化纤编织绳缆绕滑轮弯曲疲劳的热损伤研究

宁方刚 于伟东

1. 青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院，山东 青岛266071; 2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620

化纤编织绳缆绕滑轮弯曲疲劳的热损伤研究

宁方刚1,2于伟东2

1. 青岛大学非织造材料与产业用纺织品创新研究院，山东 青岛266071; 2. 东华大学产业用纺织品教育部工程研究中心，上海 201620

基于试验讨论化纤编织绳缆绕滑轮弯曲过程中热损伤存在的形态及主要因素。试验结果表明：热损伤是影响化纤绳缆弯曲疲劳的重要因素，并针对温度产生的原因，从应力水平、弯曲频率和直径比三个方面进行详细的讨论，为绳缆的使用提供指导。

绳缆，绕滑轮弯曲，热损伤，弯曲疲劳

纺织材料最突出的特点就在于其具有柔软性，它一方面会赋予产品较好的接触舒适性，另一方面会使产品在力学性能上表现出各向异性。化纤绳缆作为纺织品中柔性张力结构的典型代表，其在柔软性方面的独特优势使得其在很多领域得到了应用。柔软性赋予绳缆的不仅仅是易存储、易携带，更重要的是绳缆可以通过滑轮、导缆孔等元件实现力的变向传递；同时，较好的柔软性也是绳缆可以通过打结等方式实现与其他结构体进行连接的基础。

近年，随着高性能纤维的发展，高强高模聚乙烯、芳纶等高性能纤维绳缆在航空航天及远洋等领域得到了广泛的应用，人们对绳缆性能可靠性的研究也日益深入。最初的研究热点都集中在强伸性问题上，主要探讨结构和材料等因素对绳缆强伸性等的影响。目前，强力已可以满足绝大多数应用工况的要求，但大部分绳缆在使用过程中都要绕过滑轮，因此，绳缆的绕滑轮强力和绕滑轮弯曲成为了新的研究热点。

有关化纤绳缆的绕滑轮弯曲的研究最早是从纱线弯曲开始的。BACKER[1]基于理想的弯曲纱线模型推导出纱线中纤维应力、平均应变及纤维在弯曲过程中曲率等参数对绳缆力学性能的影响。POPPER[2]系统研究了纤维集合体的力学性能，通过对集合体中纤维与纤维之间的相互摩擦进行分析，研究了弯曲过程中纤维的行为。CORNELISSEN等[3]分析了多股长丝束的非线性弯曲行为，得出弯矩和弯曲曲率之间的关系，并在模型的基础上给出了数值仿真模型，以评估剪切刚度对其变形的影响。BURGOYNE等[4]介绍了芳纶平行纤维束绳缆在张力作用下绕滑轮弯曲疲劳测试的情况。HOBBS等[5]对芳纶绳缆绕滑轮弯曲进行了测试，并就芳纶和高强高模聚乙烯绳缆在弯曲性能方面的表现进行了对比分析。RIDEG等[6-7]针对钢丝绳设计了一套测试拉弯疲劳的装置，在对拉伸及拉伸疲劳、弯曲及弯曲疲劳分别讨论后，就这两种破坏形式进行了复合,讨论了拉弯疲劳的影响因素和破坏机理等内容。NABIJOU等[8-10]从不同角度介绍了钢丝绳弯曲过程所涉及的主要问题，包括钢丝绳绕滑轮弯曲过程中股线之间的相对运动、摩擦在钢丝绳绕滑轮弯曲过程中的作用及影响钢丝绳绕滑轮弯曲疲劳的因素等。钢丝绳绕滑轮弯曲疲劳的研究为化纤绳缆绕滑轮的研究提供了参考和基础。

当前，人们已对化纤绳缆绕滑轮的弯曲疲劳和破坏有了较为深入的认知，但更多的仍是借鉴钢丝绳的研究成果来描述化纤绳缆，对钢丝和化纤之间存在的力学性能和热学性能的差异关注较少。本文从热损伤的角度探讨弯曲疲劳过程中产生的热量对绳缆性能的影响，阐述弯曲疲劳失效的热损伤机理。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验主要基于实验室用CBOS250绳缆弯曲疲劳试验机(图1)进行。CBOS250绳缆弯曲疲劳试验机主要由主动滑轮、测试滑轮、液压伺服张力系统、偏心轮、驱动杆、摆动轮及绳缆连接器等部件构成。

图1 CBOS250绳缆弯曲疲劳试验机示意

驱动电机带动偏心轮旋转，进而带动连接在偏心轮上的驱动杆驱动摆动轮。摆动轮与主动滑轮之间为关联结构，故主动滑轮会在摆动轮的带动下跟着做往复摆动，进而带动测试绳缆做往复运动，从而实现了绳缆的弯曲疲劳。测试滑轮通过张力板与液压伺服张力系统连接。液压伺服张力系统控制着施加到测试绳缆系统中绳缆张力大小。测试频率通过控制驱动电机的转速实现。驱动电机选择变频式。

