專利名稱：用于鋼絲繩的高強(qiáng)度芯體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到用于鋼絲繩的實(shí)心聚合物芯體。
多股鋼絲繩傳統(tǒng)的芯體或中央元件是由諸如劍麻一類的天然纖維來(lái)紡制而成，通常是3(或4)股纖維繩的形式。最近已由連續(xù)的人造纖維紗例如聚丙烯來(lái)取代天然纖維，但它仍然要有(3或4)股合在一起，這樣的缺點(diǎn)是對(duì)包在它周圍的鋼絲股繩會(huì)產(chǎn)生支承方面的不均勻性。尤其是GB-A-1092321所公開(kāi)的芯體，它是由聚酰胺，聚酯或聚丙烯的多根單絲螺旋地加捻在一起并在拉力下使之緊密結(jié)合。
這一缺點(diǎn)可以由申請(qǐng)人的早先發(fā)明方法加以克服，這些方法在GB-A-2219014和GB-A-2269400中作了闡述，其中鋼絲繩的芯體具有與纜繩內(nèi)表面緊密相結(jié)合的帶溝漕外表面。上述帶溝漕的芯體通常是在兩個(gè)加工步驟中加工出，用一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)模頭的十字頭擠壓機(jī)以形成溝槽的截面形狀。這一發(fā)明已證實(shí)在中等尺寸的纜繩中十分成功并已在產(chǎn)品中表現(xiàn)出非常好的使用性能，但是要承認(rèn)這一方法對(duì)于一般在高速機(jī)器上加工的直徑小的纜繩就要差一些。特別是這一生產(chǎn)方法在加工溝漕芯體時(shí)會(huì)在生產(chǎn)速度和所用材料性能這兩方面受到限制。對(duì)這些問(wèn)題希望能夠提出一個(gè)解決的辦法使能生產(chǎn)出一種新型高性能的用于小直徑鋼絲繩的芯體，例如電梯的纜繩。
本發(fā)明一方面是為鋼絲繩提供一個(gè)實(shí)心的聚合物芯體，在它的軸心方向具有晶體被拉伸和定向的定向組織。
本發(fā)明的另一方面是為鋼絲繩提供一個(gè)具有軸向定向組織和對(duì)應(yīng)于纜繩內(nèi)面幾何形狀的多邊形的實(shí)心聚合物芯體。
本發(fā)明的其它方面是為鋼絲繩提供一個(gè)晶體在兩個(gè)方向得到定向(一個(gè)是橫向于芯體的軸線方向，另一個(gè)是在軸線方向)的實(shí)心聚合物芯體。
芯體最好是整體的或是一件的結(jié)構(gòu)，但是其它由很多元件組成的結(jié)構(gòu)也是可以的。例如，實(shí)心細(xì)長(zhǎng)體也可以是由相繼的聚合物材料層(層與層可以不相同)的同軸結(jié)構(gòu)所構(gòu)成。在另一個(gè)實(shí)施例中，芯體也可以由相互平行的聚合物元件組合而成。在這種情況下元件的數(shù)量(n)最好直接和圍住芯體的股繩的數(shù)量(m)聯(lián)系起來(lái)(例如，n＝m/2，n＝m，或n＝m＋1)。
本發(fā)明還提供一種用一個(gè)或多個(gè)加工步驟在芯體固化狀態(tài)時(shí)用芯體成型的控制方法來(lái)生產(chǎn)芯體的方法。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了帶整體或多元件實(shí)心聚合物芯體結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，其中芯體材料的組織最好大體上在軸心方向是定向的。芯體的外表面形狀最好是對(duì)應(yīng)于纜繩的內(nèi)面幾何形狀。鋼絲繩在所說(shuō)的芯體外表面可以包括例如6或8根外層股繩。芯體能夠分擔(dān)很大一部分纜繩的承載能力(例如5％到10％或是更多)。
