热点资讯
同向捻捻法特点及对钢丝绳性能影响分析
发布时间：2020-02-13 13:58 文章来源：未知 文章作者：admin 点击数：
1问题提出 钢丝绳捻法通常有交互捻、同向捻和混合捻，其中交互捻应用最多，混合捻应用最少，同向捻应用居中。虽然同向捻应用不如交互捻普及，但除受结构限制钢丝绳必须为同向
1问题提出
钢丝绳捻法通常有交互捻、同向捻和混合捻，其中交互捻应用最多，混合捻应用最少，同向捻应用居中。虽然同向捻应用不如交互捻普及，但除受结构限制钢丝绳必须为同向捻外，如异型股钢丝绳，非异型股钢丝绳采用同向捻甚至成为一些场合用钢丝绳捻法之必选或首选，如媒矿系统斜井提升钢丝绳、矿石索道钢丝绳、皮带机牵引机钢丝绳、电铲提升钢丝绳，在这些场合即使选择压实股结构，捻法通常也是如此。如果说最早钢丝绳在捻法上出现同向捻也许出自随意或偶然，但能够保持至今，其本质是该捻法在一定条件下具有能够提升钢丝绳性能的优势。目前国内钢丝绳相关技术资料对同向捻特点描述集中在耐磨损、柔软、耐疲劳上，但抗挤压能力弱和反拨力较大，仔细研究发现对其背后原因解释不清，不同书刊叙述是人云亦云。笔者着重分析同向捻钢丝绳具有一般资料所述特点背后原因，同时拓展同向捻捻法对钢丝绳其他性能影响研究，并就钢丝绳报废标准因捻法不同而允许最多断丝数存在显著差异进行探讨，以进一步加深关于捻法对钢丝绳性能影响的认识。
2问题研究
2.1同向捻捻法特点原因分析2.1.1相对高的耐磨性特点从外观看，交互捻钢丝绳组股钢丝轴线与钢丝绳轴线基本平行，钢丝轴线与钢丝绳轴线夹角为股在绳中捻角减去钢丝在股中捻角；而同向捻钢丝绳钢丝轴线与钢丝绳轴线有明显倾斜，相应夹角为股在绳中捻角加上钢丝在股中捻角。正因为如此，同向捻相对交互捻，在相同长度上，可见外露单根钢丝长度明显要大，如图1所示a远大于b。这意味着每根钢丝与轮槽（卷简）有较大接触面积从而减小钢丝表面应力，最终使钢丝绳表现出相对好的耐磨性，因此，耐磨损被视为同向捻最为突出的捻法优势或优点之一，在一般资料中对此描述相对清楚。
笔者在此采用另外一种更容易理解的方法对同向捻钢丝绳具有相对好的耐磨性进行解释。图2为计算机绘制同向捻与交互捻钢丝绳截面（注：如果不注意也许无法从截面图判定钢丝绳捻法）。从图
笔者在此采用另外一种更容易理解的方法对同向捻钢丝绳具有相对好的耐磨性进行解释。图2为计算机绘制同向捻与交互捻钢丝绳截面（注：如果不注意也许无法从截面图判定钢丝绳捻法）。从图
2可看出，同向捻时股外层钢丝距绳中心越远，钢丝椭圆程度越大，即暴露在钢丝绳表面钢丝椭圆长轴
最大，而与之对称位置钢丝椭圆长轴最小，交互捻时正好相反。不同捻法绳中钢丝截面随其位置不同的这种变化规律，更容易解释不同捻法钢丝绳耐磨性
的不同：在钢丝磨损深度相同情况下，同向捻钢丝绳参与磨损钢丝面大，而磨损面大意味着钢丝受到的
磨损应力小，所以其耐磨性相对要优；也可解释为钢丝磨损相同深度，对同向捻钢丝绳而言因需要钢丝被减少更多金属而需要更长的磨损时间。虽然不同捻法钢丝绳截面钢丝这种形状变化特征不一定会引起大多数人的注意，但作为对同向捻钢丝绳耐磨性
优异解释无疑合理、方便，且容易理解。
2.1.2相对好柔软性特点
通常在言及捻法对钢丝绳性能影响时会提到同
