柔性滌綸吊裝捆綁帶的耐動態(tài)疲勞性能

徐國平，丁新波，涂楊松，唐三湘，范樹賢

(1.浙江理工大學(xué)材料與紡織學(xué)院，浙江杭州 310018;2.浙江三鼎織造有限公司，浙江義烏 322006)

隨著產(chǎn)品外觀質(zhì)量要求的提高，主要吊裝用具鋼絲繩在吊裝中很難保證產(chǎn)品零部件表面不劃傷，吊點(diǎn)沒有吊裝痕跡，保證產(chǎn)品的精度要求和外觀質(zhì)量。據(jù)不完全統(tǒng)計，在工件吊運(yùn)中由于采用鋼絲繩吊運(yùn)所造成的勒傷量每年約占加工件的30%左右，尤其是大噸位、高精度的工件所占比例更大，因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對大噸位、高精度工件的吊運(yùn)相繼作出規(guī)定:不準(zhǔn)使用鋼絲繩，使用合成纖維吊裝帶，其采用率己達(dá)70%以上［1］。1955年發(fā)達(dá)國家研制出非金屬材料吊裝用具合成纖維吊裝帶，其抗拉強(qiáng)度和延伸率接近或達(dá)到鋼絲繩的性能，自美國成功應(yīng)用于工業(yè)吊裝領(lǐng)域后，目前已被廣泛運(yùn)用到船舶、機(jī)械、礦山、港口、運(yùn)輸、軍事等領(lǐng)域。

合成纖維吊裝帶一般采用高強(qiáng)力聚酯長絲制作，與傳統(tǒng)的鋼絲繩相比，其優(yōu)點(diǎn)為:柔軟，可保護(hù)被吊物品，使其表面不被破壞;輕便，質(zhì)量只是金屬吊具的20%，便于攜帶及進(jìn)行吊裝準(zhǔn)備工作［2］。按類型可分為扁平吊裝帶和圓型吊裝帶2大類。扁平吊裝帶主要由錦綸纖維、滌綸纖維和丙綸纖維制成;圓型吊裝帶的材質(zhì)主要是滌綸合成纖維，外層用滌綸圓套管作為保護(hù)層，內(nèi)芯用連續(xù)的100%滌綸芯紗作為承受吊裝負(fù)載［3］。

然而，合成纖維吊裝帶在長期反復(fù)使用過程中，由于塑性變形的不斷累積，纖維內(nèi)部形成局部損傷，以及熱、氧、紫外、酸堿腐蝕等的綜合作用，易在弱結(jié)區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致其在吊裝過程中發(fā)生突然爆斷，出現(xiàn)整體破壞現(xiàn)象，造成不可估量的損失［4－5］。為此，本文通過對開發(fā)的滌綸柔性吊裝帶進(jìn)行不同次數(shù)定伸長、定載荷的加速疲勞處理，評價其斷裂強(qiáng)力、初始模量等物理量的變化，考察其耐動態(tài)疲勞性能，為其安全使用提供一定的實驗和理論參考。

1 實驗部分

1.1 材料

本文實驗中采用的吊裝捆綁帶由浙江三鼎織造有限公司提供，原料為高強(qiáng)滌綸工業(yè)絲，經(jīng)、緯紗線密度均為 2 222.2 dtex，組織為平紋，帶寬度為25 mm，厚度為1 mm，長度為200 mm。

1.2 性能表征

采用美國Instron公司生產(chǎn)的Instron3369電子萬能材料試驗機(jī)。待測試樣品首先于恒溫恒濕條件下平衡24 h;其次，按試樣要求，分別對試樣進(jìn)行拉伸、定伸長、定負(fù)荷等處理。

拉伸實驗:試樣夾距為200 mm，拉伸速度為100 mm/min。

定伸長實驗:根據(jù)其最大拉伸位移及其安全系數(shù)，定伸長位移分別為2、3、4、5、6 mm，循環(huán)次數(shù)為10 次。

定負(fù)荷實驗:根據(jù)其最大拉伸位移及其安全系數(shù)，施加載荷分別為900、1 200、1 500、1 800 N，循環(huán)次數(shù)為10次。

