張建可

(蘭州空間技術(shù)物理研究所真空低溫技術(shù)與物理國防重點實驗室 蘭州 730000)

1 引言

鋼絲繩是航天器聯(lián)動機(jī)構(gòu)的重要部件。航天器入軌后由于溫度變化，鋼絲繩的熱膨脹系數(shù)使鋼絲繩內(nèi)預(yù)緊張力發(fā)生變化，為了計算評估不同溫度下鋼絲繩內(nèi)的張力，需要測試鋼絲繩的低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)。由于鋼絲繩的低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)，與鋼絲繩材料本身的熱膨脹系數(shù)不同，發(fā)生了較大變化，其中加入了加工、應(yīng)力等對鋼絲繩的影響因素，因此必須對所使用鋼絲繩進(jìn)行實際測試才能完全掌握其熱膨脹行為。繩索類的熱膨脹系數(shù)，國內(nèi)外開展的較少，而且均為常溫及高溫試驗［1－2］。本文介紹了低溫下鋼絲繩的熱膨脹系數(shù)測量的試驗方法，并對影響因素和規(guī)律進(jìn)行討論分析。

2 鋼絲繩低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)的測試裝置

2.1 試驗方法概述

測量鋼絲繩低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)的試驗方法，基本原理還是按GJB332－87《剛性固體平均線膨脹系數(shù)測試方法》、QJ1522－88《剛性固體低溫線性熱膨脹系數(shù)測試方法》中的示差法原理［3－4］。不同的是對裝置要進(jìn)行改造，考慮到鋼絲繩有一定的預(yù)緊力，因此要對被測鋼絲繩施加不影響試樣測量的預(yù)緊外力。

測量方法如下:當(dāng)鋼絲繩試樣受一定拉力，處于某垂直穩(wěn)定狀態(tài)，對鋼絲繩試樣施一加熱功率，通過熱電偶溫度信號控制鋼絲繩試樣溫度，當(dāng)其溫度變化到另一溫度，溫度變化為T2－T1=ΔT，鋼絲繩試樣長度相應(yīng)發(fā)生變化，從長度L1變化到L2，長度變化了L1－L2=ΔL。長度變化通過鋼絲繩試樣頂動上牽引頭，再通過石英桿傳遞到千分表測量出來，溫度變化由溫度計測出。以室溫下長度L0為基準(zhǔn)，按照線性熱膨脹系數(shù)的定義，在某一溫區(qū)內(nèi)，鋼絲繩試樣的平均線性熱膨脹系數(shù)由下式計算出來:

式中:α為鋼絲繩試樣熱膨脹系數(shù)，1/℃;ΔT為試樣從某一溫度變化另一溫度的溫度差T2－T1，℃;ΔL為對應(yīng)上述溫度變化ΔT，試樣長度發(fā)生的變化L2－L1，mm;L0為室溫下測量的鋼絲繩試樣長度，mm。

2.2 試驗裝置

試驗裝置示意圖如下，裝置由杜瓦、制冷劑、恒溫銅管、千分表、石英管、砝碼、上下牽引頭等組成。試驗裝置示意圖見圖1、圖2。

圖1 低溫試驗裝置示意圖Fig.1 Low temperature schematic diagram of measuring apparatus

圖2 低溫試驗裝置A向局部放大示意圖Fig.2 Part A of low-temperature schematic diagram of mesuring appratus

2.3 試驗裝置校準(zhǔn)

裝置使用前，在－122.8—－20.1℃溫區(qū)內(nèi)，采用美國柏杜熱物理數(shù)據(jù)中心推薦的標(biāo)準(zhǔn)材料無氧銅［5］進(jìn)行數(shù)據(jù)測試比對，經(jīng)過修正的測量數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)比對，最大偏差小于5%。

表1 標(biāo)準(zhǔn)材料無氧銅熱膨脹系數(shù)測試比對Table 1 Compare of thermal expansion coefficient of normal Cu and measuring value

