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對(duì)18×7類鋼絲繩幾個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)

發(fā)布時(shí)間：2019-12-11 18:00　文章來(lái)源：未知　文章作者：admin　點(diǎn)擊數(shù)：

1問(wèn)題提出
18X7類鋼絲繩是典型多層股抗旋轉(zhuǎn)類鋼絲繩之一。雖然其可以視為獨(dú)立鋼芯鋼絲繩，但與不具有抗旋轉(zhuǎn)特性獨(dú)立金屬芯鋼絲繩不同，后者鋼芯捻向通常與外層繩捻向相同，且通常捻法配置為：交互捻鋼絲繩使用同向捻鋼芯，而同向捻鋼絲繩使用交互捻鋼芯凹，文獻(xiàn)2]對(duì)于交互捻鋼絲繩使用與鋼絲繩捻向一致的交互捻鋼芯其實(shí)也不盡合理。對(duì)捻法相同的18X7類鋼絲繩，內(nèi)層繩的捻法似乎并不統(tǒng)一。從目前來(lái)看，18X7類這一傳統(tǒng)多層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩還不可能被迅速淘汰，一方面可能基于用戶的傳統(tǒng)使用習(xí)慣，另一方面，也基于該類鋼絲繩仍能滿足一些使用條件，且該類鋼絲繩在生產(chǎn)和使用成本方面也具有明顯經(jīng)濟(jì)性。筆者對(duì)該類鋼絲繩理論結(jié)構(gòu)形式、抗旋轉(zhuǎn)特性、層繩捻法配置等技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行探討，以利于對(duì)其特性的正確把握。

2問(wèn)題研究
2.1鋼絲繩理論結(jié)構(gòu)與實(shí)用結(jié)構(gòu)
GB/T8706-2006/ISO17893：2004對(duì)18X7類鋼絲繩結(jié)構(gòu)描述：組繩總股數(shù)（不含中心股）17~18根，最外層10~12根，2次成繩，外層股為在中心鋼絲外捻制4~8根鋼絲的單層鋼絲結(jié)構(gòu)。由于該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定股中填充鋼絲不構(gòu)成單獨(dú)的層，據(jù)此推理鋼絲繩中的填充股也不構(gòu)成單獨(dú)層，將中心結(jié)構(gòu)用0”代替，省略股結(jié)構(gòu)及其前置符號(hào)“x”，18X7類鋼絲繩（注：為敘述方便，文中鋼絲繩參考8X7：
IWRC類鋼絲繩重新標(biāo)記‘F”代表填充）可能存在理論結(jié)構(gòu)有11：6-0、11：3F-3-0、11：7-0、12：
5-0、12：6-0、12：3F-3-0。而實(shí)際該類鋼絲繩最常用結(jié)構(gòu)只有12：6-0、11：6-0，分別如圖1、圖2所示，即均為在中心結(jié)構(gòu)外反向捻制2層股。沒(méi)有出現(xiàn)在內(nèi)層股之谷部填充股結(jié)構(gòu)，筆者認(rèn)為是因?yàn)樵擃愪摻z繩內(nèi)層繩直徑相對(duì)較小，即使外層股數(shù)達(dá)到12根、內(nèi)層由3根股組成，內(nèi)層股與股之間的空間位置很小，在內(nèi)層股間增加填充股，因?yàn)樵摴芍睆教《鴽](méi)有多大實(shí)際意義。假如股在繩中處于非捻制狀態(tài)，對(duì)12：3F-3-0、11：3F-3-0結(jié)構(gòu)，外層股、內(nèi)層股、填充股總面積比依次為：1.000：0.442：
0.022、1.000：0.382：0.089，填充股總面積分別僅占組繩股總面積的1.50%、6.05%。從計(jì)算結(jié)果看，在組繩總股數(shù)、組繩股層繩滿足結(jié)構(gòu)原則前提下，填充股對(duì)18X7類鋼絲繩的性能影響可以忽略，這與組繩外層股數(shù)相對(duì)較多的2層股23X7類鋼絲繩有明顯不同。
2.2抗旋轉(zhuǎn)性能
ASTMA1023/A1023M-07基于結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能影響而將抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩細(xì)分3類：第1類，抗旋轉(zhuǎn)性能最好。該類鋼絲繩由3層股構(gòu)成，最外層至少有15根股，2次合繩；第2類，抗旋轉(zhuǎn)性能較好。該類鋼絲繩由2層以上股構(gòu)成，最外層至少有10根股，2次或3次合繩；第3類，抗旋轉(zhuǎn)性能最差。鋼絲繩由2層股構(gòu)成，最外層不超過(guò)9根股，2次合繩，鋼絲繩只是具有有限的抗旋轉(zhuǎn)特性。按該標(biāo)準(zhǔn)，可以確定18X7類鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能不如35（W）x7類鋼絲繩。ISO17893：2004/Amd.1：
