多层股抗旋转钢丝绳中心以“绳”代股背后的秘
1问题提出
多层股抗旋转钢丝绳分为合绳次数与组绳股层数一致结构和合绳次数少于组绳股层数结构2大类型，前者如18×7类、34（M）×7类钢丝绳，后者如24×7类、35（W）×7类钢丝绳，Bridon、Redaelli、Kisw-
rie、Usha martin等企业还常态化生产合绳次数少于组绳股层数且主要用于海工市场诸多非标结构多层股抗旋转钢丝绳-习。关于35（W）×7类钢丝绳，GB/T8706-2006/IS017893：20040给出结构分类原则为：组绳股3层、组绳外层股15-18根、组绳股27-40根，外层股组股钢丝5-9根且该股外层钢丝4-8根、外层绳股以外股在绳中组成瓦林吞式平行拾钢丝绳。照此规定，图1、图2钢丝绳结构当归该类。笔者在PYTHON企业产品样本中看到图3、图4钢丝绳，从股在绳中排列直观判断，2种钢丝绳是3次合绳结构，但资料明示均为2次合绳的多层股抗旋转钢丝绳，如果将图3、图4钢丝绳中心1+3×7+3绳依次换成1×6股、1×7股，则图3、图4钢丝绳详细结构式依次变为15×6：7×6+7×6-7×6-1×6、17×7：7×7+7×7-7×7-1×7，相应结构简式则依次为37（W）×6、39（W）×7，这样图3、图4钢丝绳将依次对应图1、图2钢丝绳，也可反过来理解图3、图4钢丝绳依次是图1、图2钢丝绳中心股被1+
3×7+3绳替代后所得。考虑到GB/T8706-2006/
IS017893：2004有用组合芯代替单根钢丝芯而不改变组股钢丝层数、组股钢丝总数与增加捡股次数规定，还有资料国就相关问题进行过研究，据此推测用1+3×7+3绳代替多层股钢丝绳中心单根股也不应增加多层股钢丝绳组绳股层数、合绳次数及改变钢丝绳原结构，即图1、图3钢丝绳相同，图2、图4钢丝绳相同。对于35（W）×7类钢丝绳，无论其具体结构如何，其中心股直径本来就小，如外层15根1×7般结构简式为27（W）×7钢丝绳通常没有中心股。采用1+3×7+3绳代替单根股作为多层股抗旋转钢丝绳中心，究竟有何意义？笔者认为值得研究。特别值得一提的是以生产特种钢丝绳见长的CASAR公司，其在矿用钢丝绳（Underground Mining Ropes）资料中也展示了中心结构为“绳”的多层股抗旋转钢丝绳，如图5、图6、图7、图8。需要说明的是，由于将3×7+3结构作为独立金属绳芯已有报道5-d，故笔者将1+3×7+3这种由中心钢丝、股和填充钢丝组成结构也称为钢丝绝。
2问题研究
2.11+3×7+3绳作为中心结构对多层股钢丝绳钢丝总面积的影响不明显
假定股在绳中、钢丝在股中处于非捡制状态，图3
与图1相比、图4与图2相比，组绳钢丝总面积降幅依次约为0.50%、0.70%。虽然单从中心结构看，
1+3×7+3绳钢丝总面积显著小于1×6股、1×7般钢丝总面积，但由于多层股钢丝绳中心结构本身钢丝总面积占组绳钢丝总面积的比例小，这就决定了用1+3×7+3绳分别代替1×6股、1×7股作为钢丝绳中心并不会对组绳钢丝总面积产生值得关注的影响，即意味着用钢丝绳代股作为钢丝绳之中心不会明显影响钢丝绝破断拉力与单位长度重量等性能参数，这也是将图3、图4钢丝绳仍然认为是2次合绳钢丝绳之根本。
2.21+3×7+3绳中中心钢丝与填充钢丝
2.2.1中心钢丝有利于使钢芯股保持一定间隙同层股（钢丝）数目越少，则相应中心股（中心钢丝）直径就越小。假设股在绳中、钢丝在股中均处于非捻制状态，对于1+3×7+3绳，中心钢丝直径约是1×7股直径的1.55%，中心钢丝面积占1+3×7+3绳钢丝总面积约为0.78%，从这2个数据看，中心钢丝的有无似乎无关紧要，其实这是不全面的。因为保持股中同层钢丝、绳中同层股间有合理间隙已经是高质量钢丝绳结构参数设计公开的技术秘密。如果中心结构为3×7+3，则会导致3根1x
7股间无间隙，这对中心结构寿命将产生负面影响，并连锁影响到整个多层股钢丝绳的结构稳定性，所以，尽管1+3×7+3绳中中心钢丝直径很小，但仍然缺“1”不可，或者说“1”的保留有其值得关注的合理性。
