钢丝绳在旋挖机上的应用
近年，全国各地的基础工程建设如火如荼，桥梁、公路、建筑及地铁等基础建设呈现前所未有的繁荣景象。在这些基础建设过程中，相应建造设备，旋挖钻机，成为不可或缺的功臣。钢丝绳是旋挖钻机设备使用过程中的重要消耗材料，也是保证旋挖钻机设备安全生产的重要组成部分，其市场需求在不断增长。
2016年1月发布了YB/T4506-2016《旋挖钻机用钢丝绳》行业标准，并于2016年7月1日正式实施，为钢丝绳生产企业提供了规范依据。
1 旋挖钻机概况
钻机的主要部件有：底盘（行走机构、底架、上车回转）、工作装置（变幅机构、桅杆总成、主卷扬、辅卷扬、动力头、随动架、钻杆、钻具等）。
在工作过程中，旋挖钻机用钢丝绳一端固定于卷扬机的卷筒上，另一端固定于铠式钻杆上端的提引器上，中间通过一个定滑轮和一个导向轮。由于没有安装动滑轮，所以要求钢丝绳单绳拉力较大，才能保证提引器在钢丝横反扭力的作用下自由旋转，并保证钻杆起升和下降的安全可靠。
旋挖钻机钢丝绳主要功能是提升钻杆和钻具。旋挖钻机施工时需要频繁提升、下降钻具，因此要求钢丝绳具有好的耐磨性，此时压实钢丝绳具有一定的优越性。钢丝绳最大拉力为钻具的自重、旋挖钻斗的自重、钻桶内渣土的重力之和。
旋挖钻机的钻进难点是在嵌岩使用中岩石硬度高达67HRC的条件下，提高旋挖钻机用钢丝绳的使用性能和使用寿命。由于旋挖钻机用钢丝绳与提引器端部经常浸泡在泥浆中，工作环境恶劣，容易发生腐蚀，旋挖钻机特殊的工作条件与环境对钢丝绳提出更高的捻制和表面脂涂覆要求。
旋挖钻机用钢丝绳的使用性能和寿命取决于钢丝绳结构的科学匹配、钢丝绳捻制质量、钢丝绳配置方式和使用过程中的检查与维护。
2 旋挖钻机用钢丝绳的使用特点及技术要求
2.1 市场上的应用
目前，在市场上应用于旋挖钻机的钢丝绳结构繁多，普通圆股阻旋转钢丝绳主要有18×7类、24W×7类、35W×7类；压实股阻旋转钢丝绳主要有18×K7类、35W×K7类、15×K7类；捻向有交互捻和同向捻。
最近几年，35W×K7类和15×K7类两种结构钢丝绳应用于旋挖机上的数量相对较多，尤其是这两种同向捻钢丝绳在市场上的应用多，占比达50%以上。
2.2旋挖钻机用钢丝绳的工作特点
旋挖钻机用钢丝绳在运行过程中，主要受以下几个方面的影响。
1）旋挖钻机用钢丝绳在运行过程中受到扭转载荷。
2）由于国内外旋挖钻机都没有安装动滑轮，所以钢丝绳单绳拉力较大。
3）旋挖钻机用钢丝绳多层缠绕的转台没有彻底根除，卷筒的跳绳、乱绳、咬绳等问题一直是制约钢丝绳使用寿命的关键因素。
4）旋挖钻机用钢丝绳工作环境恶劣，经常在腐蚀性的泥浆中工作，对钢丝绳涂覆油脂选择的技术要求较高，使用时要经常检查钢丝绳状态，并及时补充油脂。
5）旋挖施工过程中，升降钻杆和钻具时，作用在钢丝绳的力是一个交变载荷。
6）国内外的旋挖钻机主、辅卷扬的滑轮直径普通偏小，因此，其直径与钢丝绳直径比值偏小，会降低钢丝绳的抗弯曲疲劳性能，影响钢丝绳的使用性能和使用寿命。
2.3技术要求
旋挖钻机用钢丝绳的技术要求如下。
1）钢丝绳应具有抗旋转性。
2）钢丝绳应具有较高的抗拉强度，捻制均匀性好，钢丝绳捻制损失小，且要保证钢丝绳的整绳破断拉力。
3）对于多层缠绕的前置卷扬卷筒，推荐使用同向捻钢丝绳，以避免内股产生印痕。
4）鉴于旋挖钻机用钢丝绳直径与主辅卷扬的直径比值偏小，钢丝绳结构宜为多层股钢丝绳。
5）旋挖钻机施工需要频繁提升、下落钻具，要求钢丝绳耐磨性能好，抗拉强度适宜。
