鋼絲繩摩擦學（簡體書）

目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 鋼絲繩摩擦學研究的背景及意義 1
1.2 鋼絲繩摩擦學研究的主要內容 3
參考文獻 4
第2章 鋼絲繩滑動摩擦磨損特性研究 6
2.1 概述 6
2.2 鋼絲繩滑動摩擦磨損試驗裝置及方法 7
2.2.1 鋼絲繩接觸行為特性 7
2.2.2 鋼絲繩滑動摩擦磨損試驗機 8
2.2.3 摩擦磨損試驗方案設計 11
2.3 不同滑動參數下鋼絲繩摩擦磨損特性 13
2.3.1 滑動速度和振幅對摩擦磨損特性的影響規律 13
2.3.2 接觸載荷對摩擦磨損特性的影響規律 23
2.3.3 滑動距離對摩擦磨損演化過程的影響 25
2.4 不同接觸形式下鋼絲繩摩擦磨損特性研究 32
2.4.1 鋼絲繩交叉接觸形式和滑動試驗參數 33
2.4.2 不同交叉角度和方向下鋼絲繩摩擦磨損特性 34
2.4.3 接觸位置對磨痕分布的影響 49
參考文獻 53
第3章 鋼絲繩層間過渡摩擦磨損特性研究 55
3.1 概述 55
3.2 鋼絲繩多層纏繞理論特性 56
3.2.1 鋼絲繩纏繞過程運動分析 56
3.2.2 鋼絲繩纏繞過程受力分析 59
3.3 鋼絲繩層間過渡摩擦磨損試驗系統研制 63
3.3.1 鋼絲繩層間過渡摩擦磨損試驗機 63
3.3.2 鋼絲繩層間過渡摩擦磨損試驗方案 64
3.4 基於正交試驗的層間過渡摩擦磨損試驗 66
3.4.1 正交試驗方案設計 66
3.4.2 正交試驗結果 67
3.5 圓股鋼絲繩摩擦磨損特性 69
3.5.1 幹摩擦狀態鋼絲繩摩擦行為研究 69
3.5.2 潤滑狀態鋼絲繩摩擦行為研究 75
3.6 三角股鋼絲繩摩擦磨損特性 83
3.6.1 幹摩擦狀態鋼絲繩摩擦行為研究 84
3.6.2 潤滑狀態鋼絲繩摩擦行為研究 91
參考文獻 99
第4章 鋼絲繩衝擊摩擦磨損特性研究 101
4.1 概述 101
4.2 鋼絲繩衝擊摩擦磨損試驗臺及方案 102
4.2.1 鋼絲繩卷繞過程衝擊摩擦問題分析 102
4.2.2 鋼絲繩衝擊摩擦試驗臺設計 103
4.2.3 鋼絲繩衝擊摩擦試驗設計 104
4.3 幹摩擦狀態鋼絲繩衝擊摩擦特性 106
4.3.1 無衝擊時鋼絲繩摩擦系數分析 106
4.3.2 無衝擊時鋼絲繩摩擦溫升分析 108
4.3.3 鋼絲繩衝擊摩擦系數分析 111
4.3.4 磨損形貌分析 113
4.4 潤滑狀態鋼絲繩衝擊摩擦特性 115
4.4.1 無衝擊時鋼絲繩摩擦系數分析 115
4.4.2 無衝擊時鋼絲繩摩擦溫升分析 117
4.4.3 鋼絲繩衝擊摩擦系數分析 119
4.4.4 磨損形貌分析 121
參考文獻 122
第5章 惡劣環境下鋼絲繩摩擦磨損特性研究 124
5.1 概述 124
5.2 不同腐蝕狀態下鋼絲繩摩擦磨損特性 125
5.2.1 試驗方法 125
5.2.2 腐蝕鋼絲繩摩擦磨損特性研究 126
5.3 不同油潤滑下鋼絲繩摩擦磨損特性 132
5.3.1 摩擦特性 132
5.3.2 磨損特性 135
5.4 不同腐蝕環境對鋼絲繩潤滑油減摩抗磨特性的影響 137
5.4.1 試驗方法 137
5.4.2 淡水溶液腐蝕 138
5.4.3 海水溶液腐蝕 140
5.4.4 酸性溶液腐蝕 141
5.4.5 不同腐蝕下油潤滑鋼絲繩磨痕特征參數 143
5.5 溫度對鋼絲繩摩擦磨損特性的影響 144
5.5.1 試驗方法 144
5.5.2 不同溫度下鋼絲繩摩擦系數 146
5.5.3 不同溫度下鋼絲繩磨損形貌 147
5.5.4 不同溫度下鋼絲繩磨損參數 148
參考文獻 150
第6章 磨損鋼絲繩機械強度及失效機理研究 152
6.1 概述 152
6.2 磨損鋼絲繩破斷拉伸試驗 154
6.2.1 試驗設備 154
6.2.2 試驗方案 155
6.3 磨損鋼絲繩機械性能及斷裂失效機理 156
6.3.1 磨損圓股鋼絲繩機械性能 156
6.3.2 磨損三角股鋼絲繩機械性能 173
6.3.3 磨損鋼絲繩斷裂失效機理 176
6.4 磨損鋼絲繩可靠性分析 181
6.4.1 鋼絲繩磨損特征尺寸參數 181
6.4.2 磨損鋼絲繩可靠性分析 183
參考文獻 191
第7章 基於雙級永磁勵磁的鋼絲繩無損檢測裝置及方法 193
7.1 概述 193
7.2 鋼絲繩局部缺陷漏磁場檢測原理 196
7.3 鋼絲繩損傷漏磁場建模仿真分析 197
7.3.1 鋼絲繩損傷磁偶極子模型 198
7.3.2 斷絲漏磁場磁偶極子模型仿真分析 200
7.3.3 磨損漏磁場磁偶極子模型仿真分析 202
7.4 鋼絲繩無損檢測裝置雙級永磁勵磁結構設計 204
7.4.1 無損檢測裝置整體結構設計 204
7.4.2 漏磁場檢測磁化方法與磁化強度選擇 206
7.4.3 雙級永磁勵磁結構設計 207
7.4.4 雙級永磁勵磁結構勵磁效果有限元分析 208
