摘 要：针对电梯用钢丝绳绳芯的使用寿命与安全性问题，探讨了一种PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯的产品设计和性能。研究了PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯的结构?生产工艺和性能特点。研究结果表明：相比传统剑麻绳芯，PET长丝与剑麻纱进行组合设计开发的PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯可有效减少绳芯表面毛刺，断裂强力提高20%以上，含油率符合要求，回潮率下降60%以上，直径不匀率显著下降，所制取的钢丝绳耐疲劳次数由130万次提高到384万次。同时PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯中所用剑麻纱无需经过剪毛?烧毛工序，精简了生产流程。
关键词：剑麻纤维；复合纱线；岛相结构；PET长丝；钢丝绳绳芯；耐疲劳性能
近年来，伴随着我国电梯行业的蓬勃发展，电梯用钢丝绳的市场需求越来越大，品质要求也越来越高。钢丝绳在电梯运行中基本承载着电梯的全部质量。绳芯作为电梯用钢丝绳的重要组成部分，对电梯用钢丝绳的使用寿命以及电梯运行的稳定性与安全性有着重要的影响[1-3]。目前，用于制作电梯用钢丝绳绳芯的纤维材料主要有天然纤维中的剑麻纤维和合成纤维中的聚丙烯?聚乙烯?聚酯纤维等两大类，它们的性能与加工过程各有优势。也有采用多种纤维材料复合进行绳芯加工的，其通过多种纤维性能互补，可满足不同类型电梯的需求[4-5]。
采用多种纤维材料进行复合绳芯的加工技术主要有两种，一种是在天然纤维纺纱过程中，利用包芯纱?包覆纱等纺纱技术添加合成纤维长丝制成长丝短纤复合纱，再制成绳芯[6-7]；另一种是采用天然纤维纺成纱后，再与合成纤维长丝在捻股?合绳等工序中进行复合加工制成复合绳芯[8-9]。由于复合绳芯在同一截面上的多种性能不同的纤维材料形成了岛相结构分布，故称岛相结构复合绳芯，其与单一纤维材料绳芯相比性能变化较大。因此，不同的纤维材料进行组合设计可以有针对性地改进绳芯性能，对于钢丝绳绳芯的设计与优化具有重要意义。
1 PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯的设计
用于制作绳芯的天然纤维材料中，最常用的麻类纤维是剑麻纤维。剑麻纤维是一种“硬质”叶纤维，非常适合生产钢丝绳绳芯[4]。但是受到生产技术水平的局限，剑麻纤维纺纱加工流程长?用工多?效率低，生产的剑麻纱存在细度均匀度差?麻结与毛刺多等质量问题[9]。
采用合成纤维长丝制作的绳芯具有生产效率高?流程短?用工少的特点，而且在细度均匀度?纱线表面光洁度等质量指标上具有剑麻纱无可比拟的优势，成为当前钢丝绳绳芯行业重要的发展趋势，但是合成纤维存在油脂储存少与刚性不足等缺点[10-11]。本文采用岛相结构复合绳芯设计方法，利用剑麻纤维刚性较大的特点，将其用作为绳芯的骨架，比例较低；利用合成纤维长丝刚性较小的特点将其用作绳芯的填充，比例较高；在制成的绳芯截面中形成以合成纤维为海相?剑麻纤维为岛相的岛相结构复合绳芯。聚酯纤维具有良好的强伸性能，而且耐老化?耐疲劳?耐酸碱?回潮率低，在-60~120℃温度范围内机械性能稳定，可以满足电梯用钢丝绳在复杂环境中的使用要求[11-12]，并且价格较低，有利于降低绳芯生产成本。因此，本文选择聚酯纤维长丝(PET长丝)与剑麻纤维开发岛相结构复合绳芯产品。
