（机械制造及其自动化专业论文）钢丝绳结构伸长及其预张拉研究.pdf

t - = 又j l l 工大掌硕士学位论文 摘要 捻制后的钢丝绳总存在着结构伸长，在使用过程中，其结构伸长给钢丝绳 的用户带来许多不便。初期使用的钢丝绳在第一个月内被迫停产二、三次以调 整其长度，严重影响钢丝绳的使用性能，甚至根本不能使用钢丝绳。通过钢丝 绳预张拉不但能在工厂消除其结构伸长，而且还能改善钢丝绳的股和丝的受力 均匀性，提高钢丝绳的使用性能和疲劳寿命，极大地提高了钢丝绳的实物质量。 作者从以下几个方面对钢丝绳结构伸长和预张拉理论进行了研究。 首先，提出了钢丝绳结构伸长理论，从组成纲丝绳的丝和股的结构和捻制 原理出发，阐述了钢丝绳结构伸长存在的必然性，分析了结构伸长是永久伸长， 是完全可以消除的。 其次，通过对钢丝绳捻过程的控制，采用合理且必要的工艺手段，通过控 制丝和股的张力均匀性，以及消除其捻制应力，不但可以控制钢丝绳结构伸长， 而且也是提高钢丝绳实物质量不可缺少的工艺手段。 再次，本文的最大贡献是对钢丝绳结构伸长理论和预张拉方法作了初步系 统的研究，首次在国内提出了预张拉工艺和预张拉机的设计思想，为提高钢丝 绳实物质量提供了切实可行的方法。 最后，通过对各种钢丝绳预张拉机的分析介绍，论证了实用性强，预张拉 工艺灵活，且效果良好的间歇折返式预张拉机。 关键词：钢丝绳结构伸长弹性伸长捻制应力预张拉 叠：汉毫工大捌明炙士掌位沧文 t h e r e e x i s t ss m l c u n a l s t r e t c h a f t e r t h es t e e l w i r e m p e i s t w i s 缸a n d t h e s t e e l w i r e r o p e s t r u c t u r a l s t r e t c h b r i n g s m u c h i n c o n v a t i m c e t o u s w h a a t h e r o p e i s i 痂u g u s a l t h e p r o d u 斑o n w i l l h a v e t o b e s t o p p 。d f o r u s a s t w 0 0 1 t h _ n t i m e s i n t l 瓷f i r s t m o n t h d u r i n g t h e 暇o f s t e e l i n e a d y d a y s w i r e r o p e s b e c a u s e 吐l e l 呼o f s t e e l 咖r o p e s l 丝v e 幻b e 删u s 缸 t h a t w i l l h a v e a s e r i o u s a f f e c t o n f i l e u s a b l e p e r f o r m a n c e o f r o p e s ，a n d e v e n l h e r o p e s c a n n o t b e u s e d t h e s t e e l r o p e s p r o - p u l l n o t o n l y e h m i n a t e s t b e m p e s s m m u m ls c 凭把 l b u t a l s o i m p r o v e s t e n s i o n t m i f o m a i t y o f s 呦x t s a n d w i r e s i n r o p e , 锄d l i 缸t h e u s a b l e p e r f o 础, f m i g u e d l i f ea n d r o p e sq m l i t y t h e a u t h o r m a k e s t h e r e s e a w 血o n t h e s t e e l w i r e r o p es m l c u m l s t r e t c h t h c o r y a n d p i e - p u l l t h e o r y f m t h e f o l l o w i n g a s p e c t s f 域t h e s t e e l w i r c r o p c 删t h c o r y i s p r e s e n t e d s 衄t 堍丘0 m 妞咖l c n o f s 嘧遗 a n d w i r e s i n r o p e a n d t w i s t i n g p r i n c i p l e , t h e a u l h o r s e t s f o r t h t h e e x i s t e n t i n e v i t a b i l i t y o f t h e s t e e l w i r e r o p es l n k 删s w e t c h a n d a n a l y s e s t h a t t h e s m m u m l s 血a c h i s p e n m n e n t s u a c h