秸秆压捆绳打捆结扣稳定性试验研究

秸秆压捆绳打捆结扣稳定性试验研究

0结扣预紧力对秸秆大装置结扣件的影响通常，收获的谷物通常是压碎的，用高官的绳子绑住，然后是绑成的。因此,打捆绳的强度以及结扣的稳定性直接关系到秸秆捆的整体性和稳定性。目前,秸秆收集已广泛采用机械化作业,打捆绳的环绕与成结也由机械完成。打结机械手可对打捆绳实现两种成结形式,即α死结和α活结。成结后的预紧是利用秸秆捆绳环将打结嘴卡咬α结的开放端拉脱实现的。由于结扣不易控制在秸秆捆的棱角处,在秸秆捆回弹膨胀时,结扣大多处于绳环的直段上,即结扣处的两股打捆绳呈反向、共线受张状态。为使结扣结构稳定,绳环受张时需控制结扣处打捆绳的滑移和滚翻,以避免打捆绳端头缩脱造成的结扣崩溃。另外,绳环受张时结扣处打捆绳的应力状态取决于结扣的几何构造和力学关系。在打捆绳类型确定时,结扣的几何构造和力学关系直接与预紧力相关。因此,结扣预紧程度既影响结扣结构的稳定,又影响结扣处打捆绳的应力状态和强度,进而影响秸秆捆整体稳定性以及打捆绳的利用效率。本文针对3种常用的秸秆捆绳—扁丝并股绳、网膜并股绳和撕裂膜并股绳形成的α死结与α活结,分析了在施加不同预紧力时绳环受张时形成的α结的缠绕和绞扭结构,以及打捆绳应力集中的产生方式和区域;通过控制绳环受张断裂时打捆绳开放端头的滑移(回缩)量,确定3种捆扎绳分别以α死结、α活结环结时所需的极限预紧力,并对不同预紧力下结扣处打捆绳的破坏形式和抗张强度进行检验和测定。在此基础上,分析了结扣稳定所需的几何结构和力学条件以及结扣形式与预紧力对绳环抗张强度的影响。1检测方法1.1材料表面PE/PP共混材质的扁丝并股绳、网膜并股绳和撕裂膜并股绳,3种绳的特数分别为7842Tex,7103Tex,5489Tex。1.2仪器XWW-20万能试验机,由承德市金建检测仪器有限公司生产。1.3预紧力试验两根打捆绳合并成双股,将双股打捆绳的一端扣结成α死结和α活结,控制α结端头长度为35～40mm。将两种α结的两端打捆绳分别夹持于XWW-20万能试验机的夹具上,并以0.5mm/s速率施加50,100,200N×n(n=1,2,3,……)的预紧力。考虑打结嘴处卡咬能力预紧力最大设定为2000N,之后将α结两股绳劈开后再次夹持于试验机两端夹具上,夹具间绳长200mm,以1.0mm/s的拉伸速率施加张力,由XWW-20万能试验机得到拉伸曲线,同时记录拉伸过程α结端头打捆绳(环)的滑移量。1.3.1成结过程中极限滑移量的确定考虑绳环受张状态下的蠕变,在α结的开放端头打捆绳长度≥20mm,根据现用打结器的结构尺寸和试验,得到成结过程打捆绳的滑移规律,确定极限滑移量为20mm,即当极限滑移量超过20mm时定性为预紧力不足。1.3.2边界预测结扣后绳环张断时,能够使打捆绳端头滑移量低于极限滑移量所需的最小预紧力。1.3.3抗张力，绳索环限制结扣后,绳环受张过程在任意处断裂时绳环承受的最大张力。2试验结果及分析2.1环接绳张力随结构的变化受张稳定状态α结内各部位打捆绳的受力状态可简化为3种形式,见图1所示。α环处的应力主要是由交叉张力产生的弯曲应力和内环面的挤压应力。由于各处纤维束曲率不同,自内而外张应力由小到大。穿越α环的端头除受来自环内的张力外,还受α环的挤压力和由滑移趋势产生的表面摩擦力。对于在外压力下可收缩的断面结构,此段易形成楔状结构,使端头滑向α环心滑移阻力加大,同时具有较大表面摩擦力的打捆绳也会增加端头滑向α环心滑移阻力。由α环心到张直段过渡区的打捆绳与α环应力状态相同,只是由于曲率更大而使内外层纤维的张应力差异更大。由α结的结构可知,环接绳环受张时,α结各部位的打捆绳线性张力的变化规律为:进入α结的张力由初始的最大逐步衰减,至开放端头为0张力;另外,打捆绳各断面纤维束受张力的总和即为此断面的总张力。纤维束间张应力差异较大的断面处,在总张力水平较高时极易出现部分纤维张应力达到断裂极限应力而崩断,进而加大其余纤维束的应力水平,甚至产生连锁崩断效应。