钢丝绳全面解读

很早以前，人们就开始使用金属丝搓捻的绳索，最初用在矿山作提升索。第一根钢丝绳，是在1834年由德国人奥鲁勃特用手工搓捻的，由3股组成，每股仅4根钢丝，钢丝的强度极限为400~500MPa。当时尽管结构最简单，寿命短，但能满足挠性传动的需要。因此，在许多场合很快就取代了有机物绳索和金属链条。后来由于矿山工业的发展，要求钢丝绳有更高的强度和寿命，于是逐步采用含碳量较高的钢材料来拉制钢丝。随后又出现了“铅淬火”热处理新工艺，使制绳钢丝的质量不断得到改善，在一定程度上满足了矿山工业发展的需要。在钢丝绳结构发展过程中，最早使用的是6股、每股7丝（6×7）钢丝绳。因钢丝较粗，耐磨损、耐锈蚀能力强，很适合用于牵引。后来由于新型起重机械的出现，要求有较高的绳速，较小的滑轮。为了满足要求采用增加丝数、减小丝径来提高钢丝绳的韧性和强度，而出现了6×19和6×37。其结构形式是采用相同丝径、不同捻距来捻制，构成点接触股钢丝绳，称为非平行捻股钢丝绳。在使用过程中，人们发现点接触股钢丝绳易产生疲劳断丝，使用寿命短。随着矿山工业及起重运输业的发展，对钢丝绳提出了更高的要求，于是又出现了用不同丝径、相同捻距来捻制构成的线接触股，称为平行捻股钢丝绳。国外从20世纪50年代初开始生产单一的西鲁式（S）、瓦林吞式（W）、填充式（F），我国是从60年代开始生产。与点接触股比，具有耐弯曲疲劳性能好、结构紧密、破断力大、寿命较长等优点，得到了广泛使用。经过不断完善和改进，后来又出现了以WS和下S为基本型的二元组合式。为某些重要用途的需要，又发展了F:WS三元组合式。线接触股钢丝绳的普遍使用，使得点接触股钢丝绳逐渐被取代。

采用平行捻加工方法，可以获得结构紧密，破断拉力提高等优点。对于单层般钢丝绳，也可以将绳式芯中的股与绳中的外层股之间，按S、W、F；及WS形式来配比和排列，构成全线接触的满充式钢丝绳，又称为平行捻钢丝绳。由于结构紧密、破断拉力大，广泛使用于矿山电铲。

为了综合点接触与线接触的结构及捻制加工特点，点一线接触股与点-线接触钢丝绳得到了应用。在点一线接触股中，利用不同捻向、匹配不同的捻角、丝径和丝数，来达到各钢丝层的扭矩平衡，构成具有稳定股的单层不扭转钢丝绳。在点一线接触多层股钢丝绳中，变换股层捻向、匹配捻角、股径及股数，来达到各股层的扭矩平衡。

通过改变绳内钢丝的接触状态获得了好处，使人们想到再提高一步，于是出现了对线接触股进行压实加工使其成为面接触股，称为压实股钢丝绳。与线接触股比，结构更加紧密，破断拉力大，接触应力减小，表面光滑，耐磨性能提高。压实加工其方法有：模体拉拔、辊模拉拔、轧制和锻打。采用锻打法不仅能生产压实股，还可以通过对整绳经过连续锻打，加工成压实钢丝绳。与压实股钢丝绳相比，金属断面系数、破断拉力都有所提高，尤其绳表面光滑平整，很适合要求耐磨损耐挤压的绳轨道。但由于锻打后绳内变形不均，刚性加大，弯曲疲劳性能降低。

为提高钢丝绳的结构性能和使用性能，满足各种使用场合需要，将线接触股与压实股进行优化组合，将压实股排列在外层，优势互补，在国外得到了广泛应用。

为了改善钢丝绳与滑轮（或绳轮）绳槽的接触条件，增加支撑表面，减小接触应力，而导致异形股钢丝绳的生产，有三角股和椭圆股。我国目前生产和使用较多的是三角股钢丝绳，多为点接触但也有线接触。国外有向面接触三角股发展的趋势。

