CN101578415B

CN101578415B - 具有低结构延伸率的缆索

Info

Publication number: CN101578415B
Application number: CN2008800018760A
Authority: CN
Inventors: P·布吕内尔; S·旺孔佩尔诺勒; B·旺德贝肯
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert Advanced Cords Aalter NV
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2028-01-04
Also published as: CN101578415A; EP1942224A1; EP2104764A1; PL2104764T3; KR20090097186A; PT2104764E; JP2010515833A; WO2008084010A1; JP5289329B2; US20100009184A1; EP2104764B1; KR101444488B1; ES2387220T3

Abstract

本发明提供一种包括钢绳(212)和聚合物材料(215)的缆索(211)。在聚合物材料(215)渗透之前，将粘结剂涂敷到钢绳(212)的钢丝(213)上。缆索(211)具有小于0.025％的结构延伸率，以及比钢绳(212)的E模量高4％的E模量。这两项改进进一步减小了一定载荷下缆索的总延伸率。

Description

具有低结构延伸率的缆索

技术领域

本发明涉及一种缆索。更特别地，本发明涉及一种具有有限延伸率的缆索。

背景技术

缆索，特别是控制缆索，被广泛用于传递运动，比如用于窗户升降机的缆索、用于打开和闭合踏板车、自行车及其它车辆制动器的缆索。在这些应用以及许多其它应用中，都需要有限的缆索延伸率。

缆索还被广泛用作受拉构件，以加强聚合物材料，比如用于加强子午线轮胎的钢绳、用以加强传送带、正时皮带或扁平吊装带的缆索。在这些应用中，也需要有限的缆索延伸率。

一般地，现有技术缆索的拉伸曲线采取如图1所示的“曲棍球棒”曲线的形式。在初始延伸阶段，缆索的延伸率很高而张力很低，曲线相对平坦。在终止延伸阶段，缆索的延伸率几乎与缆索的张力成线性关系，如图1中的线120所示。缆索的延伸率随着张力的增加而稳定地增加。在此阶段，缆索延伸率的增长与缆索张力的增长成比例，即Δε＝Δδ/E，其中Δε为缆索延伸率的增量，Δδ为缆索张力的增量，E为缆索的模量。这被称为弹性伸长。如果我们延伸线120，使其与横坐标轴相交，则交点ε0代表缆索低的拉应力时的结构延伸率。因而，特定拉应力下的缆索延伸率可由ε＝ε0+δ/E来表示。我们由此方程可见，一定拉应力下缆索的总延伸率包括两部分延伸率：结构延伸率和弹性延伸率。

因而，有两种获得有限延伸率缆索的方法。一种方法是降低缆索的结构延伸率，而另一种方法是增加缆索的E模量，这是因为当缆索的E模量增加时，一定张力下的延伸率降低。

此外，缆索的结构延伸率ε0是不稳定且不可预估的，这是因为有大量的实际情况，比如缆索的结构、缆索细丝之间的空隙以及将缆索拧成缆时细丝的预张紧，这些实际情况决定了缆索的结构延伸率。因而缆索结构延伸率的不稳定和不可预估特性造成预测一定张力下缆索的总延伸率的问题，并导致在机器生产比如高精度正时皮带的启动过程中产生更多的废料。因而，进一步减小或几乎消除结构延伸率ε0能够提高缆索张力-延伸率曲线的可预测性，并有利于生产工艺。

WO 03044267A1公开了一种具有有限延伸率的缆索，当承受450N的力之后，在50N的恒定力下延伸率小于0.05％。这项改进是通过包括钢绳和聚合物材料的绳索来实现的。低延伸率与聚合物材料向钢绳中的渗透密切相关，但在渗透比和挤出工艺压力方面存在限制。

WO 2005043003A1公开了一种具有低结构延伸率的优质钢绳。低结构延伸率是利用特殊的成缆工艺来实现的。该特殊的成缆工艺不仅降低了成缆工艺的生产率，而且需要冗长的精细调节工序来设置细丝或股线的张力。

发明内容

本发明的一个目的是消除现有技术的缺陷。本发明的另一目的是进一步限制缆索的延伸率而不使成缆过程制造工艺复杂化。

根据本发明，提供一种包括钢绳和聚合物材料的缆索。在聚合物材料渗透之前，将粘结剂涂敷到钢绳的钢丝上。缆索具有小于0.025％的结构延伸率。此外，与裸钢绳的E模量相比，缆索的E模量增加了4％以上。这两项改进进一步减小了一定载荷下缆索的总延伸率。

