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1概述 除小規格3股和4股鋼絲繩可能沒有繩芯外，對圓鋼絲繩而言，繩芯通常不可或缺，其重要功能之一是對相鄰層股提供支撐而保持鋼絲繩結構完整。繩芯尺寸不合適的直接表現就是因
1概述
除小規格3股和4股鋼絲繩可能沒有繩芯外，對圓鋼絲繩而言，繩芯通常不可或缺，其重要功能之一是對相鄰層股提供支撐而保持鋼絲繩結構完整。繩芯尺寸不合適的直接表現就是因影響股間隙而影響鋼絲繩捻制質量。EN12385-3：20040規定多層纏繞鋼絲繩應選擇金屬芯結構，根本原因在于纖維繩芯支撐能力的相對欠缺。為保證纖維繩芯支撐效果，強企總是不斷進行改善繩芯質量研究，并將使用特殊芯作為特色技術，如對使用效果與繩芯質量密切相關的索道鋼絲繩、三角股鋼絲繩。圖1為Redaelli索道鋼絲繩纖維芯，圖2、圖3為TEUFEIBERGER索道鋼絲繩彈性組合繩芯（plastic-
compound-core）。Bridon 三角股鋼絲繩、多層扁股鋼絲繩纖維繩芯長期用料特殊。雖然金屬繩芯質量相對容易控制，但實現高質量其實也不簡單。強企在繩芯結構上大做文章已常態化。如Bridon圖4、圖5，HAGGIE圖6，Usha martin圖7，Casar圖8、圖9，VORNBAUMEN 圖10，TEUFELBERGER 圖11、圖12，PYTHON圖13、圖14等鋼絲繩繩芯。
強企對繩芯研究如此投入，無疑反映了繩芯對鋼絲繩使用壽命所具有的重要影響，世界多家知名企業制造電鏟鋼絲繩繩芯均采用2層股2次合繩結構，如圖4鋼絲繩。現澳大利亞、英國等國認為采用平行捻鋼絲繩芯更合適，并有相應產品上市，如圖15鋼絲繩。繩式芯鋼絲繩分為獨立繩芯鋼絲繩、平行捻鋼絲繩2大類型。不具有抗旋轉性能單層股鋼絲繩繩芯與具有抗旋轉性能多層股鋼絲繩（其也應視為繩式芯鋼絲繩）繩芯主要區別：其一，前者通常捻向和外層繩捻向相同，且外層繩為交互（同向）捻時，繩芯為同向（交互）捻，后者繩芯捻向一定和外層繩捻向相反，且如果繩芯與外層繩沒有被聚合物隔離，繩芯相對合理的捻法是交互捻；其二，后者繩芯直徑相對前者明顯要大（外層8根股結構時除外）。如GB/T8706-2006/IS017893：2004單層股非抗旋轉鋼絲繩、多層股抗旋轉鋼絲繩外層股最多依次為8根、18根，假設股在繩中處于非捻制狀態，則相應繩芯直徑依次約為外層繩直徑的45.07%、70.41%；其三，前者通常不參與拆股檢驗，而后者與之不同。抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯與不抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯主要區別：其一，外層繩股數相同時，不抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯直徑相對略大；其二，不抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯股與外層繩股在繩中具有相同捻向、相同捻距和相對固定的排列方式；其三，抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯合繩次數或與繩芯股層數一致，或少于股層數，不抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯股與外層繩股一次合繩；其四，抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯股層數、股在繩中排列方式影響鋼絲繩結構，不抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯不影響鋼絲繩結構，至少是不影響鋼絲繩結構簡式；其五，不抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯股在鋼絲繩中不能保持與外層繩股具有相同捻角。