由上述可见，钢丝绳股内钢丝之间的接触状态是按点、线、面的顺序发展而来的；股的形状由圆形发展为异形，而钢丝绳的最佳结构将是两者之间的优化组合。

为了扩大使用范围，提高钢丝绳使用寿命，涂（填）塑新结构、新工艺得到了迅速发展。通过对绳本身及各螺旋元（钢丝、股、绳芯）表面涂塑包覆，或者是对各螺旋元之间的空隙进行填塑，以阻止有害介质的侵蚀，提高抗腐蚀能力。这些涂覆层或充填物，一方面，可以改善钢丝层或股层之间的接触状态，减轻摩擦，提高耐磨性能；另一方面，在受到冲击载荷时，可以起到缓冲作用。这类钢丝绳我国还处于起步发展阶段。

从材料力学中知道，在杆件受拉伸与扭转时，力与变形之间的关系用两个独立静力方程来表示。提升钢丝绳承载受拉时伴随有扭转，因此，抗伸静力方程与扭转静力方程共存。钢丝绳乃是一个复杂的静不定杆件系，M.）.格卢什科根据用于细长杆件的基尔赫哥夫方程，第一个运用建筑力学方法导出了拉伸与扭转的联合方程：

式中，A、B、C为钢丝绳的综合刚度系数；u，v为钢丝绳的纵向位移和角位移T、M为钢丝绳承受的轴向拉力和扭转力矩；x为悬垂钢丝绳轴线坐标。从联合方程看出，拉伸与扭转是互相影响的，承载时的拉伸引起扭转，而扭转反过来又影响纵向变形。松捻扭转u增加（捻距加长），或者是紧捻扭转.减小（捻距缩短），影响程度的大小决定于系数C。这就是直线钢丝绳的静力学原理，从根本上改变了关于钢丝绳内力状态的看法。

系数C实际上也是刚度系数，它与各钢丝层或股层之间的捻向及捻角有关，适当选取各层之间的不同捻向和捻角，可以使得C=0，这种钢丝绳扭转很小。

这就是不扭转钢丝绳构成的基本理论。

钢丝绳在卷筒或绳轮上弯曲时的应力计算，最早是烈洛公式：

在直线段与弯曲段之间的过渡段，因钢丝绳轴线的曲率是变化的（由零变化到1/R），每根钢丝获得不等的附加轴向位移，而由此带来附加轴向拉力。根据研究分析，在缠人点（弯曲段与过渡段的分界点）位置，附加轴向拉力最大。随着往直线段过渡逐渐减小，在某一位置由于摩擦力的作用，减至为零。要精确计算是很困难的，在C.T.谢尔益耶夫的著作中，提出了在确定钢丝绳中任一钢丝的最大附加轴向拉力时，可按简化公式计算：

式中，P，为最小钢丝破断拉力总和；T为钢丝绳承受的最大静拉力；m为安全系数。静力安全系数法完全没有考虑钢丝绳结构的复杂性，以及钢丝绳中实际应力的分布状态，是带有假定性质的。一般来说，在同一个使用工况下，不同结构钢丝绳具有不同的使用期限，对它们规定为同一个安全系数是不确切的。按假定的安全系数来选择钢丝绳没有实际应用价值，早就希望在工程技术中，有较完善的提升钢丝绳力学原理和强度理论，这种理论不仅用于提升钢丝绳选择计算，而且对于进一步完善钢丝绳结构都是需要的。

提升钢丝绳承载受拉时伴随有扭转，由于扭转使得各股层或钢丝层之间的内力重新分布，造成某些钢丝过载提前破断，从而缩短钢丝绳服务期限。为了充分利用钢丝绳的金属断面，发挥其承载能力，对各股层或钢丝层根据内力分布大小，按等强度理念来匹配抗拉强度等级，使其安全系数接近于实际应力状态。提升钢丝绳强度计算应包括：（1）直线段，在拉伸与扭转共同作用下，股层及钢丝层之间的内力分布，以及股中单根钢丝内力；（2）弯曲段，不同曲率钢丝的弯曲应力；（3）过渡段，不同位置钢丝附加轴向拉力；（4）钢丝全应力及合成安全系数。

提升钢丝绳耐久性计算在工程实践中具有一定的价值，但目前还是建立在纯榨经验数据上。在Ⅱ.Ⅱ.涅撕捷罗夫的著作中[]，对矿山提升钢丝绳的耐力计算有详细论述，所得出的影响系数都是经实地考察调研获得的。目前有关提升钢丝绳的耐久性计算方法，在工程实践中还没有得到广泛应用，其主要原因是没有精确的试验和统计资料。