钢丝绳设计基本原则

1问题提出

钢丝绳是将力学性能、几何尺寸及表面状态均符合要求的钢丝，按照一定的规则及前后顺序捻制在一起的螺旋状钢丝束，钢丝绳主要构成材料有制绳钢丝、绳芯和润滑脂及涂层材料等。钢丝绳是各类起重机械不可或缺的重要柔性配件，主要用于起重提升、张拉、悬挂等。

生产钢丝绳的目的在于满足广大用户需求，用户期待钢丝绳使用寿命越长越好，质量稳定性及使用可靠性越高越好，单位使用成本越低越好。为了满足用户要求，需要确定钢丝绳设计的基本原则，既可以用于设计钢丝绳，也可以用于指导钢丝绳生产创新技术的研发工作。

2钢丝绳设计基本原则

2.1钢丝绳失效机制及延长其使用寿命原理微动疲劳和腐蚀疲劳是在不同工况下造成钢丝绳失效的两个主要原因，是钢丝绳在使用环境中受到微动磨损、疲劳、腐蚀等多因素综合作用的结果，大气环境中使用的钢丝绳失效过程以微动疲劳为主，腐蚀环境中使用的钢丝绳以腐蚀疲劳为主，如渔业用镀锌钢丝绳。

显然，微动磨损是微动疲劳的组成部分，即微动疲劳是微动磨损与疲劳的复合作用。钢丝绳在交变应力作用下发生的初始破坏就是钢丝表面微动磨损，微动磨损产生磨屑从钢丝基体剥离的过程中包括黏着、疲劳、磨粒和腐蚀等多种破坏机制，这些机制的互相叠加和彼此影响使微动磨损机制复杂化。微动磨损发生过程中必然要经历制绳钢丝表面发生塑性变形、微裂纹萌生、扩展、相互联通等阶段，并最终造成磨屑从钢丝基体表面脱落。

抑制制绳钢丝微动磨损，防止腐蚀和应力集中的发生，以及减缓疲劳微裂纹的萌生与扩展速率是延长钢丝绳使用寿命技术措施的基本原则四，钢丝绳设计中需要遵循这些原则并在此基础上采取相应的技术措施。

钢丝绳结构众多，使用过程中的钢丝绳受力极其复杂，一根钢丝绳内部每一个质点在同一个时间点的受力都不尽相同，且在不断变化之中。在不能通过大幅度改变钢丝绳结构、降低其承受应力状况的情况下，只能借助于其他途径延长钢丝绳使用寿命。钢丝绳的设计包括结构设计、力学性能设计、摩擦性能设计和防腐蚀设计等，结构设计主要是钢丝绳的配丝计算及确定捻制参数；力学性能设计则为了保证整绳破断拉力符合要求：摩擦性能设计和防腐蚀设计则是为了保证钢丝绳耐磨损能力以及防腐蚀能力，以抵抗使用环境给钢丝绳带来的破坏，确保钢丝绳使用寿命符合用户要求。

2.2圆形横断面锅丝充满原别各类钢丝绳以圆形横断面结构为主，仅编织制造的扁钢丝绳是例外，但它也是以圆形钢丝绳为基础材料编织而成的。

钢丝绳的主要作用是传递轴向拉应力，其传递拉应力过程是通过钢丝完成的，因而在钢丝绳横断面外接圆面积以内，钢丝横截面积所占比例越大，钢丝绳能够传递的拉力就越大。钢丝绳结构及钢丝力学性能均对整绳破断拉力有直接影响，为了保证钢丝绳整绳力学性能，需要综合考虑钢丝绳的结构与制绳钢丝的力学性能。

钢丝绳填充系数，也称密度系数，是钢丝绳中所有钢丝横截面积之和与钢丝绳公称外接圆横截面积的比值，填充系数可以量化地表示出圆形横断面钢丝充满状况。在设计钢丝绳结构时，以圆形横断面钢丝充满为基本原则，尽量提高钢丝绳的填充系数，以保证钢丝绳能够承受尽可能大的拉力，使钢丝绳力学性能充分发挥。压实类及填充式结构，都是以圆形横断面钢丝充满为目的，而在大直径粗钢丝绳结构设计方面还有很大潜力可以挖掘。

