钢丝绳低温热膨胀系数试验方法研究

张建可

(兰州空间技术物理研究所真空低温技术与物理国防重点实验室 兰州 730000)

1 引言

钢丝绳是航天器联动机构的重要部件。航天器入轨后由于温度变化，钢丝绳的热膨胀系数使钢丝绳内预紧张力发生变化，为了计算评估不同温度下钢丝绳内的张力，需要测试钢丝绳的低温热膨胀系数。由于钢丝绳的低温热膨胀系数，与钢丝绳材料本身的热膨胀系数不同，发生了较大变化，其中加入了加工、应力等对钢丝绳的影响因素，因此必须对所使用钢丝绳进行实际测试才能完全掌握其热膨胀行为。绳索类的热膨胀系数，国内外开展的较少，而且均为常温及高温试验［1－2］。本文介绍了低温下钢丝绳的热膨胀系数测量的试验方法，并对影响因素和规律进行讨论分析。

2 钢丝绳低温热膨胀系数的测试装置

2.1 试验方法概述

测量钢丝绳低温热膨胀系数的试验方法，基本原理还是按GJB332－87《刚性固体平均线膨胀系数测试方法》、QJ1522－88《刚性固体低温线性热膨胀系数测试方法》中的示差法原理［3－4］。不同的是对装置要进行改造，考虑到钢丝绳有一定的预紧力，因此要对被测钢丝绳施加不影响试样测量的预紧外力。

测量方法如下:当钢丝绳试样受一定拉力，处于某垂直稳定状态，对钢丝绳试样施一加热功率，通过热电偶温度信号控制钢丝绳试样温度，当其温度变化到另一温度，温度变化为T2－T1=ΔT，钢丝绳试样长度相应发生变化，从长度L1变化到L2，长度变化了L1－L2=ΔL。长度变化通过钢丝绳试样顶动上牵引头，再通过石英杆传递到千分表测量出来，温度变化由温度计测出。以室温下长度L0为基准，按照线性热膨胀系数的定义，在某一温区内，钢丝绳试样的平均线性热膨胀系数由下式计算出来:

式中:α为钢丝绳试样热膨胀系数，1/℃;ΔT为试样从某一温度变化另一温度的温度差T2－T1，℃;ΔL为对应上述温度变化ΔT，试样长度发生的变化L2－L1，mm;L0为室温下测量的钢丝绳试样长度，mm。

2.2 试验装置

试验装置示意图如下，装置由杜瓦、制冷剂、恒温铜管、千分表、石英管、砝码、上下牵引头等组成。试验装置示意图见图1、图2。

图1 低温试验装置示意图Fig.1 Low temperature schematic diagram of measuring apparatus

图2 低温试验装置A向局部放大示意图Fig.2 Part A of low-temperature schematic diagram of mesuring appratus

2.3 试验装置校准

装置使用前，在－122.8—－20.1℃温区内，采用美国柏杜热物理数据中心推荐的标准材料无氧铜［5］进行数据测试比对，经过修正的测量数据与文献数据比对，最大偏差小于5%。

表1 标准材料无氧铜热膨胀系数测试比对Table 1 Compare of thermal expansion coefficient of normal Cu and measuring value

3 测量过程与采取的主要措施

测量过程中，为保证试样的温度均匀性良好，试样段采用紫铜管进行包覆，在铜管上直接均匀绕制加热丝，消除试样上下的温度梯度，在试样上、下端部位分别安装两只低温热电偶，取两者平均值为试样温度，并用于试验时对试样的控温信号。试验状态虽然不在真空中，但根据试验，只要试样、恒温铜管不与工质直接接触，控温是可实现的，而且温区范围较小时(－100—+25℃)更容易实现。

为了模拟真实使用情况，测量中需要对试样施加预紧拉力，研究预紧拉力对钢丝绳热膨胀系数的影响。根据试验条件分析，拉力分布范围在10—200 N，选定10、60、160、210 N 拉力为预紧力，进行热膨胀试验。施加预紧拉力采用砝码，以保证拉力恒定。预紧拉力通过上下牵引头施加垂直拉力，试样膨胀时顶动千分表，为了防止顶动千分表时产生分力，千分表的顶杆位置要求在牵引拉力的中心线上才不会产生偏心力的影响。因此，设计了传力框架，使千分表在中心受力(见图1—图2)。有效消除了对拉力偏心的影响。

