化纖編織繩纜繞滑輪彎曲疲勞的熱損傷研究

寧方剛 于偉東

1. 青島大學非織造材料與產業用紡織品創新研究院，山東 青島266071; 2. 東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620

化纖編織繩纜繞滑輪彎曲疲勞的熱損傷研究

寧方剛1,2于偉東2

1. 青島大學非織造材料與產業用紡織品創新研究院，山東 青島266071; 2. 東華大學產業用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620

基于試驗討論化纖編織繩纜繞滑輪彎曲過程中熱損傷存在的形態及主要因素。試驗結果表明：熱損傷是影響化纖繩纜彎曲疲勞的重要因素，并針對溫度產生的原因，從應力水平、彎曲頻率和直徑比三個方面進行詳細的討論，為繩纜的使用提供指導。

繩纜，繞滑輪彎曲，熱損傷，彎曲疲勞

紡織材料最突出的特點就在于其具有柔軟性，它一方面會賦予產品較好的接觸舒適性，另一方面會使產品在力學性能上表現出各向異性?；w繩纜作為紡織品中柔性張力結構的典型代表，其在柔軟性方面的獨特優勢使得其在很多領域得到了應用。柔軟性賦予繩纜的不僅僅是易存儲、易攜帶，更重要的是繩纜可以通過滑輪、導纜孔等元件實現力的變向傳遞；同時，較好的柔軟性也是繩纜可以通過打結等方式實現與其他結構體進行連接的基礎。

近年，隨著高性能纖維的發展，高強高模聚乙烯、芳綸等高性能纖維繩纜在航空航天及遠洋等領域得到了廣泛的應用，人們對繩纜性能可靠性的研究也日益深入。最初的研究熱點都集中在強伸性問題上，主要探討結構和材料等因素對繩纜強伸性等的影響。目前，強力已可以滿足絕大多數應用工況的要求，但大部分繩纜在使用過程中都要繞過滑輪，因此，繩纜的繞滑輪強力和繞滑輪彎曲成為了新的研究熱點。

有關化纖繩纜的繞滑輪彎曲的研究最早是從紗線彎曲開始的。BACKER[1]基于理想的彎曲紗線模型推導出紗線中纖維應力、平均應變及纖維在彎曲過程中曲率等參數對繩纜力學性能的影響。POPPER[2]系統研究了纖維集合體的力學性能，通過對集合體中纖維與纖維之間的相互摩擦進行分析，研究了彎曲過程中纖維的行為。CORNELISSEN等[3]分析了多股長絲束的非線性彎曲行為，得出彎矩和彎曲曲率之間的關系，并在模型的基礎上給出了數值仿真模型，以評估剪切剛度對其變形的影響。BURGOYNE等[4]介紹了芳綸平行纖維束繩纜在張力作用下繞滑輪彎曲疲勞測試的情況。HOBBS等[5]對芳綸繩纜繞滑輪彎曲進行了測試，并就芳綸和高強高模聚乙烯繩纜在彎曲性能方面的表現進行了對比分析。RIDEG等[6-7]針對鋼絲繩設計了一套測試拉彎疲勞的裝置，在對拉伸及拉伸疲勞、彎曲及彎曲疲勞分別討論后，就這兩種破壞形式進行了復合,討論了拉彎疲勞的影響因素和破壞機理等內容。NABIJOU等[8-10]從不同角度介紹了鋼絲繩彎曲過程所涉及的主要問題，包括鋼絲繩繞滑輪彎曲過程中股線之間的相對運動、摩擦在鋼絲繩繞滑輪彎曲過程中的作用及影響鋼絲繩繞滑輪彎曲疲勞的因素等。鋼絲繩繞滑輪彎曲疲勞的研究為化纖繩纜繞滑輪的研究提供了參考和基礎。

當前，人們已對化纖繩纜繞滑輪的彎曲疲勞和破壞有了較為深入的認知，但更多的仍是借鑒鋼絲繩的研究成果來描述化纖繩纜，對鋼絲和化纖之間存在的力學性能和熱學性能的差異關注較少。本文從熱損傷的角度探討彎曲疲勞過程中產生的熱量對繩纜性能的影響，闡述彎曲疲勞失效的熱損傷機理。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗主要基于實驗室用CBOS250繩纜彎曲疲勞試驗機(圖1)進行。CBOS250繩纜彎曲疲勞試驗機主要由主動滑輪、測試滑輪、液壓伺服張力系統、偏心輪、驅動桿、擺動輪及繩纜連接器等部件構成。