2.3钢丝绳内部锅丝表面磨损逸季最低原则钢丝绳的磨损，包括钢丝绳外表面的磨损及钢丝绳内部钢丝表面的微动磨损，钢丝绳在使用过程中承受剧烈的挤压和摩擦，导致钢丝表面损伤，同时产生高温引起的相变硬化，部分受损钢丝横截面积减小，承载能力降低，继而发生断裂四，磨损对钢丝绳使用寿命有重要的影响。

钢丝绳使用过程中受到交变应力作用，并在拉应力作用下发生伸长变形。当互相接触的任意两根钢丝变形不同步时，它们之间将发生微动滑移，微动将造成钢丝绳内部钢丝表面产生微动磨损。钢丝绳内部钢丝之间的微动现象是维持钢丝绳特有柔韧性的必要条件，而柔韧性是钢丝绳使用性能的重要组成部分，所以，不能通过技术手段去除钢丝之间的微动现象，只能采取必要的技术手段防范钢丝表面产生微动磨损损伤。

钢丝绳使用过程中也会与变向滑轮及卷简发生摩擦，进而对钢丝绳表面造成磨损，这种磨损发生在钢丝绳外层股的外层丝可见部分。

钢丝表面磨损的直接结果就是钢丝绳直径随着使用时间的延长而逐渐减小，磨损损伤处也是疲劳裂纹源的重要萌生地，钢丝表面的严重磨损会加快疲劳断丝的产生。

钢丝表面的磨损速率对钢丝绳使用寿命有直接的决定性影响，降低磨损速率能提高钢丝绳使用寿命。为了使钢丝表面磨损速率最低，需要将摩擦学相关知识运用到钢丝绳设计中，防止钢丝绳发生外部及内部钢丝表面的磨损损伤。

为达到钢丝表面磨损速率最低的目的，可以采取的具体措施包括选用与使用环境适宜的润滑脂、能够对钢丝表面给予保护的涂层材料、相互接触钢丝之间硬度的匹配等，其中涂层技术是防止钢丝发生微动磨损的最重要技术手段，涂层材料应该与钢丝基体结合牢固，耐磨损抗腐蚀，涂层只需要比较薄的厚度就能达到理想的保护效果，不能因为使用了涂层材料而降低钢丝绳整绳破断拉力。涂层材料必须能够随钢丝一起发生一定程度的弯曲变形，并且在反复弯曲变形过程中不从钢丝基体脱落。就目前钢丝绳生产制造技术而言，磷化涂层钢丝绳专利技术，尤其是锰系磷化涂层具有极强的耐磨损性能，以及良好的防腐蚀性能，锰系磷化涂层保护钢丝表面防止微动磨损效果最好，它的疲劳寿命远远超越光面钢丝绳国，涂层钢丝绳是光面钢丝绳的升级换代产品，涂层化是钢丝绳制造技术的发展方向回。篮系磷化涂层钢丝绳疲劳寿命得到大幅度的提高，就是因为锰系磷化涂层大幅度提高了制绳钢丝表面的耐磨损能力与抗腐蚀能力，锰系磷化涂层钢丝生产技术非常成熟而且成本低廉，该项技术具有广阔的应用前景-。其他涂层技术还有很多，有待于进一步的研发。

2.4微裂纹萌生、扩展速车最慢原到随时间变化的载荷称为交变载荷，这种变化包括周期性变化与非周期性变化，钢丝绳承受的是交变载荷，而且在钢丝绳围绕滑轮变向时，还要承受弯曲应力的作用，变向滑轮直径越小，承受的弯曲应力越大。

金属材料从发生塑性变形到结构破坏要经历十分复杂的过程，这个过程中材料的损伤程度不断积累并发展直至失效。金属材料因受到力的作用而发生疲劳断裂的过程，包括疲劳微裂纹的萌生、疲劳微裂纹的扩展、宏观裂纹的扩展直至发生疲劳断裂。疲劳微裂纹易产生在材料表面最薄弱处，如表面磨损损伤处、夹杂物与钢材两相界面处，钢丝绳的失效过程也遵循上述规律。断裂总是始于裂纹端的极小区域，当外载荷引起的应力在裂纹端大于内聚强度时就会发生断裂。

