钢丝绳抗旋转性能的理论分析与实验验证

2022-04-27李艳春王洪林徐亚威

中国水运 2022年4期

关键词：效果分析

李艳春王洪林徐亚威

摘要：以钢丝绳抗旋转性能的理论研究为基础，结合不同结构、品牌钢丝绳抗旋转系数实验研究，确定多层股钢丝绳是具有良好抗旋转性能的钢丝绳结构。同时提出了后续抗旋转性能检测的改进方向和目标。

关键词：碎石桩;护岸边坡;整体稳定性;效果分析

中图分类号：TD532 文獻标识码：A 文章编号：1006—7973（2022）04-0140-03

1引言

钢丝绳由于在制造过程中，存在钢丝合股、绳股合绳等特殊的捻制工艺，形成复杂的螺旋结构，使得整绳在受到轴向拉力时，会产生一定程度的散开趋势。若此时钢丝绳一端固定，另一端自由向下，钢丝绳将会转过一定的角度。这种现象通常被称为钢丝绳的旋转特性。

实际应用中，由于钢丝绳的旋转特性可能导致出现打大角度的偏转甚至打结，这将会影响设备的正常使用。尤其对一些大型设备，只能采用重新安装甚至更换钢丝绳来解决问题，因此具有良好抗旋转性能钢丝绳的应用就显得尤为重要。

2钢丝绳抗旋转性能理论研究

钢丝绳产生旋转是由于在其横截面上的扭矩力 M 的作用。为减少钢丝绳的旋转，通过特定的结构设计和工艺设计，使两个相反方向的旋转力矩达到近似平衡。因此该抗旋转钢丝绳通常也被称为微旋转钢丝绳。

2.1钢丝绳抗旋转性能的数学原理

根据材料力学理论，杆件受拉伸和扭转时关于变形的两个独立方程：

式中： E——杆件的弹性模量;ε——变形量（应变）;——抗扭刚度; B——单位长度的扭转刚度;Ψ——当截面间距为 l，各截面扭矩相等时的扭转角。

上述变形方程可以作为钢丝绳承受拉伸载荷时的基本受力情况。

仅用来简要分析钢丝绳的旋转情况可知，旋转角度Ψ与扭转力矩 M 及钢丝绳的悬挂长度 l 均为正比的关系;当扭转力矩 M=0时，旋转角度Ψ=0，此时钢丝绳处于不旋转状态。

但是，钢丝绳中的绳股和钢丝是呈圆柱螺旋线状态，当受到负载作用时，拉伸和扭转同时存在并且相互影响。因此，其变形应同时满足下列方程：

当 C=0时，钢丝绳的变形与杆件的变形等价。同时，当 C=0， M=0时，钢丝绳才不会旋转。C 是钢丝绳受拉和受扭的相互影响变形系数，实际上是钢丝绳的抗旋转系数。

2.1.1单层股钢丝绳抗旋转的数学原理

具有纤维芯的单层股钢丝绳，其影响系数 C 可以用如下式子表达：

考虑钢丝绳捻角α在通常在10°～20°之间，因此上式中舍去 sinα二次以上因式，近似得到：

式中： n——钢丝绳中股的数目; E0——单根股绳的纵向刚度; r0——股层的捻制圆半径; C0——单根股的影响系数;α——钢丝绳的捻角。

当钢丝绳为交互捻时， C0为负值;同向捻时， C0取正值。

单层股钢丝绳为了满足 M=0不旋转条件，一般采用交互捻，且 C=0，那么：

而刚度系数 C0可近似地表示为：

且

式中：β——股的捻角;ni——股中钢丝根数; ri——股中各钢丝层的捻制半径。

将2.7、2.8代入2.6中，得：

对于式2.9，由于，所以β>α，即股的捻角应大于绳的捻角，绳的捻距相应地大于股的捻距，这样才能达到不旋转。因此，单层股抗旋转钢丝绳中，应该缩小股的捻距，增大绳的捻距，并尽量减少股数，将股制成异形股，以便增大股的力矩之和来抵消绳的力矩，满足不旋转的要求。

