實驗室鋼絲扭轉試驗的影響因素研究

李 楊，和 聲，李桂芹

(河南省煤炭科學研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

礦用鋼絲繩從鋼絲繩廠里發貨到礦上使用必須經過嚴格的檢驗，分為驗收檢驗和懸掛前試驗。檢驗的目的是為了確保鋼絲繩是否合格，是否適合礦用的標準，嚴格禁止不合格的鋼絲繩進入礦用區域，礦用鋼絲繩的檢驗要符合 MT/T 716—2019《煤礦重要用途鋼絲繩驗收技術條件》[1]的規定。新的鋼絲繩運抵礦區，礦區安全責任人員應該委托具備資質的檢驗機構、質監部門按照礦用鋼絲繩標準對鋼絲繩的外觀，捻制特征，鋼絲的力學性能進行驗收或懸掛前檢驗。

煤礦重要鋼絲繩的檢驗必須嚴格執行MT/T 716—2019《煤礦重要用途鋼絲繩驗收技術條件》標準。其中，拆股鋼絲試驗項目有：①鋼絲直徑的測量；②拉力試驗；③反復彎曲試驗；④扭轉試驗。在拆股鋼絲試驗中發現，除鋼絲表面有明顯缺陷的，扭轉次數大概率達不到標準值外；還有樣品扭轉試驗中(實際扭轉次數值)達不到標準值，導致扭轉項目不合的情況，特別是扭力對扭轉次數的影響。為此，將送檢樣品鋼絲扭轉次數應達到而實際達不到標準值的幾種情況做以下分析。

1 樣品存放不當對鋼絲扭轉試驗的影響

送檢樣品因存放環境惡劣，造成鋼絲表面出現明顯黑點或黃色銹斑。鋼絲繩在存放過程中，由于長時間受到日曬風化或濕氣、雨雪的侵蝕破壞，導致鋼絲繩的鋼絲金屬表面受周轉介質化學反應而產生的破壞現象，即為鋼絲繩的銹蝕。在日常實驗室檢測檢驗中，經常會碰到送檢樣品表面有銹。一種情況為當鋼絲表面略微變色，失去光澤但基本不損失機械性能，這種輕微銹蝕是不影響其試驗項目，也不會影響檢測檢驗中鋼絲的實際扭轉次數的。另一種情況是鋼絲表面明顯變色，不均勻分布的黑點或是黃色的銹斑，這樣的明顯銹蝕使使金屬斷面積減少，機械性能因銹蝕也隨之下降，在拆股扭轉試驗過程中，就影響了其扭轉值達不到標準要求。

(1)實例1。收到樣品(圖1)為繩徑φ28 mm、結構6×36WS的鋼絲繩，拆股后發現外層φ1.80 mm絲徑有明顯黑點，矯直后按100d+扭轉鉗口距離備扭轉試樣，試驗后其扭轉值分別為18、19、22、16、15、20、16、17、19次，均達不到最小扭轉值要求，不合格扭轉鋼絲數占試驗鋼絲數的27%，不滿足MT/T 716—2019《煤礦重要用途鋼絲繩驗收技術條件》拆股鋼絲試驗合格條件中不合格扭轉、彎曲值的鋼絲數之和不得大于5%的要求，該樣品不合格。

圖1 拆股后鋼絲表面黑點以及鋼絲矯直后表面黑點Fig.1 Black spots on the surface of the steel wire after strand stripping and the surface of the steel wire after straightening

(2)實例2。收到樣品(圖2)為繩徑φ20 mm、結構6×19S的鋼絲繩，其表面就有銹，拆股后內層φ0.90 mm；外層φ1.65 mm的鋼絲都有明顯銹蝕。拆股中發現其繩芯無油并且發黃有銹，矯直后按100d+扭轉鉗口距離備扭轉試樣。扭轉試驗φ0.90 mm及φ1.65 mm的鋼絲扭轉值均為20次以下，實際檢測值達不到標準值要求，不合扭轉鋼絲數占試驗鋼絲數的100%，根據MT/T 716—2019《煤礦重要用途鋼絲繩驗收技術條件》拆股鋼絲試驗考核判定為不合格鋼絲繩。由此看來，鋼絲繩的銹蝕會導致鋼絲扭轉值的明顯下降，從而導致由于鋼絲扭轉項目不合格，造成判定整根鋼絲繩的不合格。

