礦井提升鋼絲繩整繩破斷試驗(yàn)方法研究

曾懷靈

(1.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.金屬礦山安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012)

0 引言

鋼絲繩是由高強(qiáng)度的鋼絲編繞制成，具有承載能力強(qiáng)、自重輕、彈性好、工作平穩(wěn)可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、高層建筑、交通運(yùn)輸、港口等各個(gè)領(lǐng)域。在礦井提升中，提升機(jī)屬于礦井設(shè)備的四大件之一，鋼絲繩是關(guān)鍵部件，其質(zhì)量與安全系數(shù)特別重要，在礦井的安全生產(chǎn)中占有很重要的地位，直接關(guān)系到礦井能否正常生產(chǎn)以及人員的生命安全[1]。為了確保礦井提升安全，國家、煤炭行業(yè)以及安全生產(chǎn)行業(yè)都出臺(tái)了礦用鋼絲繩相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如GB/T 33955-2017《礦井提升用鋼絲繩》[2]、AQ 2026-2010《金屬非金屬礦山提升鋼絲繩檢驗(yàn)規(guī)范》[3]、MT/T 716-2019《煤礦重要用途鋼絲繩驗(yàn)收技術(shù)條件》[4]等。而鋼絲繩整繩破斷拉伸試驗(yàn)是考核鋼絲繩股和合繩質(zhì)量的重要手段，是拆股鋼絲拉、彎、扭的力學(xué)性能試驗(yàn)所不能代替的。單絲拉力試驗(yàn)計(jì)算出的單絲破斷拉力總和往往大于整繩破斷拉力值，而整繩破斷拉力值的大小其實(shí)更符合實(shí)際使用的情況。AQ 2026-2010《金屬非金屬礦山提升鋼絲繩檢驗(yàn)規(guī)范》規(guī)定：新鋼絲繩的破斷拉力檢驗(yàn)應(yīng)優(yōu)先采用整繩破斷拉力的方法檢驗(yàn)和考核。MT/T 716-2019《煤礦重要用途鋼絲繩驗(yàn)收技術(shù)條件》規(guī)定：仲裁試驗(yàn)時(shí)，鋼絲繩破斷拉力應(yīng)規(guī)定為鋼絲繩最小拉力。因此，為保證礦井提升安全，對(duì)礦井提升鋼絲繩進(jìn)行整繩破斷拉力試驗(yàn)具有特別重要的意義[5]。

本文在礦井提升鋼絲繩檢測(cè)檢驗(yàn)實(shí)踐基礎(chǔ)上，通過對(duì)GB/T 8358-2014《鋼絲繩 實(shí)際破斷拉力測(cè)定方法》[6]中鋼絲繩整繩破斷拉伸試驗(yàn)方法的分析比較，探索出了一種改進(jìn)的礦用提升鋼絲繩整繩破斷拉力試驗(yàn)方法——巴士合金澆注法。

1 鋼絲繩整繩破斷試驗(yàn)方法

目前，對(duì)礦用鋼絲繩進(jìn)行整繩破斷拉力試驗(yàn)，國際上多采用ISO 3108:1974[7]規(guī)定的方法，我國多采用GB/T 8358-2014《鋼絲繩 實(shí)際破斷拉力測(cè)定方法》[6]規(guī)定的方法。

鋼絲繩整繩破斷拉力試驗(yàn)是對(duì)鋼絲繩試樣施加拉力，拉伸至鋼絲繩斷裂，測(cè)定鋼絲繩的實(shí)際破斷拉力，或者試驗(yàn)至規(guī)定拉力值[8]。

鋼絲繩整繩破斷拉力試驗(yàn)方法主要有合金澆注法、樹脂澆注法、套管壓制法、纏繞法和直接夾持法5種方法。GB/T 8358-2014規(guī)定：合金澆注法適用于鋼絲繩直徑不小于6 mm或鋼絲直徑不小于0.5 mm的鋼絲繩；樹脂澆注法和套管壓制法適用于所有類型的鋼絲繩；直接夾持法適用于單股鋼絲繩，也適用于其他結(jié)構(gòu)的鋼絲繩；纏繞法適用于直徑不大于20 mm的鋼絲繩。但無論采用哪種方法，鋼絲繩試樣制備既要滿足標(biāo)準(zhǔn)通用要求，還要滿足其特殊要求。