圖1 CBOS250繩纜彎曲疲勞試驗機示意

驅動電機帶動偏心輪旋轉，進而帶動連接在偏心輪上的驅動桿驅動擺動輪。擺動輪與主動滑輪之間為關聯結構，故主動滑輪會在擺動輪的帶動下跟著做往復擺動，進而帶動測試繩纜做往復運動，從而實現了繩纜的彎曲疲勞。測試滑輪通過張力板與液壓伺服張力系統連接。液壓伺服張力系統控制著施加到測試繩纜系統中繩纜張力大小。測試頻率通過控制驅動電機的轉速實現。驅動電機選擇變頻式。

1.2 試驗樣品處理

為實現化纖繩纜與試驗設備的連接，試驗采用了如圖2所示的繩纜連接器。通過在繩纜連接器的空腔內注入聚乙烯樹脂，實現了繩纜試樣與繩纜連接器的連接。兩個繩纜連接器之間再利用螺孔結構實現連接。測試繩纜的兩端通過繩纜連接器與主動滑輪上的繩纜結構相連，根據測試繩纜中繩纜彎曲的情況，可將繩纜分為雙彎區域(Double Bending Zone，簡稱“DBZ”)和單彎區域(Single Bending Zone，簡稱“SBZ”)。本文所有樣品的取樣和溫度的測量均選自雙彎區域。

圖2 繩纜的夾持

1.3 試驗方案

相較于鋼絲的熱學性能，不同品種化學纖維之間的熱學性能差異不大，因此，本文未對不同化學纖維材料之間的差異進行討論，所有試驗樣品原料均采用滌綸，其基本力學性能為斷裂強度8.0 cN/dtex、斷裂伸長率12.5%～14.0%、模量121 cN/dtex。直徑比即為測試滑輪直徑與繩纜直徑的比值，是表征彎曲程度的指標。本文通過改變試驗繩纜的直徑來實現直徑比的變化，以考察不同直徑的繩纜之間的差異。試驗用繩纜皆為雙編繩，皆采用8根單股股線按照2上2下工藝進行編織，具體繩纜直徑參數如表1所示。

表1 試驗用繩纜直徑參數

測試滑輪采用U型滑輪(直徑為200 mm)，測試用彎曲頻率設定為0.1、 0.2、 0.5、 1.0、 2.0 Hz。試驗過程不采取任何潤滑和冷卻措施。

應力水平反映的是作用在繩纜上力的大小，其數值為試驗中施加的應力與材料斷裂應力的百分比。本文采用6個應力水平，分別為60%、65%、70%、75%、80%、85%，就不同程度應力對繩纜性能的影響進行評估。

2 試驗結果與討論

2.1 熱損傷對繩纜形貌的影響

利用放大倍數相對較低的反光顯微鏡觀察彎曲疲勞后繩纜中股線的結構(圖3)。

圖3 熱導致的股線之間的交聯

從圖3(a)中可以看到，相鄰股線之間存在很多黏合的纖維結構，這些黏合纖維在相鄰的股線間穿插，形成了一種交聯結構；在分離相鄰股線的過程中，如圖3(b)所示，可以明顯觀察到這些纖維與相鄰股線間緊密的黏合，熔融現象十分明顯。

圖4為彎曲疲勞前后繩纜中股線的SEM照片。彎曲前，股線中的纖維排列相對較松散，纖維間邊界清晰[圖4(a)]；彎曲后，股線表面很難觀察到單根纖維的存在，相鄰纖維會緊密貼合在一起，無法看到纖維之間的縫隙，股線表面變得光滑、有光澤[圖4(b)]。由此可推測出，在反復的彎曲過程中，熱量的積累和張力的作用使得纖維熔融，相鄰纖維黏合在一起，形成了一個剛性的、不易彎曲的纖維束段。這點已從彎曲后股線變得較剛硬、不易彎曲等方面得到驗證。

