礦用鋼絲繩的結(jié)構(gòu)性能及合理選用

摘　要：主要闡述了礦用鋼絲繩的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)及性能，并論述礦井在不同條件下如何合理選用鋼絲繩。例舉各種不同股型、捻向、絲型及絲徑的鋼絲繩，在各種不同條件下進(jìn)行使用壽命的比較。正確合理地選用鋼絲繩，可以延長(zhǎng)鋼絲繩的使用壽命，節(jié)約鋼材，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：點(diǎn)接觸；線接觸；面接觸鋼絲繩；圓股；三角股；橢圓股鋼絲繩；多層股不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩；扁鋼絲繩
中圖分類(lèi)號(hào)：TD532　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　　文章編號(hào)：1008-8725(1999)04-0023-04

Construction and performance of the
steel rope and reasonable usage
LI　Heng
(Huaibei Mining Group, Anhui Prov., Huaibei 235100, China)

Abstract:The paper expounds the type ,construction and performance of t he steel rope using in different coal mine and different usage.The wo rk ing life ,strand ,lay,thread type and thread diameter of the different steel rop e are compared.
Key words:point touch ; line touch; face touch steel rope ; ro und strand ;
trigonometric strand ; elliptic strand steel rope ; multiple -strand non-rotatio n steel rope

0　前言
　　鋼絲繩是礦井提升系統(tǒng)的重要組成部份之一，如何正確合理的選擇使用是極為重要的問(wèn)題，它不僅關(guān)系到提升設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，而且也關(guān)系到為國(guó)家節(jié)約大量?jī)?yōu)質(zhì)鋼材問(wèn)題，并可減少更換鋼絲繩次數(shù)，增加有效提升時(shí)間。
　　礦用鋼絲繩有各種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，而每一種鋼絲繩都有其獨(dú)特的性能，適用于各種不同的條件和環(huán)境。如果能夠熟習(xí)掌握礦用鋼絲繩的結(jié)構(gòu)性能，根據(jù)不同的條件，合理正確的選用，則可大大提高鋼絲繩的壽命，減少鋼絲繩的消耗，對(duì)降低噸煤成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，都起著重要的作用^［1］。

1　鋼絲繩的結(jié)構(gòu)性能
1.1　按繩股內(nèi)各層鋼絲的接觸方式分類(lèi)
1.1.1　點(diǎn)接觸鋼絲繩
　　該種鋼絲繩的繩股內(nèi)各層鋼絲的捻距不等，各層鋼絲呈相互交叉的點(diǎn)接觸狀態(tài)，見(jiàn)圖1。

圖1

　　該類(lèi)型鋼絲繩當(dāng)受到拉伸載荷時(shí)，繩內(nèi)各層鋼絲的受力在理論上相等，但在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)這種鋼絲繩的缺點(diǎn)是受拉時(shí)，鋼絲間的點(diǎn)接觸處，因應(yīng)力集中而產(chǎn)生壓痕，尤其是鋼絲繩受彎曲時(shí)，壓痕更為嚴(yán)重，因此導(dǎo)致鋼絲疲勞斷裂而過(guò)早損壞，所以點(diǎn)接觸鋼絲繩使用壽命較短。
1.1.2　線接觸鋼絲繩
　　該種鋼絲繩的繩股內(nèi)各層鋼絲等捻距編捻，而內(nèi)層鋼絲和外層鋼絲的捻距相等，見(jiàn)圖2，從而使層間的鋼絲互相平行，而呈線接觸。

圖2

　　例如瓦林吞型及西魯型均為線接觸鋼絲繩。其特點(diǎn)是柔軟性不足，但它避免了應(yīng)力集中，減少了鋼絲間的摩擦阻力，抗彎曲、抗疲勞的性能顯著提高，這在彎曲半徑較小的滾筒上工作或受較大的的擠壓載荷時(shí)更為有利。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐及理論分析證明，在同等工作條件下，線接觸鋼絲繩的使用壽命約比點(diǎn)接觸鋼絲繩長(zhǎng)一倍。
1.1.3　面接觸鋼絲繩
　　該種鋼絲繩的鋼絲是由圓股鋼絲經(jīng)過(guò)特殊加工，股內(nèi)鋼絲呈面接觸，見(jiàn)圖3。

