减少滑轮及绳索磨损的关键因素

李新东，吴红春

(1. 中海石油(中国)有限公司天津分公司渤南作业公司 天津 300459； 2. 中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司 天津 300459)

滑轮在海上平台机械中应用非常广泛，经常用于起重吊机、钻修井机械、救生装置等设备。随着使用时间的增加和工况的不同，滑轮和绳索之间接触部位会出现不同程度的磨损和压痕，对滑轮和绳索都会造成严重的损坏，同时使设备存在很大的安全隐患。本文从管理、使用等角度分析查找了滑轮及绳索运行过程中能够减少滑轮及绳索之间磨损的关键因素，以期为后期滑轮及绳索的管理提供技术指导。

1 滑轮的工作机理

滑轮是一种形似圆盘状、周边带槽、能够绕轴转动的轮状装置，是通过跨过圆轮轮槽的绳索与圆轮轮槽之间的摩擦力促使圆轮绕着中心轴旋转的简单机械。滑轮按其作用分为动滑轮、定滑轮和滑轮组，在工程机械中应用十分广泛，主要应用于牵拉负载、改变施力方向和用来传输功率等多个方面。因为滑轮可以连续旋转，可将其看作是能够连续旋转的、变形的杠杆，属于杠杆类简单机械，通常可以使用杠杆的平衡条件来对其进行全面的力学分析。

定滑轮属于一种等臂杠杆，具有传递力和改变其方向的作用。定滑轮并不能够省力，只能够起到整个系统的协调作用。动滑轮属于动力臂为阻力臂2倍的杠杆，可以降低一半的力，通常情况下需要多延伸出一倍的距离。动滑轮的主要作用是调节动力臂与阻力臂两者之间的关系，以用来降低力。滑轮组的主要作用是升降物体，虽然能够通过滑轮组有效减少吊装的时间，但是也加大了吊装物的移动距离。滑轮组不仅能够省力，而且还能够改变用力的方向[1]。

绳索绕过滑轮过程中，滑轮槽侧壁起到导向作用，使绳索顺利进入绳槽，防止绳索产生跳槽；槽底的圆弧底面则起到支撑绳索的作用，并能够改变传力的方向。

2 影响滑轮及绳索磨损的关键因素

在滑轮及绳索摩擦副确定的工况下，从管理、使用方面出发，分析总结滑轮及绳索在配合运行中能够减小磨损的若干关键因素。

2.1 表面的润滑

润滑脂的作用主要是润滑、密封、填充空隙、保护和防锈等。接触面的良好润滑对减少接触面磨损有着及其重要的作用，润滑脂存在于滑轮轮绳与绳索之间，油膜充分覆盖接触面，在正压力一定的情况下增加润滑能够减少接触产生的干膜现象，所以进行周期性润滑管理的绳索其使用寿命是干燥无油工作绳索寿命的2～4倍。同时，有效的涂油保养可以减小滑轮表面磨损和锈蚀产生，能够大幅提高绳索的使用寿命。

2.2 摩擦面的压力

当滑轮直径一定且制作工艺相同的情况下，载重越大，运行速度越大，单位接触面积承受的压力越大。通过改变摩擦面的接触面积和控制操控速度，能够有效减少单位接触面积上的压力，防止接触压力过大而产生压痕和增大摩擦力。

通过对绳索缠绕系统运动学和动力学的研究可知，滑轮绳槽表面所承受的重力在突然运行的过程中使绳槽上所产生的接触应力为均匀运行的1～2倍，所以在实际应用当中控制好滑轮的加速度和运行速度就能够有效地降低滑轮承受的冲击负荷，并且能够在运行过程中降低点动操作频率，从而降低滑轮、绳索及绳槽的摩擦系数[2]。

