对18×7类钢丝绳几个问题的认识

发布时间：2019-12-11 18:00　文章来源：未知　文章作者：admin　点击数：

1问题提出
18X7类钢丝绳是典型多层股抗旋转类钢丝绳之一。虽然其可以视为独立钢芯钢丝绳，但与不具有抗旋转特性独立金属芯钢丝绳不同，后者钢芯捻向通常与外层绳捻向相同，且通常捻法配置为：交互捻钢丝绳使用同向捻钢芯，而同向捻钢丝绳使用交互捻钢芯凹，文献2]对于交互捻钢丝绳使用与钢丝绳捻向一致的交互捻钢芯其实也不尽合理。对捻法相同的18X7类钢丝绳，内层绳的捻法似乎并不统一。从目前来看，18X7类这一传统多层股抗旋转钢丝绳还不可能被迅速淘汰，一方面可能基于用户的传统使用习惯，另一方面，也基于该类钢丝绳仍能满足一些使用条件，且该类钢丝绳在生产和使用成本方面也具有明显经济性。笔者对该类钢丝绳理论结构形式、抗旋转特性、层绳捻法配置等技术问题进行探讨，以利于对其特性的正确把握。

2问题研究
2.1钢丝绳理论结构与实用结构
GB/T8706-2006/ISO17893：2004对18X7类钢丝绳结构描述：组绳总股数（不含中心股）17~18根，最外层10~12根，2次成绳，外层股为在中心钢丝外捻制4~8根钢丝的单层钢丝结构。由于该标准规定股中填充钢丝不构成单独的层，据此推理钢丝绳中的填充股也不构成单独层，将中心结构用0”代替，省略股结构及其前置符号“x”，18X7类钢丝绳（注：为叙述方便，文中钢丝绳参考8X7：
IWRC类钢丝绳重新标记‘F”代表填充）可能存在理论结构有11：6-0、11：3F-3-0、11：7-0、12：
5-0、12：6-0、12：3F-3-0。而实际该类钢丝绳最常用结构只有12：6-0、11：6-0，分别如图1、图2所示，即均为在中心结构外反向捻制2层股。没有出现在内层股之谷部填充股结构，笔者认为是因为该类钢丝绳内层绳直径相对较小，即使外层股数达到12根、内层由3根股组成，内层股与股之间的空间位置很小，在内层股间增加填充股，因为该股直径太小而没有多大实际意义。假如股在绳中处于非捻制状态，对12：3F-3-0、11：3F-3-0结构，外层股、内层股、填充股总面积比依次为：1.000：0.442：
0.022、1.000：0.382：0.089，填充股总面积分别仅占组绳股总面积的1.50%、6.05%。从计算结果看，在组绳总股数、组绳股层绳满足结构原则前提下，填充股对18X7类钢丝绳的性能影响可以忽略，这与组绳外层股数相对较多的2层股23X7类钢丝绳有明显不同。
2.2抗旋转性能
ASTMA1023/A1023M-07基于结构对钢丝绳抗旋转性能影响而将抗旋转钢丝绳细分3类：第1类，抗旋转性能最好。该类钢丝绳由3层股构成，最外层至少有15根股，2次合绳；第2类，抗旋转性能较好。该类钢丝绳由2层以上股构成，最外层至少有10根股，2次或3次合绳；第3类，抗旋转性能最差。钢丝绳由2层股构成，最外层不超过9根股，2次合绳，钢丝绳只是具有有限的抗旋转特性。按该标准，可以确定18X7类钢丝绳抗旋转性能不如35（W）x7类钢丝绳。ISO17893：2004/Amd.1：
2010（E）基于钢丝绳一端固定，一端可以自由旋转，在1000倍钢丝绳公称直径长度上，对其施加20%
钢丝绳最小破断拉力测得自由端旋转圈数，将抗旋转钢丝绳细分为3类：第1类，旋转圈数小于1圈；第2类，旋转圈数大于1圈而小于2.5圈；第3类，旋转圈数大于2.5圈而小于4圈。EN12385一2004对不同抗旋转钢丝绳选择提供了参考。
对18X7-FC钢丝绳，从几何角度看，外层绳股捻制圆半径约为内层绳股捻制圆半径的2倍，同时为了实现内外层绳股受力均匀，在进行钢丝绳结构参数设计时，刻意保持内外层绳捻角相等。从物理角度看，由于力矩等于力臂与力之乘积，因此，理论上外层绳股绕钢丝绳轴线产生力矩约为内层绳股绕钢丝绳轴线产生力矩的4倍，这一计算结果就决定了该钢丝绳不是抗旋转性能优异结构钢丝绳。虽然决定该钢丝绳抗旋转性能还有其他因素，但相对结构对钢丝绳抗旋转性能的影响，这些因素已经退居为次要因素，这也是为什么ASTMA1023/A