圖3
a.6×7面接觸　b.6X(19)面接觸
c.6W(19)面接觸　d.6T(25)面接觸

　　試驗(yàn)證明，面接觸鋼絲繩具有以下優(yōu)點(diǎn)：
　　(1)結(jié)構(gòu)緊密，表面光滑，和繩槽接觸面積較大，耐磨損抗擠壓性能好。
　　(2)鋼絲繩接觸應(yīng)力極小，鋼絲繩耐疲勞性能好。
　　(3)鋼絲繩的有效金屬斷面積較大，約為63%，其破斷拉力比相同直徑的普通鋼絲繩增大約25%。
　　(4)鋼絲間接觸面積大，相互貼緊，礦井淋水及煤粉不易浸入，抗腐蝕性能強(qiáng)。
　　(5)鋼絲繩的伸長(zhǎng)變形量較小。
　　但是這種鋼絲繩也存在缺點(diǎn)，即可撓性較差，易采用較大的繩筒/繩徑的比值。
1.2　按鋼絲繩及繩股的形狀分類(lèi)
1.2.1　圓股鋼絲繩
　　上述三種點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸鋼絲繩都是圓股鋼絲繩，這是最通用的一種鋼絲繩，易于制造，價(jià)格低廉。
1.2.2　三角股鋼絲繩
　　繩股基本上近似三角形，見(jiàn)圖4。其特點(diǎn)是，繩捻制緊密，金屬斷面系數(shù)大，鋼絲繩強(qiáng)度高，表面平滑，承壓面積大，可減小鋼絲繩和繩槽間的比壓，因而顯著提高了繩槽襯墊的壽命。繩股的外層鋼絲較粗，所以抗磨損性能好，由于表面鋼絲的排列方式，增加了鋼絲繩的抗擠壓能力，尤其是當(dāng)鋼絲繩在滾筒上多層纏繞，相互跨越時(shí)，穩(wěn)定性較好。

圖4

1.2.3　橢圓股鋼絲繩
　　繩股基本上呈橢圓形，見(jiàn)圖5，也具有較大的支承面積和抗磨損性能，它不適于承受過(guò)大的擠壓應(yīng)力，穩(wěn)定性差些。

圖5

1.2.4　多層股不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩
　　該種鋼絲繩具有兩層或三層繩股，見(jiàn)圖6。而各層繩股的捻向相反，所以當(dāng)繩承受負(fù)荷時(shí)旋轉(zhuǎn)性很小，它主要用于鑿井提升。

圖6　多層股不旋轉(zhuǎn)鋼絲繩

1.2.5　密封式鋼絲繩(又稱(chēng)鎖股鋼絲繩)
　　鋼絲繩呈圓形封閉式，由多層異形鋼絲編捻而成，如乙形和梯形鋼絲，不分繩股，見(jiàn)圖7和圖8。

圖7　密封鋼絲繩

圖8　密封鋼絲繩截面

　　金屬斷面系數(shù)最大，繩外層表面光滑，具有較強(qiáng)的耐磨損和抗銹蝕能力，鋼絲伸長(zhǎng)變形量小，彈性及永久變形小，用在多繩提升中，各繩的張力容易平衡，最適合于作繩罐道，服務(wù)年限長(zhǎng)，這種鋼絲繩在英國(guó)使用較多。但它也存在一些缺點(diǎn)，如撓性差，接頭困難，制造復(fù)雜，價(jià)格高等缺點(diǎn)。
1.2.6　扁鋼絲繩
　　鋼絲繩截面呈扁平形，它主要是用作尾繩，其特點(diǎn)是柔性好、不旋轉(zhuǎn)，運(yùn)行平穩(wěn)。但制造復(fù)雜，價(jià)格昂貴，如五十年代東北本溪礦務(wù)局彩屯豎井就是用扁鋼絲繩作尾繩?，F(xiàn)在也有用不旋轉(zhuǎn)圓鋼絲繩作尾繩的，再裝上轉(zhuǎn)環(huán)^［2］。
1.3　按鋼絲繩的捻向分類(lèi)
　　以鋼絲繩外層繩股的捻向分類(lèi)共有二種，即左捻和右捻鋼絲繩；若以繩股和鋼絲的捻向關(guān)系分類(lèi)，有交捻和順捻二種鋼絲繩。
1.3.1　左捻和右捻鋼絲繩
　　這兩種鋼絲繩，分別見(jiàn)圖9和圖10。就是以外層繩股的編捻方向來(lái)區(qū)分的，由于繩股是螺旋線形編捻，當(dāng)它受到拉伸載荷時(shí)，必然產(chǎn)生和繩股編捻方向相反的旋轉(zhuǎn)力矩，使鋼絲繩沿松捻方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖9　右捻