a n d c o n s i d e r t h e s t r e t c h c a n b e e l m a i n a t 缸 s e c o n d , c 0 i 畦r 0 u j n g 恤s t e e l w i r e r o p e 喊p r o c e s s ，u s i n g r a t i o n a l a n d n e c e s s a r y 住枷c s m e f l a o d s c o n t r o l l i n g t h e t e n s i o n u n i f o n n i t y o f w i r e s a n d s t r a n d s a n d e 峨t h e t w i s 吨s u - e s s n o t o n l y c o n t r o l t h es t e e l w i r e r o p e s l n l c h a 1s n 眺b u t a l s o a r e i n d i s p e n s a b l e t e c h n i c sm e t h o d sf o r i m p r o v i n g t h es t e e lw i r e r o p e sq u a l i t y t h i r d , t h e b i g g e s t c o n l n b u t i o n i n t h i s p a p e r i s t h a t t h e a u t h o r m a k e s a n i n i 衄a n d s y s t e m a t i c a l r e s e a r c h o n t h es t e e l w i r e r o p es i n k 删s l m t c h t h e o r y a n d p r e - p u l l m e t h o d a t t h e f i r s t t i m e a t h o m e t h e d e s i g n i d e a o f p r e - p u l l t e c h n i c s a n d p r e - p u l l r m c n n e i s p u t f o r w a r & a 皿粥如a i a n d f e a s i b l e m e t h o d i s p r o v i d e d f o r i m p r o v i n g t h e s l e d w i r e r o p e s q u a l t y l a s t , 出- i a n a l y s i s a n d i n t r o d u e t i o n i s m a d e f o r v a r i e t y o f t h e s t e e l w i r e r o p e p r e - p u u n 眦, h i n e $ a n d a c o n c a e t e l 撕e - p u u m a d a i n e i s d e m o n s a a t e d w h i c h h a s g o o d 删c a b n i 吼 a g u e 掣删也d 】i c s a n d e x c e l l e a a t a f f e c t k e yw o r d s ：s t e e lw i r er o p es t r u c t u r a ls t r e t c he l a s t i cs t r e t c h t w i s t i n g s t r e s s p r e - p u l l i l 武汉理工大学硕士研究生论文 第一章绪论 1 1 引言 钢丝绳广泛用于煤炭、冶金、石油、邮电、广播、纺织、海洋、交 通、电力、矿山、林业、旅游、建筑、军工等各行各业。钢丝绳是金属 制品工业中的重要品种之一。但是从1 8 7 0 1 8 7 1 年真正用钢丝制成的 第一批钢丝绳至今，只有一百多年的历史。提高钢丝绳的质量是缩短我 国与国外发达国家经济发展水平差距的重要因素。 影响钢丝绳实物质量的因素很多。钢铁冶炼水平的高低，生产钢丝 和捻制钢丝绳的中间过程工艺是否先进合理，质量管理措旌是否得力， 以及生产钢丝、钢丝绳的装备水平高低等等都直接影响钢丝绳的质量。 这些影响因素早已为人们认识并得到普遍重视，而且取得了很大进步。 随着中国改革开放，生产力飞速发展，生产率日益提高的今天，使用钢 丝绳的装备越来越先进，钢丝绳的使用范围也越来越广，所以对钢丝绳 的质量和性能要求越来越高。钢丝绳后处理技术越显重要，其中最典型 技术就是钢丝绳的工厂预张拉，已引起了众多有识之士的关注，其主要 目的是在生产工厂消除钢丝绳的结构伸长在使用中的危害。 1 2 钢丝绳结构伸长及其预张拉研究的意义 1 2 1 基本概念 钢丝绳结构伸长：当钢丝绳在纵向受自重和外加载荷时，随着其钢 丝和钢丝绳股间隙的消除而结构交得更加紧密，使钢丝、钢丝绳股的捻 制应力逐渐消除，纤维芯被压缩，导致卸载后钢丝绳比使用前要长，即 发生了结构伸长。 