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1、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节和附录都有详细的讲解。 下面的方程是可作为一个好的参考：
2、 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sec的平均值来表示，其中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
3、）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
4、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） 4.44.2 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
5、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
6、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。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
7、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
8、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.
9、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
10、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
11、 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%），
12、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 4.1
13、1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
14、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