圖4 熱損傷引起的纖維束形貌變化

從上述股線宏觀和微觀的形貌可以看出，經彎曲疲勞后，繩纜中股線之間及纖維之間的界限已不再清晰，存在明顯的熱熔現象。

2.2 應力水平對溫度的影響

圖5為直徑為10 mm的滌綸雙編繩在不同應力水平下的繩皮和繩芯的溫度情況。

圖5 繩纜不同部位的溫度隨應力水平的變化

從圖5可以看出，繩皮和繩芯的溫度與應力水平之間呈較好的線性關系，只是兩者的增幅有所不同，繩芯溫度與應力水平的擬合曲線的斜率為7.8，而繩皮溫度與應力水平的擬合曲線的斜率約為2.8，故繩芯溫度隨應力水平升高增幅明顯。在低應力水平下，繩皮和繩芯的平衡溫度都較低，約為30 ℃；隨著應力水平的升高，兩者的差距逐漸增大。皮芯溫差與應力水平之間呈較好的線性關系，所對應的相關系數在0.999 5。綜合三條擬合曲線的分析可以看出，繩芯溫度和皮芯溫差都呈現出相當好的線性關系，這說明在結構確定的條件下，繩芯和繩皮的溫度都與應力水平呈較好的線性關系，同時也說明在結構一定的情況下繩纜的導熱性能不會因為溫差的增大而改變。

應力水平是通過摩擦和形變熱效應兩個方面發揮作用的。在相對較低的應力水平下，應力對形變熱的影響不大，主要是通過摩擦的形式影響繩芯和繩皮的溫度。又因繩皮與外界直接接觸，故可以較為輕易地實現熱與環境之間的傳遞和交換。但因應力水平較低，故摩擦作用產生的熱量十分有限，繩皮溫度基本與環境溫度持平，而繩芯溫度有一定的升高。隨著應力水平的提高，相互交織的股線之間的正壓力增大，相同相對位移下摩擦力做功增大，導致摩擦程度增加，摩擦產生的熱量增多，繩芯溫度升高；另一方面，繩纜中股線的應變加大，反復彎曲的過程中股線經歷的拉伸和回復的幅度也加大，滯后圈的幅度變大，這會導致每一次的拉伸都會產生一定的熱效應，由此加快了繩芯溫度的升高。兩方面同時加強使得繩纜特別是繩芯的溫度進一步升高，而大量的熱也會通過橫截面到達繩纜外表面，使繩皮溫度緩慢升高。

2.3 彎曲頻率對溫度的影響

繩纜繞滑輪彎曲過程中，溫度的變化是一個動態的過程，是熱量產生、積累和耗散三者之間的一個動態平衡過程，且三者都與時間相關。圖6為直徑為10 mm的滌綸雙編繩的繩皮和繩芯溫度隨彎曲周期的變化情況。

圖6 繩纜不同部位的溫度隨彎曲周期的變化

從圖6可以看出：繩皮的溫度變化不大，基本呈線性變化，且都維持在30～40 ℃；而繩芯的溫度則隨著彎曲周期的縮短而明顯升高；就皮芯溫差增長幅度而言，如圖6中柱狀圖所示，隨著彎曲周期的縮短，皮芯溫差增長幅度明顯增大，與彎曲周期為1.0 s 相比較，彎曲周期為0.5 s的皮芯溫差增幅在25%以上。對皮芯溫差增長幅度與彎曲周期進行擬合，得到一條相關系數為0.855 9的直線，這說明兩者具有較好的線性關系，且該線性方程同經典的溫升公式即式(1)相吻合。

(1)

式中： ΔT——皮芯溫差；

f——彎曲頻率；

σ——繩纜中應力；

J″(f,T)——以彎曲頻率和環境溫度為參數的函數；

ρ——材料的密度；

Cp——材料的熱容。

彎曲過程中熱量的產生方式有摩擦熱和應變熱兩種。摩擦熱與摩擦的頻率有著密切的關系。假設每次摩擦過程中產生的熱量一定，頻率增加會使得熱產生的功率增加，即熱產生的速度加快，而此時熱量的擴散速度并不會明顯增加，故繩纜內部溫度會明顯升高，并最終達到一個新的熱量產生和耗散的平衡。當摩擦頻率下降后，熱量產生的速度也隨之下降，熱量的產生和耗散會在一個相對較低的溫度點達到平衡，繩纜內部的溫度相對較低一些。繩皮部位的股線產生的熱量十分有限，其基本不受摩擦頻率的影響，溫度的升高主要是因為繩芯溫度升高，繼而通過熱傳遞或者輻射等方式引發繩皮溫度的升高。

