周志嵩，張喜澤，寇首鵬，姚海東

（江蘇興達(dá)鋼簾線股份有限公司，江蘇 泰州 225721）

鋼絲簾線是橡膠制品尤其是子午線輪胎的重要骨架材料，具有強(qiáng)度高、變形小、散熱性好和耐疲勞性能優(yōu)異的特點(diǎn)，隨著我國汽車保有量飛速增加，輪胎及鋼絲簾線的需求量持續(xù)增長[1-3]。鋼絲簾線捻制設(shè)備主要有管式機(jī)和雙捻機(jī)兩種，其中雙捻機(jī)因具有質(zhì)優(yōu)、噪聲低、生產(chǎn)效率高、占地面積小，且適用于高強(qiáng)度、小規(guī)格、多種結(jié)構(gòu)鋼絲簾線捻制等優(yōu)點(diǎn)[4]，被廣泛地應(yīng)用于國內(nèi)外鋼絲簾線生產(chǎn)企業(yè)，成為捻制鋼絲簾線的主要設(shè)備。但鋼絲在雙捻時產(chǎn)生強(qiáng)烈的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，其殘余應(yīng)力遠(yuǎn)高于其他設(shè)備捻制鋼絲的殘余應(yīng)力[5]，而較大的內(nèi)部殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)力的分布不平衡是造成鋼絲簾線質(zhì)量下降的主要原因。鋼絲在雙捻時主要采用校直器和過捻器等方法消除殘余應(yīng)力、穩(wěn)定鋼絲簾線殘余扭轉(zhuǎn)及提高鋼絲簾線捻制質(zhì)量[6]。鋼絲簾線拆股后的鋼絲破斷力比捻制前有一定幅度的降低，這種冷拉鋼絲捻制成鋼絲簾線后力學(xué)性能降低的現(xiàn)象稱為捻制損失[7]。校直器與過捻器消除鋼絲簾線殘余應(yīng)力的工作原理不同，二者對鋼絲簾線破斷力捻制損失的影響及是否導(dǎo)致鋼絲簾線性能存在差異的工藝試驗(yàn)研究目前鮮有報(bào)道。

本研究以3＋9＋15×0.22鋼絲簾線為例，采用不同的殘余應(yīng)力消除方法進(jìn)行試驗(yàn)對比，探索不同捻制工藝對鋼絲簾線破斷力捻制損失及鋼絲簾線性能的影響。

1 試驗(yàn)過程和方法

3＋9＋15×0.22鋼絲簾線的性能指標(biāo)如下：捻向 S/S/Z，捻距 6.3/12.5/18.0mm，直徑1.35mm，破斷力≥2 700 N，破斷伸長率≥2.0%。通常采用0.22 mm直徑單絲在雙捻機(jī)上捻制捻向?yàn)镾/S的3＋9×0.22半成品，捻距可以為最終捻距，也可以是預(yù)制捻距；然后將3＋9×0.22作為芯股，與15根0.22 mm直徑面線單絲共同捻制成3＋9＋15×0.22鋼絲簾線，捻向?yàn)閆，捻距為最終捻距；最后根據(jù)需要再進(jìn)行外纏絲的捻制。本研究采用內(nèi)放外收式雙捻機(jī)捻制3＋9＋15×0.22鋼絲簾線，如圖1所示。

圖1 雙捻機(jī)

消除鋼絲簾線殘余應(yīng)力的方法主要是使用校直器或過捻器，兩種設(shè)備的工作原理不同。校直器的工作原理是使鋼絲簾線通過安裝在一個平面內(nèi)或兩個互相垂直平面內(nèi)的兩排相互交錯排列的輥輪，鋼絲簾線呈波形或彎曲形通過校直器，經(jīng)受反復(fù)彎曲變形，曲率由大變小，使鋼絲簾線內(nèi)應(yīng)力逐漸消除[8]，如圖2所示。

圖2 校直器工作原理示意

過捻器的工作原理是在捻制過程中把已經(jīng)形成所需捻距的鋼絲簾線先進(jìn)行強(qiáng)制性加捻，然后再解捻，即先“捻死”后“松開”，從而達(dá)到消除殘余應(yīng)力、穩(wěn)定殘余扭轉(zhuǎn)的目的[9]，如圖3所示。

圖3 過捻器工作原理示意

為研究不同殘余應(yīng)力消除方法對破斷力捻制損失及鋼絲簾線性能的影響，選取校直器和過捻器為試驗(yàn)因素，每個試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)2個水平，采用全面試驗(yàn)法共設(shè)計(jì)4種不同的捻制工藝進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1所示，其中P1工藝鋼絲簾線試驗(yàn)時先經(jīng)過校直器后經(jīng)過過捻器。

