CN101198734B - 编织绳索结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于滑轮上弯曲应用的编织绳索，所述编织绳索基本上由n股编织成的由聚合丝线制成的初级绳股构成，所述绳索具有长宽比为1.2-4.0的椭圆形截面。这种绳索在周期性滑轮上弯曲应用中呈现出明显改善的使用寿命性能。本发明还涉及本发明的编织绳索作为滑轮上弯曲应用中承重元件的用途，并且涉及一种包含这种绳索以及至少一个带沟槽滑轮的系统，所述滑轮沟槽的尺寸与绳索尺寸相适应。

Description

编织绳索结构
本发明涉及一种用于滑轮上弯曲应用(bend-over-sheave applications)的编织绳索，所述编织绳索基本上由编织成的初级绳股构成，所述绳股的数量等于n，所述绳股由聚合丝线制成。本发明还涉及一种包括所述绳索和滑轮的系统，并且涉及一种用于制造本发明的绳索的方法。
这样的编织绳索结构从US 5901632可知。在该专利中，描述了一种大直径编织绳索，该绳索包含初级绳股，该初级绳股本身优选由包含高强度聚合丝线的绳索纱线编织。在该文指出的最优选的实施方式中，该绳索为12股、两上两下(two-over/two-under)的环形编织物，其中每一绳股本身为高模量聚乙烯(HMPE)丝线制成的12股编织物(12×12结构)。
本文中用于滑轮上弯曲应用的编织绳索是指通常用于提升和系泊应用的承重绳索，用于例如船舶、海洋、海上油气、地震、商业捕鱼和其它工业市场。在这些应用(以及被称作滑轮上弯曲应用)中，绳索经常在卷筒、缆柱、托辊、滑轮等上拉拽，造成摩擦和弯曲。当如此频繁地弯曲或折曲时，由于例如外部和内部磨损、摩擦热或疲劳断裂(也称为弯曲疲劳或折曲疲劳)导致绳索和丝线损坏，从而使绳索失效。
为了减小绳索在滑轮上弯曲应用中的折曲疲劳，通常建议使用直径至少为绳索直径8倍的滑轮(或其它表面)。为了降低外部磨损导致的绳索强度损失，已知可为绳索或绳索中的绳股提供护套，例如纺织套或编织套。然而，这些护套增大了绳索的直径和刚度，并且增加的重量和成本，而无益于绳索的承重能力，而且使对承重元件的直观检查变得不可行。US2004/0069132 A1中提出在绳股中采用聚合丝线的特定混合物。其它已知改进性能的手段包括为绳索提供特定的饰面或涂层。
然而，已知绳索结构的一个缺点是，当频繁弯曲和折曲时，绳索的使用寿命较短。因此，工业上需要具有改进性能的绳索，其可以长时间地用于周期性滑轮上弯曲应用。因此，本发明的目的提供这样一种具有改善性能的编织绳索。
根据本发明，上述目的通过一种编织绳索实现，该编织绳索具有长宽比为1.2-4.0的椭圆形截面。
令人惊讶地，本发明的大直径编织绳索在周期性滑轮上弯曲应用中呈现出改善的使用寿命性能，原因在于通常使用具有基本上圆形截面的环形或管状编织物来制造绳索，参见例如Handbook of fibre rope technology(eds McKenna，Hearle and O’Hear，Woodhead Publishing Ltd，ISBN 185573 606 3)的第203页。具有扁平截面的绳索本身是已知的，例如扁平编织物，或所谓辫状(soutache)编织物，但是这种编织结构常用作修饰物、装饰品或烛芯，而不用于承重绳索(例如深海装置绳索)。
本发明的绳索的其它优点包括，使用时产生较少的热量，该热量例如由绳股间和/或丝线间摩擦产生；并且该绳索具有开放式结构，从而可用例如水进行更有效地冷却。该绳索的强度效率高，即绳索的强度占具构成丝线的强度的百分比相对较高。该绳索还呈现出改善的牵引性和绞盘存储性，即缠绕更整齐和隐埋(burying-in)较少。可以容易地检查本发明绳索的潜在损坏，并且可以方便地将其修复(如果需要)。
因此，本发明还涉及本文中进一步详述的结构和组成的编织绳索在滑轮上弯曲应用中作为承重元件的用途。
