水雷用特種鋼絲繩微動(dòng)磨損分析

作者： admin 編輯： admin 來(lái)源：admin 發(fā)布日期：2022-07-08 15:43

信息摘要：

摘要：對(duì)水雷用特種鋼絲繩的微動(dòng)磨損運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，建立微動(dòng)磨損的理論模型，得出微動(dòng)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(yàn)結(jié)果，擬合出微動(dòng)磨損深度同微動(dòng)時(shí)間之間的關(guān)系，對(duì)鋼絲繩微動(dòng)磨損分析具有指導(dǎo)意義，并提出減緩微動(dòng)磨損的技術(shù)措施。
關(guān)鍵詞：鋼絲繩；微動(dòng)磨損；pvt值

0 引言
        鋼絲繩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，相鄰鋼絲之間有微動(dòng)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(dòng)損傷的初期，損傷區(qū)表面沒(méi)有較長(zhǎng)的裂紋，表面劃傷所造成的劃痕方向與微動(dòng)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(shí)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(guò)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(dòng)疲勞裂紋擴(kuò)展方向與微動(dòng)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(guò)滑輪變形時(shí)，鋼絲繩受到彎曲應(yīng)力和與過(guò)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(dòng)，微動(dòng)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(dòng)損傷將比軸向的危害更大。
        綜上所述，鋼絲繩使用過(guò)程中，內(nèi)部相鄰鋼絲受力不均致彈性伸長(zhǎng)不同步而發(fā)生微動(dòng)，微動(dòng)造成鋼絲表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損損傷，鋼絲間接觸應(yīng)力越大則損傷越嚴(yán)重，微動(dòng)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(guò)程中會(huì)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(dòng)疲勞是鋼絲繩失效的主要原因所在。
1鋼絲微動(dòng)磨損運(yùn)動(dòng)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(shí)，股與股、鋼絲與鋼絲之間會(huì)存在一定幅度的微動(dòng)磨損。鋼絲的微動(dòng)損傷研究是分析鋼絲疲勞壽命以及預(yù)測(cè)鋼絲繩使用壽命的重要基礎(chǔ)。受接觸載荷、微動(dòng)振幅、磨損時(shí)間以及往復(fù)頻率等參數(shù)的影響，微動(dòng)磨損過(guò)程中接觸形式是一個(gè)復(fù)雜的變化過(guò)程。對(duì)于兩圓柱體相互正交接觸的上、下鋼絲來(lái)說(shuō)，如果微動(dòng)過(guò)程中所施加的載荷是恒定的，那么隨著微動(dòng)參數(shù)的變化，接觸應(yīng)力是一個(gè)變化的參數(shù)，由開(kāi)始時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)磨損深度變化與微動(dòng)磨損過(guò)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(dòng)磨損過(guò)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(dòng)磨損程度相關(guān)，磨損時(shí)間長(zhǎng)或接觸載荷大，其磨損程度越嚴(yán)重，此時(shí)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(shí)，隨著微動(dòng)時(shí)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(zhǎng)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(shì)和接觸面積的增長(zhǎng)趨勢(shì)相同。在微動(dòng)磨損時(shí)間相同時(shí)，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(shì)比接觸載荷變化時(shí)磨損面積增加的趨勢(shì)要快。因此，接觸載荷增加時(shí)，雖然接觸面積加大，但接觸應(yīng)力仍然呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。
        為了分析微動(dòng)磨損過(guò)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?chē)饾u減小。在小的嵌入深度時(shí)，應(yīng)力向周?chē)鷾p小的梯度較快，而在大的嵌入深度時(shí)，應(yīng)力向周?chē)鷾p小的梯度較慢，應(yīng)力區(qū)的范圍較寬。但是在微動(dòng)磨痕周?chē)吘壚膺吔佑|處會(huì)出現(xiàn)比中心帶大的應(yīng)力集中。
        將各種計(jì)算條件下接觸區(qū)中心帶的最大接觸應(yīng)力提取出來(lái)，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(shí)應(yīng)力的變化梯度較大，而嵌入深度達(dá)到一定值時(shí)，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(shì)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(shì)變緩。這說(shuō)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(dòng)磨損分析結(jié)論
        1)微動(dòng)磨損深度隨微動(dòng)時(shí)間和接觸載荷的增加而呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但由于接觸面積、接觸應(yīng)力在微動(dòng)磨損過(guò)程中也隨上述參數(shù)的變化而變化，同時(shí)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(zhǎng)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(dòng)磨損時(shí)間密切相關(guān)；
        3)在微動(dòng)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?chē)饾u減?。恢行膸У淖畲蠼佑|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(dòng)磨損的理論模型
        經(jīng)過(guò)上面分析表明影響微動(dòng)磨損的機(jī)械參數(shù)主要有接觸載荷、微動(dòng)振幅、磨損時(shí)間以及往復(fù)頻率等；各個(gè)參數(shù)往往相互疊加、共同作用，從而使得微動(dòng)磨損過(guò)程更加復(fù)雜；就鋼絲的微動(dòng)磨損而言，很難用單一的參數(shù)來(lái)描述，采用綜合參數(shù)pv（接觸應(yīng)力p和微動(dòng)速度v的乘積）值及pvt（pv值和微動(dòng)時(shí)間的乘積）值來(lái)比較全面地反映接觸載荷、微動(dòng)振幅、微動(dòng)時(shí)間和往復(fù)頻率等參數(shù)對(duì)微動(dòng)磨損的影響，進(jìn)而描述微動(dòng)磨損深度的變化，并根據(jù)鋼絲磨損線性關(guān)系建立微動(dòng)磨損理論模型。
        據(jù)有關(guān)微動(dòng)磨損的試驗(yàn)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(yàn)對(duì)象，進(jìn)行不同微動(dòng)振幅、不同頻率和不同接觸載荷時(shí)的鋼絲磨損試驗(yàn)。
        圖2表示出了微動(dòng)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(dòng)時(shí)間變化的關(guān)系曲線。