為了預防此現象的發生，鋼絲繩的存放處需干燥通風，避免露天存放，并且及時做好涂油的防護措施。為了避免鋼絲繩生銹，也應盡量減少鋼絲繩的存放時間，盡早送檢即時使用。

圖2 拆股鋼絲矯直后銹蝕部分Fig.2 Rusted part after split-strand straightening

2 拆股后樣品表面傷痕對扭轉試驗的影響

鋼絲表面缺陷顯著影響鋼絲的扭轉性能。送檢樣品鋼絲表面有明顯傷痕(圖3)扭轉試驗后其扭轉數值達不到標準值。所以，在試驗前一定對拆股鋼絲的外觀應充分檢查，如果有明顯缺陷或傷痕應及時與客戶溝通說明情況。

圖3 拆股鋼絲矯直后傷痕部分Fig.3 Scar part after split-strand straightening

3 樣品制作中出現缺陷對扭轉試驗的影響

拆股鋼絲中個別鋼絲存在著硫化物夾雜；或是焊點接頭處會導致扭轉試驗不合。鋼中的夾雜，即一些微小的非金屬顆粒如硫化物，氮化物，氧化物夾雜于鋼中?；瘜W成分的超標以及夾雜過多對鋼絲的試驗都有影響。在標準GB/T 20118—2017[2]的8.3鋼絲接頭：鋼絲繩中鋼絲接頭應盡量減少。

4 樣品錯檢對扭轉試驗的影響

錯將已懸掛的鋼絲繩送樣檢測。因鋼絲繩的力在懸掛后本身同時承載了不同應力的變化，有內在應力也有外加應力。使用后其鋼絲繩的機械性能有所改變，導致鋼絲拆股試驗中扭轉試驗項目不合格。所以送檢時，確認樣品的檢驗類別再進行送檢，就可以避免樣品錯檢而導致扭轉試驗不合格。

5 扭力對扭轉試驗的影響

在扭轉試驗的操作過程中檢驗員對夾頭螺母扭力的大小，在鋼絲直徑1.00 mm以下的試驗過程中影響尤為明顯。以2種絲徑3種不同方式的試驗結果進行分析。

5.1 φ20 mm、結構為6×19S的鋼絲繩繩樣

選取φ20 mm、結構為6×19S的鋼絲繩繩樣，將繩樣拆下3股并將其內層絲徑為φ0.92 mm的分別標記，每一股的同一絲都按單向扭轉試驗要求截取了3段試樣，然后按照GB/T 239.1—2012[3]中試樣繞自身軸線向1個方向均勻旋轉360°作為1次扭轉至規定次數或試樣斷裂進行單向扭轉試驗。

(1)可轉動夾頭扭力遠大于固定夾頭扭力的情況?？赊D動夾頭扭力實際值17.44～24.95 N·m，固定夾頭扭力實際值2.86～6.69 N·m，試驗結果見表1。

表1 試驗結果ⅠTab.1 Test results Ⅰ

以上27次扭轉試驗中，試樣試驗結束斷裂在中間位置13次，占比48%；試樣斷裂在固定夾頭鉗口5次，占比18%；扭轉次數大于等于40次的有15次，占比56%；試驗過程中未出現試樣打滑的現象。