本發(fā)明將參照附圖并以舉例的方法作進(jìn)一步說(shuō)明，其中

圖1是用于加工鋼絲繩芯體的裝置的正面示意圖；圖2是成形裝置第一實(shí)施例的軸向截面圖；圖2a是圖2成形裝置的端面視圖；圖3是成形裝置第二實(shí)施例的軸向截面圖3a是圖3成形裝置的端面視圖；和圖4是帶有芯體的鋼絲繩截面圖；圖5a是一個(gè)三棒束的截面圖；圖5b是圖5a的束經(jīng)縮減和拉長(zhǎng)以加工成一個(gè)用于6股纜繩的芯體的截面圖；圖6a和b是類似于圖5a和b的視圖，表示一個(gè)用于8股纜繩的四棒束；圖7a和b是類似于圖5a和b的視圖，表示一個(gè)用于6股纜繩由兩件組成的芯體；和圖8a和b是類似于圖5a和b的視圖，表示一個(gè)用于b股纜繩的七棒束。
下面要說(shuō)明的是以單一的步驟制造實(shí)心、高強(qiáng)度聚合物芯體(用于鋼絲繩)的方法，而在以前只有用由細(xì)纖維以多個(gè)不同加工過(guò)程生產(chǎn)得到的芯體指在獲得這樣的強(qiáng)度，而且該芯體對(duì)鋼絲股繩不能提供相同的支承堅(jiān)實(shí)性。
優(yōu)選的方法是擠壓出一根由聚合物組成的標(biāo)稱的圓柱形棒(或是一束的棒)，其截面面積大體上比最終要求的芯體要大一些，然后對(duì)棒(或束)在固體狀態(tài)下施以成形加工。成形加工設(shè)計(jì)和控制得使棒(或束)在軸向的伸長(zhǎng)和在截面形狀再成形這兩方面能使棒(或束)與最終產(chǎn)品的要求密切吻合。
在固態(tài)下對(duì)聚合物(進(jìn)行拉伸加工實(shí)質(zhì)上是提高了它的機(jī)械性能。特別是拉伸后芯體的抗拉強(qiáng)度可以提高到例如10倍而且彈性模量與擠壓出的棒相比可以提高多至20倍。其原因是成形加工具有對(duì)材料晶體組織進(jìn)行再定向作用，使晶體拉伸并在軸向拉成細(xì)長(zhǎng)。
對(duì)截面形狀進(jìn)行再成形加工有兩個(gè)好處。首先，它能使芯體尺寸密切的與所要求的纜繩直徑相適應(yīng)，同時(shí)提高了縱向的一致性和芯體相對(duì)于原始擠出棒形狀的同心度，原始擠出棒形狀在固化時(shí)有一個(gè)變成橢圓形的傾向(除非是垂直地?cái)D壓出)。其次，它可以使芯體的形狀修正到與所要求的鋼絲繩內(nèi)面形狀密切相符。因此，芯體截面可能是多邊形，這是由纜繩的股數(shù)而定，而且表面會(huì)以與股繩半徑相同或相當(dāng)?shù)那拾霃桨枷隆?br> 成形加工使能定向的聚合物晶體在軸向進(jìn)行拉伸和拉成細(xì)長(zhǎng)，從而芯體的軸向性能得到提高，其中的晶體變成有些像晶須而且強(qiáng)度更高(由于加工硬化的機(jī)理)。
此外，在芯體再成形加工成非圓形(多邊形)截面形狀時(shí)，不可避免的會(huì)有一些橫向變形或是聚合物的流動(dòng)，這可能會(huì)像薄片或管狀材料的雙軸線拉伸。這一輔助的垂直于軸線方向的定向(與優(yōu)先的軸向定向一樣)具有增大芯體橫向性能的附加潛能，例如抵抗由纜繩的股繩產(chǎn)生的徑向應(yīng)力(壓碎)的能力(也就是有些晶須轉(zhuǎn)為帶狀構(gòu)造)。
在固化狀態(tài)下對(duì)這樣的芯體進(jìn)行拉伸增強(qiáng)了它的軸向強(qiáng)度，徑向壓縮強(qiáng)度，彎曲剛性和扭轉(zhuǎn)韌性。