6）压实类异形股钢丝绳因股与股间接触点多，金属填充系数大，因此具有抗挤压、耐疲劳的特点。有些类型钢丝绳在钢芯和外股之间有一层塑料层，减少了钢芯与外股之间的摩擦，提高了钢丝绳抗疲劳性，并使钢丝绳结构更紧凑，不仅抗挤压、抗高温，而且吸收冲击载荷的能力大大提高。
7）钢丝绳的使用寿命主要取决于绳槽尺寸，以及钢丝绳直径D和卷筒（或滑轮底部）直径d比率的正确选择。旋挖钻机通常选择D/d≥20，D/d0=250，其中d0为钢丝绳最外层钢丝直径。
8）旋挖钻机工作时，要始终保持使用钢丝绳第一层提升力，且提升力要稳定。
3 35W×K7与15×K7+ IWRC两者性能之比较
35W×K7和15×K7+ IWRC内外层捻向相反，均属阻旋转钢丝绳，以规格为φ28.0mm钢丝绳为例，在相同表面状态和强度级别情况下，两者相关参数见表1。
3.1 结构稳定性
从表1可以看出，35W×K7和15×K7+IWRC股数分别为35股和28股，从层数看，钢丝绳层数分别为3层和2层，后者易于生产。就35W×K7和15×K7+IWRC的内层绳19×K7和6+6F+1而言，是两层和一层，内层的捻角不一致，受力就不一致。所以，35W×K7和15×K7+IWRC两者之间的各组股受力均匀性，前者略逊于后者。
3.2 耐磨性能
由表1可知，15×K7+ IWRC钢丝绳的外层股外层钢丝直径比35W×K7钢丝绳外层股外层钢丝直径粗，因此，对于外部磨损而言，15×K7结构钢丝绳的耐磨性能优于35W×K7钢丝绳；对于内部磨损而言，35W×K7层组股之间均为压实，接触应力相对较小，所以，内部磨损较好，但钢丝绳在工作过程中最重要的是与外部磨损，内部磨损的频率相对较少。
3.3 抗弯曲疲劳性能
由YB/T4506-2016可知，35W×K7结构钢丝绳除中心股不需压实外，其余各股均压实，而 15×K7+IWRC仅压实外层股。因此，15×K7+IWRC结构钢丝绳抗弯曲疲劳性能优于35W×K7结构钢丝绳。
3.4抗冲击性能
表2、表3示出两种钢丝绳配丝。通过计算可知，与15×K7+IWRC结构钢丝绳相比，35W×K7填充系数较大，刚度较高，抗冲击性能较强。
3.5 柔软性能
根据捻搓系数公式：MS= DS/DW，MR=DR/DS，得出柔性系数（KR）：KR=DR/Dw= MS× MR，其中，DR为绳径；DW为丝径；DS为股径；MS为股捻搓系数；MR为绳捻搓系数。
MS和MR值是影响钢丝绳结构、强度、柔性、致密性的因素之一，若股绳由不同直径的钢丝组成，则取直径大的钢丝（中心丝除外）计算。MS和MR大，即丝径小，金属密度大，支撑表面积大，使钢丝强度提高，柔性、不松散性能、耐磨性好。
钢丝绳在弯曲时，钢丝之间会产生滑动，绳内钢丝越细，根数越多，滑动面越大，钢丝相对滑动容易，钢丝柔软性好。
按照工艺，可以计算出35W×K7-28.0mm和15×K7+IWRC-28.0mm的柔性系数分别为17.28和17.5。因此，35W×K7-28.0mm的柔性比15×K7+IWRC-28.0mm略差。
4 结语
经对比，35W×K7和15×K7+IWRC两种不同结构钢丝绳的性能既具有相同点，也有一定的差异，但均可用于旋挖钻机。无论是35W×K7结构钢丝绳，还是15×K7+IWRC结构钢丝绳,两种钢丝绳各自优点，因此，要根据旋挖钻机使用的作业环境，合理选择钢丝绳。对于泥少、石多的地方，应选用抗冲击和耐磨性能更好的35W×K7结构的钢丝绳，对于泥多、石少的地方，可选用柔性和耐疲劳更好的15×K7+IWRC结构的钢丝绳，以发挥钢丝绳的最大效能。