范江海 周博文 邱家波

（海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266000）

插接纖維繩是船藝課程必修的技能作業(yè)科目，也是打撈作業(yè)任務(wù)中的常用工具。教學(xué)實(shí)踐中纖維繩插接后的強(qiáng)度在以往的授課中主要依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)值傳授。為使教學(xué)科學(xué)化，現(xiàn)將運(yùn)用材料力學(xué)拉伸試驗(yàn)方法對(duì)最常用的插接眼環(huán)纖維繩強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，以期為從事相關(guān)課程教學(xué)和學(xué)習(xí)的教員、學(xué)員提供數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)材料

纖維繩是以紡織纖維為原料制成的，按照制作材料的不同，纖維繩可分為植物纖維繩和化學(xué)纖維繩。植物纖維繩是由植物的種子纖維、果子纖維、葉子纖維或根莖纖維制成的繩索，常用的植物纖維繩有白棕繩、白麻繩、油麻繩、棉麻繩四種。在此選用其中最常用的三股白棕繩作為試驗(yàn)對(duì)象，它是用劍麻纖維加工制成的，外表多呈淺黃色，纖維質(zhì)量好的呈乳白色，其優(yōu)點(diǎn)為柔韌性好，并有較好的浮力和伸縮性（可伸長(zhǎng)20%～25%），缺點(diǎn)為著水后膨脹較大（增大20%～30%）。

眼環(huán)插接用于制作纖維繩纜的眼環(huán)，如圖1所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，插接后強(qiáng)度下降約10%。插接方法如下。1）將要插的一端松開約20倍繩徑，每股繩頭可用膠帶扎緊，防止繩干和股端松散。2）如屬右捻繩，則逆時(shí)針方向?qū)⒗K纜挽成圈，根據(jù)需要量好環(huán)的大小，確定下筆位置。3）把繩端的各散股和繩干股順時(shí)針分為1、2、3股，將第1股逆著股的捻向插入干股的一股中。4）將第2股從第1股的左側(cè)插入干股的第二股中。5）將纜圈翻過(guò)來(lái)，把第3股插入第2股左側(cè)的干股中，收緊各股。6）各股逆著繩股的捻向，按“壓一股、插一股”的方法依次插入干股中。7）一般情況下，插完3花（1花為3筆）即可，最后將露在外面的麻絲修剪整齊。

圖1 纖維繩插接眼環(huán)

按照上述方法分別制作試件若干。未插接的試件5根；插接1花的試件5根；插接2花的試件5根；插接3花的試件5根。其中，眼環(huán)長(zhǎng)度約100mm，中間繩干約150mm，如圖2所示。

圖2 插接后的試件

2 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算拉伸強(qiáng)度

我們通常所講的纜繩強(qiáng)度是指承受靜載荷的能力，纖維繩的強(qiáng)度有破斷強(qiáng)度和工作強(qiáng)度之分。

2.1 破斷強(qiáng)度

纜繩逐漸受力，直到破斷瞬間所承受的載荷叫破斷強(qiáng)度，也就是使纜繩破斷的最小靜載荷。纜繩的破斷強(qiáng)度取決于多種因素，常用纖維繩的破斷強(qiáng)度可按經(jīng)驗(yàn)公式求出其近似值，如公式（1）所示。

式中：F—纖維繩破斷強(qiáng)度，kN；—強(qiáng)度系數(shù)，依繩纜材質(zhì)取不同的數(shù)值，白棕繩取5.4；—纜繩直徑，mm。

試驗(yàn)選用的白棕繩直徑為8mm，可依照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到此樣品破斷強(qiáng)度，如公式（2）所示。

2.2 工作強(qiáng)度

為確保安全，實(shí)際作業(yè)中一般不用破斷強(qiáng)度評(píng)判繩纜的工作能力，這是因?yàn)橥饨缫蛩貢?huì)影響繩纜的受力，如起重作業(yè)中吊索會(huì)受到動(dòng)載荷的作用，使繩纜的實(shí)際受力大于所要起吊的物體，會(huì)導(dǎo)致斷纜事故。因此，在實(shí)際作業(yè)中使用工作強(qiáng)度評(píng)判繩纜的工作能力，一般取破斷強(qiáng)度的1/6，即安全系數(shù)取6，于是工作強(qiáng)度如公式（3）所示。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力100kN，位移控制速率范圍0.001-500mm/min，采樣頻率1000Hz，工作環(huán)境10-35℃，濕度20%-80%。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

室溫20℃，濕度30%，未插接試件兩端采用“8”字纏繞式固定方式，如圖3（a）所示，插接后的試件采用套掛式固定，如圖3（b）所示。設(shè)置試驗(yàn)速度30mm/min，靜載拉伸直至纖維繩破斷，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，記錄分析拉力-位移變化數(shù)據(jù)曲線。

圖3 固定方式

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

該組試件力-位移曲線變化趨勢(shì)如圖4所示，破斷形態(tài)如圖5所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