圖1表示一個(gè)加工棒7(或圓束棒)的臥式螺桿擠壓機(jī)1。拉細(xì)加工最好是與擠壓機(jī)在線的進(jìn)行，以使棒料(或束)能在固化狀態(tài)下但在它冷卻到低于最佳工作溫度以前的這段時(shí)間中進(jìn)行加工。這樣可以免去將材料再次加熱到一個(gè)合適溫度有關(guān)的、也許是費(fèi)用大而且要進(jìn)行速率控制的加工問(wèn)題。
拉細(xì)加工是在兩個(gè)牽引裝置之間進(jìn)行，牽引裝置相互連接傳動(dòng)(例如用機(jī)械或是電子的方法)以保持預(yù)先確定的線速度比。例如，如果要使棒料拉細(xì)100％，那么第二個(gè)牽引裝置的線速度就要設(shè)定得比第一個(gè)牽引裝置大一倍。
第一個(gè)牽引裝置可以是一個(gè)單輥筒或雙輥筒結(jié)構(gòu)的絞盤2，或是用“履帶”傳動(dòng)件(由兩根循環(huán)的摩擦帶組成)，兩者都適合于將圓形棒料(或束)7夾住，并如果為了溫度控制目的需要可將它浸漬在一個(gè)液流槽3中。第二個(gè)牽引裝置可以是一個(gè)絞盤或是一個(gè)“履帶”傳動(dòng)件5(由兩根循環(huán)的摩擦帶組成)，并要考慮到生產(chǎn)出的細(xì)長(zhǎng)芯件8的形狀和防止對(duì)它的損傷。芯體8最后卷繞在一個(gè)卷取繞線盤6上。
對(duì)拉伸加工的控制可以由對(duì)兩個(gè)牽引裝置之間的棒料(或束)的截面施加徑向壓力而得到加強(qiáng)，如圖1示意所示。壓力產(chǎn)生裝置可以是一個(gè)套筒模4(與鋼絲拉模相同)或是一個(gè)成形軋輥系統(tǒng)。由于很難產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)的模頭或是軋輥系統(tǒng)，最好安排成下列程序—(a)啟動(dòng)擠壓機(jī)1并拉出一段材料，其尺寸是要能夠通過(guò)模頭4，也就是在擠壓機(jī)的出口處拉出熔體，(b)將此段材料引向第一牽引裝置2，穿過(guò)模頭4而到第二牽引裝置5，和(c)接上第二牽引裝置傳動(dòng)，然后逐漸引入第一牽引裝置2以使擠壓機(jī)出口到控制區(qū)轉(zhuǎn)入到拉伸加工。
擠壓機(jī)的傳動(dòng)裝置也最好是根據(jù)相互的通過(guò)速度而至少與牽引裝置2，5中的一個(gè)自動(dòng)地相連接，因而能在大致不改變相關(guān)的加工條件的情況下改變線速度。
在拉伸階段棒料溫度的控制對(duì)加工過(guò)程十分重要，在擠壓機(jī)和模頭(或壓力產(chǎn)生裝置)之間設(shè)置一個(gè)熱水(或是液體)槽(例如約為90℃)將是很有效。設(shè)備可以安裝成將模頭裝在水(或液體)槽的末端。水溫較低的第二個(gè)浴槽或槽溝(未表示出)可以放在模頭的后面以幫助芯體在進(jìn)入第二牽引裝置之前得到冷卻。
使芯體形狀再成形的裝置可以是一個(gè)仿形模頭，一組成形軋輥，或最好是圓球成形裝置，這將在下面揭露。這有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，容易裝配而且能在不中斷加工的情況下對(duì)棒料(或束)進(jìn)行調(diào)整。在實(shí)際加工中希望再成形加工是與拉伸加工連在一起進(jìn)行而且最好是與擠壓機(jī)聯(lián)在一起。下面說(shuō)明的成形裝置因此參照于上面的拉伸加工也是構(gòu)成施加徑向壓力的裝置。要認(rèn)識(shí)到擠壓是連續(xù)加工，以便在下游進(jìn)行再成形加工并與擠壓機(jī)聯(lián)機(jī)，最好成形設(shè)備是可以拆卸和調(diào)整的。這些設(shè)備特征將在下面說(shuō)明。
