CN1091791A - 多股钢索 - Google Patents

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Abstract

一种钢索(10)具有直径D并包括中心股(12)和 最多可达9条围绕中心股的外围股(14)，中心股(12) 具有直径D1，外围股(14)具有直径D2，为使橡胶渗 入，中心股直径与外围股直径的比率D1/D2大于预 定值，每股包括一根或几根中心钢丝(16、22)，以及围 绕中心钢丝的两层或几层钢丝(18、20、24、26)，径向 外层的扭绞角小于同股径向内层的扭绞角，至少在中 心股中径向最内层的每对钢丝之间设置介于0.0015 ×D和0.0075×D的第一自由空间(28)。

Description

本发明涉及具有一个中心股和可达9根围绕中心股的外围股的钢索，每股包括一根或几根中心钢丝以及围绕中心钢丝的两层或几层钢丝，这样的钢索通常被称作多股钢索。
多股钢索可以用作加强橡胶产品，例如传送带和不在公路上行驶的重型轮胎。这种多股钢索也可以用来在矿井或起重机上应用的起重索或钢丝绳。所以，在下文中名词“钢索”、“钢绳”和“钢缆”没有什么区别。
多股钢索由适当的可以获得高致断负载线材成分的高碳钢丝组成，钢丝可以具有抗腐蚀镀层，例如锌或锌合金，或者具有可粘附橡胶的镀层，例如铜合金。
多股钢索必须具有耐久的抗腐蚀性，目的在于增加它的使用寿命，通过设置适合的镀层例如锌，不但可以避免腐蚀钢索，而且通过独特的结构性能使钢索中单根钢丝之间充满橡胶。通过设置在单根钢丝之间的自由空间能达到橡胶的渗透。但是，为了加强轻轮胎和载重轮胎，多股钢索的情况并不像单股钢索那样简单。多股钢索的标准实例是7×10结构，这种钢索有133根钢丝。保护每根钢丝免遭腐蚀，意思是应该用橡胶层包裹每根钢丝，甚至中心股的中心钢丝。因此，在相邻钢丝之间应设置相对大的空间。但是，在灌封橡胶期间，当在钢丝之间设置大的空间时，各股组装钢索和/或钢索结构本身的紧密和规则的几何图形变得松散。因此，钢索沿其长度方向不再能提供均匀一致的加强效果。此外，它总是要求以可能的最小量的加强材料来获得一定的加强效果。这意味着为预定的致断负载，钢索的截面积应尽可能地小，其意思是按给定的钢索截面，应尽可能小地选择每根钢索的外径。显然，这个要求违背上述的在钢索中相邻钢丝之间设置相对大的空间的目的。
本发明的目的是提供具有足够的橡胶渗透和具有最大增强度的多股钢索。
根据本发明的第一个方面和第一个实例，提供具有直径D和包括一个中心股以及在中心股周围多达6个外围股的钢索。中心股具有直径D1和外围股具有直径D2。
中心股直径与外围股直径的比率D1/D2大于1.05，最好小于1.30。如果D1/D2小于1.05，那么能穿过外围股至中心股的橡胶的数量不足，如果D1/D2大于1.30，那么沿钢索纵长方向获得不太均匀的截面。
每股包括一根或几根中心钢丝以及围绕中心钢丝的两层或几层钢丝。每层的所有钢丝具有基本相同的直径。在每层中钢丝直径最好小于同股的中心钢丝的总直径。在径向外层中钢丝的直径最好也小于同股的径向内层中钢丝的直径。
径向外层的扭绞角小于同股径向内层的扭绞角。在本发明范围内，层扭绞角定义如下：假设d1是中心钢丝的（总）直径，d2是直接围绕中心钢丝的径向内层钢丝的直径，以及d3是围绕径向内层的第二层钢丝（即径向外层）的直径。
LL2是径向内层的绞矩长度，LL3是径向外层的绞矩长度。
径向内层的扭绞角定义为：
a2＝arctg〔（d1+d2）×π/LL2〕×180/π
第二层的扭绞角定义为：
a3＝arctg〔（d1+d2+d3）×π/LL3〕×180/π
在围绕中心结构多于两层的情况下，可以用同样的公式求出第三层的扭绞角，或许能求出第四层的扭绞角。
