矿用钢丝绳的结构性能及合理选用
摘 要：主要阐述了矿用钢丝绳的类型、结构及性能，并论述矿井在不同条件下如何合理选用钢丝绳。例举各种不同股型、捻向、丝型及丝径的钢丝绳，在各种不同条件下进行使用寿命的比较。正确合理地选用钢丝绳，可以延长钢丝绳的使用寿命，节约钢材，提高企业经济效益。
关键词：点接触；线接触；面接触钢丝绳；圆股；三角股；椭圆股钢丝绳；多层股不旋转钢丝绳；扁钢丝绳
中图分类号：TD532 文献标识码：A 文章编号：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
钢丝绳是矿井提升系统的重要组成部份之一，如何正确合理的选择使用是极为重要的问题，它不仅关系到提升设备的安全可靠运行，而且也关系到为国家节约大量优质钢材问题，并可减少更换钢丝绳次数，增加有效提升时间。
矿用钢丝绳有各种结构类型，而每一种钢丝绳都有其独特的性能，适用于各种不同的条件和环境。如果能够熟习掌握矿用钢丝绳的结构性能，根据不同的条件，合理正确的选用，则可大大提高钢丝绳的寿命，减少钢丝绳的消耗，对降低吨煤成本，提高企业的经济效益，都起着重要的作用［1］。
1 钢丝绳的结构性能
1.1 按绳股内各层钢丝的接触方式分类
1.1.1 点接触钢丝绳
该种钢丝绳的绳股内各层钢丝的捻距不等，各层钢丝呈相互交叉的点接触状态，见图1。
图1
该类型钢丝绳当受到拉伸载荷时，绳内各层钢丝的受力在理论上相等，但在生产中发现这种钢丝绳的缺点是受拉时，钢丝间的点接触处，因应力集中而产生压痕，尤其是钢丝绳受弯曲时，压痕更为严重，因此导致钢丝疲劳断裂而过早损坏，所以点接触钢丝绳使用寿命较短。
1.1.2 线接触钢丝绳
该种钢丝绳的绳股内各层钢丝等捻距编捻，而内层钢丝和外层钢丝的捻距相等，见图2，从而使层间的钢丝互相平行，而呈线接触。
图2
例如瓦林吞型及西鲁型均为线接触钢丝绳。其特点是柔软性不足，但它避免了应力集中，减少了钢丝间的摩擦阻力，抗弯曲、抗疲劳的性能显著提高，这在弯曲半径较小的滚筒上工作或受较大的的挤压载荷时更为有利。根据生产实践及理论分析证明，在同等工作条件下，线接触钢丝绳的使用寿命约比点接触钢丝绳长一倍。
1.1.3 面接触钢丝绳
该种钢丝绳的钢丝是由圆股钢丝经过特殊加工，股内钢丝呈面接触，见图3。
图3
a.6×7面接触 b.6X(19)面接触
c.6W(19)面接触 d.6T(25)面接触
试验证明，面接触钢丝绳具有以下优点：
(1)结构紧密，表面光滑，和绳槽接触面积较大，耐磨损抗挤压性能好。
(2)钢丝绳接触应力极小，钢丝绳耐疲劳性能好。
(3)钢丝绳的有效金属断面积较大，约为63%，其破断拉力比相同直径的普通钢丝绳增大约25%。
(4)钢丝间接触面积大，相互贴紧，矿井淋水及煤粉不易浸入，抗腐蚀性能强。
(5)钢丝绳的伸长变形量较小。
但是这种钢丝绳也存在缺点，即可挠性较差，易采用较大的绳筒/绳径的比值。
1.2 按钢丝绳及绳股的形状分类
1.2.1 圆股钢丝绳
上述三种点接触、线接触和面接触钢丝绳都是圆股钢丝绳，这是最通用的一种钢丝绳，易于制造，价格低廉。
1.2.2 三角股钢丝绳
绳股基本上近似三角形，见图4。其特点是，绳捻制紧密，金属断面系数大，钢丝绳强度高，表面平滑，承压面积大，可减小钢丝绳和绳槽间的比压，因而显著提高了绳槽衬垫的寿命。绳股的外层钢丝较粗，所以抗磨损性能好，由于表面钢丝的排列方式，增加了钢丝绳的抗挤压能力，尤其是当钢丝绳在滚筒上多层缠绕，相互跨越时，稳定性较好。
