3＋9＋15×0.175交互捻鋼絲簾線拉伸齊斷的研究

姚海東，楊 葉

（江蘇興達鋼簾線股份有限公司，江蘇 興化 225721）

交互捻鋼絲簾線具有結構穩定、不易松散的特點，其中層狀交互捻結構的3＋9＋15鋼絲簾線經常被用作橡膠制品增強材料。例如3＋9＋15×0.175＋0.15作為經典結構的鋼絲簾線，常用于輪胎胎體中[1-2]，其中0.15 mm直徑的單絲作為外纏絲，可防止鋼絲簾線松散，在拉伸過程中基本不承受較大的力，而3＋9＋15鋼絲簾線的各層單絲是拉伸負荷的主要承受者。因此對于拉伸試驗測試，一般是去除外纏絲后進行，即對3＋9＋15×0.175鋼絲簾線進行測試。拉伸試驗除測試破斷力和破斷伸長率等指標外，還有一項重要指標，即單絲的齊斷性能。單絲不齊斷會導致鋼絲簾線的每層單絲不能被充分利用。

本工作對3＋9＋15×0.175鋼絲簾線拉伸齊斷的影響因素進行探討。

1 產品性能與拉伸測試

3＋9＋15×0.175鋼絲簾線的性能指標如下：捻距 5/10/16 mm，捻向 S/S/Z，簾線直徑 1.34 mm，線密度 5.42 g·m-1，破斷力≥1 720 N。通常采用0.175 mm直徑單絲在雙捻機上捻制捻向為S/S的3＋9×0.175半成品，捻距可以為最終捻距，也可以是預定捻距；然后將3＋9×0.175作為芯線，與15根面線共同捻制成3＋9＋15×0.175簾線，捻向為Z，捻距為最終捻距；最后根據需要再進行外纏絲的捻制。

對常規3＋9＋15×0.175鋼絲簾線進行拉伸測試，鋼絲簾線的拉伸斷裂形貌如圖1所示。

圖1 常規3＋9＋15×0.175鋼絲簾線的拉伸斷裂形貌

從圖1可以看出，鋼絲簾線總是3＋9這兩層的單絲先行斷裂，最外層15根單絲不完全斷裂，檢測發現3＋9＋15×0.175鋼絲簾線的單絲齊斷的比例不足10%。

2 拉伸齊斷分析

2.1 單絲理論應力分析

首先探討單絲在拉伸試驗中的理論應力，通常3＋9＋15×0.175鋼絲簾線的捻距分別為5，10和16 mm，各層單絲成繩直徑（以單絲軸向中心計算）分別為0.202，0.552和0.902 mm。根據Hruska提出的公式計算各層單絲應力（σn）[3]：

式中，σ0為軸向單位應力，αn為第n層單絲的捻角，Dn為第n層單絲成繩直徑（以單絲軸向中心計算），Ln為第n層單絲的捻距。

將式（2）代入式（1），計算得到3＋9＋15×0.175鋼絲簾線各層單絲應力分別為0.984σ0，0.971σ0和0.970σ0，各層單絲應力相差不超過1.5%，可見3＋9＋15×0.175鋼絲簾線在捻距設計時已經考慮了單絲直徑與捻角的配合，使各層單絲在拉伸負荷下的應力相近，各層單絲受力均勻。

2.2 單絲實際受力測試

為進一步分析3＋9＋15×0.175鋼絲簾線拉伸不齊斷的原因，將成品3＋9＋15×0.175鋼絲簾線進行解捻，測量每根單絲的破斷力，并與捻制前的濕拉單絲進行對比，測試結果如表1所示。

表1 解捻單絲與濕拉單絲的破斷力對比

從表1可以看出：與濕拉單絲相比，3＋9這兩層單絲的破斷力在捻制中損失較大，超過8%；而外層15根單絲的破斷力在捻制中損失較小，只有4%。

從單絲的理論應力計算可知，3＋9＋15×0.175鋼絲簾線在拉伸應力下每層單絲的受力相近，而從實際解捻測試看，3＋9這兩層單絲的破斷力均小于外層15根單絲，因此推測3＋9這兩層單絲的捻制損失較大是造成3＋9＋15×0.175鋼絲簾線拉伸不齊斷的重要因素。

針對以上分析，采用破斷力較大的濕拉0.175 mm直徑單絲制造3＋9×0.175半成品，然后作為芯線，再與15根常規破斷力的濕拉0.175 mm直徑單絲一起捻制成3＋9＋15×0.175鋼絲簾線，并進行拉伸試驗，破斷力測試結果如表2所示。試驗鋼絲簾線的拉伸斷裂形貌如圖2所示。

表2 3＋9＋15×0.175鋼絲簾線的破斷力

圖2 試驗3＋9＋15×0.175鋼絲簾線的拉伸斷裂形貌

從表2和圖2可以看出，試驗3＋9＋15×0.175鋼絲簾線每層的單絲齊斷比例明顯增大。

2.3 鋼絲簾線不齊斷原因分析

鋼絲簾線拉伸試驗過程中，影響各層單絲齊斷的因素很多，包括單絲的材質、應力應變、單絲之間的表面接觸應力、捻制松緊和檢測方法等[4-6]。由于3＋9＋15×0.175鋼絲簾線的各層單絲均采用相同的濕拉單絲捻制，捻制工藝與機床狀態相同，檢測拉伸試驗人員與機型相同，因此其單絲的材質、捻制松緊程度和檢測方法的影響很小，并且3＋9＋15×0.175鋼絲簾線的捻向為S/S/Z，最外層15根單絲與3＋9層單絲為交互捻制，使拉伸試驗時單絲之間的表面相互制約相對較小，但是由于成品鋼絲簾線各層單絲的破斷力捻制損失有差異，導致出現拉伸不齊斷的幾率較大。

3＋9＋15×0.175鋼絲簾線各層單絲的破斷力捻制損失存在差異，主要有以下兩方面原因：一是3＋9層單絲的捻距較小且置于內層，在捻制過程中單絲有較大的扭轉和彎曲應力，從而使單絲的破斷力捻制損失增大；二是制造3＋9＋15×0.175鋼絲簾線時，總是先在雙捻機上捻制3＋9×0.175半成品，然后將3＋9×0.175作為芯線，與15根面線共同捻制成3＋9＋15×0.175鋼絲簾線，這使得3＋9層單絲經過二次捻制，在更多的加捻解捻過程中單絲的破斷力捻制損失增大。

為了提高3＋9＋15×0.175鋼絲簾線拉伸齊斷幾率，試驗中提高了3＋9層所用的濕拉單絲破斷力，使捻制損失后3＋9層單絲的破斷力與外層15根單絲相近，從而增大了3＋9＋15×0.175鋼絲簾線拉伸齊斷的幾率。

3 結語

大部分鋼絲簾線在結構設計時充分考慮了受力過程中單絲的應力差異，通過單絲直徑和捻距的設計平衡單絲受力的均勻性。然而在制造過程中，工藝流程的差異會導致實際的單絲性能發生變化。通過對單絲的受力分析，并結合相應的工藝調整，可以改善鋼絲簾線性能，提高產品品質。