信息摘要：
很早以前，人們就開始使用金屬絲搓捻的繩索，最初用在礦山作提升索。第一根鋼絲繩，是在1834年由德國人奧魯勃特用手工搓捻的，由3股組成，每股僅4根鋼絲，鋼絲的強(qiáng)度極限為400
很早以前，人們就開始使用金屬絲搓捻的繩索，最初用在礦山作提升索。第一根鋼絲繩，是在1834年由德國人奧魯勃特用手工搓捻的，由3股組成，每股僅4根鋼絲，鋼絲的強(qiáng)度極限為400~500MPa。當(dāng)時(shí)盡管結(jié)構(gòu)最簡單，壽命短，但能滿足撓性傳動的需要。因此，在許多場合很快就取代了有機(jī)物繩索和金屬鏈條。后來由于礦山工業(yè)的發(fā)展，要求鋼絲繩有更高的強(qiáng)度和壽命，于是逐步采用含碳量較高的鋼材料來拉制鋼絲。隨后又出現(xiàn)了“鉛淬火”熱處理新工藝，使制繩鋼絲的質(zhì)量不斷得到改善，在一定程度上滿足了礦山工業(yè)發(fā)展的需要。在鋼絲繩結(jié)構(gòu)發(fā)展過程中，最早使用的是6股、每股7絲（6×7）鋼絲繩。因鋼絲較粗，耐磨損、耐銹蝕能力強(qiáng)，很適合用于牽引。后來由于新型起重機(jī)械的出現(xiàn)，要求有較高的繩速，較小的滑輪。為了滿足要求采用增加絲數(shù)、減小絲徑來提高鋼絲繩的韌性和強(qiáng)度，而出現(xiàn)了6×19和6×37。其結(jié)構(gòu)形式是采用相同絲徑、不同捻距來捻制，構(gòu)成點(diǎn)接觸股鋼絲繩，稱為非平行捻股鋼絲繩。在使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)點(diǎn)接觸股鋼絲繩易產(chǎn)生疲勞斷絲，使用壽命短。隨著礦山工業(yè)及起重運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，對鋼絲繩提出了更高的要求，于是又出現(xiàn)了用不同絲徑、相同捻距來捻制構(gòu)成的線接觸股，稱為平行捻股鋼絲繩。國外從20世紀(jì)50年代初開始生產(chǎn)單一的西魯式（S）、瓦林吞式（W）、填充式（F），我國是從60年代開始生產(chǎn)。與點(diǎn)接觸股比，具有耐彎曲疲勞性能好、結(jié)構(gòu)緊密、破斷力大、壽命較長等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛使用。經(jīng)過不斷完善和改進(jìn)，后來又出現(xiàn)了以WS和下S為基本型的二元組合式。為某些重要用途的需要，又發(fā)展了F:WS三元組合式。線接觸股鋼絲繩的普遍使用，使得點(diǎn)接觸股鋼絲繩逐漸被取代。
采用平行捻加工方法，可以獲得結(jié)構(gòu)緊密，破斷拉力提高等優(yōu)點(diǎn)。對于單層般鋼絲繩，也可以將繩式芯中的股與繩中的外層股之間，按S、W、F；及WS形式來配比和排列，構(gòu)成全線接觸的滿充式鋼絲繩，又稱為平行捻鋼絲繩。由于結(jié)構(gòu)緊密、破斷拉力大，廣泛使用于礦山電鏟。
為了綜合點(diǎn)接觸與線接觸的結(jié)構(gòu)及捻制加工特點(diǎn)，點(diǎn)一線接觸股與點(diǎn)-線接觸鋼絲繩得到了應(yīng)用。在點(diǎn)一線接觸股中，利用不同捻向、匹配不同的捻角、絲徑和絲數(shù)，來達(dá)到各鋼絲層的扭矩平衡，構(gòu)成具有穩(wěn)定股的單層不扭轉(zhuǎn)鋼絲繩。在點(diǎn)一線接觸多層股鋼絲繩中，變換股層捻向、匹配捻角、股徑及股數(shù)，來達(dá)到各股層的扭矩平衡。
