钢丝绳不松散性能提高研究

杨西东

（河南省煤炭科学研究院有限公司，河南 郑州 450001）

钢丝绳的使用在社会经济发展中有着举足轻重的地位，由于其应用广泛，提高其安全使用性能对保障国家安全生产有着重要意义。在钢丝绳生产过程中，不松散对于钢丝绳是一项极为重要的性能指标，对于钢丝绳的好处主要表现在以下5个方面：①使钢丝绳疲劳性能提高约40%，因而延长了钢丝绳使用寿命；②截断钢丝绳时，各股及钢丝不会散开，仍保持其本身位置和捻距大小，不致使钢丝绳的结构遭到破坏；③绳中各股与绳芯之间以及各股中钢丝之间接触紧密，在使用中结构伸长量小，钢丝绳直径变动小；④钢丝绳的可挠性得到提高，变得柔软；反拨力小，不会打卷结扣；不旋转性能得到改善。因此，不松散钢丝绳安装方便，使用安全、可靠，受力均匀，运行平稳；⑤使用时不易发生断丝。即使断丝也不翘起，仍在原位置上伏着，不至于划伤绳轮或卷筒，不影响其他钢丝的正常工作[1]。钢丝绳不松散性对钢丝绳质量的好坏起着重要作用，提高钢丝绳不松散性对提高钢丝绳的质量提供了有效保障，对钢丝绳生产效率的提高和投入使用的寿命延长均有较大作用[2]。

1 导致钢丝绳松散的原因

导致钢丝绳松散的原因主要是钢丝绳的应力所造成的，而产生钢丝绳的应力原因一般有2种：①制造钢丝绳时产生的；②在服役工作时所产生[3]。钢丝绳在制造时需要经过盘条、钢丝拉拔等工艺过程，钢丝在拉制过程中会在其内部残存拉拔应力，在钢丝捻股、合绳时也会产生捻制应力。因此，残存拉拔应力和捻制应力是钢丝绳制造时的主要存在的应力。

1.1 残存拉拔应力

残存拉拔应力按以下3种模式分散于钢丝绳内部。

（1）残存拉应力。钢丝拉拔过程中，由于拉丝机等设备精度不同、拉拔工艺条件不同，钢丝在变形时内部晶向组织也不同，有的甚至出现晶粒拉长、位移，导致钢丝产生纵向的拉应力，其分存于部分钢丝内部形成残存拉应力。

（2）残存弯曲应力。钢丝拉制过程中，经过辊轮、卷筒时经过弯曲会残存弯曲应力于钢丝内。当卷筒与钢丝直径差异越大时，残存弯曲应力也越多。而且如果卷筒切点钢丝与出口中心的拉线模不在水平切线上，也会使弯曲应力增加积累，有时甚至出现正“∞字”。

（3）钢丝经过滑轮式拉丝机时，会绕自身轴线发生扭转，因而会有扭转应力存在。扭转次数越多存在的扭转应力越大。

1.2 捻制应力3种模式分散于钢丝绳内部

（1）拉伸应力。捻制钢丝绳时，会施加牵引力使其处于拉伸状态，此时不产生塑性变形，在其弹性极限之内，但捻制后螺旋束缚会产生拉应力，其值很小往往被忽略。

（2）弯曲应力。钢丝绳中的钢丝通过捻制变形后存在形式为圆柱螺旋线式，是经过弹性和塑性共存的变形，具有一定弯曲曲率。因此，产生弯曲应力，其是捻制应力主要的存在形式。

（3）扭转应力。钢丝绳内钢丝会随着捻制钢丝绳的捻股机的旋转而扭转，因此会形成扭转应力，工字轮翻身措施可以有效的消除其产生的扭转应力。扭转应力会产生扭转力矩，其存在会使钢丝绳松捻、松散和旋转。残存拉拔应力和捻制应力都以拉伸、弯曲、扭转3种形式存在。因此，弯曲、拉伸、扭转也是对钢丝绳做检测检验时考核的重要指标。