在本发明的绳索(即使是由奇数绳股构成)中，初始绳股(也称为绳股)本身是编织的扭矩平衡结构，而非形成平衡且无扭矩绳索的直纹或平行绳股。编织绳索中的初值绳股数(n)为3或更多。
本发明的绳索具有椭圆形截面，即受拉绳索的截面并非为承重绳索常见的环形、圆形或方形，而是扁平的椭圆形，或甚至几乎为长方形(依赖于初级绳股数)。截面的长宽比(即，较大直径与较小直径之比，或宽高比)为1.2-4.0。确定长宽比的方法是本领域技术人员已知的，一种示例性方法包括：在保持绳索受到(至少较小的)拉力的同时，或在其周围紧密缠绕胶带之后，测量绳索的外部尺寸。所述长宽比的优点是，当周期性弯曲时，绳索中的丝线之间的应力差别较小，并且产生较少的磨损和摩擦热，从而延长了弯曲疲劳寿命。然而，某些编织结构的长宽比大于约4，这使得绳索的强度下降或强度效率降低。因此，截面的长宽比优选为约1.3-3.0，更优选约1.4-4.0，甚至更优选约1.5-1.8，最优选约1.6-1.7。
本发明的绳索可以具有各种编织结构。存在大量已知类型的编织结构，它们通常根据形成织物的方法来区分。合适的结构包括辫状编织物、管状编织物和扁平编织物。辫状编织物是易于变形的扁平织物，通常用于灯芯材料、装饰织物、刺绣品和装饰品。辫状编织物可用具有两个喇叭状齿轮(horngears/horndogs)的编织机制造，其中每个喇叭状齿轮具有通常为3-17个锭子(从而为3-17股初级绳股)设计的奇数个凹槽。管状或环状编织物是最常见的编织物，并且通常由两组可以采用不同式样相互缠绕的绳股组成。管状编织物可以例如在包括环形排列的一系列喇叭状齿轮的机器上制造，其中两组绳股彼此相对作圆周运动，同时绳股沿径向来回运动(Maypole编织机)。管状编织物中的绳股数可以有很大变化。特别是当绳股数较高时，和/或当绳股相对较稀时，管状编织物可以具有中空核心，并且编织物可以坍缩成椭圆形。扁平编织物可以被看作是管状编织物的改进，并且可由其中喇叭状齿轮不形成闭合圆(缺少1个或更多个相邻的喇叭状齿轮)的编织机制造。以此方式，带有绳股的锭子到达圆的一端，然后以相反方向返回。
本发明绳索中的初级绳股数至少为3。绳股数增多导致绳索截面的长宽比升高。然而，较大的绳股数往往降低绳索的强度效率。因此，根据编织物类型，绳股数优选至少16。绳股数n为3-12的绳索是特别合适的。优选地，绳索是辫状编织物，并且n为3、5、7或9，更优选5或7。这样的绳索具有期望的韧性以及耐折曲疲劳性，并且可以在相对简单的机器上经济地制造。
本发明编织绳索的结构中，编织周期(即与绳索宽度相关的节距)并不特别关键，合适的编织周期为4-20。编织周期较长导致较松散的绳索具有较高的强度效率，但该绳索更不坚固并且更难以接合。编织周期太短会使韧度下降过多。因此，编织周期优选为约5-15，更优选6-10。
本发明的绳索的直径可以在宽范围内变化。较小直径的绳索(例如直径为约2-20mm)通常在机械装置(例如汽车门窗升降机构)中作为细绳。较大直径，或承重绳索通常具有至少20mm的直径。如果绳索具有椭圆形截面，则用当量直径来定义圆形绳索的尺寸更为精确，所述当量直径即为与非圆形绳索具有相同的单位长度质量的圆形绳索的直径。然而一般而言，对于测量绳索的尺寸，其直径是不确定参数，原因是绳股所确定的绳索边界不规则。更简明的尺寸参数是绳索的线密度(也称作纤度)，其为单位长度的质量。纤度可由kg/m表示，但通常使用纺织品单位旦尼尔(g/9000m)或dtex(g/10000m)。直径和纤度可由式d＝(T/(10*ρ*v))0.5来关联，其中T为纤度(dtex)，d为直径(mm)，ρ为丝线的密度(kg/m3)，v为填充因子(通常为约0.7-0.9)。然而，在绳索领域使用直径来表示绳索尺寸仍很常见。优选地，本发明的绳索是承重绳索，其当量直径为至少30mm，更优选至少40、50、60mm，或甚至至少70mm，因为绳索越粗，本发明的优点相应地越明显。已知的最粗绳索具有高达约300mm的直径，用于深水装置的绳索的直径通常具有高达约130mm。
