第４６卷 第６期金 属 制 品２０２０年１２月 Ｖｏｌ ４６ Ｎｏ ６ＭｅｔａｌＰｒｏｄｕｃｔｓＤｅｃｅｍｂｅｒ２０２０ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－４２２６．２０２０．０６．００１
刘 祥１，２， 姚利丽１，２， 周 洁１，２， 朱晨露１，２， 陈长新１，２， 石荣珠１，２
（１．江苏兴达钢帘线股份有限公司， 江苏 泰州 ２２５７２１；
２．江苏省结构与功能金属复合材料重点实验室， 江苏 泰州 ２２５７２１）
摘要：研究影响钢丝绳疲劳性能的主要因素，引入钢丝绳弯曲疲劳试验方法，结合钢丝绳生产的实际问题，重点研究了制绳用钢丝的镀层、压缩率及钢丝绳的工艺参数等因素对疲劳性能的影响，并提出改善钢丝绳疲劳性能的技术措施。研究表明：钢丝电镀纯锌层面质量在１２～６０ｇ／ｍ２，拉拔生产的钢丝亨特疲劳在１２００ＭＰａ下可达到１０万次以上，比未镀锌钢丝明显提高，但锌层过厚也会降低钢丝疲劳性能。对于７×７－ ２．０ｍｍ结构钢丝绳，用锌层面质量为１２ｇ／ｍ２薄镀层钢丝生产的钢丝绳弯曲疲劳次数比用１１８ｇ／ｍ２厚镀层钢丝生产的钢丝绳弯曲疲劳次数提高了近１０％。 关键词：钢丝绳；疲劳性能；压缩率；捻距
中图分类号：ＴＧ３５６．４＋５ 文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇｆａｃｔｏｒｓｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅ
ＬｉｕＸｉａｎｇ１，２，ＹａｏＬｉｌｉ１，２，ＺｈｏｕＪｉｅ１，２，ＺｈｕＣｈｅｎｌｕ１，２，ＣｈｅｎＣｈａｎｇｘｉｎ１，２，ＳｈｉＲｏｎｇｚｈｕ１，２
（１．ＪｉａｎｇｓｕＸｉｎｇｄａＳｔｅｅｌＣｏｒｄＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａｉｚｈｏｕ２２５７２１，Ｃｈｉｎａ；
２．ＪｉａｎｇｓｕＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＳｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭｅｔａｌＭａｔｅｒｉａｌｓＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，Ｔａｉｚｈｏｕ２２５７２１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅ，ｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅｉｓｉｎ ｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｐｒａｃｔ
检修口盖板ｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｗｉｒｅｒｏｐｅｃｏａｔｉｎｇ，ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅｏｎｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅｉｓｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｗｓｔｈａｔｍａｓｓｑｕａｌｉｔｙｏｆｓｔｅｅｌｗｉｒｅｐｕｒｅｚｉｎｃｐｌａｔｉｎｇｌａｙｅｒｉｓ１２～６０ｇ／ｍ２，ａｎｄｈｕｎｔｅｒｆａｔｉｇｕｅｏｆｓｔｅｅｌｗｉｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｒａｗｉｎｇｃａｎｒｅａｃｈｍｏｒｅｔｈａｎ１００