基于摩擦學(xué)機(jī)理的編織繩絲斷裂試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

◎黨鳳魁 丁慧玲 杜新武

（河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,河南洛陽(yáng)471023)

繩索作為使用最早的紡織類產(chǎn)品，在承載、傳遞等方面有著無(wú)可替代的作用。近年來(lái)，高性能繩索逐漸成為繩索行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。合成纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐化學(xué)品、耐氣候等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到繩索、電纜、耐切割產(chǎn)品、降落傘繩、防護(hù)服等各種重要場(chǎng)合。

繩索作為承載和運(yùn)輸?shù)闹匾糠?，承受著拉壓、彎曲、扭轉(zhuǎn)、接觸交變、沖擊等多種應(yīng)力作用，一旦在工作中突然斷裂，不僅造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，更嚴(yán)重的還會(huì)造成重大人員傷亡。繩索斷裂失效可分為斷絲、斷股和斷繩，而斷股與斷繩一般都是斷絲發(fā)展到一定程度導(dǎo)致的。因此，合成纖維繩索斷裂失效試驗(yàn)研究應(yīng)從繩絲的斷裂開(kāi)始。按照繩索失效后的外部形態(tài)，可分為表面損傷、過(guò)量變形及斷裂3 類，其中斷裂是最危險(xiǎn)的失效方式，而沖擊載荷引起的瞬時(shí)斷裂是斷裂中最危險(xiǎn)的一種方式。

因此，筆者以合成纖維繩索為研究對(duì)象，基于繩絲間摩擦學(xué)機(jī)理，模擬繩絲間摩擦接觸狀態(tài)，將繩索解析為受繩絲間摩擦接觸影響的單個(gè)繩絲，并設(shè)計(jì)了一種模擬繩絲間摩擦接觸狀態(tài)的試驗(yàn)裝置，為研究繩索斷裂失效提供必要的技術(shù)支撐。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試裝置具有普適性，可用于對(duì)玉米、甘蔗、芝麻、棉花、麻類等農(nóng)作物莖稈的切割性能進(jìn)行測(cè)試、也可用于對(duì)尼龍、PA 等材料的切割性能進(jìn)行測(cè)試、還可用于對(duì)棕繩、麻繩、登山繩、布類紡織品、紙板及類似包裝產(chǎn)品的切割性能進(jìn)行測(cè)試，同樣的也可用于對(duì)切割刀具的磨損進(jìn)行測(cè)試。

1 構(gòu)建試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 編織繩繩絲間摩擦接觸狀態(tài)分析

為研究合成纖維繩絲間摩擦狀態(tài)對(duì)切割斷裂行為與機(jī)制的影響，需設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)裝置模擬繩索受法向載荷作用繩絲間切向摩擦狀態(tài)。為此，對(duì)法向載荷作用下繩絲間相互接觸時(shí)受力狀態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果提出試驗(yàn)方法并設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置。

圖1 為合成纖維編織繩實(shí)物圖，繩絲按照一定編織方式相互纏繞成編織繩。圖2 為編織繩結(jié)構(gòu)示意圖，相鄰兩繩絲上下交叉，繩絲在交叉部位相互接觸，通過(guò)摩擦接觸傳遞應(yīng)力，繩索整體協(xié)作承受外加載荷的作用。客圣俊[3]在牽引用編織鋼絲繩繩絲力學(xué)及摩擦磨損性能研究中，提出編織鋼絲繩受力十分復(fù)雜，屬于非線性接觸問(wèn)題。鋼絲接觸表面，理論上不會(huì)發(fā)生相互滲透，可以傳遞法向壓力和切向摩擦力，可以相對(duì)移動(dòng)和自由分離，但不會(huì)傳遞法向拉伸力。

圖1 合成纖維編織繩實(shí)物圖

圖2 編織繩結(jié)構(gòu)示意圖

因此，研究編織繩的斷裂行為，可以通過(guò)解析的方法，將編織繩股中的基本單元繩絲分離出來(lái)，用繩絲的斷裂行為模擬和預(yù)測(cè)編織繩的斷裂行為，通過(guò)繩絲間接觸狀態(tài)來(lái)模擬繩絲在編織繩中繩絲間摩擦接觸狀態(tài)。

