低溫環(huán)境下礦井提升鋼絲繩摩擦磨損特性研究

彭玉興, 王高芳*, 朱真才, 常向東, 盧 昊, 唐 瑋, 王大剛

(1.中國礦業(yè)大學 機電工程學院, 江蘇 徐州 221116;2.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;3.江蘇省礦山機電裝備重點實驗室, 江蘇 徐州 221116)

礦井提升機是煤礦開采中煤炭從井底運輸?shù)降孛娴闹匾屎硌b備，提升鋼絲繩是提升機承載的重要部件，對于纏繞式提升機(圖1)，鋼絲繩在提升機滾筒上纏繞時必然存在摩擦磨損，影響鋼絲繩使用壽命.此外，提升機房一般處于開放狀態(tài)，其內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度相同.然而，我國北方在冬季氣溫較低(如位于小興安嶺東段與三江平原交匯處的鶴崗煤礦區(qū)在一月份日均最低溫度為-26 ℃、日均最高氣溫也低至-14 ℃[1])，迫使鋼絲繩在嚴寒冰凍環(huán)境下服役，而低溫下繩表面潤滑狀態(tài)、結冰和鋼絲力學性能等都將影響提升鋼絲繩摩擦磨損性能，進而威脅礦井安全生產(chǎn).因此，亟需探究低溫冰凍環(huán)境下鋼絲繩的摩擦磨損特性，為低溫環(huán)境下礦井提升系統(tǒng)的設計提供重要基礎數(shù)據(jù)和理論依據(jù).

Fig.1 Schematic diagram of winding hoisting system圖1 纏繞式提升系統(tǒng)示意圖

當前，國內(nèi)外學者對鋼絲繩摩擦磨損及接觸力學特性從3個方面展開了研究，(1)在鋼絲繩摩擦磨損方面：為研究腐蝕作用下鋼絲繩的摩擦磨損特性，Wang等[2]利用自制的試驗機開展了酸性溶液中鋼絲拉伸、扭轉以及拉伸-扭轉同時出現(xiàn)時的微動摩擦磨損試驗，比較分析了酸性介質(zhì)下鋼絲的摩擦磨損特性；常向東等[3-6]分析了鋼絲繩在不同接觸載荷和接觸角度下滑動的摩擦磨損規(guī)律，認為磨損區(qū)域的分布和磨損深度是影響鋼絲繩力學性能的重要因素，并對不同腐蝕介質(zhì)下的鋼絲繩摩擦磨損特性及剩余強度進行探究；沈燕等[7]以6×19點接觸式提升鋼絲繩為研究對象，探究腐蝕介質(zhì)環(huán)境下鋼絲的微動磨損特性及磨損機理；對于特殊工況下的摩擦磨損特性，Peng等[8-9]采用自制的模擬試驗裝置探究超深煤礦卷繞提升鋼絲繩在不同參數(shù)下的滑動摩擦和沖擊摩擦磨損特性.(2)在鋼絲繩接觸力學方面：由于鋼絲繩在提升過程中存在復雜的力學特性，Meng等[10-11]采用半解析方法研究繩中鋼絲接觸形式對鋼絲繩力學性能的影響；陳原培等[12-14]對鋼絲繩股力學、股中絲磨損及其循環(huán)彎曲載荷作用對鋼絲繩股間接觸行為的影響進行了試驗探究；馬軍等[15-16]針對鋼絲繩股內(nèi)鋼絲接觸的復雜性，構建鋼絲繩三維接觸模型，并對絲應力分布及載荷分布狀況進行研究；賈小凡等[17]和Zhang等[18-19]研究了不同預張力及斷絲對鋼絲繩彎曲疲勞損傷特性的影響.(3)在鋼絲繩纏繞動力學方面：龔憲生等[20-21]通過分析提升機卷筒結構的差異對多層纏繞雙鋼絲繩變形失諧的影響，提出減小失諧量的有效解決方案.綜上所述，已有研究主要開展了不同運行工況下鋼絲繩的摩擦磨損特性、鋼絲繩中股-絲間的接觸力學特性及卷筒繩槽對鋼絲繩纏繞動力學特性的影響等方面的研究.然而，礦井纏繞提升鋼絲繩的摩擦磨損特性不僅與運行工況有關，其運行環(huán)境尤其是低溫冰凍環(huán)境更是影響鋼絲繩摩擦磨損性能的重要因素，但目前還未見這方面的相關研究.