剑麻纱与PET长丝股线进行混合股线生产时，剑麻纱被PET长丝股线包覆，剑麻纱表面的毛刺纤维一部分被包覆在混合股线内部，使得合股后纱体光洁，还有一部分混杂在PET长丝股线中形成毛细效应，这样可以将剑麻纱中的油脂输送到各PET长丝股线中，使混合股线整体受油均匀。PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯设计时，利用剑麻纤维高贮油和硬质特性[4]，将其与PET长丝进行结构组合设计，既实现了两种纤维性能的优势互补，又通过PET长丝包覆剑麻纱，有效控制了剑麻纱线表面的毛刺。这样剑麻纱生产过程中不再需要经过剪毛?烧毛等工序，有利于降低生产成本，改善生产环境。
2 PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯生产流程
PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯的生产流程主要包括剑麻纱?PET长丝股线?岛相结构复合绳芯3个生产环节。本文设计制作了4.0?6.5?8.0mm3种直径的PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯，见图1。
(1)剑麻纱的纺制：人工捡麻→L1-L4型梳麻机(4道)→B1-B4型并条机(4道)→TGS0950型针纺机。
(2)PET长丝股线的加工：PET长丝→HDRT-721B型环锭捻线合股机。
(3)岛相结构复合绳芯的制作：PET长丝股线+剑麻纱→500型一体机(捻股?绳芯)。
3 PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯的制作
3.1 原料选择
剑麻纱由江苏大达麻纺织科技有限公司提供，采用非洲坦桑尼亚产的一级剑麻为原料，在剑麻纺纱专用设备上纺制Nm0.8(1250tex)剑麻纱。PET长丝选用由浙江古纤道绿色纤维有限公司生产的高强型涤纶工业长丝，规格为111tex(1000D/192F)，符合GB/T16604—2008《涤纶工业长丝》中优等品的标准。
3.2 生产工艺
3.2.1 φ4.0mm绳芯制取
第一步，采用HDRT-721B型环锭捻线合股机(CNRM)制作PET长丝股线，用20根111texPET长丝制得长丝股线；第二步，以2根PET长丝股线与1根经过加油处理的Nm0.8(1250tex)剑麻纱为一组，共3组，在500型捻股和绳芯一体机上制成φ4.0mm的岛相结构复合绳芯。
3.2.2 φ6.5mm绳芯制取
第一步，采用HDRT-721B型环锭捻线合股机(CNRM)制作涤纶长丝股线，用30根111texPET长丝制取长丝股线；第二步，以3根PET长丝股线与2根经过加油处理的Nm0.8(1250tex)剑麻纱为一组，共3组，在500型捻股和绳芯一体机上制成φ6.5mm的岛相结构复合绳芯。
3.2.3 φ8.0mm绳芯制取
第一步，采用HDRT-721B型环锭捻线合股机(CNRM)制作涤纶长丝股线，用50根111texPET长丝制取长丝股线；第二步，以3根PET长丝股线与3根经过加油处理的Nm0.8(1250tex)剑麻纱为一组，共3组，在500型捻股和绳芯一体机上制成φ8.0mm的岛相结构复合绳芯。
4 产品性能测试
根据GB/T15030—2021《剑麻钢丝绳芯》标准，以及钢丝绳生产企业对绳芯的验收标准，对所制取的3种不同直径的岛相结构复合绳芯进行检测。同时采用江苏大达麻纺织科技有限公司提供的3种同规格剑麻绳芯作为对照样，与岛相结构复合绳芯进行性能对比分析。
4.1 绳芯强力测试与分析
绳芯强力测试采用苏州拓博机械设备有限公司生产的TH-8100A型电脑式万能材料试验机，测试标准参考GB/T8834—2016《纤维绳索有关物理和机械性能的测定》，测试条件为隔距50cm，拉伸速度200mm/min。3种直径的岛相结构复合绳芯与剑麻绳芯测试结果见表1。