1023M-07基于抗旋转性能高低对多层股抗旋转钢丝绳进行分类的立足点是钢丝绳结构。从世界范围看，提高多层股钢丝绳抗旋转性能的技术思路是增加外层绳股数，因为外层绳股数的增加意味着外层绳股直径的减小，这将带来内层绳直径的增加而增大内层绳钢丝面积，从而达到提高钢丝绳抗旋转性的预期目的。如Redealli、Kiswire海洋工程多层股抗旋转钢丝绳外层股已经达到21根，Usha martin也有外层股24根的多层股抗旋转钢丝绳。
相对于无法根据标准直接判断其抗旋转性能高低，而又被钢丝绳生产强企推荐的23X7类钢丝绳，
18X7类钢丝绳与之相比，其抗旋转性能如何？
GB/T8706对23X7类钢丝绳结构描述：组绳总股（不含中心股）21~27根，最外层15~18根，2次成绳，外层股为在中心钢丝外捻制4~8根钢丝结构。
23X7类钢丝绳理论结构见表1。表1所列结构并不一定全部具有实用价值。目前可见典型结构如图3、图4所示，类似还有如图5、图6所示（注：图5、图6钢丝绳参照23X7类钢丝绳分类原则，可归23x K7类）。
尽管无法根据ASTMA1023/A1023M-07判定23X7类钢丝绳抗旋转性能高低，但CASAR研究的18X7-FC钢丝绳抗旋转性方法同样可用，18X7
7类、23X7类、35（W）X7类不同钢丝绳外层绳旋转力矩与内层绳旋转力矩比见表2。从计算结果评定，钢丝绳抗旋转性能从高到低依次为35（W）X7类、23X7类、18X7类。
2.3内外层绳捻法配置
钢丝绳捻法一般不涉及内层绳或钢芯。只是为表示钢丝绳具有抗旋转特性，GB/T8706才出现了反向捻。对不同捻法的18X7类钢丝绳，可以肯定的是内层绳捻向一定和外层绳相反，而至于内层绳的捻法，似乎并未引起钢丝绳生产者和使用者的重视。
RR-W-410D-88指出：对12X7：IWRC（6X7
7-FC）右交互捻钢丝绳，内层绳为左同向捻。笔者注意到，在SHINKO、PYTHON关于18X7类钢丝绳结构示意图中，交互捻钢丝绳内层绳捻法配置与RR-W-410D-88规定相同，如图7所示。CASAR在相关资料中也出现了相同捻法配置的钢丝绳，如图8所示。RR-W-410E-2002、RR-W-410F-
2007、RR-W-410G-2010、RR-W-410H-2015相关描述与RR-W-410D-88相同，这也是笔者目前见到唯一对18X7类交互捻钢丝绳层绳捻法配置作出强制规定的技术标准，RR-W-410E-2002规定：X7钢丝绳中的6根内层股绳应采用符合3.4.4.4条规定的左同向捻，并围绕一根纤维芯或钢丝股芯捻制厖外层中的12根股绳应围绕第一层捻制，并按3.4.4.1条规定的右交互捻捻制”。类似规定还出现在8X79：IWRC类钢丝绳X7。其中在3.14.5种类Ⅳ，其他用途钢丝绳，类型4，8X79不旋转钢丝绳中规定：厖这种钢丝绳应有一根符合3.2.3条规定的独立钢丝绳绳芯，该绳芯应为符合
3.4.4.4条规定的左同向捻厖这种钢丝绳应为符合3.4.4.1条规定的右交互捻”。而文献B-5]给出的结果并不与之相同，文献B]指出“捻制18X7
-NF钢丝绳时，将内层绳制成同向捻而外层绳为交互捻有利于内外层绳力矩平衡厖多层股不旋转钢丝绳中股的层数多为两层厖外层绳采用交互捻，内层绳可以采用交互捻也可以采用同向捻”，文献5]虽然给出24X7（注：12X7：4X7+4X7-4X7）