為此，本文中設計了低溫環(huán)境下鋼絲繩摩擦磨損行為的模擬試驗裝置，開展了低溫環(huán)境下鋼絲繩摩擦磨損試驗，通過分析低溫工況下鋼絲繩的摩擦系數(shù)及磨損形貌特性的變化規(guī)律，為低溫冰凍環(huán)境下礦井纏繞提升鋼絲繩的安全可靠服役提供重要基礎數(shù)據(jù).

1 試驗裝置與試驗方案

低溫環(huán)境下鋼絲繩往復滑動摩擦試驗機(圖2)主要包括6部分：制冷設備、動力裝置、低溫環(huán)境室、制冷液進出管以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).上下層鋼絲繩摩擦副接觸形式如圖2中往復滑動接觸區(qū)A所示.通過制冷設備設置溫度參數(shù)，使得低溫環(huán)境室溫度穩(wěn)定在所需的試驗溫度，進而模擬鋼絲繩在不同環(huán)境溫度下的滑動摩擦磨損行為.試驗中選擇應用廣泛的右交互捻熱鍍鋅麻芯鋼絲繩(6×19+FC)為研究對象，其中，6是鋼絲繩的股數(shù)，19是每根股的鋼絲數(shù)， FC為鋼絲繩的繩芯，表示纖維芯，這類鋼絲繩是煤礦中常用的鋼絲繩結構之一.鋼絲繩試樣如圖3所示，其結構參數(shù)列于表1中.試驗所用潤滑油為礦井提升鋼絲繩專業(yè)潤滑油IRIS-550A(愛利絲，型號550A)，具體性能參數(shù)列于表2中.試驗平均摩擦系數(shù)μ按公式(1)計算.

表1 鋼絲繩結構參數(shù)Table 1 Structural parameters of wire rope

表2 IRIS-550A潤滑油性能參數(shù)Table 2 Property parameters of the IRIS-550A lubricating oil

Fig.2 Reciprocating sliding friction tester of wire rope under low temperature environment圖2 低溫環(huán)境下鋼絲繩往復滑動摩擦試驗裝置

其中：fi是第i個循環(huán)時推程摩擦力，F(xiàn)是接觸載荷，i是循環(huán)次數(shù)，μ0是空載時的摩擦系數(shù)，其他詳細介紹可見對應參考文獻[3].本試驗中，干摩擦時每兩次循環(huán)取1個摩擦系數(shù)作圖點，油水潤滑時每六次循環(huán)取1個摩擦系數(shù)作圖點.

試驗參數(shù)列于表3中，其中，潤滑狀態(tài)分為干摩擦和油水潤滑，干摩擦模擬提升鋼絲繩表面油脂流失后的狀態(tài)，油水潤滑主要是模擬井筒潮濕環(huán)境中提升鋼絲繩表面附有1層水膜的狀態(tài)，本文中定義為油水潤滑狀態(tài).實際工況下鋼絲繩接觸載荷和滑動速度均較大，結合實驗室條件，本試驗接觸載荷設定為100 N，滑動速度設為12 mm/s.

Fig.3 (a) Upper and lower wire rope samples; (b) Schemetic diagram of wire rope cross section structure圖3 (a)上下鋼絲繩試樣；(b)鋼絲繩橫截面結構示意圖

表3 鋼絲繩摩擦磨損試驗參數(shù)Table 3 Friction test parameters of wire rope

試驗過程中環(huán)境中的空氣濕度會隨溫度變化而變化，如圖4所示，隨著室內(nèi)環(huán)境溫度的降低，空氣濕度隨之減小.

2 結果與討論

2.1 不同環(huán)境溫度下鋼絲繩磨損機理

Fig.4 Ambient chamber humidity at different temperatures圖4 不同溫度下室內(nèi)環(huán)境濕度

