张紧器橡胶材料非稳态静摩擦特性研究

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1、中图分类号：TH117单位代码：11414学号：2014314005题目张紧器橡胶材料非稳态静摩擦特性研究学科专业机械工程研究方向机械设计方法及理论博士生周永杰指导教师王德国教授二〇一七年六月TheUnsteadyStaticFrictionalBehaviorsofTensionerRubberMaterialDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,BeijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofEngin

2、eeringByZhouYong-Jie（MechanicalEngineering）DissertationSupervisorProf.WangDe-GuoJune,2017摘要摘要在海水铺管中，张紧器铺管作为一种标准作业模式，得到广泛应用。通过张紧器上橡胶垫块与管壁受压接触，接触面提供的静摩擦力来平衡管线自重，确保管线匀速下放入水中。保持张紧器上橡胶垫块与管壁间的静摩擦接触特性相对稳定对张紧器安全地铺设管线具有重要的影响。因此有必要展开对张紧器橡胶材料的静摩擦接触特性研究。本文依据张紧器真实铺管工况条件，划分环境条件，法向载荷、切向载荷作为影响

3、接触系统静摩擦接触行为的不同因素，设计一系列橡胶材料静摩擦接触试验，探究各个因素的作用机理，主要研究成果如下：（1）分析了三种典型张紧器铺管的工作环境，即干燥环境、海水介质存在环境以及薄冰介质存在环境。其中干燥环境是张紧器铺管作业应具备的基本的环境。将海水介质存在环境条件细分为中央润滑条件、接触区前端润滑条件以及接触区后端润滑条件三种典型情况。将薄冰介质存在环境条件划分为薄冰层完全覆盖接触区、冰珠位于接触区前端、冰珠位于接触区前部以及冰珠位于接触区后部四种典型模式。此外，对张紧器铺管过程中橡胶-管壁接触系统的载荷条件进行分析，建立了张紧器橡胶材料与管

4、壁间的静摩擦接触模型。（2）自行研制了张紧器橡胶材料静摩擦接触试验装置，自行制备了三种不同交联体系的橡胶试样。试验装置能够模拟张紧器管道铺设初期阶段，张紧器夹紧管段，将管段以一定的铺设速度下放入水的过程。（3）进行了三种橡胶材料在干燥环境下的静摩擦接触试验研究，选择法向载荷、切向载荷增长率作为试验参数变量，重点考察了载荷条件对是橡胶材料静摩擦特性的影响，结果显示法向载荷是接触系统的首要决定因素。通过对接触区演化过程进行分析，发现了两种橡胶材料黏弹性变形典型形式-空穴现象和蠕变变形。两种现象对最大静摩擦力的作用效果相反，空穴现象提升最大静摩擦力水平，蠕

5、变变形加速接触面分离，且它们有各自的活跃区间。探讨了接触系统静摩擦系数不稳定性，指出其随法向载荷变化的规律和机理。（4）进行了不同橡胶材料在不同海水介质存在条件下的静摩擦接触试验研究。研究发现，三种海水介质存在条件对接触系统有明显的减摩作用，最大静摩擦力下降程度在5%-35%之间。三种海水介质存在条件的润滑效率从高到低排序为：中央润滑＞后端润滑＞前端润滑。三种润滑条件的机理各不相同，主要是由海水润滑介质层的位置不同引起的。（5）进行了不同橡胶材料在不同环境温度下，不同薄冰介质存在条件下的-II-摘要静摩擦试验研究。薄冰介质对接触系统的减摩效果超过海水

6、介质存在的情况。减摩效果从高到低排序为：薄冰层完全覆盖接触区＞冰珠位于接触区后部＞冰珠位于接触区前部＞冰珠位于接触区前端。产生这一差异的主要原因是橡胶表面与薄冰间的接触位置和接触范围各不相同，导致薄冰所能发挥的减摩比例不同。同时，环境温度对接触系统的最大静摩擦力水平影响明显。关键词：张紧器；橡胶；静摩擦接触；黏弹性-III-ABSTRACTTheUnsteadyStaticFrictionalBehaviorsofTensionerRubberMaterialABSTRACTPipelayingbytensionerisacommonstandard

7、industrialprocessforsubseapipelineinstallation.Thedeadweightofpipelineissustainedbystaticfrictionwhichisgeneratedbycontactbetweenrubberblocksoftensionerandpipeoutwall.Sothatthepipelinecanbelayingdownintoseawaterwithconstantspeed.Thestaticfrictionalpropertyofrubber-pipecontactsy

8、stemisofgreatimportanceforsafetyoftensioner.Therefore,