繩股結(jié)構(gòu)對螺旋接觸鋼絲間微動摩擦磨損特性影響

徐春明 ,彭玉興 ,王燕鋒 ,張立偉

(1.宿遷學(xué)院 機電工程學(xué)院,江蘇 宿遷 223800;2.中國礦業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116;3.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(省部共建),江蘇 徐州 221116)

作為礦井提升系統(tǒng)關(guān)鍵部件，提升鋼絲繩擔(dān)負著提升煤炭、矸石、升降人員和設(shè)備的任務(wù)，一旦提升鋼絲繩發(fā)生斷裂將導(dǎo)致井毀人亡的重大事故.如圖1所示，鋼絲繩是由鋼絲捻繞成股，再以股捻繞成繩的空間螺旋結(jié)構(gòu)體.鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間接觸形式分為凸接觸對和凹接觸對.由于其內(nèi)部復(fù)雜的接觸形式，在礦井提升過程中，提升鋼絲繩內(nèi)部鋼絲同時產(chǎn)生拉伸和扭轉(zhuǎn)運動，導(dǎo)致拉伸-扭轉(zhuǎn)耦合力的產(chǎn)生，造成內(nèi)部鋼絲微動磨損.此外，在拉伸、扭轉(zhuǎn)和接觸載荷的作用下，鋼絲微動磨損區(qū)域產(chǎn)生裂紋，形成微動疲勞，促進內(nèi)部鋼絲的疲勞斷裂，加劇提升鋼絲繩疲勞失效[1]，嚴重威脅礦井正常生產(chǎn)和人員生命安全.

Fig.1 (a)Structure of wire rope;(b)contact form between steel wires圖1 (a)鋼絲繩結(jié)構(gòu)；(b)鋼絲間接觸形式

近年來，一些學(xué)者對提升鋼絲繩及內(nèi)部鋼絲間摩擦學(xué)特性進行了相關(guān)研究.彭玉興等[2-3]利用自制摩擦試驗臺分別探究了低溫和水油潤滑環(huán)境下鋼絲繩滑動摩擦磨損特性，揭示了層間過渡階段鋼絲繩繞入沖擊對繩間摩擦學(xué)特性的影響.Chang等[4-6]總結(jié)到鋼絲繩間磨損機理主要為黏著磨損、磨粒磨損和疲勞磨損，并利用拉伸破斷試驗探究了損傷鋼絲繩的破斷機理.Singh等[7]發(fā)現(xiàn)鋼絲繩損壞的主要原因是過度磨損和腐蝕.提升鋼絲繩長期服役于惡劣環(huán)境中導(dǎo)致內(nèi)部鋼絲發(fā)生微動磨損和疲勞斷裂，Zhang等[8-9]利用摩擦試驗臺研究了干摩擦下鋼絲間微動磨損行為和酸堿腐蝕環(huán)境下鋼絲電化學(xué)腐蝕特性[10].Urchegui等[11-12]采用試驗方法分析了不同接觸載荷和微動振幅下垂直交叉鋼絲微動磨損行為，并提出了基于共焦成像輪廓的微動磨損評估方法，用以分析鋼絲磨痕表面特征.為了探究低周疲勞下鋼絲間微動疲勞特性，Wang等[13-16]通過大量鋼絲微動疲勞試驗，揭示了交叉接觸鋼絲間摩擦特性、磨損特征以及裂紋擴展規(guī)律隨微動參數(shù)演變規(guī)律.Xu等[17]發(fā)現(xiàn)相比于接觸載荷，微動振幅對鋼絲的磨損特性影響更大，并且探究了礦物顆粒對鋼絲間摩擦磨損特性的影響[18-19].Cruzado等[20-21]探討了接觸力和交叉角對鋼絲間微動磨損行為的影響，開發(fā)了基于ABAQUS的優(yōu)化算法以準確預(yù)測鋼絲表面磨痕的演變規(guī)律[22-23].Meng等[24]考察了鋼絲表面形貌對繩股內(nèi)部接觸性能的影響.Chen等[25-27]基于彈性接觸理論和半解析法對鋼絲繩在不同受力狀態(tài)下內(nèi)部鋼絲間接觸性能開展研究，分析了鋼絲間接觸狀態(tài)對繩股力學(xué)性能的作用機制.Llavori等[28]提出了預(yù)測鋼絲疲勞壽命的耦合三維磨損和疲勞數(shù)值程序，并通過鋼絲微動疲勞試驗驗證了該程序的可行性.

