回收艙垂掛吊索鋼絲繩的研制

張家琦馬 逵 趙良松

（1貴州鋼繩股份有限公司，貴州 563000）

（2北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

某型號回收艙在軌道上經調姿制動后再入地球大氣層，經氣動加熱燒蝕后，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，主傘將預埋在回收艙防熱環(huán)內的垂掛吊索拉出，回收艙由單點吊掛的姿態(tài)轉換為雙點吊掛，為回收艙最后的著陸緩沖作準備。在距地面約2m時，反推發(fā)動機工作，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，垂掛轉換時，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程有摩擦，因此承力的部件應采用能耐受高溫和摩擦的鋼絲繩；因使用中鋼絲繩會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；同時受垂掛吊索安裝空間限制，垂掛吊索結構件的尺寸很小，要求垂掛吊索用鋼絲繩必須有很高的強度和足夠的韌性、塑性。

分析回收艙的故障模式，垂掛吊索屬于單點故障產品，如果在垂掛轉換時，垂掛吊索斷裂，無法轉入備份系統(tǒng)，回收艙會以單點吊掛的姿態(tài)下降，當反推發(fā)動機工作后，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 吊索鋼絲繩設計要求及分析

根據吊索鋼絲繩的使用環(huán)境，對吊索鋼絲繩提出了設計要求，具體如下：1）原材料采用不銹鋼；2）吊索鋼絲繩表面應光亮，無氧化斑點；3）確定了吊索鋼絲繩公稱直徑，公差為負公差；4）和垂掛吊索中的滑輪配合進行雙根拉斷試驗，破斷拉力不小于某值；5）吊索鋼絲繩強度（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程中的重點及難點問題，在研制開始前，對上述設計要求進行了分析。首先，對于高強度鋼絲繩而言，國內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，但若在研制過程中涉及熱處理工藝，則需要考慮吊索鋼絲繩高溫時的保護。第三，直徑采用負公差，雖然和通用要求不一樣（通用要求一般是正公差），但比較容易實現。第四，和垂掛吊索滑輪配合進行雙拉試驗是對鋼絲繩的特殊要求，吊索鋼絲繩的彎曲半徑很小，輪繩比為5.27∶1，而標準 CB/T153-1995[1]和標準 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遠小于上述標準規(guī)定，因此會導致吊索鋼絲繩的破斷拉力損失增大，安全裕度降低，如何減小強度損失成為吊索鋼絲繩設計時應重點考慮的問題。第五，吊索鋼絲繩強度要求不小于1 094.4MPa，而GB/T9944-2002[3]中6×19S+IWS結構吊索鋼絲繩的強度最大為788.7MPa，怎樣提高吊索鋼絲繩強度，也是吊索鋼絲繩設計時須重點考慮的問題。

3 吊索鋼絲繩的結構設計與分析

3.1 結構設計影響因素

吊索鋼絲繩是由一定數量的細鋼絲捻成股，再由股圍繞繩芯捻成繩。所以吊索鋼絲繩的結構設計主要是吊索鋼絲繩中鋼絲繩股的數目、捻向、捻距以及繩股內的鋼絲數目、直徑大小及排列方式等參數的優(yōu)化。這些參數直接影響吊索鋼絲繩的性能和使用壽命。

在進行吊索鋼絲繩的結構設計時，應充分考慮以下3點：

1）優(yōu)先選擇線接觸結構的鋼絲繩，因為線接觸結構的鋼絲繩與點接觸結構的鋼絲繩相比，破斷拉力可以提高10%以上。在線接觸結構的鋼絲繩中，首選充滿率更高的結構形式的鋼絲繩。這種結構的鋼絲繩不僅在股內各層絲之間呈線接觸狀態(tài)，各股之間也呈線接觸狀態(tài)，對提高鋼絲繩的有效金屬面積更加有利。采用這種結構設計的最終目的是通過盡可能地增加鋼絲繩有效金屬面積來提高鋼絲繩破斷拉力。

