钢丝反复弯曲试验机张紧力指示装置的改造和试验

吴 澎，陈建豪

（国家钢丝绳产品质量监督检验中心，江苏  南通  226011）

摘要：目前普遍使用的钢丝反复弯曲试验机很少有带张紧力指示装置，仅仅通过弹簧将钢丝拉紧。通过计算弹簧的弹性系数，可将位移值转换成力值，从而在试验机上直接加装张紧力指示装置。试验证明，通过该法进行反复弯曲试验机的改造可以很好地消除张紧力不一致对反复弯曲次数的影响。

关键词：反复弯曲试验机；张紧力指示装置；弹簧弹性系数；改造和试验；反复弯曲次数

Improvement and Test of Steel Wire Reverse Bend Test Machine Tension Indicating Device

Wu Peng，Chen Jianhao

（National Steel Wire Rope Product Quality Supervision & Inspection Centre，Nantong 226011，China）

Abstract: Tension indicating device is rarely applied in a steel wire reverse bend test machine. The Steel wire is tightened just by a spring. Through the calculation of elastic coefficient of the spring, values of displacement can be converted into force, tension indicating device is installed in the test machine. By this method, transformation to a reverse bend test machine can effectively eliminate the inconsistency of tension to the influence of the reverse bend frequency. 

Keywords: reverse bend test machine; Tension indicating device; elastic coefficient of the spring; Reverse Bend Test Machine; transformation and test ; the reverse bend frequency

    反复弯曲试验是考核钢丝绳中拆股钢丝韧性的重要指标之一[1],各种钢丝绳的产品标准都对其必须达到的技术指标做出明确的规定[2],钢丝的化学成分、热处理工艺等材料自身的组织性能对反复弯曲试验的结果有着直接的影响。但在试验中，钢丝自身的组织性能已经固定下来，真正对钢丝的反复弯曲次数有着决定性影响的是试验方法和试验条件。如弯曲圆弧半径、张紧力、夹持方法、弯曲速度、弯曲角度等因素都会不同程度的影响反复弯曲次数[3]。在实际进行反复弯曲试验过程中，我们发现不同反复弯曲试验机的张紧力装置不相同或同一反复弯曲试验机由于操作者不同而导致试验结果有所差异。因此我们在反复弯曲试验机上的张紧力装置上加装指示装置，明确对钢丝施加的张紧力，以期能够消除因为张紧力不一致给反复弯曲试验结果的影响。

    1 试验机的改造

    钢丝反复弯曲试验机分为手动和电动两种，主要区别在于手动弯曲试验机不能保证试验弯曲速度的均匀性，但在张紧力装置上基本相同，其原理图如下：

图1 反复弯曲试验机原理图

Fig.1 Schematic diagram of reverse bend test machine

    在GB/T 238-2002《金属材料 线材 反复弯曲试验方法》中规定施加的张紧力不得超过试样公称抗拉强度相对应力值的2%[4]。如何来确定张紧力的大小主要通过调节张紧力装置中弹簧的位移来确定。由于没有一个明确的指示值，通常在试验中都是将弹簧压至任意位置将钢丝通过卡口固定好后松开弹簧进行试验，这样就造成同一丝径的钢丝进行多次试验时采用的张紧力并不相同。

    在加装过程中，首先考虑了直接在张紧力装置上加装力值传感器。使用这种方法可以获得精确的张紧力，但这种方法需要通过特定的厂家进行改造，成本较高，对于设备的使用维护也有较高要求，不适合大规模的推广应用。

图2 圆柱旋转压缩弹簧示意图

Fig.2 Diagrammatic sketch of cylindrical rotary compression spring

钢丝反复弯曲试验机张紧力装置一般采用圆柱旋转压缩弹簧施加张紧力（见图2）。根据胡克定律，我们知道弹簧的位移和力值之间存在线性关系，可以通过调节位移来获得所需的力值。计算公式如下：      

F= P'λ                        （1）

F ——弹簧轴向压力，N；

λ——弹簧轴向压缩量,mm；

P' ——弹性系数，N/mm

弹性系数通常来说是一个常数，通过查阅机械设计手册可得[5]：

                                (2)

G ——弹性材料的切变模量，MPa；（钢为8×104MPa）

d ——弹簧丝直径，mm；

n ——弹簧的有效圈数； 

C ——弹簧旋绕比

    弹簧旋绕比C为弹簧中径D/弹簧丝直径d。通过测量弹簧外径D2与弹簧丝直径d，相减后即为弹簧中径D。弹簧的有效圈数为实际圈数减去支撑圈数。即:

                              （3）

    这些数值对于装配在反复弯曲试验机上的弹簧来说均可以直接测量和计算，从而得出弹性系数的值，将弹簧的位移值直接转换成弹簧的轴线压力。根据牛顿第三定律可知，弹簧所受轴向压力即为钢丝所受张紧力。

    本次改造的对象为YWJ-6型电动反复弯曲试验机。弹簧外径为15.02mm，弹簧丝直径为1.32mm，弹簧实际圈数为13，支撑圈数为2。通过公式3可以计算弹性系数P'为1.073N/mm。弹簧原始长度为42.20mm，压缩量最大时长度为18.50mm。力与位移的关系如下表所示：