ｔｈｏｕｓａｎｄｔｉｍｅｓｕｎｄｅｒ１２００ＭＰａ，ｗｈｉｃｈｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈａｔｏｆｕｎｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｔｅｅｌｗｉｒｅ，ｂｕｔｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｔｅｅｌｗｉｒｅｃａｎａｌｓｏｂｅｒｅｄｕｃｅｄｂｙｅｘｃｅｓｓｉｖｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｚｉｎｃｌａｙｅｒ．Ｆｏｒ７×７－ ２．０ｍｍｗｉｒｅｒｏｐｅ，ｔｈｅｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｉｍｅｓｏｆｗｉｒｅｒｏｐｅｐｒｏｄｕｃｅｄｏｆ１２ｇ／ｍ２ｔｈｉｎｃｏａｔｅｄｗｉｒｅｒｏｐｅｗｉｔｈｚｉｎｃｌａｙｅｒｍａｓｓｑｕａｌｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙｎｅａｒ ｌｙ１０％ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈａｔｐｒｏｄｕｃｅｄｏｆ１１８ｇ／ｍ２ｔｈｉｃｋｃｏａｔｅｄｓｔｅｅｌｗｉｒｅｒｏｐｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｒｏｐｅ；ｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｒａｔｉｏ；ｌａｙｌｅｎｇｔｈ
钢丝绳以其独特的螺旋捻制结构和良好的弹、塑性能被广泛应用于电梯、起重机、航空、重大装备、海洋工程、新能源、现代交通等各领域。钢丝绳的螺旋捻制结构复杂，且钢丝绳在使用过程中经常受到拉伸、弯曲、扭转及挤压等作用，导致一些钢丝绳没能达到其预期寿命，过早地出现损伤或破断，不仅给用户带来一定的经济损失，甚至还可能造成严重事故。钢丝绳的断裂失效是最常见也是最危险的失效形式，大部分钢丝绳的断裂失效都是疲劳断裂，因此钢丝绳的疲劳性能一直是人们广为关注的技术问题［１－４］。
疲劳性能关乎钢丝绳的使用寿命，尤其是钢丝绳的弯曲疲劳试验，根据实际现场应用情况，能够较准确地预测钢丝绳的实际使用疲劳寿命［５］，弯曲疲劳试验也是检验钢丝绳捻制质量的重要手段［６］。为更好地延长电梯用钢丝绳的使用寿命，笔者重点从制绳用钢丝的镀层、压缩率及钢丝绳的工艺参数等方面对疲劳性能的影响进行分析，并有针对性地提出改善钢丝绳疲劳性能的技术措施。
１ 钢丝绳弯曲疲劳试验方法
弯曲疲劳试验［７］是模拟钢丝绳在各种起重提
金 属 制 品第４６卷
升时的受力情况，是检测钢丝绳质量的可靠方法。研究所用的钢丝绳弯曲疲劳试验机主要部分包括固定端压板１、相对位置固定的３个辊轮２、固定导轮３、砝码４。钢丝绳弯曲疲劳试验机如图１所示。钢丝绳通过固定端压板１进行一端固定，另一端悬挂砝码４，钢丝绳中间部分绕过相对位置固定的３个辊轮２，使钢丝绳在一定负荷下进行反复弯曲变形，直至钢丝绳试样断丝或断股，检测其弯曲疲劳次数。在疲劳试验机运行过程中，实际作用到钢丝绳上的力是周期性交互变化的，这对钢丝绳疲劳性能的判
定有着至关重要的作用［８］
。
１—固定端压板；２—辊轮；３—固定导轮；４—砝码
图１ 钢丝绳弯曲疲劳试验机
Ｆｉｇ．１ Ｗｉｒｅｒｏｐｅｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ
２ 影响钢丝绳疲劳性能的因素
钢丝绳是由多根钢丝捻制而成的柔性体，其疲劳性能不仅受自身的捻制质量影响，还受制绳用钢
丝的质量影响［９］
