具有独立钢丝绳绳芯的钢索
本发明涉及钢索，尤其涉及适于作动索用的具有独立钢丝绳绳芯(在下文称为绳芯)的钢索。
动绳既需要高强度，又需要高挠性。通常，使用称为IWRC钢索作动索。IWRC钢索是由独立的钢丝绳绳芯和给定数目的股绳封闭拧绕成一根而构成。
应该注意在此说明书中，动词“绞合”意味着将许多钢丝拧成一股绳，动词“封闭”意味着将许多股绳封闭拧绕成钢索。
图5A到图5D表示一典型IWRC钢索或IWRC6×Fi(25)JIS型-14钢索的结构。此IWRC钢索包括一根绳芯11和六根外层股绳14。各外层股绳14包括一根中心钢丝，六根中间钢丝，六根填充钢丝，和十二根外部钢丝。正如图5A具体所示，由七根绞合钢丝13拧成股绳12，再由七根股绳12拧成绳芯11，六根外层股绳14封闭拧绕在绳芯11上。该IWRC钢索作为动绳用于建筑机械、起重机、钻井机械等设备中。
然而，在常规的IWRC钢索中，存在以下问题。在钢索运行中，外层股绳14和绳芯11很可能相互摩擦，使外层股绳14或绳芯11摩损或弯曲，最终导致钢丝的断裂。同时，当施加高拉力或其他外部力给钢索时，由于沉重的负荷，绳芯11的股绳12或股绳12的钢丝13相互位移；并且外层股绳14移入绳芯11的股绳之间，导致钢丝的断裂或绳芯11的形变。这些问题不可避免的降低了钢索的寿命。
以下所述被认为是产生这些问题的原因。正如图5A所示，绳芯11是由七根绞合钢丝13拧成股绳12，再由七根股绳12拧绕而成；因此，在绳芯11的横断面上具有六个顶状凸出部和六个大的凹进处。正如图5B和5D所示，拧绕在绳芯11上的外层股绳14与绳芯11成点接触。当施加高负荷给钢索时，顶状凸出部或股绳12的最外层钢丝13承受最高负荷。另外，绳芯11在其外层圆周上具有最大的凹进处，从而，如图5所示，由于高负荷，股绳12和钢丝13相互位移，导致外层股绳14易移入股绳12之间的凹进处。同时，因构成绳芯11的股绳12通常具有圆形截面，并且构成股绳12的钢丝13通常具有圆形截面，它们易于移动。
鉴于在常规IWRC钢索中存在的这些问题，需要一种新型的IWRC钢索，它具有高耐损坏(例如：钢丝的断裂和变形)性，并且具有更长的使用寿命。
本发明的一目的是提供一钢索，它克服了在现有技术中所存在的问题。
本发明一方面是提供一钢索，它包括：含特定数目股绳的一条绳芯，而各股绳具有特定数目的钢丝；且将特定数目的外层股绳拧绕在该绳芯上；而该绳芯的各股绳具有一平坦的外形以提供一接触区域，在此区域股绳的两个或更多的钢丝与拧绕的外层股绳相接触。
本发明的另一方面是提供制造钢索的一种方法，它包括以下步骤：将特定数目的钢丝和一弹性芯件拧成一股绳；将特定数目的钢丝股绳拧成一绳芯；将特定数目的钢丝绞合成一外层股绳；减小该绳芯的直径以便使两个或更多的钢丝与外层股绳相接触；并且将一特定数目的外层股绳拧绕在缩小直径的绳芯上。
随着钢索的构成，封闭的外层股绳与构成绳芯的各股绳的两个或更多的钢丝相接触。从而，使绳芯的股绳能与封闭的外层股绳的接触或支撑，比常规钢索中绳芯的股绳以单丝与封闭的外层股绳的接触更稳定，故可防止钢丝或股绳的位移。
此外，接触区域的扩展，确实防止了由于高负荷而产生的外层股绳向绳芯的股绳之间空间的移动。
通过阅读以下详细的描述和附图，本发明的这些和其他目的、特征和优点将更加明显。
附图的简要描述
图1A表示本发明一IWRC钢索实施例的横断面图。
图1B表示减少直径前，该IWRC钢索绳芯的横断面图。
图1C表示减少直径后，该IWRC钢索绳芯的横断面图。
图2A表示没有减少直径的绳芯与外层股绳之间的接触状态。
图2B表示减少直径的绳芯与外层股绳之间的接触状态。
图3A表示本发明IWRC钢索中，减小直径的绳芯与外层股绳之间接触状态的纵向展开图。
图3B表示本发明IWRC钢索中，减小直径的绳芯与外层股绳之间接触状态的横截面图、
