钢丝绳内部磨损与断裂机理研究

本书系统全面地介绍了钢丝绳内部微动摩擦磨损特性和断裂失效机理方面的研究成果。主要内容包括：探析钢丝绳动力学特性及内部钢丝间接触力学行为，研制钢丝绳内部摩擦磨损模拟试验装置，揭示不同接触参数、接触形式、干摩擦、脂润滑、淋水、腐蚀、粉尘等复杂工况下钢丝绳内部微动摩擦特性和磨损机理，对比不同环境工况下不同接触形式钢丝间摩擦学行为，分析复杂工况下钢丝剩余强度及疲劳寿命演变规律，以及揭示钢丝绳内部钢丝断裂失效机理。
本书具有较强的知识性、针对性和系统性，可供从事工程摩擦学相关的科研工作者、研究生以及技术人员阅读参考，也可作为企业内从事钢丝绳设计、加工、维护、检测的技术人员的参考资料。

钢丝绳由于具有优异的力学性能，被广泛应用于国民经济建设的各个领域。然而，在使用过程中，钢丝绳内部股与股、丝与丝之间易产生微动磨损、腐蚀磨损以及疲劳损伤，进而导致钢丝断裂失效，严重影响钢丝绳的承载能力和使用寿命。相比于外部磨损易于直观检测，钢丝绳内部磨损不易察觉，常表现为外部基本完好，但内部磨损严重或断丝多处，甚至在外部完好如新的情况下，其内部也会出现局部的粉碎性断裂，以致钢丝绳的强度逐渐降低，最后达到强度极限而损坏。一旦钢丝绳发生断裂失效将导致重大事故。因此，开展钢丝绳内部磨损和断裂问题的相关研究，能够为钢丝绳的结构设计、合理选型、安全防护以及延长其服役寿命提供重要的基础数据和理论支撑。
本书共分6章：第1章概述了钢丝绳的应用背景，阐述了钢丝绳内部磨损与断裂的研究意义；第2章基于钢丝绳动力学模型，介绍了钢丝绳动力学特性和内部钢丝间接触力学行为；第3章确定了钢丝绳内部危险接触区域和接触形式，并基于此研制了钢丝绳内部摩擦磨损模拟试验装置；第4章介绍了干摩擦条件下，不同接触参数、接触形式下钢丝绳内部微动摩擦特性和磨损机理，以及不同接触形式钢丝间摩擦学行为随接触参数演变规律；第5章介绍了脂润滑、粉尘、淋水以及腐蚀环境下钢丝绳内部微动摩擦学特性，对比不同接触形式钢丝在复杂环境中摩擦特性和磨损特征的差异，以及润滑脂的减摩抗磨特性和粉尘颗粒的润滑失效机理；第6章介绍了不同接触参数和环境工况下钢丝剩余强度与疲劳寿命演变规律，并揭示了钢丝拉伸和疲劳断裂失效机理，从而为延长钢丝绳使用寿命提供重要基础数据。
本书由徐春明、彭玉兴合著。其中，徐春明老师负责第2章至第6章的撰写以及本书的统稿和核校，彭玉兴教授负责第1章的撰写，并对书中的试验方案和内容安排提供了许多宝贵意见。本书的顺利出版得益于国家自然科学基金面上项目（51975572）、国家重点研发计划课题（2017YFF0210604）、宿迁市科技计划项目（K202331）以及宿迁学院人才引进科研启动基金项目（2022XRC039）的资助，在此表示衷心感谢。
限于作者水平，本书难免有疏漏之处，敬请读者批评指正。

著者

第1章绪论1
1.1钢丝绳的重要地位3
1.2钢丝绳内部磨损与断裂的研究意义6
参考文献8

第2章钢丝绳内部接触力学特性11
2.1钢丝绳动力学特性13
2.1.1钢丝绳动力学模型15
2.1.2钢丝绳动力学特性演变规律18
2.1.3提升负载对钢丝绳动力学特性的影响20
2.2钢丝绳内部钢丝间接触行为22
2.2.1钢丝间接触力学理论模型22
2.2.2钢丝间接触力学仿真模型26
2.2.3钢丝间接触力学特性演变规律29
参考文献42

第3章钢丝绳内部摩擦磨损模拟试验装置研制45
3.1钢丝绳有限元仿真模拟47
3.1.1钢丝绳有限元仿真模型47
3.1.2拉伸载荷下钢丝绳应力应变分布规律51
3.2钢丝绳内部摩擦磨损模拟试验台56
3.2.1钢丝绳内部钢丝间接触形式56
3.2.2钢丝摩擦磨损试验装置58
3.2.3试验数据采集系统60
3.3摩擦磨损试验方案设计过程62
3.3.1钢丝材料性能62
3.3.2试验参数选取过程62
3.3.3试验结果分析方法63
参考文献65

第4章干摩擦下钢丝绳内部摩擦磨损特性研究67
4.1不同接触形式下钢丝间有限元仿真模拟69
4.1.1钢丝接触有限元仿真模型69
4.1.2钢丝间接触应力分析70
4.2基于单一变量法的钢丝间摩擦磨损特性72
4.2.1接触力对摩擦磨损特性的影响规律72
4.2.2微动振幅对摩擦磨损特性的影响规律81
4.2.3交叉角度对摩擦磨损特性的影响规律87
4.2.4扭转角度对摩擦磨损特性的影响规律93
4.3基于正交试验法的钢丝间摩擦磨损特性100
4.3.1正交试验方案设计100
4.3.2正交试验结果分析101
4.4不同绳股结构下钢丝间摩擦磨损特性103
4.4.1摩擦系数演变规律103
4.4.2滞回曲线演变规律104
4.4.3磨损深度演变规律106
4.4.4磨损量演变规律107
4.4.5钢丝磨损机理108
参考文献110

第5章复杂环境下钢丝绳内部摩擦磨损特性研究113
5.1钢丝绳服役环境概述115
5.2不同环境下钢丝摩擦系数演变规律117
5.2.1脂润滑条件117
5.2.2不同矿物颗粒对比118
5.2.3矿石复合润滑脂润滑条件121
5.2.4淋水环境122
5.2.5酸腐蚀条件122
5.2.6不同环境工况对比124
5.3不同环境下钢丝磨损深度演变规律125
5.3.1脂润滑条件125
5.3.2不同矿物颗粒对比125
5.3.3矿石复合润滑脂润滑条件127
5.3.4淋水环境127
5.3.5酸腐蚀条件128
5.3.6不同环境工况对比129
5.4不同环境下钢丝磨损量演变规律130
5.4.1脂润滑条件130
5.4.2不同矿物颗粒对比131
5.4.3矿石复合润滑脂润滑条件132
5.4.4淋水环境132
5.4.5酸腐蚀条件133
5.4.6不同环境工况对比134
5.5不同环境下钢丝磨损机理演变规律135
5.5.1脂润滑条件135
5.5.2不同矿物颗粒对比137
5.5.3矿石复合润滑脂润滑条件141
5.5.4淋水环境143
5.5.5酸腐蚀条件145
5.5.6不同环境工况对比147
参考文献148

第6章钢丝绳内部失效行为研究149
6.1磨损钢丝拉伸断裂行为151
6.1.1钢丝磨损深度演变规律151
6.1.2钢丝破断力演变规律155
6.1.3拉伸断裂失效机理158
6.2钢丝疲劳断裂行为161
6.2.1干摩擦下钢丝疲劳寿命162
6.2.2复杂环境下钢丝疲劳寿命164
6.2.3疲劳断裂失效机理166
参考文献169