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1問(wèn)題提出 鋼絲繩是將力學(xué)性能、幾何尺寸及表面狀態(tài)均符合要求的鋼絲，按照一定的規(guī)則及前后順序捻制在一起的螺旋狀鋼絲束，鋼絲繩主要構(gòu)成材料有制繩鋼絲、繩芯和潤(rùn)滑脂及涂
1問(wèn)題提出
鋼絲繩是將力學(xué)性能、幾何尺寸及表面狀態(tài)均符合要求的鋼絲，按照一定的規(guī)則及前后順序捻制在一起的螺旋狀鋼絲束，鋼絲繩主要構(gòu)成材料有制繩鋼絲、繩芯和潤(rùn)滑脂及涂層材料等。鋼絲繩是各類(lèi)起重機(jī)械不可或缺的重要柔性配件，主要用于起重提升、張拉、懸掛等。
生產(chǎn)鋼絲繩的目的在于滿(mǎn)足廣大用戶(hù)需求，用戶(hù)期待鋼絲繩使用壽命越長(zhǎng)越好，質(zhì)量穩(wěn)定性及使用可靠性越高越好，單位使用成本越低越好。為了滿(mǎn)足用戶(hù)要求，需要確定鋼絲繩設(shè)計(jì)的基本原則，既可以用于設(shè)計(jì)鋼絲繩，也可以用于指導(dǎo)鋼絲繩生產(chǎn)創(chuàng)新技術(shù)的研發(fā)工作。
2鋼絲繩設(shè)計(jì)基本原則
2.1鋼絲繩失效機(jī)制及延長(zhǎng)其使用壽命原理微動(dòng)疲勞和腐蝕疲勞是在不同工況下造成鋼絲繩失效的兩個(gè)主要原因，是鋼絲繩在使用環(huán)境中受到微動(dòng)磨損、疲勞、腐蝕等多因素綜合作用的結(jié)果，大氣環(huán)境中使用的鋼絲繩失效過(guò)程以微動(dòng)疲勞為主，腐蝕環(huán)境中使用的鋼絲繩以腐蝕疲勞為主，如漁業(yè)用鍍鋅鋼絲繩。
顯然，微動(dòng)磨損是微動(dòng)疲勞的組成部分，即微動(dòng)疲勞是微動(dòng)磨損與疲勞的復(fù)合作用。鋼絲繩在交變應(yīng)力作用下發(fā)生的初始破壞就是鋼絲表面微動(dòng)磨損，微動(dòng)磨損產(chǎn)生磨屑從鋼絲基體剝離的過(guò)程中包括黏著、疲勞、磨粒和腐蝕等多種破壞機(jī)制，這些機(jī)制的互相疊加和彼此影響使微動(dòng)磨損機(jī)制復(fù)雜化。微動(dòng)磨損發(fā)生過(guò)程中必然要經(jīng)歷制繩鋼絲表面發(fā)生塑性變形、微裂紋萌生、擴(kuò)展、相互聯(lián)通等階段，并最終造成磨屑從鋼絲基體表面脫落。
抑制制繩鋼絲微動(dòng)磨損，防止腐蝕和應(yīng)力集中的發(fā)生，以及減緩疲勞微裂紋的萌生與擴(kuò)展速率是延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命技術(shù)措施的基本原則四，鋼絲繩設(shè)計(jì)中需要遵循這些原則并在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的技術(shù)措施。
鋼絲繩結(jié)構(gòu)眾多，使用過(guò)程中的鋼絲繩受力極其復(fù)雜，一根鋼絲繩內(nèi)部每一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的受力都不盡相同，且在不斷變化之中。在不能通過(guò)大幅度改變鋼絲繩結(jié)構(gòu)、降低其承受應(yīng)力狀況的情況下，只能借助于其他途徑延長(zhǎng)鋼絲繩使用壽命。