如圖2所示，對于相同型號的鋼絲繩，由于其內(nèi)部繩股由不同排列結(jié)構(gòu)的鋼絲捻制而成，存在不同的組織結(jié)構(gòu)(填充式、西魯式、瓦林吞式等)，不同繩股結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在相同鋼絲直徑接觸和不同鋼絲直徑接觸.然而，之前的研究主要集中于鋼絲繩間以及縱向拉伸載荷下相同直徑鋼絲間摩擦磨損特性，忽略了鋼絲繩內(nèi)部螺旋接觸結(jié)構(gòu)以及鋼絲直徑對鋼絲間微動摩擦磨損特性的影響.因此，為了探究繩股內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式對鋼絲間微動摩擦磨損行為的影響，開展了拉伸-扭轉(zhuǎn)耦合力作用下螺旋接觸鋼絲間微動磨損試驗，著重對比研究不同繩股結(jié)構(gòu)下螺旋接觸鋼絲間摩擦特性、磨損特征以及疲勞斷裂失效機理的差異.這些研究和成果對評估鋼絲繩使用壽命和保障礦井提升安全提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支撐.

Fig.2 Common strand structure inside hoisting wire rope圖2 提升鋼絲繩內(nèi)部常見繩股結(jié)構(gòu)

1 試驗細節(jié)

1.1 材料

試驗樣品為由優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)冷拔工藝制造而成的細鋼絲，其常被用于制造礦井提升鋼絲繩.鋼絲的直徑分別為1.2和1.4 mm，楊氏模量為203 GPa，抗拉強度為1 850 MPa，屈服強度為1 360 MPa；鋼絲的化學(xué)組分(質(zhì)量分數(shù)，w)列于表1中.

表1 鋼絲的化學(xué)組分Table 1 Chemical composition of steel wire

1.2 試驗原理及參數(shù)

為了探究鋼絲繩內(nèi)部螺旋接觸鋼絲間微動摩擦磨損行為，在自制的摩擦試驗臺上開展了鋼絲微動磨損試驗，試驗臺的工作原理如圖3所示.鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間螺旋接觸行為被簡化為3根鋼絲以不同的接觸形式相接觸，其中上方的加載鋼絲與疲勞鋼絲呈凸接觸對，下方的加載鋼絲與疲勞鋼絲呈凹接觸對，每根鋼絲均可以實現(xiàn)往復(fù)拉伸和旋轉(zhuǎn)，通過改變鋼絲間接觸參數(shù)，可以實現(xiàn)不同工況下鋼絲間摩擦磨損行為模擬.

Fig.3 Working principle of the test rig圖3 試驗臺的工作原理

圖4所示為自制的摩擦試驗臺，其工作流程如下：凸加載鋼絲(18)一端通過步進電機(5)實現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，另一端通過伺服電動缸(3)實現(xiàn)拉伸運動，并且凸加載鋼絲(18)的張力被拉力傳感器(4)實時測得；凹加載鋼絲(19)一端通過步進電機(6)實現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，另一端穿過凹加載塊(7)，通過伺服電動缸(10)實現(xiàn)拉伸運動，并且凹加載鋼絲(19)的張力被拉力傳感器(9)實時測得；疲勞鋼絲(13)的一端利用步進電機(15)實現(xiàn)往復(fù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度通過角度傳感器(16)實時測得，另一端在伺服電動缸(11)作用下實現(xiàn)往復(fù)拉伸運動，試驗過程中疲勞鋼絲(13)的兩端張力分別通過拉力傳感器(12)和(14)實時測得.此外，分別調(diào)節(jié)分度盤(2)和(8)，實現(xiàn)加載鋼絲與疲勞鋼絲設(shè)定的交叉角度.利用PLC控制器(1)控制伺服電動缸對加載鋼絲和疲勞鋼絲施加初始載荷.之后，對凸加載塊(20)頂端平面施加配重塊(17)，在配重塊重力作用下沿著光軸(21)垂直運動，實現(xiàn)加載鋼絲與疲勞鋼絲緊密接觸，鋼絲間接觸力通過凹加載塊(7)底部壓力傳感器測得.最后，利用PLC控制器(1)對加載鋼絲和疲勞鋼絲施加脈沖信號，實現(xiàn)鋼絲繩內(nèi)部不同接觸形式鋼絲間摩擦磨損行為模擬.

