钢丝绳制造技术发展特点分析

摘要 现代钢丝绳制造技术具有如下特点：股绳之间及股中钢丝这间保持一定间隙；股绳中不同规格钢丝的优化搭配；在设计阶段预选设置股捻制工艺参数目标值及波动范围；注重研究股、绳捻距之间匹配关系；增大捻距部分减少三角股钢丝绳使用初始伸长；相邻层股绳排列呈点、线复合形式；绳股加工工艺方法呈多样性；注（填）塑等特殊生产工艺使用日趋广泛。

关键词  钢丝绳  股绳  特点  分析

    从1821年世界上第一条简单结构钢丝绳问世，到1870年高碳钢丝绳诞生，该产品迄今已有180多年的历史。随着应用领域的不断拓展和科学技术的不断进步，钢丝绳设计制造理论日渐完善、品种结构日益增多、生产工艺日趋成熟。特别是到20世纪70年代，可谓进入高速发展时期，与此同时，也打造出一批如蒂森、波莱顿、奥钢联、美钢联、纽卡斯尔、迪帕、东京制钢、神钢钢线、欧洲钢缆、加拿大钢绳公司等著名生产商。我国虽然也有60多年的生产历史，从企业数量、生产总量看，已经成为钢丝绳生产大国，甚至有些企业在生产规模上与国外一些著名公司相当，但产品制造技术水平至今尚未进入强者之林。本文通过对多种渠道搜集的资料、信息进行归纳整理，结合引进技术，分析钢丝绳制造技术发展过程中出现的一些特点，以期对提高国产钢丝绳质量有可鉴之处。

1  股绳之间、股中钢丝之间保持间隙设计新思想

    通常强调钢丝绳中股绳、股中钢丝应均匀紧密捻制，这也是结构参数设计的基础。英国、德国、美国、日本、加拿大等一些世界钢丝绳生产强国，通过大量试验昨出：传统股、绳紧密捻制设计理论不利于钢丝绳使用寿命的提高，从而建立了股绳之间、股中钢丝之间应保持适当间隙的设计新思想，并且广泛用于生产实际，例如：波莱顿特殊绳芯石油钻井钢丝绳、神钢D-F三角填料电铲钢丝绳、美钢联“虎牌”注塑电铲钢丝绳。对股、绳（含绳芯）进行包覆处理或在股绳之间添加充填物，其主要目的之一就是为保持股绳之间的合理间隙。事实上，保持间隙的设计思想在一些技术标准中已有提示，不过并未引起一般设计者的足够重视。如DIN3051/4-72《钢丝绳基本原则交货技术条件》标准第5.5.4条规定：“即使在新钢丝绳承受载荷的状态下，绳股间的间隙一般也是有利的，而对于动绳则特别有利”。据介绍，国内某用户就蒂森提供密封钢丝绳表面出现缝隙问题提出质量异议，厂商派员到现场观察后做出能够保证使用寿命的承诺。虽然不知原始设计之初衷，但从敢对产品使用效果进行担保看，其关于缝隙研究、认识的深度非同一般。

    为全面提升产品质量，咸阳石油钢管钢绳厂引进国外先进钢丝绳生产制造技术。通过多次交流、探讨、分析外方提供的技术资料，其设计思路非常明确：股绳之间、股中钢丝之间保持合理间隙，绝不是可有可无，而应该象对待钢丝绳直径、整绳破断拉力（或钢丝破断拉力总和）那样，将间隙作为进行结构参数设计考虑的约束条件之一。其实，强调保持间隙的设计思想，目的在于利用间隙来减少股绳、股中钢丝产生相互运动时的摩擦，以求尽可能把磨擦损伤钢丝表面而对钢丝绳使用寿命的不利影响降低到最小程度。

    间隙研究成果的取得与应用充分说明：传统紧密捻制的设计思想已经发生变化。

2  强调股绳不同规格钢丝性能的优化搭配

    钢丝绳进行破断拉力试验，不仅可以准确测试其实际承载能力，也更接近使用工况，所以，几乎所有标准都将其作为必检项目之一（有时也给出钢丝破断拉力总和）。钢丝绳破断拉力不仅取决于其结构、直径及股、绳捻制质量，而且取决于钢丝尺寸和抗拉强度。显然，在一定范围内，只要能够保证钢丝绳直径，可以通过调整钢丝尺寸或抗拉强度对其承载能力进行控制。虽然钢丝绳主要功能是承受拉伸载荷（这也是按照抗拉强度进行分析的主要原因），但由于在使用期间还要经受反复弯曲、挤压、磨擦、冲击和震动等复合载荷，所以，钢丝不仅应具有一定的抗拉强度，而且还应保持较好的韧性，以满足使用安全的需要。根据钢丝生产难易程度及在股绳中所处位置不同而对其性能（主要是抗拉强度）进行优化匹配，在理论上不仅可行，并且有益于提高钢丝绳实际使用寿命。双强度电梯钢丝绳就是这种设计思想应用例证之一。笔者对日本6*25Fi+IWR-25、B种（相当于1770MPa）钢丝绳拆股发现：不同规格钢丝平均抗拉强度分别为1670MPa和1870MPa。ISO/CD10425《石油天然气工业用钢丝绳――最低要求和验收条款》标准和奥地利线材公司分别给出的钢丝绳强度匹配方法见表1、表2。这实际是不同强度级别钢丝进行组股思想在标准或规范上的体现。