抗旋轉多層股鋼絲繩繩芯為單層股、或者繩芯合繩次數與繩芯組股層數一致時，繩芯股通常與外層繩股具有相同的捻角，如果繩芯股層數多于繩芯合繩次數，則繩芯不同層股捻角不同。筆者收集不同企業資料，就相關問題進行探討。
2分析與研究
2.1纖維繩芯
2.1.1控制原材料質量
纖維繩芯按材質分為天然纖維繩芯和合成纖維繩芯2大類，前者相對后者儲油效果好，但直徑均勻性相對較差、容易吸潮，后者長時間受光合作用易老化。不過可以肯定的是，隨著合成纖維制造技術進步，合成纖維繩芯使用會越來越廣泛，用其代替天然纖維繩芯已成趨勢。如果必須選擇天然纖維繩芯，應選擇質地較硬、抗擠壓能力較強、破斷拉力較高、吸潮性較差的劍麻繩芯。目前制造合成纖維繩芯基材形狀上有絲狀、帶狀（或稱片狀）和網帶狀（或稱網狀）3大類型。筆者了解后者在國內少有企業使用。網帶狀纖維繩芯相對絲狀纖維繩芯、帶狀纖維繩芯可以提高繩芯貯油量。制造合成纖維繩芯，必須控制好基材尺寸，如帶狀纖維的寬度與厚度。另外，還須考慮繩芯材質對鋼絲繩使用環境的適應性，防止其過早老化。鋼絲繩生產企業在認識纖維繩芯質量對鋼絲繩質量具有重要影響性的同時，應將對繩芯產品特性控制交于專業企業，畢竟術業有專攻。
2.1.2控制繩芯密度
無論纖維繩芯材質如何，相對金屬繩芯，其直徑控制相對較難，除因纖維繩芯尺寸不易精確計算外，最大問題是纖維繩芯有相對大的彈性。纖維繩芯質量控制重點應該是密度，即控制相應規格纖維繩芯單位長度質量。實踐證明，從保證纖維繩芯支撐效果看，這比單純控制直徑和附加控制繩、股捻距倍數更重要，況且繩芯直徑測量結果往往因人而異。雖然ISO4345-1988]明確繩芯直徑測量應在一定張力條件下進行，但實際并沒有獲得常態化應用，繩、股捻距倍數測量誤差也大。常規控制直徑并不能保證纖維繩芯質量相對穩定。用控制繩芯密度控制繩芯質量須得到重視，標準規定繩芯直徑測量方法應得到執行。
2.1.3控制繩芯加油工藝
纖維繩芯相對金屬繩芯最大優點在于：其一，可適當增加鋼絲繩柔軟性；其二，能使鋼絲繩在使用中獲得相對更好的潤滑與相對更好的防腐保護。國內纖維繩芯長期采用2種加油工藝：油槽常壓浸油和壓力浸油0。并認為后者因相對前者含油率高而更合理。然而通過與國外鋼絲繩生產企業、油脂生產企業技術交流，2種工藝存在一定問題，主要是纖維繩芯采用這種加油方式，其硬度會顯著降低而影響其支撐能力。國外對纖維繩芯加油通常有以下幾種：其一，捻制纖維股時淋油，類似鋼絲捻股淋油，用此狀態股捻繩；其二，不浸油纖維股捻繩時淋油，類似鋼絲捻股不淋油而合繩淋油；其三，部分纖維充分浸油后與未浸油纖維混合捻股，用此狀態股捻繩；其四，纖維表面浸（淋）油后捻股并捻繩。需要說明的是，國外企業強調纖維繩含油量適當即可，與國內企業重視提高繩芯含油率不同。大量案例表明，纖維繩芯鋼絲繩早期失效往往并非因為繩芯含油量不足，股得不到繩芯持續充分有效支撐往往是導致問題產生的主因，也正因為如此，如果不是鋼絲繩使用工況特殊，使用金屬繩芯比使用纖維繩芯能使鋼絲繩獲得相對更優的效果。
2.1.4控制纖維芯結構