圖10　左捻

　　因此在某些條件下，選擇鋼絲繩時(shí)，應(yīng)注意對(duì)鋼絲繩捻向的要求。例如鉆機(jī)和鋼絲繩沖擊鉆應(yīng)選用左捻鋼絲繩，使其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，有利于螺扣越擰越緊，可避免鉆具在沖擊載荷作用下掉入鉆孔內(nèi)。

1.3.2　交捻(交互捻)順捻(同向捻)鋼絲繩
　　無(wú)論是左捻或右捻鋼絲繩，都還有交捻和順捻兩種編捻方式；共有左交捻，左順捻和右交捻，右順捻四種類(lèi)型。
　　交捻鋼絲繩，是指繩股和鋼絲的捻向不同的鋼絲繩，其特點(diǎn)如下：
　　(1)鋼絲繩受拉伸載荷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與繩股編捻方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng)，而交捻鋼絲繩中鋼絲與繩股的捻向相反，因而在繩內(nèi)產(chǎn)生一阻止轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，所以交捻鋼絲繩的旋轉(zhuǎn)力度較順捻鋼絲繩要小。在起重機(jī)中普遍采用這種鋼絲繩。
　　(2)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用中不易產(chǎn)生扭結(jié)現(xiàn)象。
　　(3)抗扭曲變形能力強(qiáng)，在較小直徑繩筒上工作時(shí)，較順捻鋼絲繩穩(wěn)定可靠。
　　順捻鋼絲繩，是指繩股和鋼絲的捻向相同的鋼絲繩，其特點(diǎn)如下：
　　(1)順捻鋼絲繩的繩股表面鋼絲長(zhǎng)度，約為相同結(jié)構(gòu)交捻鋼絲繩的兩倍半。所以比交捻繩有大得多的耐磨面積，提高了鋼絲繩和繩槽的耐磨壽命。
　　(2)順捻鋼絲繩抗疲勞性能也較交捻繩高。
　　(3)順捻鋼絲繩的缺點(diǎn)，是旋轉(zhuǎn)性較大，散股的趨向也大。
　　(4)順捻鋼絲繩的穩(wěn)定性較差，使用中易產(chǎn)生扭結(jié)。經(jīng)過(guò)小直徑繩筒或繩輪，或在過(guò)緊的繩槽中工作時(shí)，有時(shí)會(huì)扭曲變形，使用條件合適時(shí)，順捻鋼絲繩較交捻鋼絲繩壽命長(zhǎng)得多。
1.4　按鋼絲繩的繩芯材質(zhì)分類(lèi)
　　繩芯的作用是增加鋼絲繩的柔軟性，它并可吸收作用于鋼絲繩上的張力和接觸壓力的沖擊，還能含油，使鋼絲繩在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)中得到潤(rùn)滑。
　　可分為金屬繩芯和麻繩芯兩大類(lèi)。麻繩芯一般用黃麻、西沙爾麻、馬尼拉麻等天然纖維和聚丙稀等合成纖維。
1.5　按鋼絲加工的工藝分類(lèi)
　　用鍍鋅鋼絲捻成的繩，叫鍍鋅鋼絲繩，它主要是耐酸、耐堿、耐腐蝕性強(qiáng)。用光面鋼絲捻成的繩，即是一般的普通鋼絲繩。
1.6　按鋼絲的韌性分類(lèi)
　　鋼絲的韌性分為特號(hào)、Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)三種，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：專(zhuān)為升降人員用的以及升降人員和物料用的，不得低于特號(hào)鋼絲的韌性標(biāo)準(zhǔn)；專(zhuān)為升降物料和平衡用的，不得低于Ⅰ號(hào)鋼絲的韌性標(biāo)準(zhǔn)。

2　鋼絲繩的選擇
　　鋼絲繩的選擇和計(jì)算，主要是必須滿足現(xiàn)行安全規(guī)程的要求，如升降人員和提升物料用的鋼絲繩，對(duì)鋼絲韌性的要求，以及各種提升，懸吊設(shè)備的安全系數(shù)要求等。這在規(guī)程中都有明確規(guī)定，為縮減篇幅，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下。
　　(1)當(dāng)井筒淋水較大，酸、堿度較高，或用在回風(fēng)井的提升鋼絲繩，應(yīng)選用鍍鋅鋼絲繩。例如，某礦井的井筒淋水較大，且呈酸性。在生產(chǎn)中使用光面鋼絲和鍍鋅鋼絲的兩種鋼絲繩，使用情況見(jiàn)表1。實(shí)踐表明，鍍鋅鋼絲繩的壽命約為普通鋼絲繩的3倍。