钢丝绳预张拉：就是在工厂对钢丝绳施加一定的张拉载荷，以达到 部分或彻底消除钢丝绳的结构伸长。 1 2 2 钢丝绳结构伸长及其预张拉研究的意义 武汉罩l 工大d 明页j 蛔f 兜生论文 不同领域里钢丝绳的使用者，常常会感觉到钢丝绳结构伸长所带来 的危害，并不得不被迫停产，在使用现场的特殊环境里进行使用中的调 整来克服这种结构伸长带来的危害，这种调整往往需要反复3 4 次， 做起来也很麻烦，增加了工人的劳动强度，而且严重影响劳动生产率， 见表( 1 1 ) 为某矿钢丝绳结构伸长调整记录。作为钢丝绳的制造者在生产 过程中是不容易感受到这种状况的存在，但经常会得到来自于使用方面 的抱怨，并希望解决这一问题的呼吁。 在目前现有工艺技术及设备上生产出来的钢丝绳，在负荷状态下必 定会产生结构伸长。由于钢丝绳结构的不同，以及在不同用途下使用条 件的不同，结构伸长带来的影响也不尽相同，因为除作为永久性悬挂结 构件使用钢丝绳外，其它用途下，结构伸长并不是致命的缺陷，所以， 长期以来人们并未对其引起足够的重视，对结构伸长在不同的使用条件 下所造成的危害也缺乏较系统的研究。 这里把钢丝绳的结构伸长在不同用途下的危害分三类： 第一类：永久性承重悬挂结构件即钢丝绳在构造物中作为承受 纵向载荷的结构件，诸如斜拉索、悬吊桥的吊杆索、塔架等的拉紧索， 各类管道跨越形式下的悬吊索、无支撑形顶层建筑物的承重索。这一类 用途的一个共同特点是，一条或多条钢丝绳( 或绞线) 共同使用，且长 度不等，负荷状态不同。在考虑了温度因素影响以及弹性伸长存在的同 时，如不进行消除钢丝绳结构伸长的处理，要想获得稳定的长度，使绳 索使用时所受张力协调一致是不可能的，而稳定的长度在这类用途中是 必须具备的条件之一。 第二类：循环( 往复) 式承重钢丝绳这类用途包括各类循环式 客货索道、往复式客货运索道、皮带运输机、电梯。结构伸长在这类用 途中并不是致命的缺陷，但其给使用者带来的问题确是必要解决的，其 突出表现在于电梯及客运索道停车定位的准确性。如对钢丝绳不进行特 殊处理，则使用初期结构伸长导致停车位置不准，当伸长达到一定量时 则必须进行调整，对于循环式索道在循环牵引的自调整距离小于结构伸 长时，就必须将编结段解开重新编结以解决这一问题。所有这些调整不 2 武汉埋工大学硕士研究生论文 。霹划器宴罴罩：i=惹s罡筇e惹眯穴a一1)-9，一一n一 。熏靼憾g暖奄球状in号口一口(1)。墨蘧 盛出 一 摹 糍晕甜。 剥 娶型一 磐 镊掣邑 怒 目暴g 般 口 o 一 捌 甾 毯一 馨 案半邑 墨 撼皿 嚣 釜瑙一 里 晕出邑 1 1 客 一 拣皿 滔 备 毯一 露 罐业邑 1要 掘田 蜊倒一 弼逝邑 裂蒙 馘叮 l ni n 逻 n n f 、n 十 n n 姆 - g -e寻 号 e n e 岳 鼎 o 十寸 = n n n寸 西心 、。 封1 一 甘 器 崞、。、。 一 蝰妒嗡霉谢器半兰霉螺霹划器捂眯二擗 武汉理工大掌司e 士研究盎；论文 论对于货运还是客运都将影响生产效率，增加工作量，而且一次调整往 往不能彻底解决问题，需要两次甚至三次才能使绳子达到稳定状态。 第三类：等长度提升用绳这类用途主要包括水利工程中的升船 机、钢包起重、各类摩擦提升，电铲斗轮挖掘机等工程机械的主卷扬及 张紧绳。这类用途的共同特点是两条以上绳同时使用且长度相同，正是 这一特点，结构伸长带来的危害更显严重。首先由于结构伸长的产生， 在摩擦提升场合甚至使运行不可能进行。而在伸长产生后仍可运行的机 械上，由于每条绳伸长量不等，所带来的危害更大，如升船机、钢包起 重等。对于伸长量已进行一定程度的调整，且并未完全消除，但已不至 于影响正常运行，则各类绳中残余的不等的结构伸长则会降低钢丝绳的 使用寿命，其中伸长较短的绳负荷大，使用寿命降低，从而导致整组钢 丝绳使用水平的降低。钢丝绳的结构伸长是其固有的一种特性，从上述 分类分析可看出不论在何种用途上，钢丝绳结构伸长都是有害的，综合 起来看，严重时可使钢丝绳的功能不能正常发挥，即便可以维持使用， 也会带来各类不良后果，降低设备运行效率，降低钢丝绳使用寿命，设 备运行不稳定因素加大，增加使用者的维护工作量。因此，系统的分析 钢丝绳结构伸长，并在工厂制造阶段消除这种伸长，对于提高钢丝绳的 实物质量、使用性能和扩展钢丝绳的使用领域都具有十分重要的意义。 1 3 国内外研究情况 国外先进发达国家早在7 0 年代就开始了钢丝绳的工厂预张拉技术 的研究，以提高钢丝绳产品质量和市场竞争能力。如加拿大钢绳产业公 司拥有一条最大拉力5 0 0 0 k n ，一次张拉长度3 0 0 多米的间歇式预张拉 生产线；德国拥有一条最大拉力3 0 0 0 k n ，一次张拉长度5 0 0 米的间歇 式预张拉生产线；日本拥有一条最大拉力3 0 0 0 k n ，一次张拉长度1 0 0 0 米，它是世界上同类产品最长的生产线；其它还有美国、英国布莱顿钢 缆公司都拥有间歇式预张拉生产线。 英国一部分人认为钢丝绳不必进行工厂预张拉，其理由是钢丝绳在 工作时用光电感应等控制其行程，但这种方式仅适用于诸如电梯类或单 4 蠲t 汉理工大掌硕士研囊二生论文 根钢丝绳、或有光电感应控制测试环境、或使用环境中钢丝绳的强度不 是主要破坏形式，对于p h 2 8 0 0 电铲用钢丝绳，石油油井用钢丝绳就很 难实现光控。