鋼絲繩的設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)性能設(shè)計(jì)、摩擦性能設(shè)計(jì)和防腐蝕設(shè)計(jì)等，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是鋼絲繩的配絲計(jì)算及確定捻制參數(shù)；力學(xué)性能設(shè)計(jì)則為了保證整繩破斷拉力符合要求：摩擦性能設(shè)計(jì)和防腐蝕設(shè)計(jì)則是為了保證鋼絲繩耐磨損能力以及防腐蝕能力，以抵抗使用環(huán)境給鋼絲繩帶來(lái)的破壞，確保鋼絲繩使用壽命符合用戶(hù)要求。
2.2圓形橫斷面鍋絲充滿(mǎn)原別各類(lèi)鋼絲繩以圓形橫斷面結(jié)構(gòu)為主，僅編織制造的扁鋼絲繩是例外，但它也是以圓形鋼絲繩為基礎(chǔ)材料編織而成的。
鋼絲繩的主要作用是傳遞軸向拉應(yīng)力，其傳遞拉應(yīng)力過(guò)程是通過(guò)鋼絲完成的，因而在鋼絲繩橫斷面外接圓面積以?xún)?nèi)，鋼絲橫截面積所占比例越大，鋼絲繩能夠傳遞的拉力就越大。鋼絲繩結(jié)構(gòu)及鋼絲力學(xué)性能均對(duì)整繩破斷拉力有直接影響，為了保證鋼絲繩整繩力學(xué)性能，需要綜合考慮鋼絲繩的結(jié)構(gòu)與制繩鋼絲的力學(xué)性能。
鋼絲繩填充系數(shù)，也稱(chēng)密度系數(shù)，是鋼絲繩中所有鋼絲橫截面積之和與鋼絲繩公稱(chēng)外接圓橫截面積的比值，填充系數(shù)可以量化地表示出圓形橫斷面鋼絲充滿(mǎn)狀況。在設(shè)計(jì)鋼絲繩結(jié)構(gòu)時(shí)，以圓形橫斷面鋼絲充滿(mǎn)為基本原則，盡量提高鋼絲繩的填充系數(shù)，以保證鋼絲繩能夠承受盡可能大的拉力，使鋼絲繩力學(xué)性能充分發(fā)揮。壓實(shí)類(lèi)及填充式結(jié)構(gòu)，都是以圓形橫斷面鋼絲充滿(mǎn)為目的，而在大直徑粗鋼絲繩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面還有很大潛力可以挖掘。
2.3鋼絲繩內(nèi)部鍋絲表面磨損逸季最低原則鋼絲繩的磨損，包括鋼絲繩外表面的磨損及鋼絲繩內(nèi)部鋼絲表面的微動(dòng)磨損，鋼絲繩在使用過(guò)程中承受劇烈的擠壓和摩擦，導(dǎo)致鋼絲表面損傷，同時(shí)產(chǎn)生高溫引起的相變硬化，部分受損鋼絲橫截面積減小，承載能力降低，繼而發(fā)生斷裂四，磨損對(duì)鋼絲繩使用壽命有重要的影響。
鋼絲繩使用過(guò)程中受到交變應(yīng)力作用，并在拉應(yīng)力作用下發(fā)生伸長(zhǎng)變形。當(dāng)互相接觸的任意兩根鋼絲變形不同步時(shí)，它們之間將發(fā)生微動(dòng)滑移，微動(dòng)將造成鋼絲繩內(nèi)部鋼絲表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損。鋼絲繩內(nèi)部鋼絲之間的微動(dòng)現(xiàn)象是維持鋼絲繩特有柔韌性的必要條件，而柔韌性是鋼絲繩使用性能的重要組成部分，所以，不能通過(guò)技術(shù)手段去除鋼絲之間的微動(dòng)現(xiàn)象，只能采取必要的技術(shù)手段防范鋼絲表面產(chǎn)生微動(dòng)磨損損傷。
鋼絲繩使用過(guò)程中也會(huì)與變向滑輪及卷簡(jiǎn)發(fā)生摩擦，進(jìn)而對(duì)鋼絲繩表面造成磨損，這種磨損發(fā)生在鋼絲繩外層股的外層絲可見(jiàn)部分。
