钢丝绳和包括所述钢丝绳的组件的制作方法

1.本发明涉及钢丝绳，特别是用于正铲挖掘机和拉铲挖掘机的高性能钢丝绳，以及包括卷筒和这种钢丝绳的组件。


背景技术：

2.浸塑钢丝绳被推荐用于条件恶劣的采矿应用，在采矿应用中，绳索经受高度磨损和疲劳，特别是在正常操作期间，有磨蚀性的灰尘、污垢或腐蚀性物质有可能渗透到钢丝绳中。
3.通过特殊工艺浸渍钢丝绳，由此用热塑性密封材料填充钢丝绳中的每个股间隙，在每个股之间围绕钢丝绳的芯形成保护层。
4.塑料浸渍保护钢丝绳不受灰尘、污垢或其它腐蚀性物质影响，并且防止股之间的摩擦造成的内部磨损。因此，钢丝绳的使用寿命大大延长。此外，浸塑钢丝绳有几个优点。由于热塑料填充了钢丝绳中的空隙，所以浸塑钢丝绳的伸展性比标准钢丝绳要低得多，从而降低了其下拉能力。这对承受高扭矩的钢丝绳非常有利，因为这可以防止钢丝绳扭转散开。另一个优点是关于疲劳性能：塑料填充物降低了钢丝接触的弯曲应力，从而降低了股和芯之间的接触点处的应力集中。浸渍的塑料形成更稳定的钢丝绳，因为部件都被塑料锁定就位。最终的钢丝绳对冲击载荷的抵抗力更强，大大提高了钢丝绳的工作寿命。
5.浸塑钢丝绳适用于更极端的条件中(例如，灰尘、污垢或化学环境)。浸塑钢丝绳还经常被用于煤炭或矿石行业、打桩作业和挖掘起重两用机，以及磨损程度非常高的应用。
6.传统的钢丝绳浸塑过程没有得到很好的控制，因为难以控制如何浸渍钢丝绳。通常来说，塑料仅仅是随机地填充钢丝绳内部的空隙。在该过程中，难以避免如下情形，即：当钢丝绳在使用期间弯曲时，两个或更多个外层绳股彼此接触，或者外层绳股接触芯的外层股。在钢丝绳的使用过程中，这些接触点成为钢与钢的磨损点，导致钢丝绳的最终失效。
7.维持浸塑钢丝绳中股与股分离以及股与芯分离是相当困难的。在美国专利no.5,386,683和no.7,389,633中公开了这类方法，在该方法中，用特殊设计的塑料或纤维杆作为镶嵌件以防止外层股之间接触。此外，美国专利no.4,534,162和国际专利申请wo2016/120237公开了利用金属分隔股在外层股之间保持距离。
8.另一方面，在运输或使用钢丝绳时，钢丝绳被缠绕/弯曲在卷筒上。钢丝绳在卷筒上支承不良会导致钢丝绳的外翻以及塑料的内部剪切。这对于关键性的应用(例如正铲挖掘机和拉铲挖掘机)来说变得特别具有挑战性，因为此时钢丝绳滚筒和钢丝绳的直径比是非常不利的。因此，需要提高钢丝绳的稳定性和使用寿命。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种具有高疲劳寿命和耐磨性的钢丝绳。
10.本发明的另一个目的是提供一种具有稳定的塑料护套和延长的使用寿命的钢丝绳。
11.本发明的再一个目的是提供一种适合用于严重磨损作业和关键应用(例如用于正铲挖掘机和拉铲挖掘机)的钢丝绳。
12.根据本发明的第一方面，提供了一种用于正铲挖掘机和拉铲挖掘机的钢丝绳。所述钢丝绳包括：由多个芯股构成的芯；捻制在所述芯上的多个外层股；位于所述芯股和所述外层股之间的空隙中的多个分隔股；以及包围所述多个外层股、所述多个分隔股和所述芯股的塑料护套。所述多个分隔股从所述芯股延伸并且位于所述多个外层股中的每对外层股之间，从而在所述多个外层股中的所述每对外层股之间形成间隙并保持间隙。芯股是被压实的，所述芯股之间的间隙s小于所述芯股的直径的0.4％。
13.在本发明的上下文中，“分隔股”是指用作保持外层股中的每对外层股之间的间隙的镶嵌件、间隔件或分隔件。在现有技术中，分隔股或镶嵌件不同于填充物。镶嵌件的位置和作用与填充物不同。分隔股或镶嵌件位于外层股中的每对外层股之间，而填充物则填充相邻两层股之间的空隙。分隔股或镶嵌件用于保持每对股之间的间隙，而填充物通常用于填充到钢丝绳中的间隙内以使钢丝绳更圆。分隔股或镶嵌件的捻距和与其相关的层的捻距相同，而填充物的捻距和与其接触的钢丝的捻距相同。