这也是我国是否需要开发研制钢丝绳预张拉技术争论的焦 点。 上述发达国家都拥有一套较成熟的钢丝绳预张拉工艺和拉设备，长 期以来重要用途的钢丝绳都严格执行预张拉处理，认为预张拉不但能消 除钢丝绳的结构伸长，而且还能提高钢丝绳的疲劳寿命和使用性能。我 们在工厂调查中也发现，我国绝大多数较现代化的矿山，其提升设备和 所用钢丝绳均从美国、加拿大、日本等国家引进，尽管其钢丝绳价格是 国内同类产品的两倍以上，有时不惜重金空运以解燃眉之急。究其原因， 除了进口钢丝绳和钢丝绳用钢丝机械性能优良外，主要还采用了预张拉 等后处理技术，使用户用得放心，工厂能连续生产，充分发挥先进高效 装备的生产效率。有关资料表明，我国重要用途的高附加值钢丝绳5 0 以上的从国外进口，可见这块市场潜力之大，摆在我们面前的任务是艰 巨的。 而我国拥有近2 0 0 0 家的钢丝绳制造厂中，还没有一家钢丝绳制造 厂掌握消除钢丝绳结构伸长的工艺技术和专用设备。国内机械制造行业 尚未开发研制仅在几年前，江苏无锡钢丝绳厂花巨资从意大利引进了一 台连续式1 0 0 k n 预张拉生产线，仅用以处理直径中1 8 r a m 以下的电梯用 钢丝绳，适用范围小，但已产生了不小的经济效益。同时也引起了业内 人士的注意，也引起了国家经贸委的关注，并组织人力研究钢丝绳预张 拉工艺技术和设备。 目前，用户关注钢丝绳质量的内容已远远超出了现行国家标准规定 的范围，而且因为各用户追加项目的具体指标值又不尽一致，这给钢丝 绳生产企业在生产准备、组织管理，以及工艺技术设计和实物质量控制 等诸多方面带来一系列过去认识较浅的新问题，大大提高了钢丝绳的技 术含量和制造难度，需要重新认识，尽快适应。 1 4 钢丝绳预张拉的应用特点 武汉褒工大掌硕士研完生论文 钢丝绳经过预张拉处理，最大特点是有效消除钢丝绳在生产中无法 完全避免的结构伸长缺陷，可免除或减少钢丝绳使用中因负载伸长必须 裁减调整绳头的次数，显著提高安装和使用效率，节省运行费用，降低 劳动强度。同时，适当的预张拉处理还能消除钢丝绳的捻制缺陷，改善 钢丝和钢丝绳股张力的均匀性，迫使绳股在结构上处于最稳定的自然位 置，有利于提高钢丝绳的疲劳强度，延长钢丝绳的使用寿命。 可见成功的研究钢丝绳预张拉工艺技术和设备，能使我国钢丝绳产 品质量和技术迈上一个新台阶，不但能节省外汇，而且为企业提高了竞 争力，把我们的产品打向国际市场提供了一个质量保证措施，为“我们 不但要作钢丝绳生产大国，更要作钢丝绳生产强国”奠定基础。 1 5 本论文解决的技术关键和达到的技术指标 1 5 1 本论文解决的技术关键 ( 1 ) 各种结构钢丝绳的结构伸长率分析； ( 2 ) 各种结构钢丝绳的弹性模量； ( 3 ) 解决消除钢丝绳结构伸长的工厂预张拉工艺设备； ( 4 ) 解决钢丝绳分段张拉时如何夹持钢丝绳。 1 5 2 本论文研究达到的技术指标 ( 1 ) 预张拉工作可靠，且不损伤钢丝绳： ( 2 ) 根据对钢丝绳结构伸长和质量的要求，达到部分或彻底消除钢丝绳的 结构伸长； ( 3 ) 提高钢丝绳的弹性模量、疲劳寿命和实物质量。 1 6 本论文采用的研究方法和试验方案 1 6 1 本论文采用的研究方法 本论文采用对比的方法，即对钢丝绳预张拉前后的性能进行一系列 理论分析和试验分析研究之后，优选出最佳的预张拉工艺参数和预张拉 机的结构形式。 6 武汉理工大掌硕士研究生论文 1 6 2 本论文采用的试验方案 ( 1 ) 对目前使用的钢丝绳进行性能测试，包括钢丝绳预张拉前后 的结构伸长、弹性模量、抗拉强度的测试分析对比，说明钢丝绳预张拉 技术对提高钢丝绳性能的可能性和必然性。 ( 2 ) 对比分析目前国内外钢丝绳预张拉工艺技术及设备，提出一种结 构更为合理的预张拉设备。 1 7 本论文的内容 本文在下面几个方面作了阐述： 在第二章通过对钢丝绳的结构组成的分析，阐述了钢丝绳生产不可 避免结构伸长的存在，并提出了钢丝绳在捻制生产过程中如何控制其结 构伸长，以及该过程与提高钢丝绳质量密不可分，起到事半功倍的作用。 在第三章中通过对钢丝绳结构的分析和使用过程的捻制应力消除， 阐述了钢丝绳结构伸长的机理，并分析了由于结构伸长的存在对钢丝绳 疲劳寿命的不利影响。由此引出了钢丝绳预张拉可以消除钢丝绳的结构 伸长，改善钢丝和钢丝绳股的受力均匀性，极大地提高其疲劳寿命，提 高弹性模量，从而有效提高钢丝绳的实物质量。 在第四章中阐述了钢丝绳预张拉理论的运用，论述了钢丝绳预张拉 的关键工艺技术，不再局限于连续台式预张拉1 ，而是着重介绍了间歇 式预张拉机的结构布置和关键工艺设备技术，指明了间歇折返式预张拉 机是我国重要用途、较大规格钢丝绳预张拉的发展方向。最后对实例作 了分析计算。 翻0 汉罩l 工大掌硕士研究生论文 2 1 引言 第二章钢丝绳结构伸长及其控制研究 结构伸长是钢丝绳捻制过程中无法避免的。本章将通过对钢丝绳的 结构组成和捻制生产原理的分析论证阐述了由于捻制应力的存在，初始 使用的钢丝绳在外力的作用下，随着捻制应力的消除，其钢丝绳股和钢 丝将达到最稳定的平衡位置，同时钢丝绳产生结构伸长。