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摘要：钢丝绳被广泛应用于国民经济的诸多领域。钢丝绳能否更好的应用和它的自身的性质紧密相关，针对这方面问题，通过试验研究探讨了钢丝的机械性质以及钢丝绳的破断拉力、弹性模量和抗拉强度与其结构、长度、绳芯、捻制方法、拉力等因素的关系，得出钢丝捻制前后机械性质的变化。通过对试验数据得出的結论，对钢丝绳机械性质今后进一步的研究提供一定的参考价值；同时对钢丝绳的使用选择和有关钢丝绳的设计提供参考依据。
关键词：钢线绳，破断拉力，伸长，弹性模量，抗拉强度
中图分类号：S817 文献标识码：B 文章编号：2095-2104（2011）12-0000--01
一、钢丝绳机械性质国内外研究现状
钢丝绳作为提升、运输及承载设备中的关键部件被广泛地应用于许多工程应用领域中，其使用安全性、经济性至关重要，因而有必要对钢丝绳弹性、伸长、弹性模量及强度等进行深入研究。
(1)、钢丝绳弹性
钢丝绳弹性伸长作为钢丝绳一个重要机械性质，也是影响钢丝绳使用的一个重要因素，其量化研究是非常必要的。钢丝绳由许多钢丝绕成股，股又绕成绳。钢丝绳的这种结构具有很大的灵活性，使其成为理想的承受拉伸载荷的工程结构件。在正常的工作条件下，钢丝绳中的钢丝承受拉伸载荷的工程结构件。由于忽略掉了摩擦效应，因而，其结果只能适用于润滑很好的钢丝绳。目前对于钢丝绳绳股的模拟和研究，有两种主要方法：即半连续方法和离散方法。
(2)、钢丝绳弹性模量
弹性模量与钢丝绳的新旧有关，因为新钢丝绳弹性大，抗冲击力性能好，弹性模量小，使用一定时间，有一定的伸长变形后，其弹性模量值增大。弹性模量还与钢丝绳的长度有关。用虎克定律来计算弹性模量。这种方法有很大缺点。目前国内外的测试中，由于试验条件和钢丝绳长度的限制，以测试较短（小于500m）的钢丝绳居多。目前国内外测试弹性模量方法主要有以下几种：（1）振测法（2）点荷下的摄动法（3）位移—拉力法
(3)、钢丝绳弹性伸长和结构伸长
国外先进发达国家早在20世纪70年代就开始了钢丝绳的工厂预拉技术的研究，以提高钢丝绳产品质量和市场竞争力。弹性伸长量取决于钢丝绳自有的性能，主要取决组成钢丝绳的母材以及钢丝绳结构，即钢丝绳的弹性模量。当外力除去后其弹性伸长即可恢复，习惯称之为非永久伸长。蠕变伸长与时间和钢丝绳物理性能有关，但变形量很小，仅在结构件中考虑，如斜拉桥绳索、大型屋面板。低松弛预应力钢绞线便是一种很重点考虑蠕变形的钢丝绳。
(4)、钢丝绳破断拉力
目前我国生产的钢丝绳只进行拆股试验，检验钢丝绳中钢丝的弯曲、扭转、抗拉强度及钢丝破断拉力总和。只有当用户要求作整绳破断拉力试验，同时经双方协议并在订单上注明后才做此项试验。从钢丝绳生产厂家的检测设备现状看，多数厂家不具备作整绳破断拉力的拉力试验机，因此我国目前的钢丝绳很少作整绳破拉力试验。随着生产技术的发展要求钢丝绳做整绳破断拉力。
二、钢丝绳试验的理论基础及设计方案
(1)理论基础
抗拉强度是通过测得试样的破断拉力和试样的直径来计算得到的。
1、抗拉强度等于拉断试样前最大静载荷除以试样原横断截面积。
计算公式是：
式中： —所测试样的抗拉强度，Pa；
—加在试样上的最大静载荷，N
—试样原横断截面积，m2。
2、平均抗拉强度的计算公式是：
式中： —所测试样的平均抗拉强度，Pa；
—加在试样上的最大静载荷，t=(1,2……n),N
—试样标定横断截面积，m2。