14.在本发明的上下文中，“股”还可称为“股绳”。其通常由几根单丝构成。在本发明的上下文中，“单丝”是指单根长度不间断的钢丝。在此，长度不间断的各个钢丝不必是相同的。丝或钢丝以预定的捻距绞合以形成股或股绳。
15.多个外层股和多个分隔股可用金属或金属合金(例如铜、铝或钢)制成。优选的是，钢丝绳的所述多个分隔股的硬度低于所述多个外层股的硬度。优选的是，所述芯、所述多个外层股和所述多个分隔股均由钢制成。例如，所述芯和所述多个外层股由碳含量按重量计为0.5％至1.5％的高碳钢制成，所述多个分隔股由碳含量按重量计为0.2％至0.5％的低碳钢制成。例如，按重量计，高碳钢可具有如下成分：碳含量为0.5％至0.8％，锰含量为0.3至0.80％，硅含量为0.10％到0.50％，最高硫含量为0.05％，最高磷含量为0.05％，其余为铁和可能的微量的铜、铬、镍、钒、钼或硼。或者，按重量计，外层股的钢丝还可具有如下成分：碳含量为0.8％至1.0％，锰含量为0.5％至0.8％，硅含量为0.1％至5.0％，铬含量为0.1％至0.5％，钒含量为0.02％至0.2％，其余为铁和可能的微量元素。例如，按重量计，外层股的钢丝可具有如下成分：0.84％的碳，0.67％的锰，0.23％的硅，0.24％的铬，0.075％的钒，其余为铁和可能的微量元素。低碳钢成分是这样一种钢成分：可能除了硅和锰以外，所有元素含量按重量计低于0.50％，例如低于0.20％，例如低于0.10％。例如，按重量计，硅的含量最高为1.0％，例如最高为0.50％，例如0.30％或0.15％。例如，按重量计，锰的含量为最高2.0％，例如最高1.0％，例如0.50％或0.30％。对于低碳分隔股的实例，按重量计，碳含量最高为0.5％，例如最高为0.06％。按重量计，最低碳含量可以为约0.02％。
16.作为可选方案，所述芯和所述多个外层股由钢(高碳钢或低碳钢)制成，所述多个分隔股由铜制成。使用铜或低碳钢作为分隔股的材料，但使用高碳钢作为外层股的材料，这样做的优点是：在发生磨损时，由于这些分隔股相对较软，所以它们可以成为“薄弱”部分。这样，外层股就不会因为金属分隔股而遭受严重磨损。
17.根据本发明，钢丝绳的外层股之间的分隔件是股的形式，这种股允许塑料绕过分隔股，从而塑料不会被分隔件或镶嵌件阻挡。塑料护套能够渗透到所述多个分隔股内。这比纤维镶嵌件有优势，因为纤维镶嵌件没有空间或没有足够的空间供塑料渗透用。
18.所述钢丝绳上的塑料护套可用选自聚酰胺(pa)，聚乙烯(pe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚丙烯(pp)、聚氨酯(pu)、聚砜(pes)、乙烯-四氟乙烯(etfe)的制造。塑料护套形成为在钢丝绳的整个外周上延伸，其厚度优选为1.0mm至2.0mm。塑料护套可采用任何合适的方法制成，优选采用挤出的方法制成。
19.通过应用分隔股，一方面提供了比塑料或纤维杆分隔件更好的耐磨性，另一方面保证了外层股之间的最小间隙，使塑料在形成护套期间更易于流动并通过分隔股，从而形成完全的塑料渗透。因此，由于塑料护套是完全渗透的，所以钢丝绳的性能得到提高。
20.另一方面，股会在股与股的接触点处形成应力集中。这会使钢丝绳的塑料发生剪切。虽然分隔股有助于提供抵抗塑料剥离的能力，但仅有分隔股是不够的。已经发现，与压实股相比，非-压实股会在股与股的接触点处产生明显的应力集中，而这会更早地对塑料形成剪切。根据本发明，为了提高对塑料剥离的抵抗能力，钢丝绳的外层股是被压实的。这在股与股的接触点处提供了平滑得多的表面，股与股的接触点是塑料失效的失效起源点。例如，根据本发明的钢丝绳的股具有中心钢丝、围绕中心钢丝的第一层钢丝、以及围绕第一层钢丝的第二层或更多层钢丝。