向捻相对交互捻钢丝绳柔软性要好，可对其背后原因一般资料很少描述，至少没有像分析其具有相对优异耐磨性那样清楚。笔者认为可做如下分析：用A、B、C分别代表组绳3根相邻股，B股居中，观察B股中1根钢丝长度，则会发现对同向捻钢丝绳而言，该根钢丝可视长度比交互捻长得多，这也可从图1看出。从钢丝绳制造理论可知，捻法并不改变钢丝在股中和股在绳中的捻缩率，因此股间一根钢丝可视长度大，意味着这根钢丝不可视部位长度小，即在同向捻钢丝绳中钢丝与绳芯接触长度相对交互捻时短，故当对钢丝绳弯曲时外股与绳芯的相对滑动阻力小，从而使同
向捻钢丝绳比交互捻钢丝绳表现出相对好的柔软
性。另外，也可以通过钢丝截面特征进行分析，从图2a可以看出，同向捻时椭圆程度最大钢丝在钢丝绳表面，而与之对应位置钢丝椭圆程度最小，而图2b交互捻钢丝绳正好相反。据此可做如下分析：（1）交互捻钢芯钢丝绳因为外股与钢芯接触部位外股钢丝椭圆长度最大而使外股与钢芯接触面积大，导致外股与钢芯相互滑动困难，钢丝绳柔软性相对同向捻时要差；交互捻钢丝绳钢芯通常选择与外层绳捻向一致的同向捻钢芯，而同向捻钢芯椭圆程度最大的钢丝在钢丝绳表面，所以，外股与钢芯接触是椭圆程度最大的钢丝接触，这显然加大了外股与钢芯的接触面积，使外股与绳芯滑动相对困难，从而使交互捻钢丝绳柔软性不如同向捻。（2）如果绳芯为纤维芯，对交互捻钢丝绳，不可视钢丝椭圆长度大，所以钢丝与纤维芯压痕所形成沟槽接触面积大，同样使外股与绳芯相对滑动困难而导致其柔软性相对较差。（3）从图2可以看出，股中钢丝从椭圆程度最大位置开始到股与股接触，钢丝所转过角度因为钢丝绳捻法不同而不同，交互捻时钢丝经过转角要小于同向捻，这意味着在股与股接触位置，交互捻时钢丝椭圆程度相对同向捻时要大，同时意味着在对钢丝绳弯曲导致股与股接触时，交互捻因为股间钢丝接触面积大而滑动相对困难，最终表现出交互捻钢丝绳柔软性不如同向捻。值得说明的是，虽然研究钢丝绳柔软性通常是基于对组绳股层间钢丝滑动难易程度分析，但这种方法同样可用于对组绳股结构相同情况下钢丝绳柔软性的分析，即研究钢丝绳柔软性可通过分析组绳股间滑移难易程度，也就是说研究钢丝绳柔软性要考虑股中不同层钢丝滑移难易程度和组绳不同层股滑移难易程度2方面因素。
2.1.3相对优的抗疲劳性特点影响钢丝绳疲劳性能有多方面因素，但同向捻相对交互捻为何占优一般资料并没有给出详细说明。
笔者进行如下分析：（1）钢丝性能损失小。从钢丝绳制造过程看，无论是交互捻还是同向捻，从单根钢丝到最终成绳，钢丝都经历了2次变形。但对同向捻钢丝绳，由于钢丝在股中和股在绳中具有相同的捻向，相对于交互捻，钢丝从直条状到二次螺旋状所经受变形过程对其性能所造成的损失相对要小，所以钢丝绳疲劳性能相对较优。（2）钢丝绳耐磨性优。同向捻钢丝绳相对交互捻钢丝绳具有耐磨性高的捻法特点，减缓了钢丝绳破断拉力的降低速度，即降低了绳中钢丝工作应力的上升速度，因此从提高钢丝绳耐磨损角度会改善钢丝绳疲劳性。（3）钢丝绳柔软性好。同向捻钢丝绳相对交互捻钢丝绳具有较好柔软性，这意味着在相同直径的滑轮或卷筒上钢丝绳更容易被弯曲，绳内钢丝所受弯曲应力较小，有利于钢丝绳疲劳寿命的提高。（4）改善外层股数相对较少的2层股钢丝绳抗旋转性。对外层绳股数相对较少的8根、9根、10~12根的2层股抗旋转钢丝绳，内层绳钢丝总面积明显小于外层绳钢丝总面积，外层绳股捻制圆半径明显大于内层绳股捻制半径，因此，这种钢丝绳抗旋转性能是有限的。外层绳为交互捻而内层绳为同向捻时钢丝绳抗旋转性显然优于外层绳为交互捻而内层绳也为交互捻钢丝绳。RR-W-