2010（E）基于鋼絲繩一端固定，一端可以自由旋轉(zhuǎn)，在1000倍鋼絲繩公稱直徑長(zhǎng)度上，對(duì)其施加20%
鋼絲繩最小破斷拉力測(cè)得自由端旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，將抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩細(xì)分為3類：第1類，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)小于1圈；第2類，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于1圈而小于2.5圈；第3類，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)大于2.5圈而小于4圈。EN12385一2004對(duì)不同抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩選擇提供了參考。
對(duì)18X7-FC鋼絲繩，從幾何角度看，外層繩股捻制圓半徑約為內(nèi)層繩股捻制圓半徑的2倍，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)外層繩股受力均勻，在進(jìn)行鋼絲繩結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，刻意保持內(nèi)外層繩捻角相等。從物理角度看，由于力矩等于力臂與力之乘積，因此，理論上外層繩股繞鋼絲繩軸線產(chǎn)生力矩約為內(nèi)層繩股繞鋼絲繩軸線產(chǎn)生力矩的4倍，這一計(jì)算結(jié)果就決定了該鋼絲繩不是抗旋轉(zhuǎn)性能優(yōu)異結(jié)構(gòu)鋼絲繩。雖然決定該鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能還有其他因素，但相對(duì)結(jié)構(gòu)對(duì)鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能的影響，這些因素已經(jīng)退居為次要因素，這也是為什么ASTMA1023/A
1023M-07基于抗旋轉(zhuǎn)性能高低對(duì)多層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩進(jìn)行分類的立足點(diǎn)是鋼絲繩結(jié)構(gòu)。從世界范圍看，提高多層股鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能的技術(shù)思路是增加外層繩股數(shù)，因?yàn)橥鈱永K股數(shù)的增加意味著外層繩股直徑的減小，這將帶來(lái)內(nèi)層繩直徑的增加而增大內(nèi)層繩鋼絲面積，從而達(dá)到提高鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性的預(yù)期目的。如Redealli、Kiswire海洋工程多層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩外層股已經(jīng)達(dá)到21根，Usha martin也有外層股24根的多層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩。
相對(duì)于無(wú)法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直接判斷其抗旋轉(zhuǎn)性能高低，而又被鋼絲繩生產(chǎn)強(qiáng)企推薦的23X7類鋼絲繩，
18X7類鋼絲繩與之相比，其抗旋轉(zhuǎn)性能如何？
GB/T8706對(duì)23X7類鋼絲繩結(jié)構(gòu)描述：組繩總股（不含中心股）21~27根，最外層15~18根，2次成繩，外層股為在中心鋼絲外捻制4~8根鋼絲結(jié)構(gòu)。
23X7類鋼絲繩理論結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。表1所列結(jié)構(gòu)并不一定全部具有實(shí)用價(jià)值。目前可見(jiàn)典型結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示，類似還有如圖5、圖6所示（注：圖5、圖6鋼絲繩參照23X7類鋼絲繩分類原則，可歸23x K7類）。