21.可以把芯做成尽可能抗压。为此，在钢丝绳设计中，将芯股中的间隙设置为零，并且股被压实以防止在使用中进一步下拉。但是，应当注意的是，由于股的螺旋角不是完美的圆形或者股的半径沿股的长度是有偏差的，所以钢丝绳的芯的股之间的间隙并不始终为零，而是可以稍大于零。钢丝绳的芯的股之间的间隙小于芯股的直径的0.4％，例如小于芯股的直径的0.2％，优选小于芯股的直径的0.1％，更优选小于芯股的直径的0.05％，最优选为差不多零。这种设计并不常见，因为大多数钢丝绳设计者为芯股留出一些间隙，以使芯股能够移动并且不相互摩擦。已经发现，围绕芯的股的塑料浸渍能够保持股分开足够的距离，从而当芯股的间隙被设成零时，不会出现钢丝断裂或者内部磨损。这些特征使得钢丝绳具有抗压性，并且该技术方案在塑料护套的完整性方面取得了非常积极的改善。
22.根据本发明，所述芯的捻距优选短于所述外层股的捻距。钢丝绳负载时会伸长。对于挖掘机或拉铲挖掘机的钢丝绳来说，当其负载到其破断力的30-40％时，伸长率为约2％。在钢丝绳内有三种主要的元件：芯，其捻距短于外层股的捻距；分隔股，其位于主股下面的间隙内，并且其捻距等于外层股的捻距；以及主外层股。所述伸长是由各个钢丝的拉长、捻距的延伸以及钢丝绳的下拉造成的，钢丝绳的下拉减小了螺旋直径并延长了钢丝绳的长度。芯的捻距较短允许芯中的钢丝的伸长量保持为与外层股中的钢丝的伸长量类似。
23.外层股之间的间隙可以为外层股的直径的4％至8％。由于钢丝绳的弯曲和负载性质，股间隙必须足以允许股间隙在负载时缩小，但不能让股发生接触。如果股发生接触，那么股之间的塑料膜就会被切断，外护套就会剥离。
24.多个外层股和多个分隔股均可具有几乎圆形的横截面。优选的是，多个外层股可以是一样的，并且多个分隔股可以是一样的。所述多个外层股的直径与所述多个分隔股的直径的比值为3至10，例如6至10，例如5至8。该比值的作用是控制外层股之间的间隙的大小和钢丝绳中的金属填充率。
25.例如，所述多个外层股的直径为2至40mm，例如10至30mm，或15至25mm。所述钢丝绳的直径为5至200mm，例如10至100mm，或30至50mm。可以特别为大直径的钢丝绳使用金属或钢增强的分隔股，在此，分隔股和钢丝绳之间的间隙相当大(例如约1mm，约2mm或更大)，因
此塑料能够更容易地围绕分隔件流动。对于中-小直径的钢丝绳来说，当需要以全浸渍的方式形成护套时，这也是非常重要的。为了让塑料在形成护套期间能够良好的流动，需要有个最小间隙。如果间隙太小，那么就需要非常高的压力。通过使用分隔股，保持了外层股之间的间隙，使得塑料仍然可以通过。即使对于具有带涂层的芯股的钢丝绳来说，这也是个重要的优点。
26.优选的是，所述分隔股的弹性模量低于所述外层股的弹性模量，所述分隔股的弹性极限高于所述外层股的弹性极限。分隔股的捻距与外层股的捻距相同，由于其螺旋直径较小，所以分隔股抵抗钢丝绳拉伸的能力较弱。它们仍然有相同的拉伸量，因此更多的拉伸被转换成钢丝的延长。如果钢丝绳在受到冲击载荷时延长量太高，那么分隔股中的钢丝就会屈服并且永久拉伸。这会导致分隔股移动到钢丝绳外面去。弹性极限是个应力值，超过该应力值后，材料就不再有弹性行为，而是变成永久变形。优选的是，基于钢丝绳的尺寸，分隔股的钢丝的弹性极限比芯和外层股的钢丝的弹性极限高至少10％。更优选的是，分隔股的钢丝的弹性极限比芯和外层股的钢丝的弹性极限高30％。
