減少滑輪及繩索磨損的關(guān)鍵因素

李新東，吳紅春

(1. 中海石油(中國)有限公司天津分公司渤南作業(yè)公司 天津 300459； 2. 中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津 300459)

滑輪在海上平臺機(jī)械中應(yīng)用非常廣泛，經(jīng)常用于起重吊機(jī)、鉆修井機(jī)械、救生裝置等設(shè)備。隨著使用時(shí)間的增加和工況的不同，滑輪和繩索之間接觸部位會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損和壓痕，對滑輪和繩索都會(huì)造成嚴(yán)重的損壞，同時(shí)使設(shè)備存在很大的安全隱患。本文從管理、使用等角度分析查找了滑輪及繩索運(yùn)行過程中能夠減少滑輪及繩索之間磨損的關(guān)鍵因素，以期為后期滑輪及繩索的管理提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 滑輪的工作機(jī)理

滑輪是一種形似圓盤狀、周邊帶槽、能夠繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的輪狀裝置，是通過跨過圓輪輪槽的繩索與圓輪輪槽之間的摩擦力促使圓輪繞著中心軸旋轉(zhuǎn)的簡單機(jī)械?；啺雌渥饔梅譃閯?dòng)滑輪、定滑輪和滑輪組，在工程機(jī)械中應(yīng)用十分廣泛，主要應(yīng)用于牽拉負(fù)載、改變施力方向和用來傳輸功率等多個(gè)方面。因?yàn)榛喛梢赃B續(xù)旋轉(zhuǎn)，可將其看作是能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)的、變形的杠桿，屬于杠桿類簡單機(jī)械，通常可以使用杠桿的平衡條件來對其進(jìn)行全面的力學(xué)分析。

定滑輪屬于一種等臂杠桿，具有傳遞力和改變其方向的作用。定滑輪并不能夠省力，只能夠起到整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用。動(dòng)滑輪屬于動(dòng)力臂為阻力臂2倍的杠桿，可以降低一半的力，通常情況下需要多延伸出一倍的距離。動(dòng)滑輪的主要作用是調(diào)節(jié)動(dòng)力臂與阻力臂兩者之間的關(guān)系，以用來降低力?；喗M的主要作用是升降物體，雖然能夠通過滑輪組有效減少吊裝的時(shí)間，但是也加大了吊裝物的移動(dòng)距離?；喗M不僅能夠省力，而且還能夠改變用力的方向[1]。

繩索繞過滑輪過程中，滑輪槽側(cè)壁起到導(dǎo)向作用，使繩索順利進(jìn)入繩槽，防止繩索產(chǎn)生跳槽；槽底的圓弧底面則起到支撐繩索的作用，并能夠改變傳力的方向。

2 影響滑輪及繩索磨損的關(guān)鍵因素

在滑輪及繩索摩擦副確定的工況下，從管理、使用方面出發(fā)，分析總結(jié)滑輪及繩索在配合運(yùn)行中能夠減小磨損的若干關(guān)鍵因素。

2.1 表面的潤滑

潤滑脂的作用主要是潤滑、密封、填充空隙、保護(hù)和防銹等。接觸面的良好潤滑對減少接觸面磨損有著及其重要的作用，潤滑脂存在于滑輪輪繩與繩索之間，油膜充分覆蓋接觸面，在正壓力一定的情況下增加潤滑能夠減少接觸產(chǎn)生的干膜現(xiàn)象，所以進(jìn)行周期性潤滑管理的繩索其使用壽命是干燥無油工作繩索壽命的2～4倍。同時(shí)，有效的涂油保養(yǎng)可以減小滑輪表面磨損和銹蝕產(chǎn)生，能夠大幅提高繩索的使用壽命。

2.2 摩擦面的壓力

當(dāng)滑輪直徑一定且制作工藝相同的情況下，載重越大，運(yùn)行速度越大，單位接觸面積承受的壓力越大。通過改變摩擦面的接觸面積和控制操控速度，能夠有效減少單位接觸面積上的壓力，防止接觸壓力過大而產(chǎn)生壓痕和增大摩擦力。

通過對繩索纏繞系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究可知，滑輪繩槽表面所承受的重力在突然運(yùn)行的過程中使繩槽上所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力為均勻運(yùn)行的1～2倍，所以在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中控制好滑輪的加速度和運(yùn)行速度就能夠有效地降低滑輪承受的沖擊負(fù)荷，并且能夠在運(yùn)行過程中降低點(diǎn)動(dòng)操作頻率，從而降低滑輪、繩索及繩槽的摩擦系數(shù)[2]。

滑輪上繩索的起升速度和單位時(shí)間內(nèi)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)越多，越容易產(chǎn)生磨損。高強(qiáng)度過硬的抗拉繩索出現(xiàn)移動(dòng)磨損的能力更強(qiáng)，所以滑輪和繩索之間的硬度配比應(yīng)匹配。