為了分析試驗后鋼絲繩磨損表面的微觀形貌和磨損機理，采用掃描電子顯微鏡(SEM)對鋼絲繩表面進行微觀磨損形貌檢測.干摩擦時，不同環(huán)境溫度下鋼絲繩磨痕形貌的SEM圖如圖5(a)所示，發(fā)現(xiàn)0 ℃環(huán)境溫度時，鋼絲繩磨痕表面粘附大量磨屑，并伴隨著嚴重的氧化腐蝕狀況.從圖4可知，此時環(huán)境濕度相對較大，達到60%，在環(huán)境濕度較大的情況下，金屬表面容易發(fā)生氧化反應生成氧化膜.在往復運動過程中，鋼絲繩磨損表面形成的氧化膜被磨掉以后，因為環(huán)境濕度較大，會很快形成新的氧化膜，此時是氧化磨損和機械磨損兩個作用相繼進行的過程.隨著環(huán)境溫度的降低，磨損表面片狀剝落更加嚴重，疲勞裂紋明顯，出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象，表面腐蝕現(xiàn)象減輕，由-10 ℃工況下的小片剝落逐漸演變?yōu)?25 ℃工況下的大尺寸剝落，磨屑與磨損表面之間的黏著現(xiàn)象更加明顯.環(huán)境濕度及溫度均較低的情況下，鋼絲繩的脆性增加，在載荷不變的情況下，溫度越低，磨損越嚴重.鋼絲繩試樣的磨損形式由0 ℃工況時以氧化磨損和磨粒磨損為主逐漸向-25 ℃工況時的疲勞及黏著磨損轉變.

進一步分析水油潤滑時鋼絲繩磨痕形貌的SEM圖片，如圖5(b)所示，對比干摩擦時鋼絲繩磨痕形貌可知，油水潤滑狀態(tài)使得磨損表面較為光滑，顯著減小了鋼絲繩的磨損.油水潤滑時，鋼絲繩表面附著1層潤滑油薄膜，可以很好地保護鋼絲繩，減弱氧化腐蝕.尤其是在環(huán)境溫度-25 ℃時，對比干摩擦狀態(tài)，水油潤滑狀態(tài)時的鋼絲繩磨痕表面疲勞裂紋和黏著磨損均大大減弱，出現(xiàn)輕微的疲勞裂紋、較輕的粘附與小凹坑.但是在0 ℃時，鋼絲繩磨損表面出現(xiàn)明顯裂紋與片狀剝落，分析是因為此時環(huán)境濕度大，附著在鋼絲繩上的水分子處于臨界狀態(tài)，導致腐蝕磨損比其他環(huán)境工況下更為嚴重.在環(huán)境溫度為-10和-15 ℃時，粘附在鋼絲繩磨痕表面的細小磨屑與油水混合物使得上下層鋼絲繩間的摩擦介質(zhì)非常復雜，黏著磨損加重.在載荷相同時，隨著環(huán)境溫度由0 ℃降低至-25 ℃，油水潤滑狀態(tài)的鋼絲繩的氧化磨損減弱，黏著磨損先加重后減弱.

2.2 不同環(huán)境溫度對鋼絲繩摩擦系數(shù)的影響

如圖6(a)所示，在干摩擦試驗初期，滑動距離小于1 800 mm時，摩擦系數(shù)增長緩慢且不同溫度下的初始摩擦系數(shù)相差不大，均小于0.4.隨著滑動行程繼續(xù)增加，從3 600 mm增加到10 800 mm時，摩擦系數(shù)呈快速增大趨勢.在不同環(huán)境溫度下，摩擦系數(shù)均有較大增幅，但增幅大小逐漸出現(xiàn)明顯差異，摩擦系數(shù)曲線重合度變低.當溫度為-25 ℃時，摩擦系數(shù)增長最快，這是因為摩擦副在相對滑動速度不大且界面溫度較低時，微凸體之間發(fā)生冷焊，溫度越低，黏著區(qū)因塑性變形導致的強化越明顯，所以在-25 ℃時摩擦系數(shù)增長最快.最后，當滑動行程超過10 800 mm后，環(huán)境溫度為-5 ℃時，摩擦系數(shù)隨滑動行程增加開始緩慢下降到與0 ℃時大體一致，其他溫度時摩擦系數(shù)均處于小幅波動穩(wěn)定階段(①階段).分析認為在環(huán)境溫度為-5 ℃時，在濕度較大(圖4)的環(huán)境下無潤滑油保護的鋼絲繩接觸表面形成1層冰膜，隨著滑動行程的增加，上下層鋼絲繩摩擦產(chǎn)生摩擦熱，摩擦熱釋放的熱量使得冰層融化，形成起潤滑作用的水膜，使得此時摩擦系數(shù)陡降，最終接觸狀態(tài)與0 ℃時大體相同.