27.根据本发明，所述外层股优选具有瓦林吞-西鲁式结构。对于瓦林吞式结构，以1 n (n n)来表示各层的钢丝数量，次最外层的钢丝有两种尺寸，一种尺寸大，另一种尺寸小。次最外层的钢丝的数量为内层的钢丝的数量的2倍，通过大尺寸钢丝和小尺寸钢丝的组合来将钢丝之间的空间保持得很小。对于西鲁式结构，以1 n n来表示各层的钢丝数量，并且内层和外层的钢丝的数量是一样的。外层的钢丝完全配合到内层的钢丝所形成的沟槽里。与其它的平行捻制的钢丝相比，西鲁式钢丝绳的外层钢丝更粗，因此其性能更优越，特别是在耐磨性方面。瓦林吞-西鲁式结构是瓦林吞式结构和西鲁式结构的组合，其中次最外层包括一种大直径钢丝和一种小直径钢丝，并且次最外层的钢丝的数量是内层的钢丝的数量的2倍，这种结构的耐疲劳性极佳。其柔性也非常好，耐磨性也很优良，因此得到广泛应用。例如，所述外层股具有36根钢丝结构(1，7，7 7，14)，31根钢丝结构(1，6，6 6，12)或49根钢丝结构(1，8，8，8 8，16)。
28.当承受重负载时(例如在露天采矿应用中)，与其它结构(例如西鲁式结构)相比，瓦林吞-西鲁式结构更有优势。西鲁式填充结构的股在重负载时接近屈服点。当钢丝直径的差异较大时，就像在西鲁式填充结构中那样(在美国专利no.4,534,162中公开)，直径小的填充钢丝容易屈服并拉伸。然后，这些直径小的填充钢丝会弹到股的外面去，不会对钢丝绳的拉伸起作用了。
29.通常来说，钢丝绳中的股越多，钢丝绳的柔性越好。股越少，钢丝绳越坚固。作为一个优选实例，所述钢丝绳具有8根外层股。更优选地，所述外层股还是压实的。
30.根据本发明的第二方面，提供了一种用于正铲挖掘机或拉铲挖掘机的卷筒和钢丝绳组件。在这种组件中，前面描述的根据本发明的钢丝绳弯曲或缠绕在卷筒上。卷筒的直径为d，钢丝绳的直径为d，比值d/d为20:1至40:1，例如20:1至30:1。例如，挖掘机的钢丝绳卷筒的直径为1700mm，弯曲在该钢丝绳卷筒上的相应挖掘机钢丝绳的直径为72mm。比值d/d为24。正铲挖掘机或拉铲挖掘机的钢丝绳要承受非常高的冲击载荷。钢丝绳中的工作应力高达最小破断力的35％。此外，卷筒上的支承沟槽可能非常浅。这些条件导致了特殊的失效模式，这在其它钢丝绳应用中是看不到的。这些特殊的失效模式是：钢丝绳内的内部接触应力高；滚筒对钢丝绳的支承差，导致钢丝绳外翻和塑料的内部剪切；钢丝绳和滚筒之间的高压
应力导致塑料变形。虽然围绕所述多个外层股、所述多个分隔股和所述芯股的塑料护套可以变形，但根据本发明的钢丝绳在上述条件下的使用寿命长。在用于正铲挖掘机或拉铲挖掘机时，该卷筒和钢丝绳组件表现出良好的性能。
附图说明
31.通过结合非限制性实例和附图来阅读下面的详细描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
32.图1示意性地示出了根据本发明的钢丝绳的实例。
具体实施方式
33.图1示出了本发明的钢丝绳的结构。钢丝绳的直径为72mm，其构型为ep8xk36ws iwrc(1,6,8 8)。在此，ep是指由聚合物覆盖的钢丝绳。钢丝绳具有8个压实的外层股，每个外层股具有组合平行捻的36根钢丝，用8xk36ws来表示。芯是是独立的钢丝绳(iwrc)。钢丝绳的整体结构表示为1 6 (8 8)，外层有两种绳股，一种直径大，另一种直径小，即这是一种平行捻股结构，外层由交替的大直径绳股和小直径绳股构成。
34.如图1所示，钢丝绳10具有独立的钢丝绳芯(iwrc)12。独立的钢丝绳芯12是由同样绳结构的7个芯股14制成的钢丝绳。每个芯股14都是压实的。此外，所述芯股之间的间隙小于芯股半径的0.03，但在钢丝绳设计中，芯股14之间的间隙设置为零。
35.有8个分隔股16和8个压实的外层股18，它们是用钢制造的，捻制在独立的钢丝绳芯12上。分隔股16设置在压实的外层股18之间，以便在每对压实的外层股18之间形成间隙。
36.钢丝绳10被塑料护套19包围。优选的是，塑料护套19用聚丙烯制成，并且优选通过挤出的方法制造。塑料护套19被挤出以在钢丝绳的整个外周上延伸，其厚度为1mm至2mm，例如1.50mm。
37.这种钢丝绳可缠绕在直径低至1700mm的钢丝绳卷筒上。该用于正铲挖掘机或拉铲挖掘机的钢丝绳具有相当长的使用寿命。