1.2 试验样品处理

为实现化纤绳缆与试验设备的连接，试验采用了如图2所示的绳缆连接器。通过在绳缆连接器的空腔内注入聚乙烯树脂，实现了绳缆试样与绳缆连接器的连接。两个绳缆连接器之间再利用螺孔结构实现连接。测试绳缆的两端通过绳缆连接器与主动滑轮上的绳缆结构相连，根据测试绳缆中绳缆弯曲的情况，可将绳缆分为双弯区域(Double Bending Zone，简称“DBZ”)和单弯区域(Single Bending Zone，简称“SBZ”)。本文所有样品的取样和温度的测量均选自双弯区域。

图2 绳缆的夹持

1.3 试验方案

相较于钢丝的热学性能，不同品种化学纤维之间的热学性能差异不大，因此，本文未对不同化学纤维材料之间的差异进行讨论，所有试验样品原料均采用涤纶，其基本力学性能为断裂强度8.0 cN/dtex、断裂伸长率12.5%～14.0%、模量121 cN/dtex。直径比即为测试滑轮直径与绳缆直径的比值，是表征弯曲程度的指标。本文通过改变试验绳缆的直径来实现直径比的变化，以考察不同直径的绳缆之间的差异。试验用绳缆皆为双编绳，皆采用8根单股股线按照2上2下工艺进行编织，具体绳缆直径参数如表1所示。

表1 试验用绳缆直径参数

测试滑轮采用U型滑轮(直径为200 mm)，测试用弯曲频率设定为0.1、 0.2、 0.5、 1.0、 2.0 Hz。试验过程不采取任何润滑和冷却措施。

应力水平反映的是作用在绳缆上力的大小，其数值为试验中施加的应力与材料断裂应力的百分比。本文采用6个应力水平，分别为60%、65%、70%、75%、80%、85%，就不同程度应力对绳缆性能的影响进行评估。

2 试验结果与讨论

2.1 热损伤对绳缆形貌的影响

利用放大倍数相对较低的反光显微镜观察弯曲疲劳后绳缆中股线的结构(图3)。

图3 热导致的股线之间的交联

从图3(a)中可以看到，相邻股线之间存在很多黏合的纤维结构，这些黏合纤维在相邻的股线间穿插，形成了一种交联结构；在分离相邻股线的过程中，如图3(b)所示，可以明显观察到这些纤维与相邻股线间紧密的黏合，熔融现象十分明显。

图4为弯曲疲劳前后绳缆中股线的SEM照片。弯曲前，股线中的纤维排列相对较松散，纤维间边界清晰[图4(a)]；弯曲后，股线表面很难观察到单根纤维的存在，相邻纤维会紧密贴合在一起，无法看到纤维之间的缝隙，股线表面变得光滑、有光泽[图4(b)]。由此可推测出，在反复的弯曲过程中，热量的积累和张力的作用使得纤维熔融，相邻纤维黏合在一起，形成了一个刚性的、不易弯曲的纤维束段。这点已从弯曲后股线变得较刚硬、不易弯曲等方面得到验证。

图4 热损伤引起的纤维束形貌变化

从上述股线宏观和微观的形貌可以看出，经弯曲疲劳后，绳缆中股线之间及纤维之间的界限已不再清晰，存在明显的热熔现象。

2.2 应力水平对温度的影响

图5为直径为10 mm的涤纶双编绳在不同应力水平下的绳皮和绳芯的温度情况。

图5 绳缆不同部位的温度随应力水平的变化

从图5可以看出，绳皮和绳芯的温度与应力水平之间呈较好的线性关系，只是两者的增幅有所不同，绳芯温度与应力水平的拟合曲线的斜率为7.8，而绳皮温度与应力水平的拟合曲线的斜率约为2.8，故绳芯温度随应力水平升高增幅明显。在低应力水平下，绳皮和绳芯的平衡温度都较低，约为30 ℃；随着应力水平的升高，两者的差距逐渐增大。皮芯温差与应力水平之间呈较好的线性关系，所对应的相关系数在0.999 5。综合三条拟合曲线的分析可以看出，绳芯温度和皮芯温差都呈现出相当好的线性关系，这说明在结构确定的条件下，绳芯和绳皮的温度都与应力水平呈较好的线性关系，同时也说明在结构一定的情况下绳缆的导热性能不会因为温差的增大而改变。

