鋼絲繩不松散性能提高研究

楊西東

（河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001）

鋼絲繩的使用在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著舉足輕重的地位，由于其應(yīng)用廣泛，提高其安全使用性能對保障國家安全生產(chǎn)有著重要意義。在鋼絲繩生產(chǎn)過程中，不松散對于鋼絲繩是一項(xiàng)極為重要的性能指標(biāo)，對于鋼絲繩的好處主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面：①使鋼絲繩疲勞性能提高約40%，因而延長了鋼絲繩使用壽命；②截?cái)噤摻z繩時(shí)，各股及鋼絲不會(huì)散開，仍保持其本身位置和捻距大小，不致使鋼絲繩的結(jié)構(gòu)遭到破壞；③繩中各股與繩芯之間以及各股中鋼絲之間接觸緊密，在使用中結(jié)構(gòu)伸長量小，鋼絲繩直徑變動(dòng)?。虎茕摻z繩的可撓性得到提高，變得柔軟；反撥力小，不會(huì)打卷結(jié)扣；不旋轉(zhuǎn)性能得到改善。因此，不松散鋼絲繩安裝方便，使用安全、可靠，受力均勻，運(yùn)行平穩(wěn)；⑤使用時(shí)不易發(fā)生斷絲。即使斷絲也不翹起，仍在原位置上伏著，不至于劃傷繩輪或卷筒，不影響其他鋼絲的正常工作[1]。鋼絲繩不松散性對鋼絲繩質(zhì)量的好壞起著重要作用，提高鋼絲繩不松散性對提高鋼絲繩的質(zhì)量提供了有效保障，對鋼絲繩生產(chǎn)效率的提高和投入使用的壽命延長均有較大作用[2]。

1 導(dǎo)致鋼絲繩松散的原因

導(dǎo)致鋼絲繩松散的原因主要是鋼絲繩的應(yīng)力所造成的，而產(chǎn)生鋼絲繩的應(yīng)力原因一般有2種：①制造鋼絲繩時(shí)產(chǎn)生的；②在服役工作時(shí)所產(chǎn)生[3]。鋼絲繩在制造時(shí)需要經(jīng)過盤條、鋼絲拉拔等工藝過程，鋼絲在拉制過程中會(huì)在其內(nèi)部殘存拉拔應(yīng)力，在鋼絲捻股、合繩時(shí)也會(huì)產(chǎn)生捻制應(yīng)力。因此，殘存拉拔應(yīng)力和捻制應(yīng)力是鋼絲繩制造時(shí)的主要存在的應(yīng)力。

1.1 殘存拉拔應(yīng)力

殘存拉拔應(yīng)力按以下3種模式分散于鋼絲繩內(nèi)部。

（1）殘存拉應(yīng)力。鋼絲拉拔過程中，由于拉絲機(jī)等設(shè)備精度不同、拉拔工藝條件不同，鋼絲在變形時(shí)內(nèi)部晶向組織也不同，有的甚至出現(xiàn)晶粒拉長、位移，導(dǎo)致鋼絲產(chǎn)生縱向的拉應(yīng)力，其分存于部分鋼絲內(nèi)部形成殘存拉應(yīng)力。

（2）殘存彎曲應(yīng)力。鋼絲拉制過程中，經(jīng)過輥輪、卷筒時(shí)經(jīng)過彎曲會(huì)殘存彎曲應(yīng)力于鋼絲內(nèi)。當(dāng)卷筒與鋼絲直徑差異越大時(shí)，殘存彎曲應(yīng)力也越多。而且如果卷筒切點(diǎn)鋼絲與出口中心的拉線模不在水平切線上，也會(huì)使彎曲應(yīng)力增加積累，有時(shí)甚至出現(xiàn)正“∞字”。

（3）鋼絲經(jīng)過滑輪式拉絲機(jī)時(shí)，會(huì)繞自身軸線發(fā)生扭轉(zhuǎn)，因而會(huì)有扭轉(zhuǎn)應(yīng)力存在。扭轉(zhuǎn)次數(shù)越多存在的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力越大。