钢丝绳的捻制结构是复杂的，非专业人员很难分清其中的异同，从某个方面看，钢丝绳结构又是极其简单的，其主要构成材料就是钢丝、绳芯、润滑脂及涂层材料。钢丝绳的断裂过程，是在外力作用下发生的。限于钢丝绳的结构特点，不能像普通机械零件那样，通过大幅度改变零件结构形状达到降低零件承受的应力，以达到减缓失效进程延长使用寿命的目的。

疲劳裂纹源易在钢丝表面脆性夹杂物与钢材基体两相界面处萌生，脆性夹杂物不能传递钢丝承受的拉应力，在两相界面处的应力集中促进疲劳裂纹源的萌生。制造钢丝绳应该选用纯净度高、脆性夹杂物含量少、脆性夹杂物粒度小的优质盘条为原料，以降低钢丝疲劳微裂纹萌生的几率。

晶界对微裂纹的扩展有阻碍作用，晶粒越细则晶界越多，阻碍微裂纹扩展的作用越大。钢丝热处理时需要注意控制晶粒度，为降低微裂纹扩展速率创造条件。

制绳钢丝需要测试抗拉强度、扭转及弯曲值，用以测试钢丝在拉应力、扭转应力及弯曲应力作用下抵抗塑性变形及破坏的能力，对应的测试结果数值越高，说明钢丝抵抗破坏的能力越强，因此，在保证制绳钢丝抗拉强度符合要求的情况下，尽量选用扭转值与弯曲值高的钢丝。为了得到高强度高韧性的制绳钢丝，在保证钢丝热处理质量的前提下，制定科学合理的钢丝拉拔工艺同样至关重要，在选定盘条钢号、部分压缩率和总压缩率时需要统筹考虑.钢丝绳的力学性能是由钢丝组合而成的，有高强度高韧性的制绳钢丝，才能制造高质量的钢丝绳。选用优质碳素结构钢为原料，辅以科学合理的生产流程及过程控制，才能达到理想效果，在保证钢丝绳整绳力学性能的前提下，抑制或延缓疲劳微裂纹萌生、扩展，达到延长使用寿命的目的。

2.5腐蚀这伞最低原则

钢丝绳的主要原料是优质碳素钢丝（不锈钢丝绳使用不锈钢丝）。为了得到高强度的制绳钢丝，制绳钢丝的冷拉总压缩率一般大于75%，在82%-

93%的居多，这样可以得到高强度及高韧性的最佳组合，有利于提高钢丝绳整体使用性能。这种冷拉高强度制绳钢丝内部已经形成变形织构，钢丝在变形过程中承受的机械功，大部分使钢丝变形或转化为热能而散失，l%-10%的能量以各种应变能的方式储存在钢丝中，冷拉钢丝内部因此积蓄了很高的内能，处于热力学上的不稳定状态，有自发向稳定状态转变的趋势，即使是在大气环境中，也很容易发生氧化锈蚀。

在大气环境中使用的钢丝绳，其失效主要原因是微动疲劳，钢丝表面的氧化锈蚀往往与磨损交替发生。海洋使用的钢丝绳则以氯离子腐蚀为主，其主要失效原因是腐蚀疲劳。

腐蚀会导致严重的后果，腐蚀直接造成钢丝横截面积的减小，钢丝表面的点状腐蚀处也是疲劳裂纹源的重要萌生地。还有一个问题需要给子足够重视，钢丝在发生电化学腐蚀过程中，可能会有氢原子析出，进而引发氢脆。

因此，必须采取技术措施防止腐蚀的发生，使钢丝绳腐蚀速率降到最低。除了润滑脂具有防锈效果以外，金属材料常用防止腐蚀的方法有采用表面涂（）层技术与表面改性技术、合理使用缓蚀剂、电化学保护、通过合金化提高材料耐蚀性等，显然，最适合钢丝绳的防腐蚀技术是表面保护涂皱层，目前使用最多的是热镀锌及涂塑等。为了提高钢丝绳的防腐蚀能力，需要研发防腐蚀效果更好的涂皱层技术，使用复合涂层技术可以大幅度提高钢丝绳的耐腐蚀能力。