应力水平是通过摩擦和形变热效应两个方面发挥作用的。在相对较低的应力水平下，应力对形变热的影响不大，主要是通过摩擦的形式影响绳芯和绳皮的温度。又因绳皮与外界直接接触，故可以较为轻易地实现热与环境之间的传递和交换。但因应力水平较低，故摩擦作用产生的热量十分有限，绳皮温度基本与环境温度持平，而绳芯温度有一定的升高。随着应力水平的提高，相互交织的股线之间的正压力增大，相同相对位移下摩擦力做功增大，导致摩擦程度增加，摩擦产生的热量增多，绳芯温度升高；另一方面，绳缆中股线的应变加大，反复弯曲的过程中股线经历的拉伸和回复的幅度也加大，滞后圈的幅度变大，这会导致每一次的拉伸都会产生一定的热效应，由此加快了绳芯温度的升高。两方面同时加强使得绳缆特别是绳芯的温度进一步升高，而大量的热也会通过横截面到达绳缆外表面，使绳皮温度缓慢升高。

2.3 弯曲频率对温度的影响

绳缆绕滑轮弯曲过程中，温度的变化是一个动态的过程，是热量产生、积累和耗散三者之间的一个动态平衡过程，且三者都与时间相关。图6为直径为10 mm的涤纶双编绳的绳皮和绳芯温度随弯曲周期的变化情况。

图6 绳缆不同部位的温度随弯曲周期的变化

从图6可以看出：绳皮的温度变化不大，基本呈线性变化，且都维持在30～40 ℃；而绳芯的温度则随着弯曲周期的缩短而明显升高；就皮芯温差增长幅度而言，如图6中柱状图所示，随着弯曲周期的缩短，皮芯温差增长幅度明显增大，与弯曲周期为1.0 s 相比较，弯曲周期为0.5 s的皮芯温差增幅在25%以上。对皮芯温差增长幅度与弯曲周期进行拟合，得到一条相关系数为0.855 9的直线，这说明两者具有较好的线性关系，且该线性方程同经典的温升公式即式(1)相吻合。

(1)

式中： ΔT——皮芯温差；

f——弯曲频率；

σ——绳缆中应力；

J″(f,T)——以弯曲频率和环境温度为参数的函数；

ρ——材料的密度；

Cp——材料的热容。

弯曲过程中热量的产生方式有摩擦热和应变热两种。摩擦热与摩擦的频率有着密切的关系。假设每次摩擦过程中产生的热量一定，频率增加会使得热产生的功率增加，即热产生的速度加快，而此时热量的扩散速度并不会明显增加，故绳缆内部温度会明显升高，并最终达到一个新的热量产生和耗散的平衡。当摩擦频率下降后，热量产生的速度也随之下降，热量的产生和耗散会在一个相对较低的温度点达到平衡，绳缆内部的温度相对较低一些。绳皮部位的股线产生的热量十分有限，其基本不受摩擦频率的影响，温度的升高主要是因为绳芯温度升高，继而通过热传递或者辐射等方式引发绳皮温度的升高。

2.4 直径比对温度的影响

直径比与弯曲过程中股线之间的相对位移量直接相关。直径比越小则股线间相对位移越大，反之则反之。弯曲疲劳过程中股线间相对位移量越大，则摩擦过程中股线间摩擦力做的功越多，由此会产生更严重的摩擦损伤和摩擦热。图7为不同直径比的情况下绳皮和绳芯温度的变化情况。

图7 绳缆不同部位的温度随直径比的变化

从图7可以看出：随着直径比的增大，绳芯的温度下降明显，而绳皮的温度变化不大。当直径比为8时，绳芯最高温度接近60 ℃，若在此温度下长期运行会使涤纶绳缆结构部分熔融失效；随着直径比的增大，绳芯温度逐渐降低；当直径比达到20后，绳芯温度下降趋于平缓，基本保持在40 ℃左右。绳皮温度随直径比的变化幅度不大，这主要归因于绳皮的温度主要取决于绳芯的温度，与摩擦过程关系不大。

直径比表征了弯曲过程中股线之间的相对滑移量。在其他条件相同的情况下，股线之间相对滑移量越大，则摩擦力在一次弯曲过程中做的功越多，引发的摩擦热就越大，热量在绳缆内部积累使之温度升高。当直径比变大后，股线之间相对滑移量变小，摩擦做功减少，进而热量的产生和积累量变少，绳缆内部温度便会在一个较低的水平达到稳定。当直径比超过20以后，股线之间的相对滑移量就变得更小，故每次弯曲过程中产生的热量会保持在一个相对稳定的数值范围内，从而使绳缆内部的温度保持相对稳定。