表1 力与位移的关系

Tab.1 Relationship between force and displacement

因此只需根据表1对应的数据制作刻度尺，并在弹簧底侧加装，在弹簧的顶部加装指针就可以直接读出钢丝张紧力的大小，见图3。采用该法进行反复弯曲试验机的改造，只需计算出弹簧的弹性系数，制作刻度尺和指针，改造过程简单，费用低廉，同时在实际使用过程中，只需将弹簧压到指针所指的固定位置，与改造前相比并不会降低过多测试效率，适用于对市面上大部分类型反复弯曲试验机的改造，可进行大规模实际应用和推广。为防止弹簧多次反复使用后弹性系数发生变化，可定期用弹簧试验机对张紧力进行校准，如有偏差应及时更换同规格的弹簧。

  图3a  试样张紧前                         图3b   试样张紧后

   2 试验

    试验样品采用的一般用途钢丝绳，规格为15NAT6×37+FC1670ZS，拆股钢丝直径为0.70mm，强度等级为1670MPa。YB/T 5343-2009和GB/T 238-2002中对圆柱支座半径的要求不同，根据相关资料[6]，本次试验采用YB/T 5343-2009的要求。试验条件如表2所示：

表2 试验条件[4,7]

     Tab.2 Test condition                           mm

    随机选取6股钢丝绳中1股进行拆股。由于制绳钢丝在拆股后，钢丝具有特许的螺旋状结构，试样存在一定程度的扭曲，用手矫直后进行试验。在未改造前的试验机先进行一组试验，在改造后的试验机上进行三组试验，张紧力分别选取3N、13N、25N，共进行四组试验。

表3 试验结果

Tab.3 Test result

    根据表3的试验结果，进行数据统计，见表4：

表4 结果统计

Tab.4 Results of Statistics

3 试验讨论

    由表4可以看出未改造前的反复弯曲试验由于每次进行试验时张紧力的选择不能完全相同，其试验结果比后3组数据更为离散，数据的重复性很差。这是因为不带力值指示装置的反复弯曲机，由于使用者不同或同一使用者不同操作次数对弹簧施加的力也不尽相同，导致试验数据相差较大。在加装了张紧力指示装置后，可以看出数据较为平均。

GB/T 238-2002中规定施加的张紧力不得超过试样公称抗拉强度相对应力值的2%，本次试验的张紧力应不大于13N。根据表1可知，本次试验采用的反复弯曲试验机其弹簧的量程最大为25N。在未改造前，将弹簧压至最底部时，其张紧力应在25N左右。张紧力为25N与张紧力为13N的反复弯曲次数相比两者平均值相差了1.68次。由此可见随着张紧力的增大，反复弯曲次数也相应减小。

    张紧力3N和13N均符合标准不大于公称拉力2%的要求，但两者试验数据差异较大，平均值相差3.36次。一般来说，钢丝直径小于1.2mm且越细，张力对反复弯曲次数影响较大。对于较细钢丝，当张力过小或无张力时，反复弯曲次数会成倍增加。之所以这样，是因为在张力过小或无张力的情况下，在反复弯曲过程中，钢丝极易形成二处或多处弯曲变形段，从而导致反复弯曲次数增加[8]。在施加了3N张紧力的情况下，并没有改变上述情况，从而导致试验数据偏大。因此，对于直径较小的钢丝上应在标准要求下尽可能选择较大的拉紧力，在处理质量异议或仲裁检验时建议取2%[9]。

4 结论

目前大部分反复弯曲试验机上没有张紧力指示装置，从而导致在实际试验中因为张紧力不一致的影响了试验数据的准确性。一般来说，张紧力过小反复弯曲次数变大，张紧力过大反复弯曲次数变小。钢丝特别是小直径钢丝在施加很小的张紧力进行反复弯曲试验的过程中容易形成二处或多次弯曲变形段，而导致反复弯曲次数变大。 

在试验中，操作者往往因为没有张紧力指示装置有可能将弹簧压至最底部，对于直径很小的钢丝来说，可能其张紧力远大于标准规定值，过大的张紧力必然影响反复弯曲次数的次数。

在计算反复弯曲试验机中圆柱旋转压缩弹簧的弹性系数后，将弹簧位移值转换成张紧力，制作力值的刻度尺和指针完成对反复弯曲试验机张紧力指示装置的改造，可以很好的解决上述问题。

由于以往的反复弯曲试验机上很少有带张紧力指示装置，所以GB/T 238-2002中规定施加的张紧力仅仅是不得超过试样公称抗拉强度相对应力值的2%，而在解决了张紧力指示装置后，完全可以将这一范围值改为一个固定值，希望在进行标准的修订时进行改进，以期从根本上解决消除张紧力不一致对反复弯曲试验的影响。

参考文献：

[1] 宁云娥. “GB238—84”金属线材反复弯曲试验方法在检测工作中的应用[J].大连特殊钢，1999(1)：31—34.

[2] 吕英臣，沈志军，李亚平.制绳钢丝力学性能的研究[J].金属制品，2008(6)：5-7.

[3] 王锦国. 钢丝反复弯曲试验拉紧力与弯曲寿命的关系[J].理化检验-物理分册，2002（1）：37—40.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 238-2002,金属材料 线材 反复弯曲试验方法[S].北京：中国标准出版社，2002.

[5] 成大先.机械设计手册第五版（第3卷）[M].北京：化学工业出版社，2008：469-270.

[6] 林华.钢丝绳质量检测中几个问题的探讨[J].浙江冶金，2002(1)：37—42.

[7] 中华人民共和国共和国工业和信息化部.YB/T 5343-2009,制绳用钢丝[S].北京：冶金工业出版社，2010.

[8] 聂瑞华，李桂芹.影响钢丝反复弯曲次数试验因素的分析与探讨[J].物理测试,    1997(4):14-17.

[9] 衡俊华，张平萍.金属线材力学及工艺性能试验方法标准综述[J].金属制品，2003(3)：47-50.