鋼絲表面磨損的直接結(jié)果就是鋼絲繩直徑隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小，磨損損傷處也是疲勞裂紋源的重要萌生地，鋼絲表面的嚴(yán)重磨損會(huì)加快疲勞斷絲的產(chǎn)生。
鋼絲表面的磨損速率對(duì)鋼絲繩使用壽命有直接的決定性影響，降低磨損速率能提高鋼絲繩使用壽命。為了使鋼絲表面磨損速率最低，需要將摩擦學(xué)相關(guān)知識(shí)運(yùn)用到鋼絲繩設(shè)計(jì)中，防止鋼絲繩發(fā)生外部及內(nèi)部鋼絲表面的磨損損傷。
為達(dá)到鋼絲表面磨損速率最低的目的，可以采取的具體措施包括選用與使用環(huán)境適宜的潤(rùn)滑脂、能夠?qū)︿摻z表面給予保護(hù)的涂層材料、相互接觸鋼絲之間硬度的匹配等，其中涂層技術(shù)是防止鋼絲發(fā)生微動(dòng)磨損的最重要技術(shù)手段，涂層材料應(yīng)該與鋼絲基體結(jié)合牢固，耐磨損抗腐蝕，涂層只需要比較薄的厚度就能達(dá)到理想的保護(hù)效果，不能因?yàn)槭褂昧送繉硬牧隙档弯摻z繩整繩破斷拉力。涂層材料必須能夠隨鋼絲一起發(fā)生一定程度的彎曲變形，并且在反復(fù)彎曲變形過(guò)程中不從鋼絲基體脫落。就目前鋼絲繩生產(chǎn)制造技術(shù)而言，磷化涂層鋼絲繩專(zhuān)利技術(shù)，尤其是錳系磷化涂層具有極強(qiáng)的耐磨損性能，以及良好的防腐蝕性能，錳系磷化涂層保護(hù)鋼絲表面防止微動(dòng)磨損效果最好，它的疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越光面鋼絲繩國(guó)，涂層鋼絲繩是光面鋼絲繩的升級(jí)換代產(chǎn)品，涂層化是鋼絲繩制造技術(shù)的發(fā)展方向回?；@系磷化涂層鋼絲繩疲勞壽命得到大幅度的提高，就是因?yàn)殄i系磷化涂層大幅度提高了制繩鋼絲表面的耐磨損能力與抗腐蝕能力，錳系磷化涂層鋼絲生產(chǎn)技術(shù)非常成熟而且成本低廉，該項(xiàng)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景-。其他涂層技術(shù)還有很多，有待于進(jìn)一步的研發(fā)。
2.4微裂紋萌生、擴(kuò)展速車(chē)最慢原到隨時(shí)間變化的載荷稱(chēng)為交變載荷，這種變化包括周期性變化與非周期性變化，鋼絲繩承受的是交變載荷，而且在鋼絲繩圍繞滑輪變向時(shí)，還要承受彎曲應(yīng)力的作用，變向滑輪直徑越小，承受的彎曲應(yīng)力越大。
金屬材料從發(fā)生塑性變形到結(jié)構(gòu)破壞要經(jīng)歷十分復(fù)雜的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程中材料的損傷程度不斷積累并發(fā)展直至失效。金屬材料因受到力的作用而發(fā)生疲勞斷裂的過(guò)程，包括疲勞微裂紋的萌生、疲勞微裂紋的擴(kuò)展、宏觀裂紋的擴(kuò)展直至發(fā)生疲勞斷裂。疲勞微裂紋易產(chǎn)生在材料表面最薄弱處，如表面磨損損傷處、夾雜物與鋼材兩相界面處，鋼絲繩的失效過(guò)程也遵循上述規(guī)律。斷裂總是始于裂紋端的極小區(qū)域，當(dāng)外載荷引起的應(yīng)力在裂紋端大于內(nèi)聚強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生斷裂。