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

3）為適應雙拉破斷拉力試驗時鋼絲繩彎曲半徑過?。摧喞K比過?。┑囊?，考慮選擇多絲的結構類型，從而降低吊索鋼絲繩實際受力時的破斷拉力損失。

3.2 結構設計方案

根據吊索鋼絲繩的技術要求，共設計了3種結構類型方案，不同方案吊索鋼絲繩結構如圖1所示，相關技術參數見表1。

圖1 3種方案的吊索鋼絲繩結構示意圖

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3.3 方案對比

分析表1中的數據，不難發(fā)現在3種吊索鋼絲繩結構設計方案中，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度的調整，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%。由于結構設計過程中采用了精細化的配絲原則，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增加了2.93%。所以，初步比較后，選擇CFRC結構形式的鋼絲繩。

根據吊索的具體使用狀況，要求選用外層鋼絲較粗的結構，經比較最終確定為方案Ⅲ的CFRC8×17S﹢IWS結構，因為與CFRC8×19W﹢IWS型結構的鋼絲繩相比，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)的時刻，吊索鋼絲繩會和防熱環(huán)摩擦，在這種情況下，前者的性能將明顯優(yōu)于后者。

4 吊索鋼絲繩的生產工藝研究

4.1 鋼絲抗拉強度的確定

一般來說，鋼絲抗拉強度越高，鋼絲的韌性、塑性越差。對于直徑小于0.4mm的鋼絲，通常采用打結率這一指標來表征其韌、塑性。打結率定義為鋼絲打結拉斷力與鋼絲不打結拉斷力之比，打結率越高，表明鋼絲的韌性、塑性越好，反之亦然[4]。

2.1 DC細胞免疫表型及形態(tài) 誘導第3、5、8天時DC細胞CD1a、CD80、CD83、CD86及HLA-DR免疫表型表達逐漸遞增，到第8天時達到高峰，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表1。經Gm-CSF、IL-4誘導成熟后，Giemsa染色可見胞核靠近胞膜，細胞表面有樹突狀突起，胞質內空泡增多，細胞呈現出典型的DC形態(tài)特征，見圖1（封二），結合流式免疫表型分析，證明成功誘導了DC細胞。

取強度為1 900MPa～2 760MPa的不銹鋼絲，實測其打結率，強度與打結率的關系如圖2所示。

圖2 鋼絲的強度與打結率的關系

從圖2中可以看出，當強度大于2 490MPa時，鋼絲的打結率低于60%。研究中，確定其公稱抗拉強度為2 160MPa，實際控制的強度在公稱值負偏差50MPa、正偏差300MPa的范圍內。這樣既能滿足鋼絲的強度要求，又確保打結率不低于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理論計算的總破斷拉力為32.801 6kN，但是，由于在合股、成繩的過程中，會導致各絲、各股張力不一致，吊索鋼絲繩破斷拉力達不到這一理論計算值，為盡量提高吊索鋼絲繩最小破斷拉力，工藝設計時需要精心調整各絲、各股的張力，使之張力盡可能一致。該結構吊索鋼絲繩屬于多層結構，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，要精心調整相關的變形工裝卡具，以減輕對吊索鋼絲繩的損傷。

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行張力控制有所提高，但仍不滿足設計要求1 094.4MPa，必須采取其它措施進一步提高強度。

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，通過不同的途徑（即通過時效進行沉淀強化處理后），可以使不穩(wěn)定的奧氏體組織轉變?yōu)榈吞捡R氏體組織，從而具有較高的抗拉強度、良好的韌性和塑性，以及良好的綜合機械性能。沉淀硬化不銹鋼是鐵-鉻-鎳合金，為了提高強度和韌性，需在時效處理過程中形成沉淀相。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程[5-7]。經時效處理的不銹鋼作為超高強度的材料已經在核工業(yè)、航空和航天工業(yè)中得到比較廣泛的應用。

