第四章 绳子的性能

第四章绳子的性能能
4.1 绳子的尺寸与规格
为了探讨绳子的性能，可以把它的尺寸定义作为一个恰当的起始点。

我们通常把大约为4毫米(3/16英寸)的绳子直径作为其尺寸的下限，这是绳子和小绳索的一个区别，而目前，最粗的绳子直径大约为300毫米(12英寸)。

因此，其尺寸范围从最初的基于经典学院标准的很小范围，扩展到它的所有宽度。

然而，直径是一个描述绳子尺寸的一个不确定方式，这是因为绳子边界是不规则的而且其组成纤维、纱线、股之间空隙也是多变的。

线密度是描述绳子尺寸的最好的表达方式（通常称为‘绳子重量’）,它的定义是单位长度的质量。

这个在1.3.3节和附录Ⅰ都有详细的讲解。

下面的方程是可作为一个好的参考：
绳子线密度(kg/m)=10-6×绳子中长丝纱的数量×长丝纱的线密度（tex）×由于加捻和编织造成的收缩因子 [4.1a] 如果线密度要求为磅/英寸并且纱线以旦尼尔规定，公式变为：
绳子线密度（磅/英寸）=7.5×绳子中长丝纱的数量×长丝纱的线密度（旦）×由于加捻和编织造成的收缩因子 [4.2b] 收缩因子（5.1.2节）是描述由于纱线的螺旋排列而造成的长度方向上的减少量的一个指标。

它等于沿纱线轨迹方向的平均长度与绳子轴向长度的比值。

它通常以secθ的平均值来表示，其中θ是纱线方向和绳子轴向的夹角。

如果绳子的线密度（通过测量或规定）和其他参数是已知的，收缩因子可以通过以上方程来计算。

对于一些绳子的结构，考虑到包衣（皮）的重量和其他的复杂结构，这些关系或方程则需要改变。

线密度是很好测定的，可以通过切断一定长的绳子并且通过称重来测得。

而具体操作则需按照已发布的做法进行，像CI 1500和ASTM D 4268。

其他直径的关系式：绳子密度（kg/m3）=绳子线密度（kg/m）/绳子的面积（m2） [4.2] 绳子的面积由公称直径或规格周长或通过在绳子的不规则表面包装一层窄胶带来测量（在参考资料中），指定胶带的值为绳子的周长并且如果他是一个圆则计算面积或直径。

（方程[4.6]可表达绳子面积和纤维面积的不同;后者常用应力）。

包装因子=绳子密度（kg/m3）/纤维密度（kg/m3） [4.3]其中包装因子是绳子截面中纤维所占的面积分数。

一段绳子的质量可由方程[4.4]来确定
绳子质量（kg）=绳子线密度（kg/m）×绳子的长度（m） [4.4] 4.2 强度和重量
4.2.1 综述
当表征绳子性能时，我们首先想到的名词是强度，但是如果绳子的重量很大的话，其应用价值就会受到限制。

纤维基绳子工程中，通常定义的强度是和重量相关的，所以应该同时考虑强度和重量，就像以下所要讲述的一样。

4.2.2 重要的关系
对于所用的绳子，其重要的机械性能是断裂负荷，通常用公斤力、公斤牛顿力（102kgf）,公吨（1000kgf）或者磅力来表达。

尽管线密度能最好的表达其性能，但是工程师们也喜欢用帕斯卡，一磅/平方英尺或者其他方便的基于面积的应力单位。

它们间的数量关系如下：
断裂应力=断裂负荷/纤维面积，通常用MPA，也可用1b/in2（psi）。

[4.5] 纤维面积（m2）= 绳子线密度（kg/m）/纤维密度（kg/m3） [4.6] 比强度（绳子韧性）N/tex = 断裂负荷（N）/线密度（tex） [4.7] = 断裂负荷（MN）/线密度（kg/m） [4.8] 这些定义引出了下面的一些关系：
绳子的断裂负荷/MN（100t）= 线密度（kg/m）
×韧性/MN/(kg/m)或N/tex
×强度转换率（小数） [4.9] 强度转换率是描述绳子中把纱线强力转化为绳子强力的能力。