，因为只有高质量、高韧性的钢丝
才可以获得较高的亨特疲劳性能，才能保证生产出
弯曲疲劳性能较高的钢丝绳［１０］
。
２．１ 制绳用钢丝２．１．１ 材质
盘条质量的好坏不仅影响制绳用钢丝的力学性能，对钢丝绳的疲劳寿命也有着重要的影响。刘桂
森等［１１］通过试验证实了盘条的组织及索氏体化率直接影响钢丝绳的疲劳寿命。黄忠渠［１２］的研究表
明，在相同的拉拔、捻制、合绳工艺下，钢丝完全索氏体化得到的钢丝绳疲劳寿命明显高于钢丝不完全索氏体化得到的钢丝绳疲劳寿命。盘条中Ｓ、Ｐ含量低，碳成分波动小，组织均匀稳定且索氏体化率高，则钢丝绳中钢丝内部缺陷少，疲劳裂纹不易萌生，钢丝绳的疲劳性能就越高。２．１．２ 表面质量和镀层
钢丝的疲劳裂纹大都开始于钢丝表面和次表
面，在外部载荷的作用下，表面裂纹持续向内扩展就会导致钢丝断裂。因此，钢丝表面质量对其耐疲劳
性能有着重要的影响。Ｂ
ｅｒｅｔｔａ等［１３］
的研究表明，共析钢丝的疲劳强度与表面质量有着密切的关系，钢丝表面质量越高，其疲劳强度越大，寿命越长。表面磨损、划痕、起刺等表面缺陷容易成为疲劳裂纹源，
从而降低钢丝的疲劳寿命。倪响［
１４］
对钢丝绳的弯曲疲劳试验表明，钢丝绳中钢丝表面存在磨损时，钢丝绳的断丝总数明显增多，且断丝增长率也较快。钢丝的表面磨损，使得该股部分钢丝的直径减小，在疲劳试验中，表面磨损的钢丝较其他钢丝先断裂，从而改变了该股钢丝绳的应力分布和承载能力，导致钢丝绳在表面磨损处过早报废。
表面镀层能掩盖钢丝表面的一些缺陷，因此，通常未经镀覆光面钢丝的疲劳性能比经镀覆钢丝的疲
劳性能要差［１５］
。笔者通过试验研究了电镀锌钢丝
的镀层面质量对成品钢丝疲劳性能的影响，在 １．２０ｍｍ、碳质量分数０．７２％热处理钢丝电镀不同面质量的纯锌层，性能参数见表１，利用湿拉工艺生产 ０．２１ｍｍ规格钢丝进行亨特疲劳检测。从表
１可知，随着镀层面质量的增加，钢丝亨特疲劳次数先增加后降低，呈峰值效应。钢丝电镀纯锌层面质
量在１２～６０ｇ／ｍ２，拉拔生产的钢丝亨特疲劳在
１２００ＭＰａ下可达到１０万次以上。这可能是因为厚
镀层的钢丝表面具有较多的纯锌层，而锌金属质地软、黏滞性大，在高温高压下容易和模具工作面黏
结，造成“刮锌”，影响产品质量［１６］
，所以薄镀层的钢
丝亨特疲劳比厚镀层的要好一些。经测试７×７－ ２．０ｍｍ结构钢丝绳的疲劳性能，发现用锌层面质
量为１２ｇ／ｍ２薄镀层钢丝生产的钢丝绳弯曲疲劳次数比用１
１８ｇ／ｍ２
厚镀层钢丝生产的钢丝绳弯曲疲劳次数提升了近１０％。
表１ 不同锌层面质量钢丝疲劳性能对比
Ｔａｂｌｅ１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ
ｚｉｎｃｌａｙｅｒｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎｓｔｅｅｌｗｉｒｅ
锌层面质量／（ｇ·ｍ－２）
钢丝亨特疲劳（１２００ＭＰａ）／
万次０３．７２．６２．８１２＞１０＞１０＞１０２４＞１０＞１０＞１０６０５．９＞１０＞１
０１１８２．３２．３１．８１７７
１．９
２．０
１．９
·
２·
第６期刘 祥，等：钢丝绳疲劳性能影响因素研究
２．１．３ 压缩率
拉拔时不仅要满足强度的要求，还须考虑钢丝的韧性，故应选取合适的压缩率进行拉拔。笔者对２．０５ｍｍ、碳质量分数０．７２％薄镀锌钢丝进行拉拔试验，生产不同压缩率下的钢丝，其亨特疲劳检测数据如图２所示。从图２可以看出，在１３００ＭＰａ下钢丝的亨特疲劳次数随着总压缩率的增大呈先升后降的趋势。说明总压缩率在一定的合理区间内，钢丝的弯曲疲劳次数随着总压缩率的增加而增加。许
铭锋［
１７］
的研究指出了总压缩率在９７％时钢丝的综合力学性能最佳。杨恒等［１８］
汽车尾气处理装置图的研究表明钢丝绳的