Fig.4 Self-made friction test rig:(a)overall structure;(b)convex loading mechanism;(c)concave loading mechanism;(d)tension-rotation mechanism;(e)enlarged view of the contact area圖4 自制摩擦試驗臺：(a)整體結(jié)構(gòu)；(b)凸加載機構(gòu)；(c)凹加載機構(gòu)；(d)拉伸-旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；(e)鋼絲接觸區(qū)域放大圖

在礦井提升過程中，由于鋼絲繩產(chǎn)生振動，導(dǎo)致鋼絲繩內(nèi)部鋼絲間接觸力產(chǎn)生較大范圍的變化[29].因此，本文作者分別探究了相同直徑接觸對和不同直徑接觸對下鋼絲間微動摩擦磨損特性隨接觸力演變規(guī)律.其中，相同直徑接觸對代表疲勞鋼絲和加載鋼絲的直徑均為1.4 mm；不同直徑接觸對代表疲勞鋼絲的直徑為1.4 mm，加載鋼絲的直徑為1.2 mm.詳細試驗參數(shù)列于表2中，每組試驗重復(fù)3次以確保試驗的可重復(fù)性.

表2 試驗參數(shù)Table 2 Test parameters

1.3 分析方法

圖5所示為鋼絲間摩擦力隨時間變化曲線，其通過疲勞鋼絲兩端的張力差獲得.摩擦系數(shù)由公式(1)和(2)確定.采用SM-1000三維形貌儀[思顯光電技術(shù)(上海)有限公司]掃描鋼絲磨痕的三維形貌，橫向和縱向測量精度均為0.1 μm，垂直方向的最大測量范圍為1 300 μm，通過其后處理軟件Mountains Map獲得鋼絲的磨損深度和磨損體積.此外，利用掃描電鏡(SEM)觀察鋼絲表面的微觀磨損特征.

Fig.5 Variation curve of the frictional force between steel wires with time圖5 鋼絲間摩擦力隨時間變化曲線

式中，F(xiàn)av為摩擦力平均值；fav為鋼絲間摩擦系數(shù)；Fn為鋼絲間接觸力.

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)

圖6所示為相同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化曲線，此時加載鋼絲直徑為1.4 mm.不同接觸力下鋼絲間摩擦系數(shù)變化曲線均呈現(xiàn)出相同的變化規(guī)律：隨著循環(huán)次數(shù)增加，摩擦系數(shù)先急劇增加到峰值，然后輕微降低，最后保持相對穩(wěn)定.因此，鋼絲間摩擦系數(shù)變化曲線分為3個階段：快速增長階段、過渡階段和穩(wěn)定階段.這是因為在摩擦初始階段，由于鋼絲表面膜的保護，鋼絲間摩擦力較小.隨著循環(huán)次數(shù)增加，鋼絲表面破裂，磨損面積增加，鋼絲內(nèi)部材料直接接觸，磨損表面出現(xiàn)黏著和塑性變形，鋼絲間摩擦力增加，故摩擦系數(shù)迅速增長.隨著循環(huán)次數(shù)進一步增加，摩擦副表面出現(xiàn)大量磨屑，這些磨屑在接觸區(qū)域起到一定潤滑效果，導(dǎo)致鋼絲間摩擦力輕微降低，過渡階段相比于整個試驗過程所占的比例較低.在穩(wěn)定階段，由于鋼絲間接觸面積增長速度減緩以及磨屑連續(xù)產(chǎn)生和溢出保持動態(tài)平衡，最終，鋼絲間摩擦系數(shù)保持相對穩(wěn)定變化.圖6(b)所示為穩(wěn)定階段(后10 000次循環(huán))鋼絲間摩擦系數(shù)平均值.隨著接觸力增加，鋼絲間摩擦系數(shù)平均值從0.748減小到0.646，并且接觸力越大，摩擦系數(shù)減小越明顯，這說明鋼絲間摩擦力的增長速度小于接觸力的增加速度.