3 測量過程與采取的主要措施

測量過程中，為保證試樣的溫度均勻性良好，試樣段采用紫銅管進(jìn)行包覆，在銅管上直接均勻繞制加熱絲，消除試樣上下的溫度梯度，在試樣上、下端部位分別安裝兩只低溫?zé)犭娕?，取兩者平均值為試樣溫度，并用于試驗時對試樣的控溫信號。試驗狀態(tài)雖然不在真空中，但根據(jù)試驗，只要試樣、恒溫銅管不與工質(zhì)直接接觸，控溫是可實現(xiàn)的，而且溫區(qū)范圍較小時(－100—+25℃)更容易實現(xiàn)。

為了模擬真實使用情況，測量中需要對試樣施加預(yù)緊拉力，研究預(yù)緊拉力對鋼絲繩熱膨脹系數(shù)的影響。根據(jù)試驗條件分析，拉力分布范圍在10—200 N，選定10、60、160、210 N 拉力為預(yù)緊力，進(jìn)行熱膨脹試驗。施加預(yù)緊拉力采用砝碼，以保證拉力恒定。預(yù)緊拉力通過上下牽引頭施加垂直拉力，試樣膨脹時頂動千分表，為了防止頂動千分表時產(chǎn)生分力，千分表的頂桿位置要求在牽引拉力的中心線上才不會產(chǎn)生偏心力的影響。因此，設(shè)計了傳力框架，使千分表在中心受力(見圖1—圖2)。有效消除了對拉力偏心的影響。

在試驗中，要盡量減少和消除施加拉力時連接機(jī)構(gòu)牽引頭材料對鋼絲繩熱膨脹的影響。為此。對于測量結(jié)構(gòu)與試樣的連接方面要采取一定措施。連接機(jī)構(gòu)牽引頭采用熱膨脹系數(shù)小的材料如0°方向的碳纖維復(fù)合材料單向板等，其熱膨脹系數(shù)約為10－8，在本裝置中，采用的0°方向的碳纖維復(fù)合材料單向板實測平均熱膨脹系數(shù)為5.67×10－7。而鋼絲繩的熱膨脹系數(shù)約為10－5，相差兩個數(shù)量級。因此完全可以不考慮對試樣測量的影響。兩端其它部件距變溫區(qū)較遠(yuǎn)，溫度影響小，因而熱膨脹行為對測試影響不大。消除試樣連接時的測量影響上下牽引頭與試樣的連接方式，也是對試樣受力是否偏心和準(zhǔn)確測量試樣的重要影響環(huán)節(jié)。經(jīng)過試驗與驗證，采用上下牽引頭開槽連接的方式(見圖3)可以解決保證試樣受力后對中的問題和準(zhǔn)確測量試樣長度的問題。試樣兩端各焊接一個3 mm×2 mm×8 mm的小方柱子，可通過試樣中的槽子掛接后，與上下牽引頭拉緊。為了防止柱子滑脫，可在柱子兩邊粘接檔塊。測量時，鋼絲繩受力長度(測量計算長度)從小方柱子焊接邊緣計算。小方柱子熱膨脹的影響(兩只約6 mm)較小，針對試樣(150 mm)來說，僅占4%。如果已知小方柱子熱膨脹系數(shù)并進(jìn)行修正，則影響可以不用考慮。

圖3 牽引頭開槽與鋼絲繩試樣連接示意圖Fig.3 Joint way of sample and wire rope

3 部分鋼絲繩熱膨脹系數(shù)測試結(jié)果與分析

3.1 測試數(shù)據(jù)

分別對不同直徑和不同加載預(yù)緊力的鋼絲繩進(jìn)行了測試。圖4—圖15是部分測試結(jié)果。

圖4 Ф1.2 mm試樣加載10 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.4 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 10 N

圖5 Ф1.2 mm試樣加載60 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.5 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 60 N

4 試驗結(jié)果分析討論

圖6 Ф1.2 mm試樣加載160 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.6 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 160 N

圖7 Ф1.2 mm試樣加載210 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.7 Curves between thermal expansion coefficient of φ1.2 mm sample and temperature loading 210 N

圖8 Ф2 mm試樣加載10 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.8 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 10 N

