鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能的理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

李艷春 王洪林 徐亞威

摘要：以鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能的理論研究為基礎(chǔ)，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)、品牌鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)系數(shù)實(shí)驗(yàn)研究，確定多層股鋼絲繩是具有良好抗旋轉(zhuǎn)性能的鋼絲繩結(jié)構(gòu)。同時(shí)提出了后續(xù)抗旋轉(zhuǎn)性能檢測(cè)的改進(jìn)方向和目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：碎石樁;護(hù)岸邊坡;整體穩(wěn)定性;效果分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TD532 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006—7973（2022）04-0140-03

1引言

鋼絲繩由于在制造過(guò)程中，存在鋼絲合股、繩股合繩等特殊的捻制工藝，形成復(fù)雜的螺旋結(jié)構(gòu)，使得整繩在受到軸向拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定程度的散開(kāi)趨勢(shì)。若此時(shí)鋼絲繩一端固定，另一端自由向下，鋼絲繩將會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。這種現(xiàn)象通常被稱(chēng)為鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)特性。

實(shí)際應(yīng)用中，由于鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)特性可能導(dǎo)致出現(xiàn)打大角度的偏轉(zhuǎn)甚至打結(jié)，這將會(huì)影響設(shè)備的正常使用。尤其對(duì)一些大型設(shè)備，只能采用重新安裝甚至更換鋼絲繩來(lái)解決問(wèn)題，因此具有良好抗旋轉(zhuǎn)性能鋼絲繩的應(yīng)用就顯得尤為重要。

2鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能理論研究

鋼絲繩產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)是由于在其橫截面上的扭矩力 M 的作用。為減少鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，使兩個(gè)相反方向的旋轉(zhuǎn)力矩達(dá)到近似平衡。因此該抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩通常也被稱(chēng)為微旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。

2.1鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能的數(shù)學(xué)原理

根據(jù)材料力學(xué)理論，桿件受拉伸和扭轉(zhuǎn)時(shí)關(guān)于變形的兩個(gè)獨(dú)立方程：

式中： E——桿件的彈性模量;ε——變形量（應(yīng)變）;——抗扭剛度; B——單位長(zhǎng)度的扭轉(zhuǎn)剛度;Ψ——當(dāng)截面間距為 l，各截面扭矩相等時(shí)的扭轉(zhuǎn)角。

上述變形方程可以作為鋼絲繩承受拉伸載荷時(shí)的基本受力情況。

僅用來(lái)簡(jiǎn)要分析鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)情況可知，旋轉(zhuǎn)角度Ψ與扭轉(zhuǎn)力矩 M 及鋼絲繩的懸掛長(zhǎng)度 l 均為正比的關(guān)系;當(dāng)扭轉(zhuǎn)力矩 M=0時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度Ψ=0，此時(shí)鋼絲繩處于不旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

但是，鋼絲繩中的繩股和鋼絲是呈圓柱螺旋線狀態(tài)，當(dāng)受到負(fù)載作用時(shí)，拉伸和扭轉(zhuǎn)同時(shí)存在并且相互影響。因此，其變形應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足下列方程：

當(dāng) C=0時(shí)，鋼絲繩的變形與桿件的變形等價(jià)。同時(shí)，當(dāng) C=0， M=0時(shí)，鋼絲繩才不會(huì)旋轉(zhuǎn)。C 是鋼絲繩受拉和受扭的相互影響變形系數(shù)，實(shí)際上是鋼絲繩的抗旋轉(zhuǎn)系數(shù)。