2 結(jié)果與討論

2.1 柔性滌綸吊裝捆綁帶拉伸性能

圖1示出滌綸柔性吊裝捆綁帶拉伸曲線圖。由圖可知，該吊裝帶在拉伸過程中呈現(xiàn)明顯的3個變化階段。第1階段(拉伸位移為0～26 mm):胡克區(qū)，主要是由材料的急彈性形變產(chǎn)生，幾乎是呈線性變化的，此時受力主體主要為經(jīng)向的滌綸工業(yè)絲［6－7］。第2 個階段(26 ～83 mm):屈服區(qū)，該階段強(qiáng)力的上升速度明顯下降，模量變小。在26～60 mm區(qū)域，除急彈性形變外，同時還存在緩彈性形變，在該拉伸區(qū)域，其變化幾乎亦是呈線性的;當(dāng)拉伸位移超過60 mm時，甚至出現(xiàn)了不可回復(fù)的塑性形變，此時呈現(xiàn)出明顯的非線性變化。第3階段(拉伸位移為83～168 mm):增強(qiáng)區(qū)，以塑性變形為主。該階段模量增大，強(qiáng)力的增加速度明顯高于屈服區(qū)。這主要是因為除大分子鏈形成新的結(jié)合鍵對強(qiáng)力的貢獻(xiàn)外，此時受力的經(jīng)紗幾乎都處于平行、緊張狀態(tài)，緯向變窄，壓力增加，使經(jīng)紗纖維間、經(jīng)紗與經(jīng)紗之間的摩擦力增加，拉伸過程中，需克服的強(qiáng)力顯著增加。

圖1 柔性滌綸吊裝捆綁帶拉伸曲線Fig.1 Stress-strain curse of PET webbing sling

2.2 柔性滌綸吊裝捆綁帶定伸長耐疲勞性

圖2示出滌綸吊裝捆綁帶2 mm和6 mm定伸長循環(huán)拉伸曲線。由圖2(a)可知，當(dāng)定伸長為2 mm，即其伸長率為1%的小形變時發(fā)現(xiàn)，除第1次循環(huán)形成的滯后圈面積較大外，第5次和第10次循環(huán)滯后圈面積變窄。表明該吊裝捆綁帶發(fā)生的主要是符合胡克區(qū)、線性變化的急彈性形變，發(fā)生塑性形變甚微;而形成的較小滯后圈主要是因為發(fā)生微小的緩彈性形變所致，外力所做功部分以內(nèi)聚能形式存在。

當(dāng)定伸長長度設(shè)定為6 mm，即其伸長率為3%時，無論是第1次循環(huán)形成的滯后圈面積還是第5次和第10次的滯后圈面都明顯大于定伸長為2 mm時的循環(huán)滯后圈，表明較大形變時，材料已經(jīng)產(chǎn)生了不可回復(fù)的、具有破壞性的塑性形變;隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形不斷積累，直至累積達(dá)到斷裂位移時，材料將發(fā)生解體而損壞［8］。

圖2 滌綸吊裝捆綁帶2 mm和6 mm定伸長循環(huán)拉伸曲線Fig.2 Load at certain elongation for PET webbing sling.(a)Load at certain elongation with 2 mm;(b)Load at certain elongation with 6 mm

圖3示出經(jīng)過10次定伸長循環(huán)處理后吊裝捆綁帶的拉伸曲線。由圖發(fā)現(xiàn)，無論是較小形變還是相對較大形變的定伸長循環(huán)處理10次后，材料的模量顯著增加，力學(xué)性能發(fā)生了明顯的衰減現(xiàn)象，經(jīng)6 mm定伸長循環(huán)處理10次后材料的斷裂強(qiáng)力從8 600 N下降到了7 010 N，斷裂位移從172 mm下降到了14 mm。另一方面，經(jīng)過不同形變處理后材料拉伸曲線所包覆的面積——斷裂功，都明顯小于原始材料的斷裂功，表明經(jīng)過多次循環(huán)使用后的吊裝捆綁帶的耐疲勞性能急劇惡化。這主要是因為經(jīng)過多次循環(huán)使用后，材料產(chǎn)生的形變其可逆變化的急彈性形變逐漸喪失，恢復(fù)緩慢的緩彈性形變亦相對較少，主要以不可逆的、破壞性的塑性形變存在，即隨著使用次數(shù)的增加，材料力學(xué)性能和耐疲勞性能急劇惡化［9］。

圖3 經(jīng)10次定伸長循環(huán)處理后吊裝捆綁帶拉伸曲線Fig.3 Stress-strain curse of PET webbing sling after load at certain elongation for 10 times

