摘  要：針對電梯用鋼絲繩繩芯的使用壽命與安全性問題，探討了一種PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能。研究了PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的結(jié)構(gòu)?生產(chǎn)工藝和性能特點(diǎn)。研究結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)劍麻繩芯，PET長絲與劍麻紗進(jìn)行組合設(shè)計(jì)開發(fā)的PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯可有效減少繩芯表面毛刺，斷裂強(qiáng)力提高20%以上，含油率符合要求，回潮率下降60%以上，直徑不勻率顯著下降，所制取的鋼絲繩耐疲勞次數(shù)由130萬次提高到384萬次。同時(shí)PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯中所用劍麻紗無需經(jīng)過剪毛?燒毛工序，精簡了生產(chǎn)流程。

關(guān)鍵詞：劍麻纖維；復(fù)合紗線；島相結(jié)構(gòu)；PET長絲；鋼絲繩繩芯；耐疲勞性能

近年來，伴隨著我國電梯行業(yè)的蓬勃發(fā)展，電梯用鋼絲繩的市場需求越來越大，品質(zhì)要求也越來越高。鋼絲繩在電梯運(yùn)行中基本承載著電梯的全部質(zhì)量。繩芯作為電梯用鋼絲繩的重要組成部分，對電梯用鋼絲繩的使用壽命以及電梯運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性有著重要的影響^[1-3]。目前，用于制作電梯用鋼絲繩繩芯的纖維材料主要有天然纖維中的劍麻纖維和合成纖維中的聚丙烯?聚乙烯?聚酯纖維等兩大類，它們的性能與加工過程各有優(yōu)勢。也有采用多種纖維材料復(fù)合進(jìn)行繩芯加工的，其通過多種纖維性能互補(bǔ)，可滿足不同類型電梯的需求^[4-5]。

采用多種纖維材料進(jìn)行復(fù)合繩芯的加工技術(shù)主要有兩種，一種是在天然纖維紡紗過程中，利用包芯紗?包覆紗等紡紗技術(shù)添加合成纖維長絲制成長絲短纖復(fù)合紗，再制成繩芯^[6-7]；另一種是采用天然纖維紡成紗后，再與合成纖維長絲在捻股?合繩等工序中進(jìn)行復(fù)合加工制成復(fù)合繩芯^[8-9]。由于復(fù)合繩芯在同一截面上的多種性能不同的纖維材料形成了島相結(jié)構(gòu)分布，故稱島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯，其與單一纖維材料繩芯相比性能變化較大。因此，不同的纖維材料進(jìn)行組合設(shè)計(jì)可以有針對性地改進(jìn)繩芯性能，對于鋼絲繩繩芯的設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有重要意義。

1 PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的設(shè)計(jì)

用于制作繩芯的天然纖維材料中，最常用的麻類纖維是劍麻纖維。劍麻纖維是一種“硬質(zhì)”葉纖維，非常適合生產(chǎn)鋼絲繩繩芯^[4]。但是受到生產(chǎn)技術(shù)水平的局限，劍麻纖維紡紗加工流程長?用工多?效率低，生產(chǎn)的劍麻紗存在細(xì)度均勻度差?麻結(jié)與毛刺多等質(zhì)量問題^[9]。

采用合成纖維長絲制作的繩芯具有生產(chǎn)效率高?流程短?用工少的特點(diǎn)，而且在細(xì)度均勻度?紗線表面光潔度等質(zhì)量指標(biāo)上具有劍麻紗無可比擬的優(yōu)勢，成為當(dāng)前鋼絲繩繩芯行業(yè)重要的發(fā)展趨勢，但是合成纖維存在油脂儲存少與剛性不足等缺點(diǎn)^[10-11]。本文采用島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯設(shè)計(jì)方法，利用劍麻纖維剛性較大的特點(diǎn)，將其用作為繩芯的骨架，比例較低；利用合成纖維長絲剛性較小的特點(diǎn)將其用作繩芯的填充，比例較高；在制成的繩芯截面中形成以合成纖維為海相?劍麻纖維為島相的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯。聚酯纖維具有良好的強(qiáng)伸性能，而且耐老化?耐疲勞?耐酸堿?回潮率低，在-60~120℃溫度范圍內(nèi)機(jī)械性能穩(wěn)定，可以滿足電梯用鋼絲繩在復(fù)雜環(huán)境中的使用要求^[11-12]，并且價(jià)格較低，有利于降低繩芯生產(chǎn)成本。因此，本文選擇聚酯纖維長絲(PET長絲)與劍麻纖維開發(fā)島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯產(chǎn)品。

