鋼絲繩低溫熱膨脹系數試驗方法研究

張建可

(蘭州空間技術物理研究所真空低溫技術與物理國防重點實驗室 蘭州 730000)

1 引言

鋼絲繩是航天器聯動機構的重要部件。航天器入軌后由于溫度變化，鋼絲繩的熱膨脹系數使鋼絲繩內預緊張力發生變化，為了計算評估不同溫度下鋼絲繩內的張力，需要測試鋼絲繩的低溫熱膨脹系數。由于鋼絲繩的低溫熱膨脹系數，與鋼絲繩材料本身的熱膨脹系數不同，發生了較大變化，其中加入了加工、應力等對鋼絲繩的影響因素，因此必須對所使用鋼絲繩進行實際測試才能完全掌握其熱膨脹行為。繩索類的熱膨脹系數，國內外開展的較少，而且均為常溫及高溫試驗［1－2］。本文介紹了低溫下鋼絲繩的熱膨脹系數測量的試驗方法，并對影響因素和規律進行討論分析。

2 鋼絲繩低溫熱膨脹系數的測試裝置

2.1 試驗方法概述

測量鋼絲繩低溫熱膨脹系數的試驗方法，基本原理還是按GJB332－87《剛性固體平均線膨脹系數測試方法》、QJ1522－88《剛性固體低溫線性熱膨脹系數測試方法》中的示差法原理［3－4］。不同的是對裝置要進行改造，考慮到鋼絲繩有一定的預緊力，因此要對被測鋼絲繩施加不影響試樣測量的預緊外力。

測量方法如下:當鋼絲繩試樣受一定拉力，處于某垂直穩定狀態，對鋼絲繩試樣施一加熱功率，通過熱電偶溫度信號控制鋼絲繩試樣溫度，當其溫度變化到另一溫度，溫度變化為T2－T1=ΔT，鋼絲繩試樣長度相應發生變化，從長度L1變化到L2，長度變化了L1－L2=ΔL。長度變化通過鋼絲繩試樣頂動上牽引頭，再通過石英桿傳遞到千分表測量出來，溫度變化由溫度計測出。以室溫下長度L0為基準，按照線性熱膨脹系數的定義，在某一溫區內，鋼絲繩試樣的平均線性熱膨脹系數由下式計算出來:

式中:α為鋼絲繩試樣熱膨脹系數，1/℃;ΔT為試樣從某一溫度變化另一溫度的溫度差T2－T1，℃;ΔL為對應上述溫度變化ΔT，試樣長度發生的變化L2－L1，mm;L0為室溫下測量的鋼絲繩試樣長度，mm。

2.2 試驗裝置

試驗裝置示意圖如下，裝置由杜瓦、制冷劑、恒溫銅管、千分表、石英管、砝碼、上下牽引頭等組成。試驗裝置示意圖見圖1、圖2。

圖1 低溫試驗裝置示意圖Fig.1 Low temperature schematic diagram of measuring apparatus

圖2 低溫試驗裝置A向局部放大示意圖Fig.2 Part A of low-temperature schematic diagram of mesuring appratus

2.3 試驗裝置校準

裝置使用前，在－122.8—－20.1℃溫區內，采用美國柏杜熱物理數據中心推薦的標準材料無氧銅［5］進行數據測試比對，經過修正的測量數據與文獻數據比對，最大偏差小于5%。

表1 標準材料無氧銅熱膨脹系數測試比對Table 1 Compare of thermal expansion coefficient of normal Cu and measuring value

3 測量過程與采取的主要措施

測量過程中，為保證試樣的溫度均勻性良好，試樣段采用紫銅管進行包覆，在銅管上直接均勻繞制加熱絲，消除試樣上下的溫度梯度，在試樣上、下端部位分別安裝兩只低溫熱電偶，取兩者平均值為試樣溫度，并用于試驗時對試樣的控溫信號。試驗狀態雖然不在真空中，但根據試驗，只要試樣、恒溫銅管不與工質直接接觸，控溫是可實現的，而且溫區范圍較小時(－100—+25℃)更容易實現。

為了模擬真實使用情況，測量中需要對試樣施加預緊拉力，研究預緊拉力對鋼絲繩熱膨脹系數的影響。根據試驗條件分析，拉力分布范圍在10—200 N，選定10、60、160、210 N 拉力為預緊力，進行熱膨脹試驗。施加預緊拉力采用砝碼，以保證拉力恒定。預緊拉力通過上下牽引頭施加垂直拉力，試樣膨脹時頂動千分表，為了防止頂動千分表時產生分力，千分表的頂桿位置要求在牽引拉力的中心線上才不會產生偏心力的影響。因此，設計了傳力框架，使千分表在中心受力(見圖1—圖2)。有效消除了對拉力偏心的影響。