图4
1.2.3 椭圆股钢丝绳
绳股基本上呈椭圆形，见图5，也具有较大的支承面积和抗磨损性能，它不适于承受过大的挤压应力，稳定性差些。
图5
1.2.4 多层股不旋转钢丝绳
该种钢丝绳具有两层或三层绳股，见图6。而各层绳股的捻向相反，所以当绳承受负荷时旋转性很小，它主要用于凿井提升。
图6 多层股不旋转钢丝绳
1.2.5 密封式钢丝绳(又称锁股钢丝绳)
钢丝绳呈圆形封闭式，由多层异形钢丝编捻而成，如乙形和梯形钢丝，不分绳股，见图7和图8。
图7 密封钢丝绳
图8 密封钢丝绳截面
金属断面系数最大，绳外层表面光滑，具有较强的耐磨损和抗锈蚀能力，钢丝伸长变形量小，弹性及永久变形小，用在多绳提升中，各绳的张力容易平衡，最适合于作绳罐道，服务年限长，这种钢丝绳在英国使用较多。但它也存在一些缺点，如挠性差，接头困难，制造复杂，价格高等缺点。
1.2.6 扁钢丝绳
钢丝绳截面呈扁平形，它主要是用作尾绳，其特点是柔性好、不旋转，运行平稳。但制造复杂，价格昂贵，如五十年代东北本溪矿务局彩屯竖井就是用扁钢丝绳作尾绳。现在也有用不旋转圆钢丝绳作尾绳的，再装上转环［2］。
1.3 按钢丝绳的捻向分类
以钢丝绳外层绳股的捻向分类共有二种，即左捻和右捻钢丝绳；若以绳股和钢丝的捻向关系分类，有交捻和顺捻二种钢丝绳。
1.3.1 左捻和右捻钢丝绳
这两种钢丝绳，分别见图9和图10。就是以外层绳股的编捻方向来区分的，由于绳股是螺旋线形编捻，当它受到拉伸载荷时，必然产生和绳股编捻方向相反的旋转力矩，使钢丝绳沿松捻方向转动。
图9 右捻
图10 左捻
因此在某些条件下，选择钢丝绳时，应注意对钢丝绳捻向的要求。例如钻机和钢丝绳冲击钻应选用左捻钢丝绳，使其产生的转矩，有利于螺扣越拧越紧，可避免钻具在冲击载荷作用下掉入钻孔内。
1.3.2 交捻(交互捻)顺捻(同向捻)钢丝绳
无论是左捻或右捻钢丝绳，都还有交捻和顺捻两种编捻方式；共有左交捻，左顺捻和右交捻，右顺捻四种类型。
交捻钢丝绳，是指绳股和钢丝的捻向不同的钢丝绳，其特点如下：
(1)钢丝绳受拉伸载荷时，会产生与绳股编捻方向相反的转动，而交捻钢丝绳中钢丝与绳股的捻向相反，因而在绳内产生一阻止转动的力矩，所以交捻钢丝绳的旋转力度较顺捻钢丝绳要小。在起重机中普遍采用这种钢丝绳。
(2)结构稳定，使用中不易产生扭结现象。
(3)抗扭曲变形能力强，在较小直径绳筒上工作时，较顺捻钢丝绳稳定可靠。
顺捻钢丝绳，是指绳股和钢丝的捻向相同的钢丝绳，其特点如下：
(1)顺捻钢丝绳的绳股表面钢丝长度，约为相同结构交捻钢丝绳的两倍半。所以比交捻绳有大得多的耐磨面积，提高了钢丝绳和绳槽的耐磨寿命。
(2)顺捻钢丝绳抗疲劳性能也较交捻绳高。
(3)顺捻钢丝绳的缺点，是旋转性较大，散股的趋向也大。
(4)顺捻钢丝绳的稳定性较差，使用中易产生扭结。经过小直径绳筒或绳轮，或在过紧的绳槽中工作时，有时会扭曲变形，使用条件合适时，顺捻钢丝绳较交捻钢丝绳寿命长得多。
1.4 按钢丝绳的绳芯材质分类
绳芯的作用是增加钢丝绳的柔软性，它并可吸收作用于钢丝绳上的张力和接触压力的冲击，还能含油，使钢丝绳在长期运转中得到润滑。
可分为金属绳芯和麻绳芯两大类。麻绳芯一般用黄麻、西沙尔麻、马尼拉麻等天然纤维和聚丙稀等合成纤维。
