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健身器械用高性能钢丝绳的设计与生产研究

发布时间:2020-03-05 18:31所属平台:学报论文发表浏览:

摘要为了提高国内生产的健身器械用高性能钢丝绳涂覆TPU聚氨酯后的抗疲劳性能,研制了健身器械用高性能619-SPC钢丝绳,选择300系列捻股机对股绳进行捻制,绳股含油率控制在1.5%-2.0%;采用6辊预变形器对绳芯股进行预变形,用12辊后变形器减小绳芯的捻制应力,

  摘要为了提高国内生产的健身器械用高性能钢丝绳涂覆TPU聚氨酯后的抗疲劳性能,研制了健身器械用高性能6×19-SPC钢丝绳,选择300系列捻股机对股绳进行捻制,绳股含油率控制在1.5%-2.0%;采用6辊预变形器对绳芯股进行预变形,用12辊后变形器减小绳芯的捻制应力,经过检测,整绳破断拉力为10.9kN,疲劳寿命为50000次,疲劳后破断拉力为5.3kN,钢丝绳力学性能满足相关标准要求。

  关键词健身器械;高性能钢丝绳;力学性能

金属学报

  健身器械用高性能钢丝绳是健身器材上必不可少的配件,它以高疲劳、低伸长为主要特征,钢丝绳表面需要涂覆TPU聚氨酯,并且要求绳芯必须含有塑芯。国内生产的同类产品涂覆TPU聚氨酯后的疲劳寿命只有进口产品的2/3,只能用在一些低档的健身器械上[1-2],因此加强健身器械用高性能钢丝绳的设计与生产研究十分必要。开发健身器械用高性能钢丝绳,不但能丰富钢丝绳的结构品种,还在一定程度上提高了钢丝绳的性能。

  1健身器械用高性能钢丝绳的设计与生产技术要求

  (1)钢丝绳的整绳破断拉力≥8kN,试验方法按照GB/T8358—2006规定。(2)钢丝绳表面涂覆TPU聚氨酯后,按照健身器械要求进行疲劳试验,疲劳次数达到10万次后,钢丝绳弯曲部位没有破损,而且此时钢丝绳的破断拉力不低于原始破断拉力的50%。要达到制绳钢丝技术指标,生产的关键在于热处理工艺参数和拉拔工艺参数的确定,在进行工艺设计时,应充分把握钢丝强度、硬度与盘条含碳量、盘条微量元素总量、热处理钢丝的索氏体片层间距及晶粒度、钢丝拉拔的总压缩率和部分压缩率的关系与规律,才能完成上述制绳钢丝技术指标。

  2健身器械用高性能钢丝绳的工艺路线

  3健身器械用高性能钢丝绳的设计

  3.1结构设计

  健身器械用高性能钢丝绳的以保证其使用性能并尽可能延长使用寿命为首要目的,通过技术措施抑制并推迟微动疲劳或腐蚀疲劳的发生。设计钢丝绳以圆形横断面充满、钢丝表面磨损速率最低、微裂纹萌生与扩展速率最慢、腐蚀速率最低、柔韧性适中、同心层保留一定间隙及生产效率最高等为基本原则。在设计钢丝绳结构时,以圆形横断面钢丝充满为基本原则,尽量提高钢丝绳的密度系数,以保证钢丝绳能够承受尽可能大的拉力,使钢丝绳力学性能充分发挥。为达到钢丝表面磨损速率最低的目的,可以采取的具体措施包括选用与使用环境适宜的润滑脂、能够对钢丝表面给予保护的涂层材料、相互接触钢丝之间硬度的匹配等,其中涂层技术是防止钢丝发生微动磨损的最重要技术手段,涂层材料应该与钢丝基体结合牢固,耐磨损抗腐蚀,涂层只需要比较薄的厚度就能达到理想的保护效果,不能因为使用了涂层材料而降低钢丝绳整绳破断拉力。

  涂层材料必须能够跟随钢丝一起发生一定程度的弯曲变形,并且在反复弯曲变形过程中不能从钢丝基体脱落。涂层化是钢丝绳制造技术的发展方向。按照健身器械疲劳要求,钢丝绳疲劳试验是在表面涂覆TPU聚氨酯后进行的,因此疲劳试验考核除了钢丝绳,还有钢丝绳与TPU聚氨酯的黏合。国外用于健身器械钢丝绳的结构为6×19-PP,通过样品解剖,产品试制,生产的同类产品在绳径和破断拉力方面与国外产品无差别,但在涂覆TPU聚氨酯后进行疲劳试验时,与国外产品差别较大。国内生产的钢丝绳疲劳次数为10-12万次,残余破断不符合要求,为45%-50%整绳破断,弯曲部位TPU聚氨酯起壳破坏。根据疲劳寿命、残余破断数据进行分析,对2种TPU聚氨酯钢丝绳进行剥皮,检测钢丝绳直径和内部断丝情况,发现国产样品钢丝绳整体绳径变细,外层股与中心股接触面集中断丝较多,而国外钢丝绳径几乎没有变化,且外层股断丝很少。

  认为法尔胜钢丝绳可能由于缺少在线预张拉,在疲劳试验过程中有伸长现象[3],导致钢丝绳直径变细,从而影响与TPU聚氨酯的黏合力,最终导致弯曲部位TPU聚氨酯脱壳、损坏。同时,由于中心股PP受力后变细,影响其对外层股的支撑,导致外层股之间相互挤压、磨损,产生早期断丝断裂,致使钢丝绳残余破断不能满足。为此另辟蹊径,采用新理念钢塑复合绳芯替代原纯塑芯,即钢丝绳结构为6×19-SPC,在满足绳芯必须含有塑料的同时,提升中心股的支撑强度,稳定钢丝绳直径,提高钢丝绳与TPU聚氨酯的结合力,从而在残余破断和黏合力2方面改善疲劳试验结果。