2.1.2多层股钢丝绳抗旋转的数学原理

在单层股抗旋转的数学原理基础上，对于多层股钢丝绳，某一股层的刚度系数表示如下：

式中：ni——该层股的股数; Ei——钢丝的弹性模量（各层均相同）; Fi——该层股中的单根股的截面积; Ri——该股层的捻制圆半径;αi——股在绳中的捻角。

对于两层股钢丝绳的不旋转条件：

要使 M=0，其相邻层股的捻向应相反，所以：

或

式中：S1——内层股的横截面积， S2——外层股的横截面积。

且

如果两层股在绳中捻角相等，即α1=α2，则有

2.2钢丝绳抗旋转性能的结构研究

理论上，不同类别钢丝绳均能通过结构参数或制作工艺的专门设计，形成具有一定抗旋转性能的产品。按照钢丝绳的结构组成，抗旋转钢丝绳可分为单层股结构和多层股结构。

（1）单层股抗旋转钢丝绳。单层股抗旋转能力十分有限，而且由于其特殊的结构组成，无论是最初的圆股结构还是改良后的压实股结构，其疲劳寿命较低的问题并未得到根本解决。因此，目前欧洲企业对单层股抗旋转钢丝绳的使用十分谨慎。

（2）多层股抗旋转钢丝绳。多层股抗旋转钢丝绳包括2层股抗旋转钢丝绳和3层股抗旋转钢丝绳。对于圆股多层股钢丝绳而言，由于钢丝绳外层股数相差很多，在相同条件下，内层绳的扭转力矩之和与外层绳的扭转力矩之和难以相互抵消，因此必须通过其他条件来达到不旋转的性能。

传统2层股钢丝绳为外层股11-12根2次合绳结构，该结构钢丝绳并不具有良好的抗旋转性能。因此为了改善抗旋转性能，逐渐发展出外层股数为15-18根的2层股抗旋转钢丝绳。早期3层股抗旋转钢丝绳多采用外层股17-18根3次合绳结构，其抗旋转性能较2层股抗旋转钢丝绳有明显改善，但仍然有许多不足之处。为了提高其抗旋转性能，通过试验结果对比发现，在组绳股数相同的情况下，3层股2次合绳比3次合绳在抗旋转性能和破断拉力上均有所提高。因此，3层股2次合绳结构逐渐成为3层股抗旋转钢丝绳的主流结构。

3钢丝绳抗旋转性能实验研究

3.1实验原理说明

通过前面的分析可知，钢丝绳的抗旋转性能可以通过刚度系数 C 进行表征，而刚度系数值只与钢丝绳的结构参数有关。对于承受拉伸载荷的钢丝绳，其扭转力矩可以表达为：

那么钢丝绳抗旋转系数：

其中： M—钢丝绳扭转力矩， S—钢丝绳张力， d—钢丝绳公称直径。

事实上，关于钢丝绳抗旋转性能的测定，目前主要有《ISO 21669 Steel wire ropes—Determination of rotational properties》和《GB/T 31979-2015钢丝绳—旋转性能测定方法》两项标准。跟国际标准相比，国家标准中增加的测定方法中检测设备的专业化程度更高，操作更加便捷，便于连续、多次检测操作，而检测精度更高、检测数据更加全面。这种检测方法的主要步骤如下：

（1）将钢丝绳试样安装在钢丝绳固定装置上;

（2）测量钢丝绳试样的自由长度，并确定角度测量装置的基准点;

（3）由加载测量装置对钢丝绳试样施加试验力至钢丝绳最小破断拉力的20%，并保持稳定;

（4）施加力期间应保持钢丝绳试样的固定端和自由端均不产生旋转;

（5）通过扭矩测量仪器测量并记录钢丝绳试样产生的扭矩;

（6）解除自由端设置的旋转约束装置，钢丝绳试样自由旋转，通过角度测量装置测量并记录钢丝绳扭矩为零时的旋转角度;

（7）在解除自由端设置的旋转约束装置后，钢丝绳试样旋转过程中应保持所规定的力不变;

（8）最终记录的旋转角度应是扭矩值为零时的旋转角度。

检测方案图如图1所示：

其中：

1-加载测力裝置;5-钢丝绳固定装置 b;2-固定端楔块; 6-角度测量装置;

3-扭矩测量仪器;7-自由端楔块; 4-钢丝绳固定装置 a;8-阻选装装置;