張家琦馬 逵 趙良松

（1貴州鋼繩股份有限公司，貴州 563000）

（2北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

某型號(hào)回收艙在軌道上經(jīng)調(diào)姿制動(dòng)后再入地球大氣層，經(jīng)氣動(dòng)加熱燒蝕后，在約12km高度上，回收艙降落傘系統(tǒng)開始工作，在約5km高度時(shí)，主傘將預(yù)埋在回收艙防熱環(huán)內(nèi)的垂掛吊索拉出，回收艙由單點(diǎn)吊掛的姿態(tài)轉(zhuǎn)換為雙點(diǎn)吊掛，為回收艙最后的著陸緩沖作準(zhǔn)備。在距地面約2m時(shí)，反推發(fā)動(dòng)機(jī)工作，回收艙以約3m/s速度著陸。

在上述工作流程中，垂掛吊索有部分露出回收艙外，垂掛轉(zhuǎn)換時(shí)，垂掛吊索首先要將防熱環(huán)拉掉，然后承受一較大沖擊載荷。由于垂掛吊索有部分露出在返回艙外且使用過(guò)程有摩擦，因此承力的部件應(yīng)采用能耐受高溫和摩擦的鋼絲繩；因使用中鋼絲繩會(huì)和織物接觸且吊索有壓制工藝，碳鋼的防銹要求不能滿足使用環(huán)境，需要采用不銹鋼鋼絲繩；同時(shí)受垂掛吊索安裝空間限制，垂掛吊索結(jié)構(gòu)件的尺寸很小，要求垂掛吊索用鋼絲繩必須有很高的強(qiáng)度和足夠的韌性、塑性。

分析回收艙的故障模式，垂掛吊索屬于單點(diǎn)故障產(chǎn)品，如果在垂掛轉(zhuǎn)換時(shí)，垂掛吊索斷裂，無(wú)法轉(zhuǎn)入備份系統(tǒng)，回收艙會(huì)以單點(diǎn)吊掛的姿態(tài)下降，當(dāng)反推發(fā)動(dòng)機(jī)工作后，不僅不能起到緩沖減速的作用，反而有可能增加回收艙著陸速度，增大損傷，因此回收艙垂掛吊索鋼絲繩的研制具有重要意義。

2 吊索鋼絲繩設(shè)計(jì)要求及分析

根據(jù)吊索鋼絲繩的使用環(huán)境，對(duì)吊索鋼絲繩提出了設(shè)計(jì)要求，具體如下：1）原材料采用不銹鋼；2）吊索鋼絲繩表面應(yīng)光亮，無(wú)氧化斑點(diǎn)；3）確定了吊索鋼絲繩公稱直徑，公差為負(fù)公差；4）和垂掛吊索中的滑輪配合進(jìn)行雙根拉斷試驗(yàn)，破斷拉力不小于某值；5）吊索鋼絲繩強(qiáng)度（最小破斷拉力/最大公稱截面積）不小于1 094.4MPa。

為把握鋼絲繩研制過(guò)程中的重點(diǎn)及難點(diǎn)問(wèn)題，在研制開始前，對(duì)上述設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析。首先，對(duì)于高強(qiáng)度鋼絲繩而言，國(guó)內(nèi)外一般采用碳鋼作為原材料，而不是不銹鋼，原因是不銹鋼含碳量低，強(qiáng)度也低，采用不銹鋼有難度。其次，吊索鋼絲繩表面為常規(guī)要求，但若在研制過(guò)程中涉及熱處理工藝，則需要考慮吊索鋼絲繩高溫時(shí)的保護(hù)。第三，直徑采用負(fù)公差，雖然和通用要求不一樣（通用要求一般是正公差），但比較容易實(shí)現(xiàn)。第四，和垂掛吊索滑輪配合進(jìn)行雙拉試驗(yàn)是對(duì)鋼絲繩的特殊要求，吊索鋼絲繩的彎曲半徑很小，輪繩比為5.27∶1，而標(biāo)準(zhǔn) CB/T153-1995[1]和標(biāo)準(zhǔn) JB/T9005.2-1999[2]中規(guī)定最小輪繩比分別為 12.7∶1 和 15.75∶1，5.27∶1遠(yuǎn)小于上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此會(huì)導(dǎo)致吊索鋼絲繩的破斷拉力損失增大，安全裕度降低，如何減小強(qiáng)度損失成為吊索鋼絲繩設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。第五，吊索鋼絲繩強(qiáng)度要求不小于1 094.4MPa，而GB/T9944-2002[3]中6×19S+IWS結(jié)構(gòu)吊索鋼絲繩的強(qiáng)度最大為788.7MPa，怎樣提高吊索鋼絲繩強(qiáng)度，也是吊索鋼絲繩設(shè)計(jì)時(shí)須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。