2.1.1單層股鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)原理

具有纖維芯的單層股鋼絲繩，其影響系數(shù) C 可以用如下式子表達(dá)：

考慮鋼絲繩捻角α在通常在10°～20°之間，因此上式中舍去 sinα二次以上因式，近似得到：

式中： n——鋼絲繩中股的數(shù)目; E0——單根股繩的縱向剛度; r0——股層的捻制圓半徑; C0——單根股的影響系數(shù);α——鋼絲繩的捻角。

當(dāng)鋼絲繩為交互捻時(shí)， C0為負(fù)值;同向捻時(shí)， C0取正值。

單層股鋼絲繩為了滿(mǎn)足 M=0不旋轉(zhuǎn)條件，一般采用交互捻，且 C=0，那么：

而剛度系數(shù) C0可近似地表示為：

且

式中：β——股的捻角;ni——股中鋼絲根數(shù); ri——股中各鋼絲層的捻制半徑。

將2.7、2.8代入2.6中，得：

對(duì)于式2.9，由于，所以β>α，即股的捻角應(yīng)大于繩的捻角，繩的捻距相應(yīng)地大于股的捻距，這樣才能達(dá)到不旋轉(zhuǎn)。因此，單層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩中，應(yīng)該縮小股的捻距，增大繩的捻距，并盡量減少股數(shù)，將股制成異形股，以便增大股的力矩之和來(lái)抵消繩的力矩，滿(mǎn)足不旋轉(zhuǎn)的要求。

2.1.2多層股鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)原理

在單層股抗旋轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)原理基礎(chǔ)上，對(duì)于多層股鋼絲繩，某一股層的剛度系數(shù)表示如下：

式中：ni——該層股的股數(shù); Ei——鋼絲的彈性模量（各層均相同）; Fi——該層股中的單根股的截面積; Ri——該股層的捻制圓半徑;αi——股在繩中的捻角。

對(duì)于兩層股鋼絲繩的不旋轉(zhuǎn)條件：

要使 M=0，其相鄰層股的捻向應(yīng)相反，所以：

或

式中：S1——內(nèi)層股的橫截面積， S2——外層股的橫截面積。

且

如果兩層股在繩中捻角相等，即α1=α2，則有

2.2鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能的結(jié)構(gòu)研究

理論上，不同類(lèi)別鋼絲繩均能通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)或制作工藝的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，形成具有一定抗旋轉(zhuǎn)性能的產(chǎn)品。按照鋼絲繩的結(jié)構(gòu)組成，抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩可分為單層股結(jié)構(gòu)和多層股結(jié)構(gòu)。

（1）單層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。單層股抗旋轉(zhuǎn)能力十分有限，而且由于其特殊的結(jié)構(gòu)組成，無(wú)論是最初的圓股結(jié)構(gòu)還是改良后的壓實(shí)股結(jié)構(gòu)，其疲勞壽命較低的問(wèn)題并未得到根本解決。因此，目前歐洲企業(yè)對(duì)單層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩的使用十分謹(jǐn)慎。

（2）多層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。多層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩包括2層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩和3層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。對(duì)于圓股多層股鋼絲繩而言，由于鋼絲繩外層股數(shù)相差很多，在相同條件下，內(nèi)層繩的扭轉(zhuǎn)力矩之和與外層繩的扭轉(zhuǎn)力矩之和難以相互抵消，因此必須通過(guò)其他條件來(lái)達(dá)到不旋轉(zhuǎn)的性能。

傳統(tǒng)2層股鋼絲繩為外層股11-12根2次合繩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)鋼絲繩并不具有良好的抗旋轉(zhuǎn)性能。因此為了改善抗旋轉(zhuǎn)性能，逐漸發(fā)展出外層股數(shù)為15-18根的2層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。早期3層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩多采用外層股17-18根3次合繩結(jié)構(gòu)，其抗旋轉(zhuǎn)性能較2層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩有明顯改善，但仍然有許多不足之處。為了提高其抗旋轉(zhuǎn)性能，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在組繩股數(shù)相同的情況下，3層股2次合繩比3次合繩在抗旋轉(zhuǎn)性能和破斷拉力上均有所提高。因此，3層股2次合繩結(jié)構(gòu)逐漸成為3層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩的主流結(jié)構(gòu)。

3鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)原理說(shuō)明

通過(guò)前面的分析可知，鋼絲繩的抗旋轉(zhuǎn)性能可以通過(guò)剛度系數(shù) C 進(jìn)行表征，而剛度系數(shù)值只與鋼絲繩的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。對(duì)于承受拉伸載荷的鋼絲繩，其扭轉(zhuǎn)力矩可以表達(dá)為：