27次扭轉試驗結果全部符合MT/T 716—2019中4.3.5扭轉表7中1 670 MPa、φ0.92 mm鋼絲最小扭轉次數。

(2)固定夾頭扭力遠大于可轉動夾頭扭力的情況?？赊D動夾頭扭力實際值4.35～7.07 N·m固定夾頭扭力實際值20.40～23.39 N·m。試驗結果見表2。

表2 試驗結果ⅡTab.2 Test results Ⅱ

以上27次扭轉試驗中，試樣試驗結束斷裂在中間位置9次，占比33%；試樣斷裂在固定夾頭鉗口14次，占比52%；扭轉次數大于等于40次的有7次，占比26%；試驗過程中，出現2次主動夾頭打滑現象。

27次扭轉試驗中，有8次共4絲不符合MT/T 716—2019中4.3.5扭轉表7中1 670 MPa、φ0.92 mm鋼絲最小扭轉次數。不符合次數占比總試驗次數的30%，9絲鋼絲中不合格鋼絲數比為44%。

(3)可轉動夾頭扭力與固定夾頭扭力基本均等的情況。可轉動夾頭扭力實際值7.38～23.29 N·m，固定夾頭扭力實際值7.34～23.30 N·m，試驗結果見表3。

表3 試驗結果ⅢTab.3 Test results Ⅲ

以上27次扭轉試驗中，試樣試驗結束斷裂在中間位置12次，占比44%；試樣斷裂在固定夾頭鉗口10次，占比37%；扭轉次數大于等于40次的有5次(且5次全部都出現于最后3組，兩邊扭力都小8.8的扭轉試驗中)占比56%；試驗過程中，出現2次試樣打滑現象。

9組試驗結果有10次共8絲不符合MT/T 716—2019中4.3.5扭轉表7中1 670 MPa、φ0.92 mm鋼絲最小扭轉次數。不符合次數占比試驗次數的37%，9絲鋼絲中不合格鋼絲數比為8/9，即89%。

試驗中大于20 N·m是做試驗的最大扭力，當可轉動夾頭與固定夾頭施加扭力為試驗員最大扭力時，φ0.92 mm絲徑的實際扭轉次數為28～40次，有且只有1次的扭轉次數為40次。在實際扭轉試驗操作過程中，檢測人員對可轉動夾頭和固定夾頭施加的扭力都會因人而異。尤其當檢測員為男性時操作中扭力最大力可能會更大，這樣對φ0.92 mm的鋼絲扭轉次數就會造成更大的影響。

通過試驗發現，扭轉試驗鋼絲斷在鉗口內的，扭轉次數普遍偏低；鋼絲斷在中間位置的扭轉次數最接近實際次數且最為合理。由試驗數據可以得出， 可轉動夾頭扭力遠大于固定夾頭扭力以及可轉動夾頭扭力與固定夾頭扭力基本均等扭力為7.31～8.73 N·m的情況下，φ0.92 mm鋼絲斷在中間位置的概率較高。

5.2 φ22 mm、結構為6×31WS的鋼絲繩繩樣

選取繩徑為φ22 mm、結構為6×31WS的鋼絲繩繩樣。將繩樣拆下3股并將其內層絲徑為φ0.85 mm的絲徑分別標記，每一股的同一絲都按單向扭轉試驗要求截取了4段試樣，然后分別按照GB/T 239.1—2012中試樣繞自身軸線向一個方向均勻旋轉360°作為一次扭轉至規定次數或試樣斷裂進行單向扭轉試驗。

(1)可轉動夾頭扭力遠大于固定夾頭扭力的情況?？赊D動夾頭扭力實際值21.41～23.77 N·m，固定夾頭扭力實際值3.72～4.06 N·m，試驗結果見表4。

以上24次扭轉試驗中，試樣試驗結束斷裂在中間位置4次，占比16.7%；試樣斷裂在固定夾頭鉗口16次，占比66.7%；扭轉次數大于等于40次的有6次，占比24%；試驗過程中，出現3次試樣打滑現象。

6組試驗結果有5次共4絲不符合MT/T 716—2019中4.3.5扭轉表7中1 670 MPa、φ0.85 mm鋼絲最小扭轉次數。不符合次數5次占比試驗次數為20.8%，4絲鋼絲中不合格鋼絲數比為4/6，即66.7%。

