信息摘要：
1問題提出 鋼絲繩是將力學性能、幾何尺寸及表面狀態均符合要求的鋼絲，按照一定的規則及前后順序捻制在一起的螺旋狀鋼絲束，鋼絲繩主要構成材料有制繩鋼絲、繩芯和潤滑脂及涂
1問題提出
鋼絲繩是將力學性能、幾何尺寸及表面狀態均符合要求的鋼絲，按照一定的規則及前后順序捻制在一起的螺旋狀鋼絲束，鋼絲繩主要構成材料有制繩鋼絲、繩芯和潤滑脂及涂層材料等。鋼絲繩是各類起重機械不可或缺的重要柔性配件，主要用于起重提升、張拉、懸掛等。
生產鋼絲繩的目的在于滿足廣大用戶需求，用戶期待鋼絲繩使用壽命越長越好，質量穩定性及使用可靠性越高越好，單位使用成本越低越好。為了滿足用戶要求，需要確定鋼絲繩設計的基本原則，既可以用于設計鋼絲繩，也可以用于指導鋼絲繩生產創新技術的研發工作。
2鋼絲繩設計基本原則
2.1鋼絲繩失效機制及延長其使用壽命原理微動疲勞和腐蝕疲勞是在不同工況下造成鋼絲繩失效的兩個主要原因，是鋼絲繩在使用環境中受到微動磨損、疲勞、腐蝕等多因素綜合作用的結果，大氣環境中使用的鋼絲繩失效過程以微動疲勞為主，腐蝕環境中使用的鋼絲繩以腐蝕疲勞為主，如漁業用鍍鋅鋼絲繩。
顯然，微動磨損是微動疲勞的組成部分，即微動疲勞是微動磨損與疲勞的復合作用。鋼絲繩在交變應力作用下發生的初始破壞就是鋼絲表面微動磨損，微動磨損產生磨屑從鋼絲基體剝離的過程中包括黏著、疲勞、磨粒和腐蝕等多種破壞機制，這些機制的互相疊加和彼此影響使微動磨損機制復雜化。微動磨損發生過程中必然要經歷制繩鋼絲表面發生塑性變形、微裂紋萌生、擴展、相互聯通等階段，并最終造成磨屑從鋼絲基體表面脫落。
抑制制繩鋼絲微動磨損，防止腐蝕和應力集中的發生，以及減緩疲勞微裂紋的萌生與擴展速率是延長鋼絲繩使用壽命技術措施的基本原則四，鋼絲繩設計中需要遵循這些原則并在此基礎上采取相應的技術措施。
鋼絲繩結構眾多，使用過程中的鋼絲繩受力極其復雜，一根鋼絲繩內部每一個質點在同一個時間點的受力都不盡相同，且在不斷變化之中。在不能通過大幅度改變鋼絲繩結構、降低其承受應力狀況的情況下，只能借助于其他途徑延長鋼絲繩使用壽命。鋼絲繩的設計包括結構設計、力學性能設計、摩擦性能設計和防腐蝕設計等，結構設計主要是鋼絲繩的配絲計算及確定捻制參數；力學性能設計則為了保證整繩破斷拉力符合要求：摩擦性能設計和防腐蝕設計則是為了保證鋼絲繩耐磨損能力以及防腐蝕能力，以抵抗使用環境給鋼絲繩帶來的破壞，確保鋼絲繩使用壽命符合用戶要求。
2.2圓形橫斷面鍋絲充滿原別各類鋼絲繩以圓形橫斷面結構為主，僅編織制造的扁鋼絲繩是例外，但它也是以圓形鋼絲繩為基礎材料編織而成的。
鋼絲繩的主要作用是傳遞軸向拉應力，其傳遞拉應力過程是通過鋼絲完成的，因而在鋼絲繩橫斷面外接圓面積以內，鋼絲橫截面積所占比例越大，鋼絲繩能夠傳遞的拉力就越大。鋼絲繩結構及鋼絲力學性能均對整繩破斷拉力有直接影響，為了保證鋼絲繩整繩力學性能，需要綜合考慮鋼絲繩的結構與制繩鋼絲的力學性能。
鋼絲繩填充系數，也稱密度系數，是鋼絲繩中所有鋼絲橫截面積之和與鋼絲繩公稱外接圓橫截面積的比值，填充系數可以量化地表示出圓形橫斷面鋼絲充滿狀況。在設計鋼絲繩結構時，以圓形橫斷面鋼絲充滿為基本原則，盡量提高鋼絲繩的填充系數，以保證鋼絲繩能夠承受盡可能大的拉力，使鋼絲繩力學性能充分發揮。壓實類及填充式結構，都是以圓形橫斷面鋼絲充滿為目的，而在大直徑粗鋼絲繩結構設計方面還有很大潛力可以挖掘。