2.2.2填充钢丝有利于增加中心结构钢丝面积如果将多层股钢丝绳中心单根股用1根中心钢丝外加3根股组成结构替代，如其为1+3×7，则与单根股相比，替代结构因为组绳只有3根股，故股与股间空隙大，这会导致用1+3×7结构替代单根股后中心结构钢丝面积显著降低而影响中心结构破断拉力。为弥补此缺陷，在股间填充钢丝不仅可能而且需要。经过计算，用1+3×7结构替代1×6股、依次约为35.78%、37.86%，用1+3×7+3绳替代后中心结构钢丝总面积则依次减小约15.78%、
18.51%，数据清楚显示出增加填充钢丝对用1+
3×7+3绳替代单根股后不至于中心结构钢丝总面积显著降低所具有的重要作用。
2.3用1+3×7+3绳代替单根股的作用
2.3.1可减小中心结构钢丝受到的挤压应力中心采用单根股无法使其外层钢丝受到挤压应力最小。实践证明，如果钢芯结构与参数设计不精细，钢丝绳使用中纲芯早期断丝将不可避免。对已服役一定时间钢丝绳拆绳即可发现钢芯钢丝表面通常存在明显压痕，这预示着钢丝受到相邻层股钢丝强劲的挤压作用，随着钢丝绳服役时间的继续延长，钢丝会断裂成小段，甚至钢芯钢丝全部断裂。国外相关企业研究资料提示，为延长钢芯钢丝疲劳寿命，采取将钢芯外股钢丝与相邻层股（或称主股）钢丝设计成近似平行几何关系的技术思路，以减小钢芯钢丝所受挤压应力，这种分析显然也可推广到用股作为钢丝绳中心的多层股抗旋转钢丝绳。当然考虑到接触位置股中钢丝走向，钢芯钢丝与相邻层股钢丝之间的平行不同于平行捻股中中心钢丝以外不同位置钢丝轴线平行或纲丝接触线平行，后者平行是连续平行而前者平行只是断续平行。值得说明的是，虽然一般钢丝绳资料显示垂直钢丝绳（股）轴线所得股（钢丝）截面是标准的椭圆形，其实这只是股在钢丝绳中或钢丝在股中处于捻制状时截面的近似形状，而理论上的股、钢丝轮廓线是卵形线]，正是因为卵形线的存在才使一定条件下独立钢丝绳绳芯（IWRC）外股外层钢丝或单根股外层钢丝与其相邻股外层钢丝在特定部位相互平行成为可能，否则如果绳中股、股中钢丝截面是标准椭圈的话，钢芯钢丝有相邻层股钢丝的只能是点接触。图1钢丝绳中由不同直径股所组成的次外层钢丝绳（7×6+7×6）
直径是由中心股与其相邻7根内层股构成内层绳（1×6-7×6）直径的1.48倍，图2钢丝绳中次外层钢丝绳直径与其内层绳直径间也存在相同的比值关系。由于外层绳股以外股构成平行捡钢丝绳，这意味着图1、图2钢丝绳内层绳拾距倍数是次外层绳拾距倍数的1.48倍。假设次外层绳捻距倍数取6.50、6.00、5.50，则内层绳捻距倍数将依次为9.62、
8.88、8.14，1×6股、1×7股假设拾距倍数取9.00、
8.50、8.00。采用文献]给出的基本公式，根据内层绳结构，即求得与假设拾距倍数对应内层绳、内层
3结语
保持组绳中心股外层钢丝受到相邻层股外层钢丝挤压应力最小，对防止中心股外层钢丝早期断裂非常重要，况且对于任何结构钢丝绳，中心股长度最短的几何特征也决定了其相对组绳其他位置股易过载。控制中心股外层钢丝与相邻层股外层钢丝接触面积大小是控制中心股外层钢丝受到挤压应力大小的关键。多层股钢丝绳中心如果继续采用单股结构，无论中心股结构如何，满足中心股外层钢丝受到尽可能小挤压应力时股捻距倍数不是过大就是过小，运超出股正常捻距倍数范围，即这种捻距倍数股其实并不具有实际使用价值。捻距倍数太小，生产效率低、钢丝性能损失大；捻距倍数过大，钢丝在股中捻制不紧密，甚至非常接近非捡制状态，这种捡距倍数股不仅不能正常捻制，也会因为结构稳定性太差而无法后续使用。对内层绳7根股，内层股结构为1×6、1×7之归属35（W）×7类钢丝绳，PY-
THON用中心钢丝、填充钢丝和股组成的1+3×7+
3绳代替常用单根股，在1+3×7+3绳及其所含1×7股掺距倍数均可在正常捻距范围情况下，辅助合理的捻法、捻向配置，1+3×7+3绳中所含1×7股外层钢丝轴线与内层绳1×6股、1×7股外层钢丝轴线在股接触部位可以实现平行，从而使替代结
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