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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足廣大用戶需求，用戶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。為了滿足用戶要求，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要求。
2.2圓形橫斷面鍋絲充滿原別各類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內(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)類及填充式結(jié)構(gòu)，都是以圓形橫斷面鋼絲充滿為目的，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。籃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)
鋼絲繩是各類起重設(shè)備不可或缺的重要柔性配件，用戶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、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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