礦井提升鋼絲繩整繩破斷試驗方法研究

曾懷靈

(1.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012；2.金屬礦山安全技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012)

0 引言

鋼絲繩是由高強度的鋼絲編繞制成，具有承載能力強、自重輕、彈性好、工作平穩可靠等優點，廣泛應用于礦山、冶金、高層建筑、交通運輸、港口等各個領域。在礦井提升中，提升機屬于礦井設備的四大件之一，鋼絲繩是關鍵部件，其質量與安全系數特別重要，在礦井的安全生產中占有很重要的地位，直接關系到礦井能否正常生產以及人員的生命安全[1]。為了確保礦井提升安全，國家、煤炭行業以及安全生產行業都出臺了礦用鋼絲繩相關的標準和規范，如GB/T 33955-2017《礦井提升用鋼絲繩》[2]、AQ 2026-2010《金屬非金屬礦山提升鋼絲繩檢驗規范》[3]、MT/T 716-2019《煤礦重要用途鋼絲繩驗收技術條件》[4]等。而鋼絲繩整繩破斷拉伸試驗是考核鋼絲繩股和合繩質量的重要手段，是拆股鋼絲拉、彎、扭的力學性能試驗所不能代替的。單絲拉力試驗計算出的單絲破斷拉力總和往往大于整繩破斷拉力值，而整繩破斷拉力值的大小其實更符合實際使用的情況。AQ 2026-2010《金屬非金屬礦山提升鋼絲繩檢驗規范》規定：新鋼絲繩的破斷拉力檢驗應優先采用整繩破斷拉力的方法檢驗和考核。MT/T 716-2019《煤礦重要用途鋼絲繩驗收技術條件》規定：仲裁試驗時，鋼絲繩破斷拉力應規定為鋼絲繩最小拉力。因此，為保證礦井提升安全，對礦井提升鋼絲繩進行整繩破斷拉力試驗具有特別重要的意義[5]。

本文在礦井提升鋼絲繩檢測檢驗實踐基礎上，通過對GB/T 8358-2014《鋼絲繩 實際破斷拉力測定方法》[6]中鋼絲繩整繩破斷拉伸試驗方法的分析比較，探索出了一種改進的礦用提升鋼絲繩整繩破斷拉力試驗方法——巴士合金澆注法。

1 鋼絲繩整繩破斷試驗方法

目前，對礦用鋼絲繩進行整繩破斷拉力試驗，國際上多采用ISO 3108:1974[7]規定的方法，我國多采用GB/T 8358-2014《鋼絲繩 實際破斷拉力測定方法》[6]規定的方法。

鋼絲繩整繩破斷拉力試驗是對鋼絲繩試樣施加拉力，拉伸至鋼絲繩斷裂，測定鋼絲繩的實際破斷拉力，或者試驗至規定拉力值[8]。

鋼絲繩整繩破斷拉力試驗方法主要有合金澆注法、樹脂澆注法、套管壓制法、纏繞法和直接夾持法5種方法。GB/T 8358-2014規定：合金澆注法適用于鋼絲繩直徑不小于6 mm或鋼絲直徑不小于0.5 mm的鋼絲繩；樹脂澆注法和套管壓制法適用于所有類型的鋼絲繩；直接夾持法適用于單股鋼絲繩，也適用于其他結構的鋼絲繩；纏繞法適用于直徑不大于20 mm的鋼絲繩。但無論采用哪種方法，鋼絲繩試樣制備既要滿足標準通用要求，還要滿足其特殊要求。

1.1 合金澆注法

合金澆注法是將試樣兩端捆扎后，端部鋼絲散開、清洗干凈，再用低熔點的熔融合金澆注，冷卻至常溫后，在拉力試驗機上進行拉伸試驗的方法[8]。此方法要求試樣兩端頭制成帚頭狀，對于纖維芯鋼絲繩應將纖維芯切至捆扎處；可對打散裸露的鋼絲彎曲成鉤型，但不能對其進行校直；可清除帚頭鋼絲表面油污，也可沾浸少量助鍍劑，但不得損傷鋼絲表面；可用鉛錫合金或其他低熔點合金澆注成圓錐體，但不能改變鋼絲性能。制備后的鋼絲繩試樣如圖1所示。本方法對粗直徑、可纏繞性差的鋼絲繩非常適用，并且澆注合金可重復使用，試驗成本較低。但合金澆注法也存在操作過程復雜、影響因素多、成功率不高等缺點。

圖1 澆注法鋼絲繩試樣

1.2 樹脂澆注法

樹脂澆注法是將試樣兩端捆扎后端部散開、清洗干凈后，用樹脂澆注，待樹脂充分固結后，在拉力試驗機上進行拉伸試驗的方法[8]。試樣在捆扎、頭端部打散以及表面清洗與合金澆注法一樣，僅是澆注的介質為調制好的樹脂混合液。采用樹脂澆注法進行整繩破斷試驗是英國、日本、南非等國家常采用的方法，在國內僅有少部分鋼絲繩廠家采用[8]。這主要是因為樹脂澆注需要有專用的索節，澆注用樹脂不能重復使用，并且多為進口樹脂，價格較高。

1.3 套管壓制法

套管壓制法是將試樣兩端頭裝上合適的金屬套管，用壓力機壓制牢固，然后在拉力試驗機上進行整繩破斷拉伸試驗的方法[8]。此方法適用于所有類型的鋼絲繩，但對于纖維芯類鋼絲繩，應先將套管壓制段的纖維芯去除，并用同直徑的端部為圓錐形的鋼棒充實，再套壓。這種方法的優點在于要求試樣長度小，套壓法加工過程簡單且成本較低。但在實際試驗過程中經常出現試樣表面損傷的情況，導致破斷位置在套管頭部，較難準確地測定其真實破斷力。并且還需要根據鋼絲繩直徑用低碳鋼、鋁合金或其他材料制作不同的套管，其內壁還應有倒角。