2.4 直徑比對溫度的影響

直徑比與彎曲過程中股線之間的相對位移量直接相關。直徑比越小則股線間相對位移越大，反之則反之。彎曲疲勞過程中股線間相對位移量越大，則摩擦過程中股線間摩擦力做的功越多，由此會產生更嚴重的摩擦損傷和摩擦熱。圖7為不同直徑比的情況下繩皮和繩芯溫度的變化情況。

圖7 繩纜不同部位的溫度隨直徑比的變化

從圖7可以看出：隨著直徑比的增大，繩芯的溫度下降明顯，而繩皮的溫度變化不大。當直徑比為8時，繩芯最高溫度接近60 ℃，若在此溫度下長期運行會使滌綸繩纜結構部分熔融失效；隨著直徑比的增大，繩芯溫度逐漸降低；當直徑比達到20后，繩芯溫度下降趨于平緩，基本保持在40 ℃左右。繩皮溫度隨直徑比的變化幅度不大，這主要歸因于繩皮的溫度主要取決于繩芯的溫度，與摩擦過程關系不大。

直徑比表征了彎曲過程中股線之間的相對滑移量。在其他條件相同的情況下，股線之間相對滑移量越大，則摩擦力在一次彎曲過程中做的功越多，引發的摩擦熱就越大，熱量在繩纜內部積累使之溫度升高。當直徑比變大后，股線之間相對滑移量變小，摩擦做功減少，進而熱量的產生和積累量變少，繩纜內部溫度便會在一個較低的水平達到穩定。當直徑比超過20以后，股線之間的相對滑移量就變得更小，故每次彎曲過程中產生的熱量會保持在一個相對穩定的數值范圍內，從而使繩纜內部的溫度保持相對穩定。

3 結論

本文研究了化纖編織繩纜繞滑輪彎曲疲勞過程中，熱損傷對繩纜形貌的影響，以及應力水平、彎曲頻率和直徑比對繩纜內部溫度的影響：

(1) 繩纜繞滑輪彎曲疲勞過程中，除了股線之間相互摩擦會導致繩纜失效外，由摩擦引起的熱效應及因化纖自身黏滯特性導致其在反復彎曲過程中產生大量的熱，都會在繩纜內部積累，使之溫度升高。加之化纖的熔點一般都較低，熱量的集聚使得熔點相對較低的繩纜內部纖維發生部分熔融，進一步導致繩纜失效。因此，熱損傷是化纖繩纜疲勞失效的一個重要因素。

(2) 應力水平的大小決定了彎曲過程中摩擦效應和形變熱效應的強度。應力水平越大，摩擦熱效應和形變熱效應的強度越大，溫度升得越高。

(3) 彎曲頻率對形變熱效應起作用的方式與應力水平有著密切的關系。當應力水平較大時，彎曲頻率對形變熱的影響較大；而當應力水平相對較小時，每一個周期產生的熱量較少，此時加快彎曲頻率對熱量的積累也十分有限，繩纜整體溫度的升高不明顯。

(4) 直徑比與彎曲過程中股線之間的相對位移量直接相關。直徑比越小，則股線之間的相對位移越大，引發的摩擦熱就越大，熱量在繩纜內部積累使之溫度升高，反之則反之。

[1] BACKER S. The mechanics of bent yarns[J]. Textile Research Journal, 1952,22(10):668-681.

[2] POPPER P.Mechanics of bending of fiber assembies[D]. Manchester: Massachusetts Institute of Technology, 1966.

[3] CORNELISSEN B,AKKERMAN R. Analysis of yarn bending behaviour[J]. British Composites Society, 2009(1):9-16.

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2017年《棉紡織技術》征訂啟事

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Study on thermal damage of chemical fiber braided ropes during bending over sheave

NingFanggang1,2,YuWeidong2

1. Institute of Nonwoven and Industrial Material Innovation, Qingdao University, Qingdao 266071, China；2. Engineering Research Center of Technical Textiles, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China

The form and main factors of thermal damage of chemical fiber braided ropes during bending over sheave were discussed based on experiments. The results indicated that the thermal damage was an important factor influencing the chemical fiber braided ropes’ bending fatigue, and in view of the causes of temperature, stress level, bending frequency and diameter ratio were discussed in detail in order to provide directions for rope usage.

rope, bending over sheave, thermal damage, bending fatigue

2015-11-23

寧方剛，男，1982年生，講師，主要從事化纖編織繩纜結構和性能研究

TS15

A

1004-7093(2016)09-0032-05

花香鳥語 科學發展萬里春