当绳子的断裂负荷或强力是已知的时候，它由方程[4.9]来确定。

各种强度转换率可以在各种刊物中查到。

例如某种绳子的转换率55%。

由于数据的多种多样，这里没有列表出来，其中包括最大效率，但是，他们通常在50%-85%这个范围内。

另一个性能是断裂长度，这在以前经常用到。

他可以被定义为绳子由于自重断裂时的长度，他和挠度或强度重量比所表达的意义是一样的。

计算公式提供如下，读者根据自身情况来应用：
断裂长度（m） = 强度（kgf）/线密度（kg/m） [4.10] 本部分所提到的单位和性能转换关系见附录Ⅰ。

4.2.3 强度和重量的数据比较
表4.1、4.2和4.3来源于多种绳类产品，用来说明强度和重量之间的关系。

钢丝绳，表4.4，作为对比式样；数值来源于通用的工业钢芯绳子。

强度数值通过查询由绳索制造商出版的数据或者作者没有公开的测试数据来确定，而具有代表性的数据是用来作对比的目的。

特种绳子的设计需要很多的参数，并由此得到预期的相应的强度及其最大和最小值，而不需考虑产品质量。

另外，可以得到一种特种纤维的不同挠度的的版本。

还有很多其他的绳子类型，所以像此类的列表是无穷无尽的。

这些表格中的数据，在一般贸易中，可以代表现今所能见到的所有绳子性能。

同种类型产品间存在着很大的差异，并且由于纤维强度的提高，新纤维的引进和生产工艺的改进和升级，所以各种差异是很常见的。

一些相关评价会沿着这条思路提供如下:
1 尼龙和聚酯类绳子，如三股平行绳，八股编和多种编织，根据所要应用的环境要求，其强度要比表格中所列的数值要高大约15%。

2 尼龙绳子浸水后会发生膨胀，长度方向会变短；这种现象通常称为缩水（收缩）现象，但这中定义是不合适的。

实际上是纤维的膨胀造成了结构的收缩。

下面表中的强度是在干燥条件下所测量的。

湿条件下的数值会下降至少10%，是由于缩水现象引起的(实际的数值要取决于湿度)。

尼龙绳子的强度在高低张力的循环转变作用下，它的强力会得到回复，即使是在不断浸湿的情况下。

并且在干燥循环作用下，强力可以得到全部恢
3 聚丙烯、复合聚烯烃和涤纶/丙纶混纺产品的强力要比列出的高出30%，而且结果表明其耐磨性得到了提高。

4 HMPE绳通过一种特殊的工艺来施加张力，用以提高绳中各组分对负荷的分担。

这种方式对编制结构特别有效，两种类型如表4.2所示，用作对比式样。

5 平行股线和钢丝绳结构可以有非承力的包衣结构，其重量的变化取决于其厚度的大小；他会影响整个绳子的线密度，并且会导致比较的不可控性。

6 平行纱线绳子由于很少应用，所以没有在这列出来，但是工艺优良、终结良好的此类绳子的强度十分接近于平行股线类的强度。

4.2.4 最小强力
表中的断裂负荷值是最小的强力值。

在一些标准中，他被定义为平均值（经相当数量的统计断裂实验结果后得到的）之下的两个标准偏差（像CI2002，他是一种典型的确定最小断裂强力的方法）。

对于由一些绳子制造商发布的平均强力或者仅仅是‘强力’和个人以前刊发的数据而言，应该注意他的应用或测试条件或理论基础。

一般来说，对于一般用途和航海用的绳子，其平均强力要比最小强力高10%-15%。

4.2.5 终止强力
在应用中，绳子的强力有时仅仅和用于固定其末端的工具的强度相同；这被叫做终止强力。

随机波动的绳子结构在进行打结连接或者在于配件接触的界面上，定然会造成绳子终止强力的减弱。

在表4.1和4.2中都是基于高效编结和良好的终结强力下的最小强力。

对于大多数绳子，为了确保其线性，会对其末端进行眼型叠接加工，这被认为是最实用的方法。

如果样品带叠接测量并且在叠接出断裂，一些标准则要考虑实际断裂负荷的增加；如果此类断裂在测试中发生或者在实际应用时，在叠接处发生，那么这将导致产品的测量强度要比实际值高，而这种现象是经常发生的。

