汪朝杰

（青島市特種設(shè)備檢驗研究院 青島 266300）

1 研究背景

在GB/T 34198—2017《起重機用鋼絲繩》正式實施之前，鋼絲繩的通用標(biāo)準(zhǔn)有 GB/T 20118—2006《一般用途鋼絲繩》和 GB 8918—2006《重要用途鋼絲繩》,其他系列標(biāo)準(zhǔn)有 GB 8903—2005（后經(jīng)修訂為 GB/T 8903—2018《電梯用鋼絲繩》），GB 26722—2011《索道用鋼絲繩》，YB/T 5196—2005《飛機操縱用鋼絲繩》，YB/T 5359—2010《壓實股鋼絲繩》等。

目前還沒有明確界定重要用途和一般用途的定義。從目前的實際情況來看，重要用途和一般用途的分類方法也是不適應(yīng)行業(yè)發(fā)展需要的。GB/T 20118—2017《鋼絲繩通用技術(shù)條件》由貴州鋼絲繩股份有限公司負(fù)責(zé)起草，替代了GB/T 20118—2006?！洞肮こ逃娩摻z繩系泊》《礦山起重鋼索》這些專項標(biāo)準(zhǔn)將逐步取代原GB/T 8918—2006《重要用途鋼絲繩》。從目前的使用狀況看，通用標(biāo)準(zhǔn)涉及的范圍太廣泛，針對性不是很強，因為每一個行業(yè)在使用鋼絲繩方面都有自己的特點和需求，將來的趨勢將是使用專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)更加合理。

鋼絲繩大量用于起重機械作業(yè)的起重機構(gòu)、變幅機構(gòu)、牽引機構(gòu)等，以及大量使用于架空索道、桅桿起重機等其他行業(yè)。這些工況中均要求鋼絲繩具有良好的撓性、較強的承載力、較小的傳動噪音、可靠的工作性能及持久耐受性。隨著工業(yè)化生產(chǎn)程度逐漸提高、起重機載重量的不斷加大，對鋼絲繩的質(zhì)量要求也越來越高，現(xiàn)行的鋼絲繩標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)很難適應(yīng)目前行業(yè)變化需求。

2 GB/T 34198—2017《起重機用鋼絲繩》帶來的變化

下面只研究起重機用鋼絲繩，GB/T 34198—2017主要起草單位為江蘇狼山鋼繩股份有限公司，該標(biāo)準(zhǔn)目前提供了起重機用鋼絲繩選型、制造、驗收、使用等方面的統(tǒng)一規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

GB/T 34198—2017 的特點：

國內(nèi)鋼絲繩強度級差在 100 MPa 左右，歐盟相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)使用強度級差在 200 MPa 左右，GB/T 34198—2017使用 200 MPa，這樣更有利于鋼絲繩的設(shè)計、制造和生產(chǎn)與國際接軌。這個標(biāo)準(zhǔn)的鋼絲繩等級分為 1 770 級、1 960 級、2 160 MPa 級[1]。

1）工作狀態(tài)多變，受力情況復(fù)雜是起重機所用鋼絲繩的特點。鋼絲繩的鋼絲在作業(yè)時會反復(fù)產(chǎn)生拉伸性、彎曲性、擠壓性等應(yīng)力特性(鋼絲繩與滑輪、卷筒等接觸擠壓， 鋼絲與鋼絲之間相互擠壓)，鋼絲繩在捻壓時產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，鋼絲繩在作業(yè)過程中反復(fù)產(chǎn)生鋼絲繩與鋼絲繩的接觸擠壓(繩股與繩股的接觸擠壓）以及鋼絲繩在繞過滑輪時，鋼絲繩與輪槽的摩擦，再加上繩芯與繩芯之間的摩擦，極易使金屬材料產(chǎn)生疲勞，最終導(dǎo)致鋼絲繩斷絲、斷股，直至斷裂。有試驗結(jié)果顯示：

（1）鋼絲繩受鋼絲繩彎曲半徑的變化，對其壽命造成影響。這是由于鋼絲輪直徑減小，鋼絲繩彎曲變形加劇，彎曲應(yīng)力增大，從而加快了鋼絲繩的磨損，引起鋼絲繩的疲勞損傷，減少了鋼絲繩的壽命，從而引發(fā)鋼絲繩斷裂[2]。