表1 試驗(yàn)方案

濕拉單絲破斷力采用CMT6103型拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測；解捻單絲的波高、波長采用23JC型光學(xué)投影儀進(jìn)行檢測；鋼絲簾線的破斷力和破斷伸長率采用INSTRON-5566型拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 捻制工藝對鋼絲簾線性能的影響

不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線的破斷力和破斷伸長率的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，極差分析結(jié)果如表3所示。

表2 不同捻制工藝鋼絲簾線破斷力和破斷伸長率的試驗(yàn)結(jié)果

表3 鋼絲簾線的破斷力和破斷伸長率試驗(yàn)數(shù)據(jù)的極差分析結(jié)果

首先，對不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線的破斷力進(jìn)行對比。雖然采用相同的芯股及面線單絲進(jìn)行試驗(yàn)，但不同的捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線的破斷力捻制損失不同，破斷力存在差異。其中P1與P2工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷力基本相當(dāng)，且高于其他兩種生產(chǎn)工藝，即使用校直器生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷力大于不使用校直器生產(chǎn)的鋼絲簾線；應(yīng)用校直器或過捻器都會使單絲變形增大，導(dǎo)致破斷力降低，理論上P4工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷力應(yīng)該最高，但實(shí)際試驗(yàn)情況卻不同，具體原因在下文的相關(guān)性能研究中進(jìn)行分析。

從破斷力數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果可以得出，對3＋9＋15×0.22鋼絲簾線破斷力影響因素的主次順序?yàn)椋盒Ｖ逼?、過捻器。從極差分析結(jié)果也可以分別看出校直器和過捻器對鋼絲簾線破斷力變化的影響趨勢。

其次，對不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線的破斷伸長率進(jìn)行對比。雖然采用相同的芯股及面線單絲進(jìn)行試驗(yàn)，但不同的捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線破斷伸長率存在差異，其中P3工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷伸長率最高，P1，P2和P4工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷伸長率基本相當(dāng)。

從破斷伸長率數(shù)據(jù)極差分析結(jié)果可以得出，校直器和過捻器對3＋9＋15×0.22鋼絲簾線破斷伸長率性能的影響相當(dāng)。從極差分析結(jié)果也可以分別看出校直器和過捻器對鋼絲簾線破斷伸長率變化的影響趨勢。

2.2 不同捻制工藝鋼絲簾線拆股分析

為進(jìn)一步研究不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線破斷力的捻制損失情況，探究鋼絲簾線性能差異的來源，將不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線進(jìn)行拆股分析，檢測各組成單元的破斷力和波形。

2.2.1 拆股破斷力分析

拆股即把3＋9＋15×0.22鋼絲簾線拆解為3＋9×0.22芯股和15根面線單絲。將不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線進(jìn)行拆股并檢測各組成單元的破斷力，結(jié)果如圖4所示。捻制前芯股3＋9×0.22的破斷力為1 264 N，15根面線單絲破斷力的總和為1 760 N。

圖4 不同捻制工藝鋼絲簾線拆股后的芯股破斷力和面線單絲破斷力總和對比

從圖4可以看出，芯股3＋9×0.22不管采用何種捻制工藝進(jìn)行合繩，其捻制損失均較小，破斷力的捻制損失約為0.35%，不同捻制工藝的芯股破斷力基本相當(dāng)；拆股后的15根面線單絲破斷力總和與捻制前相比存在明顯差異，破斷力的捻制損失較大，其中P2工藝破斷力的捻制損失約為3.5%，其他工藝破斷力的捻制損失為6%～7%。

不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線破斷力捻制損失對比如圖5所示，采用3＋9＋15×0.22鋼絲簾線各組成單元捻制前的破斷力總和，即合繩前15根面線單絲與芯股3＋9×0.22的破斷力總和3 024 N作為對比。

圖5 不同捻制工藝鋼絲簾線的破斷力捻制損失對比

從圖5可以看出，合繩后整根3＋9＋15×0.22鋼絲簾線的破斷力與合繩后拆出的各單元破斷力總和相比降低，拆出的各單元破斷力總和與合繩前各單元破斷力總和相比降低。因此，從鋼絲簾線的組成單元到整根鋼絲簾線，破斷力的捻制損失來自于兩部分，第1部分為各組成單元經(jīng)過捻制時產(chǎn)生的破斷力下降，如15根面線單絲經(jīng)過捻制后單絲破斷力的下降；第2部分為鋼絲簾線各組成單元在拉伸受力時不協(xié)調(diào)變形而引起的破斷力下降，如整根鋼絲簾線的破斷力與合繩后拆出的各單元破斷力總和相比下降。

P1與P2工藝相比，合繩后鋼絲簾線的破斷力基本相同，而P2工藝的拆股破斷力總和明顯比P1工藝高，說明P1工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷力與合繩后拆出的各單元破斷力總和相比捻制損失小于P2工藝，即P1工藝鋼絲簾線的各組成單元在拉伸受力時的協(xié)調(diào)性優(yōu)于P2工藝。

