鋼絲繩不松散性能提高研究

楊西東

（河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001）

鋼絲繩的使用在社會經濟發展中有著舉足輕重的地位，由于其應用廣泛，提高其安全使用性能對保障國家安全生產有著重要意義。在鋼絲繩生產過程中，不松散對于鋼絲繩是一項極為重要的性能指標，對于鋼絲繩的好處主要表現在以下5個方面：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截斷鋼絲繩時，各股及鋼絲不會散開，仍保持其本身位置和捻距大小，不致使鋼絲繩的結構遭到破壞；③繩中各股與繩芯之間以及各股中鋼絲之間接觸緊密，在使用中結構伸長量小，鋼絲繩直徑變動小；④鋼絲繩的可撓性得到提高，變得柔軟；反撥力小，不會打卷結扣；不旋轉性能得到改善。因此，不松散鋼絲繩安裝方便，使用安全、可靠，受力均勻，運行平穩；⑤使用時不易發生斷絲。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量提供了有效保障，對鋼絲繩生產效率的提高和投入使用的壽命延長均有較大作用[2]。

1 導致鋼絲繩松散的原因

導致鋼絲繩松散的原因主要是鋼絲繩的應力所造成的，而產生鋼絲繩的應力原因一般有2種：①制造鋼絲繩時產生的；②在服役工作時所產生[3]。鋼絲繩在制造時需要經過盤條、鋼絲拉拔等工藝過程，鋼絲在拉制過程中會在其內部殘存拉拔應力，在鋼絲捻股、合繩時也會產生捻制應力。因此，殘存拉拔應力和捻制應力是鋼絲繩制造時的主要存在的應力。

1.1 殘存拉拔應力

殘存拉拔應力按以下3種模式分散于鋼絲繩內部。

（1）殘存拉應力。鋼絲拉拔過程中，由于拉絲機等設備精度不同、拉拔工藝條件不同，鋼絲在變形時內部晶向組織也不同，有的甚至出現晶粒拉長、位移，導致鋼絲產生縱向的拉應力，其分存于部分鋼絲內部形成殘存拉應力。

（2）殘存彎曲應力。鋼絲拉制過程中，經過輥輪、卷筒時經過彎曲會殘存彎曲應力于鋼絲內。當卷筒與鋼絲直徑差異越大時，殘存彎曲應力也越多。而且如果卷筒切點鋼絲與出口中心的拉線模不在水平切線上，也會使彎曲應力增加積累，有時甚至出現正“∞字”。

（3）鋼絲經過滑輪式拉絲機時，會繞自身軸線發生扭轉，因而會有扭轉應力存在。扭轉次數越多存在的扭轉應力越大。

1.2 捻制應力3種模式分散于鋼絲繩內部

（1）拉伸應力。捻制鋼絲繩時，會施加牽引力使其處于拉伸狀態，此時不產生塑性變形，在其彈性極限之內，但捻制后螺旋束縛會產生拉應力，其值很小往往被忽略。

（2）彎曲應力。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，是經過彈性和塑性共存的變形，具有一定彎曲曲率。因此，產生彎曲應力，其是捻制應力主要的存在形式。

（3）扭轉應力。鋼絲繩內鋼絲會隨著捻制鋼絲繩的捻股機的旋轉而扭轉，因此會形成扭轉應力，工字輪翻身措施可以有效的消除其產生的扭轉應力。扭轉應力會產生扭轉力矩，其存在會使鋼絲繩松捻、松散和旋轉。殘存拉拔應力和捻制應力都以拉伸、彎曲、扭轉3種形式存在。因此，彎曲、拉伸、扭轉也是對鋼絲繩做檢測檢驗時考核的重要指標。

這3種應力的存在對鋼絲繩的質量影響很大，盡量對其消除或減小。有些情況下卻可加以利用，比如在制造不旋轉的鋼絲繩時，適當保留扭轉力矩可使內外層繩的扭轉力矩平衡。總的來說，還是以消減應力的作用為主[4]。