(2)固定夾頭扭力遠大于可轉動夾頭扭力的情況?？赊D動夾頭扭力實際值為2.94～4.98 N·m，固定夾頭扭力實際值為20.68～24.69 N·m，試驗結果見表5。

以上24次扭轉試驗中，試樣試驗結束斷裂在中間位置1次，占比4.2%；斷裂在固定夾頭鉗口19次，占比79.2%；扭轉次數大于等于40次的有8次，占比33.3%；試驗過程中，出現3次試樣打滑現象。

表4 試驗結果ⅣTab.4 Test results Ⅳ

表5 試驗結果ⅤTab.5 Test results Ⅴ

6組試驗結果有1次共1絲不符合MT/T 716—2019中4.3.5扭轉表7中1 670 MPa、φ0.85 mm鋼絲最小扭轉次數。不符合次數1次占比試驗次數為4.2%，1絲鋼絲中不合格鋼絲數比為1/6，即16.7%。

(3)可轉動夾頭扭力與固定夾頭扭力基本均等的情況?？赊D動夾頭扭力實際值7.37～23.02 N·m，固定夾頭扭力實際值為7.24～23.25 N·m，試驗結果見表6。

表6 試驗結果ⅥTab.6 Test results Ⅵ

以上24次扭轉試驗中，試樣試驗結束斷裂在中間位置8次，占比33.3%；試樣斷裂在固定夾頭鉗口13次，占比54.2%；扭轉次數大于等于40次的有8次，占比33.3%(前4組兩端夾頭為檢驗員最大扭力，僅有2次在第4組試驗中出現；剩余6次都在夾頭扭力為7 N·m左右的第5、6組出現)；試驗過程中，未出現試樣打滑現象。

6組試驗結果有8次共4絲不符合MT/T 716—2019中4.3.5扭轉表7中1 670 MPa、φ0.85 mm鋼絲最小扭轉次數。不合次數8次占比試驗次數為33.3%，4絲鋼絲中不合格鋼絲數比為4/6，即66.7%。

通過以上試驗發現，φ0.85 mm的鋼絲斷裂情況多發生在固定夾頭鉗口?？赊D動夾頭扭力與固定夾頭扭力基本均等且扭力為7.24～7.77 N·m的情況下直徑為φ0.85 mm鋼絲斷在中間位置的概率較高。通過以上2種絲徑3種方式的扭轉試驗數據可以得出，在針對φ1.00 mm以下的細絲徑鋼絲，扭力為7.31～8.73 N·m的情況下，φ0.92 mm鋼絲斷在中間位置的概率較高；扭力為7.24～8.73 N·m的情況下，直徑為φ0.85 mm鋼絲斷在中間位置的概率較高。在扭轉試驗中，當鋼絲斷裂位置為中間位置時實際檢驗的扭轉值更為真實準確。

通過試驗得出扭力是影響扭轉試驗的因素之一。在檢測過程中不同的檢測員操作同一臺扭轉機做同一種試驗，操作時不同的扭力會直接影響扭轉試驗的比對結果。為避免扭力對扭轉試驗所帶來的影響在扭轉試驗中可正確使用數顯扭力從而避免扭力過大或者扭力不均衡的情況發生。

6 結論

本文通過送樣檢測實例扭轉次數數據的分析，檢測試驗中出現的問題以及不同扭力的比對試驗進行了分析，得出實驗室拆股鋼絲的扭轉試驗中影響扭轉次數的因素的結論。今后在對鋼絲繩送檢樣品的拆股中應嚴謹仔細對鋼絲外觀進行檢查評估，在進行扭轉性能試驗時也應嚴格按照標準規范操作試驗，應合理利用數顯扭力來避免人為因素對扭轉數據造成的影響，從而體現檢測檢驗數據的真實性，科學性以及客觀性。