4.2.6 强度重量比
不同绳类产品的强度重量比已在表4.1和4.4中列出。

他是绳子挠度的一种表征方式（方程[4.7]）并且提供了一种不同产品间重量相关于强力快速直观的比较方法。

一些有意思的观点可以通过测试它的这种性能得到。

分析表4.1、4.2和4.4中数据后，在下面对其进行了必要的解释。

1 与合成纤维类绳子相比，钢丝绳结构的重量强度比要低，影响此的因素一般有两个或者更多。

对于由高挠度的纤维制成的绳子，其影响因素可以大于八个。

2 在表4.1中列出的人造纤维类绳子代表了大多数的常规工业产品。

通常来说，重量强度比的分组是相当紧密的。

3 注意在直径相同的情况下，编织绳的强力要比三股绳和八股绳的要高（大约为35%），但是编织绳在同尺寸下，所含的纤维量要多，所以他比较重，这使重量强度比更接近些（大约为20%）。

4 随着绳子的尺寸增大，重量强度比是下降的。

高模量编织结构类绳子的这种现象更加明显。

像表4.2中的HMPE十二股编织绳，96mm的绳子要比12mm在重量强度比方面通常要低大约35%。

然而，像前面所介绍的一样，在绳子的后加工过程中的张力加工可以使绳子中各组分更好的分担负荷，经过处理后，可使这种受力不均减少大约10%。

4.2.7 浸没重量（湿重）
在表4.1,4.2和4.4中列出了水对线密度的影响。

为了确定绳子在淡水或海水中的线密度，以下关系会被用到：
浸没线密度= （纤维密度-水的密度）/纤维的密度 [4.11] 上式中水的密度，淡水的为1.00，海水的为1.04 （g/cm3）
对聚酯类平行股线结构绳和钢丝绳结构的绳子（两者直径为96mm）进行比较发现，钢
丝绳结构的强力是聚酯类的两倍多，但是其浸没重量是聚酯类的20倍多。