繩索的彎曲率隨著滑輪直徑的增大而減小，隨滑輪的直徑減小而增大。滿足工藝要求的工況下應(yīng)盡可能采用低倍率的滑輪組降低滑輪的運(yùn)行速度，盡量加大滑輪直徑，以提高使用壽命。

2.3 接觸面的硬度

硬度是衡量金屬材料內(nèi)外軟硬程度的一項(xiàng)重要的指標(biāo)，既可理解為材料的抵抗彈性變形能力、塑性變形能力或破壞能力，也可理解為材料抵抗殘余變形能力或反破壞的能力。不考慮其他因素的情況下，其硬度越高耐磨性越好。通常可將硬度值作為衡量材料耐磨性的評價(jià)指標(biāo)之一，但是材料的耐磨性好，不一定硬度就高。在相同的磨擦系數(shù)、成分、組織、使用環(huán)境等條件下，硬度和耐磨性存在非線性的正相關(guān) 關(guān)系。

提升滑輪接觸面的表面硬度也能減少磨損和壓痕的產(chǎn)生，滑輪及繩索的整體硬度提升和相互之間硬度的合理配比是減少摩擦的又一關(guān)鍵因素。

對于低硬度和中硬度的滑輪，繩槽底部的硬度低于繩索的硬度。在配合過程中實(shí)際產(chǎn)生了對滑輪槽底的冷作加工作用，進(jìn)而形成了表面硬化效應(yīng)；對于中高硬度和高硬度的滑輪，繩槽底部的硬度等于或者高于繩索的硬度，滑輪經(jīng)過早期非穩(wěn)定磨損后，磨損曲線逐漸趨于平穩(wěn)：即經(jīng)初期磨合后，繩槽繼續(xù)磨損的速度變慢。但隨著滑輪的硬度增加，繩索的磨損速度也就加快。

2.4 接觸面的耐磨性

耐磨是指能夠抵抗摩擦作用的一種能力，這種能力的因素不僅取決于其所用鋼材的成分、金相組織和物理性能，如硬度碳化物特性、數(shù)量、形狀和分布等，還與所使用的條件以及拉伸工藝有著密切關(guān)系，如表面是否粘有大量的灰層和沙粒等。

耐磨要求的是嵌入性和摩擦順應(yīng)性，是指材料磨擦過后能最快形成兩摩擦面間凹凸相配合的磨擦面。若單純追求材料的表面硬度，過硬的材料不容易磨合，反而會(huì)降低摩擦面的耐磨性。如果是切入式的磨損，則需要提高材料的表面硬度，以較好地提高其耐磨性能；如果是沖擊性的磨損，則提高的效果會(huì)差一些。

磨損其實(shí)源于接觸表面應(yīng)力范疇，也就是在一定壓力之下運(yùn)動(dòng)的2種金屬相互作用，材料消耗的比例通常為：硬度高的比硬度低的耐磨性好，表面比壓小的比表面比壓大的耐磨性好，潤滑好的比潤滑差的耐磨性好，表面粗糙度低的比表面粗糙度高的好。

滑輪繩槽接觸面的耐磨性至關(guān)重要，即使出現(xiàn)短時(shí)間的潤滑不良或干膜現(xiàn)象，也能減弱磨損的產(chǎn)生，這與加工工藝和材質(zhì)有直接關(guān)系。

在輪槽底部不低于輪槽高度的2/3部分進(jìn)行表面淬火，深度為2～3mm，淬火后硬度為330～380HBW，進(jìn)而可提高輪槽的抗磨能力。

繩索與滑輪是相互匹配的一對磨損件，從降低設(shè)備營運(yùn)成本角度考慮，提高繩索的使用壽命有著顯著的經(jīng)濟(jì)效益?；喸诖笮驮O(shè)備上使用數(shù)量較多，且多數(shù)安裝在高空結(jié)構(gòu)上，維護(hù)和更換相對困難，所以提高滑輪耐磨性和減少維護(hù)和更換頻率對提高整機(jī)使用可靠性和降低維護(hù)成本有著十分重要的作用。

2.5 接觸面的加工及配合精度

滑輪加工過程中要求：槽底圓應(yīng)與銷軸的軸孔同心；繩槽的中心線應(yīng)與銷軸的軸孔中心線在空間上互為垂直；圓弧的整個(gè)弧形要求標(biāo)準(zhǔn)；弧形的表面加工光滑。繩徑應(yīng)與滑輪直徑、輪槽直徑匹配；繩索在已經(jīng)磨損超差的輪槽中工作，受到槽兩側(cè)的非正常擠壓時(shí)發(fā)生畸變，會(huì)使滑輪和繩索的壽命明顯縮短。