3 吊索鋼絲繩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響因素

吊索鋼絲繩是由一定數(shù)量的細(xì)鋼絲捻成股，再由股圍繞繩芯捻成繩。所以吊索鋼絲繩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是吊索鋼絲繩中鋼絲繩股的數(shù)目、捻向、捻距以及繩股內(nèi)的鋼絲數(shù)目、直徑大小及排列方式等參數(shù)的優(yōu)化。這些參數(shù)直接影響吊索鋼絲繩的性能和使用壽命。

在進(jìn)行吊索鋼絲繩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮以下3點(diǎn)：

1）優(yōu)先選擇線接觸結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，因?yàn)榫€接觸結(jié)構(gòu)的鋼絲繩與點(diǎn)接觸結(jié)構(gòu)的鋼絲繩相比，破斷拉力可以提高10%以上。在線接觸結(jié)構(gòu)的鋼絲繩中，首選充滿率更高的結(jié)構(gòu)形式的鋼絲繩。這種結(jié)構(gòu)的鋼絲繩不僅在股內(nèi)各層絲之間呈線接觸狀態(tài)，各股之間也呈線接觸狀態(tài)，對(duì)提高鋼絲繩的有效金屬面積更加有利。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最終目的是通過(guò)盡可能地增加鋼絲繩有效金屬面積來(lái)提高鋼絲繩破斷拉力。

2）在滿足吊索鋼絲繩抗拉強(qiáng)度要求的同時(shí)，還應(yīng)充分考慮吊索鋼絲繩的韌性、塑性；

3）為適應(yīng)雙拉破斷拉力試驗(yàn)時(shí)鋼絲繩彎曲半徑過(guò)?。摧喞K比過(guò)?。┑囊?，考慮選擇多絲的結(jié)構(gòu)類型，從而降低吊索鋼絲繩實(shí)際受力時(shí)的破斷拉力損失。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)吊索鋼絲繩的技術(shù)要求，共設(shè)計(jì)了3種結(jié)構(gòu)類型方案，不同方案吊索鋼絲繩結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 3種方案的吊索鋼絲繩結(jié)構(gòu)示意圖

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3.3 方案對(duì)比

分析表1中的數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)在3種吊索鋼絲繩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，方案Ⅱ和Ⅲ比方案Ⅰ的有效金屬面積分別增加了3.20%和6.22%。由于吊索鋼絲繩金屬面積的增加和鋼絲抗拉強(qiáng)度的調(diào)整，方案II和方案III比方案Ⅰ破斷拉力總和分別增加了8.21%和11.38%。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了精細(xì)化的配絲原則，方案Ⅲ的有效金屬面積比方案Ⅱ增加了2.93%，其破斷拉力總和也相應(yīng)增加了2.93%。所以，初步比較后，選擇CFRC結(jié)構(gòu)形式的鋼絲繩。

根據(jù)吊索的具體使用狀況，要求選用外層鋼絲較粗的結(jié)構(gòu)，經(jīng)比較最終確定為方案Ⅲ的CFRC8×17S﹢IWS結(jié)構(gòu)，因?yàn)榕cCFRC8×19W﹢IWS型結(jié)構(gòu)的鋼絲繩相比，前者的外層鋼絲是后者的1.25～1.6倍，在吊索鋼絲繩使用中拉掉防熱環(huán)的時(shí)刻，吊索鋼絲繩會(huì)和防熱環(huán)摩擦，在這種情況下，前者的性能將明顯優(yōu)于后者。

4 吊索鋼絲繩的生產(chǎn)工藝研究

4.1 鋼絲抗拉強(qiáng)度的確定

一般來(lái)說(shuō)，鋼絲抗拉強(qiáng)度越高，鋼絲的韌性、塑性越差。對(duì)于直徑小于0.4mm的鋼絲，通常采用打結(jié)率這一指標(biāo)來(lái)表征其韌、塑性。打結(jié)率定義為鋼絲打結(jié)拉斷力與鋼絲不打結(jié)拉斷力之比，打結(jié)率越高，表明鋼絲的韌性、塑性越好，反之亦然[4]。