（2）斷絲出現(xiàn)在繩端或近繩端時，表示此部位受力較大。鋼絲繩斷絲如果在一定區(qū)域內(nèi)較為聚集且相對集中的情況下，鋼絲繩應(yīng)作報廢處理。

2）本標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了潤滑脂含量，天然纖維芯和復(fù)合纖維芯繩不低于15%，合成纖維芯不低于5%，但用戶另有要求的除外。GB/T 20118—2017 和GB 8918—2006 均未對繩芯中的潤滑脂含量進(jìn)行量化。

3）本標(biāo)準(zhǔn)提出，起重機使用的鋼絲繩，由于其作業(yè)速度大、頻率高，對其表面潤滑脂指標(biāo)要求高于NB/SH/T 0387—2014《鋼絲繩用潤滑脂》的規(guī)定，并增加了工作錐入度及粘附率要求，其他起重機鋼絲繩用潤滑脂指標(biāo)不變。鋼絲繩在油膜破壞的情況下，最后會出現(xiàn)鋼絲繩在滑動旋轉(zhuǎn)后斷絲現(xiàn)象，從表面浮銹、內(nèi)銹，逐漸到內(nèi)外的鋼絲脆化。特別是使用場所工作級別較高、工作頻率頻繁的起重機用鋼絲繩，對潤滑脂的要求更嚴(yán)格。潤滑脂的主要作用有：

（1）減少鋼絲繩與滑輪、繩內(nèi)股、內(nèi)鋼絲之間運動產(chǎn)生的摩擦應(yīng)力，減少斷裂的機會；

（2）減少鋼絲繩的繩股之間、繩芯之間因外部環(huán)境尤其是潮濕、含酸含堿環(huán)境而形成的銹蝕；

（3）增加鋼絲繩的柔性，減輕鋼絲繩彎曲時所受的疲勞，使負(fù)重均勻地分布到繩股上；

（4）在一定程度上緩沖鋼絲繩和滑輪組、鋼絲繩和卷筒之間的擠壓應(yīng)力和沖擊。

不同狀態(tài)對潤滑脂效果的影響也是不容小覷。高溫下容易導(dǎo)致潤滑脂化學(xué)成分發(fā)生改變而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這種化學(xué)反應(yīng)通常是不可逆的。高溫下還容易使?jié)櫥蛷捏w系中分離，形成分油，從而使?jié)櫥男阅芟陆刀櫥饔谩５蜏貭顟B(tài)下油脂會變得更加黏稠，硬度也會提高，甚至?xí)?dǎo)致油脂流速下降而停止，潤滑失效使鋼絲繩的性能大大降低。所以在某些特殊環(huán)境下，對潤滑脂的選用是有嚴(yán)格要求的。

此外，高溫下對油脂要求不能流動，低溫下也不能龜裂，在涂油時也要兼顧涂油方式的方便，潤滑脂的品質(zhì)對鋼絲繩的耐疲勞、耐腐蝕影響也非常大。因此，在對起重設(shè)備鋼絲繩進(jìn)行潤滑保養(yǎng)時，需要選擇適當(dāng)?shù)臐櫥椭浞钟行У匕l(fā)揮潤滑的理想效果，使鋼絲繩的壽命有效延長，這是需根據(jù)起重機的工作環(huán)境、工作負(fù)荷和其工作用途而定的[3]。

本標(biāo)準(zhǔn)還特別指出，為了保證每根鋼絲在繩股中得到充分潤滑，除了使用者另有要求外，需要在合攏點前在鋼絲繩中加入潤滑脂。在使用鋼絲繩時，特別是鋼絲繩彎曲時，每個繩股之間或每股的鋼絲與鋼絲之間摩擦?xí)觿“l(fā)生，此時有效的潤滑就會減少因摩擦而發(fā)生的金屬磨損；另外有效潤滑還可以減緩或完全停止鋼絲繩受腐蝕過程，阻止或延緩電化學(xué)發(fā)生。

4）本標(biāo)準(zhǔn)更加合理、更加嚴(yán)格地規(guī)定了股中的制繩鋼絲接頭。這一標(biāo)準(zhǔn)的要求是：股中的鋼絲直徑在0.4 mm 以上，必須采用對焊連接；同一股中的鋼絲接頭間距應(yīng)大于鋼絲繩直徑的18 倍（此條與GB/T 20118—2017 的8.3 條規(guī)定一致）。