410F-20020规定18×7类交互捻钢丝绳内层绳为同向捻，该标准不同于通常并不限制该类、该捻法钢丝绳层绳捻法之做法，其中可能与此有关。内层绳选择同向捻，可提高内层股钢丝抗磨损性，对抗旋转性相对较差的钢丝绳，通过提高内层绳耐磨损性而改善整个钢丝绳寿命，当然内层绳寿命延长可降低外层绳钢丝工作应力上升速度与较长时间保持外层绳结构相对稳定，也有利于提高钢丝绳疲劳性能。
2.1.4稳定性相对较差与反拨力相对较大特点虽然同向捻钢丝绳相对交互捻钢丝绳具有耐疲劳、抗磨损、柔软性好等捻法优势，但也如同没有万能的钢丝绳而只有合适的钢丝绳一样，同向捻并非钢丝绳合理捻法的唯一选项，所有资料都提及其抗挤压能力相对交互捻要差，即结构稳定性相对较差。之所以如此，笔者认为是当钢丝绳为同向捻时，钢丝与钢丝绳轴线相对大得多的夹角使得钢丝绳在受到垂直于钢丝绳轴线方向挤压载荷时组股钢丝表现出更强朝垂直钢丝绳轴线分开的趋势，即表现出相对弱的抗挤压能力或结构不稳定。
同向捻钢丝绳反拨力相对较大，原因可做如下分析：（1）股、绳具有相同的打开或松捻的趋势。从钢丝绳制造理论看，无论是捻股还是合绳，钢丝在股中、股在绳中都具有打开或松捻的趋势，同向捻时，钢丝在股中、股在绳中打开或松捻的趋势一致，累加的结果使钢丝绳表现出相对较大的反拨力。（2）股有较大的加捻应力。保证钢丝绳紧密捻制是相关标准对钢丝绳捻制质量的通用要求，对同向捻钢丝绳，为保证股在绳中、钢丝在股中紧密捻制，要求合绳前股应具有加捻的应力状态，也就是说，用于捻制同向捻钢丝绳股中原始捻制应力相对用于捻制交互捻钢丝绳时大，这也会增加钢丝绳反拨力。
2.2同向捻对钢丝绳其他性能的影响
2.2.1破断拉力
从钢丝绳生产技术资料与相关标准看，捻法似乎并不影响钢丝绳的破断拉力，然而情况并非总是如此，而且主要体现在钢芯绳和多层股钢丝绳，尤其是后者（注：从严格意义上讲，多层股钢丝绳也可视为钢芯绳，只是这种钢芯绳因相对普通钢芯绳具有抗旋转性而已。另外，由于多层股钢丝绳外层绳股数相对较多，因此这种钢芯绳绳芯相对普通钢芯绳绳芯直径要大）。对多层股钢丝绳，无论钢丝绳具体结构和抗旋转性能如何，股在绳中一定含2个捻向。从实际情况看，设计合理的内层绳捻法会明显提高钢丝绳的破断
拉力，对此笔者选择35（W）×7钢丝绳进行了生产试验。对交互捻35（W）×7钢丝绳，内层绳选择交互捻时钢丝绳破断拉力要高于同向捻，至于其中原因可进
一步探讨。要研究国外多层股钢丝绳更习惯采用同
向捻背后的原因，图3是AS356-19890给出的3次合绳的3层股钢丝绳捻法与捻向配置，值得重视，但
国外个别企业的做法是不合适的a。
图33次合绳的3层股钢丝绳
Fig.3 Three layers wire rope of three laying-up
2.2.2抗旋转性
钢丝绳抗旋转性是对钢丝绳受力后钢丝绕股轴
线旋转和股绕绳中心旋转力矩平衡结果的综合反
映。一般资料认为钢丝绳抗旋转性取决于钢丝绳结构而不涉及捻法，笔者认为这种认识并不全面。关于捻法对钢丝绳抗旋转性影响在此通过举例说明：
（1）对6股钢丝绳，从标准看，其并不在抗旋转钢丝绳之列，但如果一定要说其抗旋转性能，单就捻法而