在钢丝绳捻制 生产过程中采用合理的工艺技术能较好的控制其结构伸长，并有效改善 和提高钢丝绳的实物质量。 2 2 钢丝绳结构伸长 钢丝绳是指若干根钢丝，经过一定规则的捻制，做成的一束既致密 又富有强大抗拉力且又极柔软的螺旋状钢丝束。钢丝绳按其钢丝围绕中 心钢丝或绳芯捻制的情况分为单捻钢丝绳，双捻钢丝绳和三捻钢丝绳。 单捻钢丝绳是以一根钢丝为中心，在它的周围由一层或数层钢丝绕 着这根钢丝按螺旋状捻制而成( 见图2 1 a ) 。单捻钢丝绳可以由圆钢丝 构成，称单股钢丝绳；也可由异形丝构成，称密封钢丝绳。 双捻钢丝绳是由若干单股钢丝绳或股，围绕着一根有机芯或金属芯 做螺旋状运动捻制而成的( 见图2 1 b ) 。双捻钢丝绳用途最广，它占钢 丝绳总量的7 0 8 5 。双捻钢丝绳有圆股和异形股二种，股芯可带有机 芯，也可不带有机芯。 三捻钢丝绳是将若干根双捻钢丝绳作为股，围绕着一根有机芯或 金属芯做螺旋状运动捻制而成的。( 见图2 1 c ) 钢丝绳的分类：钢丝绳的品种很多，达一百多种，其分类方法也很 多。 按钢丝绳的绳芯分类可分为纤维芯和金属芯两种。 按钢丝绳的捻法分类：钢丝的捻向有左捻和右捻两种；钢丝绳的捻 向与股即钢丝的捻向相反，称为交互捻钢丝绳；反之为同向捻钢丝绳。 武汉囊工大掌硕士研究生。谗? 文 国器静 图2 1 钢丝绳截面示意图 按表面状态可分光面钢丝绳、镀锌( 铝) 钢丝绳、包塑料钢丝绳。 按股的截面形状可分圆股钢丝绳和异形股钢丝绳。 按钢丝绳股中相邻各层钢丝的接触状态可分：点接触钢丝绳、线接 触钢丝绳和面接触钢丝绳。点接触钢丝绳的股中钢丝是分层捻制而成， 各层钢丝绳相互交叉成点状接触，可见在相同外力作用下，钢丝所受的 接触应力较大。线接触钢丝绳的股是一次捻制而成的，各钢丝间平行捻 制，全长呈线接触，在相同外力作用下，钢丝所受的接触应力较小。面 接触钢丝绳是由异形钢丝组成，股内各钢丝之间里面接触状态，在相同 外力作用下，钢丝所受的接触应力最小。 钢丝绳内的钢丝不是占有整个钢丝的断面，而是钢丝间存在许多间 隙、以及纤维芯占据了许多断面积。钢丝绳中全部钢丝断面积之和与钢 丝绳外接圆断面积之比，称为钢丝绳的密度，或称密度系数、充填系数。 钢丝绳的密度系数是钢丝绳的重要性质之一，在相同直径和相同抗拉强 度的条件下，密度系数越大则总和破段拉力也越大。在捻制质量相当时， 密度系数越大时其结构伸长率越小。 钢丝绳不同的捻制方法和不同的结构形式，其密度系数也不尽相 同，见表( 2 1 ) 常用钢丝绳的密度系数。 通过以上的介绍不难看出，钢丝与钢丝之间、股与股之间、股与芯 子之间总存在间隙，而且，捻制时钢丝及股的变形存在捻制应力，该捻 制应力又使间隙呈加大趋势，所以，当钢丝绳在纵向受自重和外加载荷 时，随着其间隙的消除而结构变得更加紧密，并且将发生“时效”作用 而使捻制应力逐渐消除，纤维芯又被压缩，导致卸载后钢丝绳比使用前 要长，即发生了钢丝绳结构伸长，其长出量叫结构伸长量，其结构伸长 量与钢丝绳原始长度的比值称为结构伸长率。 9 武汉曩工大学硕士研究生。谗? 文 钢丝绳在正常使用受外力时产生的伸长通常还有弹性伸长和蠕变 伸长。 钢缆绳结构 密度系数( k n ) 钢鲐绳结构 密度系数( k n ) 1 70 7 86 3 0o 3 9 1 1 90 7 66 1 9so 5 2 l 3 7o 7 66 1 9 w0 5 1 1 1 9s0 8 36 1 9 f io 5 2 t 1 70 9 06 3 6 w so 5 2 t 1 1 9 so 9 31 8 70 5 3 密封钢丝绳o 9 0 以下 l8 1 90 5 2 6 70 4 8t 6 1 9so 5 9 6 1 90 4 8t 6 1 9 w0 5 8 6 3 70 4 86 1 9 f i o 5 8 6 2 40 4 26 v 3 00 5 0 弹性伸长量取决于钢丝绳自有的性能主要取决组成钢丝绳的母材 以及钢丝绳结构，即钢丝绳的弹性模量。当外力除去后其弹性伸长即可 恢复，习惯称之为非永久伸长。蠕变伸长与时间和钢丝绳物理性能有关， 但变形量很小，仅在结构件中考虑，如斜拉桥绳索、大型屋面板。低松 弛预应力钢绞线便是一种很重点考虑蠕变变形的钢丝绳。 结构伸长和蠕变伸长均属永久伸长，当外力消失后其伸长不再恢 复。钢丝绳的弹性模量( e ) 与钢丝绳的结构有关，表( 2 2 ) 中列出了几 种常用结构钢丝绳的弹性模量。不同结构的钢丝绳中钢丝数量、捻法、 种类、钢丝绳绳芯，以及钢丝绳的捻制质量等的不同而不同，通过预张 拉、紧压、锻打等工艺，能提高其弹性模量，降低弹性伸长。但是通过 预张拉、紧压、锻打等工艺加工，不但要提高钢丝绳的生产成本，而且 由于紧压、锻打工艺伴有刚性的提高，从而会限制了钢丝绳的使用，所 以这些加工工艺必须根据钢丝绳的用途，选用相应的加工工艺。通常情 1 0 武汉鼍t 工大掌硕士研究生能譬 况下，钢丝绳的使用是不考虑其弹性模量的影响因素，但是随着科技进 步和生产力不断提高，钢丝绳的弹性模量也开始越来越受到重视，如目 前最新研制的一种产品一一石油油井抽油用钢丝绳，弹性模量的大小直 接关系到钢丝绳能否在石油油井抽油领域中的应用。 