鋼絲繩抗旋轉性能的理論分析與實驗驗證

李艷春 王洪林 徐亞威

摘要：以鋼絲繩抗旋轉性能的理論研究為基礎，結合不同結構、品牌鋼絲繩抗旋轉系數實驗研究，確定多層股鋼絲繩是具有良好抗旋轉性能的鋼絲繩結構。同時提出了后續抗旋轉性能檢測的改進方向和目標。

關鍵詞：碎石樁;護岸邊坡;整體穩定性;效果分析

中圖分類號：TD532 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）04-0140-03

1引言

鋼絲繩由于在制造過程中，存在鋼絲合股、繩股合繩等特殊的捻制工藝，形成復雜的螺旋結構，使得整繩在受到軸向拉力時，會產生一定程度的散開趨勢。若此時鋼絲繩一端固定，另一端自由向下，鋼絲繩將會轉過一定的角度。這種現象通常被稱為鋼絲繩的旋轉特性。

實際應用中，由于鋼絲繩的旋轉特性可能導致出現打大角度的偏轉甚至打結，這將會影響設備的正常使用。尤其對一些大型設備，只能采用重新安裝甚至更換鋼絲繩來解決問題，因此具有良好抗旋轉性能鋼絲繩的應用就顯得尤為重要。

2鋼絲繩抗旋轉性能理論研究

鋼絲繩產生旋轉是由于在其橫截面上的扭矩力 M 的作用。為減少鋼絲繩的旋轉，通過特定的結構設計和工藝設計，使兩個相反方向的旋轉力矩達到近似平衡。因此該抗旋轉鋼絲繩通常也被稱為微旋轉鋼絲繩。

2.1鋼絲繩抗旋轉性能的數學原理

根據材料力學理論，桿件受拉伸和扭轉時關于變形的兩個獨立方程：

式中： E——桿件的彈性模量;ε——變形量（應變）;——抗扭剛度; B——單位長度的扭轉剛度;Ψ——當截面間距為 l，各截面扭矩相等時的扭轉角。

上述變形方程可以作為鋼絲繩承受拉伸載荷時的基本受力情況。

僅用來簡要分析鋼絲繩的旋轉情況可知，旋轉角度Ψ與扭轉力矩 M 及鋼絲繩的懸掛長度 l 均為正比的關系;當扭轉力矩 M=0時，旋轉角度Ψ=0，此時鋼絲繩處于不旋轉狀態。

但是，鋼絲繩中的繩股和鋼絲是呈圓柱螺旋線狀態，當受到負載作用時，拉伸和扭轉同時存在并且相互影響。因此，其變形應同時滿足下列方程：

當 C=0時，鋼絲繩的變形與桿件的變形等價。同時，當 C=0， M=0時，鋼絲繩才不會旋轉。C 是鋼絲繩受拉和受扭的相互影響變形系數，實際上是鋼絲繩的抗旋轉系數。

2.1.1單層股鋼絲繩抗旋轉的數學原理

具有纖維芯的單層股鋼絲繩，其影響系數 C 可以用如下式子表達：

考慮鋼絲繩捻角α在通常在10°～20°之間，因此上式中舍去 sinα二次以上因式，近似得到：

式中： n——鋼絲繩中股的數目; E0——單根股繩的縱向剛度; r0——股層的捻制圓半徑; C0——單根股的影響系數;α——鋼絲繩的捻角。

當鋼絲繩為交互捻時， C0為負值;同向捻時， C0取正值。

單層股鋼絲繩為了滿足 M=0不旋轉條件，一般采用交互捻，且 C=0，那么：

而剛度系數 C0可近似地表示為：

且

式中：β——股的捻角;ni——股中鋼絲根數; ri——股中各鋼絲層的捻制半徑。

將2.7、2.8代入2.6中，得：

對于式2.9，由于，所以β>α，即股的捻角應大于繩的捻角，繩的捻距相應地大于股的捻距，這樣才能達到不旋轉。因此，單層股抗旋轉鋼絲繩中，應該縮小股的捻距，增大繩的捻距，并盡量減少股數，將股制成異形股，以便增大股的力矩之和來抵消繩的力矩，滿足不旋轉的要求。

2.1.2多層股鋼絲繩抗旋轉的數學原理

在單層股抗旋轉的數學原理基礎上，對于多層股鋼絲繩，某一股層的剛度系數表示如下：

式中：ni——該層股的股數; Ei——鋼絲的彈性模量（各層均相同）; Fi——該層股中的單根股的截面積; Ri——該股層的捻制圓半徑;αi——股在繩中的捻角。

對于兩層股鋼絲繩的不旋轉條件：

要使 M=0，其相鄰層股的捻向應相反，所以：

或

式中：S1——內層股的橫截面積， S2——外層股的橫截面積。

且

如果兩層股在繩中捻角相等，即α1=α2，則有

2.2鋼絲繩抗旋轉性能的結構研究

理論上，不同類別鋼絲繩均能通過結構參數或制作工藝的專門設計，形成具有一定抗旋轉性能的產品。按照鋼絲繩的結構組成，抗旋轉鋼絲繩可分為單層股結構和多層股結構。

（1）單層股抗旋轉鋼絲繩。單層股抗旋轉能力十分有限，而且由于其特殊的結構組成，無論是最初的圓股結構還是改良后的壓實股結構，其疲勞壽命較低的問題并未得到根本解決。因此，目前歐洲企業對單層股抗旋轉鋼絲繩的使用十分謹慎。