由此分析可见,曲率较大的过渡区是α结环接绳环的应力集中点,过渡区抗张强度即为绳环的可用抗张强度,而提高过渡区抗张强度则可提高捆扎打捆绳的利用效率。上述分析在绳环抗张强度试验中得到证实,即绳环的断裂均出现在过渡区,见图2所示。2.2抗张力性能，打捆绳经α结环接后,绳环的抗张强度实际上是打捆绳抗张强度和α结处抗张强度的低者。通过测定α结的抗张强度,可间接得到绳环的抗张强度。2.2.1三种抗张力绷带的性能为了考察打结对绳环抗张强度的影响,首先检测了3种打捆绳抗张强度及拉伸曲线,见图3所示。2.2.2打绑绳临界预紧力试验检测由于3种打捆绳形成稳定α结的条件不同,为减轻预紧过程对打结器的磨损和损伤,应在保证结扣稳定的前提下施加较低的预紧力。为此,对3种打捆绳的打α结所需的临界预紧力进行了试验测定,得到了3种打捆绳分别打α活结与α死结时的结扣处拉伸曲线,见图4所示。由图4可见:当预紧力不足时,打结后的打捆绳受张过程会在较低的张力水平下发生松弛,表现为曲线的波动和拉伸位移的持续增加。这种现象是由结扣处发生的滑移和滚翻将原有静摩擦平衡转变为动摩擦平衡所致。因此,临界预紧力的确定应以能使绳环断裂出现较高强度峰值,且在达到最高强度前不出现明显张力松弛为原则。试验检测和确定的3种打捆绳临界预紧力及抗张强度特性见表1所示。试验检测发现:与打结前相比,撕裂膜绞股绳打死结处的极限抗张强度下降了20%～30%,打活结处下降了10%～20%;网膜并股绳打死结处下降了50%～55%,打活结处下降了40%～45%;扁丝并股绳打死结处下降了55%～60%,打活结处下降了50%～55%。在设定最大预紧力2000N时,网膜并股绳环可用的抗张强度最高。由于扁丝并股绳材料质硬、光滑,抗弯曲阻力大,表面摩擦力小,采用α死结环接打捆绳时,当预紧力加到2000N时,结扣仍然滑脱失效。改用α活结环接,在受张过程随着绳端收缩,端头质硬的环状结构会使向α结环心滑移的绳索断面积逐渐增加,滑移阻力逐渐提高而达到自锁稳定状态。2.3结扣前后临界预紧力检测反向受张状态绳结不稳定状态有持续滑移和持续滚翻两种形式,均会反映到α结开放端头的长度变化量上,即线性滑移量的变化。由于打结器结构限制了开放端头的长度,过大的滑移量将直接导致结扣的崩解。根据α结的结构消除持续滑移,具体方法:一是提高打捆绳表面摩擦力;二是通过增加打捆绳的线性张力提高打捆绳间的挤压力,强化结扣缠绕,增加结扣绞扭处接触面积。消除持续滚翻则要通过增加打捆绳的线性张力减小α环的直径,降低绳环受张时过渡区内打捆绳产生的滚翻动力,加大穿越α环开放端的楔形结构楔角来增加翻滚阻力实现。与这些措施相关的力学条件均与α结内打捆绳的线性张力有关,而线性张力源于结扣后的预紧力,故分析预紧力与滑移量之间的关系成为了研究捆扎稳定性的关键。依据图4,可根据打结处能否达到绳环极限抗张力来确定临界预紧力,但不能直接得到承受极限抗张力时的极限滑移量,为此需对不同预紧力下的极限滑移量进行检测。3种打捆绳结扣处滑移量如表2所示。由表2可见,撕裂膜绞股绳打死结时尽管采用50N的预紧力可得到极限抗张力,但绳端极限滑移量有时超限(20mm),故临界预紧力以100N为宜;网膜并股绳以400N的预紧时极限滑移量同样存在个别超限问题,应加大至600N为宜;扁丝并股绳在预紧力达到2000N时结扣处仍产生持续滑移(结扣滑脱),考虑打结舌很难提供如此高的预紧力,实际使用时扁丝并股绳以采用α活结环接为宜。3结环接法优化通过对3种秸秆打捆绳形成的α死结和α活结处结构、受力状态以及影响α结结构稳定条件的分析,对不同预紧条件下极限抗张力及与之对应的极限滑移量的检测比较,初步确定了3种秸秆打捆绳的临界预紧力和绳环可用最大抗张强度。通过对试验现象和结果的检测、分析,初步得到以下结论:1)提高预紧力是增加α结稳定性的主要手段,但受限于机械结构和强度。撕裂膜绞股绳在较低的预紧力下即可使α结自锁稳定,原因在于其抗弯曲强度低且断面可压缩(束腰)。因此,以α结环接时应选用相对柔软和弹性断面的打捆绳。2)α活结较α死结自锁性好,结构稳定,且对打捆绳强度削弱程度轻,尤其是质硬、光滑的打捆绳应采用α活结环接位移