绳结的强度 - 图文(6)

2019-05-17 09:33

4.5.5 迟滞热效应

在相对高的拉力和快速循环负荷下,绳子会由于迟滞效应造成绳子温度的升高(2.5.5节和图4.16),它与纤维间作用造成的能量损失间很难区分。 由于迟滞产生的热量将会沿着绳子传播。高负荷因素通常发生在股线中,这会导致在这些部位温度会较高。绳子的体积越大,那么其产生的热量就更难散出。润湿的绳子比干燥的绳子更易于传热。当浸没时绳子的表面温度会变得和其周围水的温度相同。然而,在绳子内部水是以水蒸气的状态存在的,在全部浸没的情况下也是如此,这导致传热效应的降低。在空气条件下,在表面热量不易散出,并且必须考虑辐射系数的影响。

应用于海洋牵引的大直径纤维类绳子,由于风暴造成的拉力循环而产生热量,这会使其崩溃破坏。相关于深海绳索的研究发现,当漂浮石油平台产生的循环运动作用于涤纶绳子时,其强力必须在一个确定的范围内。

4.5.6 弯曲疲劳

弯曲疲劳可以由很多情况引起。他们中的一些为: 1 在滑轮上的运动

2 在固定表面上的卷绕和退绕,像导缆器、楔子或销子

3 低负荷下的连续弯曲,像漂浮在海上的浮标系绳。 弯曲对结构的影响会在5.5节中讨论并且以图5.19说明。压缩和扭曲发生在弯曲的内半径,而拉伸发生在外半径(希默尔法布,1957)。

特别当D/d比 (固定表面直径和绳子直径之比)比较小时,在滑轮上滑动时可以引起绳中各组分间的滑移,从而导致了纤维摩擦和摩擦生热。这些对绳子的性能都是有害的。图9.16是一个例子。

皮划艇的边缘由涤纶绳子固定。当用尼龙绳代替时,其实验结果如图12.27。湿环境对尼龙绳的应用是不利的。尽管其所受负荷是相对较低的,但是皮划艇边缘却导致了绳子的持续弯曲。

现在没有好的方法来确定到底怎样的一个D/d可以使绳子的使用寿命最长。当然,D/d是要尽量大的。其性能决定于:绳子的材料、纤维的后整理、绳子的结构、负荷、频率、表面材料和滑轮的直径。一些有用的规则如下:

1 避免平行股线和平行纤维的结构

2 涤纶的性能优于尼龙和丙纶(其等级要合适) 3 后整理是有帮助的

4 尼龙或丙纶滑轮表面要优于金属表面;尽管其他聚酯基表面也同样适合。

5对于中等用三股绳、编织绳和钢丝结构绳子,8比1结构是最小的。通过实验或模拟来进行评价是一个很好的方法。

疲劳一般来源于弯曲并且在拉伸力相对低时,通常被错误的忽视了。 4.5.7 轴向压缩疲劳

有些情况下绳子中的组分,像纤维、纱线或股线,会发生结扣现象。两个塑性铰链将会产生一个Z型扭结。这些扭结通常是扁平且短的,不到1cm,他们通常被称之为“扭结带”(见图4.27)。它通常形成于低应力情况下,尽管这时绳子是张紧的。扭结带的一般来源于

加捻和紧密的包衣。拼接结构也是扭结的一个来源。

如果加载和操作环境导致了扭结中的铰链发生快速的弯曲作用,那么扭结中的纤维将会断裂破坏。这种现象发生于方形切割和整齐切割中,是一种轴向压缩疲劳。吊装用绳就是其中的一个例子,HMPE芯是承力成分,而紧密的编织包衣是非承力。仅仅承受设备重量时绳子是未卷绕的, 将会承受一个很大的负荷,然后卷绕到绞车卷筒上。每个工作周期是扭结中发生弯曲,并且开始发生断裂。绳子破坏并且经过随后对绳子中组分的详细检查后,在相同的重复周期中发现了大量的扭结。