Fig.6 Friction coefficient at at different ambient temperatures: (a) dry friction; (b) oil-water lubricated; (c) during stage ① and ③圖6 不同溫度下摩擦系數(shù)變化曲線：(a)干摩擦；(b)油水潤滑; (c) ①和③穩(wěn)定階段柱狀圖

油水潤滑狀態(tài)時不同溫度下鋼絲繩間摩擦系數(shù)隨滑動距離變化曲線如圖6(b)所示.在滑動距離小于7 200 mm時(②階段)，摩擦系數(shù)先下降再增加，因為附著在鋼絲繩表面的水膜在低溫下凝結形成冰膜，冰層處于受壓狀態(tài)時，脆裂被抑制，發(fā)生塑性流動，使得摩擦系數(shù)降低[22].隨著往復滑動摩擦，冰膜消失，潤滑油膜在磨屑的作用下處于被破壞的狀態(tài)，摩擦系數(shù)增加.環(huán)境溫度為-10和-15 ℃時，摩擦系數(shù)明顯高于其他環(huán)境溫度，這是因為粘附在鋼絲繩磨痕表面的細小磨屑與油水混合物使得上下層鋼絲繩間的摩擦介質(zhì)復雜，黏著磨損加重，從而導致此時摩擦系數(shù)增加，如圖5(b)所示.

為進一步分析鋼絲繩摩擦系數(shù)在不同低溫環(huán)境時的變化趨勢，取圖6中相對穩(wěn)定階段①與③的摩擦系數(shù)均值繪制圖6(c).干摩擦時隨著溫度的降低，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，在-5 ℃時最小，約0.51，在-25 ℃時最大，約0.85.這是因為-5 ℃時鋼絲繩磨損表面和其上粘附的磨屑發(fā)生氧化，不斷生成的氧化膜使得金屬表面免于黏著，此時氧化磨損能起到保護摩擦副的作用，使得摩擦系數(shù)相對較小.由圖5(a)可知，在-25 ℃時磨痕表面出現(xiàn)大尺寸材料黏著、嚴重的疲勞裂紋及表面剝落損傷，此時主要磨損形式是疲勞磨損和黏著磨損，磨損率較大，磨損嚴重，所以摩擦系數(shù)較大.油水潤滑時摩擦系數(shù)隨環(huán)境溫度的減小先變大后變小，在-15 ℃時摩擦系數(shù)達到最大值，約0.35.這是因為一方面，由圖5(b)可以看出，在環(huán)境溫度-15 ℃時，黏著磨損加重，另一方面，對鋼絲繩磨損表面用能譜儀(EDS)進行表面元素檢測，如圖7所示，-15 ℃時磨損表面氧原子分數(shù)約3.54%，高于其他溫度，表明此時鋼絲繩表面氧化磨損較其他溫度時嚴重，從而導致此時摩擦系數(shù)增大.此外，在低溫下油水潤滑的摩擦系數(shù)明顯低于干摩擦，這是因為濕度隨溫度降低而降低，在這種低溫及低濕度的環(huán)境下，無潤滑油保護的上下層鋼絲繩摩擦副間的氧化反應大大減弱，減少了起隔離作用的金屬氧化物的生成，加劇了鋼絲繩摩擦副間的黏著，從而導致摩擦系數(shù)在干摩擦時比油水潤滑時大.

2.3 不同環(huán)境溫度對鋼絲繩磨損特性的影響

為分析低溫環(huán)境對鋼絲繩磨損特性的影響，用SM-1 000三維形貌輪廓儀掃描獲得鋼絲繩的三維磨損形貌， 然后對獲取的磨痕輪廓曲線與未磨損輪廓曲線相比較得出相應的磨損深度，如圖8所示.通過光學顯微鏡拍攝磨損鋼絲繩并用optlite軟件測量得出干摩擦和油水潤滑時的磨損面積，如圖8(e)和(f)所示.因鋼絲繩表面磨損寬度在干摩擦和油水潤滑狀態(tài)下相差不大，故本文中未對磨損寬度統(tǒng)計，僅對磨損深度和磨損面積進行統(tǒng)計分析.