3、最大与最小抗拉强度
最大与最小抗拉强度应等于最大或最小破断拉力除以钢丝标定断面积。由此可见破断力试验是判定抗拉强度的基础。
4、破断拉力
式中： —钢丝绳破断拉力总和，N；
—加在试样上的最大静载荷，t=(1,2,……n),N；
n—被测钢丝绳股的钢丝根数；
N—钢丝绳钢丝的总根数。
式中： —钢丝平均破断拉力，N；
n—被测钢丝根数。
对于具有多种钢丝直径如瓦林吞型、西鲁型钢丝绳，可以通过以下计算公式来确定：
平均破断拉力等于相同直径试验钢丝破断拉力的和/相同直径钢丝的试验根数
同种钢丝绳总和破断拉力=同种钢丝平均破断拉力×同种钢丝根数
钢丝绳总和破断拉力=各种真径的总破断拉力之和
平均抗拉强度=总和破断拉力／各直径钢丝横断面之和
最大(最小)抗拉强度=各种直径最大(最小)破断拉力／该钢丝横断面积
(2)试验方法：拉伸试验；扭转试验；弯曲试验
1、拉伸试验
本文在对钢丝绳机械性质试验时，主要采取了钢丝绳拆股试验和做单丝破断拉力试验的方法。该方法是先在钢丝绳的一端截下一段，对钢丝绳进行目测合格后进行拆股，然后再将股拆成丝，在以上的过程中要避免对钢丝进行损害，以免影响试验的结果的准确性。将试样两端夹住之后，缓慢拉伸，直至拉断，计算拉断时直径相同钢丝之各试样的拉力荷载及其平均值之差。规定夹头间距为：直径小于1.0mm时100mm，直径大于1.0mm时200mm。
2、扭转试验
将试样两端，在夹头间距为钢丝直径100倍的部位夹紧，然后在一头以每分钟60次的速度，作360°连续扭转，直至断裂，检查扭转次数。更改夹头间距时，应按正比例求出扭转次数。如果试样从夹头处断裂，可以进行复试。
3、弯曲试验
取试样长度为试样直径的100倍，将一端固定在弯曲试验机上，进行180度反复弯曲试验。断裂时，检查弯曲次数，中途不得停止。试样需经矫直，直径小于1.6mm的钢丝应加上不大于该试样破断拉力2%的拉力，达不到180度者不计算次数，试验机要经过检查矫正。
4、钢丝绳伸长
试样长度不得小于500mm，测定值应从与2%最小破断拉力相等的载荷点开始记录，然后测取与10%、20%、30%、50%和60%最小破断力相等的几个荷载点上的值，也可以采用连续记录法。采用间断记录法时，每次测定后要用无载荷方式测定永久伸长值，直到伸长值等于2%最小破断力所产生的拉伸长度，测量精度为0.1mm。
5、试验仪器
本文试验是在拉力试验机、扭转试验机和弯曲试验机上进行的。
6、钢丝绳的试验数据
钢丝绳拆股试验数据，是将钢丝绳拆股在拉伸试验机、弯曲试验机、扭转试验机上所测得的结果。
7、试验目的
通过试验机对不同直径和不同长度的试样进行试验，主要目的为得出以下结论，从而为钢丝绳的使用选择提供参考依据。
①测出不同直径钢丝的破断力、扭转次数、弯曲次数、弹性伸长、变形位移，计算出抗拉强度及弹性模量。通过分析得出钢丝的弹性模量、弹性伸长、破断拉力与钢丝直径以及钢丝性质本身之间的关系。
②测出不同钢丝绳试样的破断拉力、扭转次数、弯曲次数、弹性伸长、在弹性变形中的最大拉力和位移，计算出钢丝绳的弹性模量和抗拉强度。分析其钢丝绳机械性质与结构、径级、拉力、长度和组成钢丝等方面的关系以及这些机械性质之间的关系。
③通过试验所得数据，分析钢丝绳的弹性模量和各个因素之间的关系，并与理论的弹性模量值进行比较。分析其钢丝绳弹性模量与结构、直径、长度、拉力大小、新旧程度等因素之间的关系。
7、试验数据分析处理