2.3鋼絲繩內部鍋絲表面磨損逸季最低原則鋼絲繩的磨損，包括鋼絲繩外表面的磨損及鋼絲繩內部鋼絲表面的微動磨損，鋼絲繩在使用過程中承受劇烈的擠壓和摩擦，導致鋼絲表面損傷，同時產生高溫引起的相變硬化，部分受損鋼絲橫截面積減小，承載能力降低，繼而發生斷裂四，磨損對鋼絲繩使用壽命有重要的影響。
鋼絲繩使用過程中受到交變應力作用，并在拉應力作用下發生伸長變形。當互相接觸的任意兩根鋼絲變形不同步時，它們之間將發生微動滑移，微動將造成鋼絲繩內部鋼絲表面產生微動磨損。鋼絲繩內部鋼絲之間的微動現象是維持鋼絲繩特有柔韌性的必要條件，而柔韌性是鋼絲繩使用性能的重要組成部分，所以，不能通過技術手段去除鋼絲之間的微動現象，只能采取必要的技術手段防范鋼絲表面產生微動磨損損傷。
鋼絲繩使用過程中也會與變向滑輪及卷簡發生摩擦，進而對鋼絲繩表面造成磨損，這種磨損發生在鋼絲繩外層股的外層絲可見部分。
鋼絲表面磨損的直接結果就是鋼絲繩直徑隨著使用時間的延長而逐漸減小，磨損損傷處也是疲勞裂紋源的重要萌生地，鋼絲表面的嚴重磨損會加快疲勞斷絲的產生。
鋼絲表面的磨損速率對鋼絲繩使用壽命有直接的決定性影響，降低磨損速率能提高鋼絲繩使用壽命。為了使鋼絲表面磨損速率最低，需要將摩擦學相關知識運用到鋼絲繩設計中，防止鋼絲繩發生外部及內部鋼絲表面的磨損損傷。
為達到鋼絲表面磨損速率最低的目的，可以采取的具體措施包括選用與使用環境適宜的潤滑脂、能夠對鋼絲表面給予保護的涂層材料、相互接觸鋼絲之間硬度的匹配等，其中涂層技術是防止鋼絲發生微動磨損的最重要技術手段，涂層材料應該與鋼絲基體結合牢固，耐磨損抗腐蝕，涂層只需要比較薄的厚度就能達到理想的保護效果，不能因為使用了涂層材料而降低鋼絲繩整繩破斷拉力。涂層材料必須能夠隨鋼絲一起發生一定程度的彎曲變形，并且在反復彎曲變形過程中不從鋼絲基體脫落。就目前鋼絲繩生產制造技術而言，磷化涂層鋼絲繩專利技術，尤其是錳系磷化涂層具有極強的耐磨損性能，以及良好的防腐蝕性能，錳系磷化涂層保護鋼絲表面防止微動磨損效果最好，它的疲勞壽命遠遠超越光面鋼絲繩國，涂層鋼絲繩是光面鋼絲繩的升級換代產品，涂層化是鋼絲繩制造技術的發展方向回。籃系磷化涂層鋼絲繩疲勞壽命得到大幅度的提高，就是因為錳系磷化涂層大幅度提高了制繩鋼絲表面的耐磨損能力與抗腐蝕能力，錳系磷化涂層鋼絲生產技術非常成熟而且成本低廉，該項技術具有廣闊的應用前景-。其他涂層技術還有很多，有待于進一步的研發。
2.4微裂紋萌生、擴展速車最慢原到隨時間變化的載荷稱為交變載荷，這種變化包括周期性變化與非周期性變化，鋼絲繩承受的是交變載荷，而且在鋼絲繩圍繞滑輪變向時，還要承受彎曲應力的作用，變向滑輪直徑越小，承受的彎曲應力越大。
金屬材料從發生塑性變形到結構破壞要經歷十分復雜的過程，這個過程中材料的損傷程度不斷積累并發展直至失效。金屬材料因受到力的作用而發生疲勞斷裂的過程，包括疲勞微裂紋的萌生、疲勞微裂紋的擴展、宏觀裂紋的擴展直至發生疲勞斷裂。疲勞微裂紋易產生在材料表面最薄弱處，如表面磨損損傷處、夾雜物與鋼材兩相界面處，鋼絲繩的失效過程也遵循上述規律。斷裂總是始于裂紋端的極小區域，當外載荷引起的應力在裂紋端大于內聚強度時就會發生斷裂。