不同溫度下的鋼絲繩磨損深度和磨損面積如圖9所示，對比圖9(a)和(b)可知，相較于干摩擦，在油水潤滑時磨損深度和磨損面積均大幅減小，磨損面積平均減小至干摩擦時的四分之一，磨損深度減小至七分之一左右.這表明油水潤滑可以明顯改善低溫環(huán)境下鋼絲繩的氧化摩擦磨損.

Fig.7 EDS analysis of wear surface of wire rope at different ambient temperatures: (a, b, c) dry friction;(d, e, f) oil-water lubrication圖7 不同環(huán)境溫度下鋼絲繩磨損表面EDS分析：(a, b, c)干摩擦；(d, e, f)油水潤滑

Fig.8 3D scanning morphology of wear marks on wire rope under (a) dry friction and (c) oil -water lubrication; Measurement diagram of wear depth under (b) dry friction and (d) oil-water lubrication; Optical micrograph of wear marks on wire rope under (e) dry friction and (f) oil -water lubrication圖8 (a)干摩擦和(c)油水潤滑時鋼絲繩磨痕三維掃描形貌圖；(b)干摩擦和(d)油水潤滑時鋼絲繩磨損深度測量圖；(e)干摩擦和(f)油水潤滑時鋼絲繩磨痕光學顯微圖

圖9中干摩擦時，不同溫度時鋼絲繩磨損面積為6～12 mm2[圖9(a)]，磨損深度為275～475 μm[圖9(b)].磨損面積和磨損深度在不同溫度時的變化趨勢一致，均在-10 ℃時達到最大值，分別約9.11 mm2和408 μm，在0 ℃時達到最小值，分別約6.23 mm2和278 μm.分析干摩擦時磨損表面元素含量[圖7(a～c)]可以發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度為0和-25 ℃時，氧元素原子分數(shù)分別為8.24%和7.43%，均低于-10 ℃時鋼絲繩磨損表面的氧元素原子分數(shù)10.3%，說明環(huán)境溫度為-10 ℃時磨損表面氧化嚴重，加速增大鋼絲繩表面磨損面積.此外，在0 ℃時磨損深度和磨損面積較小是因為此時以氧化磨損為主，磨損率較小.

油水潤滑時，不同溫度下鋼絲繩的磨損面積在1.75～3 mm2之間波動[圖9(a)]，磨損深度在40～60 μm之間波動[圖9(b)].磨損面積和磨損深度均在-15 ℃時最大，分別約為2.98 mm2和58 μm.分析圖7(d～f)可知，油水潤滑狀態(tài)下，在-15 ℃時，鋼絲繩磨損表面氧元素原子分數(shù)最高，為3.54%，表明此時鋼絲繩表面氧化磨損較其他溫度時嚴重，所以磨損深度與磨損面積均大于其他溫度時的磨損深度與磨損面積.

Fig.9 (a) Wear area and (b) wear depth of wire rope under different ambient temperatures圖9 不同環(huán)境溫度下鋼絲繩(a)磨損面積與(b)磨損深度變化曲線圖

3 結論

a.相同速度和載荷試驗條件下，干摩擦時，鋼絲繩試樣的磨損形式由0 ℃工況時的以氧化磨損和磨粒磨損為主逐漸轉變?yōu)?25 ℃工況時的疲勞磨損及黏著磨損；隨著環(huán)境溫度由0 ℃降低至-25 ℃，油水潤滑時鋼絲繩的黏著磨損先加重后減弱.

b.相同速度和載荷試驗條件下，干摩擦時摩擦系數(shù)隨環(huán)境溫度的降低呈非線性增大趨勢；而油水潤滑時不同環(huán)境溫度下鋼絲繩摩擦系數(shù)呈先增加后減小趨勢，在-15 ℃時最大.此外，油水潤滑可以大幅減輕鋼絲繩在低溫環(huán)境下的氧化磨損.

c.統(tǒng)計磨損深度和磨損面積與鋼絲繩環(huán)境溫度之間的關系可以定量與定性分析低溫環(huán)境對鋼絲繩摩擦磨損的影響.發(fā)現(xiàn)干摩擦時，鋼絲繩的磨損深度與磨損面積隨環(huán)境溫度的變化一致，均在0 ℃時最小，分別為278 μm和6.23 mm2.油水潤滑時平均磨損面積比干摩擦時減小了3倍多，平均磨損深度減小了7倍左右，均在-15 ℃時最大，約2.98 mm2和58 μm.