滑轮上绳索的起升速度和单位时间内滑轮转动的圈数越多，越容易产生磨损。高强度过硬的抗拉绳索出现移动磨损的能力更强，所以滑轮和绳索之间的硬度配比应匹配。

绳索的弯曲率随着滑轮直径的增大而减小，随滑轮的直径减小而增大。满足工艺要求的工况下应尽可能采用低倍率的滑轮组降低滑轮的运行速度，尽量加大滑轮直径，以提高使用寿命。

2.3 接触面的硬度

硬度是衡量金属材料内外软硬程度的一项重要的指标，既可理解为材料的抵抗弹性变形能力、塑性变形能力或破坏能力，也可理解为材料抵抗残余变形能力或反破坏的能力。不考虑其他因素的情况下，其硬度越高耐磨性越好。通常可将硬度值作为衡量材料耐磨性的评价指标之一，但是材料的耐磨性好，不一定硬度就高。在相同的磨擦系数、成分、组织、使用环境等条件下，硬度和耐磨性存在非线性的正相关 关系。

提升滑轮接触面的表面硬度也能减少磨损和压痕的产生，滑轮及绳索的整体硬度提升和相互之间硬度的合理配比是减少摩擦的又一关键因素。

对于低硬度和中硬度的滑轮，绳槽底部的硬度低于绳索的硬度。在配合过程中实际产生了对滑轮槽底的冷作加工作用，进而形成了表面硬化效应；对于中高硬度和高硬度的滑轮，绳槽底部的硬度等于或者高于绳索的硬度，滑轮经过早期非稳定磨损后，磨损曲线逐渐趋于平稳：即经初期磨合后，绳槽继续磨损的速度变慢。但随着滑轮的硬度增加，绳索的磨损速度也就加快。

2.4 接触面的耐磨性

耐磨是指能够抵抗摩擦作用的一种能力，这种能力的因素不仅取决于其所用钢材的成分、金相组织和物理性能，如硬度碳化物特性、数量、形状和分布等，还与所使用的条件以及拉伸工艺有着密切关系，如表面是否粘有大量的灰层和沙粒等。

耐磨要求的是嵌入性和摩擦顺应性，是指材料磨擦过后能最快形成两摩擦面间凹凸相配合的磨擦面。若单纯追求材料的表面硬度，过硬的材料不容易磨合，反而会降低摩擦面的耐磨性。如果是切入式的磨损，则需要提高材料的表面硬度，以较好地提高其耐磨性能；如果是冲击性的磨损，则提高的效果会差一些。

磨损其实源于接触表面应力范畴，也就是在一定压力之下运动的2种金属相互作用，材料消耗的比例通常为：硬度高的比硬度低的耐磨性好，表面比压小的比表面比压大的耐磨性好，润滑好的比润滑差的耐磨性好，表面粗糙度低的比表面粗糙度高的好。

滑轮绳槽接触面的耐磨性至关重要，即使出现短时间的润滑不良或干膜现象，也能减弱磨损的产生，这与加工工艺和材质有直接关系。

在轮槽底部不低于轮槽高度的2/3部分进行表面淬火，深度为2～3mm，淬火后硬度为330～380HBW，进而可提高轮槽的抗磨能力。

绳索与滑轮是相互匹配的一对磨损件，从降低设备营运成本角度考虑，提高绳索的使用寿命有着显著的经济效益。滑轮在大型设备上使用数量较多，且多数安装在高空结构上，维护和更换相对困难，所以提高滑轮耐磨性和减少维护和更换频率对提高整机使用可靠性和降低维护成本有着十分重要的作用。

2.5 接触面的加工及配合精度

滑轮加工过程中要求：槽底圆应与销轴的轴孔同心；绳槽的中心线应与销轴的轴孔中心线在空间上互为垂直；圆弧的整个弧形要求标准；弧形的表面加工光滑。绳径应与滑轮直径、轮槽直径匹配；绳索在已经磨损超差的轮槽中工作，受到槽两侧的非正常挤压时发生畸变，会使滑轮和绳索的寿命明显缩短。