根據(jù)大量試驗，3種鋼絲繩直徑分別為Φ1.2 mm，Φ2 mm，Φ2.5 mm，其熱膨脹系數(shù)隨溫度變化趨勢相同，溫度升高熱膨脹系數(shù)增加。為了便于比較，在測試溫區(qū)內(nèi)，對各試驗結(jié)果進(jìn)行了平均熱膨脹系數(shù)的計算，直徑越粗的鋼絲繩熱膨脹系數(shù)越小，其熱膨脹系數(shù)大小排列順序如下:

Φ2.5 mm熱膨脹系數(shù)＞Φ2 mm熱膨脹系數(shù)＞Φ1.2 mm熱膨脹系數(shù)

在－100—+25℃的平均溫區(qū)內(nèi)，3種規(guī)格鋼絲繩試樣在4種拉力下的熱膨脹系數(shù)平均值計算列表見表2。

圖9 Ф2 mm試樣加載60 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.9 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 60 N

圖10 Ф2 mm試樣加載160 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.10 Curves between thermal expansion coefficient of φ2mm sample and temperature loading 160 N

圖11 Ф2 mm試樣加載210 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.11 Curves between thermal expansion coefficient of φ2 mm sample and temperature loading 210 N

從表2可以看出，試驗數(shù)據(jù)表明:鋼絲繩所受拉力對熱膨脹系數(shù)影響較弱，直徑越粗的鋼絲繩其熱膨脹系數(shù)影響越小。Φ2.5 mm鋼絲繩、Φ2 mm鋼絲繩，所受拉力越大，熱膨脹系數(shù)數(shù)值增加;而Φ1.2 mm鋼絲繩變化趨勢不確定。分析原因，Φ1.2 mm鋼絲繩主要是拉力較小時，試驗預(yù)緊力不夠，每次拉力狀態(tài)有所不同，因而出現(xiàn)趨勢變化不明顯情況，受外界影響大，數(shù)據(jù)存在一定偏差。鋼絲繩所受拉力對熱膨脹系數(shù)影響較弱，直徑越粗的鋼絲繩熱膨脹系數(shù)越小。

圖12 Ф2.5 mm試樣加載10 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.12 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5 mm sample and temperature loading 10 N

圖13 Ф2.5 mm試樣加載210 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.13 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5mm sample and temperature loading 210 N

圖14 Ф2.5 mm試樣加載160 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.14 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5 mm sample and temperature loading 160 N

圖15 Ф2.5 mm試樣加載210 N熱膨脹系數(shù)測量數(shù)據(jù)溫度曲線Fig.15 Curves between thermal expansion coefficient of φ2.5mm sample and temperature loading 210 N

表2 3種規(guī)格鋼絲繩試樣熱膨脹系數(shù)平均值Table 2 Average values of thermal expansion coefficient for three specifications wire rope

5 結(jié)論

(1)直徑越粗的鋼絲繩熱膨脹系數(shù)平均數(shù)值越小。

(2)鋼絲繩熱膨脹系數(shù)隨溫度升高而增加。

(3)鋼絲繩所受拉力對熱膨脹系數(shù)影響較弱，直徑越粗的鋼絲繩熱膨脹系數(shù)受拉力影響越小。

(4)鋼絲繩所受拉力的預(yù)緊力對不同粗細(xì)鋼絲繩要求不同，達(dá)不到鋼絲繩拉力的預(yù)緊力，其熱膨脹系數(shù)數(shù)值有所不同。

1 宋 杰，王麗娟，倪亞輝，等，水域加熱拉索線性熱膨脹系數(shù)測試研究［J］，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007(4):114－116.

2 John W Leonard.Tension Structures Behavior＆ Analysis［M］.New York:McGraw－Hill Inc，1988.

3 GJB332A－2004.剛性固體平均線膨脹系數(shù)測試方法［S］.

4 QJ1522－1988.剛性固體低溫線性熱膨脹系數(shù)測試方法［S］.

5 Touloukian Y S，Liley P E，Saxena S C.et al.，Thermal expansion:metallic elements and alloys.Thermal physical properties of Matter 12［M］.New York，IFI/Plenum，1975.