據此，筆者認為有必要在吊索鋼絲繩的生產工藝中利用不銹鋼的沉淀強化效應，即在成繩后對吊索鋼絲繩采用沉淀強化處理。分別調整處理時間和處理溫度這兩個影響時效處理的最主要參數進行不銹鋼的沉淀硬化試驗。

（1）處理時間對強度的影響

圖3 處理時間—破斷拉力之間的關系

（2）處理溫度對強度的影響

在上述確定的處理時間下，調整處理溫度來摸索最佳范圍，試驗溫度范圍為605℃～695℃，樣件進行單拉、雙拉試驗，單拉指常規(guī)的單根鋼絲繩測量破斷拉力，雙拉是鋼絲繩繞過一垂掛吊索滑輪后雙根測量破斷拉力，試驗結果見圖4。

圖4 處理溫度—破斷拉力之間的關系

從圖4可以看出，在處理時間為180s時，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化處理時提高30.65%～34.52%，完全可以滿足吊索鋼絲繩技術要求。

4.4 保護氣體的選擇

綜合考慮吊索鋼絲繩使用時具體工況和儲存情況，排除了采用氨分解方法產生的氮氣作為保護氣體的方案，優(yōu)先選擇惰性氣體氬氣作為時效處理沉淀強化時的保護氣體。

4.5 樣品的測試結果

為驗證理論設計的正確性，共進行了3次實驗室試制，這3次的試制，確定和驗證了鋼絲繩的結構和生產工藝參數，同時也為設計一條集捻繩、表面處理、烘干、時效處理、卷取為一體的連續(xù)生產線確定了必須的生產工藝參數。試制產品的測試結果見表2。

表2 試制產品的測試結果

對鋼絲繩的整繩破斷拉力試驗的試樣進行仔細觀察，發(fā)現鋼絲繩的破斷部位在試驗的有效范圍內，單根破斷拉力的鋼絲斷口大多數有頸縮現象。雙根破斷拉力的鋼絲有30%左右的鋼絲出現了45°無頸縮斷口現象。對45°無頸縮斷口現象進行分析后，認為是由于進行雙根鋼絲繩拉伸時所經過的滑輪直徑太?。ㄝ喞K比5.27∶1）所致，在正常情況下CFRC型結構的鋼絲繩其輪繩比需達到15以上，但雙拉試驗中滑輪直徑太小，導致輪頂端的鋼絲擠壓受剪斷裂，而不是拉斷。

根據最后兩次試制的結果，吊索鋼絲繩的設計要求全都滿足，驗證新的連續(xù)生產線是成功的。在此生產線上，可以鎖定最佳的生產工藝范圍為：時效沉淀強化處理溫度655℃～665℃；時效沉淀強化處理時間180s。在此條件下，產品能夠滿足吊索鋼絲繩規(guī)定的技術要求。

5 結束語

文章通過對回收艙用吊索鋼絲繩的特殊使用條件進行深入分析，研究了吊索鋼絲繩的結構設計方案以及生產工藝條件，最后通過試驗驗證了理論設計的正確性，為以后的批量化生產提供了充分的依據。以下幾點有重要工程價值：

1）為滿足鋼絲繩韌性、塑性要求，給出了鋼絲強度強度范圍；

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系；

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

通過本文方法，可以生產出滿足使用要求的吊索鋼絲繩，但是生產效率較低，成本較高，有待進一步研究，提高生產效率，降低成本，以便該成果得到廣泛應用。

[1]江南造船廠.鋼索滑輪［S］.中國船舶工業(yè)總公司，1995.

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

[4]吳濤，余新泉，吉年峰，等.不銹鋼微絲的制備及組織和性能研究［J］.機械工程材料，2003，27（11）22-25.

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[7]付大文.馬氏體-奧氏體沉淀強化型不銹鋼0Cr16Ni6的性能試驗研究［J］.機械制造與研究，2006，35（4）70-72.