    GB/T8918-1996《钢丝绳》标准第5.1.1.3条规定：“???同直径钢丝应为同一公称抗拉强度，不同直径钢丝允许采用相同或相邻公称抗拉强度（中心钢丝和填充丝除外），但应保证钢丝绳最小破断拉力或最小破断拉总和???”。显然，“允许”一词的使用，似乎标准并不主张采用不同公称抗拉强度钢丝进行组股。

表1   ISO/CD 10425钢丝绳级别与对应钢丝抗拉强度级别

表2  奥地利线材公司全密封钢丝绳强度设计

    本公司引进线接触钢丝绳设计，已经全部采用复合强度，这与传统等公称抗拉强度钢丝进行级股设计思想完全不同。

3  重视钢丝绳工艺设计

3.1 精确设计结构参数

    为便于生产管理，力求尽可能将制绳钢丝规格数量压缩到最少，所以，标准一般规定了钢丝公称直径尺寸间距（通常为0.05mm或0.10mm）。其实，对于钢丝绳这种由多根具有一定尺寸、品质、形状钢丝按照一定规律排列组成的特殊构件，减少其元件数量，对于保持其合理的结构是不利的。因为钢丝直径设计误差、生产制造误差及组合累计误差，都会影响钢丝绳使用寿命。正因为如此，在制造技术水平先进企业，强调钢丝生产规格一定要满足设计需要，而不是设计需要迁就简化生产。

    笔者将6*36SW+IWR、6*35W+FC钢丝绳国外设计配丝与GB 1102-74《圆股钢丝绳》标准进行对比发现：就主股钢丝规格数量而言，前者均比后者多一种。按照引进技术首次生产的6*36SW+IWR-60电铲钢丝绳，实际使用寿命能够达到国内同类产品领先水平，精确的结构参数设计起到了重要的保证作用。以主股为例，与国内某企业设计结果对比见表3。

表3  6*36SW+IWR-60钢丝绳结构参数设计对比

3.2  预先设置股、绳捻制参数目标值与波动范围

    当钢丝绳结构参数确定后，捻股时主要控制钢丝尺寸，股径靠压线模保证，一般不规定股径偏差，在合绳工序才严格控制钢丝绳实际尺寸，因为它是最终产品的必检项目。其实这种管后不管前的做法是不合适的。这基于：对股径偏差不进行控制，从理论上无法保证钢丝绳直径实际偏差；捻股时，即使钢丝直径偏差得到控制，实际股径还受模具尺寸和压线模夹紧程度的影响。因此，控制钢丝绳直径，必须从生产丝、股、绳每个阶段抓起。引进钢丝绳制造技术强调，从设计阶段，就应给出股、绳预期控制目标值和相应波动范围，模具制作、过程控制要严格按照设计要求进行，不能顺其自然。例如：捻制1*7股，一般认为股径等于中心钢丝直径2倍外层钢丝直径，并按此尺寸设计压线模，其实情况并非如此。

    事实上，在生产中由于采用的技术标准不同，有可能导致钢丝绳直径允许偏差范围不同，自然存在实际尺寸满足标准而并不能满足使用的潜在隐患。例如，GB/T8918-1996《钢丝绳》标准与APISpec9A《钢丝绳规范》，前者因钢丝绳结构、规格而异，偏差范围为0―+8%，而后者为-1%―+4%（公制）或0―+5%（英制）。显然，如果用户使用石油机械是按照API标准尺寸系列设计的，那么，按照前一标准采购的钢丝绳有可能无法使用。

    鉴于钢丝绳实际直径对其使用寿命的重要影响，在设计阶段对股、绳尺寸进行早期控制，特别是预置控制目标及波动范围就显得特别必要。这不仅是对用户负责的思想在设计阶段的体现，也是在维护制造企业自身的利益，同时有助于钢丝绳设计技术水平的提高。

