新结构钢丝绳特点及其研究开发现状

瓦林吞被复式钢丝绳结构特点
    西鲁式、瓦林吞式、填充式是线接触钢丝绳的基本结构形式，当钢丝绳运用两种或两种以上结构时，被称为“混合式”或“复合式”，如6×36SW，8×41SFi，9×49SWS等。混合式线接触钢丝绳给钢丝绳结构设计者提供了广阔的空间。美国RR-W-410D标准列出的相关结构为钢丝绳结构设计与研究提供了具有实用价值的内容。
    混合式线接触钢丝绳结构呈现多样性，用途具有宏观上的广泛性和具体使用方向上的针对性。瓦林吞被复式钢丝绳应纳为混合式线接触钢丝绳范畴。德国相应技术标准又称其为瓦林吞-复合式，通常采用WV表示，具有纤维(FE)或纤维包复钢制绳芯(SESU)两种。瓦林吞被复式钢丝绳的结构特点：(1)绳股外层钢丝根数多于次外层钢丝根数，可能这是称其为包复式钢丝绳的原因之一；(2)绳股次外层钢丝呈瓦林吞结构方式排列；(3)瓦林吞被复式钢丝绳有别于西-瓦类钢丝绳的最主要的一点是股绳外层钢丝与次外层钢丝根数不相同，即外层钢丝占横截面积的比例高。
瓦林吞被复式钢丝绳直径和股结构见表1。

    表1　瓦林吞被复式钢丝绳直径及股结构

    德国对瓦林吞被复式钢丝绳有较多研究，相应的国家标准对这类钢丝绳均有陈述。DIN21254/3起重钢丝绳分类技术标准列出相关技术参数，见表2。DIN3065圆钢丝绳直径8～56mm，钢丝的公称抗拉强度分为1570MPa，1770MPa两种级别。

    表2　瓦林吞被复式钢丝绳技术参数

   德国蒂森公司列出7×40WV+SESU类钢丝绳直径40～80mm，6×29WV+FE类钢丝绳直径18～56mm，钢丝公称抗拉强度为1570，1770，1860MPa3种级别。潞安矿业集团常村煤矿，开滦集团钱家营煤矿从德国引进的20世纪80年代中期水平的双箕斗五绳式摩擦式提升设备配套的钢丝绳为6×35WV+FE—50mm。由此引发了国内部分钢丝绳生产制造企业对这类钢丝绳的关注。由于实践经验的缺乏，国内产品的实物质量水平未能达到用户目标要求，以产顶进的期望未能如愿实现。