Fig.6 Variation of the frictional coefficient between steel wires with contact force under the same diameter contact pairs:(a)change curve of the frictional coefficient;(b)average value of the frictional coefficient圖6 相同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)隨接觸力變化規(guī)律：(a)摩擦系數(shù)變化曲線；(b)摩擦系數(shù)平均值

圖7所示為不同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)變化曲線，此時加載鋼絲直徑為1.2 mm.相比于相同直徑接觸對，不同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)變化曲線在過渡階段并不明顯，并且摩擦系數(shù)更大.在穩(wěn)定階段，相同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出水平變化趨勢，而不同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出輕微上升趨勢.這是因為疲勞鋼絲與加載鋼絲的直徑不相同時，細鋼絲與粗鋼絲之間摩擦類似于“切割”現(xiàn)象，在拉伸-扭轉(zhuǎn)耦合力作用下鋼絲接觸表面產(chǎn)生擠壓和剪切力，相比于相同直徑鋼絲間接觸，不同直徑鋼絲間接觸面積更小，接觸應(yīng)力更大，鋼絲間摩擦更劇烈，因此摩擦系數(shù)更大.由圖7(b)可知，隨著接觸力從40 N增加到100 N，穩(wěn)定階段鋼絲間摩擦系數(shù)平均值從0.941減小到0.911.不同直徑鋼絲間摩擦系數(shù)幾乎為相同直徑鋼絲間摩擦系數(shù)的1.4倍，這意味著提升鋼絲繩內(nèi)部不同直徑鋼絲間接觸將會加劇鋼絲間摩擦行為.

Fig.7 Variation of the frictional coefficient between steel wires with contact force under different diameter contact pairs:(a)change curve of the frictional coefficient;(b)average value of the frictional coefficient圖7 不同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)隨接觸力變化規(guī)律：(a)摩擦系數(shù)變化曲線；(b)摩擦系數(shù)平均值

2.2 磨損深度

圖8所示為不同接觸形式下鋼絲磨痕輪廓隨接觸力演變規(guī)律.不同工況下鋼絲磨痕輪廓呈現(xiàn)弧形凹坑，磨痕輪廓表面較為粗糙.此外，隨著接觸力增加，鋼絲磨痕深度隨之增加，并且磨痕寬度呈現(xiàn)出輕微增長趨勢.這是因為鋼絲間相互摩擦，引起接觸區(qū)域表面材料脫落，磨痕表面出現(xiàn)各種微觀磨損特征，導(dǎo)致磨痕輪廓粗糙不光滑.隨著接觸力增加，鋼絲間接觸應(yīng)力增大，鋼絲表面磨損劇烈，造成鋼絲磨痕深度和寬度增加.

Fig.8 Change law of wear scar profile of steel wire with contact force under different contact forms:(a)same diameter contact pairs - convex contact pairs;(b)same diameter contact pairs - concave contact pairs;(c)different diameter contact pairs - convex contact pairs;(d)different diameter contact pairs - concave contact pairs圖8 不同接觸形式下鋼絲磨痕輪廓隨接觸力變化規(guī)律：(a)相同直徑接觸對-凸接觸對；(b)相同直徑接觸對-凹接觸對；(c)不同直徑接觸對-凸接觸對；(d)不同直徑接觸對-凹接觸對