由表1可见，岛相结构复合绳芯比剑麻绳芯强力提高了20%以上，表明所设计的岛相结构复合绳芯在强力提高上效果显著。在拉伸断裂过程中，岛相结构复合绳芯的断裂截面差异大，见图2。
造成岛相结构复合绳芯断裂截面差异较大的原因主要在于剑麻纤维伸长率较小，而PET长丝伸长率较大，两者不一致。拉伸过程中剑麻纤维先断裂，PET长丝后断裂，导致断裂截面参差不齐。图3为岛相结构复合绳芯拉伸后的表面状态，可以明显看出拉伸后的绳芯中多处剑麻纤维断裂，在绳芯表面出现起毛现象，产生这种现象的原因是两种纤维伸长率不一致。
4.2 绳芯含油率?回潮率?线密度的测试与分析
根据YB/T4182—2008《钢丝绳含油率测定方法》，将绳芯按照规定定长切断?拆开；先进行烘干处理，然后采用溶剂浸泡，洗去油脂，再烘干。根据绳芯除去水及油脂前?后的质量，计算绳芯的回潮率?含油率和线密度。试验用试剂与仪器设备为正庚烷?滤纸?漏斗及漏斗架?分析天平?鼓风干燥箱?称量瓶?剪子?尺子。
3种不同直径绳芯的回潮率?含油率?线密度测试结果见表2。
由表2可见，在含油率方面，岛相结构复合绳芯与剑麻绳芯差异不大。主要原因是两种绳芯的部分剑麻纱先进行给油处理后再进行绳芯加工，两种绳芯中含油剑麻纱的比例可以在绳芯设计与加工过程中进行调整，含油率的差异完全可控，若两种类型的绳芯中含油剑麻纱的比例接近则绳芯含油率接近。在回潮率方面，剑麻纤维的公定回潮率是14%，而PET长丝的公定回潮仅为0.4%，由于岛相结构复合绳芯中剑麻纤维含量较低，所以岛相结构复合绳芯的实测回潮率比剑麻绳芯下降60%以上。
线密度方面，由于钢丝绳绳芯是以直径的数值进行分类，因此当两种绳芯的直径相同时，如果绳芯存在纤维材料不同与结构差异，则两种绳芯的线密度就会产生差异。本文开发的3种直径岛相结构复合绳芯与剑麻绳芯相比，线密度分别增加了19.0%?17.2%?16.0%。造成岛相结构复合绳芯线密度增加的主要原因在于：PET长丝与剑麻纤维存在刚性差异，PET长丝股线与剑麻纱在进行捻股加工过程中，形成了以剑麻纱为中心?PET长丝缠绕的结构，采用这种捻股结构制成绳芯就形成了以剑麻纱为骨架?PET长丝为填充的密实结构；而剑麻绳芯中剑麻纤维刚性较大，形成的绳芯存在较多空隙，导致在相同直径下剑麻绳芯的密度比岛相结构复合绳芯低。同直径的岛相结构复合绳芯的密度比剑麻绳芯大，所以岛相结构复合绳芯的强力比剑麻绳芯高。岛相结构复合绳芯与剑麻绳芯断裂强度的对比见表3。
4.3 绳芯直径测试与分析
根据GB/T8834—2016《纤维绳索有关物理和机械性能的测定》，对3种直径的绳芯分别进行直径测试，结果见表4。
由表4可见，岛相结构复合绳芯的直径不匀率与剑麻绳芯相比改善较为显著，极差也较小。剑麻纤维线密度大?刚性大，而且是束纤维，在纺纱过程中存在较多的麻结，此外存在纱线接头，这严重影响了剑麻纱的粗细均匀度。而PET长丝非常均匀，当两种纤维制成岛相结构复合绳芯时，可以有效提高绳芯直径的均匀度。所以，岛相结构复合绳芯较剑麻绳芯均匀度提高较为明显。
4.4 绳芯疲劳测试与分析
电梯运行的特点是长期循环往复运动，为了保障安全性，电梯用钢丝绳必须具备良好的耐疲劳性，以延长电梯用钢丝绳的更换周期，降低电梯维护费用。影响电梯用钢丝绳疲劳性的因素很多，其中钢丝绳绳芯是核心要素。目前，绳芯的疲劳性都是通过钢丝绳的疲劳性测试结果进行表征的。因此，本文先将绳芯制成钢丝绳，再通过钢丝绳的疲劳测试数值间接评价绳芯的耐疲劳性。
电梯用钢丝绳疲劳性检测标准采用YB/T4288—2012《电梯用钢丝绳弯曲疲劳试验方法》，通过钢丝绳试样模拟电梯运行的实际工况，以一定的包围角绕过试验机的曳引轮，并对钢丝绳施加张力以一定的频率反复弯曲，测试钢丝绳承受弯曲疲劳的能力。