当扭结发生弯曲时,芳纶会很快遭到破坏。而HMPE要好很多,涤纶对衰竭的抵抗性是很高的。

5.7.6节对芳纶的轴向压缩的机械性能进行了论述。

4.6 耐外部摩擦性

很明显,抵抗由于外部摩擦破坏的能力是绳子的一个重要性能。它取决于: 1 纤维材料 2 湿或干的环境 3 纤维的后整理 4 绳子的结构

5 粗糙表面的性能

6 绳子中的拉力和粗糙表面上的压力

7 表面上的滑移速度

就目前而言,现在并没有量化耐摩擦性的标准。数据的得到一般要靠经验。通过重复试验,来确定一种绳子是否优于另一种,并且耐磨性通常以此方式来发布。

一些归纳也可以提供指导(一部分来自于标准CI2003): 1 涤纶的耐磨性很好,特别是经过良好海水整理后的纤维。

2 尼龙干燥条件下要优于湿条件,除非经过海水整理

3 干、湿条件下,芳纶的耐磨性都很差,但是润滑和海水整理可提高其性能。

4 HMPE很耐摩擦和切割,但是由于较低的熔点,所以如果在力和速度的作用下产生了热量,它的性能就很差了。

5丙纶的性能很好,这取决于其型号和长丝尺寸。低熔点是它的一个缺点。与涤纶混纺可提高其性能。

6 LCP的耐磨性很好

7 马尼拉的耐磨性是适中的,但会随着年龄的增长而降低 8 表面纱线和股线的方向应该和绳子的轴向匹配良好 4.7 摩擦

在一些应用中必须要考虑绳子与绳子和绳子与其他表面间的摩擦系数。这就导致了一些矛盾。低的摩擦系数可以避免应力集中和减少外部摩擦,但是高的摩擦系数使绳子更易于抱和,例如图4.28中的多用途绞车。摩擦产生的热量可以导致低熔点的纤维(HMPE、PP)融化,这可以润滑摩擦表面,使摩擦系数接近于零,但这种情况是十分危险的。

摩擦同样对接头也是很重要的,接头中发生的是纤维间的摩擦。

摩擦系数是多样的,很难被量化,一般表述为一个范围。导致此现象的因素有: 1 纤维材料 2 表面的材料

3 表面的状况 - 光滑度、设计导致的变化、由于磨损和腐蚀造成的破坏

4 纤维类绳子的后整理 - 大多数情况下可以降低摩擦系数,但是HMPE类绳的表面涂层却使其增加。

5 表面的压力 - 拉力的作用、表面半径和任何使绳子变得扁平的因素。 6 干或湿条件 - 在湿条件下,绳子的摩擦系数通常是增加的。 7 静态或动态的工作和测试条件

表4.7提供了一些典型的数据

4.8紫外线辐射破坏

它主要来源于太阳光,但是细丙纶绳子在室内和经荧光灯照射后也会发生此类问题。这种性能是和纤维材料有关的,相关数据见表2.14。

大多数绳子用合成纤维中,大都会用到防紫外整理剂。其对尼龙、涤纶、芳纶和丙纶的影响尤其重要。染料,特别是黑色和灰色的,有利于提高丙纶的抗紫外能力。

紫外线对细绳子的影响要大于粗绳子。紫外线的穿透深度不大,但是对于直径为50μm 的长丝而言,其影响还是很大的。紫外线的破坏是有限的,对于长丝其主要发生在他的表面上,而在大绳子中,破坏纤维所占的百分率是很低的。除非长时间处于亚热带沙漠的条件下,紫外线对直径大于24mm的绳子的影响是很小的。其对开口结构的八股编绳的影响要大于紧密的双编绳。

对于有包衣的绳子, 除非包衣的耐摩擦性能降低,绳子的强度和承力芯纱是不会被影响的。

4.9温度

4.9.1 极限温度

表2.3给出了一些纤维的熔点和分解点。然而,当温度在这些数据附近时,绳子是不能被应用的。尼龙和涤纶的极限温度是90℃(194℃F),丙纶的是60℃(140℃F)(ASME B30.9)。而芳纶则可在较高的温度下工作。由于要考虑蠕变,HMPE应用温度不应超过50℃(120℃F)。 4.9.2 长时间加热的影响