在试验中，要尽量减少和消除施加拉力时连接机构牵引头材料对钢丝绳热膨胀的影响。为此。对于测量结构与试样的连接方面要采取一定措施。连接机构牵引头采用热膨胀系数小的材料如0°方向的碳纤维复合材料单向板等，其热膨胀系数约为10－8，在本装置中，采用的0°方向的碳纤维复合材料单向板实测平均热膨胀系数为5.67×10－7。而钢丝绳的热膨胀系数约为10－5，相差两个数量级。因此完全可以不考虑对试样测量的影响。两端其它部件距变温区较远，温度影响小，因而热膨胀行为对测试影响不大。消除试样连接时的测量影响上下牵引头与试样的连接方式，也是对试样受力是否偏心和准确测量试样的重要影响环节。经过试验与验证，采用上下牵引头开槽连接的方式(见图3)可以解决保证试样受力后对中的问题和准确测量试样长度的问题。试样两端各焊接一个3 mm×2 mm×8 mm的小方柱子，可通过试样中的槽子挂接后，与上下牵引头拉紧。为了防止柱子滑脱，可在柱子两边粘接档块。测量时，钢丝绳受力长度(测量计算长度)从小方柱子焊接边缘计算。小方柱子热膨胀的影响(两只约6 mm)较小，针对试样(150 mm)来说，仅占4%。如果已知小方柱子热膨胀系数并进行修正，则影响可以不用考虑。

图3 牵引头开槽与钢丝绳试样连接示意图Fig.3 Joint way of sample and wire rope

3 部分钢丝绳热膨胀系数测试结果与分析

3.1 测试数据

分别对不同直径和不同加载预紧力的钢丝绳进行了测试。图4—图15是部分测试结果。

图4 Ф1.2 mm试样加载10 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.4 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 10 N

图5 Ф1.2 mm试样加载60 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.5 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 60 N

4 试验结果分析讨论

图6 Ф1.2 mm试样加载160 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.6 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 160 N

图7 Ф1.2 mm试样加载210 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.7 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 210 N

图8 Ф2 mm试样加载10 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.8 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 10 N

根据大量试验，3种钢丝绳直径分别为Φ1.2 mm，Φ2 mm，Φ2.5 mm，其热膨胀系数随温度变化趋势相同，温度升高热膨胀系数增加。为了便于比较，在测试温区内，对各试验结果进行了平均热膨胀系数的计算，直径越粗的钢丝绳热膨胀系数越小，其热膨胀系数大小排列顺序如下:

Φ2.5 mm热膨胀系数＞Φ2 mm热膨胀系数＞Φ1.2 mm热膨胀系数

在－100—+25℃的平均温区内，3种规格钢丝绳试样在4种拉力下的热膨胀系数平均值计算列表见表2。

图9 Ф2 mm试样加载60 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.9 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 60 N

图10 Ф2 mm试样加载160 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.10 Curves between thermal expansion coefficient of φ2mm sample and temperature loading 160 N

图11 Ф2 mm试样加载210 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.11 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 210 N

从表2可以看出，试验数据表明:钢丝绳所受拉力对热膨胀系数影响较弱，直径越粗的钢丝绳其热膨胀系数影响越小。Φ2.5 mm钢丝绳、Φ2 mm钢丝绳，所受拉力越大，热膨胀系数数值增加;而Φ1.2 mm钢丝绳变化趋势不确定。分析原因，Φ1.2 mm钢丝绳主要是拉力较小时，试验预紧力不够，每次拉力状态有所不同，因而出现趋势变化不明显情况，受外界影响大，数据存在一定偏差。钢丝绳所受拉力对热膨胀系数影响较弱，直径越粗的钢丝绳热膨胀系数越小。

图12 Ф2.5 mm试样加载10 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.12 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5 mm sample and temperature loading 10 N

图13 Ф2.5 mm试样加载210 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.13 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5mm sample and temperature loading 210 N

图14 Ф2.5 mm试样加载160 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.14 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5 mm sample and temperature loading 160 N

图15 Ф2.5 mm试样加载210 N热膨胀系数测量数据温度曲线Fig.15 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5mm sample and temperature loading 210 N

表2 3种规格钢丝绳试样热膨胀系数平均值Table 2 Average values of thermal expansion coefficient for three specifications wire rope

5 结论

(1)直径越粗的钢丝绳热膨胀系数平均数值越小。

(2)钢丝绳热膨胀系数随温度升高而增加。

(3)钢丝绳所受拉力对热膨胀系数影响较弱，直径越粗的钢丝绳热膨胀系数受拉力影响越小。

(4)钢丝绳所受拉力的预紧力对不同粗细钢丝绳要求不同，达不到钢丝绳拉力的预紧力，其热膨胀系数数值有所不同。

1 宋 杰，王丽娟，倪亚辉，等，水域加热拉索线性热膨胀系数测试研究［J］，河北工业大学学报，2007(4):114－116.

2 John W Leonard.Tension Structures Behavior＆ Analysis［M］.New York:McGraw－Hill Inc，1988.

3 GJB332A－2004.刚性固体平均线膨胀系数测试方法［S］.

4 QJ1522－1988.刚性固体低温线性热膨胀系数测试方法［S］.

5 Touloukian Y S，Liley P E，Saxena S C.et al.，Thermal expansion:metallic elements and alloys.Thermal physical properties of Matter 12［M］.New York，IFI/Plenum，1975.