在本发明的绳索中，每股初级绳股本身即为编织绳索。优选地，初级绳股是由偶数的次级绳股(也称为绳索纱线)制成的环形编织物。次级绳股数并无限制，可以例如为6-32，考虑到制造这种编织物的机器，次级绳股数优选为8、12或16。本领域技术人员可以基于知识或借助于一些计算或实验，根据期望绳索的最终结构和尺寸，选择绳股的结构类型以及纤度。
包含聚合丝线的次级绳股或绳索纱线可以同样根据期望的绳索而具有各种结构。合适的结构包括绞合多丝纱线(或直纹绳索)，但也可以使用编织绳索，如环形编织物。例如，US 5901632中提到了合适的结构。
绳索纱线可以包含各种聚合丝线，这些聚合丝线或者是单丝(直径通常至多mm范围)形式，或者是包含纤度通常为0.2-25dtex，优选约0.5-20dtex的丝线的多丝纱线形式。合适的丝线由合成聚合物制成，所述合成聚合物包括：聚烯烃，例如聚丙烯和聚乙烯(包括共聚物和超高分子量聚合物)；聚酯，包括聚(对苯二甲酸乙二醇酯)或热致聚酯；聚酰胺，包括PA6、PA66或PA46，或溶致芳族聚酰胺。绳索纱线可以仅包含一种丝线，但也可包含一种或更多种不同丝线(例如，具有互补性质的丝线)的混合物。优选地，绳索纱线包含高强度丝线，其韧度为至少1.5，更优选至少2.0、2.5或甚至至少3.0N/tex。基于ASTM D885-85或D2256-97，丝线的拉伸强度(也简称为强度)或韧度由已知方法确定。通常，这样的高强度聚合丝线也具有高拉伸模量，例如至少50N/tex，优选至少75、100或甚至125N/tex。使用这种高强度和/或高模量丝线的优点是，得到的绳索也具有高韧度，即其直径相对于包含较低强度纱线的标准绳索可以较小，而具有相同的最大承重能力。
在一种优选实施方式中，本发明绳索中的聚合丝线包含高强度丝线以及可选的其它丝线，其中所述高强度丝线由超高分子量聚乙烯(也称作高模量聚乙烯丝线(HMPE))制备。更优选地，初级绳股基本上由HMPE丝线构成，如此带来的优点是，这些丝线同时具有例如高拉伸强度、良好的耐磨性和低比重等性质，从而得到密度小于1且可漂浮在水上的高强度绳索。
超高摩尔质量聚乙烯(UHPE)的特性粘度(IV)大于4dl/g。IV根据PTC-179方法(Hercules Inc.Rev.Apr.29，1982)在135℃下十氢化萘中测定，溶解时间为16小时，具有用量为2g/l溶液的抗氧剂DBPC；将不同浓度下的粘度外推至零浓度的粘度。特性粘度是摩尔质量(也被称为分子量)的量度，它比例如Mn和Mw的实际摩尔质量参数更容易确定。在IV和Mw之间存在一些经验关系，例如Mw＝5.37×104[IV]1.37(见EP0504954A1)，但这个关系依赖于摩尔质量分布。HMPE纤维(例如长丝纱线)可通过以下方法制备：将HMPE在合适的溶剂中的溶液纺成凝胶纤维，然后在部分或完全除去溶剂以前、期间和/或以后拉伸该纤维，即通过所谓的凝胶纺丝工艺，所述工艺例如描述在EP 0205960 A、WO 01/73173A1、Advanced Fiber Spinning Technology，Ed.T.Nakajima，Woodhead Publ.Ltd(1994)，ISBN 185573 182 7及其所引参考文献中。HMPE纤维的IV优选为约5-40dl/g，更优选7-30dl/g。优选地，UHPE是每100个碳原子具有一个以下支链，优选每300个碳原子具有一个以下支链的线性聚乙烯，支链或侧链通常包含至少10个碳原子。线性聚乙烯还可以包含至多5mol％的一种或更多种共聚单体，例如，烯烃，如丙烯、丁烯、戊烯、4-甲基戊烯或辛烯。
在一种优选实施方式中，UHPE包含少量的相对较小基团作为侧链，优选C1-C4烷基。已发现，特定量的这种基团可使纤维蠕变性质改善。然而，侧链太大或侧链数量过高，会对加工过程特别是丝线的拉伸行为产生不利影响。因此，UHPE优选包含甲基或乙基侧链，更优选甲基侧链。对于每1000个碳原子，这样的侧链的数量优选为至多20，更优选至多10。
