5為微動振幅分別為108.3μm和139.8μm時的鋼絲微動磨損深度隨綜合參數(shù)pvt值變化的關(guān)系曲線?？梢婁摻z微動磨損深度同pvt值之間呈近似線性關(guān)系，將曲線進(jìn)行擬合，
可以用兩鋼絲試樣之間的接觸載荷與接觸面積之比來表示其接觸應(yīng)力；鋼絲試樣之間的接觸面積是微動磨損時間的函數(shù)，可以用S（t）表示；而鋼絲試樣之間的相對微動速度取決于微動振幅和往復(fù)頻率，因此上式可改寫為：
3延緩微動磨損發(fā)生的技術(shù)措施
正是因為鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間微動的存在，才使得鋼絲繩具有非常良好的柔韌性和圍繞滑輪卷筒變形的能力(假如捻股合繩時在鋼絲表面噴涂強(qiáng)力膠將鋼絲粘接固定在一起，鋼絲繩將與均質(zhì)鋼棒無異，失去其特有的使用性能)，所以鋼絲繩的微動不能使用技術(shù)手段予以消除，只能通過技術(shù)措施削弱微動帶來的危害。
微動磨損是造成鋼絲繩失效的主要原因之一，微動磨損防護(hù)措施包括表面改性技術(shù)、材料的選擇和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計等，即通過技術(shù)措施強(qiáng)化制繩鋼絲表面功能，提高鋼絲表面耐腐蝕、耐磨損性能，抑制、減緩疲勞微裂紋的發(fā)生，從而達(dá)到提高鋼絲繩耐疲勞性能延長使用壽命的目的。材料的耐損傷能力往往與材料的表面性能密切相關(guān)，利用表面改性技術(shù)提高材料的抗微動疲勞性能，主要是通過降低摩擦因數(shù)或提高微動接觸面的硬度、屈服強(qiáng)度來改善材料的抗微動疲勞損傷性能，常用方法有表面機(jī)械強(qiáng)化、表面熱處理、化學(xué)熱處理、電化學(xué)處理、熱噴涂技術(shù)、干膜潤滑層、離子鍍膜及離子注入技術(shù)、化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積等。
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