本文对试验数据的分析处理主要采取了数据描述性分析、线性回归、相关分析多种方法进行分析，同时利用SPSS软件进行数据处理。
①钢丝破断拉力试验数据
②钢丝的抗弯能力
③钢丝抗扭能力
三、试验数据分析
(1)钢丝绳破断拉力试验综合反映了钢丝绳的质量水平和使用寿命。
(2)发展和推广使用线接触钢丝绳和钢芯钢丝绳能提高钢丝绳破断拉力和使用寿命，更能充分发挥高效钢材的使用潜力。
(3)钢丝绳弹性模量与钢丝绳长度无关，不随着钢丝绳长度的变化而变化。
(4)在钢丝绳的弹性范围内，拉力与伸长可以近似的看成线性关系，根据虎克定律，在弹性范围内，认为钢丝绳的长度是不变的一个定值，所以当钢丝绳在拉力的作用下发生弹性伸长时，其钢丝绳的截面积变小，弹性模量变大。
四、结束语
(1)本文只是主要研究了钢丝的破断拉力、弯曲次数、扭转次数几个机械性质，建议以后在钢丝的机械性质研究中，应扩大钢丝的种类，同时应研究钢丝的弹性伸长、结构伸长以及钢丝的弹性模量的规律。
(2)对钢丝绳的机械性质的研究，本文仅研究了钢丝绳的破断拉力和弹性模量，对破断拉力的研究仅选择了几种钢丝绳，类型不多，对钢丝绳弹性模量的研究也局限于弹性阶段，弹性阶段的力学特性为钢丝绳的完全弹性变形。应扩大对钢丝绳的研究范围，同时对钢丝绳的其他机械性质也应进行研究。对钢丝绳的弹性模量，应该扩大到钢丝绳发生结构伸长后，钢丝绳弹性模量的变化规律。
参考文献：
[1]黄润六．钢丝绳的整绳破断拉力试验．湖南冶金，1996(5) ．
[2]刘孝敏编著．工程材料的微细观结构和力学性能．合肥：中国科学技术大学出版社，2003．
[3]吴鸿启．客运索道钢丝绳应用现状及发展趋势．金属制品．2002：28(1) ．
[4]钱若军，杨联萍著．张力结构的分析设计施工．南京：东南大学出版社，2003．
[5]李占春．钢丝绳简易计算方法，四川水力发电，2000，l(1) ．
[6]范钦珊．材料力学．北京：高等教育出版社，2000．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：钢线绳，破断拉力，伸长，弹性模量，抗拉强度
中图分类号：S817 文献标识码：B 文章编号：2095-2104（2011）12-0000--01
一、钢丝绳机械性质国内外研究现状
钢丝绳作为提升、运输及承载设备中的关键部件被广泛地应用于许多工程应用领域中，其使用安全性、经济性至关重要，因而有必要对钢丝绳弹性、伸长、弹性模量及强度等进行深入研究。
(1)、钢丝绳弹性
钢丝绳弹性伸长作为钢丝绳一个重要机械性质，也是影响钢丝绳使用的一个重要因素，其量化研究是非常必要的。钢丝绳由许多钢丝绕成股，股又绕成绳。钢丝绳的这种结构具有很大的灵活性，使其成为理想的承受拉伸载荷的工程结构件。在正常的工作条件下，钢丝绳中的钢丝承受拉伸载荷的工程结构件。由于忽略掉了摩擦效应，因而，其结果只能适用于润滑很好的钢丝绳。目前对于钢丝绳绳股的模拟和研究，有两种主要方法：即半连续方法和离散方法。
(2)、钢丝绳弹性模量
弹性模量与钢丝绳的新旧有关，因为新钢丝绳弹性大，抗冲击力性能好，弹性模量小，使用一定时间，有一定的伸长变形后，其弹性模量值增大。弹性模量还与钢丝绳的长度有关。用虎克定律来计算弹性模量。这种方法有很大缺点。目前国内外的测试中，由于试验条件和钢丝绳长度的限制，以测试较短（小于500m）的钢丝绳居多。目前国内外测试弹性模量方法主要有以下几种：（1）振测法（2）点荷下的摄动法（3）位移—拉力法
(3)、钢丝绳弹性伸长和结构伸长