通過對圖8所示不同工況下鋼絲磨痕輪廓的最大磨損深度統(tǒng)計，獲得不同接觸形式下鋼絲最大磨損深度隨接觸力演變規(guī)律，如圖9所示.對于相同直徑接觸對，隨著接觸力增加，凸接觸對下鋼絲磨損深度從156.02 μm增加到236.18 μm；凹接觸對下鋼絲磨損深度從141.49 μm增加到191.26 μm.對于不同直徑接觸對，隨著接觸力增加，凸接觸對下鋼絲磨損深度從206.53 μm增加到261.42 μm；凹接觸對下鋼絲磨損深度從195.34 μm增加到244.02 μm.此外，對于相同接觸力，凸接觸對下鋼絲磨損深度明顯大于凹接觸對下鋼絲磨損深度，并且接觸力越大，不同接觸形式下鋼絲磨損深度差距越明顯.這是因為隨著接觸力增加，鋼絲間接觸應(yīng)力越大，鋼絲磨損越嚴重.并且，凸接觸對下鋼絲間接觸應(yīng)力大于凹接觸對下鋼絲間接觸應(yīng)力[18]，因此凸接觸對下鋼絲表面產(chǎn)生更加嚴重的磨損.另外，相比于相同直徑接觸對，不同直徑接觸對下鋼絲的磨損深度更深，這是因為不同直徑鋼絲間摩擦類似于“切割”現(xiàn)象，接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力更大，加劇了鋼絲的磨損.

Fig.9 Variation of the wear depth of steel wire with contact force under different contact forms:(a)same diameter contact pairs;(b)different diameter contact pairs圖9 不同接觸形式下鋼絲磨損深度隨接觸力變化規(guī)律：(a)相同直徑接觸對；(b)不同直徑接觸對

2.3 磨損系數(shù)

材料的耐磨性能可以通過磨損系數(shù)反映，鋼絲表面的磨損系數(shù)由公式(3)計算獲得[30].

式中，Wv為磨損體積，單位為mm3.

圖10所示為不同接觸形式下鋼絲磨損系數(shù)隨接觸力演變規(guī)律.由圖10可知，不管加載鋼絲與疲勞鋼絲的直徑是否相同，不同接觸形式下鋼絲的磨損系數(shù)均隨著接觸力增加而減小.由于鋼絲的磨損系數(shù)與磨損體積成正比，與接觸力成反比，所以鋼絲的磨損系數(shù)隨著接觸力增加而減小意味著鋼絲磨損體積的增長速度小于接觸力的增加速度.即接觸力越大，單位距離下單位載荷造成的磨損量卻越小.此外，凸接觸對下鋼絲的磨損深度和磨損系數(shù)明顯大于凹接觸對下鋼絲的磨損深度和磨損系數(shù)，并且不同直徑接觸對下鋼絲的磨損程度明顯大于相同直徑接觸對下鋼絲的磨損程度.此外，隨著接觸力增加，相同直徑接觸對下鋼絲間磨損系數(shù)緩慢減小，而不同直徑接觸對下鋼絲間磨損系數(shù)呈現(xiàn)出線性降低趨勢.這是因為相比于相同直徑鋼絲間摩擦，不同直徑鋼絲間接觸應(yīng)力更大，磨損越劇烈.當鋼絲間磨損面積增加到一定程度，磨損速率降低，接觸力增加對磨損體積增長的影響減弱，因此不同直徑接觸對下鋼絲間磨損系數(shù)降低趨勢更加明顯，這也意味著提升鋼絲繩內(nèi)部不同直徑鋼絲間接觸，將會更容易產(chǎn)生嚴重的材料損傷，導(dǎo)致鋼絲繩的使用壽命降低.

Fig.10 Variation of the wear coefficient of steel wire with contact force under different contact forms:(a)same diameter contact pairs;(b)different diameter contact pairs圖10 不同接觸形式下鋼絲磨損系數(shù)隨接觸力變化規(guī)律：(a)相同直徑接觸對；(b)不同直徑接觸對

2.4 磨損機理

圖11和圖12分別所示為凸接觸對和凹接觸對下鋼絲表面磨痕宏觀形貌的SEM照片.可以看出，不同工況下鋼絲磨痕均呈現(xiàn)橢圓形的凹坑，磨痕邊緣出現(xiàn)塑性變形和材料堆積現(xiàn)象，并伴有高低不平的磨損形貌.此外，相比于相同直徑接觸對，不同直徑接觸對下鋼絲磨痕表面呈現(xiàn)出更嚴重的磨損特征，并且凹接觸對下磨痕表面比凸接觸對下磨痕表面更加粗糙.