在钢丝绳生产企业中，以剑麻绳芯制作的电梯用钢丝绳，其耐疲劳内控标准为60万次，也就是弯曲拉伸达到60万次，该剑麻绳芯即可满足基本质量要求。由于电梯用钢丝绳疲劳测试的试验时间一般持续数十天至数月，试验周期长，还需要制作钢丝绳样品，试验费用高，因此，本文仅选择应用范围较广的φ8.0mm绳芯，制成规格为8×19S-NFC-10mm的电梯用钢丝绳，委托江苏赛福天钢索股份有限公司技术中心进行测试。测试结果见表5，其中配重为450kg。
由表5可见，岛相结构复合绳芯钢丝绳的耐疲劳次数为384万次，是同规格剑麻绳芯钢丝绳的3倍，超过剑麻绳芯钢丝绳的企业内控标准6倍以上，极大地延长了钢丝绳的使用寿命。与剑麻绳芯钢丝绳相比，岛相结构复合绳芯钢丝绳耐疲劳次数获得较大提升的主要原因有以下几个方面：首先是岛相结构复合绳芯线密度比剑麻绳芯高，绳芯结构密实，混用的剑麻纱形成了绳芯的骨架，保证绳芯具有较好的刚性，可以对钢丝绳起到更好的支撑作用；其次是PET长丝亲油?不吸油，经过加油处理的剑麻纱形成类似油库的作用，绳芯表面没有经过加油处理的PET长丝本身亲油后可以向钢丝绳中的钢丝缓慢释放润滑油，带给运行中的钢丝绳长期稳定的润滑效果；第三是岛相结构复合绳芯的直径均匀度更好，减少了运行中钢丝绳的承压变形，使钢丝绳运行更加稳定，受力更加均匀。
5 结语
本文采用PET长丝与剑麻两种纤维，设计并制作了3种直径的岛相结构复合绳芯，与企业提供的3种同直径剑麻绳芯进行对比，进行了强力?含油率?回潮率?线密度?直径与疲劳性等性能测试。测试结果显示：岛相结构复合绳芯与剑麻绳芯相比，在生产上可有效地简化流程?减少用工?降低成本；在性能上，在直径相同的情况下，岛相结构复合绳芯的线密度更大，强力提高明显，直径均匀度显著改善；采用岛相结构复合绳芯制成的钢丝绳，疲劳性检测达到384万次，是同规格剑麻绳芯钢丝绳的近3倍，耐疲劳次数得到较大提升，极大延长了钢丝绳的使用寿命。因此，岛相结构复合绳芯的研发具有较大的实用价值，是剑麻绳芯生产企业转型升级的一个重要方向。
参考文献
[1]崔影，刘艳，刘震.钢丝绳用复合材料绳芯[J].金属制品，2009，35(4)：52-57.
[2]刘震，崔影，韩丹.钢丝绳用剑麻绳芯结构设计与质量控制[J].金属制品，2010，36(5)：22-25.
[3]过惠成.电梯钢丝绳剑麻绳芯结构和生产控制[J].金属制品，2012，38(2)：48-51.
[4]晏立明.剑麻：钢丝绳绳芯的特优原料[J].金属制品，1993，19(1)：17-19.
[5]魏志远，田常录.高速电梯用钢丝绳直径均匀性控制[J].金属制品，2018，44(6)：4-9.
[6]刘梅城，陈志华，洪杰，等.一种双层包覆剑麻纱及其纺纱方法：202010241155.X[P].2020-08-07.
[7]洪杰，刘梅城，陈志华，等.剑麻/长丝复合绳芯用纱的开发及其性能[J].丝绸，2022，59(8)：25-29.
[8]刘梅城，陈志华，洪杰，等.一种轻质高强多芯复合结构绳芯及其生产方法：2020102419763[P].2020-07-10.
[9]刘梅城，洪杰，陈志华，等.复合结构熔喷纤维纱的开发及性能[J].上海纺织科技.2022，50(9)：15-18，22.
[10]杨志超，陈文兴，温国奇，等.高强低伸型涤纶工业丝的制备及力学性能研究[J].合成纤维工业，2017，40(4)：1-4.
[11]李青，于克勇，王声誉.环境温度和湿度对电梯用钢丝绳伸缩的影响[J].金属制品，2020，46(4)：39-41，45.
[12]贝聿泷，徐炽.聚酯纤维手册[M].2版.北京：中国纺织出版社，1992.
文章摘自：刘梅城，陈志华，洪杰等.PET长丝/剑麻岛相结构复合绳芯产品设计与性能[J].上海纺织科技，2023，51(06)：33-36+45.DOI：10.16549/j.cnki.issn.1001-2044.2023.06.005.