2 鋼絲繩在工作時的應力

鋼絲繩工作時主要有2種受力方式：只受拉力負荷作用時和繞過滾筒或天輪時。前者主要與其運動形式有關，如提升機工作時，鋼絲繩會隨其轉動勻速、變速、直線、曲線運動，其對繩內張力大小和方向均會產生不同程度的影響。后者是鋼絲繩繞過滾筒或天輪時，會受到輪軸的摩擦，摩擦力會使鋼絲繩形成一部分應力；鋼絲繩經過輪軸時產生彎曲，也會形成彎曲應力存在于鋼絲繩中。

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，就要消除其內部的應力，不松散的程度與應力消除的效果息息相關。消除應力途徑主要有：股繩預變形，股繩和鋼絲繩的后變形，鋼絲繩低溫回火，穩定化處理等等[5]。

3.1 股繩預變形

鋼絲繩在生產過程中，利用變形裝置的壓輥對鋼絲繩進行反復彎曲變形，從而消除鋼絲繩中的應力，獲得不松散性能，這種變形是一種機械變形，是在鋼絲繩被捻制之前，用預變形器對股繩進行預先變形[6]。影響預變形的因素有很多，抓住其最本質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所需[7]。其工藝參數需滿足以下幾個方面：①預變形形成的預螺旋應該與鋼絲繩內股繩的固有螺旋相符；②預變形所形成的股繩曲率應該與鋼絲繩內股繩的固有曲率相一致；③股繩在預變形彎曲時，其鋼絲的最大應力應該大于其屈服強度[8]。

3.2 后變形

當股繩或鋼絲繩經過壓線模后再對其進行變形消除應力。這樣可以達到更好的不松散性能，同時也增加了鋼絲繩結構的緊密性、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行反復彎曲矯直；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有2個：壓彎值f和滾間距L。一般采用以下經驗公式，并在實際生產中根據具體情況進行調整[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，但是在消除應力的方法上，除了采用預變形和后變形之外，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過200～300 ℃的油溫低溫回火6～10 h。

3.4 穩定化處理

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

（1）矯直回火。將鋼絲繩通過矯直以后，連續地進入400 ℃左右介質中（如熔鉛等）低溫回火，以便達到消除應力的目的。該方法穩定化處理的效果比較差，強度略有下降，塑性、韌性稍有提高，低松弛性能的指標值難以達到。

（2）油淬火——回火處理。一般用于預應力鋼絞線，將其經過連續式管式熱處理爐加熱到880～900 ℃，再通入小于80 ℃機油中淬火，然后再進入400 ℃左右鉛液中回火。所獲得的組織為回火屈氏體，使應力得到消除，并降低脆性，提高機械性能，同時還能穩定尺寸。但是長時間負荷之后，其應力低松弛性能仍然較差，難于達到所要求的指標值。

（3）低松弛穩定化處理。這種穩定化處理是將熱處理與塑性變形有機地結合起來，即“應力消除”加上“塑性變形”，以獲得應力低松弛性能，即在加熱到一定溫度的環境下，施加使其產生一定塑性變形的張力，經過這種處理的鋼絞線或鋼絲繩，在施加負荷及疲勞狀態下，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的應力的重要手段，可使鋼絲繩不松散性得到有效改善。當然影響鋼絲繩不松散性能的因素還有很多，如鋼絲繩本身的結構和潤滑情況等，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力消除效果要好，不松散性能較好。本文只探討相同結構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點接觸平面，但不能使股繩螺旋形狀破壞。仔細測量螺旋高度（實際上也是股繩的螺旋直徑）dr。并將dr與鋼絲繩實際直徑D相比，即得出股繩的變形率η:

η=dr/D×100%

（2）

當η值在90%～100%時，鋼絲繩的不松散性能很好；當η<90%時，鋼絲繩將松散或部分松散；當η>100%時，說明變形過量，股繩在鋼絲繩中將出現松弛現象。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，會導致鋼絲繩的結構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，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個股，約2個捻距長，將這2股重新恢復原位，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個試樣變形率均在90%～100%內，因此可判斷3個試樣不松散性能均較好。

圖1 3條鋼絲繩規格Fig.1 3 wire rope specifications

5 結語

本文對鋼絲繩不松散性對鋼絲繩的影響，導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劣進行了探討研究。通過試驗測量計算3種規格的鋼絲繩變形率來檢驗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量越好；鋼絲繩內部應力為導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應力；檢驗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，且越接近100%，其不松散性能越好。