1.2 編織繩繩絲間摩擦接觸力學(xué)分析

張德坤、葛世榮[4-5]利用有限元方法建立鋼絲試樣的接觸模型，鋼絲之間的接觸形式為兩圓柱體正交接觸。Argatov I I 等[6]基于Archard 模型建立了鋼絲之間兩圓柱體以平行、垂直交叉、任意角交叉接觸時(shí)微動(dòng)磨損的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)編織繩結(jié)構(gòu)示意圖2 及相關(guān)文獻(xiàn)，建立合成纖維編織繩上層繩絲與下層繩絲的三維接觸模型如圖3，編織繩上層繩絲與下層繩絲之間的接觸形式為兩圓柱體角度交叉接觸，角度范圍為0-90°，0°時(shí)兩繩絲平行，90°時(shí)兩繩絲正交。

圖3 合成纖維編織繩上、下層繩絲接觸模型圖

圖4 為法向載荷作用下上層繩絲與下層繩絲產(chǎn)生形變，兩者繩絲間法向接觸力及切向摩擦接觸力。圖中F 為法向載荷，ΔX 為上層繩絲受到壓應(yīng)力作用時(shí)變形量，箭頭方向?yàn)樾巫兎较颍琭為上層繩絲發(fā)生形變時(shí)下層繩絲對(duì)上層繩絲的切向摩擦接觸力，N 為下層繩絲對(duì)上層繩絲的法向接觸力。

圖4 上層繩絲法向壓力下接觸力分析圖

2 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 模擬繩絲間切向摩擦接觸力的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

繩絲處于編織狀態(tài)時(shí)，繩絲間摩擦阻力必然影響單根繩絲斷裂時(shí)的形變機(jī)制。編織繩受到?jīng)_擊載荷而失效的過(guò)程中，繩絲間摩擦阻力沿繩絲的切向方向，且隨著載荷變化而變化。沖擊載荷作用下繩絲與繩絲之間有微小的滑動(dòng)，造成繩絲間的微動(dòng)磨損。張德坤等[7-8]認(rèn)為，微動(dòng)磨損為最終導(dǎo)致繩絲疲勞斷裂的主要因素。Piskoty G 等[9]發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊側(cè)壓力作用于鋼絲繩時(shí)，單根鋼絲斷口截面顯示了錐形和剪切斷裂的混合物，未顯示微動(dòng)疲勞失效。

筆者通過(guò)切割刀具對(duì)繩絲施加法向載荷為沖擊側(cè)壓力，繩絲斷裂失效時(shí)間為毫秒級(jí)，不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，繩絲間微動(dòng)磨損對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有影響。因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮繩絲間的微小滑動(dòng)。繩絲間的切向摩擦力主要是壓應(yīng)力作用下，上層繩絲沿ΔX 方向形變時(shí)，下層繩絲阻礙其形變時(shí)產(chǎn)生的摩擦力。

為了驗(yàn)證和對(duì)比編織繩繩絲間摩擦接觸對(duì)繩絲斷裂機(jī)理的影響，筆者提出兩種試驗(yàn)方法分別模擬繩絲編織狀態(tài)下和編織失效狀態(tài)下的摩擦接觸狀態(tài)。影響編織繩繩絲間摩擦阻力主要因素有：繩絲材料的彈性模量、潤(rùn)滑情況、摩擦因數(shù)、編織方式、編織工藝、繩索受力方式等。外加載荷作用下，繩絲間接觸作用非常復(fù)雜。

為此，模擬試驗(yàn)條件做如下優(yōu)化和假設(shè)：

①研究繩絲間干摩擦狀態(tài)下的斷裂行為，沒(méi)有考慮各種潤(rùn)滑的影響。

②繩絲接觸時(shí)法向不發(fā)生相互滲透，且接觸時(shí)法向是壓應(yīng)力。

③合成纖維繩絲兩端采用切向約束的方式，模擬編織狀態(tài)時(shí)絲間摩擦阻力，兩端約束的繩絲中間懸空，切向力隨沖擊載荷變化而變化。

④繩絲兩端無(wú)約束的方式模擬編織繩編織失效狀態(tài)。

⑤繩絲間摩擦因數(shù)受繩絲兩端切向約束點(diǎn)的距離影響，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)繩絲切割斷裂過(guò)程中形變的相關(guān)參數(shù)的幾何關(guān)系計(jì)算確定。