2.6柔翻性适中原剂

钢丝绳的柔韧性是其使用性能的重要组成部分，尤其是一些特殊用途的钢丝绳，需要较高的柔韧性。

钢丝绳柔韧性是指钢丝绳柔软的程度，或者说是钢丝绳弯曲变形抗力的大小，钢丝绳的柔韧性越高就越容易弯曲变形，可以使用较小直径的变向滑轮，以便于在较小的空间内正常使用。钢丝绳柔韧性的主要影响因素有结构、制绳钢丝强度等级和股绳及钢丝绳的捻距等。一般而言，相同直径的钢丝绳，内部钢丝直径越小，则钢丝绳柔韧性越好，麻芯钢丝绳柔韧性好于钢芯钢丝绳，捻距小的钢丝绳柔韧性好于捻距大的钢丝绳。

使用细小直径的钢丝和复杂的捻制结构，可以提高钢丝绳的柔韧性，但提高柔韧性的同时，细小直径钢丝组成的钢丝绳具有更多的摩擦滑移表面，更容易发生微动磨损，磨损会降低钢丝绳使用寿命，使用细小直径钢丝还会降低钢丝绳的生产效率。通过对上述影响因素的调整，可以保证钢丝绳的柔韧性符合用户要求，但应坚持柔韧性适中原则。

2.7同心层钢丝或股绳保留一定间隙原剩钢丝绳间隙设计思想，可简要归纳为在钢丝绳设计时，考虑捻制生产工艺对钢丝与股的形变影响，保持钢丝绳中相邻股、股中相邻丝之间的适当间隙口。

设计钢丝绳结构时，同心层钢丝或股绳应保留一定间隙，这样可以保证股绳及钢丝绳捻制过程中外层压紧内层钢丝，确保股绳及钢丝绳横断面结构的紧密性和稳定性叫。应该注意的是，这种预设的间隙在捻制结构中是随机分布而不是均匀分布的，而且钢丝或者股绳所有的表面是不能全部悬空的，也就是说钢丝或股绳总是有一定的表面与其他钢丝或股绳互相接触，只要接触表面之间有微动现象就必然引起微动磨损的发生，所以，同心层钢丝或股绳保留一定间隙，可以确保捻制结构的紧密性和横断面结构稳定性，对于减缓或抑制制绳钢丝的表面微动磨损损伤而言，意义不大。

2.8生产效季最高原别

钢丝绳的设计，以结构及性能设计为主要任务，但也需要兼顾生产效率的提高。在保证钢丝绳使用性能符合用户要求的情况下，必须尽量提高钢丝绳的生产效率，提高生产效率能够提高产能并且降低制造成本。

生产效率可以使用多种指标来衡量。以单位时间内捻制钢丝的重量为指标，则在生产同结构股绳或钢丝绳时，股绳或钢丝绳直径越大生产效率越高：以单位时间内捻制钢丝的表面积为主要指标，则在生产同直径股绳或钢丝绳时，配丝或配股越多则生产效率越高。如生产1×37（1+6+12+18）点接触结构股绳，需要捻制三次，这种情况下则可以考虑使用1×36WS结构代替，后者可以一次捻制完成，这样就可以提高生产效率。

点线复合结构，不仅适用于股绳结构，也适用于钢丝绳结构，钢丝绳捻制设备根据需要将向大型化与复合化方向发展，以进一步提高生产效率。

3结语

钢丝绳是各类起重设备不可或缺的重要柔性配件，用户期待钢丝绳使用寿命越长越好，单位使用成本越低越好。设计钢丝绳以保证钢丝绳使用性能并尽量延长使用寿命为首要目的，需要通过技术措施抑制并推迟微动疲劳或腐蚀疲劳的发生时间。设计钢丝绳以圆形横断面充满、钢丝表面磨损速率最低、微裂纹萌生与扩展速率最慢、腐蚀速率最低、柔韧性适中、同心层保留一定间隙及生产效率最高等为基本原则。按照以上原则设计钢丝绳时，需要统筹兼顾，用一项技术措施同时达到多重效果是最佳方案，上述设计原则对钢丝绳制造技术研发也有指导意义。