因此基于重量强度比，聚酯类绳子要比钢丝绳结构的要好大约10倍。

这在深水抛锚作业中的作用尤其明显，钢丝绳结构由于浸水后变重，而使操作很难进行。

4.2.8 使用条件
对表4.1中的强力值的理解必须考虑其使用条件。

因为有些绳子的降解速度要快些，所以，其安全强度要非常的高；并且在大的直径条件下，低强度的绳子的使用寿命反而要长。

尽管大家习惯先考虑强度，但是对其使用环境必须不能忽视。

第八章是关于绳子的应用，对其使用条件的影响进行了比较详细的讲解。

4.3 伸长
4.3.1 伸长观测
所有的绳子包括钢丝绳结构，在加载荷后会发生伸长。

伸长是继强度和重量后，另一个最重要的机械性能。

希默尔法布（1957）对三股绳进行了很多的研究和测量。

但是他仅仅是针对马尼拉麻制绳，不过其表现出的特征可以应用到所有类型的绳子中。

注意断裂载荷百分数是针对于伸长百分数的，这是一种对数据进行规格化的方便方法。

大多数工艺程序采用张力的绝对值与伸长的比值，或者用应力或者比应力与应变或伸长率进行相比。

图4.1表明马尼拉麻制绳要比钢丝绳的伸长要大的很多并且尼龙绳的伸长性要更好。

如图4.2中所示，伴随着应力的变化，绳子的直径变小。

尼龙在最高负荷下，直径的减少量为30%，在野外应用环境下这种现象更加明显，这是绳子达到断裂负荷时，最明显的警告和预兆。

图4.3描述的是绳子结构的影响：低捻松排列的绳子的伸长性比高捻紧排列的低。

尽管其强度很高，但是他也可能太松软了，而易于形成障碍，从而很难被操作和使用。

如图4.4，对三股绳A、B进行了比较，发现当直径增加时，其伸长量的增加却很小。

四股A绳的曲线是C，实验表明它的伸长会更大。

电缆绳（3.3.5节）是通过把多股小绳复合一起形成的；如图4.4，表明它的伸长性还要好，其中，D曲线为马尼拉麻制绳，F曲线为尼龙。

新型绳子由于它的致密结构使其有很大的伸长量，如图4.5所示。

如果对试样施加一个
相对大的预加负荷，大多数会达到其初始伸长，但与曲线E相比其伸长率降低。

就像第十章所讲到的一样，在测量伸长性时，很多标准采用一个小的预加张力，通常称为参考张力，作为初始张力，使其达到零点。

图4.6描述了马尼拉麻制绳的气候性（饱和水蒸气和缩水），它会降低它的断裂负荷，使其更易于伸长。

最后，图4.7表明尼龙绳子润湿后，更易于伸长（完全饱和浸润）。

而其他的人造纤维没有此类特征。

循环负荷对伸长有很大的影响。

尼龙在干、湿条件下性能的不同，这使其非常有趣。

图4.8描述了对图4.7中样品施加循环负荷后的负荷-伸长曲线。

在25%负荷水平下，经循环负荷后，干燥样品的伸长率从12.5%降到了8.0%，湿样品从21%降到了14%。

图4.9揭示了大多数人造纤维类绳子在施加循环负荷时的反应和性能。

样品从A点拉伸至B点。

再解除负荷达到C点，从图中很容易观察到他在A点的右边。

另一个循环，拉伸至D，并且解除负荷，伸长达到E点，他与C点十分接近。

十五个循环后，循环曲线间就十分接近了。

第十循环G-F时，绳子的变形十分充分。

图4.5描述了预加张力的影响。

当拉伸循环进行时，绳子的轴向刚度将逐步增加。

因为其影响因素很多，像纤维材料、结构、负荷、循环数、加载速率、蠕变、内部纤维的断裂、污渍和外部磨损，所以这种效应很难预测。

然而，如果绳子在使用时十分小心，且在要求条件下，并在适当的时间废弃，那么纤维类绳子的伸长和在短时间断裂的伸长是一样的。

4.3.2 轴向刚度和模量
谨慎的使用决定了绳子的模量为应力应变曲线的斜率，单位是GPa(比模量时为N/tex)，刚度为拉伸应变。

很多工程师喜欢用这种方式。

另外，也可用断裂负荷百分率与断裂伸长率曲线的斜率来表达，如图4.10。

小数和百分数和一些单元会用此类方式描述。

非线性的情
况也需考虑在内。

对于手算，最好的方法是直接从图中读取数据。

特定长度的特定绳子伸长的计算方法会在4.3.8节中详细描述。

对于计算机或者一般的数学模型，在任何负荷下，轴向的刚度可以用曲线的斜率进行量化。

所有的长度必须在参考应力下测定，如在图4.10中虚线所示。

当相对线性时可用直线进行近似表示。

切线模量是每点的斜率，像B点。

割线模量是直线的斜率像直线AB、BC。

B点的切线模量为dc/ac。

割线(AB)的斜率为Bb/Ab。

其他的近似计算可以覆盖特定的工作负荷范围。

对于非线性的情况分析可以运用弧线拼接的方法。

对于计算机模型，曲线可以
用特定系数的多项式来表示。

4.3.3伸长包含的元素
伸长一般要包括三个元素，一个是当负荷开始被施加到一段原先没有被拉伸过的绳子上时的伸长，再是撤掉负荷时的伸长，最后是再次施加负荷时的伸长。