圖2描繪了圓球裝置的基本原理，其中球12能在帶有截錐孔14的座體11中作自由轉(zhuǎn)動(dòng)，截錐孔14的錐度相對(duì)于塑料棒7(或棒料束)提供調(diào)整它們特殊幾何形狀的方法，要求塑料棒在通過(guò)裝置的中心時(shí)形狀得到修改。球12的徑向位置可以由垂直于錐孔14軸線安裝的止推環(huán)或墊圈13進(jìn)行控制并能例如用螺紋擰入到座體11中的承載件16進(jìn)行軸線方向的精密調(diào)整。球12的數(shù)量要選擇得與芯體8的纜繩股繩數(shù)相匹配，而且球的大小也要按照最終芯體8所要求的形狀進(jìn)行選擇。芯體調(diào)整裝置的極限是球12正好相互全部接觸并與止推環(huán)13相接觸，因而保證它們能均勻的處在錐孔14的周圍。
在另一實(shí)施例中，截錐孔14帶有軸向排列或是螺旋形的其內(nèi)放有球12的溝槽?？椎臏喜圩詈檬堑乳g距的圍繞在錐孔上以使球保持均勻的間距即使是球互相不接觸情況下也是如此。這就使加工的芯體有一個(gè)較寬的溝槽分隔，由此為纜繩提供更為廣闊的股繩間距。
在另一實(shí)施例中，成形裝置包含一系列在錐孔14軸心上半徑逐漸減少的距離上的圓球12a，12b，12c的環(huán)形圈，使棒料形狀逐漸進(jìn)行變化，如圖3所表示。相繼的圓球12a，b，c的尺寸也可以是逐漸減少，而且圓球的每個(gè)環(huán)形圈也可以分開(kāi)調(diào)整。所示的實(shí)施例中，圓球是處在軸向等距離排列的溝槽17之中。
圓球的環(huán)處在溝槽中之后，外殼11可以是旋轉(zhuǎn)的安裝。具有螺旋溝槽形狀的芯體就可以或是由傳動(dòng)裝置使成形裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，其速度是與最后的牽引裝置速度有匹配關(guān)系，或者是將圓球的相繼圓環(huán)安排成螺旋排列，并允許成形裝置自然轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是自動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。
對(duì)于一個(gè)給定尺寸的裝置即外殼11是可以做到用它來(lái)生產(chǎn)一定尺寸范圍的芯體。圓球的數(shù)量(及由此在錐孔中的溝槽，如果存在)將是由纜繩的結(jié)構(gòu)所確定。芯體尺寸/形狀的粗略調(diào)整是由對(duì)合適的圓球尺寸進(jìn)行選擇而得到，而精細(xì)調(diào)整則是由止推環(huán)13的軸向位置來(lái)完成的。
圓球12(12a-c)最好是淬硬鋼或是其它耐磨材料諸如碳化鎢做成，而外殼11是由淬硬鋼或硬銅做成。止推環(huán)13也可以是硬銅，以便減少磨損和對(duì)潤(rùn)滑劑的需求。圓球的最終表面處理要控制得有助于促進(jìn)它們與聚合物(芯體)表面間的轉(zhuǎn)動(dòng)。
錐孔14的錐度角要選擇得有助于保證圓球能拉入到座體11之中并由作用在它們上面的剪切力和徑向力的合力使之在沒(méi)有后面的保持環(huán)或軸肩就能在那里保持住。
當(dāng)作用在一束棒料時(shí)，每個(gè)球(或每個(gè)交替的球)會(huì)自然的沿著兩根相鄰棒料之間所確定的凹谷運(yùn)行，由此自動(dòng)的得到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的截面形狀。