通過改變繩內(nèi)鋼絲的接觸狀態(tài)獲得了好處，使人們想到再提高一步，于是出現(xiàn)了對線接觸股進(jìn)行壓實(shí)加工使其成為面接觸股，稱為壓實(shí)股鋼絲繩。與線接觸股比，結(jié)構(gòu)更加緊密，破斷拉力大，接觸應(yīng)力減小，表面光滑，耐磨性能提高。壓實(shí)加工其方法有：模體拉拔、輥模拉拔、軋制和鍛打。采用鍛打法不僅能生產(chǎn)壓實(shí)股，還可以通過對整繩經(jīng)過連續(xù)鍛打，加工成壓實(shí)鋼絲繩。與壓實(shí)股鋼絲繩相比，金屬斷面系數(shù)、破斷拉力都有所提高，尤其繩表面光滑平整，很適合要求耐磨損耐擠壓的繩軌道。但由于鍛打后繩內(nèi)變形不均，剛性加大，彎曲疲勞性能降低。
為提高鋼絲繩的結(jié)構(gòu)性能和使用性能，滿足各種使用場合需要，將線接觸股與壓實(shí)股進(jìn)行優(yōu)化組合，將壓實(shí)股排列在外層，優(yōu)勢互補(bǔ)，在國外得到了廣泛應(yīng)用。
為了改善鋼絲繩與滑輪（或繩輪）繩槽的接觸條件，增加支撐表面，減小接觸應(yīng)力，而導(dǎo)致異形股鋼絲繩的生產(chǎn)，有三角股和橢圓股。我國目前生產(chǎn)和使用較多的是三角股鋼絲繩，多為點(diǎn)接觸但也有線接觸。國外有向面接觸三角股發(fā)展的趨勢。
由上述可見，鋼絲繩股內(nèi)鋼絲之間的接觸狀態(tài)是按點(diǎn)、線、面的順序發(fā)展而來的；股的形狀由圓形發(fā)展為異形，而鋼絲繩的最佳結(jié)構(gòu)將是兩者之間的優(yōu)化組合。
為了擴(kuò)大使用范圍，提高鋼絲繩使用壽命，涂（填）塑新結(jié)構(gòu)、新工藝得到了迅速發(fā)展。通過對繩本身及各螺旋元（鋼絲、股、繩芯）表面涂塑包覆，或者是對各螺旋元之間的空隙進(jìn)行填塑，以阻止有害介質(zhì)的侵蝕，提高抗腐蝕能力。這些涂覆層或充填物，一方面，可以改善鋼絲層或股層之間的接觸狀態(tài)，減輕摩擦，提高耐磨性能；另一方面，在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，可以起到緩沖作用。這類鋼絲繩我國還處于起步發(fā)展階段。
從材料力學(xué)中知道，在桿件受拉伸與扭轉(zhuǎn)時(shí)，力與變形之間的關(guān)系用兩個(gè)獨(dú)立靜力方程來表示。提升鋼絲繩承載受拉時(shí)伴隨有扭轉(zhuǎn)，因此，抗伸靜力方程與扭轉(zhuǎn)靜力方程共存。鋼絲繩乃是一個(gè)復(fù)雜的靜不定桿件系，M.）.格盧什科根據(jù)用于細(xì)長桿件的基爾赫哥夫方程，第一個(gè)運(yùn)用建筑力學(xué)方法導(dǎo)出了拉伸與扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合方程：
式中，A、B、C為鋼絲繩的綜合剛度系數(shù)；u，v為鋼絲繩的縱向位移和角位移T、M為鋼絲繩承受的軸向拉力和扭轉(zhuǎn)力矩；x為懸垂鋼絲繩軸線坐標(biāo)。從聯(lián)合方程看出，拉伸與扭轉(zhuǎn)是互相影響的，承載時(shí)的拉伸引起扭轉(zhuǎn)，而扭轉(zhuǎn)反過來又影響縱向變形。松捻扭轉(zhuǎn)u增加（捻距加長），或者是緊捻扭轉(zhuǎn).減小（捻距縮短），影響程度的大小決定于系數(shù)C。這就是直線鋼絲繩的靜力學(xué)原理，從根本上改變了關(guān)于鋼絲繩內(nèi)力狀態(tài)的看法。
系數(shù)C實(shí)際上也是剛度系數(shù)，它與各鋼絲層或股層之間的捻向及捻角有關(guān)，適當(dāng)選取各層之間的不同捻向和捻角，可以使得C=0，這種鋼絲繩扭轉(zhuǎn)很小。