这个过程代表了一个磨合过程，在此过程中固定伸长被消除；这被称作稳定过程。

图4.11是此过程的示意图。

伸长变形的元素：
1 急弹性变形- 当力去除后，可以瞬间恢复。

2 缓弹性变形- 在一定时间内可以恢复一部分形变量
3 塑性变形- 由于结构的变化和纤维的塑性变形使伸长不可恢复。

在图4.11中，十个循环后，负荷解除，力立即达到参考负荷。

第十循环的伸长可认为是
急弹性变形，从中可确定弹性模量和刚度，如图4.10所示。

如果以前张紧的绳子完全解除负荷，那么它将继续发生收缩，直到几个小时后达到平衡，有的情况要用一天的时间才能达到平衡。

这种伸长定义为可恢复伸长；不过在其他文献中也会有其他的命名，包括粘弹性变形和迟滞变形，不过前者是合适的，后者却不合适。

残留的变形是不能恢复的。

这是由拉伸后绳子的致密结构和纤维的塑性变形引起的。

这种变形称之为塑性变形或永久变形。

稳定且完全松弛下的绳子，对其施加第一次循环载荷时，会产生一个比弹性模量小的模量，但是随着负荷的往复作用，模量会慢慢接近弹性模量。

在图4.11中，第一循环的起始点是回复变形的左端点。

但是这也取决于负荷和参与稳定结构的张力。

4.3.4 稳定性
在CI 1500标准中，提供了有关稳定性的参数，这会在第十章中论述。

简单的说，在十个负荷循环中会用到20%或50%的断裂强力。

普通用绳子用20%的水平，因为它的工作载荷不会超过这个水平。

而要得到最大的稳定性则要用50%的水平。

经验得出十个循环已经足够了，但是一些标准要需要更大的负荷。

4.3.5 滞后现象
卸载负荷时曲线如图4.11，他不会沿着加载曲线，在第十循环中可以清晰的观察到。

两曲线间的部分表示损耗的热能。

关于两负荷循环的例子如图 2.15。

尽管普通用工业绳子一般不会出现问题，但是在某些应用中，热效应影响还是很大的，特别是大范围张力下的相
对快速的负荷循环。

这在2.5.5节中给予了详细的论述。

4.3.6术语
一些关于伸长性能有用名词：
1 拉力（负荷）- 实际施加的力，牛顿力或英镑
2 断裂强度百分数 - 张力/断裂负荷×100
3 应力 - 张力/纤维面积
4 比应力 - 张力/线密度
对于轴向拉伸，各种术语容易混淆而且通常不会经常用到。

一些常用名词如下：
1 拉伸 - 伸长的性能
2 弹性 - 当卸载时，伸长的回复能力
3 伸长率 - 长度方向的增加百分率（伸长、测试长度×100）
4 应变 - 在一定张力下的，在长度方向上的分数增加（弹性变形/测试长度）
5 轴向刚度 - 张力/应变
6 模量（面积） - 轴向线密度/纤维面积，也就是应力/应变
7 比应力（重量）- 比应力/应变
8 弹性模量 - 再进行循环负荷实验时，稳定结构绳子的轴向刚度
想要了解更多关于怎样应用有关伸长性能的术语，请参考第五章-绳子的机械性能。

很多术语可以在文献中查到或者被用来进行分析特殊的测试项目。

在使用时，确定其条件和单位是非常重要的。

4.3.7 纤维类绳子的伸长
图4.12是某种稳定绳子从松弛状态下进行单负荷循环拉伸时的负荷 - 伸长性能。

从图4.12得出，在50%断裂强力下，芳纶纤维和HMPE绳子的伸长大约是钢丝绳结构的两倍，涤
纶类绳子的伸长大约是芳纶类和HMPE两倍，而尼龙类的大约又是涤纶类的两倍。

对比钢丝
绳和尼龙类，两者的变异比值大约为12:1。

当伸长在应用中是一个重要的参数时，以上所述给出了所用绳子性能的一个相对范围。

在断裂负荷下的伸长大约是图4.2中的两倍。

实际应用中，超过50%的绳子断裂负荷没有被用到，特别像登山绳，例如有些仅用一次就报废了。

关于稳定绳子一些绳索商在他们的刊物中所发布的数据，是其断裂强度的20%或30%。

然而大多数情况下绳索制造商的所发的刊物仅仅只表明了断裂强度，而这多见于新型绳子中；这大都没什么用处。

其他负载水平下的伸长数据通常是根据要求提供的。

在选择测试式样的冲击试验仪器时，必须保证式样达到断裂强度时的伸长，一定要比仪器的最大测试伸长量小。

由于非线性和粘弹性因素的影响，稳定绳子的模量并不是恒定的。

当绳子的应用的条件十分苛刻时，模量是一个重要的参数，而且必须得到能代表操作环境的数据。

5.12节介绍了轴向刚度的力学性能。

例如，图 5.2（a）、（b）,是关于深海用绳子的伸长数据，这被用来精确的确定特殊环境下绳子的模量。

4.3.8计算断裂负荷和伸长
假定已得到特定尺寸下的特定稳定绳子的断裂强度百分比关于伸长百分比的曲线图。

这可被用来估计其他尺寸绳子的相关数据（见图4.12）。

如果绳子的工作负荷已被确定（已考虑应用环境）并且设计因子（安全因子）已经选择，那么就可以计算其断裂负荷。

需要断裂负荷=工作负荷×设计因子 [4.12] 在工作负荷时的断裂强度（%）=100/设计因子 [4.13] 伸长（%）--查百分断裂强度下的表 [4.14] 总伸长=伸长（%）×绳子的长度/100 [4.15] 如果要求得到特定负荷下的伸长，那么下列计算可以被用到：
较高伸长（%）--查较高负荷下的表
较低伸长（%）--查较低负荷下的伸长
长度=伸长×100/[较高伸长（%）-较低伸长（%）] [4.16]
4.3.9结构对伸长的影响
不同结构绳子的伸长性能可以由图4.13说明。