2.1 DC細(xì)胞免疫表型及形態(tài) 誘導(dǎo)第3、5、8天時(shí)DC細(xì)胞CD1a、CD80、CD83、CD86及HLA-DR免疫表型表達(dá)逐漸遞增，到第8天時(shí)達(dá)到高峰，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見表1。經(jīng)Gm-CSF、IL-4誘導(dǎo)成熟后，Giemsa染色可見胞核靠近胞膜，細(xì)胞表面有樹突狀突起，胞質(zhì)內(nèi)空泡增多，細(xì)胞呈現(xiàn)出典型的DC形態(tài)特征，見圖1（封二），結(jié)合流式免疫表型分析，證明成功誘導(dǎo)了DC細(xì)胞。

取強(qiáng)度為1 900MPa～2 760MPa的不銹鋼絲，實(shí)測(cè)其打結(jié)率，強(qiáng)度與打結(jié)率的關(guān)系如圖2所示。

圖2 鋼絲的強(qiáng)度與打結(jié)率的關(guān)系

從圖2中可以看出，當(dāng)強(qiáng)度大于2 490MPa時(shí)，鋼絲的打結(jié)率低于60%。研究中，確定其公稱抗拉強(qiáng)度為2 160MPa，實(shí)際控制的強(qiáng)度在公稱值負(fù)偏差50MPa、正偏差300MPa的范圍內(nèi)。這樣既能滿足鋼絲的強(qiáng)度要求，又確保打結(jié)率不低于60%，從而兼顧了鋼絲韌性、塑性要求。

4.2 鋼絲繩張力控制

在表1中，方案Ⅲ理論計(jì)算的總破斷拉力為32.801 6kN，但是，由于在合股、成繩的過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致各絲、各股張力不一致，吊索鋼絲繩破斷拉力達(dá)不到這一理論計(jì)算值，為盡量提高吊索鋼絲繩最小破斷拉力，工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要精心調(diào)整各絲、各股的張力，使之張力盡可能一致。該結(jié)構(gòu)吊索鋼絲繩屬于多層結(jié)構(gòu)，外層股的張力控制與中心股相同，而次外層股的張力為外層股的55%～60%。同時(shí)，要精心調(diào)整相關(guān)的變形工裝卡具，以減輕對(duì)吊索鋼絲繩的損傷。

4.3 不銹鋼的沉淀硬化

增加張力控制后，吊索鋼絲繩破斷拉力雖比不進(jìn)行張力控制有所提高，但仍不滿足設(shè)計(jì)要求1 094.4MPa，必須采取其它措施進(jìn)一步提高強(qiáng)度。

馬氏體-奧氏體不銹鋼在常溫下得到的是不穩(wěn)定的奧氏體組織，通過(guò)不同的途徑（即通過(guò)時(shí)效進(jìn)行沉淀強(qiáng)化處理后），可以使不穩(wěn)定的奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈吞捡R氏體組織，從而具有較高的抗拉強(qiáng)度、良好的韌性和塑性，以及良好的綜合機(jī)械性能。沉淀硬化不銹鋼是鐵-鉻-鎳合金，為了提高強(qiáng)度和韌性，需在時(shí)效處理過(guò)程中形成沉淀相。沉淀硬化不銹鋼的基體組織可以是馬氏體或者是奧氏體，這主要取決于鋼的成分和處理過(guò)程[5-7]。經(jīng)時(shí)效處理的不銹鋼作為超高強(qiáng)度的材料已經(jīng)在核工業(yè)、航空和航天工業(yè)中得到比較廣泛的應(yīng)用。

據(jù)此，筆者認(rèn)為有必要在吊索鋼絲繩的生產(chǎn)工藝中利用不銹鋼的沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，即在成繩后對(duì)吊索鋼絲繩采用沉淀強(qiáng)化處理。分別調(diào)整處理時(shí)間和處理溫度這兩個(gè)影響時(shí)效處理的最主要參數(shù)進(jìn)行不銹鋼的沉淀硬化試驗(yàn)。

（1）處理時(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響

圖3 處理時(shí)間—破斷拉力之間的關(guān)系

（2）處理溫度對(duì)強(qiáng)度的影響

在上述確定的處理時(shí)間下，調(diào)整處理溫度來(lái)摸索最佳范圍，試驗(yàn)溫度范圍為605℃～695℃，樣件進(jìn)行單拉、雙拉試驗(yàn)，單拉指常規(guī)的單根鋼絲繩測(cè)量破斷拉力，雙拉是鋼絲繩繞過(guò)一垂掛吊索滑輪后雙根測(cè)量破斷拉力，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 處理溫度—破斷拉力之間的關(guān)系