可見(jiàn)，試樣微動(dòng)磨損深度隨微動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。就上試樣而言，當(dāng)微動(dòng)時(shí)間小于270min時(shí)，磨損深度的變化趨勢(shì)較快，而后趨于平緩。就下試樣而言，當(dāng)微動(dòng)時(shí)間小于420min時(shí)，磨損深度的變化趨勢(shì)較快，隨后變化趨勢(shì)略微減緩。磨損深度的這種變化同微動(dòng)磨損過(guò)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(kāi)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(zhǎng)迅速；而隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，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(dòng)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(dòng)時(shí)間變化的曲線。

        可見(jiàn)隨微動(dòng)時(shí)間的增加，上、下試樣間的名義接觸面積增大，當(dāng)微動(dòng)時(shí)間小于300min時(shí)，名義接觸面積隨時(shí)間延長(zhǎng)而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，且增長(zhǎng)速度較快，當(dāng)微動(dòng)時(shí)間達(dá)到并超過(guò)300min時(shí)，接觸面積的增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，與此同時(shí)，當(dāng)接觸載荷固定時(shí)，接觸應(yīng)力隨著接觸面積的增大呈降低趨勢(shì)，當(dāng)微動(dòng)時(shí)間小于300min時(shí)其降低趨勢(shì)較快，隨后接觸面積增長(zhǎng)減慢，接觸應(yīng)力降低減緩，對(duì)應(yīng)的微動(dòng)磨損深度增長(zhǎng)亦減緩。
        總體而言，在微動(dòng)磨損過(guò)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(dòng)磨損程度相關(guān)，隨著磨損時(shí)間的延長(zhǎng)，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(dòng)速度同微動(dòng)振幅和往復(fù)頻率相關(guān)，在相同頻率下，微動(dòng)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(dòng)振幅、微動(dòng)時(shí)間、頻率等參數(shù)對(duì)鋼絲微動(dòng)磨損行為的影響。
        圖4表示出了微動(dòng)振幅108.3μm、頻率3.6Hz，接觸載荷14N條件下對(duì)應(yīng)的鋼絲微動(dòng)磨損深度隨pv值變化的關(guān)系曲線。

可見(jiàn)磨損深度隨pv值的增加呈下降趨勢(shì)，其原因在于，當(dāng)接觸載荷固定時(shí)，磨損深度隨微動(dòng)磨損時(shí)間的延長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的pv值減小。
圖5為微動(dòng)振幅分別為108.3μm和139.8μm時(shí)的鋼絲微動(dòng)磨損深度隨綜合參數(shù)pvt值變化的關(guān)系曲線?？梢?jiàn)鋼絲微動(dòng)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(lái)表示其接觸應(yīng)力；鋼絲試樣之間的接觸面積是微動(dòng)磨損時(shí)間的函數(shù)，可以用S（t）表示；而鋼絲試樣之間的相對(duì)微動(dòng)速度取決于微動(dòng)振幅和往復(fù)頻率，因此上式可改寫(xiě)為：

3延緩微動(dòng)磨損發(fā)生的技術(shù)措施
正是因?yàn)殇摻z繩內(nèi)部鋼絲間微動(dòng)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(shí)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(wú)異，失去其特有的使用性能)，所以鋼絲繩的微動(dòng)不能使用技術(shù)手段予以消除，只能通過(guò)技術(shù)措施削弱微動(dòng)帶來(lái)的危害。
微動(dòng)磨損是造成鋼絲繩失效的主要原因之一，微動(dòng)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(jì)等，即通過(guò)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(zhǎng)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(dòng)疲勞性能，主要是通過(guò)降低摩擦因數(shù)或提高微動(dòng)接觸面的硬度、屈服強(qiáng)度來(lái)改善材料的抗微動(dòng)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(rùn)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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