（2）多層股抗旋轉鋼絲繩。多層股抗旋轉鋼絲繩包括2層股抗旋轉鋼絲繩和3層股抗旋轉鋼絲繩。對于圓股多層股鋼絲繩而言，由于鋼絲繩外層股數相差很多，在相同條件下，內層繩的扭轉力矩之和與外層繩的扭轉力矩之和難以相互抵消，因此必須通過其他條件來達到不旋轉的性能。

傳統2層股鋼絲繩為外層股11-12根2次合繩結構，該結構鋼絲繩并不具有良好的抗旋轉性能。因此為了改善抗旋轉性能，逐漸發展出外層股數為15-18根的2層股抗旋轉鋼絲繩。早期3層股抗旋轉鋼絲繩多采用外層股17-18根3次合繩結構，其抗旋轉性能較2層股抗旋轉鋼絲繩有明顯改善，但仍然有許多不足之處。為了提高其抗旋轉性能，通過試驗結果對比發現，在組繩股數相同的情況下，3層股2次合繩比3次合繩在抗旋轉性能和破斷拉力上均有所提高。因此，3層股2次合繩結構逐漸成為3層股抗旋轉鋼絲繩的主流結構。

3鋼絲繩抗旋轉性能實驗研究

3.1實驗原理說明

通過前面的分析可知，鋼絲繩的抗旋轉性能可以通過剛度系數 C 進行表征，而剛度系數值只與鋼絲繩的結構參數有關。對于承受拉伸載荷的鋼絲繩，其扭轉力矩可以表達為：

那么鋼絲繩抗旋轉系數：

其中： M—鋼絲繩扭轉力矩， S—鋼絲繩張力， d—鋼絲繩公稱直徑。

事實上，關于鋼絲繩抗旋轉性能的測定，目前主要有《ISO 21669 Steel wire ropes—Determination of rotational properties》和《GB/T 31979-2015鋼絲繩—旋轉性能測定方法》兩項標準。跟國際標準相比，國家標準中增加的測定方法中檢測設備的專業化程度更高，操作更加便捷，便于連續、多次檢測操作，而檢測精度更高、檢測數據更加全面。這種檢測方法的主要步驟如下：

（1）將鋼絲繩試樣安裝在鋼絲繩固定裝置上;

（2）測量鋼絲繩試樣的自由長度，并確定角度測量裝置的基準點;

（3）由加載測量裝置對鋼絲繩試樣施加試驗力至鋼絲繩最小破斷拉力的20%，并保持穩定;

（4）施加力期間應保持鋼絲繩試樣的固定端和自由端均不產生旋轉;

（5）通過扭矩測量儀器測量并記錄鋼絲繩試樣產生的扭矩;

（6）解除自由端設置的旋轉約束裝置，鋼絲繩試樣自由旋轉，通過角度測量裝置測量并記錄鋼絲繩扭矩為零時的旋轉角度;

（7）在解除自由端設置的旋轉約束裝置后，鋼絲繩試樣旋轉過程中應保持所規定的力不變;

（8）最終記錄的旋轉角度應是扭矩值為零時的旋轉角度。

檢測方案圖如圖1所示：

其中：

1-加載測力裝置;5-鋼絲繩固定裝置 b;2-固定端楔塊; 6-角度測量裝置;

3-扭矩測量儀器;7-自由端楔塊; 4-鋼絲繩固定裝置 a;8-阻選裝裝置;

3.2鋼絲繩抗旋轉性能實驗

3.2.1實驗設備及實驗內容

根據國家標準的實驗方法，一臺立式安裝的鋼絲繩抗旋轉性能試驗機包括100T 液壓主機、1200 NM 扭矩輸出及傳動系統、兩套萬能型測控系統、計算機、數據處理軟件以及各種附件等組成。

根據國家標準的實驗方法，該實驗過程如下：

（1）選取6根3m 長的鋼絲繩，并按照試驗機安裝接口對鋼絲繩兩端進行澆注;實驗選取的鋼絲繩信息

如表1：

（2）主機液壓缸加載至指定力張力值，加載速率不高于1kN/s，并在到達規定的張拉力矩后，記錄相應的扭矩值

3.2.2實驗結果

根據上述試驗步驟，通過對比不同品牌、相同品牌不同結構的鋼絲繩在相同的拉力條件下產生的扭轉力矩，得到抗扭轉系數，對比扭矩值的大小。試驗結果如表2所示：

3.3實驗結果分析

通過上述實驗結果不難看出：

（1）單層股鋼絲繩扭矩值均顯著高于三層股鋼絲繩，說明單層股鋼絲繩難以獲得較好的抗旋轉性能;

（2）國外品牌鋼絲繩抗扭轉性能領先于國內，說明鋼絲繩的設計和制作工藝能夠直接影響鋼絲繩的抗旋轉性能。

4結語

通過上述理論分析及試驗驗證，多層股鋼絲繩是抗扭轉性能方面有明顯的優勢。但是檢測設備的精度對實驗結果存在較大的影響，而且抗扭轉系數缺少公認的數值，這也是后續試驗檢測需要解決的問題。

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