從圖4可以看出，在處理時(shí)間為180s時(shí)，鋼絲繩的最佳處理溫度為655℃～665℃。在此條件下，鋼絲繩的破斷拉力較不采用沉淀強(qiáng)化處理時(shí)提高30.65%～34.52%，完全可以滿足吊索鋼絲繩技術(shù)要求。

4.4 保護(hù)氣體的選擇

綜合考慮吊索鋼絲繩使用時(shí)具體工況和儲(chǔ)存情況，排除了采用氨分解方法產(chǎn)生的氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體的方案，優(yōu)先選擇惰性氣體氬氣作為時(shí)效處理沉淀強(qiáng)化時(shí)的保護(hù)氣體。

4.5 樣品的測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的正確性，共進(jìn)行了3次實(shí)驗(yàn)室試制，這3次的試制，確定和驗(yàn)證了鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝參數(shù)，同時(shí)也為設(shè)計(jì)一條集捻繩、表面處理、烘干、時(shí)效處理、卷取為一體的連續(xù)生產(chǎn)線確定了必須的生產(chǎn)工藝參數(shù)。試制產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 試制產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果

對(duì)鋼絲繩的整繩破斷拉力試驗(yàn)的試樣進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)鋼絲繩的破斷部位在試驗(yàn)的有效范圍內(nèi)，單根破斷拉力的鋼絲斷口大多數(shù)有頸縮現(xiàn)象。雙根破斷拉力的鋼絲有30%左右的鋼絲出現(xiàn)了45°無(wú)頸縮斷口現(xiàn)象。對(duì)45°無(wú)頸縮斷口現(xiàn)象進(jìn)行分析后，認(rèn)為是由于進(jìn)行雙根鋼絲繩拉伸時(shí)所經(jīng)過(guò)的滑輪直徑太?。ㄝ喞K比5.27∶1）所致，在正常情況下CFRC型結(jié)構(gòu)的鋼絲繩其輪繩比需達(dá)到15以上，但雙拉試驗(yàn)中滑輪直徑太小，導(dǎo)致輪頂端的鋼絲擠壓受剪斷裂，而不是拉斷。

根據(jù)最后兩次試制的結(jié)果，吊索鋼絲繩的設(shè)計(jì)要求全都滿足，驗(yàn)證新的連續(xù)生產(chǎn)線是成功的。在此生產(chǎn)線上，可以鎖定最佳的生產(chǎn)工藝范圍為：時(shí)效沉淀強(qiáng)化處理溫度655℃～665℃；時(shí)效沉淀強(qiáng)化處理時(shí)間180s。在此條件下，產(chǎn)品能夠滿足吊索鋼絲繩規(guī)定的技術(shù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)回收艙用吊索鋼絲繩的特殊使用條件進(jìn)行深入分析，研究了吊索鋼絲繩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及生產(chǎn)工藝條件，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的正確性，為以后的批量化生產(chǎn)提供了充分的依據(jù)。以下幾點(diǎn)有重要工程價(jià)值：

1）為滿足鋼絲繩韌性、塑性要求，給出了鋼絲強(qiáng)度強(qiáng)度范圍；

2）在合股、捻繩中控制絲、股張力，使之張力一致，給出了張力控制比例關(guān)系；

3）在成繩后對(duì)吊索鋼絲繩采用沉淀強(qiáng)化處理，并給出優(yōu)化后的熱處理參數(shù)。

通過(guò)本文方法，可以生產(chǎn)出滿足使用要求的吊索鋼絲繩，但是生產(chǎn)效率較低，成本較高，有待進(jìn)一步研究，提高生產(chǎn)效率，降低成本，以便該成果得到廣泛應(yīng)用。

[1]江南造船廠.鋼索滑輪［S］.中國(guó)船舶工業(yè)總公司，1995.

[2]大連大起集團(tuán)有限責(zé)任公司.起重機(jī)用鑄造滑輪直徑的選用系列與匹配［S］.國(guó)家機(jī)械工業(yè)局，1999.

[3]鄭州三合不銹鋼制品有限公司.不銹鋼絲繩［S］.中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，2002.

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