1.1 合金澆注法

合金澆注法是將試樣兩端捆扎后，端部鋼絲散開、清洗干凈，再用低熔點(diǎn)的熔融合金澆注，冷卻至常溫后，在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的方法[8]。此方法要求試樣兩端頭制成帚頭狀，對(duì)于纖維芯鋼絲繩應(yīng)將纖維芯切至捆扎處；可對(duì)打散裸露的鋼絲彎曲成鉤型，但不能對(duì)其進(jìn)行校直；可清除帚頭鋼絲表面油污，也可沾浸少量助鍍劑，但不得損傷鋼絲表面；可用鉛錫合金或其他低熔點(diǎn)合金澆注成圓錐體，但不能改變鋼絲性能。制備后的鋼絲繩試樣如圖1所示。本方法對(duì)粗直徑、可纏繞性差的鋼絲繩非常適用，并且澆注合金可重復(fù)使用，試驗(yàn)成本較低。但合金澆注法也存在操作過程復(fù)雜、影響因素多、成功率不高等缺點(diǎn)。

圖1 澆注法鋼絲繩試樣

1.2 樹脂澆注法

樹脂澆注法是將試樣兩端捆扎后端部散開、清洗干凈后，用樹脂澆注，待樹脂充分固結(jié)后，在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)的方法[8]。試樣在捆扎、頭端部打散以及表面清洗與合金澆注法一樣，僅是澆注的介質(zhì)為調(diào)制好的樹脂混合液。采用樹脂澆注法進(jìn)行整繩破斷試驗(yàn)是英國、日本、南非等國家常采用的方法，在國內(nèi)僅有少部分鋼絲繩廠家采用[8]。這主要是因?yàn)闃渲瑵沧⑿枰袑Ｓ玫乃鞴?jié)，澆注用樹脂不能重復(fù)使用，并且多為進(jìn)口樹脂，價(jià)格較高。

1.3 套管壓制法

套管壓制法是將試樣兩端頭裝上合適的金屬套管，用壓力機(jī)壓制牢固，然后在拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行整繩破斷拉伸試驗(yàn)的方法[8]。此方法適用于所有類型的鋼絲繩，但對(duì)于纖維芯類鋼絲繩，應(yīng)先將套管壓制段的纖維芯去除，并用同直徑的端部為圓錐形的鋼棒充實(shí)，再套壓。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于要求試樣長(zhǎng)度小，套壓法加工過程簡(jiǎn)單且成本較低。但在實(shí)際試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)試樣表面損傷的情況，導(dǎo)致破斷位置在套管頭部，較難準(zhǔn)確地測(cè)定其真實(shí)破斷力。并且還需要根據(jù)鋼絲繩直徑用低碳鋼、鋁合金或其他材料制作不同的套管，其內(nèi)壁還應(yīng)有倒角。

1.4 纏繞法

纏繞法是將試樣直接纏繞在纏繞試驗(yàn)輪的繩槽中進(jìn)行整繩破斷拉伸試驗(yàn)的方法[8]。此方法適用于直徑不大于20 mm的鋼絲繩，并且纏繞試驗(yàn)輪的直徑與鋼絲繩的公稱直徑之比應(yīng)不小于16，纏繞試驗(yàn)輪的繩槽直徑應(yīng)控制在鋼絲繩公稱直徑的1.06～1.10倍之間。鋼絲繩直徑過大，纏繞在試驗(yàn)輪上較困難，不易操作，且根據(jù)鋼絲繩直徑，需要配備不同輪徑、繩槽直徑的纏繞試驗(yàn)輪。纏繞法不僅有適用范圍的限制，還存在鋼絲繩纏繞固定困難、試樣長(zhǎng)度長(zhǎng)、工作效率不高等不足。

1.5 直接夾持法

直接夾持法是將試樣直接裝夾在拉力試驗(yàn)機(jī)合適的鉗口，進(jìn)行整繩破斷拉伸試驗(yàn)的方法[8]。此方法是依靠鋼絲繩表面與拉力試驗(yàn)機(jī)鉗口接觸面的摩擦力來進(jìn)行，在試驗(yàn)過程中容易夾傷鋼絲繩表面，尤其是表面層鋼絲直徑較小的鋼絲繩。直接夾持法比較適合鋼絞線及股繩等與鉗口夾具接觸面積較大、外層絲徑較粗、破斷力較小的鋼絲繩檢驗(yàn)。直接夾持法雖然操作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)周期短，但是適用范圍有限，且試驗(yàn)成功率不高。

2 巴氏合金澆注法

經(jīng)過多方面分析比較，選擇應(yīng)用最廣泛的合金澆注法進(jìn)行礦井提升鋼絲繩整繩破斷試驗(yàn)方法的研究。通過查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)，合金澆注法存在鋼絲拉脫、試樣斷股少、斷口較多出現(xiàn)在鉗口處等問題[9]。其中，導(dǎo)致鋼絲拉脫這種情況主要有拆頭鋼絲表面處理不干凈、澆注錐頭合金含量（或“拆頭”鋼絲長(zhǎng)度）不夠、澆注時(shí)合金溫度太低、澆注錐頭心部未完全冷卻、合金比例失調(diào)和鋼絲拆頭不完全等六大原因[10]。