疲劳寿命随拉拔压缩率的增加先增后减，呈峰值效应，当压缩率为９６．４３％时，钢丝绳的疲劳寿命达到最佳。可见，只有合理确定拉拔时的压缩率，钢丝绳
才能获得理想的疲劳寿命。
图２ 不同总压缩率下镀锌钢丝疲劳次数对比Ｆｉｇ．２ Ｆａｔｉｇｕｅｔｉｍｅｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｇａｌｖａｎｉｚｅｄｓｔｅｅｌｗｉｒｅ
ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｏｔａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｒａｔｉｏ
２．１．４ 残余应力
在高应力水平范围内，钢丝疲劳寿命几乎不受残余应力的影响，但当应力接近疲劳极限时，疲劳寿命则明显受到残余应力和初始流变的影响。疲劳裂纹通常在钢丝表面萌生，所以表层残余应力对钢丝疲劳极限的控制显得尤为重要。残余拉应力会降低钢丝的疲劳性能，而残余压应力可提高其疲劳性能
［１９］
。矫直器的使用可以改变钢丝表面的残余应
力状态［２０］
，对钢丝的亨特疲劳性能有提升作用；也
可以消除钢丝绳中钢丝之间的应力不均，提高其疲劳寿命。
２．１．５ 钢丝绳弯曲疲劳性能对比
用两种亨特疲劳相差较大的钢丝生产的钢丝绳疲劳性能对比如图３所示。从图３可以看出，用亨特疲劳高的钢丝捻制出的钢丝绳弯曲疲劳次数明显高于疲劳低的钢丝捻制出的钢丝绳。这说明在其他
捻制工艺条件不变的情况下，钢丝的亨特疲劳在一定程度上影响钢丝绳的弯曲疲劳性能。同时，也验证了亨特疲劳高的钢丝可以捻制成疲劳性能高的钢
丝绳。
图３ ７×７－ ２．０ｍｍ结构钢丝绳弯曲疲劳性能对比Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｂ
ｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ
７×７－ ２．０ｍｍｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗｉｒｅｒｏｐｅ
２．２ 钢丝绳工艺参数２．２．１ 结构
钢丝绳的结构对其疲劳性能的影响极大，文献［７，１１，２１］指出面接触和线接触钢丝绳的疲劳性能明显高于点接触钢丝绳，主要是因为点接触钢丝绳钢丝的表面接触压力大，且钢丝在股中受到二次弯曲，强度损失大，缩短了钢丝绳的疲劳寿命。
对于结构形式类似的钢丝绳，当钢丝直径不同
时，钢丝绳的疲劳寿命也不同。钢丝绳结构相同，绳中钢丝根数越多，钢丝直径越细，弯曲所需力矩越小，韧性较大，钢丝绳的疲劳性能也较好。但对于承受外部磨损的钢丝绳，过细的钢丝通常会降低其耐
磨性［２２］
网带窑，钢丝易被磨断，从而降低钢丝绳的疲劳寿
命。针对７×７多股钢丝绳，江苏兴达钢帘线股份有限公司常规产品用碳质量分数０．６２％钢丝生产股线和钢丝绳，而采用碳质量分数０．７２％钢丝生产股线作为芯股，钢丝绳的疲劳性能提高了７．２％；另外，增加面股粗度，同时保证面丝的柔软性，使得钢丝绳耐磨性能好，对于弯曲疲劳也有较大提升。２．２．２ 捻向
钢丝绳捻向分为同向捻、交互捻和混合捻。与交互捻钢丝绳相比，同向捻钢丝绳的疲劳性能较
高［２３，２４］，这是因为同向捻钢丝绳的支撑表面大，钢
丝之间的接触较好，表面光滑、挠性好，在使用过程中，同向捻钢丝绳钢丝磨损较小。但同向捻钢丝绳
容易发生扭转和松散，结构稳定性相对较差［２５］，而
且同向捻钢丝绳没有交互捻钢丝绳的整体力学性能
好［２６］，所以同向捻并非钢丝绳合理捻向的唯一选
·３
·
择。在实际生产应用中，交互捻钢丝绳最多，同向捻钢丝绳次之，混合捻钢丝绳最少。交互捻钢丝绳的捻向又分为左交互捻和右交互捻，研究发现左交互捻（
ＳＺＳ）钢丝绳疲劳性能优于右交互捻（ＺＳＺ）钢丝绳疲劳性能，如图４
所示。