1.2 捻制應(yīng)力3種模式分散于鋼絲繩內(nèi)部

（1）拉伸應(yīng)力。捻制鋼絲繩時(shí)，會(huì)施加牽引力使其處于拉伸狀態(tài)，此時(shí)不產(chǎn)生塑性變形，在其彈性極限之內(nèi)，但捻制后螺旋束縛會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，其值很小往往被忽略。

（2）彎曲應(yīng)力。鋼絲繩中的鋼絲通過捻制變形后存在形式為圓柱螺旋線式，是經(jīng)過彈性和塑性共存的變形，具有一定彎曲曲率。因此，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，其是捻制應(yīng)力主要的存在形式。

（3）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。鋼絲繩內(nèi)鋼絲會(huì)隨著捻制鋼絲繩的捻股機(jī)的旋轉(zhuǎn)而扭轉(zhuǎn)，因此會(huì)形成扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，工字輪翻身措施可以有效的消除其產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，其存在會(huì)使鋼絲繩松捻、松散和旋轉(zhuǎn)。殘存拉拔應(yīng)力和捻制應(yīng)力都以拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)3種形式存在。因此，彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)也是對鋼絲繩做檢測檢驗(yàn)時(shí)考核的重要指標(biāo)。

這3種應(yīng)力的存在對鋼絲繩的質(zhì)量影響很大，盡量對其消除或減小。有些情況下卻可加以利用，比如在制造不旋轉(zhuǎn)的鋼絲繩時(shí)，適當(dāng)保留扭轉(zhuǎn)力矩可使內(nèi)外層繩的扭轉(zhuǎn)力矩平衡?？偟膩碚f，還是以消減應(yīng)力的作用為主[4]。

2 鋼絲繩在工作時(shí)的應(yīng)力

鋼絲繩工作時(shí)主要有2種受力方式：只受拉力負(fù)荷作用時(shí)和繞過滾筒或天輪時(shí)。前者主要與其運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)，如提升機(jī)工作時(shí)，鋼絲繩會(huì)隨其轉(zhuǎn)動(dòng)勻速、變速、直線、曲線運(yùn)動(dòng)，其對繩內(nèi)張力大小和方向均會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。后者是鋼絲繩繞過滾筒或天輪時(shí)，會(huì)受到輪軸的摩擦，摩擦力會(huì)使鋼絲繩形成一部分應(yīng)力；鋼絲繩經(jīng)過輪軸時(shí)產(chǎn)生彎曲，也會(huì)形成彎曲應(yīng)力存在于鋼絲繩中。

3 提高鋼絲繩不松散性能的方法

提高鋼絲繩的不松散性能，就要消除其內(nèi)部的應(yīng)力，不松散的程度與應(yīng)力消除的效果息息相關(guān)。消除應(yīng)力途徑主要有：股繩預(yù)變形，股繩和鋼絲繩的后變形，鋼絲繩低溫回火，穩(wěn)定化處理等等[5]。

3.1 股繩預(yù)變形

鋼絲繩在生產(chǎn)過程中，利用變形裝置的壓輥對鋼絲繩進(jìn)行反復(fù)彎曲變形，從而消除鋼絲繩中的應(yīng)力，獲得不松散性能，這種變形是一種機(jī)械變形，是在鋼絲繩被捻制之前，用預(yù)變形器對股繩進(jìn)行預(yù)先變形[6]。影響預(yù)變形的因素有很多，抓住其最本質(zhì)和最主要的因素作為基本原則，是能夠滿足不松散鋼絲繩生產(chǎn)所需[7]。其工藝參數(shù)需滿足以下幾個(gè)方面：①預(yù)變形形成的預(yù)螺旋應(yīng)該與鋼絲繩內(nèi)股繩的固有螺旋相符；②預(yù)變形所形成的股繩曲率應(yīng)該與鋼絲繩內(nèi)股繩的固有曲率相一致；③股繩在預(yù)變形彎曲時(shí)，其鋼絲的最大應(yīng)力應(yīng)該大于其屈服強(qiáng)度[8]。