言，很显然混合捻优于交互捻，交互捻优于同向捻（注：韩国企业有通过混合捻提高6股钢丝绳抗旋转性的应用先例。日本个别企业生产的6股“难自
转”钢丝绳，虽然不涉及钢丝绳捻法，但股捻距倍数
相对一般钢丝绳小得多，而绳捻距则正好相反）。
（2）对3股或4股钢丝绳，如果钢丝绳捻法为同向捻，则钢丝绳一定不具有抗旋转性，所以其制成抗旋转钢丝绳的捻法只能是交互捻。（3）对2层股钢丝
绳，其抗旋转性的获得依靠的是内外层绳股旋转力矩的平衡，而各层股组成钢丝绳旋转性显然与捻法
有关，如对17×7类钢丝绳，如果外层绳是同向捻，显然内层绳选择同向捻所得钢丝绳抗旋转性将优于选择交互捻。
无论是从实践上还是理论上，捻法对钢丝绳抗旋转性能的影响是客观存在的，也许只是因为对大多数钢丝绳，结构对其抗旋转性影响远大于捻法影响而使捻法对钢丝绳抗旋转性的影响被忽视，但这并不否定捻法对钢丝绳抗旋转性具有影响的事实存在。
2.2.3后续挤压索具加工方法当钢丝绳用于制作浇筑索具，或直接压制吊索，或插编吊索，或编成无极环索，或制成弗兰芒式压制吊索，钢丝绳捻法对加工索具质量不存在影响，但如果是制作套管固接折返式索具，选择同向捻钢丝绳则是不合适的。因为钢丝绳折返后，在两绳接触部位，钢丝绳表面钢丝将严重交叉，压制过程中钢丝间的高应力会导致钢丝绳表面钢丝被严重“硌”伤甚至被剪断（注：尽管对钢丝的这种伤害在索具制成后无法看见），不仅影响索具承载能力，更重要的是给后续安全使用埋下隐患。对混合捻钢丝绳，因为也部分包含了同向捻，所以该捻法钢丝绳制作套管固接折返式索具同样不合适，尽管同向捻或混合捻钢丝绳不宜制作套管固接折返式索具并不一定没有引起大多数索具制造者或使用者的注意，且混合捻这一特殊捻法钢丝绳更是很少被大多数钢丝绳制造者或使用者看到。
2.3标准规定不同捡法钢丝绳报废最多断丝数分析笔者注意到，GB/T5972-20060给出相同钢丝绳在工作机构级别相同时报废最多可见断丝数因钢丝绳捻法不同而差距甚远，同向捻钢丝绳报废最多断丝数仅是交互捻的一半，相关规定见表1。为什么仅因捻法不同而导致标准规定在工作机构级别相同时钢丝绳报废最大断丝数上出现如此大差异，从笔者了解情况看，国内知其解和试图求解的人并不多，这包括钢丝绳制造者、标准制订者、使用者和报废标准制定者。
对同向捻钢丝绳，3根相邻股之中间股单根钢丝可视长度要比交互捻大，所对应的钢丝绳长度也长，单根钢丝如果想获得相同频次的可视部位，同向捻需要的钢丝绳长度要大，换言之，对固定长度同向捻钢丝绳，单根钢丝被重复可视的频次要比交互捻少，因此，标准规定同向捻工作机构级别相同时钢丝绳最多断丝数比交互捻要少是正确的。
为验证频次减小的程度，笔者做了如下试验：在6股交互捻与同向捻钢丝绳中，随意选出1根股，剥去其中1根外层钢丝后再将该股在绳中重新复位，选择钢丝绳1个捻距观察外观可视缺丝部位数，结果发现，同向捻钢丝绳可视部位数是交互捻的一半，即同向捻和交互捻1根钢丝可视部位数之比是1：2。