盡管無(wú)法根據(jù)ASTMA1023/A1023M-07判定23X7類鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能高低，但CASAR研究的18X7-FC鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性方法同樣可用，18X7
7類、23X7類、35（W）X7類不同鋼絲繩外層繩旋轉(zhuǎn)力矩與內(nèi)層繩旋轉(zhuǎn)力矩比見(jiàn)表2。從計(jì)算結(jié)果評(píng)定，鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性能從高到低依次為35（W）X7類、23X7類、18X7類。
2.3內(nèi)外層繩捻法配置
鋼絲繩捻法一般不涉及內(nèi)層繩或鋼芯。只是為表示鋼絲繩具有抗旋轉(zhuǎn)特性，GB/T8706才出現(xiàn)了反向捻。對(duì)不同捻法的18X7類鋼絲繩，可以肯定的是內(nèi)層繩捻向一定和外層繩相反，而至于內(nèi)層繩的捻法，似乎并未引起鋼絲繩生產(chǎn)者和使用者的重視。
RR-W-410D-88指出：對(duì)12X7：IWRC（6X7
7-FC）右交互捻鋼絲繩，內(nèi)層繩為左同向捻。筆者注意到，在SHINKO、PYTHON關(guān)于18X7類鋼絲繩結(jié)構(gòu)示意圖中，交互捻鋼絲繩內(nèi)層繩捻法配置與RR-W-410D-88規(guī)定相同，如圖7所示。CASAR在相關(guān)資料中也出現(xiàn)了相同捻法配置的鋼絲繩，如圖8所示。RR-W-410E-2002、RR-W-410F-
2007、RR-W-410G-2010、RR-W-410H-2015相關(guān)描述與RR-W-410D-88相同，這也是筆者目前見(jiàn)到唯一對(duì)18X7類交互捻鋼絲繩層繩捻法配置作出強(qiáng)制規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，RR-W-410E-2002規(guī)定：X7鋼絲繩中的6根內(nèi)層股繩應(yīng)采用符合3.4.4.4條規(guī)定的左同向捻，并圍繞一根纖維芯或鋼絲股芯捻制厖外層中的12根股繩應(yīng)圍繞第一層捻制，并按3.4.4.1條規(guī)定的右交互捻捻制”。類似規(guī)定還出現(xiàn)在8X79：IWRC類鋼絲繩X7。其中在3.14.5種類Ⅳ，其他用途鋼絲繩，類型4，8X79不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩中規(guī)定：厖這種鋼絲繩應(yīng)有一根符合3.2.3條規(guī)定的獨(dú)立鋼絲繩繩芯，該繩芯應(yīng)為符合
3.4.4.4條規(guī)定的左同向捻厖這種鋼絲繩應(yīng)為符合3.4.4.1條規(guī)定的右交互捻”。而文獻(xiàn)B-5]給出的結(jié)果并不與之相同，文獻(xiàn)B]指出“捻制18X7
-NF鋼絲繩時(shí)，將內(nèi)層繩制成同向捻而外層繩為交互捻有利于內(nèi)外層繩力矩平衡厖多層股不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩中股的層數(shù)多為兩層厖外層繩采用交互捻，內(nèi)層繩可以采用交互捻也可以采用同向捻”，文獻(xiàn)5]雖然給出24X7（注：12X7：4X7+4X7-4X7）
交互捻鋼絲繩之內(nèi)層繩為交互捻，但同時(shí)指出出“為增大子繩的扭轉(zhuǎn)力矩，可將子繩設(shè)計(jì)成同向捻”，鑒于不同資料給出18X7類鋼絲繩層繩捻法配置的不一致性，那么，層繩捻法究竟如何設(shè)計(jì)顯然需要研究。雖然在此研究的是18X7類鋼絲繩層繩捻法配置問(wèn)題，其實(shí)對(duì)其他結(jié)構(gòu)多層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，這個(gè)問(wèn)題同樣存在。BRIDON相關(guān)資料中給出同向捻34（M）X7類鋼絲繩層繩捻法配置與AS3569-1989給出圖例一致，如圖9所示。
2.3.1對(duì)交互捻鋼絲繩
對(duì)交互捻18X7類鋼絲繩，如果內(nèi)層繩采用同
向捻，這將會(huì)增加內(nèi)層繩的旋轉(zhuǎn)力矩，從而改善鋼絲繩抗旋轉(zhuǎn)性，此外，筆者認(rèn)為內(nèi)層繩選擇同向捻的捻法配置還有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）內(nèi)層繩為同向捻會(huì)增加內(nèi)層繩的柔軟性，即降低鋼絲繩剛度；（2）內(nèi)層繩為同向捻會(huì)提高鋼絲繩服役期間內(nèi)層繩鋼絲耐磨性，通過(guò)提高內(nèi)層繩鋼絲耐磨性提高鋼絲繩壽命。缺