3.2 后變形

當(dāng)股繩或鋼絲繩經(jīng)過壓線模后再對其進(jìn)行變形消除應(yīng)力。這樣可以達(dá)到更好的不松散性能，同時(shí)也增加了鋼絲繩結(jié)構(gòu)的緊密性、鋼絲繩縱向平直度和鋼絲繩表面的平整圓滑等等質(zhì)量性能。股繩的后變形主要是將出壓線模后的股繩通過多道垂直的水平的變形壓輥進(jìn)行反復(fù)彎曲矯直；鋼絲繩的后變形除了同股繩的矯直工序外，還要將鋼絲繩通過一對定徑輥，起到壓縮、定徑的作用。其主要變形工藝參數(shù)有2個(gè)：壓彎值f和滾間距L。一般采用以下經(jīng)驗(yàn)公式，并在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整[9]。

（1）

式中，DG為后變形器的變形壓輥工作直徑；D為鋼絲繩直徑。

3.3 低溫回火

對于疲勞性能要求比較高的航空鋼絲繩、膠帶鋼絲繩等等小規(guī)格的鍍鋅鋼絲繩來說，它們的捻股、合繩工藝與一般圓股鋼絲繩并無太大的差別，但是在消除應(yīng)力的方法上，除了采用預(yù)變形和后變形之外，還可以用低溫回火的辦法，使鋼絲繩中的應(yīng)力較為徹底消除，從而獲得比較高的耐疲勞性能，延長鋼絲繩的使用壽命。低溫回火包括2種情況：①鋼絲繩成繩之后在200～300 ℃的油溫下回火6～8 h；②制繩鋼絲在捻制之前經(jīng)過200～300 ℃的油溫低溫回火6～10 h。

3.4 穩(wěn)定化處理

對于一些比較重要用途的鋼絲繩，要求其具有較低的應(yīng)力松弛性能，也就是指材料在使用過程中，在一定條件下，經(jīng)過較長的時(shí)間后，其應(yīng)力損失值非常之小，其力學(xué)性能仍然相當(dāng)良好。為要獲得鋼絲繩的低松弛性能，往往要進(jìn)行穩(wěn)定化處理，也就是一種熱機(jī)械處理（形變熱處理）的過程。具體是使鋼絲繩在加熱溫度為350～400 ℃時(shí)，通過短時(shí)間加熱的同時(shí)也受到一定的張拉，并發(fā)生微笑的塑性伸長，從而消除內(nèi)應(yīng)力，改善其機(jī)械性能。具體穩(wěn)定化處理有以下3種方法。

（1）矯直回火。將鋼絲繩通過矯直以后，連續(xù)地進(jìn)入400 ℃左右介質(zhì)中（如熔鉛等）低溫回火，以便達(dá)到消除應(yīng)力的目的。該方法穩(wěn)定化處理的效果比較差，強(qiáng)度略有下降，塑性、韌性稍有提高，低松弛性能的指標(biāo)值難以達(dá)到。

（2）油淬火——回火處理。一般用于預(yù)應(yīng)力鋼絞線，將其經(jīng)過連續(xù)式管式熱處理爐加熱到880～900 ℃，再通入小于80 ℃機(jī)油中淬火，然后再進(jìn)入400 ℃左右鉛液中回火。所獲得的組織為回火屈氏體，使應(yīng)力得到消除，并降低脆性，提高機(jī)械性能，同時(shí)還能穩(wěn)定尺寸。但是長時(shí)間負(fù)荷之后，其應(yīng)力低松弛性能仍然較差，難于達(dá)到所要求的指標(biāo)值。

（3）低松弛穩(wěn)定化處理。這種穩(wěn)定化處理是將熱處理與塑性變形有機(jī)地結(jié)合起來，即“應(yīng)力消除”加上“塑性變形”，以獲得應(yīng)力低松弛性能，即在加熱到一定溫度的環(huán)境下，施加使其產(chǎn)生一定塑性變形的張力，經(jīng)過這種處理的鋼絞線或鋼絲繩，在施加負(fù)荷及疲勞狀態(tài)下，性能均勻一致，有利于延長壽命。