    SFi类钢丝绳的应用效果
    加拿大生产的股结构为(12+12+6F+6+1)的8股注塑电铲钢丝绳20世纪90年代被国内煤炭行业专家定义为8×37类钢丝绳，实为8×37SFi+[(8×7)+(8×7)+1×7]结构钢丝绳。随着平朔煤炭工业公司(安太堡露天煤矿、安家岭露天煤矿)、神华集团准格尔能源公司(黑岱沟露天煤矿、哈尔乌素第二露天煤矿)、江西德兴铜矿等一批现代化露天矿山的建成或改扩建，P&H2800×P，395B，P&H4100大型电铲的批量引进、使用，该类钢丝绳显示出良好的应用前景。SFi类钢丝绳具有以下特点和发展趋势。
    (1)8股钢丝绳使用性能优于6股钢丝绳，得到推广应用。美国钢公司倡导“合理择绳、善用钢绳”，这一理念已逐渐被国外线材制品企业认可。公司的电铲钢丝绳为系列产品，根据不同的使用条件，主推股结构为SFi类钢丝绳。
    在提铲钢绳、铲满和缩回钢丝绳、拉铲提升钢丝绳和拉铲钢丝绳等用途方面，原来推荐使用不同规范的钢芯，6×SFi(21)，6×SFi(25)，6×SFi(41)，6×SFi(49)，6×SFi(55)等结构钢丝绳。从20世纪80年代均被改为股结构相同的8股钢丝绳。
    (2)钢丝绳加缓冲衬垫后，抗疲劳性能大为提高。加拿大钢丝绳行业与NORADA技术中心经过5年的测试表明：8×37SFi类钢丝绳中加缓冲衬垫后疲劳次数最高，注塑的为前者的55%，普通8×37钢丝绳的疲劳次数仅为加缓冲衬垫的28%，可见辅料在钢丝绳中的作用十分突出。
我国注塑、加缓冲衬垫技术与国际水平相差较大。该类产品是我国进口钢丝绳的主要品种之一。钢丝绳注塑技术虽被国内几个钢丝绳生产的大型骨干企业列为科技攻关项目，但是项目进展及阶段性成果不尽理想，用户积极推广应用的急切心情往往得不到有力的回应。贵州钢丝绳集团公司的注塑钢丝绳已批量应用于煤炭行业。
    (3)SFi类钢丝绳的研制被发达国家关注，被美国钢公司、日本神户制钢株式会社、加拿大钢绳公司、日本帝国工业株式会社列为定型产品。P&H电铲用神钢钢线的D-F卷扬钢丝绳中列出SFi(41)(股结构为1+8+8+8F+16)和SFi(49)(股结构为1+8+8F+16+16)结构的钢丝绳。
    我国钢丝绳生产制造企业未能全面地研究钢丝绳发展态势，如SFi，WV类钢丝绳很少进行系统研究。企业多满足于维持低档次钢丝绳的简单再生产，市场处于低价位的恶性竞争。等效于API9A-76标准的SY5170-石油用钢丝绳技术标准也曾列入6×49FiS+IWR结构钢丝绳，但国内钢丝绳企业很少生产该种结构钢丝绳，几乎无一家企业产品样本列出SFi，WV类钢丝绳。

    三股异型股钢丝绳
    三股异型股钢丝绳适用于超高压输变电线路强力架线施工、矿山开采、港口提升、工程机械、油田抽汲作业等。国内企业也称此类钢丝绳为三股少扭转(SN)钢丝绳。日本、加拿大是较早研究开发这类钢丝绳的工业发达国家，也是我国输变电工程公司一度进口该类产品的主要货源国家。甘肃送变电工程公司曾使用过加拿大进口的M3×7—8.0mm钢丝绳。宁夏电力建设安装公司曾使用从日本神钢钢线工业株式会社进口的3F(a+40)—26mm钢丝绳。股绳结构为0+8+16+16，钢丝绳整绳破断拉力为600.224kN。
    日本神钢钢线工业株式会社列入产品样本的产品：U3×SeS(39)，股结构a+9/45+15，钢丝绳直径6～28mm；U3×SeS(48)，股结构a+12/18+18，钢丝绳直径14～40mm。
    德国迪帕的3V×30S压实钢丝绳直径6～34mm，抗拉强度为1960kN，金属密度系数0.6648，捻制因数0.8500。
    3×19S压实钢丝绳是被美国石油学会APISec9A《钢丝绳规范》列入的产品，具有不松散、耐磨损的特点，可有效地克服普通结构钢丝绳在油田抽汲作业中易打扭现象，使用寿命是常用规格6×19S+FC钢丝绳的2～3倍。国内已批量生产3×19S压实钢丝绳，并在长庆油田、四川油田试用中取得阶段性成果。国内钢丝绳生产已用5×7类压实钢丝绳实施了有效的替代，使用寿命成倍提高，被油田用户和石油机械企业认可，逐渐形成竞相购买的态势。
    国内外三股异型股钢丝绳结构及用途见表3。