对双股尼龙绳和八股尼龙绳进行比较。

两者都是普通用绳且公称直径都为64mm。

64mm双股绳的线密度是2.8kg/m，然而八股绳的却为2.6kg/m,这是由于其较低的纤维密度。

基于此，制作第二种八股绳，使其线密度和双股绳相同。

较大的密度，子股的较低的捻度和较低的螺旋角使双股绳的在相同负荷下的伸长较低。

图4.13是不稳定式样的测试结果：
同等尺寸下的强力双股绳– 104000kgf 八股绳– 72000kgf
同等重量下的强力双股绳– 104000kgf 八股绳– 81000kgf
同等尺寸下的伸长双股绳– 30% 八股绳– 45%
同等重量下的伸长双股绳– 30% 八股绳– 45%
八股绳的伸长要比双股绳高大约15%（45-30绝对量），50%（15/30相对量）。

注意大多数的不同发生在低负荷的情况下。

图4.14 是稳定样品的测试结果：
同等尺寸下的强力双股绳– 10400kgf 八股绳– 72000kgf
同等重量下的重量双股绳– 10400kgf 八股绳– 81000kgf
同等尺寸下的伸长双股绳– 25% 八股绳– 36%
同等重量下的伸长双股绳– 25% 八股绳– 36%
相同重量下伸长的不同从15%降低到了8%（33-25绝对量），50%降低到了32（8/25相对量）。

4.3.10 数据比较
表4.5列出了各种普通用商业用绳的伸长性能。

表4.6给出了高模量和特殊结构的涤纶绳和尼龙绳的伸长数据。

从这些表中看出，给出了在断裂强度和全松弛下30%断裂负荷下的新的和断裂绳子的数据。

而这些数据仅仅是合适却不精确，其浮动范围很大。

特种绳子的性能取决于很多因素。

例如，在开始拉伸时，低负荷下的变形很大，所以参考张力的选定是一个决定性的因素。

“断裂”也是十分难确定的；CI1500标准要求为10循环时断裂强度的20%，但是大家通常用50%的断裂强度。

模量也是很难给出的，特别是当测试到断裂强度时，这是因为：
1 在常用的绳子中会用到很多种纤维材料和多种混纺产品，这涵盖了很多方面，因而很难制成表格。

2 随着加捻程度、编织角变化，模量也是不确定的
3 模量会随着应用时间和负荷水平变化而发生变化
4 加载负荷的速率也会影响模量
5 模量通常是非线性的
在静态和动态下，绳索制造商都会有可靠、全面的刚度数据。

而在应用条件十分苛刻的情况下，实验室模拟或户外测试则是十分必须的。

4.4 能量吸收
绳子在拉伸时会吸收能量。

这是一个很有用的性能。

登山用掉落-抓捕绳就是一个很好的例子。

拉伸程中力所做的功就是绳子所吸收的能量，可以用负荷伸长曲线下的面积来表示和测量。

图4.13和图4.14中的例子被一起绘于图4.15中来说明能量的吸收过程。

图在加载到断裂负荷时，对64mm双股和八股尼龙绳进行了对比。

结果如下：
同等尺寸下：
尼龙双股绳为10.4ton-m/m 八股绳为9.2ton-m/m
同等重量下：(通过提高重量比来提高八股绳的能量)
尼龙双股绳为10.4ton-m/m 八股绳为10.0ton-m/m
从中可以得出绳子吸收能量的能力主要决定于它的线密度和纤维类型而不是结构。

双股绳伸长小但是强度高；八股绳强度低但是伸长大。

直观上来说是纤维吸收了大部分的能量，组成两种相同线密度的绳子的纤维类型和质量是相同的话，那么他们拉伸中所吸收的能量也是相同的，尽管一种可能会比另一种的伸长大。