ISO4345-1988規定鋼絲繩纖維繩至少由3股組成，采用3股結構也確實最為常見，且捻法以交互捻居多。然而，從強企實物看，3股結構并不唯一，采用4股也有，如TEUFELBERGER索道鋼絲繩纖維繩芯以數根幾乎未捻纖維條為中心，在其外捻制4根同樣材質的纖維股，另一國外企業仿制該繩芯，只是中心為單根股而已，且中心股捻向與纖維繩捻向相反，股均采用網狀纖維。增加纖維繩股數，主要原因是采用3股結構時股間谷部空隙相對較大而影響其對外層股支撐能力，另外，3股結構時纖維繩直徑均勻性相對較差。國內企業生產粗直徑纖維繩芯鋼絲繩，有時采用類似結構，不過通常是以3股纖維繩為中心，在其外再捻4根3股纖維繩，實踐證明采用這種結構取得了不錯的效果，關注纖維繩芯結構也是重視其質量的體現。
2.2繩式芯
2.2.1單層股鋼絲繩繩芯
2.2.1.1繩芯結構
2.2.1.1.1突出改善繩芯對鋼絲繩壽命影響標準并不強制繩芯具體結構，但鑒于繩芯對保持鋼絲繩結構完整性所具有的重要作用，其結構必須相對合理。雖然6股、8股鋼絲繩繩芯常用6×7-1×7結構，但這種結構相對簡單、生產效率相對較高，但該結構并不具有通用性，更不總是理想結構。標準將獨立繩式繩芯采用“1WRC”符號表示，更大程度上是方便鋼絲繩制造者根據其自身技術能力設計更加合理結構的繩芯。如對8股粗直徑電鏟鋼絲繩，英國、加拿大、美國、澳大利亞等國企業普遍認可2層股繩芯，事實也證明這種繩芯確實比單層股繩芯更有利于提高鋼絲繩使用壽命，否則其也不會成為多家國外企業電鏟鋼絲繩“標配”繩芯。歐洲企業繩芯使用多層股結構也很常見，如TEUFEL-
BERGER圖12、Casar 圖16、Redaelli圖17鋼絲繩繩芯。筆者注意到，從目前資料看，2層股平行捻鋼絲繩作為繩芯時有填充型、瓦林吞型、西魯型3種結構，依次如圖7、圖12、圖17鋼絲繩繩芯。2層股繩芯相對單層股繩芯，繩芯制造流程肯定會加長，但強企做法一定是有利于改善鋼絲繩壽命。
2.2.1.1.2重視繩芯結構多樣性相當多企業生產的鋼絲繩在使用中繩芯表面容易出現早期大量斷絲，甚至繩芯完全斷裂，排除繩芯鋼絲質量影響因素，與繩芯設計可能存在問題密切相關，且事實證明后者往往更是主因。繩芯早期斷絲，只是因為檢查不便而顯得用戶關注度不高、反映不強烈，或者用戶、鋼絲繩制造者對此現象習以為常。鑒于在所有影響鋼絲繩性能因素中最重要的影響因素是結構，因此，改善繩芯性能必須從研究結構入手。匯集世界鋼絲繩制造強企資料，筆者發現繩芯結構形式上的多樣性特征非常明顯。RR-W-
410E-20020之“3.2.3…獨立鋼絲繩繩芯可以是一根具有纖維芯或鋼絲股芯的6×7鋼絲繩（當采用鋼絲股芯時，其結構為7×7）。6×61結構（種類I，一般用途，類型5）和6×91結構（種類I，一般用途，類型6）的鋼絲繩在獨立鋼絲繩繩芯中的每根股繩應有19根鋼絲而不是7根鋼絲（構成7×19）
…”描述，就是從標準的角度闡述應根據鋼絲繩結構選擇合適結構繩芯。雖然GB/T5972-2006回給出服役鋼絲繩允許最多可視斷絲數不考慮繩芯鋼絲，但隨著用戶作業安全意識的不斷提高，繩芯早期相對嚴重斷絲已引起使用者高度關注。目前國內雖有企業開展繩芯設計改進研究，但還不普遍。一定要認識到強企在繩芯結構多樣性上大做文章絕不是作秀，一定是提高繩芯鋼絲繩使用壽命研究技術成果的體現。
2.2.1.1.3繩芯參數設計必須與外層繩聯動
繩芯直徑是繩芯最重要參數，但考慮到繩芯與鄰
層股肯定存在接觸，所以其參數絕非只有直徑。因為既然有接觸，就必然存在擠壓應力，如果繩芯鋼絲受到擠壓應力大，會造成繩芯鋼絲早期斷裂并導致繩芯
直徑發生變化。在保證繩芯有相對合適直徑與合適
結構前提下，其參數設計必須和外層繩、股結構與捻制參數聯動，并考慮其能夠正常捻制（這里正常捻制
是指股、繩捻距倍數取值在正常范圍），應將減小繩芯
鋼絲受到擠壓應力盡可能小作為繩芯參數設計必須