用于本发明绳索中的HMPE纤维还可包含少量(通常小于5质量％，优选小于3质量％)的常规添加剂，例如抗氧化剂、热稳定剂、着色剂、流动促进剂等。UHPE可以是单一的聚合物等级，也可以是两种或更多种不同聚乙烯等级(例如在IV或摩尔质量分布和/或共聚单体或侧链的类型和数量方面存在差异)的混合物。
在本发明的一种特殊实施方式中，优选在100-120℃的温度下，对编织绳索进行后续拉伸(post-stretching)，或对其包含HMPE丝线的初级绳股进行后续拉伸，从而进一步提高绳索的强度。这样的后续拉伸步骤例如描述在EP 0398843 B1或US 5901632中。
本发明的绳索基本上由初级绳股构成，是指初级绳股是赋予绳索承重性质的主要组成部分。因此，绳索中的初级绳股的数量等于n。如本领域技术人员已知，为了进一步增强绳索的性能或使其具有某些附加性质，绳索还可包含辅助组分。实例包括某些具有例如导电性或透光性的辅助性绳股或纱线，这些性质的改变可以例如作为出现超载情况时的指示。绳索还可包含任何常规涂料或胶料，该涂料可以保护绳索或充当增强耐磨性的润滑剂。适用于此目的的涂料通常以水性分散体形式应用，例如热塑性聚合物或沥青化合物。
本发明的绳索的另一个优点是，初级绳股可以包含作为两段绳股之间端对端连接的接头。这样的绳索的长度可以超过锭子上绳股的长度，而基本上不降低强度。该绳索可以在一股或更多股绳股中包含任何已知的编织绳索接头。
使用5股(1股在2股上、1股在2股下)编织绳索结构可以获得十分优异的性能，所述编织绳索结构具有至少20mm的当量直径，基本上由编织绳股构成，所述编织绳股由韧度为至少2.5N/tex的高性能聚乙烯丝线制成。
本发明还涉及一种系统，该系统包括本发明的绳索以及至少一个滑轮，所述滑轮优选具有沟槽，所述沟槽的尺寸与绳索尺寸相适应。目前的用于圆形绳索的滑轮通常具有圆形沟槽，其直径优选比绳索直径至少大10％。滑轮沟槽的尺寸与绳索尺寸相适应，是指与本发明的绳索组合使用的滑轮具有形状类似于该绳索的截面形状的沟槽，且该沟槽宽度比椭圆形绳索的宽度至少大10％，从而防止绳索在过度的摩擦和挤压中损坏。滑轮的直径优选至少为绳索当量直径的约8倍。该系统还包括本领域技术人员已知的任何其它组件。
本发明的绳索可如上所述通过已知的编织技术制造。
一种制造本发明绳索的优选方法包括使用两个逆向旋转的喇叭状齿轮编织来自n个锭子的n股初级绳股的步骤，所述两个喇叭状齿轮中的一个具有n个缺口(或凹槽)，用于在同一形状的八条轨道中传递锭子，其中n为3或更大的奇数。这种方法在本领域中被称作辫状编织。为了得到具有期望组合性质的绳索，绳股数优选为3、5、7或9，更优选5或7。在5股辫状编织的情况下，绳索优选采用1股在2股上、1股在2股下的编织结构。
在另一种实施方式中，本发明的方法包括扁平编织4-16股初级绳股，优选6-12股绳股。
编织方法以及绳索的结构和组成及其初始绳股的更优选的实施方式与上面针对绳索所讨论的那些类似。
本发明的方法还可包括在含有绳股的锭子空转时将一股初级绳股的末端与下一股初级绳股的一端接合起来的步骤。以此方式，可以将绳索的长度延长至任意期望的长度，而不会使所得的绳索包含会导致断裂强度降低的不牢固的点。
本发明的方法还可包括在编织步骤之前将初级绳股后续拉伸的步骤，或者包括将已编织的绳索后续拉伸的步骤。这种拉伸步骤优选在高温下进行(相当于热拉伸)，但温度低于绳股中的丝线的熔点(最低熔点)。对于包含HMPE丝线的绳索，优选的温度介于100-120℃之间。这样的后续拉伸步骤描述在例如EP 398843 B1或US 5901632中。
参考以下实验对本发明进行阐述。
实施例1
由Dyneema
Figure 2006800211504_0
SK75(1760dtex)多丝纱线制造5股编织绳索，该多丝纱线由超高摩尔质量聚乙烯制成，且其韧度约为3.4N/tex，模量约为120N/tex(可从DSM Dyneema BV，NL获得)。首先，用由(3×7)条1760dtex SK75纱线构成的双股绳索纱线制造12股的扭矩平衡编织绳索。然后，将直径约为11mm的这些编织绳股中的5股以1股在2股上、1股在2股下的结构编织成具有椭圆形截面(在10吨的负载下)的绳索，截面尺寸为宽约26.4mm，高约16.8mm，节距(编织周期)约为绳索宽度的6.4倍。该绳索用涂料组合物A涂覆。