1.4 纏繞法

纏繞法是將試樣直接纏繞在纏繞試驗輪的繩槽中進行整繩破斷拉伸試驗的方法[8]。此方法適用于直徑不大于20 mm的鋼絲繩，并且纏繞試驗輪的直徑與鋼絲繩的公稱直徑之比應不小于16，纏繞試驗輪的繩槽直徑應控制在鋼絲繩公稱直徑的1.06～1.10倍之間。鋼絲繩直徑過大，纏繞在試驗輪上較困難，不易操作，且根據鋼絲繩直徑，需要配備不同輪徑、繩槽直徑的纏繞試驗輪。纏繞法不僅有適用范圍的限制，還存在鋼絲繩纏繞固定困難、試樣長度長、工作效率不高等不足。

1.5 直接夾持法

直接夾持法是將試樣直接裝夾在拉力試驗機合適的鉗口，進行整繩破斷拉伸試驗的方法[8]。此方法是依靠鋼絲繩表面與拉力試驗機鉗口接觸面的摩擦力來進行，在試驗過程中容易夾傷鋼絲繩表面，尤其是表面層鋼絲直徑較小的鋼絲繩。直接夾持法比較適合鋼絞線及股繩等與鉗口夾具接觸面積較大、外層絲徑較粗、破斷力較小的鋼絲繩檢驗。直接夾持法雖然操作簡單，試驗周期短，但是適用范圍有限，且試驗成功率不高。

2 巴氏合金澆注法

經過多方面分析比較，選擇應用最廣泛的合金澆注法進行礦井提升鋼絲繩整繩破斷試驗方法的研究。通過查閱相關資料文獻，合金澆注法存在鋼絲拉脫、試樣斷股少、斷口較多出現在鉗口處等問題[9]。其中，導致鋼絲拉脫這種情況主要有拆頭鋼絲表面處理不干凈、澆注錐頭合金含量（或“拆頭”鋼絲長度）不夠、澆注時合金溫度太低、澆注錐頭心部未完全冷卻、合金比例失調和鋼絲拆頭不完全等六大原因[10]。

針對合金澆注法容易出現試樣從合金澆注頭中脫出的現象，結合檢測檢驗任務，對合金澆注法在試樣制備、澆注夾具和澆注合金上進行了相應的探索研究，形成了一種新型合金澆注方法，并對該方法進行了試驗效果驗證。由于礦山使用較多的是光面鋼絲繩，故本文僅對光面鋼絲繩的合金澆注法進行研究。

2.1 制樣及鋼絲表面處理

按標準[6]要求將鋼絲繩試樣兩端頭制成帚頭狀，然后對試樣鋼絲進行表面處理。光面鋼絲繩為了防銹，在捻制完成時要做浸油處理，故鋼絲表面油污比較多。因此，對光面鋼絲繩帚頭鋼絲表面采取油洗-堿洗-水洗-酸洗-浸沾助鍍劑-干燥-澆注處理。

首先利用油脂易溶于汽油和汽油易揮發的特性，對鋼絲表面用汽油進行刷洗清除油污；油洗之后，再用溫熱的一定濃度的NaOH溶液浸洗，以消除鋼絲表面硬脂酸脂油膜；再對鋼絲表面用清水沖洗掉堿性溶液，為酸洗做準備；將清洗干凈的帚頭鋼絲浸泡在一定濃度的HCl溶液里，不斷攪動鋼絲，直至鋼絲表面發黑且不出現麻點為止；然后將鋼絲浸沾在助鍍劑NH4Cl中，拿出晾干以備澆注合金。

2.2 澆注合金選擇

經過不斷探索與反復試驗比較，選用的澆注合金為錫基巴氏合金。這種合金的熔點比錫、鉛的熔點都低，因此在澆注時，只要溫度控制得當，不論是粗鋼絲，還是細鋼絲，澆注合金都不會對鋼絲產生不利的熱影響。

2.3 澆注

考慮到在澆注的過程中熔融合金的滴漏，按照鋼絲繩直徑大小分段設計了相應的澆注夾具。此夾具內孔有圓弧倒角，可以與澆注的合金圓錐體一起參與整繩破斷拉伸試驗，不會對鋼絲繩產生不利影響。

澆注所用的用具都要經過預熱烘干。澆注時，要注意隔渣，澆流要均勻，不得中斷，要一次澆注完；澆注速度要掌握好，太快易出現縮孔，太慢易出現氣泡。在澆注過程中，如發現鑄型中的合金熔液流動性能下降，可用氧-乙炔焰在澆注模背面均勻地加熱，以改善合金熔液的流動性能，避免冷隔現象產生。

2.4 試驗及其結果

利用Ф30 mm的6×37S+IWR 1570型鋼絲繩，按照上述處理要求，澆注制備如圖1所示的整繩破斷鋼絲繩試樣，放置在臥式拉力機上進行整繩破斷試驗。

最終，試驗測得鋼絲繩破斷時的最大拉力為732.5 kN。根據GB 8918-2006，鋼絲繩的最小破斷拉力為503.03 kN。

因此，測得的鋼絲繩整繩破斷拉力符合要求。

3 結論

通過對礦井提升鋼絲繩整繩破斷5種常用的試驗方法進行分析和比較，選擇應用最廣泛的合金澆注法展開探索研究，根據GB/T 8358-2014對鋼絲繩整繩破斷試驗的要求，探索出了一種利用巴氏合金進行澆注制樣的方法，解決了礦井提升鋼絲繩整繩破斷拉力測定的問題，并通過試驗驗證了該試驗方法的可靠性。