劍麻紗與PET長絲股線進(jìn)行混合股線生產(chǎn)時(shí)，劍麻紗被PET長絲股線包覆，劍麻紗表面的毛刺纖維一部分被包覆在混合股線內(nèi)部，使得合股后紗體光潔，還有一部分混雜在PET長絲股線中形成毛細(xì)效應(yīng)，這樣可以將劍麻紗中的油脂輸送到各PET長絲股線中，使混合股線整體受油均勻。PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯設(shè)計(jì)時(shí)，利用劍麻纖維高貯油和硬質(zhì)特性^[4]，將其與PET長絲進(jìn)行結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)了兩種纖維性能的優(yōu)勢互補(bǔ)，又通過PET長絲包覆劍麻紗，有效控制了劍麻紗線表面的毛刺。這樣劍麻紗生產(chǎn)過程中不再需要經(jīng)過剪毛?燒毛等工序，有利于降低生產(chǎn)成本，改善生產(chǎn)環(huán)境。

2 PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯生產(chǎn)流程

PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的生產(chǎn)流程主要包括劍麻紗?PET長絲股線?島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯3個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。本文設(shè)計(jì)制作了4.0?6.5?8.0mm3種直徑的PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯，見圖1。

(1)劍麻紗的紡制：人工撿麻→L1-L4型梳麻機(jī)(4道)→B1-B4型并條機(jī)(4道)→TGS0950型針紡機(jī)。

(2)PET長絲股線的加工：PET長絲→HDRT-721B型環(huán)錠捻線合股機(jī)。

(3)島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的制作：PET長絲股線+劍麻紗→500型一體機(jī)(捻股?繩芯)。

3 PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的制作

3.1 原料選擇

劍麻紗由江蘇大達(dá)麻紡織科技有限公司提供，采用非洲坦桑尼亞產(chǎn)的一級劍麻為原料，在劍麻紡紗專用設(shè)備上紡制Nm0.8(1250tex)劍麻紗。PET長絲選用由浙江古纖道綠色纖維有限公司生產(chǎn)的高強(qiáng)型滌綸工業(yè)長絲，規(guī)格為111tex(1000D/192F)，符合GB/T16604—2008《滌綸工業(yè)長絲》中優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 生產(chǎn)工藝

3.2.1 φ4.0mm繩芯制取

第一步，采用HDRT-721B型環(huán)錠捻線合股機(jī)(CNRM)制作PET長絲股線，用20根111texPET長絲制得長絲股線；第二步，以2根PET長絲股線與1根經(jīng)過加油處理的Nm0.8(1250tex)劍麻紗為一組，共3組，在500型捻股和繩芯一體機(jī)上制成φ4.0mm的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯。

3.2.2 φ6.5mm繩芯制取

第一步，采用HDRT-721B型環(huán)錠捻線合股機(jī)(CNRM)制作滌綸長絲股線，用30根111texPET長絲制取長絲股線；第二步，以3根PET長絲股線與2根經(jīng)過加油處理的Nm0.8(1250tex)劍麻紗為一組，共3組，在500型捻股和繩芯一體機(jī)上制成φ6.5mm的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯。

3.2.3 φ8.0mm繩芯制取

第一步，采用HDRT-721B型環(huán)錠捻線合股機(jī)(CNRM)制作滌綸長絲股線，用50根111texPET長絲制取長絲股線；第二步，以3根PET長絲股線與3根經(jīng)過加油處理的Nm0.8(1250tex)劍麻紗為一組，共3組，在500型捻股和繩芯一體機(jī)上制成φ8.0mm的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯。

4 產(chǎn)品性能測試

根據(jù)GB/T15030—2021《劍麻鋼絲繩芯》標(biāo)準(zhǔn)，以及鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)對繩芯的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，對所制取的3種不同直徑的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯進(jìn)行檢測。同時(shí)采用江蘇大達(dá)麻紡織科技有限公司提供的3種同規(guī)格劍麻繩芯作為對照樣，與島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯進(jìn)行性能對比分析。

4.1 繩芯強(qiáng)力測試與分析

繩芯強(qiáng)力測試采用蘇州拓博機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的TH-8100A型電腦式萬能材料試驗(yàn)機(jī)，測試標(biāo)準(zhǔn)參考GB/T8834—2016《纖維繩索有關(guān)物理和機(jī)械性能的測定》，測試條件為隔距50cm，拉伸速度200mm/min。3種直徑的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯與劍麻繩芯測試結(jié)果見表1。

