[发明专利]基于几何关系渐进迭代的圆股钢丝绳及钢缆设计方法

说明书

技术领域

本发明属于钢丝绳产品设计技术领域，特别涉及一种渐进迭代的圆股钢丝绳及钢缆设计方法。

背景技术

传统的圆股钢丝绳设计方法采用解析公式和经验公式进行计算，在一定的假设前提下，利用解析几何方法推导出钢丝绳各股和丝的几何方程，建立各种设计参数的解析计算公式或经验计算公式，得到最终的钢丝绳配丝设计方案。

传统的钢丝绳设计方法依据一定的假设前提条件，采用解析几何方法推导计算公式，存在如下问题：

1、不考虑钢丝绳加工捻制过程对钢丝绳的股与丝的形态影响，假设股与丝截面均是标准圆形，该假设的前提条件不符合实际情况；

2、对于点接触结构钢丝绳假设各层钢丝直径相等，使用经验公式进行设计计算；

3、对于线接触结构钢丝绳假设同层钢丝大小相等并紧密相切，且切点与坐标原点连线垂直于钢丝中心连线，同层钢丝/股的直径相同；该假设条件对于大多数捻制变形后的钢丝绳产品不成立；

4、没有考虑钢丝绳各同层股之间，股中同层钢丝之间的间隙；

传统的设计方法基于前提假设推导计算公式，并据此给出经验性公式，应用于各种结构和规格的钢丝绳设计。其缺点在于：

1、按照经验公式进行计算只适用于已有产品，在新产品设计与开发时失效；

2、点接触结构钢丝绳中，各钢丝捻制前的直径多数情况下不相等，不符合假设条件，造成计算偏差较大；

3、线接触结构钢丝绳设计的前提假设不符合实际情况，造成的计算偏差较大；

4、没有考虑钢丝捻制加工后的实际形变状态；

5、没有考虑钢丝间，股绳间的间隙；

由此，传统设计方法计算准确性低、计算结果不能真实反映产品的实际情况、不能适应钢丝绳间隙设计理念，致使无法将设计结果直接运用于生产实际，造成了设计与生产的脱节。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种基于几何关系渐进迭代的圆股钢丝绳及钢缆设计方法，可在设计阶段真实反映圆股钢丝绳加工后的股与丝形态变化、利用计算机进行渐进迭代计算、实现圆股钢丝绳和钢缆最优配丝的设计计算。

钢丝绳主要产品及其组件包括：单股绳、钢绳、钢缆。钢丝绳产品及其组件均由钢丝经过一次或多次捻制而成。以IWS(钢芯)点接触钢丝绳产品为例，给出产品及其股组件的截面，如图1所示。

圆股钢丝绳配丝设计问题可描述如下：给定钢丝绳/钢缆的公称直径及增量要求(实际外接圆直径)、钢丝绳/缆的构造层次结构(构成钢丝绳的股部件的结构与层次关系和每股的结构与构成钢丝个数)以及捻距倍数，在保证各层/股和钢丝相互结构关系约束的条件下，计算各层股的配丝(构造股所用各种钢丝的直径)、捻角、捻缩率、捻距等捻制参数，保证绳中同层股、股中同层丝之间的间隙，使整绳/缆达到技术性能指标要求。钢丝绳配丝设计过程可划分为正向设计计算和反向圆整校验计算两部分，在整个设计过程中，这两部分需要交替反复进行。

正向设计计算：对于任一给定公称直径及增量要求(实际外接圆直径)、结构、捻距倍数的钢丝绳，按照钢丝与股在制造过程中的捻制形态变化，设计计算出组成钢丝绳的钢丝与股的直径以及空间分布位置，计算各项性能参数和指标，满足预先设定的同层相邻钢丝/相邻股之间的最小间隙要求。

反向圆整校验计算：给定钢丝绳的结构、一组配丝方案、捻距倍数，按照钢丝绳实际生产制造过程中各股/各丝的实际形态，验证计算钢丝绳的外径、同层相邻钢丝之间以及同层相邻股之间的最小间隙值、各项性能参数。

设计参数

在钢丝绳设计过程中，需要考虑多项设计参数，这些参数包括：

1)产品公称外径：钢丝绳产品的理论外接圆直径；产品实际外接圆直径应该大于理论外接圆直径(设计要求)；

2)公称直径增量：产品公称直径增量；产品公称直径和公称直径增量共同决定产品的实际要求外接圆直径(设计要求)；

3)产品结构：当前钢丝绳产品的结构(设计前已知)；

4)绳外径(规格)：缆产品中绳组件在捻制变形前的实际外接圆直径；

5)绳结构：当前缆产品中绳组件的结构；

6)绳间间隙：钢缆产品中，同层相邻绳组件之间的最短距离；

7)股外径(规格)：钢丝绳中股组件在捻制变形前的实际外接圆直径；

8)股结构：当前钢丝绳产品中股组件的结构；

9)股间间隙：钢丝绳产品中，同层相邻股组件之间的最短距离；

10)股中丝间隙：股组件中，同层相邻钢丝之间的最短距离；