這就是不扭轉(zhuǎn)鋼絲繩構(gòu)成的基本理論。
鋼絲繩在卷筒或繩輪上彎曲時(shí)的應(yīng)力計(jì)算，最早是烈洛公式：
在直線段與彎曲段之間的過渡段，因鋼絲繩軸線的曲率是變化的（由零變化到1/R），每根鋼絲獲得不等的附加軸向位移，而由此帶來附加軸向拉力。根據(jù)研究分析，在纏人點(diǎn)（彎曲段與過渡段的分界點(diǎn)）位置，附加軸向拉力最大。隨著往直線段過渡逐漸減小，在某一位置由于摩擦力的作用，減至為零。要精確計(jì)算是很困難的，在C.T.謝爾益耶夫的著作中，提出了在確定鋼絲繩中任一鋼絲的最大附加軸向拉力時(shí)，可按簡化公式計(jì)算：
式中，P，為最小鋼絲破斷拉力總和；T為鋼絲繩承受的最大靜拉力；m為安全系數(shù)。靜力安全系數(shù)法完全沒有考慮鋼絲繩結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以及鋼絲繩中實(shí)際應(yīng)力的分布狀態(tài)，是帶有假定性質(zhì)的。一般來說，在同一個(gè)使用工況下，不同結(jié)構(gòu)鋼絲繩具有不同的使用期限，對它們規(guī)定為同一個(gè)安全系數(shù)是不確切的。按假定的安全系數(shù)來選擇鋼絲繩沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，早就希望在工程技術(shù)中，有較完善的提升鋼絲繩力學(xué)原理和強(qiáng)度理論，這種理論不僅用于提升鋼絲繩選擇計(jì)算，而且對于進(jìn)一步完善鋼絲繩結(jié)構(gòu)都是需要的。
提升鋼絲繩承載受拉時(shí)伴隨有扭轉(zhuǎn)，由于扭轉(zhuǎn)使得各股層或鋼絲層之間的內(nèi)力重新分布，造成某些鋼絲過載提前破斷，從而縮短鋼絲繩服務(wù)期限。為了充分利用鋼絲繩的金屬斷面，發(fā)揮其承載能力，對各股層或鋼絲層根據(jù)內(nèi)力分布大小，按等強(qiáng)度理念來匹配抗拉強(qiáng)度等級，使其安全系數(shù)接近于實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。提升鋼絲繩強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)包括：（1）直線段，在拉伸與扭轉(zhuǎn)共同作用下，股層及鋼絲層之間的內(nèi)力分布，以及股中單根鋼絲內(nèi)力；（2）彎曲段，不同曲率鋼絲的彎曲應(yīng)力；（3）過渡段，不同位置鋼絲附加軸向拉力；（4）鋼絲全應(yīng)力及合成安全系數(shù)。
提升鋼絲繩耐久性計(jì)算在工程實(shí)踐中具有一定的價(jià)值，但目前還是建立在純榨經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)上。在Ⅱ.Ⅱ.涅撕捷羅夫的著作中[]，對礦山提升鋼絲繩的耐力計(jì)算有詳細(xì)論述，所得出的影響系數(shù)都是經(jīng)實(shí)地考察調(diào)研獲得的。目前有關(guān)提升鋼絲繩的耐久性計(jì)算方法，在工程實(shí)踐中還沒有得到廣泛應(yīng)用，其主要原因是沒有精確的試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)資料。
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