这3种应力的存在对钢丝绳的质量影响很大，尽量对其消除或减小。有些情况下却可加以利用，比如在制造不旋转的钢丝绳时，适当保留扭转力矩可使内外层绳的扭转力矩平衡。总的来说，还是以消减应力的作用为主[4]。

2 钢丝绳在工作时的应力

钢丝绳工作时主要有2种受力方式：只受拉力负荷作用时和绕过滚筒或天轮时。前者主要与其运动形式有关，如提升机工作时，钢丝绳会随其转动匀速、变速、直线、曲线运动，其对绳内张力大小和方向均会产生不同程度的影响。后者是钢丝绳绕过滚筒或天轮时，会受到轮轴的摩擦，摩擦力会使钢丝绳形成一部分应力；钢丝绳经过轮轴时产生弯曲，也会形成弯曲应力存在于钢丝绳中。

3 提高钢丝绳不松散性能的方法

提高钢丝绳的不松散性能，就要消除其内部的应力，不松散的程度与应力消除的效果息息相关。消除应力途径主要有：股绳预变形，股绳和钢丝绳的后变形，钢丝绳低温回火，稳定化处理等等[5]。

3.1 股绳预变形

钢丝绳在生产过程中，利用变形装置的压辊对钢丝绳进行反复弯曲变形，从而消除钢丝绳中的应力，获得不松散性能，这种变形是一种机械变形，是在钢丝绳被捻制之前，用预变形器对股绳进行预先变形[6]。影响预变形的因素有很多，抓住其最本质和最主要的因素作为基本原则，是能够满足不松散钢丝绳生产所需[7]。其工艺参数需满足以下几个方面：①预变形形成的预螺旋应该与钢丝绳内股绳的固有螺旋相符；②预变形所形成的股绳曲率应该与钢丝绳内股绳的固有曲率相一致；③股绳在预变形弯曲时，其钢丝的最大应力应该大于其屈服强度[8]。

3.2 后变形

当股绳或钢丝绳经过压线模后再对其进行变形消除应力。这样可以达到更好的不松散性能，同时也增加了钢丝绳结构的紧密性、钢丝绳纵向平直度和钢丝绳表面的平整圆滑等等质量性能。股绳的后变形主要是将出压线模后的股绳通过多道垂直的水平的变形压辊进行反复弯曲矫直；钢丝绳的后变形除了同股绳的矫直工序外，还要将钢丝绳通过一对定径辊，起到压缩、定径的作用。其主要变形工艺参数有2个：压弯值f和滚间距L。一般采用以下经验公式，并在实际生产中根据具体情况进行调整[9]。

（1）

式中，DG为后变形器的变形压辊工作直径；D为钢丝绳直径。

3.3 低温回火

对于疲劳性能要求比较高的航空钢丝绳、胶带钢丝绳等等小规格的镀锌钢丝绳来说，它们的捻股、合绳工艺与一般圆股钢丝绳并无太大的差别，但是在消除应力的方法上，除了采用预变形和后变形之外，还可以用低温回火的办法，使钢丝绳中的应力较为彻底消除，从而获得比较高的耐疲劳性能，延长钢丝绳的使用寿命。低温回火包括2种情况：①钢丝绳成绳之后在200～300 ℃的油温下回火6～8 h；②制绳钢丝在捻制之前经过200～300 ℃的油温低温回火6～10 h。

3.4 稳定化处理

对于一些比较重要用途的钢丝绳，要求其具有较低的应力松弛性能，也就是指材料在使用过程中，在一定条件下，经过较长的时间后，其应力损失值非常之小，其力学性能仍然相当良好。为要获得钢丝绳的低松弛性能，往往要进行稳定化处理，也就是一种热机械处理（形变热处理）的过程。具体是使钢丝绳在加热温度为350～400 ℃时，通过短时间加热的同时也受到一定的张拉，并发生微笑的塑性伸长，从而消除内应力，改善其机械性能。具体稳定化处理有以下3种方法。

（1）矫直回火。将钢丝绳通过矫直以后，连续地进入400 ℃左右介质中（如熔铅等）低温回火，以便达到消除应力的目的。该方法稳定化处理的效果比较差，强度略有下降，塑性、韧性稍有提高，低松弛性能的指标值难以达到。