国外先进发达国家早在20世纪70年代就开始了钢丝绳的工厂预拉技术的研究，以提高钢丝绳产品质量和市场竞争力。弹性伸长量取决于钢丝绳自有的性能，主要取决组成钢丝绳的母材以及钢丝绳结构，即钢丝绳的弹性模量。当外力除去后其弹性伸长即可恢复，习惯称之为非永久伸长。蠕变伸长与时间和钢丝绳物理性能有关，但变形量很小，仅在结构件中考虑，如斜拉桥绳索、大型屋面板。低松弛预应力钢绞线便是一种很重点考虑蠕变形的钢丝绳。
(4)、钢丝绳破断拉力
目前我国生产的钢丝绳只进行拆股试验，检验钢丝绳中钢丝的弯曲、扭转、抗拉强度及钢丝破断拉力总和。只有当用户要求作整绳破断拉力试验，同时经双方协议并在订单上注明后才做此项试验。从钢丝绳生产厂家的检测设备现状看，多数厂家不具备作整绳破断拉力的拉力试验机，因此我国目前的钢丝绳很少作整绳破拉力试验。随着生产技术的发展要求钢丝绳做整绳破断拉力。
二、钢丝绳试验的理论基础及设计方案
(1)理论基础
抗拉强度是通过测得试样的破断拉力和试样的直径来计算得到的。
1、抗拉强度等于拉断试样前最大静载荷除以试样原横断截面积。
计算公式是：
式中： —所测试样的抗拉强度，Pa；
—加在试样上的最大静载荷，N
—试样原横断截面积，m2。
2、平均抗拉强度的计算公式是：
式中： —所测试样的平均抗拉强度，Pa；
—加在试样上的最大静载荷，t=(1,2……n),N
—试样标定横断截面积，m2。
3、最大与最小抗拉强度
最大与最小抗拉强度应等于最大或最小破断拉力除以钢丝标定断面积。由此可见破断力试验是判定抗拉强度的基础。
4、破断拉力
式中： —钢丝绳破断拉力总和，N；
—加在试样上的最大静载荷，t=(1,2,……n),N；
n—被测钢丝绳股的钢丝根数；
N—钢丝绳钢丝的总根数。
式中： —钢丝平均破断拉力，N；
n—被测钢丝根数。
对于具有多种钢丝直径如瓦林吞型、西鲁型钢丝绳，可以通过以下计算公式来确定：
平均破断拉力等于相同直径试验钢丝破断拉力的和/相同直径钢丝的试验根数
同种钢丝绳总和破断拉力=同种钢丝平均破断拉力×同种钢丝根数
钢丝绳总和破断拉力=各种真径的总破断拉力之和
平均抗拉强度=总和破断拉力／各直径钢丝横断面之和
最大(最小)抗拉强度=各种直径最大(最小)破断拉力／该钢丝横断面积
(2)试验方法：拉伸试验；扭转试验；弯曲试验
1、拉伸试验
本文在对钢丝绳机械性质试验时，主要采取了钢丝绳拆股试验和做单丝破断拉力试验的方法。该方法是先在钢丝绳的一端截下一段，对钢丝绳进行目测合格后进行拆股，然后再将股拆成丝，在以上的过程中要避免对钢丝进行损害，以免影响试验的结果的准确性。将试样两端夹住之后，缓慢拉伸，直至拉断，计算拉断时直径相同钢丝之各试样的拉力荷载及其平均值之差。规定夹头间距为：直径小于1.0mm时100mm，直径大于1.0mm时200mm。
2、扭转试验
将试样两端，在夹头间距为钢丝直径100倍的部位夹紧，然后在一头以每分钟60次的速度，作360°连续扭转，直至断裂，检查扭转次数。更改夹头间距时，应按正比例求出扭转次数。如果试样从夹头处断裂，可以进行复试。
3、弯曲试验
取试样长度为试样直径的100倍，将一端固定在弯曲试验机上，进行180度反复弯曲试验。断裂时，检查弯曲次数，中途不得停止。试样需经矫直，直径小于1.6mm的钢丝应加上不大于该试样破断拉力2%的拉力，达不到180度者不计算次数，试验机要经过检查矫正。
4、钢丝绳伸长