表1　鍍鋅鋼絲繩和普通光面鋼絲繩使用情況比較

鋼絲繩結(jié)構(gòu) 繩徑(mm) 使用時(shí)間(月) 備注 6△(30)光面鋼絲繩 21 8 6△(24)光面鋼絲繩 21 8 6△(24)鍍鋅鋼絲繩 21 27 　　(2)一般大多數(shù)礦井立井提升都采用圓股鋼絲繩，而從鋼絲繩受力狀態(tài)分析，并經(jīng)生產(chǎn)證實(shí)，順捻鋼絲繩的使用壽命要大于交捻鋼絲繩；因?yàn)轫樐礓摻z繩耐磨面積大，它的耐磨性能，抗疲勞性能，都較交捻繩強(qiáng)，根據(jù)資料比較見(jiàn)表2。

表2　順捻和交捻鋼絲繩的使用壽命比較

鋼絲繩結(jié)構(gòu) 繩徑(mm) 使用壽命(月) 提升量(噸) 備注 6×19順捻 46.5 12.0 818256 根據(jù)同一臺(tái)絞車(chē)上使用的鋼絲繩整理 6×19順捻 46.5 14.0 881948 6×19順捻 46.5 12.0 737232 6×19交捻 46.5 6.5 324533 6×19交捻 46.5 7.0 424966 6×19交捻 46.5 6.0 311635
　　(3)斜井提升使用鋼絲繩主要是考慮磨損問(wèn)題，應(yīng)選用耐磨損的鋼絲繩，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)使用經(jīng)驗(yàn)，粗絲的鋼絲繩較細(xì)絲的鋼絲繩使用壽命長(zhǎng)，三角股鋼絲繩較圓股鋼絲繩使用壽命長(zhǎng)，因三角股鋼絲繩，每根繩股的外層鋼絲較粗，它們的使用壽命，分別見(jiàn)表3和表4。

表3　斜井使用6×7和6×19圓股鋼絲繩使用壽命比較

鋼絲繩結(jié)構(gòu) 繩徑
(mm) 使用壽命
(月) 年鋼材消耗
(kg) 每根繩長(zhǎng)
(M) 備　注 6×7 32 11 3820 1000 根據(jù)礦井實(shí)際使用資料整理 6×19 31 6 6200 1000 6×7 32 16 1850 700 6×19 31 10 2600 700

表4　斜井使用三角股鋼絲繩和圓股鋼絲繩使用壽命比較

鋼絲繩結(jié)構(gòu) 繩徑
(mm) 使用壽命
(天) 提升次數(shù)
(次) 備　注 6×7圓股鋼絲繩 33 232 27900 同一臺(tái)絞車(chē)實(shí)際 6△(19)三角股鋼絲繩 33 438 39026 使用情況　　　
　　(4)現(xiàn)在設(shè)計(jì)和建設(shè)新井中，廣泛采用鋼絲繩罐道，選用密封型鋼絲繩作繩罐道是最合理的，它比普通圓股鋼絲繩有較長(zhǎng)的壽命。如焦作礦務(wù)局李封煤礦使用密封型鋼絲繩作繩罐道。于1920年投產(chǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)50多年，使用情況良好。
　　(5)關(guān)于鋼絲繩捻向的選擇
　　在豎井多繩絞車(chē)提升中，為消除鋼絲繩扭轉(zhuǎn)對(duì)提升容器的影響，應(yīng)采用一半左捻和一半右捻的鋼絲繩。
　　鋼絲繩在絞車(chē)?yán)K筒上纏繞方向，對(duì)鋼絲繩的捻向也有一定的要求，不正確的捻向選擇，將導(dǎo)致鋼絲繩受力情況惡化^{［3］～［4］}。

3　結(jié)語(yǔ)
　　綜上所述，各種類(lèi)型的鋼絲繩，性能各異，都各具特色。事物都是一分為二，并不是某一種鋼絲繩各方面都十全十美，只有熟習(xí)掌握各種鋼絲繩的性能，結(jié)合實(shí)際使用條件，抓住主要矛盾，正確合理的選用，才能達(dá)到延長(zhǎng)鋼絲繩的壽命，節(jié)約鋼材，提高企業(yè)效益的目的。

作者簡(jiǎn)介：李珩(1959-)，男，安徽淮北人，工程師，從事煤礦機(jī)電特殊掘進(jìn)工作。
作者單位：淮北礦業(yè)集團(tuán)工程處，安徽淮北235100

參考文獻(xiàn)：
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