交互捻钢丝绳之内层绳为交互捻，但同时指出出“为增大子绳的扭转力矩，可将子绳设计成同向捻”，鉴于不同资料给出18X7类钢丝绳层绳捻法配置的不一致性，那么，层绳捻法究竟如何设计显然需要研究。虽然在此研究的是18X7类钢丝绳层绳捻法配置问题，其实对其他结构多层股抗旋转钢丝绳，这个问题同样存在。BRIDON相关资料中给出同向捻34（M）X7类钢丝绳层绳捻法配置与AS3569-1989给出图例一致，如图9所示。
2.3.1对交互捻钢丝绳
对交互捻18X7类钢丝绳，如果内层绳采用同
向捻，这将会增加内层绳的旋转力矩，从而改善钢丝绳抗旋转性，此外，笔者认为内层绳选择同向捻的捻法配置还有如下优点：（1）内层绳为同向捻会增加内层绳的柔软性，即降低钢丝绳刚度；（2）内层绳为同向捻会提高钢丝绳服役期间内层绳钢丝耐磨性，通过提高内层绳钢丝耐磨性提高钢丝绳寿命。缺
点：（1）增加内层绳生产难度，因为实现同向捻钢丝绳捻制紧密，对股捻制应力状态的控制、工装的控制、预变形的控制相对捻制交互捻钢丝绳时更加严
格，从捻制设备形式看，同向捻钢丝绳通常不能在管式机上捻制或捻制质量保证相对困难，但采用筐篮
机又会降低生产效率；（2）导致内外层绳股钢丝间的接触应力最大，外层绳为交互捻而内层绳为同向
捻，则内外层绳股钢丝交叉程度最为严重，因此会显著增加钢丝接触应力，而接触应力过大是引起18X7
7类钢丝绳内层绳早期失效的重要原因。对如此捻法配置钢丝绳，如果对在较大载荷服役后的钢丝绳拆股，则会发现内层股钢丝表面存在非常严重的压
痕，如图11所示。也正因为如此，通过对内层绳表面填塑或内层绳采用压实股组绳才有了现实意义，甚至成为提高18X7类钢丝绳内层绳使用寿命的显著特色技术，内层绳采用压实股组绳的12X7：IWRC（K）结构如图12所示。PYTHON明确指出18X7类钢丝绳使用中内层绳早期断裂是一种趋
势，如果不实施内层绳填塑技术（注：通过填塑提高钢丝绳使用寿命并不仅限于多层股抗旋转钢丝绳，同样适合各种金属芯钢丝绳），这种趋势无法避免。对交互捻钢丝绳，内层绳采用交互捻之优缺点与之
相反。
图11高接触应力引起钢丝表面压痕
Fig.11 Steel wire surface indention caused by high contact stress
2.3.2对同向捻钢丝绳
对同向捻18X7类钢丝绳，如果内层绳采用交
互捻，这种层绳捻法配置的优点在于：（1）内外层绳股钢丝交叉程度最轻，因此会增加内外层股钢丝接触面积而降低钢丝接触应力。图9外层绳为同向捻，次外层绳为交互捻，内层绳为与次外层绳捻向一致的同向捻，这种结构捻法钢丝绳不同层绳的捻法配置正是这种思想的体现；（2）减小内层绳生产难度与提高内层绳生产效率。因为交互捻钢丝绳的捻制质量即使采用捻制效率相对高的管式机捻制，其捻制质量通常也可得到保证，况且18X7类钢丝绳内层绳股的股数相对较少且直径相对较小。缺点在于：（1）降低钢丝绳的抗旋转性能，钢丝绳为同向捻而内层绳选择交互捻，必然使内外层绳旋转力矩更加不平衡而降低钢丝绳的抗旋转性；（2）降低内层绳钢丝耐磨损性能，交互捻相对同向捻，其耐磨损性相对较差是该捻法的严重不足，从耐磨损性角度看，钢丝绳为同向捻而内层绳选择同向捻不利于钢丝绳使用寿命的提高；（3）对钢丝绳柔软性有一定影响，将18X7类钢丝绳视为钢芯钢丝绳，内层绳选择交互捻，钢丝绳的柔软性会降低，因为同向捻钢丝绳柔软性优于交互捻。

3结语
18X7类钢丝绳虽然理论上存在多种结构，但可用结构式为在中心结构外两道工序捻制2层股，该类钢丝绳的抗旋转性相对23X7类、35（W）X7类钢丝绳要差。对不同捻法18X7类钢丝绳，内层绳选择什么捻法，似乎不能一概而论，因为从钢丝绳抗旋转性、内层钢丝耐磨性、内外层绳钢丝接触面积、钢丝绳柔韧性和生产技术难度等角度看，每种捻法配置均存在各自的优缺点。笔者认为，相对合理的配置是基于对钢丝绳使用失效原因的分析，而且对不同使用条件，导致钢丝绳最终失效的主要原因也可能并不一致。