    表3　三股异型股钢丝绳结构及用途

旋挖钻机用钢丝绳系列
    旋挖钻机是发达国家普遍使用的桩基工程机械。德国、意大利、荷兰、日本、新加坡等国家生产的旋挖钻机各自形成独立的产品体系，配用的钢丝绳虽然结构有异，但都是结构先进的钢丝绳。
    (1)德国宝峨公司旋挖钻机的主要型号有BG15，BG20，BG22，BG36，BG40，BG50，BG60，所用的钢丝绳的主要结构为18×7+2×(7×7)+7×7+SE(8+8+1)，也有的配用德国DIEPQ1318Z结构钢丝绳。中铁14局设备租货公司进口的BG40旋挖钻机，随机配用的主、辅卷扬用钢丝绳均为16×(6+1)+6×(6+1)+6×(6+1)+9×(6+1)+SE结构钢丝绳，直径分别为22mm和36mm。中铁20局进口的BG22，BG25旋挖钻机，随机配用的为DIEPA1318Z结构钢丝绳，BG25旋挖钻机主卷扬钢丝绳直径32mm。
    (2)意大利旋挖钻机配用6×36SW+IWR压实钢丝绳。B125型旋挖钻机的主卷扬钢丝绳直径为25mm。
    (3)日本住友旋挖钻机配用4V×40SW压实钢丝绳。SD20S-2型旋挖钻机的主卷扬钢丝绳直径为20mm。
    (4)国内使用进口旋挖钻机的企业，延用随机配用钢丝绳的结构、规格。在软淤泥质土层、粘土层等低强度土石混合层桩基工程施工时也有采用6×19+IWR，18×7+IWR，6×36SW+IWR等结构钢丝绳的现象。也有的用户准备在日本进口的旋挖钻机上试用同规格的4V×39S压实钢丝绳。

    独立绳芯结构的多样性
    钢丝绳的绳芯分为纤维芯和钢芯。钢芯又分为独立的绳芯(IWR或IWRC)和钢丝股芯(IWS)两种。钢丝绳的独立的绳芯结构通常为7×7。随着钢丝绳用途更加广泛，国内外钢丝绳结构设计以前所未有的速度向前发展。瑞土FAZER公司、法国欧洲钢缆公司等一批国际著名的金属制品企业的产品体系中，相当数量产品的结构突破了原有钢丝绳结构设计基本理论和产品体系，结构设计独特、新颖。作为钢丝绳结构设计重要内容的独立绳芯结构设计呈现多样性和复杂性的特点。
    (1)简单结构的绳芯。日本神钢钢线工业株式会社生产的粗直径钢丝绳IWRC8×WS(36)构成为7×19+8×[1+7(7+7)+14]，独立绳芯结构为7×19。意大利Redaeli公司8×41SW金属芯钢丝绳结构为8×(16+8/8+8+1)+IWRC(7×19)或工业IWRC(7×19W)，独立绳芯7×19或7×19W。
    (2)复合结构的绳芯。日本神钢钢线工业株式会社IWRC8×EWS(S2)钢丝绳结构为WS(36)+8×S(19)+8×[1+7/9+(9+9)+18]，独立绳芯WS(36)+8×S(19)。德国DIN5881-1—90石油工业钢丝绳和索传动钢丝绳8×19S，其独立绳芯为1×19+8×7。ISO2408—85一般用途钢丝绳特性中A5.1钢丝绳8×36WS，A5.2钢丝绳8×41WS，两类结构钢丝绳的绳芯：(1+8+8/8+16)+8×7。瑞士FAZER公司电梯钢丝绳8×19S+IWRC，独立绳芯为1×19W+8×7。法国欧洲钢缆公司8×25FW，8×36WS，8×46WS类钢丝绳，独立绳芯为1×7+4×19S/4×7。为改变钢丝绳内钢丝接触状态，减少内应力。进一步提高钢丝绳使用寿命，德国在起重钢丝绳中还较多地使用纤维包覆钢制芯(SESU)，如德国蒂森钢丝绳公司的7×40WV+SES-U钢丝绳。