作为本发明主题的缆索包括钢绳，所述钢绳又包括若干钢丝。

所述钢绳的钢丝的抗拉强度优选地高于1700N/mm²，或高于2200N/mm²，或甚至高于2600N/mm²，最优选地高于3000N/mm²或甚至高于4000N/mm²。钢丝的直径小于400μm，优选地小于210μm，最优选地小于110μm。

全部钢丝可具有同一直径。钢丝的直径也可能彼此不同。优选地，提供缆索内股线的钢丝直径大于用于构成缆索外股线或钢丝层的钢丝直径，这改善了聚合物材料向缆索空隙空间中的渗透。

钢绳具有内层或芯部，所述内层或芯部优选地为几根钢丝的股线。在这种芯部周围，布置有至少一个附加的钢制元件层。所述附加层的钢制元件可为钢丝或钢股线，所述钢丝或钢股线又包括钢丝。可使用各种各样的钢绳构造。

实例有：

-诸如m×n型的多股钢绳，即包括m股，每股有n根钢丝的钢绳，比如4×7×0.10、7×7×0.18、8×7×0.18或3×3×0.18；末尾的数字是以mm表示的钢丝直径；

-多股钢绳，包括由c根金属丝组成的芯股，以及围绕所述芯股的m根股线，每股有n根钢丝。这些钢绳在下文中被称为c+m×n型缆索，比如19+9×7或19+8×7型缆索；

-沃灵顿(Warrington)型钢绳；

-诸如1×n型的紧凑缆索，即包括n根钢丝的钢绳，n大于8，在单一步骤中以单一方向扭捻成紧凑的横截面，比如1×9×0.18；末尾的数字是以mm表示的钢丝直径；

-诸如c+m(+n)型的层状钢绳，即具有由c根细丝组成的芯部的钢绳，所述芯部被由m根细丝组成的层围绕，还可能被另一个由n根细丝组成的层围绕，比如2+4×0.18；末尾的数字是以mm表示的细丝直径。

钢绳的钢材成分优选地为普通碳钢成分，即通常包括0.40％的最小碳含量(例如至少0.60％或至少0.80％，最多为1.1％)，范围从0.10％至0.90％的锰含量以及范围从0.10％至0.90％的硅含量；硫和磷含量各自优选地保持在0.03％以下；可向所述成分中添加其他的微量合金元素，比如铬(高达0.2％至0.4％)、硼、钴、镍、钒等；当然并不排除不锈钢成分。钢丝和钢绳的生产是根据湿法拉拔然后成缆或成捆的现有已知技术来进行的。

在可选的清洗操作之后，利用从有机官能团硅烷、有机官能团钛酸盐、有机官能团锆酸盐中选出的粘结剂来涂敷到钢绳上，这些粘结剂在本领域中用于改善钢绳与聚合物材料之间粘结性是已知的。优选地，但并不排他地，所述有机官能团硅烷从以下表达式的化合物中选择：

Y-(CH₂)_N-SiX₃

式中：

Y表示从-NH₂、CH₂＝CH-、CH₂＝C(CH₃)COO-、2，3-环氧丙氧基(2，3-epoxypropoxy)、HS-和Cl-中选出的有机官能团，X表示从-OR、-OC(＝O)R′、-Cl中选出的硅官能团，其中R和R′单独从C1～C4烷基、优选地从-CH3和-C2H5中选择；且n是介于0与10之间的整数，优先地从0至3。

除了上述有机官能团硅烷之外，市场上可以购买到其它钢-PU粘结剂。它们以Chemosil(由德国公司Henkel制造)和Chemlock(由Lord公司制造)的名称来销售。

用于本发明的聚合物材料可为任意弹性体材料，其可用足够粘结性方便地施加到钢绳上。更优选地，可使用热塑性弹性体(TPE)。非限定性的例子有聚苯乙烯/弹性体嵌段共聚物、聚氨酯(PU)或聚氨酯共聚物、聚酰胺/弹性体嵌段共聚物、热塑性硫化橡胶。优选地使用热塑性聚氨酯。可以使用酯、醚或碳酸酯聚氨酯的均聚物以及共聚物或共混聚合物。优选地，聚合物材料具有在30A与90D之间变化的肖氏硬度。