由表1可見，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯比劍麻繩芯強(qiáng)力提高了20%以上，表明所設(shè)計(jì)的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯在強(qiáng)力提高上效果顯著。在拉伸斷裂過程中，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的斷裂截面差異大，見圖2。

造成島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯斷裂截面差異較大的原因主要在于劍麻纖維伸長率較小，而PET長絲伸長率較大，兩者不一致。拉伸過程中劍麻纖維先斷裂，PET長絲后斷裂，導(dǎo)致斷裂截面參差不齊。圖3為島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯拉伸后的表面狀態(tài)，可以明顯看出拉伸后的繩芯中多處劍麻纖維斷裂，在繩芯表面出現(xiàn)起毛現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是兩種纖維伸長率不一致。

4.2 繩芯含油率?回潮率?線密度的測試與分析

根據(jù)YB/T4182—2008《鋼絲繩含油率測定方法》，將繩芯按照規(guī)定定長切斷?拆開；先進(jìn)行烘干處理，然后采用溶劑浸泡，洗去油脂，再烘干。根據(jù)繩芯除去水及油脂前?后的質(zhì)量，計(jì)算繩芯的回潮率?含油率和線密度。試驗(yàn)用試劑與儀器設(shè)備為正庚烷?濾紙?漏斗及漏斗架?分析天平?鼓風(fēng)干燥箱?稱量瓶?剪子?尺子。

3種不同直徑繩芯的回潮率?含油率?線密度測試結(jié)果見表2。

由表2可見，在含油率方面，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯與劍麻繩芯差異不大。主要原因是兩種繩芯的部分劍麻紗先進(jìn)行給油處理后再進(jìn)行繩芯加工，兩種繩芯中含油劍麻紗的比例可以在繩芯設(shè)計(jì)與加工過程中進(jìn)行調(diào)整，含油率的差異完全可控，若兩種類型的繩芯中含油劍麻紗的比例接近則繩芯含油率接近。在回潮率方面，劍麻纖維的公定回潮率是14%，而PET長絲的公定回潮僅為0.4%，由于島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯中劍麻纖維含量較低，所以島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的實(shí)測回潮率比劍麻繩芯下降60%以上。

線密度方面，由于鋼絲繩繩芯是以直徑的數(shù)值進(jìn)行分類，因此當(dāng)兩種繩芯的直徑相同時(shí)，如果繩芯存在纖維材料不同與結(jié)構(gòu)差異，則兩種繩芯的線密度就會產(chǎn)生差異。本文開發(fā)的3種直徑島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯與劍麻繩芯相比，線密度分別增加了19.0%?17.2%?16.0%。造成島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯線密度增加的主要原因在于：PET長絲與劍麻纖維存在剛性差異，PET長絲股線與劍麻紗在進(jìn)行捻股加工過程中，形成了以劍麻紗為中心?PET長絲纏繞的結(jié)構(gòu)，采用這種捻股結(jié)構(gòu)制成繩芯就形成了以劍麻紗為骨架?PET長絲為填充的密實(shí)結(jié)構(gòu)；而劍麻繩芯中劍麻纖維剛性較大，形成的繩芯存在較多空隙，導(dǎo)致在相同直徑下劍麻繩芯的密度比島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯低。同直徑的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的密度比劍麻繩芯大，所以島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的強(qiáng)力比劍麻繩芯高。島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯與劍麻繩芯斷裂強(qiáng)度的對比見表3。

4.3 繩芯直徑測試與分析

根據(jù)GB/T8834—2016《纖維繩索有關(guān)物理和機(jī)械性能的測定》，對3種直徑的繩芯分別進(jìn)行直徑測試，結(jié)果見表4。

由表4可見，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的直徑不勻率與劍麻繩芯相比改善較為顯著，極差也較小。劍麻纖維線密度大?剛性大，而且是束纖維，在紡紗過程中存在較多的麻結(jié)，此外存在紗線接頭，這嚴(yán)重影響了劍麻紗的粗細(xì)均勻度。而PET長絲非常均勻，當(dāng)兩種纖維制成島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯時(shí)，可以有效提高繩芯直徑的均勻度。所以，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯較劍麻繩芯均勻度提高較為明顯。