對比P1與P3和P4工藝，鋼絲簾線拆股后各單元破斷力總和基本相當(dāng)，但P1工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷力明顯高于P3和P4工藝，說明P1工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷力與合繩后拆出的各單元破斷力總和相比捻制損失小于P3和P4工藝，即P1工藝鋼絲簾線的各組成單元在拉伸受力時的協(xié)調(diào)性優(yōu)于P3和P4工藝。綜上，P1工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線的組成單元的受力協(xié)調(diào)性最優(yōu)，即采用校直器與過捻器組合消除鋼絲簾線殘余應(yīng)力的方式可使多層結(jié)構(gòu)鋼絲簾線的各組成單元的拉伸受力協(xié)調(diào)性最優(yōu)。

2.2.2 單絲波形分析

將不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線進(jìn)行拆股，并測量解捻后15根面線單絲的波高和波長，結(jié)果如圖6所示。

從圖6（a）可以看出，解捻后面線單絲波高最大的為P3工藝。結(jié)合圖4中鋼絲簾線拆股后面線單絲破斷力總和數(shù)據(jù)及圖5中鋼絲簾線破斷力數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，3＋9＋15×0.22鋼絲簾線解捻后面線單絲的波高越大，解捻后的面線單絲破斷力及鋼絲簾線破斷力越低，這是由于在相同捻距設(shè)計(jì)條件下，鋼絲經(jīng)過捻制后的波高越大，說明鋼絲產(chǎn)生的變形越大，其破斷力的捻制損失越大，解捻后的面線單絲破斷力越低；解捻后面線單絲波高越大，鋼絲簾線在承受拉伸載荷時，其內(nèi)層芯股與外層面線伸長率越不匹配，鋼絲簾線的各組成單元在拉伸受力時的協(xié)調(diào)性越差，導(dǎo)致芯股受力過大而提前失效，鋼絲簾線破斷力越低。

圖6 不同捻制工藝鋼絲簾線拆股后面線單絲的波高和波長對比

從圖6（b）可以看出，解捻后面線單絲波長最大的為P4工藝，其他工藝條件下生產(chǎn)的鋼絲簾線解捻后面線單絲波長并無明顯區(qū)別，這是由于P4工藝既不用校直器也不用過捻器，鋼絲經(jīng)過雙捻后無法消除應(yīng)力，鋼絲簾線未達(dá)到飽和扭轉(zhuǎn)，存在較大的殘余應(yīng)力所致。通過與鋼絲簾線的破斷力及破斷伸長率對比可以看出，面線單絲波長對鋼絲簾線的破斷力及破斷伸長率的影響無明顯規(guī)律。

綜上所述，第2.1節(jié)提出理論上P4工藝生產(chǎn)的鋼絲簾線破斷力應(yīng)該最高但試驗(yàn)結(jié)果卻不符，這是由于鋼絲簾線的破斷力捻制損失來自于兩部分，其中鋼絲簾線各組成單元在拉伸受力時不協(xié)調(diào)變形而引起的破斷力下降是主要原因。

3 結(jié)論

研究不同捻制工藝對3＋9＋15×0.22鋼絲簾線破斷力捻制損失及鋼絲簾線性能的影響，得到如下主要結(jié)論。

（1）不同捻制工藝生產(chǎn)的3＋9＋15×0.22鋼絲簾線性能存在差異，芯股3＋9×0.22不管采用何種捻制工藝進(jìn)行合繩，其捻制損失均較小，不同捻制工藝的芯股破斷力基本相當(dāng)；15根面線單絲拆股后的破斷力總和與捻制前相比存在明顯差異，破斷力捻制損失較大，捻制后面線破斷力明顯下降。

（2）3＋9＋15×0.22鋼絲簾線破斷力的損失來自于兩部分，第1部分為各組成單元經(jīng)過捻制時產(chǎn)生的破斷力下降；第2部分為鋼絲簾線內(nèi)部各組成單元在拉伸受力時不協(xié)調(diào)變形而引起的破斷力下降。采用校直器與過捻器組合消除鋼絲簾線殘余應(yīng)力的方式可使多層結(jié)構(gòu)的鋼絲簾線的各組成單元的拉伸受力協(xié)調(diào)性最優(yōu)。

（3）在相同捻距設(shè)計(jì)條件下，鋼絲經(jīng)過捻制后的波高越大，鋼絲產(chǎn)生的變形越劇烈，其破斷力的捻制損失越大，解捻后的面線單絲破斷力越低；解捻后的面線單絲波高越大，鋼絲簾線在承受拉伸載荷時，其內(nèi)層芯股與外層面線伸長率越不匹配，鋼絲簾線的各組成單元在拉伸受力時的協(xié)調(diào)性越差，導(dǎo)致芯股受力過大提前失效，鋼絲簾線破斷力越低。