Fig.11 SEM micrographs of morphology of wear scars under the convex contact pairs:(a)same diameter contact pairs;(b)different diameter contact pairs圖11 凸接觸對下鋼絲磨痕宏觀形貌的SEM照片：(a)相同直徑接觸對；(b)不同直徑接觸對

Fig.12 SEM micrographs of macro morphology of wear scars under the concave contact pairs:(a)same diameter contact pairs;(b)different diameter contact pairs圖12 凹接觸對下鋼絲磨痕宏觀形貌的SEM照片：(a)相同直徑接觸對；(b)不同直徑接觸對

圖13所示為凸接觸對下鋼絲磨痕表面的微觀磨損特征.由圖13可知，不同工況下鋼絲磨痕表面出現(xiàn)大量的磨屑、材料黏附、塑性變形、細劃痕、材料分層、微小裂紋以及沿滑動方向的犁溝等微觀磨損特征.這是因為鋼絲間相互摩擦產(chǎn)生磨屑，在擠壓和相對滑動作用下磨屑對接觸表面進行切削，導(dǎo)致犁溝現(xiàn)象.此外，在擠壓、剪切以及扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷作用下，磨痕表面的微凸峰不斷接觸而發(fā)生彈塑性變形和黏著，黏附于接觸表面的磨屑在擠壓和切向力的作用下劃傷鋼絲表面，造成細劃痕.隨著循環(huán)次數(shù)增加，鋼絲表面材料受到循環(huán)反復(fù)的法向和切向力，導(dǎo)致磨痕的次表層產(chǎn)生剪切應(yīng)力，促進了微裂紋的萌生和橫向擴展，當次表層的裂紋相互連接后，材料以剝層的形式脫落，從而形成片狀磨屑、微小裂紋以及階梯狀材料分層.此外，相比于相同直徑接觸對，不同直徑接觸對下鋼絲表面分布著更加嚴重的微小裂紋和材料分層現(xiàn)象.這是因為在摩擦過程中，由于細鋼絲對粗鋼絲的切削效果和拉伸、擠壓、剪切以及扭轉(zhuǎn)復(fù)合力作用，鋼絲表面產(chǎn)生復(fù)雜的接觸應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致磨痕表面出現(xiàn)嚴重的疲勞磨損特征.此外，隨著接觸力增加，鋼絲間接觸應(yīng)力增大，鋼絲表面疲勞磨損越嚴重，鋼絲的磨損深度和磨損體積增加，并且?guī)в胁糠帜チＤp特征的表層材料以剝層的形式從磨痕表面脫落，所以磨粒磨損特征隨著接觸力增加輕微降低.因此，凸接觸對下鋼絲間主要磨損機理為磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損，并且不同直徑接觸對下鋼絲表面疲勞磨損特征更加嚴重.

Fig.13 SEM micrographs of micro morphology of wear scars under the convex contact pairs:(a～d)same diameter contact pairs;(e～h)different diameter contact pairs圖13 凸接觸對下鋼絲磨痕的微觀形貌的SEM照片：(a～d)相同直徑接觸對；(e～h)不同直徑接觸對

圖14所示為凹接觸對下鋼絲磨痕表面的微觀磨損特征.由圖14可以看出，不同工況下鋼絲磨痕表面同樣呈現(xiàn)出大量的磨屑、塑性變形、材料分層、凹坑、材料黏附、微小裂紋以及犁溝等微觀磨損特征.相比于凸接觸對，凹接觸對下鋼絲磨損區(qū)域存在更加明顯的微小裂紋和材料分層現(xiàn)象.這是因為凹接觸對下鋼絲間磨屑不易于被排出，在擠壓、剪切以及扭轉(zhuǎn)力的作用下對磨痕表面產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，加劇鋼絲表面的疲勞磨損，導(dǎo)致微小裂紋和材料分層現(xiàn)象更加顯著.并且凹接觸下鋼絲間接觸應(yīng)力小于凸接觸對下鋼絲間接觸應(yīng)力，鋼絲間摩擦不充分，同樣會造成鋼絲表面磨損特征更多，而磨損深度和磨損體積更小.此外，不同直徑鋼絲間接摩擦呈現(xiàn)出更加嚴重的疲勞磨損特征，這是由于細鋼絲與粗鋼絲間“切削”效果導(dǎo)致的.綜上所述，凹接觸對下鋼絲間主要磨損機理為磨粒磨損、疲勞磨損和黏著磨損，并且不同直徑接觸對下鋼絲表面同樣呈現(xiàn)出更加嚴重的疲勞磨損特征.