鋼絲繩的捻制結構是復雜的，非專業人員很難分清其中的異同，從某個方面看，鋼絲繩結構又是極其簡單的，其主要構成材料就是鋼絲、繩芯、潤滑脂及涂層材料。鋼絲繩的斷裂過程，是在外力作用下發生的。限于鋼絲繩的結構特點，不能像普通機械零件那樣，通過大幅度改變零件結構形狀達到降低零件承受的應力，以達到減緩失效進程延長使用壽命的目的。
疲勞裂紋源易在鋼絲表面脆性夾雜物與鋼材基體兩相界面處萌生，脆性夾雜物不能傳遞鋼絲承受的拉應力，在兩相界面處的應力集中促進疲勞裂紋源的萌生。制造鋼絲繩應該選用純凈度高、脆性夾雜物含量少、脆性夾雜物粒度小的優質盤條為原料，以降低鋼絲疲勞微裂紋萌生的幾率。
晶界對微裂紋的擴展有阻礙作用，晶粒越細則晶界越多，阻礙微裂紋擴展的作用越大。鋼絲熱處理時需要注意控制晶粒度，為降低微裂紋擴展速率創造條件。
制繩鋼絲需要測試抗拉強度、扭轉及彎曲值，用以測試鋼絲在拉應力、扭轉應力及彎曲應力作用下抵抗塑性變形及破壞的能力，對應的測試結果數值越高，說明鋼絲抵抗破壞的能力越強，因此，在保證制繩鋼絲抗拉強度符合要求的情況下，盡量選用扭轉值與彎曲值高的鋼絲。為了得到高強度高韌性的制繩鋼絲，在保證鋼絲熱處理質量的前提下，制定科學合理的鋼絲拉拔工藝同樣至關重要，在選定盤條鋼號、部分壓縮率和總壓縮率時需要統籌考慮.鋼絲繩的力學性能是由鋼絲組合而成的，有高強度高韌性的制繩鋼絲，才能制造高質量的鋼絲繩。選用優質碳素結構鋼為原料，輔以科學合理的生產流程及過程控制，才能達到理想效果，在保證鋼絲繩整繩力學性能的前提下，抑制或延緩疲勞微裂紋萌生、擴展，達到延長使用壽命的目的。
2.5腐蝕這傘最低原則
鋼絲繩的主要原料是優質碳素鋼絲（不銹鋼絲繩使用不銹鋼絲）。為了得到高強度的制繩鋼絲，制繩鋼絲的冷拉總壓縮率一般大于75%，在82%-
93%的居多，這樣可以得到高強度及高韌性的最佳組合，有利于提高鋼絲繩整體使用性能。這種冷拉高強度制繩鋼絲內部已經形成變形織構，鋼絲在變形過程中承受的機械功，大部分使鋼絲變形或轉化為熱能而散失，l%-10%的能量以各種應變能的方式儲存在鋼絲中，冷拉鋼絲內部因此積蓄了很高的內能，處于熱力學上的不穩定狀態，有自發向穩定狀態轉變的趨勢，即使是在大氣環境中，也很容易發生氧化銹蝕。
在大氣環境中使用的鋼絲繩，其失效主要原因是微動疲勞，鋼絲表面的氧化銹蝕往往與磨損交替發生。海洋使用的鋼絲繩則以氯離子腐蝕為主，其主要失效原因是腐蝕疲勞。
腐蝕會導致嚴重的后果，腐蝕直接造成鋼絲橫截面積的減小，鋼絲表面的點狀腐蝕處也是疲勞裂紋源的重要萌生地。還有一個問題需要給子足夠重視，鋼絲在發生電化學腐蝕過程中，可能會有氫原子析出，進而引發氫脆。
因此，必須采取技術措施防止腐蝕的發生，使鋼絲繩腐蝕速率降到最低。除了潤滑脂具有防銹效果以外，金屬材料常用防止腐蝕的方法有采用表面涂（）層技術與表面改性技術、合理使用緩蝕劑、電化學保護、通過合金化提高材料耐蝕性等，顯然，最適合鋼絲繩的防腐蝕技術是表面保護涂皺層，目前使用最多的是熱鍍鋅及涂塑等。為了提高鋼絲繩的防腐蝕能力，需要研發防腐蝕效果更好的涂皺層技術，使用復合涂層技術可以大幅度提高鋼絲繩的耐腐蝕能力。