5）對鋼絲繩捻距要求，此標(biāo)準(zhǔn)提出了更為具體的規(guī)定。要求圓股鋼絲繩、壓實(股)鋼絲繩的捻距不大于鋼絲繩公稱直徑的7.5 倍，三角股鋼絲繩和四股壓實鋼絲繩的捻距均不超過鋼絲繩公稱直徑的9 倍，這是在GB/T 8918—2006 和GB/T 20118—2017 中沒有的，但GB/T 8903—2018《電梯用鋼絲繩》的5.2.3條有此規(guī)定。捻距對鋼絲繩的影響主要有：

（1）在可比條件下，捻距較大時，由于鋼絲繩的彎曲程度小，鋼絲繩強度損失小，鋼絲繩承載后的永久伸長和彈性伸長也較小。

（2）如果鋼絲繩或股的捻距取值比較大，捻制后的鋼絲會大部分處于彈性變形狀態(tài)。因此當(dāng)捻距值過大，繩或股處于自由狀態(tài)時，繩中的股或股中的絲容易恢復(fù)到捻制前的直線狀態(tài)，使股或繩松散。

（3）可撓性的好壞與捻距大小有相當(dāng)密切的關(guān)系，當(dāng)繩的結(jié)構(gòu)和繩徑相同時，捻距大的可撓性差，這主要是由于繩彎曲時，鋼絲沿繩彎曲方向所具有的抗彎模量大小不同，捻距大的抗彎模量大。

（4）捻距較大的鋼絲繩，其耐磨性要小于捻距小的鋼絲繩。這主要由于捻距較小時，鋼絲繩與卷筒或滑輪之間的接觸點較多，即繩的支撐表面較大，彼此之間的接觸力分布較為均勻，受擠壓應(yīng)力的極限值相對較小。當(dāng)提升或卷揚用鋼絲繩使用周期相同時，捻距較小的鋼絲繩的外層鋼絲相對捻距大的鋼絲繩的磨損程度較輕。

（5）捻距小，可撓性好、耐磨性高。鋼絲繩在承受彎曲時，鋼絲繩內(nèi)的應(yīng)力值比較小，因此相對較大捻距的鋼絲繩，鋼絲繩的疲勞壽命要高一些。捻距的大小對鋼絲繩的機械性能也有明顯影響。所以在確定捻距的時候，要綜合各方面的因素，尤其要考慮使用的具體狀況及要求。

（6）對于以承受拉伸靜載荷為主的拉緊、拉曳等用途的鋼絲繩，應(yīng)選擇較大的捻距，對以承受交變應(yīng)力為主的鋼絲繩，如提升、卷揚用鋼絲繩，經(jīng)選擇較小的捻距，以提高鋼絲繩的可撓性、疲勞強度，并可減小卷筒、滑輪的直徑尺寸。

但是過小的捻距，會造成捻制過程中的強度損失增大及鋼絲繩的生產(chǎn)率下降，故選擇鋼絲繩捻距值時應(yīng)考慮各種因素，尤其是要考慮鋼絲繩的具體使用條件和使用要求。

6）對直徑的要求，本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定圓股鋼絲繩和壓實(股)鋼絲繩的直徑允許偏差為 0 ～＋4%，比GB/T 20118—2006、GB/T 8918—2006 中的要求更嚴(yán)格，GB/T 20118—2006、GB/T 8918—2006 規(guī)定的允許偏差均是0 ～＋5%（其中GB/T 20118—2006 有鋼絲繩公稱直徑≥8 mm 的前置條件）[4，5]。

這幾個標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了鋼絲繩直徑的偏差只有正偏差，沒有負(fù)偏差。鋼絲繩是由多股鋼絲捻合而成的，其公稱直徑是指鋼絲繩中心線上的直徑，也是鋼絲繩的重要參數(shù)之一。

鋼絲繩公稱直徑越大，承重能力越大，但鋼絲繩的重量也會因此而加重。鋼絲繩的早期失效，很多是因為鋼絲繩的直徑較小，與卷筒或滑輪不匹配，而承受過大的彎曲和與輪槽過大的擠壓應(yīng)力所致。因此應(yīng)盡量選擇直徑較大的卷筒或滑輪，對鋼絲繩有效直徑和繩槽匹配進(jìn)行嚴(yán)格控制，以增加鋼絲繩的使用壽命。