鋼絲繩的捻制結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的，非專(zhuān)業(yè)人員很難分清其中的異同，從某個(gè)方面看，鋼絲繩結(jié)構(gòu)又是極其簡(jiǎn)單的，其主要構(gòu)成材料就是鋼絲、繩芯、潤(rùn)滑脂及涂層材料。鋼絲繩的斷裂過(guò)程，是在外力作用下發(fā)生的。限于鋼絲繩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，不能像普通機(jī)械零件那樣，通過(guò)大幅度改變零件結(jié)構(gòu)形狀達(dá)到降低零件承受的應(yīng)力，以達(dá)到減緩失效進(jìn)程延長(zhǎng)使用壽命的目的。
疲勞裂紋源易在鋼絲表面脆性?shī)A雜物與鋼材基體兩相界面處萌生，脆性?shī)A雜物不能傳遞鋼絲承受的拉應(yīng)力，在兩相界面處的應(yīng)力集中促進(jìn)疲勞裂紋源的萌生。制造鋼絲繩應(yīng)該選用純凈度高、脆性?shī)A雜物含量少、脆性?shī)A雜物粒度小的優(yōu)質(zhì)盤(pán)條為原料，以降低鋼絲疲勞微裂紋萌生的幾率。
晶界對(duì)微裂紋的擴(kuò)展有阻礙作用，晶粒越細(xì)則晶界越多，阻礙微裂紋擴(kuò)展的作用越大。鋼絲熱處理時(shí)需要注意控制晶粒度，為降低微裂紋擴(kuò)展速率創(chuàng)造條件。
制繩鋼絲需要測(cè)試抗拉強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)及彎曲值，用以測(cè)試鋼絲在拉應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力及彎曲應(yīng)力作用下抵抗塑性變形及破壞的能力，對(duì)應(yīng)的測(cè)試結(jié)果數(shù)值越高，說(shuō)明鋼絲抵抗破壞的能力越強(qiáng)，因此，在保證制繩鋼絲抗拉強(qiáng)度符合要求的情況下，盡量選用扭轉(zhuǎn)值與彎曲值高的鋼絲。為了得到高強(qiáng)度高韌性的制繩鋼絲，在保證鋼絲熱處理質(zhì)量的前提下，制定科學(xué)合理的鋼絲拉拔工藝同樣至關(guān)重要，在選定盤(pán)條鋼號(hào)、部分壓縮率和總壓縮率時(shí)需要統(tǒng)籌考慮.鋼絲繩的力學(xué)性能是由鋼絲組合而成的，有高強(qiáng)度高韌性的制繩鋼絲，才能制造高質(zhì)量的鋼絲繩。選用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼為原料，輔以科學(xué)合理的生產(chǎn)流程及過(guò)程控制，才能達(dá)到理想效果，在保證鋼絲繩整繩力學(xué)性能的前提下，抑制或延緩疲勞微裂紋萌生、擴(kuò)展，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。
2.5腐蝕這傘最低原則
鋼絲繩的主要原料是優(yōu)質(zhì)碳素鋼絲（不銹鋼絲繩使用不銹鋼絲）。為了得到高強(qiáng)度的制繩鋼絲，制繩鋼絲的冷拉總壓縮率一般大于75%，在82%-