Fig.14 SEM micrographs of micro morphology of wear scars under the concave contact pairs:(a～d)same diameter contact pairs;(e～h)different diameter contact pairs圖14 凹接觸對下鋼絲磨痕微觀形貌的SEM照片：(a～d)相同直徑接觸對；(e～h)不同直徑接觸對

2.5 疲勞斷裂機理

提升鋼絲繩內(nèi)部鋼絲長期承受循環(huán)往復(fù)的拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷，從而不可避免地發(fā)生疲勞斷裂現(xiàn)象.之前的研究主要集中于鋼絲間微動摩擦磨損特性，無法觀察到鋼絲內(nèi)部裂紋擴展情況和最終疲勞斷裂失效機理.因此，探究鋼絲疲勞斷裂失效機理對評估鋼絲繩的承載能力和服役壽命具有重要意義.

圖15所示為不同繩股結(jié)構(gòu)下鋼絲疲勞壽命隨接觸力演變規(guī)律.可以發(fā)現(xiàn)，鋼絲疲勞壽命隨著接觸力增加而減小.這是因為隨著接觸力增加，鋼絲表面磨損越嚴重，并且疲勞鋼絲受到循環(huán)往復(fù)的拉伸和扭轉(zhuǎn)載荷，在磨損區(qū)域產(chǎn)生裂紋，越大的接觸應(yīng)力促進了鋼絲內(nèi)部裂紋擴展，導(dǎo)致鋼絲疲勞壽命降低.此外，對于相同的接觸力，不同直徑接觸對下鋼絲疲勞壽命明顯小于相同直徑接觸對下鋼絲疲勞壽命.這是因為不同直徑鋼絲間摩擦類似于“切割”現(xiàn)象，鋼絲接觸表面材料損失明顯.在拉伸-扭轉(zhuǎn)復(fù)合力作用下鋼絲接觸表面產(chǎn)生更大的接觸應(yīng)力和剪切應(yīng)力，促進了內(nèi)部裂紋的萌生與擴展，因此鋼絲疲勞壽命更小，這可由圖16中鋼絲斷口的裂紋擴展區(qū)所占的比例更大證實.

Fig.15 Variation of the fatigue life of steel wire with contact force under different rope strand structures圖15 不同繩股結(jié)構(gòu)下鋼絲疲勞壽命隨接觸力演變

Fig.16 SEM micrographs of micro morphology of fatigue fracture of steel wire:(a)same diameter contact pairs;(b)different diameter contact pairs圖16 鋼絲疲勞斷口宏觀形貌的SEM照片：(a)相同直徑接觸對；(b)不同直徑接觸對

圖16所示為接觸力100N時鋼絲疲勞斷口宏觀形貌的SEM照片.由圖16可以發(fā)現(xiàn)，鋼絲斷口沒有明顯的頸縮和變形，斷口邊緣存在不明顯的剪切唇.其中，區(qū)域A為疲勞源區(qū)，在摩擦過程中，該區(qū)域出現(xiàn)磨損缺口，在持續(xù)的擠壓、剪切以及交變應(yīng)力的作用下，鋼絲磨痕表面產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進了裂紋的萌生.區(qū)域B為裂紋擴展區(qū)，該區(qū)域裂紋沿著與正應(yīng)力垂直方向擴展，在循環(huán)交變應(yīng)力作用下，裂紋擴展區(qū)反復(fù)張開、閉合和相互摩擦，導(dǎo)致裂紋擴展區(qū)表面較為光滑.區(qū)域C為瞬斷區(qū)，當裂紋擴展到一定程度時，主斷面的有效承載面積不足以支撐循環(huán)應(yīng)力，鋼絲在瞬斷區(qū)斷裂，該區(qū)域形貌高低不平、表面粗糙.相比于相同直徑接觸對，不同直徑接觸對下斷口的裂紋擴展區(qū)占總面積的比例更大，放射裂紋幾乎布滿整個斷口表面.這是因為不同直徑鋼絲間摩擦將會引起更大的接觸應(yīng)力，與剪切應(yīng)力和循環(huán)交變應(yīng)力一起導(dǎo)致鋼絲內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，從而促進鋼絲內(nèi)部裂紋的擴展.