滑轮直径方向上弯矩的生成与滑轮最初的形状有关，滑轮的槽底与滑轮腹板的中心重合情况、滑轮槽底两边的腹板厚度均匀状况和绳索的入绳偏角有关。绳索入绳的偏角大时将加速滑轮的磨损和塑性形变，通过持续使用滑轮槽底变形愈加严重，绳索沿滑轮的轮槽底部运动轨迹由圆形变成椭圆形，绳索相对滑轮槽底的运动轨迹，也由类似滚动变成滚动和滑动同时进行的运动轨迹，滑轮槽底与绳索的配合磨损会进一步增加[3]。

轮槽的理论半径按照其配合的绳索直径的1.1倍进行设计，可控制绳索在轮槽的滑动摩擦范围。同时，滑轮布置时尽可能减小偏角，以减少与轮槽侧面的接触面积，防止绳索和轮槽的磨损。

滑轮制作时的尺寸要求轮槽底部和腹板的几何中心位置同心，滑轮轮槽底部与端面不平度误差不得大于1mm，轮槽底部沿绳索中心与腹板中心30°方向上轮缘厚度应小于或等于1mm。

2.6 接触面的工艺缺陷

滑轮制作工艺能够改变滑轮表面的硬度、耐磨性能、存储润滑油脂的能力和光滑程度等参数，制作过程中产生表面缺陷、表面硬度不均等都会影响与绳索的配合工况。

2.7 接触面的磨粒磨损

磨粒磨损是由一种存在于2个摩擦表面上的硬的质点，在接触面上发生相对运动时使1个或2个表面的材料发生转移的磨损现象。

垂直于表面的分力使磨粒嵌入表面，对塑性好的表面产生大量密集的压痕，反复作用后产生疲劳而损坏；对于脆性材料，表面不产生变形就会产生脆性破坏。平行于表面的分力使磨料产生切向运动，导致表面被刻划切削而留下沟槽。对塑性材料，磨料切削会在摩擦表面上切下一条切屑；对于脆性材料，磨料切削一次就从表面上切下许多的碎屑。

滑轮和绳索在使用过程中，由于暴露在室外环境中，表面容易吸附杂质颗粒和海上空气中的盐分，随着滑轮和绳索的相互运动，颗粒状物质被混合、搅拌夹杂在润滑脂中，就形成了磨粒磨损。同时，随着盐分的含量增多，润滑油脂成分比例会发生变化，导致腐蚀性增强。

2.8 绳索的偏摆

滑轮与绳索的布置不合理以及绳索的摆动也会造成轮槽的磨损。绳索在绳槽底部进行滑动摩擦的过程要严格控制，同时每个滑轮的入绳角度也要控制在合理的范围内，有效降低绳索与滑轮侧面的接触频次将有助于减少磨损的产生。

绳索下方吊装物的摆动、风吹摆动等也会使绳索在轮槽上形成滑移，导致两者同时磨损。

3 结 语

造成滑轮磨损的原因很多，我们只针对一些关键因素进行了分析。本文从管理、使用等方面出发，分析总结了滑轮及绳索在配合运行中能够减小磨损的若干关键因素，包括表面的润滑、摩擦面的压力、接触面的硬度、接触面的耐磨性、接触面的加工配合精度、接触面的工艺缺陷、接触面的磨粒磨损、绳索的偏摆几个方面。通过以上各方面的简述，在日常使用中需重点关注，科学施策，采取有效的控制方法，如定期涂抹润滑脂、增大轮径、降低冲击速度、增加表面淬火深度、调整制作工艺、增加加工精度及配合精度、制定合理的检测频率、对污染的油脂定期清理更换、控制绳索的偏摆幅度等，有针对性地提升滑轮在日常管理和使用中存在的短板，进而降低滑轮的磨损速率，使滑轮及绳索的运行成本降到最低。■