滑輪直徑方向上彎矩的生成與滑輪最初的形狀有關(guān)，滑輪的槽底與滑輪腹板的中心重合情況、滑輪槽底兩邊的腹板厚度均勻狀況和繩索的入繩偏角有關(guān)。繩索入繩的偏角大時(shí)將加速滑輪的磨損和塑性形變，通過持續(xù)使用滑輪槽底變形愈加嚴(yán)重，繩索沿滑輪的輪槽底部運(yùn)動(dòng)軌跡由圓形變成橢圓形，繩索相對滑輪槽底的運(yùn)動(dòng)軌跡，也由類似滾動(dòng)變成滾動(dòng)和滑動(dòng)同時(shí)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)軌跡，滑輪槽底與繩索的配合磨損會(huì)進(jìn)一步增加[3]。

輪槽的理論半徑按照其配合的繩索直徑的1.1倍進(jìn)行設(shè)計(jì)，可控制繩索在輪槽的滑動(dòng)摩擦范圍。同時(shí)，滑輪布置時(shí)盡可能減小偏角，以減少與輪槽側(cè)面的接觸面積，防止繩索和輪槽的磨損。

滑輪制作時(shí)的尺寸要求輪槽底部和腹板的幾何中心位置同心，滑輪輪槽底部與端面不平度誤差不得大于1mm，輪槽底部沿繩索中心與腹板中心30°方向上輪緣厚度應(yīng)小于或等于1mm。

2.6 接觸面的工藝缺陷

滑輪制作工藝能夠改變滑輪表面的硬度、耐磨性能、存儲潤滑油脂的能力和光滑程度等參數(shù)，制作過程中產(chǎn)生表面缺陷、表面硬度不均等都會(huì)影響與繩索的配合工況。

2.7 接觸面的磨粒磨損

磨粒磨損是由一種存在于2個(gè)摩擦表面上的硬的質(zhì)點(diǎn)，在接觸面上發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)使1個(gè)或2個(gè)表面的材料發(fā)生轉(zhuǎn)移的磨損現(xiàn)象。

垂直于表面的分力使磨粒嵌入表面，對塑性好的表面產(chǎn)生大量密集的壓痕，反復(fù)作用后產(chǎn)生疲勞而損壞；對于脆性材料，表面不產(chǎn)生變形就會(huì)產(chǎn)生脆性破壞。平行于表面的分力使磨料產(chǎn)生切向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致表面被刻劃切削而留下溝槽。對塑性材料，磨料切削會(huì)在摩擦表面上切下一條切屑；對于脆性材料，磨料切削一次就從表面上切下許多的碎屑。

滑輪和繩索在使用過程中，由于暴露在室外環(huán)境中，表面容易吸附雜質(zhì)顆粒和海上空氣中的鹽分，隨著滑輪和繩索的相互運(yùn)動(dòng)，顆粒狀物質(zhì)被混合、攪拌夾雜在潤滑脂中，就形成了磨粒磨損。同時(shí)，隨著鹽分的含量增多，潤滑油脂成分比例會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致腐蝕性增強(qiáng)。

2.8 繩索的偏擺

滑輪與繩索的布置不合理以及繩索的擺動(dòng)也會(huì)造成輪槽的磨損。繩索在繩槽底部進(jìn)行滑動(dòng)摩擦的過程要嚴(yán)格控制，同時(shí)每個(gè)滑輪的入繩角度也要控制在合理的范圍內(nèi)，有效降低繩索與滑輪側(cè)面的接觸頻次將有助于減少磨損的產(chǎn)生。

繩索下方吊裝物的擺動(dòng)、風(fēng)吹擺動(dòng)等也會(huì)使繩索在輪槽上形成滑移，導(dǎo)致兩者同時(shí)磨損。

3 結(jié) 語

造成滑輪磨損的原因很多，我們只針對一些關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。本文從管理、使用等方面出發(fā)，分析總結(jié)了滑輪及繩索在配合運(yùn)行中能夠減小磨損的若干關(guān)鍵因素，包括表面的潤滑、摩擦面的壓力、接觸面的硬度、接觸面的耐磨性、接觸面的加工配合精度、接觸面的工藝缺陷、接觸面的磨粒磨損、繩索的偏擺幾個(gè)方面。通過以上各方面的簡述，在日常使用中需重點(diǎn)關(guān)注，科學(xué)施策，采取有效的控制方法，如定期涂抹潤滑脂、增大輪徑、降低沖擊速度、增加表面淬火深度、調(diào)整制作工藝、增加加工精度及配合精度、制定合理的檢測頻率、對污染的油脂定期清理更換、控制繩索的偏擺幅度等，有針對性地提升滑輪在日常管理和使用中存在的短板，進(jìn)而降低滑輪的磨損速率，使滑輪及繩索的運(yùn)行成本降到最低。■