1.5 按钢丝加工的工艺分类
用镀锌钢丝捻成的绳，叫镀锌钢丝绳，它主要是耐酸、耐碱、耐腐蚀性强。用光面钢丝捻成的绳，即是一般的普通钢丝绳。
1.6 按钢丝的韧性分类
钢丝的韧性分为特号、Ⅰ号、Ⅱ号三种，《煤矿安全规程》规定：专为升降人员用的以及升降人员和物料用的，不得低于特号钢丝的韧性标准；专为升降物料和平衡用的，不得低于Ⅰ号钢丝的韧性标准。
2 钢丝绳的选择
钢丝绳的选择和计算，主要是必须满足现行安全规程的要求，如升降人员和提升物料用的钢丝绳，对钢丝韧性的要求，以及各种提升，悬吊设备的安全系数要求等。这在规程中都有明确规定，为缩减篇幅，现简述如下。
(1)当井筒淋水较大，酸、碱度较高，或用在回风井的提升钢丝绳，应选用镀锌钢丝绳。例如，某矿井的井筒淋水较大，且呈酸性。在生产中使用光面钢丝和镀锌钢丝的两种钢丝绳，使用情况见表1。实践表明，镀锌钢丝绳的寿命约为普通钢丝绳的3倍。
表1 镀锌钢丝绳和普通光面钢丝绳使用情况比较
表2 顺捻和交捻钢丝绳的使用寿命比较
(3)斜井提升使用钢丝绳主要是考虑磨损问题，应选用耐磨损的钢丝绳，根据现场生产使用经验，粗丝的钢丝绳较细丝的钢丝绳使用寿命长，三角股钢丝绳较圆股钢丝绳使用寿命长，因三角股钢丝绳，每根绳股的外层钢丝较粗，它们的使用寿命，分别见表3和表4。
表3 斜井使用6×7和6×19圆股钢丝绳使用寿命比较
(mm) 使用寿命
(月) 年钢材消耗
(kg) 每根绳长
(M) 备 注 6×7 32 11 3820 1000 根据矿井实际使用资料整理 6×19 31 6 6200 1000 6×7 32 16 1850 700 6×19 31 10 2600 700
表4 斜井使用三角股钢丝绳和圆股钢丝绳使用寿命比较
(mm) 使用寿命
(天) 提升次数
(次) 备 注 6×7圆股钢丝绳 33 232 27900 同一台绞车实际 6△(19)三角股钢丝绳 33 438 39026 使用情况
(4)现在设计和建设新井中，广泛采用钢丝绳罐道，选用密封型钢丝绳作绳罐道是最合理的，它比普通圆股钢丝绳有较长的寿命。如焦作矿务局李封煤矿使用密封型钢丝绳作绳罐道。于1920年投产，运转50多年，使用情况良好。
(5)关于钢丝绳捻向的选择
在竖井多绳绞车提升中，为消除钢丝绳扭转对提升容器的影响，应采用一半左捻和一半右捻的钢丝绳。
钢丝绳在绞车绳筒上缠绕方向，对钢丝绳的捻向也有一定的要求，不正确的捻向选择，将导致钢丝绳受力情况恶化［3］～［4］。
3 结语
综上所述，各种类型的钢丝绳，性能各异，都各具特色。事物都是一分为二，并不是某一种钢丝绳各方面都十全十美，只有熟习掌握各种钢丝绳的性能，结合实际使用条件，抓住主要矛盾，正确合理的选用，才能达到延长钢丝绳的寿命，节约钢材，提高企业效益的目的。
作者简介：李珩(1959-)，男，安徽淮北人，工程师，从事煤矿机电特殊掘进工作。
作者单位：淮北矿业集团工程处，安徽淮北235100
参考文献：
［1］ 煤矿总工程师工作指南［M］.北京：煤炭工业出版社，1990.
［2］ 周乃荣，严万生.矿山固定机械手册［M］.北京：煤炭工业出版社，1986.
［3］ 矿井提升设备［M］.北京：煤炭工业出版社，1986.
［4］ 浓季良.建井工程手册［M］.北京：煤炭工业出版社，1986.
