水下锚泊平台用钢丝绳磨损行为特征与损伤机理分析研究论文_徐哲，陈兴球

以钢丝绳作为系留索系的水下锚泊平台在服役期间，磨损对钢丝绳服役寿命是一个至关重要的因素。由于钢丝绳承载着系留张力、自旋扭矩、锚泊平台横滚扭矩等系统载荷作用，使得钢丝绳产生表层磨损和微动磨损。本文对系留状态下钢丝绳的磨损行为特性进行分析，最终得出其损伤机理，并提出延缓磨损的一些方式方法。

关键字：水下锚泊平台 自动定深装置 服役 磨损 失效

引言

自动定深装置通常用于增大水下锚泊平台的适应水深，可根据水深适应放出不同长度的绳索，从而将锚泊平台系留在预定水深，从而增大锚泊平台的适用范围。定深装置将锚泊平台系留在预定水深后，由于海流作用的影响，锚泊平台会产生偏降、横移、俯仰、摇摆以及横滚等综合运动,这种运动会导致钢丝绳与定深装置之间产生很小的相对运动，虽然这种磨损从宏观讲都是微小的，但随着时间的积累，量变会引发质变，长时间的运动最终导致钢丝断裂。虽然钢丝绳的失效机理在矿井、电梯等诸多领域都有相关研究，但由于在水下锚泊平台中的特殊运用方式，导致其磨损特性和损伤机理发生了重大改变。

1钢丝绳在水下锚泊平台中的磨损行为特征分析

水下锚泊平台如下图所示，自动定深装置安装在水下锚泊平台的下部，钢丝绳作为系留索系一端缠绕在水下锚泊平台的自动定深装置索筒上，另一端穿过过索轮连接在锚上。锚泊平台布放入水后，定深装置上电，开始寻深并放出钢丝绳，当定深装置到达设定深度后，停止放出钢丝绳，将锚泊平台系留在预定深度。之后定深装置掉电并将钢丝绳锁定伴随水下锚泊平台一起进入服役过程。

图1 水下锚泊平台示意图

图中：1---锚泊平台；2---自动定深装置；3---钢丝绳；4---过索器；5---锚

锚泊平台在服役过程，受海流、风浪等影响，会产生一定的偏移，由于钢丝绳为定长度，此时锚泊平台受钢丝绳拉扯会产生一定的下降。同时锚泊平台会产生绕自身的俯仰、摇摆和横滚[3]。定深装置与锚泊平台固连，水下锚泊平台的运动会直接传递至定深装置上。钢丝绳一端与定深装置固连，另一端绕过过索轮与锚连接，定深装置带动钢丝绳的运动会在过索轮处不同步，使钢丝绳与过索轮产生相对运动。

定深装置过索轮与钢丝绳产生相对滑动。钢丝绳的滑动大致可以分为三类：

1）钢丝绳绕过索器的摆动或转动，反映为钢丝绳与过索器中心线夹角及方位的变化。锚泊平台横滚或钢丝绳自旋，造成钢丝绳在过索轮处产生的旋转滑动，反映为钢丝绳相对于导索轮的角位移变化。

2）钢丝绳自身的扭转造成内部钢丝或股之间的微动，在钢丝内部产生微动磨损。

2钢丝绳服役期间的磨损机理分析

物体相互摩擦引起表面材料损失的现象即磨损，磨损是相互接触的物体在相对运动中表层材料发生损伤导致材料流失的过程，是伴随摩擦而产生的必然结果[4]。在研究钢丝绳服役期间的磨损问题时将钢丝绳的磨损分为表层磨损和微动磨损。

2.1表层磨损

钢丝绳的表层磨损分为外表面和内部钢丝表面的磨损。钢丝绳外表面是指外股外层丝的可见部分，它的磨损是钢绳与过索轮存在相对运动而导致的摩擦所致。钢丝绳外表面只是全部钢丝表面中的一部分，不同结构的钢丝绳所占比例不同。钢丝绳的内部钢丝表面磨损是指钢丝绳受其自身结构和钢丝材料物理特性的影响，承载后会产生一定量的弹性伸长，伸长量与受到的应力成正比关系，当互相接触的两根钢丝变形不同步时，它们之间将发生相对滑动。