7.5 鋼絲繩損傷信號提取與識別 214
7.5.1 股波噪聲信號的抑制 214
7.5.2 損傷檢測信號的提取與標定 217
7.5.3 損傷信號量化 220
7.6 鋼絲繩斷絲損傷試驗分析 221
7.6.1 鋼絲繩損傷漏磁場檢測試驗設計 221
7.6.2 鋼絲繩損傷漏磁場檢測試驗結果分析 224
參考文獻 230
第8章 鋼絲繩復合潤滑脂抗磨機理研究 232
8.1 概述 232
8.2 改性復合潤滑脂制備 233
8.2.1 復合石墨烯制備及表征 233
8.2.2 復合潤滑脂改性試驗 237
8.2.3 改性潤滑脂性能檢測 241
8.3 抗磨潤滑脂潤滑特性 243
8.3.1 試驗方案 244
8.3.2 添加劑含量對摩擦系數的影響 245
8.3.3 添加劑含量對鋼球磨斑特征尺寸的影響 249
8.3.4 添加劑含量對鋼球磨損形貌的影響 253
8.4 基於改性潤滑脂的鋼絲繩滑動摩擦磨損特性 260
8.4.1 改性潤滑脂下鋼絲繩摩擦磨損試驗方案 260
8.4.2 改性潤滑脂下鋼絲繩摩擦特性 261
8.4.3 改性潤滑脂下鋼絲繩磨損特性 264
參考文獻 265

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，再由若幹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、承載構件廣泛應用於礦井纏繞提升機、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，並嚴重影響生產、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範和行業規程[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，某些行業還屬於技術密集型行業，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餘安全使用壽命。
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，並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層以後，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。雖然鋼絲繩通常會塗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，並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、過渡衝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餘使用強度和斷裂失效機理，並進一步探究了鋼絲繩的磨損可靠性；探究了基於雙級永磁勵磁的鋼絲繩無損檢測裝置及方法；*後，研制了鋼絲繩復合潤滑脂，並探析了其抗磨潤滑特性。具體研究內容如下。
（1）設計並搭建鋼絲繩滑動、層間過渡和衝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、纏繞衝擊、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）基於鋼絲繩磨損類型、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餘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；基於可靠性相關理論，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餘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，並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；基於漏磁場檢測原理，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，並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，減少噪聲信號幹擾；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）基於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；基於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。
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