作为本发明主题的缆索的聚合物渗透比大于70％，且优选地大于90％。用于构成本发明主题缆索的钢绳包括若干钢丝，这些钢丝利用钢绳构造来转变成钢绳。由于钢绳的构造，在缆索钢制元件的钢丝之间形成空隙空间。在钢制元件之间也形成空隙空间。下文中使用的“空隙空间”应理解成位于环绕钢绳径向横截面的假想圆以内的、未被钢材占据的钢绳径向横截面上的所有区域。因此，本发明的缆索的聚合物渗透比定义为被聚合物填充的空隙空间与未被钢材占据的空隙空间的百分比。

本发明的聚合物涂层的厚度小于100μm，且优选地小于10μm。用于构成本发明主题缆索的钢绳的光学直径是环绕钢绳径向横截面的最小假想圆的直径。本发明的缆索的光学直径是环绕缆索径向横截面的最小假想圆的直径。因此，聚合物的厚度定义为缆索与钢绳之间光学直径差值的一半。

附图说明

现将参照附图来更详细地描述本发明，其中

-图1是现有技术缆索的拉伸曲线；

-图2是结合本发明的缆索的横截面视图；

-图3是结合本发明的缆索的拉伸曲线。

标记110是现有技术的缆索的拉伸曲线；

标记120是表示现有技术缆索E模量的线条；

标记211是结合本发明的缆索；

标记212是结合本发明的缆索的钢绳；

标记213是结合本发明的缆索的钢丝；

标记214是结合本发明的缆索的钢绳的光学直径；

标记215是用于结合本发明的缆索的聚合物材料；

标记216是结合本发明的缆索的光学直径；

标记217是结合本发明的缆索的聚合物涂层厚度；

标记218是结合本发明的缆索中的空隙空间；

标记219是结合本发明的缆索的钢股线；

标记310是结合本发明的缆索的拉伸曲线；

标记320是表示结合本发明的缆索的E模量的线条；

ε0是缆索的结构延伸率；

F(N)是作用在试样上的以牛顿为单位的力；

E(％)是以试样百分数来表示的延伸率。

具体实施方式

在图1中，示出了现有技术缆索的拉伸曲线110，且线120表示现有技术缆索的E模量。线120延伸并在交点ε0处与横坐标轴相交，ε0表示在缆索低的拉应力下的结构延伸率。

如图2所示，示出了结合本发明的缆索的横截面视图。缆索211包括钢绳212，钢绳212又包括若干钢丝213。本实施例示出了具有“7×7×d”结构的钢绳，该钢绳具有7根股线219，每股具有7根直径为d mm的钢丝213。钢绳具有光学直径214。钢绳上涂敷有聚合物材料215，从而提供了作为本发明主题的具有光学直径216的缆索211。聚合物涂层的厚度217为缆索光学直径与缆索光学直径之间差值的一半。如图2中所示，优选地，不同钢丝213之间的空隙空间218基本上填充有聚合物材料215。

在图3中，示出了结合本发明的缆索的拉伸曲线310，且线320表示缆索的E模量。线320延伸并在交点ε0处与横坐标轴相交，ε0表示在缆索低的拉应力下的结构延伸率。

在下表中，示出了现有技术的缆索与结合本发明的缆索之间的对比试验。该试验是在Zwick-Z020试验机上根据ISO试验方法ISORA-30-203来进行的。当一次试验完成时，试验机能自动提供以下试验结果和试样的拉伸曲线。

对比试验1：

现有技术：1×3+5×7×0.15钢绳；

本发明：进行粘结剂处理和具有PU涂层的1×3+5×7×0.15钢绳。

	结构延伸率ε0	E模量N/mm²	50N时的延伸率
				现有技术	0.082％	168072	0.125％
本发明	0.021％	184293	0.060％
				相对于现有技术的提高	-74％	+9.6％	-52％

试验结果表明，本发明不仅明显降低了缆索的结构延伸率(降低了74％)，而且进一步提高了缆索的E模量(提高了9.6％)。这两项改进在一定载荷下的延伸率方面作出了实质性进步，50N时的总延伸率下降了52％。此外，图1和图3中的拉伸曲线也显示了这种进步。

对比试验2：

现有技术1：7×3×0.15钢绳；

现有技术2：具有PU涂层的7×3×0.15钢绳；

本发明：进行粘结剂处理和具有PU涂层的7×3×0.15钢绳。

	结构延伸率ε0	E模量N/mm²	50N时的延伸率
				现有技术1	0.044％	176357	0.119％
现有技术2	0.031％	180437	0.105％
				本发明	0.004％	182778	0.077％
相对于现有技术的提高	-91％	+4％	-35％