序号钢幺幺绳结构弹性模量1 0 5 m p a 1密封钢幺幺绳1 4 5 1 7 2 2钢绞线l - 2 5 1 4 5 3多股钢丝绳 1 0 0 1 2 5 4钢芯钢丝绳1 o o 1 2 5 5纤维蕊钢幺幺绳0 7 0 1 0 0 钢丝绳的蠕变控制，通常是对钢丝采用低温回火、张拉等稳定化处 理。该方法工艺复杂，生产成本高，且伸长量极小，对绝大多数钢丝绳 的使用没有影响，所以一般不考虑蠕变因素。 2 3 捻制中的钢丝绳结构伸长及其控制 2 3 1 钢丝绳捻制中的质量控制对结构伸长的影响 2 3 1 1 名词解释 钢丝绳的捻距：钢丝绳内某一根钢丝股绕着绳芯螺旋状地旋转一 周( 3 6 0 。) 的直线距离称为绳的一个捻距。 股的捻距：股内某一根钢丝绕着其中心钢丝( 或纤维芯) 螺旋状地 旋转一周( 3 6 0 。) 的直线距离称为股的一个捻距。 捻距倍数k ： s k = d 或：s = k d 式中s 一一绳或股的捻距： d 一一绳或股的外接圆直径； k 一一捻距倍数。 2 3 1 2 钢丝绳的捻距对其结构伸长的影响 武汉理工大掌碍e 士研究生沦文 一般来说，钢丝绳的捻距越大时，其结构伸长较小，捻距越小时， 其结构伸长较大。 捻距是钢丝绳的一项极其重要的工艺参数，它对钢丝绳的性能影响 极大。 捻距大时，尽管生产率高，钢丝捻制变形后强度损失小，钢丝绳的 总破段拉力大，但其可挠性差，松散性能差，耐疲劳性能差，耐压和耐 冲击性能差。捻距小时对钢丝绳的性能影响正好与捻距大时相反。可见 捻距不能过大，也不宜过小，要考虑到各个因素的综合影响，以及使用 条件的不同来决定。国家标准g b t 8 9 1 8 - 1 9 9 6 钢丝绳对钢丝绳及股 的捻距做了明确规定。规定中只规定了上限，而不规定下限，但是捻距 也不能太小，否则钢丝绳的强度和韧性将降得太大。 2 3 2 钢丝和股的张力对钢丝绳结构伸长的影响 钢丝绳的捻制质量包含的内容很多，但对钢丝绳的结构伸长有关的 因素主要有：工字轮上钢丝或股张力的一致性，压线瓦的压力大小，绳 或股表面的缝隙大小，绳或股的紧密性和紧密的均匀性。 工字轮上放出的钢丝或股张力的一致性，直接关系到钢丝绳的股或 股中钢丝在承受载荷时各钢丝或股的受力均匀性。工字轮闸带松紧程度 的一致性越差，则钢丝绳的股和钢丝在承受载荷时受力均匀性越差，使 少部分钢丝或股先受力，且承受大部分载荷，导致这少部分钢丝或股发 生塑性变形而使钢丝绳伸长。塑性变形伸长对钢丝绳的使用寿命危害极 大。质量好的钢丝绳作整绳破段试验时一般是一半以上的股或钢丝同时 断。 所以，工字轮上钢丝或股张力控制随着技术的进步，已发展有多种 形式。 ( 1 ) 工字轮加阻尼带，该种方式运用得最早，也是最常用的方法。 它主要靠操作工人的经验和责任心，简单方便，但不利于工厂管理，捻 制质量散差很大，产品质量不很稳定。 ( 2 ) 工字轮加阻尼带再加张力传感器，计算机显示及报警。当张力 超过设定要求时要停下车来调整阻尼带。该方式较简单，克服了人为因 2 武汉理工大掌硕士研究生论文 素和前一种方式的不足，把张力控制在有效范围以内。 ( 3 ) 工字轮加主动电机放线再加张力传感器，计算机控制和显示。 该方法能将张力控制在很小范围内，不用停车而自动调整张力。生产效 率大幅提高，但结构复杂。 通过上述方法，根据钢丝绳的不同使用条件的要求，能有针对性的 选用不同的张力控制方式，不但可提高钢丝绳的实物质量，而且也是控 制影响钢丝绳结构伸长的一个重要因素。 我国目前还是普遍采用工字轮加阻尼带的方法。随着市场越来越高 的要求以及产品出口的需要，已有几家公司开始研究或引进工字轮加阻 尼带再加张力传感器的技术。 2 3 3 压线瓦对钢丝绳结构伸长的影响 压线瓦孔的大小一般等于钢丝绳的公称直径，其压紧力控制在钢丝 绳或股能安全成形而又不伤害钢丝表面质量为准。为控制钢丝绳的结构 伸长，其压力应尽量大一些，使钢丝绳捻制紧密，提高其填充系数。可 见压线瓦的压力越大，钢丝间、股之间、股与绳芯之间接触越紧密，缝 隙越小，使钢丝绳的结构伸长越小。 国家标准g b t 8 9 18 1 9 9 6 钢丝绳对钢丝绳的出厂直径有严格要 求，其直径偏差范围为：下偏差为0 ，上偏差一般为钢丝绳公称直径的 + 5 。所以应适当的加大钢丝绳的配丝直径或绳芯直径，这点与国标中 推荐的配丝和绳芯有一定差别。 2 3 4 绳和股的缝隙大小对钢丝绳结构伸长的影响 钢丝绳股之间或钢丝之间的缝隙越小，则钢丝绳的结构伸长越小。 但是钢丝绳股之间或股的钢丝之间表面的缝隙又不能太小。由于钢丝绳 在使用时时刻在发生弯曲变形，弯曲变形处铜丝绳的横截面呈椭圆形， 受压侧的钢丝或股将产生相互强烈的挤压，不但相互摩擦磨损而严重影 响使用寿命，严重时还使钢丝绳绳芯外露或钢丝被挤出而破坏钢丝绳的 结构，使钢丝绳报废。当钢丝绳股之间或股的钢丝之间表面的缝隙为负 值，则钢丝绳的股与绳芯之间以及股的外层钢丝与内层钢丝间将产生缝 武汉理工大掌硕士研兜生论文 隙，钢丝的结构不能有效保持，只能报废。 所以结构伸长控制要求高的钢丝绳，要严格控制绳或股表面的缝 隙。一般地，捻制后的钢丝绳在捻制紧密的条件下，钢丝的缝隙控制在 0 0 5 0 1 m m 范围内，股与股的缝隙控制在0 1 5 0 5 m m 范围内，这对 捻制过程中控制钢丝绳的结构伸长很有效。 