绳索(双纹眼环结)的接合断裂强度被确定为约298kN(在三次施加100kN的预负载之后)。因此，绳索的韧度约为1.35N/tex(强度效率约为40％)。
用类似于US 2004/0069132 A1中描述的测试装置和测试样品来测试绳索抗周期性弯曲的能力(弯曲疲劳寿命)。在此测试中，使两端具有纹眼环结的绳索样品受到拉力在滑轮上运动，以使部分绳索每个周期弯曲两次。所施加的拉力为114kN，周期长度为6.14秒。测试在环境条件下进行，在绳索出入滑轮的位置上喷淋水。滑轮具有沟槽，沟槽具有宽度为9.6mm的扁平底部，倒角半径为8.4mm。滑轮的有效直径为400mm，有效直径为从滑轮中心轴到滑轮上当量直径为20mm的绳索中心轴的距离。
绳索在经历30000个周期后仍未失效，而仅在其表面具有较少的损伤。
对比实验A-E
由DyneemaSK75纱线制造各种编织绳索，所有这些绳索的纤度(和当量直径)与实施例1的绳索类似(约为222g/m)，但是具有不同的结构。另一个不同之处是涂覆在绳索上的涂料类型。
使所有绳索经历相同的周期性弯曲测试，但此时所用的滑轮具有圆形沟槽(尺寸比绳索大约10％，有效直径为400mm)。
表1所示的结果清楚地表明，实施例1的绳索对在滑轮上的周期性弯曲的耐受能力更为优异。
表1
实验     编织结构   涂料类型   接合断裂强度(kN)   致使失效的周期数
实施例1     5×12     A     300     ＞30000
对比实验A     12×1     无     360     4000
对比实验B     12×1     B     360     8000
对比实验C     12×1     C     360     8000
对比实验D     12×12     C     300     8000
对比实验E     12×1     A     360     19000

Claims (12)

1.用于滑轮上弯曲应用的编织绳索，所述编织绳索基本上由编织成的初级绳股构成，所述绳股的数量等于n，所述绳股由聚合丝线制成，所述丝线是韧度至少为1.5N/tex的高强度丝线，其中所述绳索具有长宽比为1.2-4.0的椭圆形截面并且所述绳索具有至少20mm的当量直径。
2.如权利要求1的编织绳索，其中所述截面具有约1.3-3.0的长宽比。
3.如权利要求1的编织绳索，其中所述初级绳股的数量n为3、5、7或9。
4.如权利要求1的编织绳索，其中所述n为5或7。
5.如权利要求1的编织绳索，其中所述绳索具有至少30mm的当量直径。
6.如权利要求1的编织绳索，其中所述初级绳股基本上由HMPE丝线构成。
7.如权利要求1的编织绳索，其中所述绳索还包含涂层。
8.如权利要求1的编织绳索，其中所述丝线是具有至少50N/tex的拉伸模量的高模量丝线。
9.如权利要求1的用于滑轮上弯曲应用的编织绳索，所述编织绳索基本上由以1股在2股上、所述1股在2股下结构的5股绳股构成，所述绳索具有至少20mm的当量直径，并且基本上由编织绳股构成，所述编织绳股由具有至少2.5N/tex的韧度的高性能聚乙烯丝线制成。
10.如权利要求1-9中任何一项的编织绳索在滑轮上弯曲应用中作为承重元件的用途。
11.包含如权利要求1-9中任何一项的绳索和至少一个滑轮的系统。
12.制造如权利要求1的绳索的方法，包括使用两个逆向旋转的喇叭状齿轮编织来自n个锭子的n股初级绳股的步骤，所述两个喇叭状齿轮中的每一个具有n个缺口，用于在同一形状的八条轨道中传递锭子，其中n为3或更大的奇数。 
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