在以上試驗(yàn)條件下，以上層繩絲為研究對(duì)象，X 方向的約束模擬繩絲間切向的接觸力，Z方向的約束模擬繩絲間的法向接觸力。

當(dāng)繩絲兩端切向約束時(shí)，在法向載荷F 作用下，繩絲向下運(yùn)動(dòng)，沿切向方向拉長(zhǎng)，繩絲受張力T 作用，張力方向與繩絲形變方向相反，兩者關(guān)系為T=Fsinθ，sinθ 受合成纖維單絲形變和兩約束點(diǎn)之間的距離影響，可根據(jù)試樣的干摩擦因數(shù)設(shè)計(jì)。設(shè)干摩擦狀態(tài)下合成纖維單絲的靜摩擦因數(shù)為μ，上層繩絲試樣兩端沿X 方向約束模擬繩絲間的切向摩擦接觸力μF，摩擦力方向?yàn)槔K絲受壓應(yīng)力時(shí)形變方向的反方向。因此，圖5 的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂梢暂^好地模擬編織狀態(tài)下繩絲間切向摩擦接觸力。

圖5 繩絲間切向摩擦力模擬繩絲編織圖

當(dāng)編織繩編織完全失效時(shí)，繩絲間無(wú)摩擦接觸作用，無(wú)切向約束的繩絲不受切向摩擦力作用，繩絲無(wú)法協(xié)同工作，相當(dāng)于單根繩絲切割斷裂問(wèn)題。圖6 為Z 方向約束模擬編織失效狀態(tài)下繩絲僅受法向接觸力。編織失效狀態(tài)下合成纖維單絲的切割斷裂試驗(yàn)結(jié)果，可以為模擬編織狀態(tài)下繩絲的斷裂行為提供對(duì)比和參照。

圖6 繩絲間法向接觸力模擬繩絲編織失效圖

2.2 模擬繩絲間切向摩擦接觸力的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.1 模擬編織繩繩絲間切向摩擦接觸力的切割性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

合成纖維繩索在應(yīng)用過(guò)程中，為確保繩索各繩絲張拉前松緊一致，以便在服役期間協(xié)同發(fā)揮作用，需要對(duì)繩索施加一定的預(yù)緊力。預(yù)緊力一般為其應(yīng)承受張拉力的十分之一，與李寧[16]關(guān)于合成纖維預(yù)加張力Fr 與參考直徑D 的關(guān)系公式計(jì)算結(jié)果基本一致。

圖7 為合成纖維單絲切割性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖，試樣中間懸空，兩端以一定的預(yù)緊力被張緊機(jī)構(gòu)約束，約束點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)0。質(zhì)量為m 的割刀刀尖與纖維單絲中點(diǎn)對(duì)齊。割刀提升到預(yù)設(shè)高度h0，以零速度釋放，對(duì)纖維單絲進(jìn)行切割。為割刀刃口從接觸被切割纖維單絲開(kāi)始，到纖維完全被切斷為止，整個(gè)切割過(guò)程刀架下落的高度。θ 角為切割過(guò)程中，纖維單絲斷裂時(shí)的位置與水平線夾角。

圖7 模擬編織試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖8 以合成纖維單絲為研究對(duì)象，F(xiàn) 為割刀施加給纖維單絲的沿Z 軸方向切割力，F(xiàn)t 為F 沿單絲切向分力，根據(jù)合成纖維單絲在切割過(guò)程中形變的幾何關(guān)系

圖8 纖維單絲模擬編織狀態(tài)示意圖

纖維繩索所受法向載荷為F，繩絲間的摩擦因數(shù)為μ，則繩絲間切向摩擦力f=μ·F，合成纖維單絲在切割力作用下瞬時(shí)斷裂，不考慮繩絲間的微動(dòng)滑移，摩擦因數(shù)選用干摩擦狀態(tài)下的靜摩擦因數(shù)。