在一层与紧接着一层（紧接的径向内层）之间扭绞角的差值最好是在紧接着一层的扭绞角的1.5%和20%之间的范围内。这一扭绞角的差值达到紧接着一层的扭绞角的10%更好。这样配置的扭绞角所产生的优点是：在紧接着的径向外层的钢丝不会倾向于进入设置在紧接着径向内层表面处的间隙的螺旋状表面。所以，也就不会阻塞间隙和阻止橡胶渗入。另外，扭绞角的这种设置也有助于各层在外形上几乎呈完美的圆柱形的形状。在径向内层中使用较大的扭绞角也能补偿与径向外层的钢丝相比较，固有的较短的径向内层的钢丝长度。这意味着在钢索的总截面中扭绞角的这种设置有助于负截力在所有钢丝上的规则分布。
为了能使橡胶渗入到中心钢丝，至少在中心股的径向最内层的每对钢丝之间设置在0.0015×D到0.0075×D范围内，但最好在0.002×D到0.007×D范围内的第一自由空间。这个第一自由空间的适当的绝对值在0.010毫米到0.075毫米之间。如果第一自由空间具有的值低于上述范围，那么橡胶渗入不足的可能性很大;如果第一自由空间具有的值超过上述范围，那么对于相同的预定致断负载来说，钢索将占据过大的体积。
大于第一自由空间的第二自由空间至少在中心股中围绕径向最内层的各层的每对钢丝之间设置，最好在0.003×D到0.015×D之间，但更好在0.004×D到0.012×D之间。这个第二自由空间适当的绝对值在0.030毫米到0.0150毫米之间。第二自由空间必须大于第一自由空间，这是因为第二自由空间不仅必须能使橡胶渗入到围绕径向最内层的各层，而且要渗入到径向最内层和中心钢丝。如果第二自由空间具有的值低于上述范围，那么，橡胶渗入不足的可能性很大;如果第二自由空间具有的值超过上述范围，那么对于相同的预定致断负载来说钢索将占据过大的体积。
外围股最好具有在90%到105%范围内的预成形比率，例如在93%到100%之间变化，97%的预成形比率是最佳值。
按如下所述能测定外围股的预成形比率。精确地选取并测定装配好的钢索的预定长度（例如500毫米）然后不引起塑性变形地从钢索中解开外围股。可按下式求出预成形比率：
预成形比率＝ (钢索的长度)/(解开的股的长度) ×100%
中心股的所有的各层最好按第一方向扭绞，外围股最好围绕中心股按该第一方向扭绞，而外围股的各层按该第一方向的相反方向扭绞。这样做是为了促进稳定的扭力平衡。
根据本发明的多股钢索可以具有下述中心结构：
（1）单根中心钢丝，
（2）围绕一根不一定有助于总钢索的最终强度的细直的辅助钢丝扭绞的三根钢丝，
（3）具有大于上面覆盖层扭绞角的扭绞角扭绞的2到7根钢丝。
钢索的直径在3到20毫米范围内，例如在6到15毫米范围内。钢丝的直径在0.15到1.20毫米范围内。
如果粘附橡胶是主要因素，钢丝可以具备铜合金镀层，如果抗腐蚀是主要因素，钢丝可以具备锌或锌合金镀层。
下面描述本发明第一方面的其它实施例：
达到5条外围股可具有至少0.07，但最大0.92的直径D1/D2的比率。
在根据本发明的钢索中心达到7条外围股可以具有至少1.39，但最大1.69的直径D1/D2的比率。
达到8条外围股可具有至少1.73，但最大2.10的直径D1/D2的比率。
达到9条外围股可具有至少2.07，但最大2.45的直径D1/D2的比率。
根据本发明的第二方面，提供的橡胶产品包括至少一条根据本发明第一方面的多股钢丝。橡胶渗入到中心股的中心股钢丝并最好封裹全部中心股的中心钢丝。因此获得被橡胶围着整个钢索的所有单根钢丝的钢索。
橡胶产品可以是传送带或不在公路上行驶的轮胎。
然而，根据本发明特有的方面，橡胶产品具有基本呈圆截面形的细长件，并只包括一条多股钢索。所使用橡胶的种类依实际应用而定。橡胶化合物可以是耐火的聚氯丁烯橡胶，也可以为耐油脂的丁腈橡胶或有相当耐强度降低性质和低摩擦的EPDM橡胶。
现在将参照附图更详细地说明本发明。附图如下：
图1显示根据本发明的多股钢索的示意断面图。
图2是显示包括多股钢索的橡胶产品的示意断面图。
图3说明硫化多股钢索的过程。
图4是描述不同钢索结构的橡胶渗入的曲线图。
图5显示对钢索或钢带进行动态试验的试验结构。
参看图1，根据本发明的多股钢索10包括中心股12以及围绕中心股12的6个外围股14。
中心股12包括由径向内层的6根钢丝18和径向外层的12根钢丝20围绕着的中心钢丝16。中心钢丝16的直径大于钢丝18的直径，钢丝18的直径大于钢丝20的直径。