2.3 柔性滌綸吊裝捆綁帶定載荷耐疲勞性

圖4示出滌綸吊裝捆綁帶經(jīng)900 N和1 800 N定載荷循環(huán)拉伸曲線。由圖4(a)可知，當(dāng)該規(guī)格吊裝捆綁帶施加900 N載荷，作用一定時間，然后卸載，形成了一滯后圈，表示負(fù)載對材料所做的功與材料彈性回復(fù)功之間的差值。該差值的存在表明因緩彈性形變和破壞性塑性形變產(chǎn)生所需耗能的多少，其中緩彈性形變所需功以內(nèi)聚能的形式存在;而塑性形變產(chǎn)生不可逆作用，將消耗能量。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，滯后圈變窄，急彈性形變變小，這主要是因為在多次循環(huán)使用過程中急彈性和緩彈性形變減少，負(fù)載對材料的破壞性作用不斷累積，塑性形變得到發(fā)展。從圖4(b)中可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加載荷達(dá)到1800 N時，其形成的滯后圈明顯大于900 N時所形成的滯后圈，且塑性形變更為明顯。這表明施加的載荷越大，對材料的破壞作用越明顯，因此，吊裝捆綁帶在使用過程中，為確保安全，必須遵照其安全使用系數(shù)，以免發(fā)生不必要的事故。

圖5示出經(jīng)過10次循環(huán)定載荷處理后滌綸吊裝捆綁帶的拉伸曲線圖。由圖可知，經(jīng)過多次定載荷循環(huán)處理后，該規(guī)格的吊裝捆綁帶的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率以及耐疲勞性能，都急劇衰減而惡化，其抗沖擊性能大大下降。經(jīng)過1 800 N負(fù)載10次連續(xù)循環(huán)作用后，吊裝捆綁帶的斷裂伸長率接近甚至低于原料滌綸工業(yè)絲的斷裂伸長率。這主要是因為經(jīng)過多次使用后，經(jīng)紗的急彈性形變和緩彈性形變能力急劇下降，難以恢復(fù)未經(jīng)使用狀態(tài)時經(jīng)紗具有較高屈曲波的形態(tài)，經(jīng)紗幾乎處于平行伸直狀態(tài)，表現(xiàn)為高模量、低伸長率，抗沖擊能力差的性狀。

圖4 滌綸吊裝捆綁帶900 N和1 800 N定載荷循環(huán)拉伸曲線Fig.4 Elongation at certain load of PET webbing sling

圖5 經(jīng)10次循環(huán)定載荷處理后滌綸吊裝捆綁帶拉伸曲線Fig.5 Stress-strain curse of PET webbing sling after elongation at certain load for 10 times

因此，優(yōu)異的吊裝捆綁帶應(yīng)該經(jīng)過多次循環(huán)使用后，應(yīng)仍具有良好的彈性回復(fù)性能，即捆綁吊裝帶經(jīng)過多次使用后，其急彈性和緩彈性形變?nèi)允亲冃蔚闹黧w。這為設(shè)計和開發(fā)高性能吊裝捆綁帶提供了一定的理論參考。

3 結(jié)論

1)柔性滌綸吊裝捆綁帶在拉伸過程中呈現(xiàn)明顯的胡克區(qū)、屈服區(qū)和增強(qiáng)區(qū)3個變化階段。

2)在較小形變(小于1%)或較小負(fù)載(小于斷裂強(qiáng)力的10%)時，發(fā)生的主要是符合胡克區(qū)、線性變化的急彈性形變;在較大形變或較大負(fù)載時，已產(chǎn)生了不可回復(fù)的、具有破壞性的塑性形變，且隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性變形不斷積累。

3)經(jīng)過多次定伸長或定載荷循環(huán)處理后，吊裝捆綁帶的斷裂強(qiáng)力、斷裂伸長率以及耐疲勞性能，都急劇衰減而惡化，其抗沖擊性能大大下降。

綜上所述，通過高性能吊裝帶用合成纖維材料的開發(fā)以及組織結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和優(yōu)化，綜合考慮材料的回彈保型性，開發(fā)力學(xué)性能穩(wěn)定、耐疲勞性能優(yōu)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能吊裝捆綁帶，縮短與發(fā)達(dá)國家的差距，本文提供了一定的實驗和理論依據(jù)。

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