图4A到4C表示构成减小直径绳芯的股绳数目，各接触区域率，和各非接触区域率之间的关系的图。
图4D表示总接触区域率和非接触区域率之间的关系，绳芯的股绳数目为参数。
图5A表示一常规IWRC钢索的横断面图。
图5B表示该常规IWRC钢索中绳芯与外层股绳之间的接触状态图。
图5C表示该常规IWRC钢索中，绳芯与外层股绳之间的另一接触状态图。
图5D表示该常规IWRC钢索中，绳芯和外层股绳之间的接触状态的纵向展开图。
本发明的最佳实施例将参照附图进行描述。图1A表示本发明IWRC钢索的实例。图1B表示该IWRC钢索的一根绳芯，而绳芯没有减少直径。图1C表示该IWRC钢索的一根绳芯，而该绳芯减少了直径。
IWRC钢索是IWRC6×Fi(25)JIS型-14，它由六根外层股绳5封闭拧绕在绳芯1上构成。绳芯1由四根股绳2组成。各股绳2由-纤维芯4和被绞合在纤维芯4上的七根钢丝3组成。各外层股绳5由一中心钢丝、六根中间钢丝，六根填充钢丝和十二根外层钢丝构成。
如图1B和1C所示，绳芯1由四根股绳2封闭拧绕形成初始的绳芯1′，然后，挤压拧绕的四个股绳2的外部，将初始绳芯1′的直径由D减小到d。直径的减少使股绳2的外表面更接近绳芯1的外切圆。
如图2A所示，更具体地说，在此情况中，外层股绳5拧绕在未减少直径的初始绳芯1′上，绳芯1′和外层股绳5沿着初始绳芯1′外切圆，以点P彼此相接触。然而，如图2B所示，在外层股绳5被拧绕在已减小直径的绳芯1上的情况下，绳芯1和外层股绳5彼此沿着绳芯1的外切圆，以一被延长的接触区域Tz相接触。换言之，股绳2的两个或更多钢丝3，在接触区域Tz，与拧绕的外层股绳5相接触。简言之，前者是点接触而后者是线接触。因此，绳芯1与外层股绳5的接触区域增加，使负荷可分布在一更宽的区域，因此减少了单位区域内所承受的负荷。
图3A表示该减小直径的绳芯1的四根股绳2与六根外层股绳之间接触状态的展开图。此图更加清楚地示出，在钢索纵向上股绳2和外层股绳5以相当长的距离彼此相接触。G表示一非接触区域，在该区域绳芯1不能与外层股绳5相接触。显然接触区域T比非接触区域G大。
换言之，正如图3B所示，当股绳2的外表面越接近外切圆，股绳2之间的凹进处则越小，非接触区域G也越小，相邻股绳2各自支撑点之间的间隔也越小。从而，降低了在外层股绳5上的弯曲应力；并且还防止外层股绳5向股绳2之间的凹进处移动。
此外，直径的减小使绳芯1的内部空间变小，并将各股绳2由圆形横截面变成呈三角形横截面。因此，尽管在施加高负荷时，各股绳2和该股绳2的钢丝3之中的滑动减少，故减少了外层股绳5向股绳2之间凹进处移动的可能。由此可见，通过防止外层股绳向凹进处移动，使钢丝承受的压力减小；并且通过防止钢丝和股绳的移动，使钢丝的摩损降低，从而防止钢丝的断裂和不规则的绳形。
绳芯1和外层股绳5之间的接触状态，可依据接触区域长度相对于绳芯1外切圆圆周长的比率，或相对于外层股绳5的内切圆圆周长的比率，给予如下定义。
在图2B中，由Tz表示接触区域比率，它由等式(1)定义：
Tz(％)＝T1/C×100 (1)其中T1表示接触区域圆周部分的长度，C代表绳芯1的外切圆圆周长或封闭拧绕的外层股绳5的内切圆圆周的长度。
同时，由Gz表示非接触区域比率，它由等式(2)定义：
Gz(％)＝{100-(n×Tz)}/n (2)其中n代表股绳的数目。
图4A到4C以图解表示一直径减小了的绳芯，其股绳的数目(n)和接触区域比率Tz及非接触区域比率Gz之间的关系。正如图4A到4C所示，即使缩径相同时，接触区域比率Tz和非接触区域比率Gz，随着缩径绳芯的股绳的数目而变化。图4D表示接触区域比率Tz的总数和非接触区域Gz的比率之间的关系，绳芯的股绳数目(n)是一参数。