以上3種方法是消除鋼絲繩內(nèi)的應(yīng)力的重要手段，可使鋼絲繩不松散性得到有效改善。當(dāng)然影響鋼絲繩不松散性能的因素還有很多，如鋼絲繩本身的結(jié)構(gòu)和潤滑情況等，如：三角股或面接觸鋼絲繩不松散性能就要比點(diǎn)接觸和線接觸的鋼絲繩不松散性能較好；使用增磨脂鋼絲繩比使用普通潤滑油鋼絲繩的應(yīng)力消除效果要好，不松散性能較好。本文只探討相同結(jié)構(gòu)和潤滑情況下的提高鋼絲繩不松散性能的幾種工藝方法[10]。

4 對鋼絲繩不松散性能的檢查

對于成品鋼絲繩，一般有以下3種檢查方法來檢查鋼絲繩的不松散性能。

（1）測定變形率。從鋼絲繩中拆下4～8個(gè)捻距長的股繩，放置在平面上（玻璃板或其他平面均可），使各捻距的間隔相應(yīng)點(diǎn)接觸平面，但不能使股繩螺旋形狀破壞。仔細(xì)測量螺旋高度（實(shí)際上也是股繩的螺旋直徑）dr。并將dr與鋼絲繩實(shí)際直徑D相比，即得出股繩的變形率η:

η=dr/D×100%

（2）

當(dāng)η值在90%～100%時(shí)，鋼絲繩的不松散性能很好；當(dāng)η<90%時(shí)，鋼絲繩將松散或部分松散；當(dāng)η>100%時(shí)，說明變形過量，股繩在鋼絲繩中將出現(xiàn)松弛現(xiàn)象。鋼絲繩各股變形如果不均勻，是由于鋼絲繩各股變形率不同，會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和不松散性的均勻程度受到影響。

（2）用無齒鋸切斷鋼絲繩試樣時(shí)，把熔渣除掉，撬起一股，股并不散開或散開20～30 mm，則可視為不松散。

（3）將鋼絲繩一端解開相對立的2個(gè)股，約2個(gè)捻距長，將這2股重新恢復(fù)原位，如果股繩螺旋位置不變，繩徑也無明顯變大，股間縫隙改變也不明顯，則可視作不松散。通過實(shí)際測量3條成品鋼絲繩的變形率來檢查其不松散性。選取的3條鋼絲繩規(guī)格為6×7+FC、6×19s+FC、6V×37s+FC，如圖1所示。

通過測量，得到6×7+FC、6×19s+FC、6V×37s+FC的實(shí)際繩徑D和螺旋直徑dr分別為D1=26.0、d1r=24.5；D2=37.0、d2r=34.3；得到D3=42.6、d3r=39.8。通過公式η=dr/D×100%計(jì)算，得到6×7+FC、6×19s+FC、6V×37s+FC的變形率分別為：η1=94.2%；η2=92.7%；η3=93.4。這3個(gè)試樣變形率均在90%～100%內(nèi)，因此可判斷3個(gè)試樣不松散性能均較好。

圖1 3條鋼絲繩規(guī)格Fig.1 3 wire rope specifications

5 結(jié)語

本文對鋼絲繩不松散性對鋼絲繩的影響，導(dǎo)致鋼絲繩松散的原因，提高鋼絲繩不松散性能的方法以及如何檢查鋼絲繩不松散性的優(yōu)劣進(jìn)行了探討研究。通過試驗(yàn)測量計(jì)算3種規(guī)格的鋼絲繩變形率來檢驗(yàn)其不松散性能的好壞，綜合表明，不松散性能越好的鋼絲繩質(zhì)量越好；鋼絲繩內(nèi)部應(yīng)力為導(dǎo)致其松散的主要原因；提高鋼絲繩不松散性能的有效方法就是消除鋼絲繩內(nèi)應(yīng)力；檢驗(yàn)鋼絲繩不松散性能的有效手段是測定其變形率，變形率在90%～100%內(nèi)，且越接近100%，其不松散性能越好。