各外围股14包括由径向内层的6根钢丝24和径向外层的12根钢丝26围绕着的中心钢丝22。中心钢丝22的直径大于钢丝24的直径，钢丝24的直径大于钢丝26的直径。
这样就获得所谓7×19的多股钢索。
在中心股12的径向内层的相邻钢丝18之间设置第一自由空间28，这样，在外围股14的相邻钢丝24之间也设置第一自由空间32。
在中心股12的径向外层的相邻钢丝20之间设置第二自由空间30;这样，在外围股14的径向外层的相邻钢丝26之间也设置第二自由空间34。
根据下述大家已知的工序步骤可以制造多股钢索。
-普通的拉丝工序，如果需要，可结合适当次数的中间韧化处理步骤;
-普通的电镀工序;
-普通的扭绞工序，例如，首先通过扭绞各个单股，然后，接着把各股扭绞成钢索，这种扭绞可以利用普通管式扭绞机或利用大家已知的双绞机进行。在刚扭绞之前，在拉力下通过使外围股承受扭曲操作，可以获得外围股的预成形度。
依靠线材的选择和应用热机处理的选择，不同钢索的钢丝能获得不同强度的抗拉强度。但是，通常可以说，具有相同直径且在钢索中占有相似位置的所有钢丝具有大约相同的抗拉强度。
图2显示包括如前面所述的多股钢索10的细长的橡胶产品的截面。橡胶36渗入到所有钢丝，甚至渗入到中心股12的中心钢丝16。橡胶36的薄层覆盖钢索10截面的周围，以便获得具有圆形截面的细长件。
正如图2所表示的，几乎在所有单根钢丝周围设置的空间能让橡胶36几乎封裹所有单根钢丝。实际上，这意味着隔绝了钢丝与钢丝之间的接触。换句话说，大大地减少了钢丝之间的相互的磨损，增强合成橡胶钢索的抗疲劳强度。这将通过下面的实例来说明。
如图2中显示的橡胶封裹的钢索能用作矿井或起重机的起重索，特别是在需要高抗腐蚀和高抗疲劳强度的那些场合中应用。
在图3中说明通过硫化过程能制造图2的细长的用橡胶封裹的钢索。包括下件38和上件40的铸模使形成细长圆形件。设置间隙41作为橡胶的通道。为了避免上件40接触下件38并产生规定的压力，应在下件38和上件40之间设置间隙42。在至少30kg/cm2的压力下，温度在摄氏140°与160°之间橡胶与钢索10相接触。
实例1：
根据本发明制成的7×19钢索10如下：
钢索直径D是9.83毫米
中心股12：0.85毫米（中心钢丝16）
（右捻）+6×0.75毫米（钢丝18），扭绞角16.47°
+12×0.69毫米（钢丝20），扭绞角16.14°
六个外围股14：0.69毫米（钢丝22）
（左捻）+6×0.61毫米（钢丝24），扭绞角11°
+12×0.57毫米（钢丝26），扭绞角10.5°
钢索：扭绞角17.88°，即绞矩长度66毫米，右捻
中心股12的第一自由空间28总计达0.0259毫米，中心股的第二自由空间30总计达0.0706毫米，比率D1/D2是1.222。每米钢索的重量是323.8克和装填比例，即钢索截面的表面对周圆表面的比率相当于54.4%
已经对本发明的这种7×19钢索和不具有权利要求1所述的全部特性的标准钢索进行过比较。标准钢索的特性如下：
钢索直径D是10.03毫米
中心股12：0.87毫米
（右捻）+6×0.74毫米，扭绞角17.54°
+12×0.71毫米，扭绞角21.82°
6个外围股14：0.71毫米
（左捻）+6×0.63毫米，扭绞角13.9°
+12×0.58毫米，扭绞角14.95°
钢索：绞矩长度63毫米，右捻。
在中心股的第一自由空间总计达0.038毫米，中心股的第二自由空间部计达0.0308毫米。比率D1/D2是1.204，每米钢索的重量是345.2克以及装填比例相当于52.8%。
本发明的钢索尽管具有较大的装填比例，比标准钢索呈现更好的橡胶渗入，正如图4所说明的，在下文中将详述。
在申请人的比利时专利第1000126（A6）号中已经叙述了测定橡胶渗入的一种方法和装置。用这种方法和装置获得的测定结果如图4所示。
由曲线44表示本发明的钢索10的作为时间的函数的压降，实际上，两种不同橡胶化合物的压降是零。这意味着在钢丝之间的空间完全被橡胶充满。