图４ ７×７结构不同捻向钢丝绳弯曲疲劳性能对比Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｂｅｎｄｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ
７×７ｗｉｒｅｒｏｐｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
２．２．３ 捻距
捻距是影响钢丝绳应力及疲劳寿命的重要因素之一，捻距过大或者过小都会降低钢丝绳的疲劳寿
命［２７］。钢丝绳捻距越大，则结构越松散，钢丝在股
中的扭转变形越小，其弹性恢复力较大，这种弹性恢复力如果得不到消除，会导致钢丝绳的疲劳性能
降低。在一定的长度内，捻距小的钢丝绳支撑表面大，
钢丝耐磨性较高，疲劳寿命会有一定的提高［２８］。但
当捻距过小时，钢丝在股中的扭转变形严重，钢丝的强度损失较多，伸长也会增大，从而使得钢丝绳的疲劳寿命降低。选择合适的捻距
［２９］
可改善钢丝绳的
应力分布，提高钢丝绳的疲劳寿命。３ 结语
影响钢丝绳弯曲疲劳性能的可变因素较多，在钢丝绳生产中无法确定单一因素的影响，测试结果往往是多种因素共同作用的结果，还有许多捻制因素需要深入探讨。研究表明：为了生产高质量、高疲劳性能的钢丝绳，不仅要控制好原材料的性能、拉拔工艺，还要采取合适的捻制工艺，才能提升钢丝绳的疲劳性能。生产中如果能建立影响钢丝绳疲劳性能的因素与提升疲劳性能的技术措施两者之间的对应关系，这对企业生产高疲劳、高质量的钢丝绳将会具有重要的指导意义。
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（下转第８页）
钢帘线
捻相同，均为０．９２２。
４ 结语
借助于概率论和可靠性理论解释了钢丝绳报废规范中可见断丝数的换算原则，即１倍捻距长度构成系统与１个连续长度为２．５个捻距长度构成的系统的可靠度相同。标准规定保证了钢丝绳在使用过程中具有很高的可靠性和安全性，此外，同向捻钢丝绳和交互捻钢丝绳具有相同的可靠性。地热电缆
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２０２０（４）：１１－１８．
（收稿日期：２０２０－０６－１０）
作者简介
孙 冠 １９８５年生，工程师，咸阳宝石钢管钢绳有限公司研发中心技术员。
沈志军 １９７９年生，高级工程师，咸阳宝石钢管钢绳有限公司研发中心主管，全国不等式研究会理事，陕西省
理化检验学会理事。
刘国瑞 １９８０年生，高级工程师，咸阳宝石钢管钢绳有限公司研发中心主任。
郭天印 １９６４年生，教授，陕西理工大学数学与计算机科学学院院长。
孙 越 １９８３年生，陕西理工大学数学与计算机科学学院讲师。
高 壮 １９８８年生，工程师，咸阳宝石钢管钢绳有限公司研发中心技术员
櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄
。
（上接第４页）
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（收稿日期：２０２０－０８－２８）
作者简介
刘 祥 １９７６年生，江苏兴达钢帘线股份有限公司高级工程师。
姚利丽 １９７６年生，江苏兴达钢帘线股份有限公司博士后科研工作站站长。
周 洁 １９８７年生，江苏兴达钢帘线股份有限公司博士后科研工作站工程师，本文通讯作者。
朱晨露 １９８８年生，江苏兴达钢帘线股份有限公司博士后科研工作站工程师。
陈长新 １９９１年生，江苏兴达钢帘线股份有限公司博士后科研工作站工程师。
石荣珠 １９８４年生，江苏兴达钢帘线股份有限公司博士后科研工作站工程师。
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