考慮約束條件-]。理論分析與實踐證明，由于繩芯參數設計不當，服役鋼絲繩繩芯斷絲差異非常明顯。圖18是僅改變繩芯捻制參數的鋼絲繩疲勞試驗后繩芯表面斷絲對比，圖片清楚顯示了捻制參數設計是否合理的重要性。獨立繩芯雖然是獨立捻制鋼絲繩，但其參數設計其實并不獨立，必須與外層繩、股結構與捻制參數聯動。
設計繩芯中心股結構、捻向與參數同樣需要設
法減小中心股外層鋼絲受到小的擠壓應力，具體要
考慮以下因素。其一，中心股捻距倍數取值正常，以保證其合理捻制；其二，中心股捻向應考慮與之相鄰
層股構成鋼絲繩捻向，不能只單純考慮繩芯捻制時
中心股鋼絲不易浮起；其三，中心股外層鋼絲不宜太小，以防止其抗擠壓能力不足；其四，中心股外層鋼
絲捻角應盡可能接近繩芯外股在鋼絲繩中捻角，以減小中心股鋼絲過載的可能。“鋼絲繩側股側絲與
芯絲呈現線接觸狀態”00和“由本課題組開發的鋼
絲繩設計軟件可以計算出使接觸角最小的最佳繩捻
距倍數”[u]的研究成果值得參考。
2.2.1.2繩芯鋼絲
2.2.1.2.1控制繩芯鋼絲強度級別
繩芯中心股長度相對組繩其他位置股最短。繩
芯鋼絲總面積占組繩鋼絲總面積比例相對外層繩（有時也稱主繩）占組繩鋼絲總面積比例要小。即使設計繩芯外股與外層繩股（有時也稱主股）在鋼絲繩中具有相同捻角，由于繩芯與外層繩分開捻制，實現繩芯股與外層繩股受力均勻也并不容易。設計繩芯鋼絲強度級別應考慮：其一，為防止對鋼絲繩加載繩芯因過載而早期斷裂，繩芯鋼絲應有好的塑性，以使其產生適當延展從而使其與主股鋼絲受力盡可能一致，故繩芯鋼絲強度級別不宜過高；其二，對任何結構繩芯鋼絲繩，由于決定鋼絲繩承載能力最大的一定是主股外層鋼絲，如果繩芯鋼絲強度相對較高，則意味著其硬度相對會大，這將容易造成主股外層鋼絲被磨損而影響鋼絲繩承載能力，故繩芯鋼絲強度級別不應高于主股外層鋼絲，這與RR-W-410E-2002中3.2.3
…IWRC中的鋼絲應與鋼絲繩股繩中所用的鋼絲具有相同材料或較低抗拉強度……”規定一致。
2.2.1.2.2控制繩芯鋼絲規格通常繩芯外股外層鋼絲直徑小于主股外層鋼絲直徑，盡管這并非刻意設計，但所導致的問題是繩芯鋼絲抗擠壓能力不足，如將服役后鋼絲繩拆開即可發現繩芯鋼絲表面存在明顯壓痕。繩芯鋼絲直徑小的優點是繩芯股與主股相互擠壓過程中主股鋼絲受到損傷小，但這絕不意味著繩芯鋼絲直徑越小越好，因為鋼絲直徑越小其抗擠壓能力越弱，如果繩芯鋼絲因受到主股鋼絲擠壓而早期斷裂，則意味著不僅減小了組繩承載鋼絲總面積，更重要的是會導致繩芯直徑減小，并因此減小主股間隙，如果引發主股接觸，對鋼絲繩疲勞壽命與鋼絲繩破斷拉力將產生非常不利的影響，因此，應對繩芯鋼絲直徑予以適當控制。
2.2.1.2.3控制繩芯鋼絲質量雖然大多數標準規定鋼絲繩拆股檢驗取樣不含繩芯鋼絲，但這并不意味著不需要控制繩芯鋼絲質量。首先需要肯定的是，標準明確組繩所有鋼絲性能均應符合相應技術規范，繩芯鋼絲也不例外，不應因為標準規定拆股檢驗不含繩芯鋼絲而放松對繩芯鋼絲的質量控制，繩芯鋼絲本身質量不高也會出現早期斷絲，制作繩芯不是性能不合格鋼絲的正常處理通道，僅控制繩芯鋼絲尺寸而放松對其性能要求的做法并不可取。
2.2.2多層股抗旋轉鋼絲繩繩芯2.2.2.1合繩次數等于組繩股層數的抗旋轉鋼絲繩繩芯
2.2.2.1.1控制繩芯不同層股在繩中捻角捻制合繩次數等于組繩股層數的多層股抗旋轉鋼絲繩如同捻制多工序交叉捻股，無論繩芯是單層股結構，如18×7類，還是多層股結構，如34（M）x7類鋼絲繩繩芯，單層股繩芯外層股、多層股繩芯不同層股在繩中均應保持與外層繩股在繩中捻角相等，這是繩芯設計必須遵守的原則，因為可以通過不同層股在繩中具有相同捻角實現組繩股受力均勻，這與多工序交叉捻股不同層股鋼絲在股中具有相同捻角相一致。