針對(duì)合金澆注法容易出現(xiàn)試樣從合金澆注頭中脫出的現(xiàn)象，結(jié)合檢測(cè)檢驗(yàn)任務(wù)，對(duì)合金澆注法在試樣制備、澆注夾具和澆注合金上進(jìn)行了相應(yīng)的探索研究，形成了一種新型合金澆注方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了試驗(yàn)效果驗(yàn)證。由于礦山使用較多的是光面鋼絲繩，故本文僅對(duì)光面鋼絲繩的合金澆注法進(jìn)行研究。

2.1 制樣及鋼絲表面處理

按標(biāo)準(zhǔn)[6]要求將鋼絲繩試樣兩端頭制成帚頭狀，然后對(duì)試樣鋼絲進(jìn)行表面處理。光面鋼絲繩為了防銹，在捻制完成時(shí)要做浸油處理，故鋼絲表面油污比較多。因此，對(duì)光面鋼絲繩帚頭鋼絲表面采取油洗-堿洗-水洗-酸洗-浸沾助鍍劑-干燥-澆注處理。

首先利用油脂易溶于汽油和汽油易揮發(fā)的特性，對(duì)鋼絲表面用汽油進(jìn)行刷洗清除油污；油洗之后，再用溫?zé)岬囊欢舛鹊腘aOH溶液浸洗，以消除鋼絲表面硬脂酸脂油膜；再對(duì)鋼絲表面用清水沖洗掉堿性溶液，為酸洗做準(zhǔn)備；將清洗干凈的帚頭鋼絲浸泡在一定濃度的HCl溶液里，不斷攪動(dòng)鋼絲，直至鋼絲表面發(fā)黑且不出現(xiàn)麻點(diǎn)為止；然后將鋼絲浸沾在助鍍劑NH4Cl中，拿出晾干以備澆注合金。

2.2 澆注合金選擇

經(jīng)過不斷探索與反復(fù)試驗(yàn)比較，選用的澆注合金為錫基巴氏合金。這種合金的熔點(diǎn)比錫、鉛的熔點(diǎn)都低，因此在澆注時(shí)，只要溫度控制得當(dāng)，不論是粗鋼絲，還是細(xì)鋼絲，澆注合金都不會(huì)對(duì)鋼絲產(chǎn)生不利的熱影響。

2.3 澆注

考慮到在澆注的過程中熔融合金的滴漏，按照鋼絲繩直徑大小分段設(shè)計(jì)了相應(yīng)的澆注夾具。此夾具內(nèi)孔有圓弧倒角，可以與澆注的合金圓錐體一起參與整繩破斷拉伸試驗(yàn)，不會(huì)對(duì)鋼絲繩產(chǎn)生不利影響。

澆注所用的用具都要經(jīng)過預(yù)熱烘干。澆注時(shí)，要注意隔渣，澆流要均勻，不得中斷，要一次澆注完；澆注速度要掌握好，太快易出現(xiàn)縮孔，太慢易出現(xiàn)氣泡。在澆注過程中，如發(fā)現(xiàn)鑄型中的合金熔液流動(dòng)性能下降，可用氧-乙炔焰在澆注模背面均勻地加熱，以改善合金熔液的流動(dòng)性能，避免冷隔現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.4 試驗(yàn)及其結(jié)果

利用Ф30 mm的6×37S+IWR 1570型鋼絲繩，按照上述處理要求，澆注制備如圖1所示的整繩破斷鋼絲繩試樣，放置在臥式拉力機(jī)上進(jìn)行整繩破斷試驗(yàn)。

最終，試驗(yàn)測(cè)得鋼絲繩破斷時(shí)的最大拉力為732.5 kN。根據(jù)GB 8918-2006，鋼絲繩的最小破斷拉力為503.03 kN。

因此，測(cè)得的鋼絲繩整繩破斷拉力符合要求。

3 結(jié)論

通過對(duì)礦井提升鋼絲繩整繩破斷5種常用的試驗(yàn)方法進(jìn)行分析和比較，選擇應(yīng)用最廣泛的合金澆注法展開探索研究，根據(jù)GB/T 8358-2014對(duì)鋼絲繩整繩破斷試驗(yàn)的要求，探索出了一種利用巴氏合金進(jìn)行澆注制樣的方法，解決了礦井提升鋼絲繩整繩破斷拉力測(cè)定的問題，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的可靠性。