圖17所示為鋼絲疲勞斷口裂紋擴展區(qū)微觀形貌的SEM照片.由圖17可以發(fā)現(xiàn)，裂紋擴展區(qū)表面較為光滑平整，分布著大量的小凹坑和碎屑，疲勞輝紋不明顯.這是因為在疲勞試驗中，鋼絲內(nèi)部裂紋擴展區(qū)經(jīng)歷循環(huán)往復(fù)的張開和閉合，斷口表面反復(fù)接觸和研磨，導(dǎo)致該區(qū)域產(chǎn)生大量的細小碎屑，并在擠壓和扭轉(zhuǎn)力的作用下切削接觸表面，造成斷口表面出現(xiàn)大量的小凹坑，并且疲勞輝紋在研磨過程中被覆蓋，表現(xiàn)不明顯[31].

Fig.17 SEM micrographs of micro morphology of crack propagation region of fatigue fractograph:(a)same diameter contact pairs;(b)different diameter contact pairs圖17 鋼絲疲勞斷口裂紋擴展區(qū)微觀形貌的SEM照片：(a)相同直徑接觸對；(b)不同直徑接觸對

圖18所示鋼絲疲勞斷口瞬斷區(qū)微觀形貌的SEM照片.由圖18可以發(fā)現(xiàn)，鋼絲斷口的瞬斷區(qū)呈現(xiàn)出纖維狀，并且斷口表面分布著大量的韌窩以及二次裂紋，這是由于疲勞裂紋失穩(wěn)擴展時在瞬斷區(qū)所形成的，并隨著疲勞裂紋擴展而不斷增多[32].因此，鋼絲疲勞斷裂失效機理主要為韌性斷裂.

Fig.18 SEM micrographs of micro morphology of final fracture region of fatigue fractograph:(a)same diameter contact pairs;(b)different diameter contact pairs圖18 鋼絲疲勞斷口瞬斷區(qū)微觀形貌的SEM照片：(a)相同直徑接觸對；(b)不同直徑接觸對

3 結(jié)論

a.隨著接觸力增加，相同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)從0.748減小到0.646，不同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)0.941減小到0.911，不同直徑鋼絲間摩擦系數(shù)明顯大于相同直徑鋼絲間摩擦系數(shù)；穩(wěn)定階段，相同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)保持相對水平變化，而不同直徑接觸對下鋼絲間摩擦系數(shù)曲線呈現(xiàn)出輕微上升趨勢.

b.隨著接觸力增加，鋼絲磨損深度增加，而磨損系數(shù)卻逐漸降低；相比于凹接觸對，凸接觸對下鋼絲表面磨損程度更大，并且不同直徑接觸對下鋼絲的磨損程度明顯大于相同直徑接觸對下鋼絲的磨損程度，這意味著提升鋼絲繩內(nèi)部不同直徑鋼絲間接觸，將會產(chǎn)生更加嚴重的材料損傷.

c.不同工況下鋼絲間主要磨損機理為磨粒磨損、黏著磨損和疲勞磨損，并且不同直徑接觸對下鋼絲磨痕表面的疲勞磨損特征更加嚴重；鋼絲疲勞斷口表面呈現(xiàn)出疲勞源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū)，其中裂紋擴展區(qū)表面光滑，觀察不到明顯的疲勞輝紋，而瞬斷區(qū)存在大量二次裂紋和韌窩形貌，鋼絲疲勞斷裂失效機理主要為韌性斷裂.