點(diǎn)：（1）增加內(nèi)層繩生產(chǎn)難度，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)同向捻鋼絲繩捻制緊密，對(duì)股捻制應(yīng)力狀態(tài)的控制、工裝的控制、預(yù)變形的控制相對(duì)捻制交互捻鋼絲繩時(shí)更加嚴(yán)
格，從捻制設(shè)備形式看，同向捻鋼絲繩通常不能在管式機(jī)上捻制或捻制質(zhì)量保證相對(duì)困難，但采用筐籃
機(jī)又會(huì)降低生產(chǎn)效率；（2）導(dǎo)致內(nèi)外層繩股鋼絲間的接觸應(yīng)力最大，外層繩為交互捻而內(nèi)層繩為同向
捻，則內(nèi)外層繩股鋼絲交叉程度最為嚴(yán)重，因此會(huì)顯著增加鋼絲接觸應(yīng)力，而接觸應(yīng)力過(guò)大是引起18X7
7類鋼絲繩內(nèi)層繩早期失效的重要原因。對(duì)如此捻法配置鋼絲繩，如果對(duì)在較大載荷服役后的鋼絲繩拆股，則會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)層股鋼絲表面存在非常嚴(yán)重的壓
痕，如圖11所示。也正因?yàn)槿绱?，通過(guò)對(duì)內(nèi)層繩表面填塑或內(nèi)層繩采用壓實(shí)股組繩才有了現(xiàn)實(shí)意義，甚至成為提高18X7類鋼絲繩內(nèi)層繩使用壽命的顯著特色技術(shù)，內(nèi)層繩采用壓實(shí)股組繩的12X7：IWRC（K）結(jié)構(gòu)如圖12所示。PYTHON明確指出18X7類鋼絲繩使用中內(nèi)層繩早期斷裂是一種趨
勢(shì)，如果不實(shí)施內(nèi)層繩填塑技術(shù)（注：通過(guò)填塑提高鋼絲繩使用壽命并不僅限于多層股抗旋轉(zhuǎn)鋼絲繩，同樣適合各種金屬芯鋼絲繩），這種趨勢(shì)無(wú)法避免。對(duì)交互捻鋼絲繩，內(nèi)層繩采用交互捻之優(yōu)缺點(diǎn)與之
相反。
圖11高接觸應(yīng)力引起鋼絲表面壓痕
Fig.11 Steel wire surface indention caused by high contact stress
2.3.2對(duì)同向捻鋼絲繩
對(duì)同向捻18X7類鋼絲繩，如果內(nèi)層繩采用交
互捻，這種層繩捻法配置的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）內(nèi)外層繩股鋼絲交叉程度最輕，因此會(huì)增加內(nèi)外層股鋼絲接觸面積而降低鋼絲接觸應(yīng)力。圖9外層繩為同向捻，次外層繩為交互捻，內(nèi)層繩為與次外層繩捻向一致的同向捻，這種結(jié)構(gòu)捻法鋼絲繩不同層繩的捻法配置正是這種思想的體現(xiàn)；（2）減小內(nèi)層繩生產(chǎn)難度與提高內(nèi)層繩生產(chǎn)效率。因?yàn)榻换ツ礓摻z繩的捻制質(zhì)量即使采用捻制效率相對(duì)高的管式機(jī)捻制，其捻制質(zhì)量通常也可得到保證，況且18X7類鋼絲繩內(nèi)層繩股的股數(shù)相對(duì)較少且直徑相對(duì)較小。缺點(diǎn)在于：（1）降低鋼絲繩的抗旋轉(zhuǎn)性能，鋼絲繩為同向捻而內(nèi)層繩選擇交互捻，必然使內(nèi)外層繩旋轉(zhuǎn)力矩更加不平衡而降低鋼絲繩的抗旋轉(zhuǎn)性；（2）降低內(nèi)層繩鋼絲耐磨損性能，交互捻相對(duì)同向捻，其耐磨損性相對(duì)較差是該捻法的嚴(yán)重不足，從耐磨損性角度看，鋼絲繩為同向捻而內(nèi)層繩選擇同向捻不利于鋼絲繩使用壽命的提高；（3）對(duì)鋼絲繩柔軟性有一定影響，將18X7類鋼絲繩視為鋼芯鋼絲繩，內(nèi)層繩選擇交互捻，鋼絲繩的柔軟性會(huì)降低，因?yàn)橥蚰礓摻z繩柔軟性優(yōu)于交互捻。

3結(jié)語(yǔ)
18X7類鋼絲繩雖然理論上存在多種結(jié)構(gòu)，但可用結(jié)構(gòu)式為在中心結(jié)構(gòu)外兩道工序捻制2層股，該類鋼絲繩的抗旋轉(zhuǎn)性相對(duì)23X7類、35（W）X7類鋼絲繩要差。對(duì)不同捻法18X7類鋼絲繩，內(nèi)層繩選擇什么捻法，似乎不能一概而論，因?yàn)閺匿摻z繩抗旋轉(zhuǎn)性、內(nèi)層鋼絲耐磨性、內(nèi)外層繩鋼絲接觸面積、鋼絲繩柔韌性和生產(chǎn)技術(shù)難度等角度看，每種捻法配置均存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)。筆者認(rèn)為，相對(duì)合理的配置是基于對(duì)鋼絲繩使用失效原因的分析，而且對(duì)不同使用條件，導(dǎo)致鋼絲繩最終失效的主要原因也可能并不一致。