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，在工件吊運中由于采用鋼絲繩吊運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)達國家對大噸位、高精度工件的吊運相繼作出規(guī)定:不準使用鋼絲繩，使用合成纖維吊裝帶，其采用率己達70%以上［1］。1955年發(fā)達國家研制出非金屬材料吊裝用具合成纖維吊裝帶，其抗拉強度和延伸率接近或達到鋼絲繩的性能，自美國成功應(yīng)用于工業(yè)吊裝領(lǐng)域后，目前已被廣泛運用到船舶、機械、礦山、港口、運輸、軍事等領(lǐng)域。

合成纖維吊裝帶一般采用高強力聚酯長絲制作，與傳統(tǒng)的鋼絲繩相比，其優(yōu)點為:柔軟，可保護被吊物品，使其表面不被破壞;輕便，質(zhì)量只是金屬吊具的20%，便于攜帶及進行吊裝準備工作［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層，內(nèi)芯用連續(xù)的100%滌綸芯紗作為承受吊裝負載［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。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，分別對試樣進行拉伸、定伸長、定負荷等處理。

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):增強區(qū)，以塑性變形為主。該階段模量增大，強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)合鍵對強力的貢獻外，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)中可進一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加載荷達到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)和增強區(qū)3個變化階段。

2)在較小形變(小于1%)或較小負載(小于斷裂強力的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)達國家的差距，本文提供了一定的實驗和理論依據(jù)。

［1］ 科特·赫爾諾特.用纖維織造的承重接收工具可靠地提升重物［J］.機電信息，1997(6):18－21.KOTTE Gernot.Bearing tools promote weight in a reliable way with webbing sling［J］.Mechanical and Electrical Information，1997(6):18－21.

［2］ 尤桂英.合成纖維吊裝帶制作技術(shù)［J］.一重技術(shù)，2006(6):105－106.YOU Guiying.Fabrication technology for webbing slings made of man-made fibres ［J］.CFHI Technology，2006(6):105－106.

［3］ 鄭延，才曲恩，王波.合成纖維柔性吊裝帶的研究［J］.齊齊哈爾輕工學(xué)院學(xué)報，1993，9(1):15－18.ZHENG Yan， CAI Qu'en， WANG Bo. Study of synthetic fibre slings［J］.Journal of Qiqihar Light Industry Institute，1993，9(1):15 －18.

［4］ 羅麗君，倪海燕，尤金體.高強滌綸纖維圓筒型柔性吊裝帶抗紫外線的整理［J］.輕紡工業(yè)與技術(shù)，2012，41(3):34－37.LUO Lijun，NI Haiyan，YOU Jinti.Anti-UV finish of high tensile annular synthetic fibre slings［J］.Light and Textile Industry and Technology，2012，41(3):34－37.

［5］ 倪海燕，甘應(yīng)進，尤金體，高強滌綸纖維圓筒型柔性吊裝帶抗紫外拒水拒油復(fù)合整理［J］.印染，2013(10):29－31.NI Haiyan，GAN Yingjin，YOU Jinti，Anti-UV and water-＆ oil-repellent finish of high tensile polyester lifting sling ［J］. China Dyeing ＆ Finishing，2013(10):29－31.

［6］ PICCININI P. Fibre labeling elastomultiester-Dupont［R］.［s.l.］:EuropeanCommissionJoint Resrarch Center，2005:37 －44.

［7］ 肖海英，肖紅，施楣梧，等.三種彈性纖維的力學(xué)性能及應(yīng)用特點［J］.合成纖維，2008(12):24－29.XIAO Haiying，XIAO Hong，SHI Meiwu，et al.The mechanical property and application of three kinds of elastic fibers ［J］. Synthetic Fiber in China，2008(12):24－29.

［8］ 崔少霞，陳南梁.疲勞對機織壓延類柔性復(fù)合材料剝離性能的影響［J］.紡織科技進展，2008(1):64－65.CUI Shaoxia，CHEN Nanliang.Effect of fatigue on peeling performances of calendered flexible composites reinforced with weaving fabrics［J］.Progress in Textile Science＆ Technology，2008(1):64－65.

［9］ 武艷霞，陳維毅.高分子材料疲勞研究進展［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報，2005(6):654－658.WU Yanxia，CHEN Weiyi.Research progress on fatigue of polymers［J］.Journal of Taiyuan University of Technology，2005(6):654－658.