當(dāng)考慮到在棒料(或束)的截面面積中會(huì)有大的縮減時(shí)就要采用多步驟加工，包括一系列在鄰近的部分之間有成形裝置的牽引裝置和必要的中間加熱或中間冷卻裝置，以便使聚合物的溫度在每一個(gè)縮減/成形階段保持在最佳水平上，并且考慮到要達(dá)到經(jīng)濟(jì)的加工速度，例如大于10m/min，最好是大于20m/min，最好是大于30m/min。
在又一實(shí)施例中，最終的成形和/或?qū)π倔w進(jìn)行加捻加工可以在纜繩合擾機(jī)上進(jìn)行，這時(shí)成形裝置最好放在貼近到機(jī)器成形點(diǎn)處，使得對(duì)芯體尺寸的最后調(diào)整能在接近到它即將引入到纜繩去時(shí)進(jìn)行，而且能相對(duì)于產(chǎn)品尺寸對(duì)纜繩制造過(guò)程作最終控制。
用一束棒料(最好是圓形棒料)可以避免擠出單根大棒料帶來(lái)的問(wèn)題?？梢岳斫?，要在芯體成形和纜繩合攏加工之間保持最后得到的多元件芯體的完整性是要小心對(duì)待的。
圖4表示6根股繩21繞在有六個(gè)凹面22的芯體8上，芯體包含有一般的在軸向定向的須狀晶體和一般的在軸向和徑向23定向的帶狀晶體。
圖5a表示有三根圓棒料32的束31，它是由上面所說(shuō)的裝置所生產(chǎn)，用來(lái)加工出如圖5b所示用于6股纜繩的三件式芯體33。芯體33有六個(gè)凹面34并包含有一般的在軸向定向的須狀晶體和一般的在軸向和徑向(向著凹面34之間的突出部分36)定向的帶狀晶體。
圖6a表示有四根圓棒料32的束31’，它是如上面所說(shuō)生產(chǎn)的，用來(lái)加工出如圖6b所示的用于8股纜繩的四件式芯體33’。
圖7a表示一個(gè)兩件式棒料40，它是由可定向的聚合物材料擠出成圓柱形元件41，然后在它的外面擠壓上一層可定向的聚合材料外層42。這兩種材料可以是一樣的或是不同的。棒料40是用和上面所說(shuō)的棒料7一樣的方法加工而成，用來(lái)加工出如圖7b所示的用于6股纜繩的芯體43。芯體43的中心件44和外層件46兩者都具有一般的在軸向定向的須狀晶體。此外，外層件具有一般的在軸向和徑向(向著接受纜繩的股繩的凹面48之間的突出部分47)定向的帶狀晶體。
圖8a表示有七根圓形棒料52的束51，其加工方法如上所述，用來(lái)加工出如圖8b所示的用于6股纜繩的七件式芯體53。再者，芯體53的每個(gè)外層元件54包含有一般的在軸向和徑向向著突出部分56定向的帶狀晶體。中心元件57的聚合物材料可以和外層元件的材料不一樣。
上面所說(shuō)的加工方法特別適用于固化狀態(tài)下成形的熱塑性材料，而且在機(jī)械性能方面由于加工硬化而表現(xiàn)出很顯著的增強(qiáng)，也就是相當(dāng)于金屬的冷加工，已經(jīng)知道聚烯烴對(duì)這樣處理的效果很好，以及高密度的聚乙烯和聚乙烯共聚物以及聚丙烯都已表示出是合適的選擇材料。然而，新的改良的混合材料已經(jīng)不斷的生產(chǎn)出來(lái)，包括(纖維)增強(qiáng)的聚合物，而本發(fā)明可用它們中不少具有相同優(yōu)點(diǎn)的材料。
已經(jīng)知道在擠壓出某些大的實(shí)心截面的熱塑性材料時(shí)沿著棒料的軸線會(huì)出現(xiàn)間斷性的收縮增多的問(wèn)題。要避免這樣的問(wèn)題和跟著而來(lái)的不規(guī)則的危害性，特別是對(duì)于較大的棒料，最好擠壓出的棒料帶有中心細(xì)孔或腔，這將在后面的成形加工中實(shí)質(zhì)上被封閉住。另外，棒料也可以如上面所提到的由幾個(gè)連續(xù)化過(guò)程擠壓出，或是可以用棒料束，如同上面所說(shuō)明的。