93%的居多，這樣可以得到高強(qiáng)度及高韌性的最佳組合，有利于提高鋼絲繩整體使用性能。這種冷拉高強(qiáng)度制繩鋼絲內(nèi)部已經(jīng)形成變形織構(gòu)，鋼絲在變形過(guò)程中承受的機(jī)械功，大部分使鋼絲變形或轉(zhuǎn)化為熱能而散失，l%-10%的能量以各種應(yīng)變能的方式儲(chǔ)存在鋼絲中，冷拉鋼絲內(nèi)部因此積蓄了很高的內(nèi)能，處于熱力學(xué)上的不穩(wěn)定狀態(tài)，有自發(fā)向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，即使是在大氣環(huán)境中，也很容易發(fā)生氧化銹蝕。
在大氣環(huán)境中使用的鋼絲繩，其失效主要原因是微動(dòng)疲勞，鋼絲表面的氧化銹蝕往往與磨損交替發(fā)生。海洋使用的鋼絲繩則以氯離子腐蝕為主，其主要失效原因是腐蝕疲勞。
腐蝕會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，腐蝕直接造成鋼絲橫截面積的減小，鋼絲表面的點(diǎn)狀腐蝕處也是疲勞裂紋源的重要萌生地。還有一個(gè)問(wèn)題需要給子足夠重視，鋼絲在發(fā)生電化學(xué)腐蝕過(guò)程中，可能會(huì)有氫原子析出，進(jìn)而引發(fā)氫脆。
因此，必須采取技術(shù)措施防止腐蝕的發(fā)生，使鋼絲繩腐蝕速率降到最低。除了潤(rùn)滑脂具有防銹效果以外，金屬材料常用防止腐蝕的方法有采用表面涂（）層技術(shù)與表面改性技術(shù)、合理使用緩蝕劑、電化學(xué)保護(hù)、通過(guò)合金化提高材料耐蝕性等，顯然，最適合鋼絲繩的防腐蝕技術(shù)是表面保護(hù)涂皺層，目前使用最多的是熱鍍鋅及涂塑等。為了提高鋼絲繩的防腐蝕能力，需要研發(fā)防腐蝕效果更好的涂皺層技術(shù)，使用復(fù)合涂層技術(shù)可以大幅度提高鋼絲繩的耐腐蝕能力。
2.6柔翻性適中原劑
鋼絲繩的柔韌性是其使用性能的重要組成部分，尤其是一些特殊用途的鋼絲繩，需要較高的柔韌性。
鋼絲繩柔韌性是指鋼絲繩柔軟的程度，或者說(shuō)是鋼絲繩彎曲變形抗力的大小，鋼絲繩的柔韌性越高就越容易彎曲變形，可以使用較小直徑的變向滑輪，以便于在較小的空間內(nèi)正常使用。鋼絲繩柔韌性的主要影響因素有結(jié)構(gòu)、制繩鋼絲強(qiáng)度等級(jí)和股繩及鋼絲繩的捻距等。一般而言，相同直徑的鋼絲繩，內(nèi)部鋼絲直徑越小，則鋼絲繩柔韌性越好，麻芯鋼絲繩柔韌性好于鋼芯鋼絲繩，捻距小的鋼絲繩柔韌性好于捻距大的鋼絲繩。
使用細(xì)小直徑的鋼絲和復(fù)雜的捻制結(jié)構(gòu)，可以提高鋼絲繩的柔韌性，但提高柔韌性的同時(shí)，細(xì)小直徑鋼絲組成的鋼絲繩具有更多的摩擦滑移表面，更容易發(fā)生微動(dòng)磨損，磨損會(huì)降低鋼絲繩使用壽命，使用細(xì)小直徑鋼絲還會(huì)降低鋼絲繩的生產(chǎn)效率。通過(guò)對(duì)上述影響因素的調(diào)整，可以保證鋼絲繩的柔韌性符合用戶(hù)要求，但應(yīng)堅(jiān)持柔韌性適中原則。
2.7同心層鋼絲或股繩保留一定間隙原剩鋼絲繩間隙設(shè)計(jì)思想，可簡(jiǎn)要?dú)w納為在鋼絲繩設(shè)計(jì)時(shí)，考慮捻制生產(chǎn)工藝對(duì)鋼絲與股的形變影響，保持鋼絲繩中相鄰股、股中相鄰絲之間的適當(dāng)間隙口。