（2）油淬火——回火处理。一般用于预应力钢绞线，将其经过连续式管式热处理炉加热到880～900 ℃，再通入小于80 ℃机油中淬火，然后再进入400 ℃左右铅液中回火。所获得的组织为回火屈氏体，使应力得到消除，并降低脆性，提高机械性能，同时还能稳定尺寸。但是长时间负荷之后，其应力低松弛性能仍然较差，难于达到所要求的指标值。

（3）低松弛稳定化处理。这种稳定化处理是将热处理与塑性变形有机地结合起来，即“应力消除”加上“塑性变形”，以获得应力低松弛性能，即在加热到一定温度的环境下，施加使其产生一定塑性变形的张力，经过这种处理的钢绞线或钢丝绳，在施加负荷及疲劳状态下，性能均匀一致，有利于延长寿命。

以上3种方法是消除钢丝绳内的应力的重要手段，可使钢丝绳不松散性得到有效改善。当然影响钢丝绳不松散性能的因素还有很多，如钢丝绳本身的结构和润滑情况等，如：三角股或面接触钢丝绳不松散性能就要比点接触和线接触的钢丝绳不松散性能较好；使用增磨脂钢丝绳比使用普通润滑油钢丝绳的应力消除效果要好，不松散性能较好。本文只探讨相同结构和润滑情况下的提高钢丝绳不松散性能的几种工艺方法[10]。

4 对钢丝绳不松散性能的检查

对于成品钢丝绳，一般有以下3种检查方法来检查钢丝绳的不松散性能。

（1）测定变形率。从钢丝绳中拆下4～8个捻距长的股绳，放置在平面上（玻璃板或其他平面均可），使各捻距的间隔相应点接触平面，但不能使股绳螺旋形状破坏。仔细测量螺旋高度（实际上也是股绳的螺旋直径）dr。并将dr与钢丝绳实际直径D相比，即得出股绳的变形率η:

η=dr/D×100%

（2）

当η值在90%～100%时，钢丝绳的不松散性能很好；当η<90%时，钢丝绳将松散或部分松散；当η>100%时，说明变形过量，股绳在钢丝绳中将出现松弛现象。钢丝绳各股变形如果不均匀，是由于钢丝绳各股变形率不同，会导致钢丝绳的结构和不松散性的均匀程度受到影响。

（2）用无齿锯切断钢丝绳试样时，把熔渣除掉，撬起一股，股并不散开或散开20～30 mm，则可视为不松散。

（3）将钢丝绳一端解开相对立的2个股，约2个捻距长，将这2股重新恢复原位，如果股绳螺旋位置不变，绳径也无明显变大，股间缝隙改变也不明显，则可视作不松散。通过实际测量3条成品钢丝绳的变形率来检查其不松散性。选取的3条钢丝绳规格为6×7+FC、6×19s+FC、6V×37s+FC，如图1所示。

通过测量，得到6×7+FC、6×19s+FC、6V×37s+FC的实际绳径D和螺旋直径dr分别为D1=26.0、d1r=24.5；D2=37.0、d2r=34.3；得到D3=42.6、d3r=39.8。通过公式η=dr/D×100%计算，得到6×7+FC、6×19s+FC、6V×37s+FC的变形率分别为：η1=94.2%；η2=92.7%；η3=93.4。这3个试样变形率均在90%～100%内，因此可判断3个试样不松散性能均较好。

图1 3条钢丝绳规格Fig.1 3 wire rope specifications

5 结语

本文对钢丝绳不松散性对钢丝绳的影响，导致钢丝绳松散的原因，提高钢丝绳不松散性能的方法以及如何检查钢丝绳不松散性的优劣进行了探讨研究。通过试验测量计算3种规格的钢丝绳变形率来检验其不松散性能的好坏，综合表明，不松散性能越好的钢丝绳质量越好；钢丝绳内部应力为导致其松散的主要原因；提高钢丝绳不松散性能的有效方法就是消除钢丝绳内应力；检验钢丝绳不松散性能的有效手段是测定其变形率，变形率在90%～100%内，且越接近100%，其不松散性能越好。