与此截然相反，标准钢索的压降是不可忽视的，如第一种橡胶化合物由曲线46所示，而第二种橡胶化合物由曲线48显示得更加清楚。这表明空气能通过的整个钢丝之间的螺旋状空隙的空腔存在，因此产生显著的压降。当切断钢索露出传动带截面后，用肉眼检验橡胶渗入情况时，就可以证实上述结果。捻开本发明的钢索和标准钢索的各股，接着也捻开每股的钢丝，用目检查本发明的钢索能观察到橡胶覆盖度很大，甚至中央钢丝16和22的覆盖度也很大，而标准钢索的情况不是这样。
实例2：
制造本发明的钢索如下：
钢索直径D是3.20毫米
中心股12：0.29毫米（中心钢丝16）
（右捻）+6×0.29毫米（中心钢丝16）。
+12×0.24毫米（钢丝20），绞矩长度12毫米
6个外围股14：0.24毫米（钢丝22）
（左捻）+6×0.21毫米（钢丝24），绞矩长度7.5毫米
+12×0.20毫米（钢丝26），绞矩长度15毫米
钢索：绞矩长度23毫米，右捻
现在，裸露的（即没有被橡胶封裹的）本发明的钢索10和被橡胶封裹后的钢索，即硫化成圆形细长件37进行图5中所示的称作动态RPK试验的检验。钢索10或圆形件37环绕着传动滚筒50、两个固定的导向滚轮52和滚轮54形成一封闭圈。传动滚筒50以每分钟改变120次的频率连续不断地改变它的旋转方向。1000N的重物56附加在滚轮54上。测定在断裂之前周期的数目。
在第一根钢丝断裂前测定裸露的本发明钢索为80000周期，而在钢索10完全断裂前测定为355000周期。
对于圆形细长件，测定2000000周期未观察到钢丝断裂，也未观察到在残留致断负载下的压降。
这种试验进一步证实以上叙述，橡胶几乎沿钢索的整个长度封裹各单根钢丝，避免钢丝与钢丝之间的接触，大大减少钢丝之间的磨损的程度，结果增加了抗疲劳强度。

Claims (30)

1、一种钢索，其直径为D并包括中心股和多达6条围绕中心股的外围股，中心股直径为D1，外围股直径为D2，中心股直径与外围股直径的比率D1/D2大于1.05，每股包括一根或几根中心钢丝以及围绕中心钢丝的两层或几层钢丝，每层的所有钢丝具有基本相同的直径，径向外层的扭绞角小于同股径向内层的扭绞角，至少在中心股中，在径向最内层的每对钢丝之间设置介于0.0015×D至0.0075×D的第一自由空间。
2、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：外围股具有介于90%到105%的预成形比率。
3、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：中心股直径与外围股直径的比率D1/D2小于1.30。
4、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：第一自由空间介于0.002×D到0.007×D之间。
5、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：大于所述第一自由空间的第二自由空间至少在中心股中在围绕径向最内层的各层的每对钢丝之间设置。
6、根据权利要求5所述的钢索，其特征在于：第二自由空间在0.003×D到0.015×D之间，最好在0.004×D到0.012×D之间。
7、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：第一自由空间在0.010毫米到0.075毫米之间。
8、根据权利要求5所述的钢索，其特征在于：第二自由空间在0.030毫米到0.150毫米之间。
9、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：径向外层和径向内层扭绞角的差值在径向内层扭绞角的1.5%和20%之间。
10、根据权利要求9所述的钢索，其特征在于：径向外层和径向内层扭绞角的差值达到径内层扭绞角的10%。
11、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：中心股的各层以第一方向扭绞，各外围股围绕中心股以所述第一方向扭绞，而外围股各层以所述第一方向的相反方向扭绞。