2 3 5 绳和股的紧密性和均匀性对结构伸长的影响 绳或股的紧密性和均匀性对钢丝绳的结构伸长影响最大，越紧密越 均匀则结构伸长越小。 绳或股的紧密性所涉及到的技术内容很多，也是钢丝绳生产的技术 核心。 前面所述的工字轮上钢丝或股张力的一致性、压线瓦的压力大小以 及绳或股表面的缝隙大小等的控制都密切相关外，还与钢丝绳的内应力 等密切相关，只有这几项因素都控制好后，才能在捻制过程中控制钢丝 绳的结构伸长，也只有这样才能生产出高质量的钢丝绳。 钢丝绳及钢丝绳股捻制时，使己受到拉拔应力的钢丝又受到捻制应 力，因而，大大的降低了钢丝绳的技术性能。 若钢丝绳端头呈自由状态时，绳股不绑扎便会松散，承受拉张载荷 时会旋转，则疲劳性能差，结构伸长加长。国家标准g b t 8 9 1 9 - 1 9 9 6 钢 丝绳明确规定了“所有钢丝绳都应制成不松散的”。 捻制过程中，钢丝受到弹性和塑性弯曲扭转及张拉变形，产生了弯 曲、扭转和张拉应力。三种应力中，以张拉应力为最小，扭转应力和弯 曲应力中，弯曲应力是主要的。由于应力可以达到很大数值，从而降低 了钢丝的机械性能。若不消除，将产生很大的回复力，即反拨力，钢丝 绳呈松散状，结构伸长呈增大趋势。例如：从三角股钢丝绳中取出一批 直径为l 3 毫米的钢丝进行试验，结果表明捻制后钢丝的强度极限平 均降低2 7 ，扭转值降低8 0 ，弯曲值降低】8 4 ，而且捻距越小机 械性能指标降得越多。 消除钢丝绳的内应力的常用方法有：钢丝和绳股预变形、钢丝绳股 与钢丝绳矫真一一后变形、低温回火以及同向捻合绳时的股绳反向翻身 1 4 曩 汉理工大学硕士研究生沦文 等。 2 3 5 1 钢丝和钢丝绳股预变形 预变形指钢丝或钢丝绳股在成形前的预先变形，以形成捻制中应具 有的螺旋状。这时，钢丝或钢丝绳股弯曲并略为扭转。只要变形参数选 择得当，就能保证钢丝外缘在捻股和合绳时产生的应力完全中和掉，钢 丝绳实物结构紧密性最好。该方法简便，被广泛采用。 最常用的是合绳时使用的预变形，因为单丝预变形时，由于多次反 复弯曲而产生微裂纹。般单捻钢丝绳才采用钢丝预变形。 钢丝和钢丝绳股预变形的县体方法是，在捻股机或合绳机的分线盘 后、压线瓦前安装一预变形器，给钢丝或绳股一定的曲率作反复弯睦， 在形成相应的螺旋状的同时消除内应力。要求钢丝或股形成的螺旋状正 好与股或绳中的捻距相吻合螺旋状。 变形器的工艺参数确定。如图2 2 所示，辊间距的确定方法。随着 计算机的应用，可准确测得 l 段的绳股长度正好等 于钢丝绳的一个捻距。目 前大部分还是采用经验计 算，再通过实际校正。 l = ( 0 9 4 0 9 6 ) s 图2 2 预变形器变形示意图 式中l 一一变形器两端辊距离： s 一一钢丝绳捻距 在变形器上绳股中心线移动值确定。 f = d + d f 式中f 一一绳股弯度( 毫米) ； d 一一变形辊直径( 毫米) ； d _ 一一绳股直径( 毫米) ： 卜一中间辊与两端辊中心线的距离。 经验表明，f = ( 1 5 1 7 ) d r ，d = ( 3 5 ) d 时，变形效果较好。 式中d r 一一钢丝绳直径( 毫米) 。 武汉理工大掌硬士研究生论文 变形系数k f k = d r 变形系数k 选择要合适，一般为1 5 1 7 ，太小则不能有效消除应 力，太大也会带来很多弊病，不但极大的降低钢丝绳的机械性能，影响 钢丝绳的使用寿命，而且还会影响钢丝绳的结构等一系列问题。比如线 接触钢丝绳内的细钢丝会被挤出，电接点易断，钢丝绳松弛或里现“灯 笼”状，尤其是同向捻的股会松弛得更加突出，钢丝绳的结构伸长会迅 速增加。某矿记录表明，曾使用一较松弛的钢丝绳，在其使用不到4 个 月的时间，由于绳芯断开而报废，期间由于结构伸长曾4 次停产调整钢 丝绳长度，结构伸长率1 3 6 。 所以合理的选择变形系数k 对钢丝绳的结构伸长非常重要。变形系 数k 与钢丝绳强度，股绳内钢丝层数，捻法以及捻距有关。其选择原则 是： ( 1 ) 钢丝抗拉强度越高，k 值越大。 ( 2 ) 股绳内钢丝层数越多，k 值越大。 ( 3 ) 同向捻比交互捻k 值选择要大。 ( 4 ) 热度锌钢丝比光面钢丝k 值要大。 当然，k 值与f 和l 有关。当f 相同时，l 越小，k 越大；当l 相 同时，f 越大，k 也越大。所以缩短l 和增大f ，均能提高k 值。 预变形器的种类有多种，从调整方式看，有可调和不调调两大类。 建议为保证钢丝绳的质量，尤其是重要最要用途的，结构伸长有较高要 求的，应使用两端辊距可调的预变形器。 2 3 5 2 绳股及钢丝绳的后变形器 后变形器的作用主要是进一步消除股内的残余应力，其次是对结构 和表面均有改善。变形的方法是在合绳( 股) 机的压线瓦和牵引轮之间， 使股或绳通过纵横不同的几组辊轮，进行反复变形和径向压缩。 后变形器的种类很多，最常用的是弯曲式。这种弯曲式后变形器简 单适用，使用效果良好。 1 6 武汉习e 工大学司e 士研究生论文 弯曲式后变形器是由几组纵、横排列的辊轮组成。纵、横组数可选 3 5 组，每组辊轮数为3 9 ，甚至更多。按牵引方向，开始的辊轮个 数可少些，弯度可大些，越向后，辊轮个数可增多，而弯度应逐渐减小， 以使股或绳的平直度和光滑度越来越好。