大多数纤维在长时间高温条件下,会发生降解。在比以上列出的温度低的条件下,则会造成力的损失,但要取决于作用时间和温度的高低。例如尼龙6纤维,在95℃(200℃F)的条件下,匀热处理4000h后,其强力下降到原来的84%。由于水解,涤纶经长时间高温热水和蒸汽处理后,可导致其强力的逐渐损失。

如果必须要在高温条件下长时间工作或储存,则在使用前要和纤维制造商进行协商。 4.10化学或生物腐蚀

在潮湿条件下,由于微生物的作用,天然纤维类绳子的降解速度相对较快。然而,除非药品的腐蚀性很高或在相对高的温度条件下,合成纤维可耐多数化学品的腐蚀。表2.14给

出了一些建议,但是如果与一些特别化学药品接触时,需另作查询。而普通微生物是不能腐蚀或分解合成纤维的。

对于尼龙,应避免与酸接触并且润湿时,应避免被锈类物质污染。涤纶应避免与浓碱和高温条件下的稀碱的接触。对于丙纶应避免与具有挥发性的碳氢溶剂接触。 4.11缩水(收缩性)

经蒸汽工序处理时,尼龙类绳子会发生收缩。纤维的膨胀使绳子直径的增大,长度的减小和延伸性的增大。绳子使用过程中被润湿后的性能变化如图4.7和4.8.气蒸工序使收缩现象提前,使绳子变得十分的牢固并且可抵抗进一步的收缩。一些客户很需要可喜好这种性能。

涤纶纤维加热时,也会发生收缩。在较高工作负荷条件下,加热会使绳子在最初的几个循环的伸长量增大,但由于收缩效应(一种蠕变),这种伸长会很快且永久的消失。在双股编绳中,芯由经热处理后的涤纶组成,当加载到一个很大的拉伸力时,他将会产生永久伸长,因此,将会有更多的力传导到绳子的表面(见3.6.1节);且与用由未经处理过的纤维制造的绳子相比,其断裂强力会有适当的增加。当一次性产品需要较高的伸长时,收缩效应也会被用到。

4.12 接头能力

对于所有绳子而言,易于接头也是一个重要的性能。对于可能的应用,绳子的末端形成眼型结构的能力也是很重要的。为了确保打结的真实性,普通用绳子的打结过程必须要进行标准化,且需要适当的培训、技巧和工具。

一些绳子,尽管开始时是可打结的,但当经一定时间的使用或收缩后,就不能进行打结了,或者能打结,但其强力很小。收缩后的尼龙编织绳就是此类中的一种。

几乎所有的绳子都能进行打结,但是通常都需要专业的技巧和繁琐的程序。除非经过测试,其效果和可靠性则可能是有问题的。 4.13 结的保持性

结的保持性在一些应用中,是一个很重要的性能。树木服务商、救生员、登山者和业主会用结头来确保梯子的安全。没有人希望梯子发生滑动。一些绳子在此方面要优于其他绳子。一些评价如下:

1 马尼拉纤维绳子-很好

2 高捻度和致密的八股绳-好 3 丙纶短绳- 好

4 尼龙三股绳和编绳- 差 5 涤纶长丝编绳-中等

6 表面有短纤(毛羽)的涤纶绳-好 7 丙纶单丝三股绳和编绳- 差

打结手册和一些特殊绳子的使用说明书提供了一些关于合适节的使用。且总会有节是要保持住的。7.10将会介绍一些关于节的知识。

4.14 硬度硬高捻、中和柔软排列的方式生产。高捻度的股线和低的捻距可以生产出硬度高的绳子。这种绳子十分坚固,柔韧性低且比其他类型的绳子的耐障碍性高。弱捻绳子强度高而且结构松软。中捻绳是最常见的。编绳有时会用硬度来量化、说明或分类。10.15节介绍了一种硬度的测试方法。


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