4.4 繩芯疲勞測試與分析

電梯運(yùn)行的特點(diǎn)是長期循環(huán)往復(fù)運(yùn)動，為了保障安全性，電梯用鋼絲繩必須具備良好的耐疲勞性，以延長電梯用鋼絲繩的更換周期，降低電梯維護(hù)費(fèi)用。影響電梯用鋼絲繩疲勞性的因素很多，其中鋼絲繩繩芯是核心要素。目前，繩芯的疲勞性都是通過鋼絲繩的疲勞性測試結(jié)果進(jìn)行表征的。因此，本文先將繩芯制成鋼絲繩，再通過鋼絲繩的疲勞測試數(shù)值間接評價(jià)繩芯的耐疲勞性。

電梯用鋼絲繩疲勞性檢測標(biāo)準(zhǔn)采用YB/T4288—2012《電梯用鋼絲繩彎曲疲勞試驗(yàn)方法》，通過鋼絲繩試樣模擬電梯運(yùn)行的實(shí)際工況，以一定的包圍角繞過試驗(yàn)機(jī)的曳引輪，并對鋼絲繩施加張力以一定的頻率反復(fù)彎曲，測試鋼絲繩承受彎曲疲勞的能力。

在鋼絲繩生產(chǎn)企業(yè)中，以劍麻繩芯制作的電梯用鋼絲繩，其耐疲勞內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)為60萬次，也就是彎曲拉伸達(dá)到60萬次，該劍麻繩芯即可滿足基本質(zhì)量要求。由于電梯用鋼絲繩疲勞測試的試驗(yàn)時(shí)間一般持續(xù)數(shù)十天至數(shù)月，試驗(yàn)周期長，還需要制作鋼絲繩樣品，試驗(yàn)費(fèi)用高，因此，本文僅選擇應(yīng)用范圍較廣的φ8.0mm繩芯，制成規(guī)格為8×19S-NFC-10mm的電梯用鋼絲繩，委托江蘇賽福天鋼索股份有限公司技術(shù)中心進(jìn)行測試。測試結(jié)果見表5，其中配重為450kg。

由表5可見，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯鋼絲繩的耐疲勞次數(shù)為384萬次，是同規(guī)格劍麻繩芯鋼絲繩的3倍，超過劍麻繩芯鋼絲繩的企業(yè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)6倍以上，極大地延長了鋼絲繩的使用壽命。與劍麻繩芯鋼絲繩相比，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯鋼絲繩耐疲勞次數(shù)獲得較大提升的主要原因有以下幾個(gè)方面：首先是島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯線密度比劍麻繩芯高，繩芯結(jié)構(gòu)密實(shí)，混用的劍麻紗形成了繩芯的骨架，保證繩芯具有較好的剛性，可以對鋼絲繩起到更好的支撐作用；其次是PET長絲親油?不吸油，經(jīng)過加油處理的劍麻紗形成類似油庫的作用，繩芯表面沒有經(jīng)過加油處理的PET長絲本身親油后可以向鋼絲繩中的鋼絲緩慢釋放潤滑油，帶給運(yùn)行中的鋼絲繩長期穩(wěn)定的潤滑效果；第三是島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的直徑均勻度更好，減少了運(yùn)行中鋼絲繩的承壓變形，使鋼絲繩運(yùn)行更加穩(wěn)定，受力更加均勻。

5 結(jié)語

本文采用PET長絲與劍麻兩種纖維，設(shè)計(jì)并制作了3種直徑的島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯，與企業(yè)提供的3種同直徑劍麻繩芯進(jìn)行對比，進(jìn)行了強(qiáng)力?含油率?回潮率?線密度?直徑與疲勞性等性能測試。測試結(jié)果顯示：島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯與劍麻繩芯相比，在生產(chǎn)上可有效地簡化流程?減少用工?降低成本；在性能上，在直徑相同的情況下，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的線密度更大，強(qiáng)力提高明顯，直徑均勻度顯著改善；采用島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯制成的鋼絲繩，疲勞性檢測達(dá)到384萬次，是同規(guī)格劍麻繩芯鋼絲繩的近3倍，耐疲勞次數(shù)得到較大提升，極大延長了鋼絲繩的使用壽命。因此，島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯的研發(fā)具有較大的實(shí)用價(jià)值，是劍麻繩芯生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一個(gè)重要方向。

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文章摘自：劉梅城，陳志華，洪杰等.PET長絲/劍麻島相結(jié)構(gòu)復(fù)合繩芯產(chǎn)品設(shè)計(jì)與性能[J].上海紡織科技，2023，51(06)：33-36+45.DOI：10.16549/j.cnki.issn.1001-2044.2023.06.005.