設(shè)計(jì)鋼絲繩結(jié)構(gòu)時(shí)，同心層鋼絲或股繩應(yīng)保留一定間隙，這樣可以保證股繩及鋼絲繩捻制過(guò)程中外層壓緊內(nèi)層鋼絲，確保股繩及鋼絲繩橫斷面結(jié)構(gòu)的緊密性和穩(wěn)定性叫。應(yīng)該注意的是，這種預(yù)設(shè)的間隙在捻制結(jié)構(gòu)中是隨機(jī)分布而不是均勻分布的，而且鋼絲或者股繩所有的表面是不能全部懸空的，也就是說(shuō)鋼絲或股繩總是有一定的表面與其他鋼絲或股繩互相接觸，只要接觸表面之間有微動(dòng)現(xiàn)象就必然引起微動(dòng)磨損的發(fā)生，所以，同心層鋼絲或股繩保留一定間隙，可以確保捻制結(jié)構(gòu)的緊密性和橫斷面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對(duì)于減緩或抑制制繩鋼絲的表面微動(dòng)磨損損傷而言，意義不大。
2.8生產(chǎn)效季最高原別
鋼絲繩的設(shè)計(jì)，以結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計(jì)為主要任務(wù)，但也需要兼顧生產(chǎn)效率的提高。在保證鋼絲繩使用性能符合用戶(hù)要求的情況下，必須盡量提高鋼絲繩的生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)效率能夠提高產(chǎn)能并且降低制造成本。
生產(chǎn)效率可以使用多種指標(biāo)來(lái)衡量。以單位時(shí)間內(nèi)捻制鋼絲的重量為指標(biāo)，則在生產(chǎn)同結(jié)構(gòu)股繩或鋼絲繩時(shí)，股繩或鋼絲繩直徑越大生產(chǎn)效率越高：以單位時(shí)間內(nèi)捻制鋼絲的表面積為主要指標(biāo)，則在生產(chǎn)同直徑股繩或鋼絲繩時(shí)，配絲或配股越多則生產(chǎn)效率越高。如生產(chǎn)1×37（1+6+12+18）點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)股繩，需要捻制三次，這種情況下則可以考慮使用1×36WS結(jié)構(gòu)代替，后者可以一次捻制完成，這樣就可以提高生產(chǎn)效率。
點(diǎn)線(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)，不僅適用于股繩結(jié)構(gòu)，也適用于鋼絲繩結(jié)構(gòu)，鋼絲繩捻制設(shè)備根據(jù)需要將向大型化與復(fù)合化方向發(fā)展，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。
3結(jié)語(yǔ)
鋼絲繩是各類(lèi)起重設(shè)備不可或缺的重要柔性配件，用戶(hù)期待鋼絲繩使用壽命越長(zhǎng)越好，單位使用成本越低越好。設(shè)計(jì)鋼絲繩以保證鋼絲繩使用性能并盡量延長(zhǎng)使用壽命為首要目的，需要通過(guò)技術(shù)措施抑制并推遲微動(dòng)疲勞或腐蝕疲勞的發(fā)生時(shí)間。設(shè)計(jì)鋼絲繩以圓形橫斷面充滿(mǎn)、鋼絲表面磨損速率最低、微裂紋萌生與擴(kuò)展速率最慢、腐蝕速率最低、柔韌性適中、同心層保留一定間隙及生產(chǎn)效率最高等為基本原則。按照以上原則設(shè)計(jì)鋼絲繩時(shí)，需要統(tǒng)籌兼顧，用一項(xiàng)技術(shù)措施同時(shí)達(dá)到多重效果是最佳方案，上述設(shè)計(jì)原則對(duì)鋼絲繩制造技術(shù)研發(fā)也有指導(dǎo)意義。
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