通过计算机作图也得到了相同的发现，对不同结构不同捻法的钢丝绳观察也得到了相同的试验结果。根据试验结果，要想使对同向捻钢丝绳钢丝实施检查的可视部位数与交互捻相同，所需钢丝绳长度则应是交互捻的2倍，或者说，交互捻钢丝绳在钢丝绳1个捻距内1根钢丝可被检查到的次数是同向捻的2倍，故当将报废可视断丝数设置在相同的钢丝绳长度范围时，同向捻钢丝绳可视断丝数也应是交互捻的一半。试验结果表明标准关于在1个捻距内同向捻钢丝绳可见最多断丝数是交互捻一半之规定是正确的。至于为什么仅因为捻法不同而导致在1个捻距内同向捻某根钢丝可视部位数只是交互捻时之半，笔者准备继续进行理论分析。
注意，虽然表1给出确定钢丝绳报废最多断丝数时限定钢丝绳长度分别为不大于6d和30d，从严格意义上看，该规定可操作性并不强。如果确定为1个或5个捻距内更合适，也更符合实际，因为钢丝绳捻距倍数一般选择6.00左右，6d或者30d钢丝绳长度基本是钢丝绳的1个或5个捻距，再者，使用者通常也是按捻距确定检查钢丝绳长度而不是先按标准计算出拟检查钢丝绳长度后再进行表面断丝检查。GB/T5972-20060后续版本GB/T5972一2009日相同的规定继续存在，只是因为相对GB/T5972-2006对相关描述更详细而占据篇幅过大笔者没有再列出。
3结论
同向捻钢丝绳具有好的耐磨性基于：（1）钢丝轴线与钢丝绳轴线有较大夹角增加了钢丝与匹配滑轮（卷筒）接触面积；（2）从钢丝绳截面看，股中外层钢丝随离绳中心距离增大其椭圆程度越大的几何特征，提高了钢丝与匹配滑轮（卷筒）接触面积。同向捻钢丝绳具有好的柔软性基于：捻法并不改变钢丝在绳中的捻缩率，而同向捻时股中不可视钢丝长度短，导致外股钢丝与绳芯接触面积小，使对钢丝绳弯曲时外股与绳芯的相互滑动更容易。从钢丝绳截面看，在钢丝从椭圆程度最大位置转向椭圆程度最小过程适逢股与股接触点位置，同向捻钢丝经过转角比交互捻大，使对钢丝绳弯曲时捻股间钢丝接触面积相对较小，股与股相互滑动容易。同向捻钢丝绳疲劳性能优基于多方面因素：
（1）在钢丝从直条状到二次螺旋变形过程所引起的钢丝性能损失相对要小；（2）耐磨损的特点延缓了承载金属的流失速度与钢丝表面裂纹的产生速度及扩展速度；（3）具有相对好的柔软性使钢丝绳在滑轮或卷筒上更容易弯曲，绳内钢丝弯曲应力小；（4）改善了外层股数相对较少的2层股钢丝绳抗旋转性；（5）对普通钢芯绳，外层绳捻法（向）与芯绳捻法（向）合理搭配，辅助以合理参数设计，能通过延长绳芯寿命进而增加钢丝绳寿命。
同向捻钢丝绳结构稳定性相对较差基于钢丝轴线与钢丝绳轴线较大的夹角，当钢丝绳受到垂直钢丝绳轴线方向挤压载荷时分开趋势更强。
同向捻钢丝绳具有较大反拨力基于：（1）钢丝在股中、股在绳中因具有相同捻向而使打开或松捻趋势相同；（2）为保证同向捻钢丝绳紧密捻制，股在合绳前具有较大的加捻应力。
捻法对钢丝绳抗旋转性能的影响基于：（1）单层股钢丝绳只有在交互捻时才可能具有抗旋转性；
（2）多层股钢丝绳层绳捻法可以影响各自股所在层绳旋转力矩而影响最终钢丝绳旋转性。对大多数钢丝绳，捻法因对钢丝绳抗旋转性影响要小于结构之影响而被忽视。
同向捻钢丝绳和混合捻钢丝绳加工套管固接折返式索具时，因为钢丝绳间钢丝严重交叉，会造成钢丝损伤甚至断裂而不适合。钢丝绳报废标准给出相同条件下同向捻钢丝绳报废最多断丝数少于交互捻源于可视钢丝长度相对较大，1：2的数量关系乃基于在钢丝绳1个捻距内同向捻时单根钢丝出现可视部位频数是交互捻时的1/2。
研究同向捻钢丝绳性能，主要目的是尽可能把钢丝绳生产相关资料中对同向捻钢丝绳具有一些特点的背后原因解释清楚，同时探索捻法对钢丝绳其他性能的影响。