在試驗中，要盡量減少和消除施加拉力時連接機構牽引頭材料對鋼絲繩熱膨脹的影響。為此。對于測量結構與試樣的連接方面要采取一定措施。連接機構牽引頭采用熱膨脹系數小的材料如0°方向的碳纖維復合材料單向板等，其熱膨脹系數約為10－8，在本裝置中，采用的0°方向的碳纖維復合材料單向板實測平均熱膨脹系數為5.67×10－7。而鋼絲繩的熱膨脹系數約為10－5，相差兩個數量級。因此完全可以不考慮對試樣測量的影響。兩端其它部件距變溫區較遠，溫度影響小，因而熱膨脹行為對測試影響不大。消除試樣連接時的測量影響上下牽引頭與試樣的連接方式，也是對試樣受力是否偏心和準確測量試樣的重要影響環節。經過試驗與驗證，采用上下牽引頭開槽連接的方式(見圖3)可以解決保證試樣受力后對中的問題和準確測量試樣長度的問題。試樣兩端各焊接一個3 mm×2 mm×8 mm的小方柱子，可通過試樣中的槽子掛接后，與上下牽引頭拉緊。為了防止柱子滑脫，可在柱子兩邊粘接檔塊。測量時，鋼絲繩受力長度(測量計算長度)從小方柱子焊接邊緣計算。小方柱子熱膨脹的影響(兩只約6 mm)較小，針對試樣(150 mm)來說，僅占4%。如果已知小方柱子熱膨脹系數并進行修正，則影響可以不用考慮。

圖3 牽引頭開槽與鋼絲繩試樣連接示意圖Fig.3 Joint way of sample and wire rope

3 部分鋼絲繩熱膨脹系數測試結果與分析

3.1 測試數據

分別對不同直徑和不同加載預緊力的鋼絲繩進行了測試。圖4—圖15是部分測試結果。

圖4 Ф1.2 mm試樣加載10 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.4 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 10 N

圖5 Ф1.2 mm試樣加載60 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.5 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 60 N

4 試驗結果分析討論

圖6 Ф1.2 mm試樣加載160 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.6 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 160 N

圖7 Ф1.2 mm試樣加載210 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.7 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 210 N

圖8 Ф2 mm試樣加載10 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.8 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 10 N

根據大量試驗，3種鋼絲繩直徑分別為Φ1.2 mm，Φ2 mm，Φ2.5 mm，其熱膨脹系數隨溫度變化趨勢相同，溫度升高熱膨脹系數增加。為了便于比較，在測試溫區內，對各試驗結果進行了平均熱膨脹系數的計算，直徑越粗的鋼絲繩熱膨脹系數越小，其熱膨脹系數大小排列順序如下:

Φ2.5 mm熱膨脹系數＞Φ2 mm熱膨脹系數＞Φ1.2 mm熱膨脹系數

在－100—+25℃的平均溫區內，3種規格鋼絲繩試樣在4種拉力下的熱膨脹系數平均值計算列表見表2。

圖9 Ф2 mm試樣加載60 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.9 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 60 N

圖10 Ф2 mm試樣加載160 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.10 Curves between thermal expansion coefficient of φ2mm sample and temperature loading 160 N

圖11 Ф2 mm試樣加載210 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.11 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 210 N

從表2可以看出，試驗數據表明:鋼絲繩所受拉力對熱膨脹系數影響較弱，直徑越粗的鋼絲繩其熱膨脹系數影響越小。Φ2.5 mm鋼絲繩、Φ2 mm鋼絲繩，所受拉力越大，熱膨脹系數數值增加;而Φ1.2 mm鋼絲繩變化趨勢不確定。分析原因，Φ1.2 mm鋼絲繩主要是拉力較小時，試驗預緊力不夠，每次拉力狀態有所不同，因而出現趨勢變化不明顯情況，受外界影響大，數據存在一定偏差。鋼絲繩所受拉力對熱膨脹系數影響較弱，直徑越粗的鋼絲繩熱膨脹系數越小。

圖12 Ф2.5 mm試樣加載10 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.12 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5 mm sample and temperature loading 10 N

圖13 Ф2.5 mm試樣加載210 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.13 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5mm sample and temperature loading 210 N

圖14 Ф2.5 mm試樣加載160 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.14 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5 mm sample and temperature loading 160 N

圖15 Ф2.5 mm試樣加載210 N熱膨脹系數測量數據溫度曲線Fig.15 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5mm sample and temperature loading 210 N

表2 3種規格鋼絲繩試樣熱膨脹系數平均值Table 2 Average values of thermal expansion coefficient for three specifications wire rope

5 結論

(1)直徑越粗的鋼絲繩熱膨脹系數平均數值越小。

(2)鋼絲繩熱膨脹系數隨溫度升高而增加。

(3)鋼絲繩所受拉力對熱膨脹系數影響較弱，直徑越粗的鋼絲繩熱膨脹系數受拉力影響越小。

(4)鋼絲繩所受拉力的預緊力對不同粗細鋼絲繩要求不同，達不到鋼絲繩拉力的預緊力，其熱膨脹系數數值有所不同。

1 宋 杰，王麗娟，倪亞輝，等，水域加熱拉索線性熱膨脹系數測試研究［J］，河北工業大學學報，2007(4):114－116.

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

3 GJB332A－2004.剛性固體平均線膨脹系數測試方法［S］.

4 QJ1522－1988.剛性固體低溫線性熱膨脹系數測試方法［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.