12、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：中心钢丝的数目是一根。
13、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：中心钢丝包括围绕一根直的辅助钢丝的三股扭绞的钢丝。
14、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：至少在中心股的中心钢丝包括2到7根钢丝，其扭绞角大于上面的覆层的扭绞角。
15、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：钢索的直径D在3至20毫米范围内。
16、根据权利要求15所述的钢索，其特征在于：钢索的直径D在6到15毫米范围内。
17、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：钢丝的直径在0.15毫米到1.20毫米之间。
18、根据权利要求1所述的钢索，其特征在于：钢丝具有锌或锌合金镀层。
19、一种钢索，其直径为D且包括中心股和多达5条围绕中心股的外围股，中心股的直径为D1，外围股的直径为D2，中心股直径与外围股直径的比率D1/D2大于0.70，每股包括一根或几根中心钢丝以及围绕中心钢丝的两层或几钢丝每层的所有钢丝具有基本相同的直径，在每层中钢丝直径小于同股中心钢丝的总直径，径向外层钢丝的直径小于同股径向内层钢丝的直径，径向外层的扭绞角小于同股径向内层的扭绞角，至少在中心股中在径向最内层的每对钢丝之间设置介于0.0015×D和0.0075×D的第一自由空间。
20、一种钢索，其直径为D且包括中心股和多达7条围绕中心股的外围股，中心股的直径为D1，外围股的直径为D2，中心股直径与外围股直径的比率D1/D2大于1.39，每股包括一根或几根中心钢丝以及围绕中心钢丝的两层或几层钢丝，每层的所有钢丝具有基本相同的直径，径向外层的扭绞角小于同股径向内层的扭绞角，至少在中心股中在径向最内层的每对钢丝之间设置介于0.0015×D和0.0075×D的第一自由空间。
21、一种钢索，其直径为D且包括中心股和达8条围绕中心股的外围股，中心股的直径为D1，外围股的直径为D2，中心股直径与外围股直径的比率D1/D2大于1.73，每股包括一根或几根中心钢丝以及围绕中心钢丝的两层或几层钢丝，每层的所有钢丝具有基本相同的直径，径向外层的扭绞角小于同股径向内层的扭绞角，至少在中心股中在径向最内层的每对钢丝之间设置介于0..0015×D和0.0075×D的第一自由空间。
22、一种钢索，其直径为D且包括中心股和多达9条围绕中心股的外围股，中心股的直径为D1，外围股的直径为D2，中心股直径与外围股直径的比率D1/D2大于2.07，每股包括一根或几根中心钢丝以及围绕中心钢丝的两层或几层钢丝，每层的所有钢丝具有基本相同的直径，径向外层的扭绞角小于同股径向内层的扭绞角，至少在中心股中在径向最内层的每对钢丝之间设置介于0.0015×D和0.0075×D的第一自由空间。
23、一种橡胶产品，具有至少一条如前面所述的权利要求之一所述的钢索。
24、根据权利要求23所述的橡胶产品，其特征在于：橡胶渗透至中心股的中心钢丝。
25、根据权利要求23所述的橡胶产品，其特征在于：橡胶封裹中心股的所有中心钢丝。
26、根据权利要求23或24所述的橡胶产品，其特征在于：所述橡胶产品是传送带。
27、根据权利要求23或24所述的橡胶产品，其特征在于，钢索的数目是一条，并且橡胶产品是具有圆形截面的细长件。
28、根据权利要求26所述的橡胶产品，其特征在于，橡胶是聚氯丁烯橡胶。
29、根据权利要求26所述的橡胶产品，其特征在于：橡胶是丁腈橡胶。
30、根据权利要求26所述的橡胶产品，其特征在于：橡胶是EPDM橡胶。
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