    另外，引进技术预先设置股、绳捻制参数目标值与波动范围的对象并不仅仅限于股、绳直径，还包括捻距。

4 研究股、绳捻距之间匹配关系

    捻距倍数是钢丝绳设计、生产的重要参数，一般企业，由于对二者之间合理匹配关系缺乏足够的理论研究与成功实践，在具体实施过程中，选择的随意性较大。而股、绳（包括绳芯）之间捻距合理的匹配关系，是钢丝绳生产重要技术研究课题之一。例如，波莱顿为求某一结构、用途钢丝绳的最佳生产工艺参数，不惜花费相当大的人力、物力和财力进行各种试验，重视程度可见一般。该公司曾经在1989年、1996年、1997年不同时期向国内两矿务局提供过6*35W+FC-50钢丝绳，从产品质量证明文件看，捻距波动范围0―1mm。这一重要技术参数数年间保持设计不变，不仅反映了产品制造工艺水平的稳定性，而且体现着制造基础理论的研究成果。

    笔者认为，由于股、绳捻距倍数不仅影响到生产作业效率，而且关系丝（股）尺寸、性能捻制损失、整绳破断拉力、钢丝之间接触应力、股对绳芯抱紧程度、纲丝绳可挠性、与匹配轮槽接触状态及伸长等一系列与钢丝绳承载能力和使用寿命密切相关的问题。所以，对二者之间匹配关系的研究、试验，国外予以高度重视，其实，这也是在为不断改进产品质量寻求重要的理论和实践支持。

5 增大捻距、部分减小三角股钢丝绳使用初始伸长

    国内用户普遍反映，与进口产品相比，国产三角股钢丝绳因初始伸长大而导致调绳次数频繁。笔者对进口产品质量证明文件进行了分析，并对部分实物进行了测试，结果发现：进口三角股钢丝绳捻距倍数要明显大于国内产品。虽不排除因可能使用预张拉工艺而导致捻距倍数增大的可能，但从其与国内采用捻距倍数之间存在的数差看，笔者认为，直接采用较大捻距，也可能是一种部分减小钢丝绳使用初始伸长的有效工艺措施。

6 相邻层股绳排列呈点一线复合形式

    鉴于结构对钢丝绳使用寿命所具有的重要影响，所以，利用结构变化来改进产品质量的技术研究步伐一直就没有停止。钢丝绳结构由点接触到线接触再到面接触的发展演变过程，正是这种思想在实践上的成功体现。由于产品使用工况条件千差万别，在以综合性能最大限度满足实际使用效果为目标的思想指导下，钢丝绳结构品种日渐丰富多彩，因为不存在万能的钢丝绳。

    如果将钢丝绳中股绳视同单根钢丝，对于圆股钢丝绳而言，借助通常用捻制特性进行结构划分的方法，则相邻层股绳排列一般呈点接触和线接触两种形式。例如，18*7+FC钢丝绳、满充式（全线接触）钢丝绳。从有关资料看，相邻层股绳在继续保持上述排列形式的基础上，又出现了点一线复合排列新的结构形式。

    值得一提的是，无论是相邻层股绳，还是股中相邻层钢丝，只要是点一线复合排列，国外基本采用瓦林吞这一种结构，特别是在迪帕、蒂森。笔者认为，采用点一线复合结构进行组股或组绳，其设计思想就是把线接触结构股（绳）破断拉力较大特点与点接触股（绳）具有较好柔软性特点相互结合，以追求产品综合使用效果。至于大多数情况下为何主要选择瓦林吞这一种线接触结构，其原因尚需深入研究。

7 组绳股加工工艺方法呈多样性

    一般情况下，构成钢丝绳的股绳均采用捻制工艺生产，即股绳加工工艺呈现单一性，但目前又出现捻制工艺股与压实工艺股进行组合的新形式。

    笔者认为，将捻制股绳与压实股组合成绳，是考虑了各种虎艺股绳各自所具有的特点与不足，追求优势互补。压实股钢丝绳与捻制线接触股钢丝绳相比，具有整绳破断拉力高、与匹配轮槽接触面积大的技术优势，但可挠性较差，操作不便，而捻制线接触股钢丝绳与之正好相反。采用压实股与捻制线接触股复合组绳，且将压实股置于外侧，并与内层股绳呈点接触排列，将会得到一种使用安全系数较大、耐磨性较好、比较柔软、使用操作比较方便的钢丝绳。

    基于对钢丝绳综合性能的不断追求，引起钢丝绳相邻层股强排列方式与组绳股加工工艺不断改进，在延长产品使用寿命的同时，也给其结构式的准确描述带来相当大的困难，这一现实问题已经引起业内人士的注意。

8 特殊生产工艺使用日趋广泛

    随着钢丝绳使用工况变化和对延长产品使用寿命的不断追求，通过改变结构、提高钢丝品质所显示的效果，有时似乎并不理想，迫使钢丝绳制造企业寻找新的生产工艺。从目前情况看，主要集中在填（注）塑、包覆工艺和压实工艺两大类别。