那么鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)系數(shù)：

其中： M—鋼絲繩扭轉(zhuǎn)力矩， S—鋼絲繩張力， d—鋼絲繩公稱(chēng)直徑。

事實(shí)上，關(guān)于鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能的測(cè)定，目前主要有《ISO 21669 Steel wire ropes—Determination of rotational properties》和《GB/T 31979-2015鋼絲繩—旋轉(zhuǎn)性能測(cè)定方法》兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。跟國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相比，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中增加的測(cè)定方法中檢測(cè)設(shè)備的專(zhuān)業(yè)化程度更高，操作更加便捷，便于連續(xù)、多次檢測(cè)操作，而檢測(cè)精度更高、檢測(cè)數(shù)據(jù)更加全面。這種檢測(cè)方法的主要步驟如下：

（1）將鋼絲繩試樣安裝在鋼絲繩固定裝置上;

（2）測(cè)量鋼絲繩試樣的自由長(zhǎng)度，并確定角度測(cè)量裝置的基準(zhǔn)點(diǎn);

（3）由加載測(cè)量裝置對(duì)鋼絲繩試樣施加試驗(yàn)力至鋼絲繩最小破斷拉力的20%，并保持穩(wěn)定;

（4）施加力期間應(yīng)保持鋼絲繩試樣的固定端和自由端均不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn);

（5）通過(guò)扭矩測(cè)量?jī)x器測(cè)量并記錄鋼絲繩試樣產(chǎn)生的扭矩;

（6）解除自由端設(shè)置的旋轉(zhuǎn)約束裝置，鋼絲繩試樣自由旋轉(zhuǎn)，通過(guò)角度測(cè)量裝置測(cè)量并記錄鋼絲繩扭矩為零時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度;

（7）在解除自由端設(shè)置的旋轉(zhuǎn)約束裝置后，鋼絲繩試樣旋轉(zhuǎn)過(guò)程中應(yīng)保持所規(guī)定的力不變;

（8）最終記錄的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)是扭矩值為零時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度。

檢測(cè)方案圖如圖1所示：

其中：

1-加載測(cè)力裝置;5-鋼絲繩固定裝置 b;2-固定端楔塊; 6-角度測(cè)量裝置;

3-扭矩測(cè)量?jī)x器;7-自由端楔塊; 4-鋼絲繩固定裝置 a;8-阻選裝裝置;

3.2鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能實(shí)驗(yàn)

3.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法，一臺(tái)立式安裝的鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)機(jī)包括100T 液壓主機(jī)、1200 NM 扭矩輸出及傳動(dòng)系統(tǒng)、兩套萬(wàn)能型測(cè)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件以及各種附件等組成。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法，該實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）選取6根3m 長(zhǎng)的鋼絲繩，并按照試驗(yàn)機(jī)安裝接口對(duì)鋼絲繩兩端進(jìn)行澆注;實(shí)驗(yàn)選取的鋼絲繩信息

如表1：

（2）主機(jī)液壓缸加載至指定力張力值，加載速率不高于1kN/s，并在到達(dá)規(guī)定的張拉力矩后，記錄相應(yīng)的扭矩值

3.2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)步驟，通過(guò)對(duì)比不同品牌、相同品牌不同結(jié)構(gòu)的鋼絲繩在相同的拉力條件下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，得到抗扭轉(zhuǎn)系數(shù)，對(duì)比扭矩值的大小。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示：

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難看出：

（1）單層股鋼絲繩扭矩值均顯著高于三層股鋼絲繩，說(shuō)明單層股鋼絲繩難以獲得較好的抗旋轉(zhuǎn)性能;

（2）國(guó)外品牌鋼絲繩抗扭轉(zhuǎn)性能領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)，說(shuō)明鋼絲繩的設(shè)計(jì)和制作工藝能夠直接影響鋼絲繩的抗旋轉(zhuǎn)性能。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，多層股鋼絲繩是抗扭轉(zhuǎn)性能方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是檢測(cè)設(shè)備的精度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在較大的影響，而且抗扭轉(zhuǎn)系數(shù)缺少公認(rèn)的數(shù)值，這也是后續(xù)試驗(yàn)檢測(cè)需要解決的問(wèn)題。

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