  3.2钢丝绳制造

  3.2.1盘条选择

  制绳钢丝用盘条的材质、碳质量分数、微量元素质量分数等指标的确定主要依据钢丝的强度范围、外层钢丝的硬度以及钢丝的力学性能确定。健身器械用高性能钢丝绳外层钢丝的硬度指标不仅与钢丝的碳质量分数有关,而且与半成品的总压缩率、钢丝热处理工艺有关[4]。在进行工艺设计时,充分考虑外层钢丝硬度与健身器械曳引轮硬度的匹配,要求钢丝绳外层钢丝与曳引轮的相互磨损越小越好,考虑到外层钢丝硬度略低于曳引轮绳槽表面硬度,因此该产品0.63mm钢丝采用符合GB/T699《优质碳素结构钢》要求的60钢生产[5],但原料的元素质量分数应比GB/T699《优质碳素结构钢》规定的范围严格,0.63mm外层钢丝用60钢盘条化学成分。

  3.2.2油脂选择

  健身器械用高性能钢丝绳的质保期较长,钢丝绳用油脂直接影响其使用寿命和使用效果,健身器械用高性能钢丝绳的含油率分为绳股含油率和绳芯含油率,通常绳芯含油率指标一般为10%~15%,但绳股含油率不同[6]。健身器械用高性能钢丝绳含油的目的不仅是为了润滑,而且应具有防锈和增加摩擦的功能,当健身器械运行速度高时油脂容易甩落,严重时容易造成安全事故,因此要求钢丝绳表面的油脂附着力强。采用外层股不涂油+绳芯股涂油的方案,TPU聚氨酯结合牢固,表面色泽明亮,光滑。

  3.2.3钢丝绳捻制

  钢丝绳的捻制关系到产品的使用寿命,主要是控制钢丝及股张力的均匀性、绳股和绳芯的捻制应力状态等。在钢丝绳捻制过程中,钢丝的弯曲应力是钢丝绳捻制应力的主要存在形式[7],如何减少钢丝绳捻制后的应力,使成品钢丝绳各股捻制均匀紧密,是钢丝绳捻制工序的关键。可通过合理选择股绳捻制设备及工装、确定最佳的工装参数等措施来达到要求。

  (1)股绳捻制根据6×19-SPC钢丝绳的结构规格及配丝等参数,选择300系列捻股机对股绳进行捻制,采用26辊后变形器减小股绳捻制应力,在钢丝合拢点对股进行喷油然后擦拭,使股绳中各钢丝充分润滑,绳股含油率控制在1.5%~2.0%。股绳采取倍尺生产,严禁钢丝接头。

  (2)绳芯捻制6×19-SPC钢丝绳绳芯为独立的6×7钢芯,捻制时选择400系列合绳机进行生产,采用6辊预变形器对股进行预变形,用12辊后变形器减小绳芯的捻制应力,将绳芯股的变形率控制在50%,绳芯最终捻制成半松散状态。

  (3)合绳捻制健身器械用高性能钢丝绳合绳时要充分考虑钢丝绳的结构伸长、直径均匀性等指标,合绳时选择6轴带预张拉张力自动控制系统的合绳机进行生产[8],采用6股锥形可调预变形器对股进行预变形,用18辊后变形器减小钢丝绳的捻制应力。在预张拉之前采用具有专利技术的钢丝绳三向定径装置对钢丝绳进行适当的压实定径,确保钢丝绳捻制紧密和直径通条均匀。合绳时在线预张拉力设定为50kN,通过调整合绳机转速来控制在线张拉时间,确保钢丝绳结构生产率满足要求,钢丝绳捻制后的残余捻制应力分布均匀,钢丝绳捻制更加紧密,直线性较好。

  4钢丝绳性能检测

  通过精确设计和生产控制,6×19-SPC钢丝绳研制成功。现场测量钢丝绳实际参数均符合工艺设计要求,其中实测绳径28.50mm,主股直径3.18mm,内层股径6.26mm,中心股径3.03m,钢丝绳实测捻距181.00mm,内层绳实测捻距120.00mm。钢丝绳的破断拉力试验值为524kN。钢丝绳拆股试验结果表明,钢丝绳捻制后钢丝的力学性能均满足GB8918—2006的要求。

  5结语

  健身器械用高性能6×19-SPC钢丝绳由于其结构的优点,既消除了同类钢丝绳的缺陷,也弥补了普通单股钢丝绳的不足。随着健身器械市场的发展,健身器械用高性能钢丝绳的需求越来越大,产品附加值也较高,但是结构的变化也导致生产难度增大,这不仅需要有先进的设计技术和生产设备,更需要操作者具有较高的操作技能和风险预判能力。只有提高工人操作技能、规范操作过程,才能使其性能得到充分展现。

  参考文献

  [1]高性能钢丝绳创新与发展[J].金属制品,2016,42(02):67.

  [2]张东,孙文,陈逸伟,蔡磊.高性能细规格压实钢丝绳研发[J].金属制品,2010,36(05):19-21+25.

  [3]张春雷,刘红芳,黄磊,张伦.健身器械用高性能钢丝绳的研发与生产[J].金属制品,2011,37(05):45-48.

  [4]陈建辉,张成宇.超高速电梯钢丝绳研制及使用状况[J].金属制品,2014,40(04):9-13.

  [5]冶金部信息标准研究院.GB/T699-1999优质碳素结构钢[S].北京:中国标准出版社,2009

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《健身器械用高性能钢丝绳的设计与生产研究》

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