不考慮外部載荷作用的情況下，繩索斷裂性能由繩絲的編織方式和材料的性能決定。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂赡M編織狀態(tài)下繩絲間的摩擦接觸，不同彈性模量合成纖維的力學(xué)性能不同。筆者選用三種不同彈性模量的典型合成纖維單絲作為試驗(yàn)材料，根據(jù)試驗(yàn)材料的物性參數(shù)，三種試樣的摩擦因數(shù)為0.2—0.3。根據(jù)試驗(yàn)選用的三種材料編織繩預(yù)試驗(yàn)得到合成纖維單絲在切割斷裂過(guò)程中h 的變化范圍，合成纖維單絲的有效長(zhǎng)度L0確定為260mm，此時(shí)合成纖維單絲切割斷裂時(shí)sinθ的值在0.2-0.3 之間，沖擊載荷與繩絲間摩擦力的關(guān)系Ft=Fsinθ，滿足合成纖維單絲在編織狀態(tài)時(shí)繩絲干摩擦因數(shù)條件。

2.2.2 編織繩編織失效時(shí)繩絲切割性能試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

圖9、圖10 為編織繩編織完全失效狀態(tài)下合成纖維繩絲的切割性能試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及示意圖。合成纖維繩絲放置在支撐板上，質(zhì)量為m 的割刀從預(yù)設(shè)高度h0零速度釋放，對(duì)纖維單繩絲進(jìn)行切割，從刀尖接觸纖維繩絲上母線到試樣完全切斷，割刀位移為纖維單絲直徑d。

圖9 無(wú)編織試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖10 纖維單絲無(wú)編織狀態(tài)示意圖

試驗(yàn)機(jī)可以完成合成纖維單絲無(wú)編織和模擬編織兩種不同狀態(tài)的切割斷裂性能試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)安裝有割刀、具有設(shè)定質(zhì)量的刀架，從預(yù)設(shè)高度以零初速度釋放，刀架沿試驗(yàn)機(jī)兩側(cè)的導(dǎo)軌以近似自由落體的方式下落，對(duì)不同材質(zhì)，不同直徑的合成纖維單絲進(jìn)行切割。割刀的質(zhì)量可以通過(guò)增減砝碼的方式來(lái)調(diào)節(jié)，下落高度通過(guò)將割刀提升到不同的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感器可以檢測(cè)切割過(guò)程中的切割阻力、切割加速度、試樣兩端拉力變化數(shù)據(jù)，高速攝像設(shè)備記錄切割纖維的圖像數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)可選用不同的繩絲材料為研究對(duì)象，模擬繩索編織狀態(tài)下繩絲間摩擦力作用條件，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)切割過(guò)程中切割阻力及切割速度等參數(shù)，依據(jù)接觸力學(xué)理論、斷裂力學(xué)能量平衡理論和應(yīng)力-應(yīng)變?cè)?，揭示不同參?shù)下試樣斷裂宏觀力學(xué)規(guī)律，高速攝像以每秒一萬(wàn)幀速率采集切割斷裂過(guò)程，利用掃描電子顯微（SEM）檢測(cè)合成纖維單絲切斷后的斷口形貌。宏觀斷裂力學(xué)規(guī)律與微觀斷口形貌形變特征有機(jī)結(jié)合，揭示不同切割參數(shù)對(duì)合成纖維單絲切割斷裂形變的作用機(jī)制。

3 結(jié)束語(yǔ)

為研究合成纖維繩索斷裂失效過(guò)程中繩絲的斷裂行為與機(jī)制，基于接觸力學(xué)理論、斷裂力學(xué)能量平衡理論分析，提出了一種模擬繩絲間切向摩擦接觸狀態(tài)的試驗(yàn)方法，并研制了編織繩切割試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)能夠完成合成纖維纖繩絲無(wú)編織和編織兩種狀態(tài)的切割斷裂性能試驗(yàn)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)切割過(guò)程中切割阻力及切割速度等參數(shù)的變化，且割刀初始速率、加載質(zhì)量等參數(shù)在一定范圍內(nèi)可調(diào)，切割斷裂過(guò)程的宏觀圖像由高速攝像機(jī)采集。本試驗(yàn)裝置為研究繩索斷裂失效提供必要的技術(shù)支撐。