圖中所表達(dá)的芯體已經(jīng)說(shuō)明是用在單層結(jié)構(gòu)形式的纜繩中，但是這些芯體也可以同樣有效地用在多股繩的纜繩中，也就是一層以上股繩的纜繩。
權(quán)利要求
1．用于鋼絲繩的芯體(8)，包含有一個(gè)聚合物材料的實(shí)心細(xì)長(zhǎng)主體，聚合物具有定向的組織，它是由大體上在芯體(8)軸線方向定向的拉長(zhǎng)的晶體組成。
2.如權(quán)利要求1所述的芯體，其中，芯體(8)的截面形狀是有很多等距離的凹面(22)。
3.如權(quán)利要求1所述的芯體，其中，所說(shuō)的組織包括在軸向和垂直于軸心方向定向的晶體。
4.如權(quán)利要求1所述的芯體，其中，芯體是整體結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的芯體，其中，主體是由聚合物材料制成的各縱向元件平行組合而成。
6.如權(quán)利要求1所述的包含有芯體(8)的鋼絲繩，在芯體(8)的周圍有很多螺旋狀延伸的股繩(21)。
7.如權(quán)利要求6所述的鋼絲繩，其中，芯體(8)的外形大體上是對(duì)應(yīng)于周圍股繩(21)的內(nèi)面幾何形狀。
8．如權(quán)利要求1所述的鋼絲繩，包括在芯體(8)上有六根或八根股繩(21)。
9.如權(quán)利要求6所述的鋼絲繩，其中，芯體分擔(dān)了很大部分例如至少5％的纜繩承載能力。
10.一種制造如權(quán)利要求1所述芯體的方法，包括在固化狀態(tài)下對(duì)可定向聚合物材料大體上是圓柱形的棒料進(jìn)行成形加工，使棒料同時(shí)作軸向拉伸和改變它的截面形狀。
11.一種制造如權(quán)利要求1所述芯體的方法，包括在固化狀態(tài)下對(duì)可定向聚合物材料的棒料束進(jìn)行成形加工，使棒料在軸向拉伸和改變棒料及棒料束兩者的截面形狀，從而生產(chǎn)出基本為實(shí)心的主體。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，棒料基本上是圓柱形的。
13.用于制造如權(quán)利要求1所述芯體的裝置，包括第一牽引裝置(2)，用于以第一線速度接受和輸出可定向聚合物材料的棒料或是一束棒料，一個(gè)第二牽引裝置(5)，用于以比第一線速度高的第二線速度接受棒料或棒料束，和一組間隔地放置在牽引裝置(2，5)之間的棒料或棒料束通道軸心的周圍的滾軋?jiān)?12)，用于改變棒料或棒料束的截面形狀。
全文摘要
擠壓出的聚合物棒(7)在固化狀態(tài)下在成型裝置(4)的拉伸下而拉長(zhǎng)，生產(chǎn)出具有定向組織的實(shí)心聚合物芯體(8)，所述的定向組織包括沿芯體(8)的軸向定向的拉長(zhǎng)的晶體。芯體還可以包括另外沿各個(gè)徑向(23)定向的晶體。單根棒可以由一束棒來(lái)代替。
文檔編號(hào)D07B1/16GK1130929SQ9419339
公開(kāi)日1996年9月11日 申請(qǐng)日期1994年8月1日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月4日
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