变形器的辊轮个数越多，会使 牵引力增大，但效果越好，不但使钢丝绳捻制紧密，而且能极大地提高 钢丝绳的机械性能。实践表明，该种方法可使钢丝绳疲劳寿命提高2 0 2 5 以上。 后变形器的主要工艺参数，和预变形器一样，这些参数与钢丝绳的 捻法、捻向、股层数、层内钢丝数有联系。参数的确定是通过理论计算 和实际经验相结合的原则，如图2 3 所示。 ( 1 ) 两端辊轮间距离l l = 2 2 d o 式中d 。一一后变形器辊轮直径 ( 2 ) 后变形器辊轮直径d 。 d 。= ( 3 4 ) d 图2 3 后变形辊轮工艺参数 ( 3 ) 变形弯度f f 兰( o 6 1 2 ) d 式中d 一一钢丝绳直径 后变形器的效果： ( 1 ) 单捻钢丝绳通过后变形器可达到不松散。 ( 2 ) 钢丝绳通过预变形后再通过后变形器，使钢丝绳的可绕性好 减少旋转性和结构伸长率。 ( 3 ) 提高钢丝绳的平直光滑性， ( 4 ) 能提高钢丝绳的机械性能。 使结构更紧密。 试验表明，对6 3 7 一一巾1 3 毫米 角：汉疆工大学司e j 习f 究生论文 的钢丝绳，经后变形处理后，其疲劳性能可提高1 5 以上。国外对6 7 一一垂2 2 毫米的钢丝绳进行了对比试验，其结果如表( 2 - 3 ) 后变形矫直 与未后变形矫直比较。 表( 2 - 3 ) 后变形矫直与未后变形矫直比较 项目经后变形钢绳未经后变形钢绳 总破断拉力( k n ) 3 0 5 52 6 8 5 结构伸长( ) o 5 60 8 7 抗张弹性系数( m p a ) 1 9 1 0 0 )1 1 6 0 0 疲劳试验( 1 0 4 ) 1 7 11 2 7 0 2 3 6 低温回火 将股绳或钢芯结构的钢丝绳在2 0 0 3 0 0 。c 的7 0 # 机械油中停放 4 6 小时。该方法只能用于钢芯结构的钢丝绳，有一定的局限性，一 般可用于航空钢丝绳，经回火后的钢丝绳的疲劳寿命可提高3 0 4 0 。 2 3 7 同向捻合绳时的股绳反向翻身 该方法可以消除钢丝绳在合绳时附加在钢丝绳股的扭转应力，有利 于提高钢丝绳的不松散性能。 在国外，还有圆形股及单捻钢丝绳的塑性压缩，机械一一热处理等 方法，消除捻制应力。 不松散钢丝绳不仅能提高钢丝绳的疲劳性能，而且在使用中有许多 优点： ( 1 ) 钢丝绳截断时不松散，故端头不需要绑扎，便于穿轮穿孔。 ( 2 ) 柔软，可挠性大，使用时不易出现打卷现象。 ( 3 ) 绳中各个股与绳芯之间以及股中各钢丝之间接触紧密，所以在 使用过程中，结构伸长和捻距变动范围很小。 ( 4 ) 由于钢丝绳内应力被消除，在承受载荷时，绳股及钢丝受外力 均匀；在交变载荷的作用下不易断丝，因而可提高疲劳性能4 0 左右。 ( 5 ) 使用中发生断丝时，丝不易翘起，故不会影响周围的钢丝正常 工作。而且可以减少断丝处划伤卷筒及滑轮的可能性，有利于钢丝绳的 武汉理工大学司l 士研兜生论文 正常使用。 综上所述，钢丝绳在捻制过程中通过科学合理的生产方法，不但能 在一定程度上控制钢丝绳的结构伸长，而且也是保证钢丝绳的捻制质量 的必要措施。但是上述方法并不能较彻底的消除钢丝绳的结构伸长，要 想在工厂较彻底的消除结构伸长，只有通过工厂预张拉。 1 9 武汉理工大掌硕士研究生论文 第三章钢丝绳预张拉研究 3 1 引言 钢丝绳结构伸长在捻制过程中是不可避免的。本章通过对组成钢丝 绳的钢丝和股在使用受载时的运动论述，分析了结构伸长的机理，以及 使用的结构伸长对钢丝绳疲劳寿命的不利影响。论述了通过工厂预张拉 能部分或彻底消除钢丝绳的结构伸长，而且还能提高钢丝绳的弹性模量 和使用寿命。 3 2 钢丝绳结构伸长的机理 钢丝绳是由许多钢丝和股捻制而成，使用时丝和股相互直接和间接 挤压。受载时丝和股都有相对滑移的趋势，尤其是当钢丝和股捻制时张 力严重不均匀时，其相对滑移更加明显。这里将丝和股的滑移分成三个 阶段。 ( 1 ) 使用初期钢丝和股的相对滑移 在生产钢丝绳的过程中，为了保证钢丝绳的捻制质量，尽管采用 了许多措施，但残余的捻制应力以及钢丝和股受力分布的不均匀性依然 存在，钢绳的丝和股处在极不稳定的状态。使用受载时，均有相对滑移， 其滑移量的大小将直接影响结构伸长的大小和疲劳寿命。滑移量越大结 构伸长也越大，疲劳寿命就越低，捻制越不均匀和捻制越松散，其滑移 量亦越大。原因是使用时，钢丝绳在强大的工作载荷作用下，钢丝和股 存在很大的挤压应力，其捻制过程中张力较大的钢丝和股将先受力伸长 而产生摩擦磨损，严重时会发生断丝或断股，正常情况下，该段时间较 短，一般为一个多月。之后，随着钢丝绳捻制应力的消除，丝和股均达 到了相对理想平衡状态。 ( 2 ) 使用中期钢丝和股的相对滑移 正常情况下，该过程持续时间较长，为整个使用寿命的三分之二以 上，该期间相对滑移量很小，几乎无结构伸长产生。但由于受力时丝和 股受拉应力和压应力的交变载荷，同样会产生摩擦热，摩擦磨损，弹性 变形热，同时锅绳受载荷后与与之接触的机械产生摩擦磨损，以及与外 武汉理工大掌司e 哇啊f 咒生论文 变形热，同时钢绳受载荷后与与之接触的机械产生摩擦磨损，以及与外 界水、空气等到介质接触而产生腐蚀，所以钢丝的机械性能将逐渐受到 破坏，局部发生断丝，逐渐增多。 ( 3 ) 使