从图中可以看到：在股绳的数目较少的情况下，例如：n＝3，当总接触区域比率低时，即低于20％，非接触区域比率相当高，即高于27％。非接触区域比率越高，相邻股绳的支撑点之间的间隙越大，从而增加了在外层股绳上的弯曲应力，并且增加了在外层股绳上断裂的可能性。
因此，缩小绳芯获得上述有利效果的条件，可由总接触区域的比率和非接触区域的比率来确定。具体地说，最好选用总的接触区域的比率是20％或更高；各非接触区域的比率小于20％。
下面，基于与常规IWRC钢索的比较，将更加详细的描述本发明IWRC钢索的特征。
本发明IWRC钢索由以下的方式制得。正如图1B所示，一根纤维芯4和七根钢丝3拧成股绳，而由4根股绳拧绕成一初始绳芯1′。初始绳芯1′具有5.8mm的直径。如图1C所示，通过冲模，使初始绳芯1′缩径成具有5.4mm直径的绳芯1。由模锻也可以减少绳芯的直径。此后，将六根外层股绳封闭拧绕在绳芯1上，以构成直径14.7mm和绳节距87mm的钢索。外层股绳5具有一根中心钢丝，六根中间钢丝，六根填充钢丝和十二根外层钢丝。
压缩冲模具有大约13％的缩减率，缩径的绳芯1具有大约56％的总接触区域比率Tz，和大约11％的非接触区域比率Gz。本发明钢索具有137KN的抗断强度。
从另一方面来说，做为一比较例，将常规IWRC钢索制成具有相同直径(＝14.7mm)和相同绳节距(＝87mm)的钢索。该比较钢索具有如图5A所示的绳芯11，而不是如图1A所示的缩小绳芯1。该比较钢索的抗断强度为141KN。
对上述发明和常规IWRC钢索进行以下的弯曲疲劳试验：
用于弯曲试验绳轮的直径：240mm
弯曲直径对钢索直径的比率：18
钢索张力：27KN
安全系数：5
弯曲型式：S型
接触角度：180°×2
行程： 1200mm
弯曲次数：12000
表格1表示断裂钢丝的数目，表格2表示试验前后钢索的直径。
表格-1
表格-2
从表格1可以看到断裂钢丝的数目和断裂部位，本发明的钢索要好于比较钢索，特别是在断裂部位方面，本发明钢索明显优于比较钢索。即：本发明钢索外层股绳的内部钢丝和绳芯的断裂数目比比较钢索的要低得多。
同时，从表格-2中可看到不论是在非负荷的状态或是负荷的状态，本发明钢索的缩减直径都比比较钢索小。
因此，本发明的钢索具有极佳的抗断裂和抗位移特性。
上述实施例虽然是用IWRC(6×Fi(25)JIS Type-14钢索，它由四根股绳的绳芯，和六根外层股绳构成；各股绳由纤维芯和七根钢丝拧成。外层股绳各由一根中心钢丝，六根中间钢丝，六根填充钢线，和十二根外层钢丝构成。然而，本发明并不仅限于该IWRC(6×Fi(25)JIS Type-14钢索，而且它还适用于各种钢索，只要绳芯的直径缩小，使绳芯的股绳外表面更接近绳芯的外切圆以增加接触区域，并且减少非接触区域的钢索，均属本发明范围。
此外，通过改变绳芯的结构，例如：钢丝的直径、钢丝的数目、股绳的数目、直径的缩减率，增加接触区域率。本发明可制造出具有高强度和挠性的新型钢索。
应该注意：在考虑股绳的数目时，上述实施例直径的缩减率，作为最好的例子被加以描述。根据本发明，保证直径的缩减率使总接触区域比率达20％或更多，则本发明能获得最佳效果。为使外层股绳的弯曲应力小，最好对直径的缩减率进行控制，使非接触区域率Gz低于20％，尤其是绳芯的股绳数少时。
而且，在上述实施例中，纤维芯4被用来作为绳芯1的股绳2的中心。然而，根据本发明，除了纤维芯以外的任何其他材料，均可被用来作为构成绳芯的股绳的中心，只要它具有必要的强度和变形能力以实现直径的缩减，例如：纤维绳、橡胶芯均可应用。
尽管参照附图、借助实例对本发明进行了充分描述，但是很明显：各种改变和修改对于本专业技术人员为说将是显而易见的。因此，除非这样的改变和修改脱离了本发明的范围，否则它们都应该被包括在本发明的范围内。