2.6柔翻性適中原劑
鋼絲繩的柔韌性是其使用性能的重要組成部分，尤其是一些特殊用途的鋼絲繩，需要較高的柔韌性。
鋼絲繩柔韌性是指鋼絲繩柔軟的程度，或者說是鋼絲繩彎曲變形抗力的大小，鋼絲繩的柔韌性越高就越容易彎曲變形，可以使用較小直徑的變向滑輪，以便于在較小的空間內正常使用。鋼絲繩柔韌性的主要影響因素有結構、制繩鋼絲強度等級和股繩及鋼絲繩的捻距等。一般而言，相同直徑的鋼絲繩，內部鋼絲直徑越小，則鋼絲繩柔韌性越好，麻芯鋼絲繩柔韌性好于鋼芯鋼絲繩，捻距小的鋼絲繩柔韌性好于捻距大的鋼絲繩。
使用細小直徑的鋼絲和復雜的捻制結構，可以提高鋼絲繩的柔韌性，但提高柔韌性的同時，細小直徑鋼絲組成的鋼絲繩具有更多的摩擦滑移表面，更容易發生微動磨損，磨損會降低鋼絲繩使用壽命，使用細小直徑鋼絲還會降低鋼絲繩的生產效率。通過對上述影響因素的調整，可以保證鋼絲繩的柔韌性符合用戶要求，但應堅持柔韌性適中原則。
2.7同心層鋼絲或股繩保留一定間隙原剩鋼絲繩間隙設計思想，可簡要歸納為在鋼絲繩設計時，考慮捻制生產工藝對鋼絲與股的形變影響，保持鋼絲繩中相鄰股、股中相鄰絲之間的適當間隙口。
設計鋼絲繩結構時，同心層鋼絲或股繩應保留一定間隙，這樣可以保證股繩及鋼絲繩捻制過程中外層壓緊內層鋼絲，確保股繩及鋼絲繩橫斷面結構的緊密性和穩定性叫。應該注意的是，這種預設的間隙在捻制結構中是隨機分布而不是均勻分布的，而且鋼絲或者股繩所有的表面是不能全部懸空的，也就是說鋼絲或股繩總是有一定的表面與其他鋼絲或股繩互相接觸，只要接觸表面之間有微動現象就必然引起微動磨損的發生，所以，同心層鋼絲或股繩保留一定間隙，可以確保捻制結構的緊密性和橫斷面結構穩定性，對于減緩或抑制制繩鋼絲的表面微動磨損損傷而言，意義不大。
2.8生產效季最高原別
鋼絲繩的設計，以結構及性能設計為主要任務，但也需要兼顧生產效率的提高。在保證鋼絲繩使用性能符合用戶要求的情況下，必須盡量提高鋼絲繩的生產效率，提高生產效率能夠提高產能并且降低制造成本。
生產效率可以使用多種指標來衡量。以單位時間內捻制鋼絲的重量為指標，則在生產同結構股繩或鋼絲繩時，股繩或鋼絲繩直徑越大生產效率越高：以單位時間內捻制鋼絲的表面積為主要指標，則在生產同直徑股繩或鋼絲繩時，配絲或配股越多則生產效率越高。如生產1×37（1+6+12+18）點接觸結構股繩，需要捻制三次，這種情況下則可以考慮使用1×36WS結構代替，后者可以一次捻制完成，這樣就可以提高生產效率。
點線復合結構，不僅適用于股繩結構，也適用于鋼絲繩結構，鋼絲繩捻制設備根據需要將向大型化與復合化方向發展，以進一步提高生產效率。
3結語
鋼絲繩是各類起重設備不可或缺的重要柔性配件，用戶期待鋼絲繩使用壽命越長越好，單位使用成本越低越好。設計鋼絲繩以保證鋼絲繩使用性能并盡量延長使用壽命為首要目的，需要通過技術措施抑制并推遲微動疲勞或腐蝕疲勞的發生時間。設計鋼絲繩以圓形橫斷面充滿、鋼絲表面磨損速率最低、微裂紋萌生與擴展速率最慢、腐蝕速率最低、柔韌性適中、同心層保留一定間隙及生產效率最高等為基本原則。按照以上原則設計鋼絲繩時，需要統籌兼顧，用一項技術措施同時達到多重效果是最佳方案，上述設計原則對鋼絲繩制造技術研發也有指導意義。