    结构设计及新产品研发的重要参考文献
    各行业使用钢丝绳的情况不同，要求的钢丝绳结构呈多样性，要求钢丝绳生产企业研究开发比现行钢丝绳标准纳入的规格、品种、类别更多，结构更复杂，使用性能更好，使用寿命更长的钢丝绳。
    在钢丝绳结构设计及新产品研发过程中，要关注国际知名钢丝绳公司，如英国波来顿，南非海格，德国迪拜、凯撒，日本神户、东京、帝国、兴国，韩国高丽制钢株式会社等公司的产品、研究其产品体系，博采众长。还应该参考或引用美国RR-W-410D钢丝绳和钢绞线标准，标准具有以下特点。
    (1)列出的钢丝绳结构种类多，直径范围大。种类近400种，多于国内外其他标准。钢丝绳最大直径为152.4mm(6in)；直径≤38.10mm(112in)的钢丝绳居多。从钢丝绳直径范围看，标准相当于GB/T8918—1996钢丝绳和YB/T5223—93粗直径钢丝绳两个标准所涵盖的范围。
　　(2)给出较多的有实际参考价值的技术参数。给出钢丝绳的捻距、公称破断拉力和验收破断拉力，验收破断拉力约为公称破断拉力的97%。
　　(3)列出的电梯用钢丝绳结构齐全。6×19类有6×19W，6×21Fi，6×26SW；8×19类有8×19W，8×19S，8×21Fi，8×25Fi，8×26SW；8×19类型电梯用钢丝绳结构与瑞士法泽尔公司产品样本列出的结构基本相同。
　　(4)对线接触钢绳结构予以细化。标准列出对线接触钢丝绳结构细化后的西鲁-填充式、填充-西鲁式结构钢丝绳，为国内外其他标准所罕见。神华集团准格尔能源公司的黑岱沟煤矿为我国5大现代露天煤矿，自1987年投产以来，主要使用从美国钢公司进口的虎牌8×37SFi+IWRC压实、填塑、包塑钢丝绳。
　　(5)列出三捻钢丝绳。标准中的种类IV为操纵钢丝绳，结构有6×42(6×6×7)。
　　(6)列出6×61类钢丝绳100多种，为国外同类标准之最。股中钢丝数量相同，股绳结构差异较大。如股中55根钢丝，有1+5+10+5F+14+20，1+6+6/6+18+18，1+9+9+18+18三种结构。
　　(7)列出我国现行标准未列入的6×91，6×85类型钢丝绳。对6×91带独立钢丝绳芯(两次捻股)结构的认识，是从API9A钢丝绳规范中获得的。
根据用户需求，受Redaelli公司密封钢丝绳结构的启发，咸阳石油钢管钢绳有限责任公司研究开发6×82+FC结构粗直径钢丝绳。在事先未熟知RR-W-410D-88钢丝绳和钢绞线标准的条件下，与标准不谋而合。钢丝绳结构6×82+FC，股结构1+7+7/7+14+20+26或(1×36SW)+20+26。宁夏恒力钢丝绳股份有限公司曾为四川夹江水工机械厂生产过 49mm，6×85结构钢丝绳。
　　(8)指出绳股生产的工序数。如股绳结构1+7+7+7，7+22+28及钢丝绳结构6×79的绳股捻制需要3道工序。
　　(9)以线接触形式设计出8×19类不旋转钢丝绳。包括西鲁式1+9+9，填充式1+5+5F+10和1+6+6F+12，瓦林吞-西鲁式1+5+5/5+10，即钢丝绳结构为8×19S，8×21Fi，8×25Fi，8×26SW。将这类钢丝绳定义为不旋转钢丝绳为国内标准所没有的。
　　(10)列出6×3×7，6×3×19弹性捻、船舶用钢缆。国内尚未对此类产品进行系统的试制及研究开发。
　　(11)列出3×7，7×7结构小直径钢丝绳，使标准涵盖范围扩大。
　　(12)以扁钢丝绳类型列出三角股钢丝绳及相应捻距、直径等。标准列出4种右同向捻、钢丝股芯和独立钢丝绳绳芯三角股钢丝绳。股绳近似捻距为7.93～8.03倍股绳直径。4种类型是6V×25(股绳结构：Δ+12+12)的B型，6V×30(股绳结构：6+12+12)的G型，6V×27(股绳结构：3+12+12)的H型和6V×37(股绳结构：1+6+12+12)的V型。钢丝绳直径为9.53～69.85mm。
　　日本神钢钢线工业株式会社将G6×WS(36)，G6×WS(31)结构钢丝绳定义为耐磨耗钢丝绳。UBIWRC6×Fi(29)，UBIWRC6×WS(31)类钢丝绳定义为难自转钢丝绳。BS302/96多股矿井提升用钢丝绳技术条件和英国布莱顿钢绳公司矿用钢丝绳样本中列入的三角股钢丝绳结构比美国RR-W-410D标准列出的结构种类多且复杂。