GB/T 3811—2008《起重機設(shè)計規(guī)范》的6.3.3.2.3條要求，滑輪、卷筒繩槽半徑r與鋼絲繩公稱直徑d的比值為r=(0.53 ～0.6)d[6]。

GB/T 29086—2012《鋼絲繩 安全 使用與維護(hù)》規(guī)定：“起重機用鋼絲繩槽的有效直徑應(yīng)控制在鋼絲繩直徑的 5%～10%”[7]。 這個說法是錯的或者說是描述錯了，應(yīng)該是“起重機用鋼絲繩繩槽有效直徑的增加量應(yīng)控制在鋼絲繩直徑的5%～10%”。一般把鋼絲繩的直徑公差最好控制在+2%～+4%的范圍內(nèi)較為合適。

7）在 GB/T 34198—2017 的附錄 D 的系列表中可以看到，同類鋼絲繩的破斷拉力與鋼絲繩的直徑和抗拉強度有關(guān)，鋼絲繩的破斷拉力在不同股結(jié)構(gòu)的鋼絲繩中肯定存在差異，但表中給出的破斷拉力值是同類鋼絲繩所應(yīng)達(dá)到的破斷拉力的最小值，因此，只要是相同直徑、相同抗拉強度的同類鋼絲繩，都能達(dá)到表中規(guī)定的破斷拉力。股結(jié)構(gòu)不同引起的破斷拉力的區(qū)別也只是在給定的最小破斷拉力以上有所不同，不能小于給定的最小值。

在鋼絲同一橫截面上最大直徑與最小直徑之差為鋼絲的不圓度。其值應(yīng)不大于鋼絲公稱直徑的公差之半。

鋼絲表面應(yīng)無銹蝕、竹節(jié)、微裂紋等影響性能的缺陷；鋼絲不得散亂、扭轉(zhuǎn)或呈“∞”字形。

除需方另有要求，直徑大于12 mm 單層股捻鋼絲繩用鋼芯應(yīng)為獨立鋼絲繩芯。

若需方無特殊要求，壓實股鋼絲繩用鋼芯由供方確定是否為壓實股鋼芯，但破斷拉力應(yīng)滿足GB/T 34198—2017 要求。

8）從GB/T 8706—2017《鋼絲繩 術(shù)語、標(biāo)記和分類》的3.3.2 條的“表2 普通類型的股結(jié)構(gòu)代號”中的“結(jié)構(gòu)類型：組合平行捻，代號：WS，股結(jié)構(gòu)示例：41WS 即（1-6/8-8+8-16）”可以分析，股芯1，第1 層6 絲，第2 層8 絲，第1 層與第2 層用斜線分開說明這2 層之間是點接觸，第3 層是8+8（1 粗1 細(xì)16 絲）與第2 層是瓦林吞式結(jié)構(gòu)用-分開是線接觸，第4 層與第3 層用-分開是線接觸，這時只有西魯式結(jié)構(gòu)。37M（這里的M 就是指點接觸，GB/T 8706—2017 中的表2 規(guī)定）即(1-6/12/18)首先說明這3 層鋼絲用/分開，3 層之間都是點接觸，各層鋼絲的捻角相等，但是捻距是不一樣的，基本可以說這3 層鋼絲的直徑是一樣的，數(shù)量相差6 絲[8]。

圖1 所示的2 種結(jié)構(gòu)都屬于WS，只是股中心絲不同。

圖1 組合平行捻

3 總結(jié)

起重作業(yè)中，鋼絲繩突然斷裂危害巨大，輕則物毀，重者傷人。積極探索鋼絲繩使用壽命延長的方法，促進(jìn)安全生產(chǎn)水平的提高，有效保護(hù)鋼絲繩，是平時工作中的重點。隨著工業(yè)化生產(chǎn)程度的加大，起重機工作級別的提升，對起重機用鋼絲繩及維護(hù)的要求越來越高。這一標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布規(guī)范了鋼絲繩生產(chǎn)單位和使用單位的標(biāo)準(zhǔn)，有力地推動了起重機的安全使用水平，對起重機用鋼絲繩乃至起重機行業(yè)的發(fā)展意義深遠(yuǎn)。當(dāng)前，如何切實落實好這一標(biāo)準(zhǔn)各項要求，將是下一步需加快研究完善的重要課題。