定深装置在放出定长度钢丝绳进入服役状态后，钢丝绳的磨损主要表现形式为钢丝绳绕过索轮摆动、转动以及旋转时与过索轮之间的接触摩擦造成的磨损。钢丝绳的磨损速度主要取决于过索轮槽与钢丝绳两者接触部位的相对运动关系、接触状态及应力大小、材料的机械特性等因素。

1）钢丝绳与过索轮之间的接触应力分析

一般情况下，钢丝绳与过索轮的接触应力可用下式表示：

钢丝绳通常接触应力为：

式中，P为钢丝绳作用在过索轮上的应力；T为钢丝绳上的拉力；D为过索轮的直径，为便于计算一般取过索轮的外圆最小截面直径；D为钢丝绳的直径。

在考虑钢丝绳与过索轮非均匀接触以及摩擦时，假定钢丝绳和过索轮为刚性体，同时将钢丝绳假定为圆柱体，钢丝绳绕过索轮时的接触问题按照赫兹接触理论的圆柱体二维接触问题来分析[6]。

两圆柱体接触时，接触面半宽b为：

式中：b为接触区域宽度；Fn为正压力；L为两圆柱体接触长度；u1为钢丝绳的泊松比；E1为钢丝绳的弹性模量；u2为过索轮材料的泊松比；E2为过索轮材料的弹性模量；R1为钢丝绳的半径；R2为钢丝绳与过索轮接触处的半径，为简化计算，此处取过索轮的最小截面半径。

钢丝绳与过索轮之间的接触应力为：

在放索过程中，钢丝绳带动过索轮转动，此时

式中，F1为锚的负浮力；θ为钢丝绳绕进绕出过索轮所包围的角度；为钢丝绳与过索轮之间的摩擦系数；F2为钢丝绳绕过过索轮后作用在索筒上的力。

式中，FN为钢丝绳与滑轮之间的接触压力；F1为锚的负浮力；u为钢丝绳与过索轮之间的摩擦系数；θ为钢丝绳绕进绕出过索轮所包围的角度。

将式4和式5带入式2和式3后为：

由式6和式7可知，对于既定的放索装置，过索轮与索筒之间的间距是固定的，由式6和式7可知，这表明钢丝绳与过索轮之间的包角只与过索轮半径有关，钢丝绳与过索轮之间的接触应力取决于钢丝绳与过索轮之间的包角、钢丝绳与过索轮之间的材料、相互之间的摩擦系数以及半径大小。

对于既定的放索装置，过索轮与索筒之间的间距是固定的，钢丝绳与过索轮之间的包角与过索轮半径有关，一般来讲D/d越大，法向载荷越小。故选用比值D/d大的过索轮可以有效降低轮槽底部表面的法向载荷，从而减少系留索的磨损。

2）过索轮与钢丝绳之间的硬度关系对磨损的影响

在水下锚泊平台服役期间，钢丝绳绕过索轮运动，摩擦副起主导作用的是两者之间滚动接触引起的疲劳磨损，同时还存在系留索绕进绕出的瞬间，由于系留索股与丝之间的微位移对过索轮表面产生微切削磨损或粘着磨损，以及高速放索过程的氧化磨损等综合磨损作用。

对于自动定深装置，过索轮除了要适应钢丝绳在服役期间的功能要求外，还应适应放索过程的工况要求。事实上在服役期间希望过索轮对钢丝绳的损伤越小越好，但是硬度不足的过索轮会在自动定深装置放索期间，钢丝绳会对过索轮产生切削，继而产生压痕，甚至会形成拉伤沟槽，造成过索轮与钢丝绳运动不匹配，这其实是不利于钢丝绳放索运动的。相关研究表明从低硬度过索轮到中硬度、中高硬度过索轮和高硬度过索轮，与其匹配的试验钢丝绳使用寿命曲线呈双峰形（倒W形）,过索轮表面硬度过高或过低均对钢丝绳使用寿命不利。因此在设计和制造滑轮时，要合理选择滑轮硬度，以提高钢丝绳的疲劳寿命。