圖4 未插接試件力-位移曲線

圖5 未插接試件破斷形態(tài)

表1 未插接試件強(qiáng)度數(shù)據(jù)

插接1花試件力-位移曲線變化趨勢(shì)如圖6所示，破斷形態(tài)如圖7所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

圖6 插接1花試件力-位移曲線

圖7 插接1花試件破斷形態(tài)

表2 插接1花試件強(qiáng)度數(shù)據(jù)

插接2花試件力-位移曲線變化趨勢(shì)如圖8所示，破斷形態(tài)如圖9所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

圖9 插接2花試件破斷形態(tài)

表3 插接2花試件強(qiáng)度數(shù)據(jù)

圖8 插接2花試件力-位移曲線

插接3花試件力-位移曲線變化趨勢(shì)如圖10所示，破斷形態(tài)如圖11所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

圖10 插接3花試件力-位移曲線

圖11 插接3花試件破斷形態(tài)

表4 插接3花試件強(qiáng)度數(shù)據(jù)

3.4 試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)4種試件曲線總體趨勢(shì)是一致的，并且大部分呈現(xiàn)出三個(gè)明顯的斷崖式落差，這是由于試驗(yàn)材料為3股纖維繩，每分股在斷裂時(shí)承載力就會(huì)瞬間下降，下降一段位移，剩余分股拉伸后繼續(xù)承載，曲線又短暫上升，到達(dá)極限后又發(fā)生斷裂。同時(shí)，4種試件的力學(xué)曲線全部都呈現(xiàn)出鋸齒狀特征，曲線中較小的鋸齒是由拉伸過(guò)程中纖維繩各分股之間滑動(dòng)所致，隨著低沉的摩擦聲。而落差較大的鋸齒曲線則為纖維絲斷裂所致，纖維絲斷裂時(shí)，承載力瞬間降低，隨著清脆的斷裂聲。

未插接的纖維繩破斷位置在“8”字纏繞端的繩干拐彎處，如圖12（a）所示，而插接后的纖維繩破斷位置在插接末端，如圖12（b）所示。

圖12 斷裂位置

經(jīng)分析，未插接試件斷裂位置為纖維繩和鋼柱接觸，并且處于纖維繩受力方向的拐點(diǎn)，存在垂直于鋼柱表面的反作用力，同時(shí)隨著擠壓和一定程度的滑動(dòng)摩擦，導(dǎo)致纖維繩在此處處于復(fù)雜受力狀態(tài)，最容易發(fā)生破斷；而插接后試件斷裂位置發(fā)生的原因，經(jīng)分析是由于插接后增大了原來(lái)的纖維絲螺旋角，導(dǎo)致插接末端出現(xiàn)橫向剪切力，因此插接末端最先斷裂。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果的平均值見表5。

表5 不同花數(shù)試件強(qiáng)度對(duì)比

對(duì)比未插接試件和插接試件試驗(yàn)數(shù)值發(fā)現(xiàn)，插接前后強(qiáng)度數(shù)值變化不大，插接3花的強(qiáng)度甚至比未插接前的還高。這和教材中纖維繩插接后強(qiáng)度下降10%的描述有出入。分析其原因，一可能是試驗(yàn)樣本不夠大，二可能是兩類試件的固定方式不同，導(dǎo)致存在變量誤差，深層原因有待在下一步研究中進(jìn)行論證。對(duì)比三種插接試件試驗(yàn)數(shù)值發(fā)現(xiàn)，隨著插接花數(shù)的增加，強(qiáng)度隨之增大，并且力-位移曲線中的鋸齒也隨之減少，這是由于插接花數(shù)越多，纖維絲之間的摩擦力越大，相對(duì)滑動(dòng)越少，因此纖維繩承載力就越好。另外，根據(jù)前文要求，纖維繩工作強(qiáng)度取安全系數(shù)6可得到試驗(yàn)試件的工作強(qiáng)度，如插接3花的工作強(qiáng)度即為0.46kN，對(duì)比其力-位移曲線可發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)未到鋸齒狀變化區(qū)，處在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以得出以下結(jié)論。1）通過(guò)對(duì)比插接1花、2花、3花試件強(qiáng)度峰值和首次纖維繩較大斷裂值，發(fā)現(xiàn)纖維繩承載能力隨著插接花數(shù)的增多而增大。2）通過(guò)對(duì)比插接1花、2花、3花試件的力-位移曲線，發(fā)現(xiàn)隨著花數(shù)的增多，曲線中較小的鋸齒狀變化減少，即纖維絲之間的滑動(dòng)減少。3）因?yàn)椴褰幽┒舜嬖诩羟辛Γ匀N插接試件的斷裂位置均在插接末端，而非中間未插接的繩干位置。4）通過(guò)理論和試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，試驗(yàn)所用白棕繩在教學(xué)和實(shí)踐中取用的工作強(qiáng)度安全余量是足夠的。