试样长度不得小于500mm，测定值应从与2%最小破断拉力相等的载荷点开始记录，然后测取与10%、20%、30%、50%和60%最小破断力相等的几个荷载点上的值，也可以采用连续记录法。采用间断记录法时，每次测定后要用无载荷方式测定永久伸长值，直到伸长值等于2%最小破断力所产生的拉伸长度，测量精度为0.1mm。
5、试验仪器
本文试验是在拉力试验机、扭转试验机和弯曲试验机上进行的。
6、钢丝绳的试验数据
钢丝绳拆股试验数据，是将钢丝绳拆股在拉伸试验机、弯曲试验机、扭转试验机上所测得的结果。
7、试验目的
通过试验机对不同直径和不同长度的试样进行试验，主要目的为得出以下结论，从而为钢丝绳的使用选择提供参考依据。
①测出不同直径钢丝的破断力、扭转次数、弯曲次数、弹性伸长、变形位移，计算出抗拉强度及弹性模量。通过分析得出钢丝的弹性模量、弹性伸长、破断拉力与钢丝直径以及钢丝性质本身之间的关系。
②测出不同钢丝绳试样的破断拉力、扭转次数、弯曲次数、弹性伸长、在弹性变形中的最大拉力和位移，计算出钢丝绳的弹性模量和抗拉强度。分析其钢丝绳机械性质与结构、径级、拉力、长度和组成钢丝等方面的关系以及这些机械性质之间的关系。
③通过试验所得数据，分析钢丝绳的弹性模量和各个因素之间的关系，并与理论的弹性模量值进行比较。分析其钢丝绳弹性模量与结构、直径、长度、拉力大小、新旧程度等因素之间的关系。
7、试验数据分析处理
本文对试验数据的分析处理主要采取了数据描述性分析、线性回归、相关分析多种方法进行分析，同时利用SPSS软件进行数据处理。
①钢丝破断拉力试验数据
②钢丝的抗弯能力
③钢丝抗扭能力
三、试验数据分析
(1)钢丝绳破断拉力试验综合反映了钢丝绳的质量水平和使用寿命。
(2)发展和推广使用线接触钢丝绳和钢芯钢丝绳能提高钢丝绳破断拉力和使用寿命，更能充分发挥高效钢材的使用潜力。
(3)钢丝绳弹性模量与钢丝绳长度无关，不随着钢丝绳长度的变化而变化。
(4)在钢丝绳的弹性范围内，拉力与伸长可以近似的看成线性关系，根据虎克定律，在弹性范围内，认为钢丝绳的长度是不变的一个定值，所以当钢丝绳在拉力的作用下发生弹性伸长时，其钢丝绳的截面积变小，弹性模量变大。
四、结束语
(1)本文只是主要研究了钢丝的破断拉力、弯曲次数、扭转次数几个机械性质，建议以后在钢丝的机械性质研究中，应扩大钢丝的种类，同时应研究钢丝的弹性伸长、结构伸长以及钢丝的弹性模量的规律。
(2)对钢丝绳的机械性质的研究，本文仅研究了钢丝绳的破断拉力和弹性模量，对破断拉力的研究仅选择了几种钢丝绳，类型不多，对钢丝绳弹性模量的研究也局限于弹性阶段，弹性阶段的力学特性为钢丝绳的完全弹性变形。应扩大对钢丝绳的研究范围，同时对钢丝绳的其他机械性质也应进行研究。对钢丝绳的弹性模量，应该扩大到钢丝绳发生结构伸长后，钢丝绳弹性模量的变化规律。
参考文献：
[1]黄润六．钢丝绳的整绳破断拉力试验．湖南冶金，1996(5) ．
[2]刘孝敏编著．工程材料的微细观结构和力学性能．合肥：中国科学技术大学出版社，2003．
[3]吴鸿启．客运索道钢丝绳应用现状及发展趋势．金属制品．2002：28(1) ．
[4]钱若军，杨联萍著．张力结构的分析设计施工．南京：东南大学出版社，2003．
[5]李占春．钢丝绳简易计算方法，四川水力发电，2000，l(1) ．
[6]范钦珊．材料力学．北京：高等教育出版社，2000．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。