3）钢丝绳内部表面钢丝磨损机理分析

钢丝绳的内部钢丝受其自身结构和钢丝材料物理特性的影响，承载后会产生一定量的弹性伸长，当互相接触的两根钢丝变形不同步时，它们之间将发生相对滑动。假定钢丝绳为使用钢丝制造等螺距的螺旋状弹簧，其围绕过索轮产生弯曲变形，靠外侧远离过索轮圆心处的螺距由于受到附加拉应力的作用而增大，内侧靠近过索轮中心处的螺距受到附加压应力的作用而减小。依此可以推定钢丝绳围绕过索轮产生弯曲变形时，因钢丝绳内部相邻钢丝的互相接触，钢丝绳的捻距不会向弹簧螺距那样发生改变，但钢丝绳靠近过索轮一侧相邻钢丝的接触应力将增大，过索轮直径越小则接触应力增大的越多，接触应力增大将使磨损速率加快，相邻钢丝由于在过索轮上所处位置是不一致的，其综合受力也有差别。

对于受旋转运动的钢丝绳，在过索轮处旋转滑动时，会造成与过索轮的接触部位发生改变，接触位置的改变不仅造成与过索轮的表面磨损，对于钢丝绳自身而言，接触位置的改变还造成钢丝或股之间的接触应力改变。以钢丝绳旋转180°为例，原外侧钢丝旋转至内侧，受到的接触应力相对初始位置将增大；原内侧钢丝旋转至外侧，受到的接触应力对初始位置将减小。应力的改变导致相邻钢丝变形不同步，发生相对滑动，造成钢丝或股之间的磨损。

2.2微动磨损

1）微动磨损机理

在相邻钢丝微动摩擦过程中，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，随着裂纹的扩展进而形成钢丝表面局部材料的脱落。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，最终导致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。

2）钢丝微动磨损过程中的内部接触力分析

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。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。

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[8]。在微动磨损过程中，假定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。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。综合来说同接触载荷、不同嵌入深度和最大接触应力的关系曲线，如图2所示。

图2 同接触载荷下嵌入深度和最大接触应力的关系曲线

由图2可知，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。

综合以上分析可以得出如下结论:

a)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。

b)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。

c)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。

3）钢丝微动磨损的理论模型

经过上面对微动磨损机理及接触力的分析，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。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（接触应力和微动速度的乘积）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。

根据微动磨损深度和pvt值之间的线性关系，在只考虑机械参数，如微动振幅、接触载荷、微动时间和往复频率等对钢丝微动磨损深度的影响时，可以建立微动磨损深度和综合参数pvt值之间的关系

式中:h(t)为微动磨损时刻后的磨损深度（um）；a0为常数，可由试验结果求得；k为上式的斜率，可由试验结果求得；p为钢丝试样间接触应力（N/UM2）；V 为钢丝试样之间的相对微动速度（um/S），t为微动磨损时间（s）。

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：

将钢丝试样之间的微动磨损简化成两圆柱体之间的磨损。对于圆柱体来说，可以利用几何关系求得其微动磨损深度h(t)和接触面积S（t）之间的关系，即微动深度越大，则对应的接触面积S（t）越大，因此，可以将上试样的微动磨损面积视作两钢丝试样之间的接触面积，假定上、下钢丝试样同时磨损E而且两试样的微动磨损深度相等，将微动磨损表面视作椭圆形表面，则两钢丝试样之间的接触面积可以表示为：

式中：R为钢丝式样半径；a和b分别为钢丝式样椭圆形磨痕的半长轴和半短轴，代入h(t)的关系式，并整理可得：

其中的常数a0和k值可由试验结果拟合得出，然后就可通过计算确定微动磨损深度同微动时间之间的关系。

3延缓磨损发生的技术措施

磨损的本质时相互接触的物体发生了相对运动，进而导致表层材料发生损伤导致材料流失。但是正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，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。

对于表层磨损，可以从限制锚泊平台运动对钢丝绳的影响入手，减缓钢丝绳与过索轮之间的相对运动。对于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。

参考文献

[1] 吴旌,孙善春,陈建军等.一种水下收放络车装置[P].中国:CN101723071A,2010.6.9

[2] 吕维乐,杨光,聂晓敏.通讯定深装置[P].中国:CN203612185U,2014.5.28

[3] 佘湖清,桂林,孙朴.水雷总体技术[M].北京:国防工业出版社,2009.9

[4] 温诗铸,黄平.摩擦学原理:第3版[M]. 2008；259-304

[5] 客圣俊,王慧,宋宝等.钢丝绳失效机理研究综述[J]. 设计与研究,2018第1期，总第254期

论文作者:徐哲，陈兴球

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第21期

论文发表时间:2020/5/8