3 结论

本文研究了化纤编织绳缆绕滑轮弯曲疲劳过程中，热损伤对绳缆形貌的影响，以及应力水平、弯曲频率和直径比对绳缆内部温度的影响：

(1) 绳缆绕滑轮弯曲疲劳过程中，除了股线之间相互摩擦会导致绳缆失效外，由摩擦引起的热效应及因化纤自身黏滞特性导致其在反复弯曲过程中产生大量的热，都会在绳缆内部积累，使之温度升高。加之化纤的熔点一般都较低，热量的集聚使得熔点相对较低的绳缆内部纤维发生部分熔融，进一步导致绳缆失效。因此，热损伤是化纤绳缆疲劳失效的一个重要因素。

(2) 应力水平的大小决定了弯曲过程中摩擦效应和形变热效应的强度。应力水平越大，摩擦热效应和形变热效应的强度越大，温度升得越高。

(3) 弯曲频率对形变热效应起作用的方式与应力水平有着密切的关系。当应力水平较大时，弯曲频率对形变热的影响较大；而当应力水平相对较小时，每一个周期产生的热量较少，此时加快弯曲频率对热量的积累也十分有限，绳缆整体温度的升高不明显。

(4) 直径比与弯曲过程中股线之间的相对位移量直接相关。直径比越小，则股线之间的相对位移越大，引发的摩擦热就越大，热量在绳缆内部积累使之温度升高，反之则反之。

[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.

[4] BURGOYNE C, HOBBS R, STRZEMIECKI J. Tension-bending and sheave bending fatigue of parallel lay aramid ropes[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 1989(3):691-698.

[5] HOBBS R E, BURGOYNE C J. Bending fatigue in high-strength fibre ropes[J]. International Journal of Fatigue, 1991, 13(2): 174-180.

[6] RIDGE I M L.Bending-tension fatigue of wire rope[D]. Reading:University of Reading,1992.

[7] RIDGE I M L, ZHENG J, CHAPLIN C R. Measurement of cyclic bending strains in steel wire rope[J]. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 2000, 35(6):545-558.

[8] NABIJOU S, HOBBS R E. Fatigue of wire ropes bent over small sheaves[J]. International Journal of Fatigue, 1994, 16(7): 453-460.

[9] NABIJOU S, HOBBS R E. Relative movements within wire ropes bent over sheaves [J]. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 1995, 30(2):155-165.

[10] NABIJOU S, HOBBS R E. Frictional preformance of wire and fiber ropes bent over sheaves[J]. Journal of Strain Analysis for Engineering Design, 1995, 30(1): 45-57.

2017年《棉纺织技术》征订启事

《棉纺织技术》是由中国纺织信息中心和陕西省纺织科学研究所主办，全国棉纺织科技信息中心、《棉纺织技术》期刊社编辑出版，国内外公开发行的专业技术月刊。以从事棉纺织生产技术各个层面的技术人员为主要对象，兼顾科研、教学需要，坚持理论与实践相结合、技术与经济相结合、普及与提高相结合、当前与长远相结合、国内与国外相结合为办刊方针，形成了“前瞻性、适用性、操作性”的独特风格，在纺织行业和教学、科研单位拥有最广泛的读者群。多次获得省、部、委的奖励，是“中国期刊方阵双效期刊”，荣获“第三届国家期刊奖提名奖”，连续七次被选列为“全国中文核心期刊”。

《棉纺织技术》已被中国学术期刊(光盘版)、中国学术期刊网、万方数据资源系统数字化期刊群、中国学术期刊文摘(中文版)、中国学术期刊文摘(英文版)、中国期刊全文数据库、中国核心期刊(遴选)数据库、中文科技期刊数据库，以及美国《化学文摘》、英国《科学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》等收录，在国内外具有广泛的学术影响力。

《棉纺织技术》官方投稿网址为http://gaojian.ctsti.cn，欢迎投稿！

《棉纺织技术》微信公众订阅号为“棉纺织技术新传媒”

(mfzjsxcm)，公众服务号为“梭子讲堂”(suoziedu)，分别致力于纺织行业资讯和技术的传播，技术知识的分享和互动，欢迎关注！

《棉纺织技术》期刊全彩色印刷，由邮政局向全国发行，邮发代号52-43，请广大读者到当地邮政局订阅，亦可向编辑部直接办理订阅手续，纸质刊和电子刊任选。每册10元，全年120元。

棉纺织技术新传媒(ID：mfzjsxcm)

电话：(029)83553538、83553540

传真：(029)83553519

E-mail：sf-mfzjs@ctsti.cn

邮政局付款

单位：《棉纺织技术》编辑部

梭子讲堂(ID：suoziedu)

地址：西安市纺织城西街138号

邮编：710038

银行付款

开户行：中国农业银行西安纺一路支行

户名：陕西棉纺织技术期刊社

账号：26120101040001043

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

宁方刚，男，1982年生，讲师，主要从事化纤编织绳缆结构和性能研究

TS15

A

1004-7093(2016)09-0032-05

花香鸟语 科学发展万里春