2.2.2.1.2控制繩芯不同層繩捻法（向）配置多層股抗旋轉鋼絲繩繩芯捻向與外層繩捻向一定相反。無論外層繩捻法如何，繩芯選擇交互捻相對合適，這可使外層繩股與繩芯股間鋼絲交叉程度最輕。至于RR-W-410E-2002規定交互捻18×7類鋼絲繩，繩芯捻法為同向捻，筆者分析認為可能基于該鋼絲繩不是抗旋轉性能優異結構，繩芯設計成同向捻有以下優點：其一，可以提高繩芯抵抗外層繩的抗旋轉性能而改善鋼絲繩抗旋轉性能；其二，可以發揮同向捻抗磨損性能優的捻法特點而提高繩芯抗磨損性能。對抗旋轉性能優異結構，如23×7類、
34（M）×7類、34（W）×7類鋼絲繩，若繩芯表面沒有聚合物，則無論外層繩捻法如何，繩芯選擇交互捻也是相對合理的，若有聚合物，也可考慮選擇同向捻，這是因為：其一，由于聚合物的機械隔離作用，可以不必過度考慮繩芯股與外層繩股鋼絲擠壓應力；其二，這種鋼絲繩外層繩股數相對較多而使繩芯直徑相對較大，繩芯選擇同向捻可以發揮同向捻柔軟性好的捻法特點提高鋼絲繩柔軟性。注意，對抗旋轉性能好的2層股鋼絲繩，繩芯通常會有填充股，如圖9、圖11和TEUFELBERGER圖19鋼絲繩。對圖19鋼絲繩繩芯，從4根填充股看，繩芯為交互捻，從內層股看，繩芯為同向捻，即繩芯是混合捻，這種設計的好處在于：其一，填充股直徑小，且在繩芯中具有大的捻距倍數，繩芯選擇交互捻可以更好保證繩芯捻制過程中填充股鋼絲不易浮起，同時由于外層繩是同向捻，即使聚合物隔離功能降低，也可減小填充股鋼絲所受擠壓應力；其二，該鋼絲繩外層股數多而內層股數少，選擇同向捻有利于提高繩芯的柔軟性。AS3569-1989]圖20鋼絲繩層繩捻法（向）配置值得注意，文獻D3]34
（M）x7-WSC內層繩與外層繩捻向相同而與中間層繩捻向相反的層繩捻向配置值得商植。
2.2.2.2合繩次數少于組繩股層數多層股抗旋轉鋼絲繩繩芯
2.2.2.2.1控制繩芯外層股捻角對合繩次數少于組繩股層數標準結構類別的多層股抗旋轉鋼絲繩，其繩芯一定是平行捻結構
3結語
繩芯通常是圓截面鋼絲繩不可或缺的重要組成件，對鋼絲繩性能及使用壽命具有重要影響，做好鋼絲繩必須做好繩芯。控制纖維繩芯質量，除控制直徑外，更應重視密度控制，在其制造中應使用合理的加油工藝，標準關于繩芯直徑測量方法應得到執行。金屬繩芯因為鋼絲繩結構類型不同，其質量控制既有共同點，又有不同點，共同點是：其一，應盡可能將層股鋼絲接觸應力控制到最小；其二，應注意對中心結構保護；其三，不可忽視繩芯鋼絲質量，尤其對多層股鋼絲繩。對不具有抗旋轉性能的單層股鋼絲繩繩芯：其一，鋼絲繩為交互（同向）捻時，繩芯為與之捻向相同的同向（交互）捻；其二，繩芯結構、捻制參數設計應與外層繩聯動；其三，繩芯中心結構與捻向設計應基于中心股能正常捻制、中心結構鋼絲受到鄰股擠壓應力較小及中心股鋼絲與繩芯股受力盡可能均勻；其四，繩芯鋼絲強度級別不應超過主股外層鋼絲，其規格應大小適宜；其五，性能不合格鋼絲也不能用于鋼芯生產。對多層股抗旋轉鋼絲繩繩芯：其一，無論外層繩捻法如何，繩芯選擇交互捻是相對合適的。如果鋼絲繩采用壓實股組繩，或者外層繩與繩芯被聚合物隔離，繩芯也可能選擇同向捻；其二，對合繩次數等于組繩股層數的結構，繩芯不同層股應與外層繩股在繩中保持相同捻角，繩芯不同層股在繩中應保持相同捻向。對合繩次數少于組繩股層數結構，繩芯外層直徑相對較大股應與外層繩股在繩中保持相同捻角，繩芯不同層捻法配置參考不具有抗旋轉性能的單層股鋼絲繩；其三，應采用措施防止中心結構早期失效。對平行捻鋼絲繩繩芯：其一，組繩不同層股所在鋼絲繩捻法配置同非抗旋轉鋼絲繩，即繩芯中相鄰層股對應層繩捻法不同；其二，組繩不同層股捻制參數應聯動設計。世界強企對繩芯質量控制研究技術確實走在國內前列，并得到了實踐驗證，國內企業應跳出傳統思維模式，樹立做好鋼絲繩必須用心做好繩芯的思想，并在生產中實施。