试验结果表明，本发明不仅明显降低了缆索的结构延伸率(降低了91％)，而且进一步提高了缆索的E模量(提高了4％)。这两项改进在一定载荷下的延伸率方面作出了实质性进步，50N时的总延伸率下降了35％。此外，图1和图3中的拉伸曲线也显示了这种进步。

与现有技术相比，在施加聚合物材料之前在钢丝表面使用粘结剂，进一步改善了钢丝在聚合物材料内的锚固。钢绳的钢丝被限制滑动和转动，即使存在未被聚合物材料填充的空隙空间时也是如此，这进一步限制了缆索的结构延伸率。此外，钢丝在聚合物材料内锚固的改善还提高了缆索的E模量，因为在钢丝与聚合物材料之间不存在滑动或剥离。

本发明的另一项改进特征在于缆索聚合物涂层的厚度。具有10μm聚合物涂层的缆索只是或多或少地增加了缆索的直径，这对于用作受拉构件的缆索是特别有价值的，该受拉构件用于加强同步带。由于同步带在半开放式模具中被模制，其中聚合物材料被倾倒入模具中或利用低压挤出，模具中的聚合物材料在受拉构件之间流动并形成最终所需形状(齿状、平坦、均匀等等)的能力有限。因此，具有小于10μm聚合物涂层的精制缆索将留出更多的空间，使聚合物材料在模具内流动并形成平坦和均匀的带。

这种具有小于10μm聚合物涂层的精制缆索的另一应用是用于窗户提升系统。由于用于窗户提升系统的缆索需要利用缆索端部的金属接头来夹持，以便连接其它部件，因而具有厚聚合物涂层的缆索不能够保证缆索端部与接头之间的牢固连接。接头夹持在聚合物涂层上，且聚合物涂层将张力传递到钢绳内部。由于与钢绳的抗拉强度相比，聚合物材料的抗拉强度非常低，缆索与接头之间的连接在较低载荷下被破坏，并由于此薄弱点，缆索的载荷传递能力被破坏。当具有小于10μm聚合物涂层的缆索被用在窗户提升系统中时，由于聚合物材料薄涂层的变形，金属接头直接夹持到钢绳上。该应用保证了缆索与接头之间的连接，并消除了系统的所述薄弱点。此外，当涂层厚度小于10μm或甚至0μm时，从外部看，缆索实际上与具有相同摩擦和磨损特性的裸缆索相同。当有人想在缆索系统中用这种制品来替代裸缆索时，这可能是很大的优势，因为不需要更换引导件、缆索管道等。

本发明的另一项改进是利用本发明主题的缆索来构成多股绳，用于诸如升降机绳的提升用途。首先，升降机行业在寻求具有有限延伸率的缆索。由于股线具有有限延伸率，因而该绳也将具有有限的延伸率。因而，利用本发明的升降机绳满足该要求。其次，升降机行业在寻求能够在小滑轮直径上运动的绳子。标准的升降机使用那些遵循通常被接受的滑轮直径“d”的绳子，该滑轮直径“d”与绳子直径“D”的比为40。当传统上所有钢绳被用在d/D的比低于40的条件下，绳子的疲劳寿命显著下降。这些条件下缆索的失效原因之一是过度的股间和线间磨损。尽管绳子上的聚合物涂层能够削减磨损并提高绳子的疲劳寿命，但需要厚的聚合物涂层来保证耐久的聚合物外壳，且厚的涂层增加了绳子的直径。本发明解决了该两难问题。一方面，钢股线上涂敷有聚合物，以减小磨损。另一方面，粘结剂处理改善了钢材与聚合物之间的连接，并使薄涂层成为可能。因而，由本发明缆索制成的绳子适合于提升用途。

Claims

1.一种包括扭捻钢绳和聚合物材料的缆索，其中所述钢绳中的钢丝涂敷有粘结剂，聚合物填充比大于70％，所述缆索的结构延伸率小于0.025％，所述缆索的E模量比所述钢绳的E模量大4％，其特征在于，所述聚合物的涂层的厚度小于10μm。

2.如权利要求1中所述的缆索，其特征在于，所述聚合物填充比大于90％。

3.如权利要求1或2所述的缆索，其特征在于，所述聚合物材料为热塑性聚合物。

4.如权利要求3中所述的缆索，其特征在于，所述热塑性聚合物为聚氨酯。

5.包括至少一条如权利要求1-4中之一所述缆索的绳子。