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制造|高纤维的变革

精艇网 2016-4-26 来源:游艇工业
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     近二十年来,在高端超级游艇和海洋竞技中,出现了现代高强度轻质纤维索具。对于更多的中型船甚至DIY船主来说,现代纤维索具不失为一种经济实惠的选择。

     历史上人们是通过大力改进船体设计船帆设计减少总重来谋求航海的高效。近年来,碳纤维船体帆桅杆极大地减少了总重,降低了船的重心,因而强化了其稳定性性能。通过使用低弹性合成纤维替代不锈钢杆和电缆架索具,可以实现帆桅杆减重的性能优势。帆桅杆减重的同时,也可以减轻整艘船舶的重量,并缩短波动扶正时间,提高了船只的运动性能速度

     自从20年前出现了现代纤维索具,某些特种纤维已广泛应用于高端赛艇,特别是长度超过60英尺(18.3米)的赛艇。这些赛艇的主人愿意投入高价,引入新型的先进索具材料来改善赛艇的整体性能。即便现在,对于工作强度较大的船舶,比如赛艇,大多数纤维固定索具的建议更换间隔大约为3年。与其竞争产品不锈钢系统可服役20年相比,它的使用寿命明显比较短,但是这些材质却成功应用在全球范围内成千上万的船只上。这些船并非全是超级游艇。就在最近,一种名为Dynex Dux的纤维索具进入了市场。它价格比较低廉,更适合低端小型船只特别是DIY游艇使用。制造商称其使用寿命可达5年。

     合成索具中的人造纤维须具备惊人的强度延展度(弹性)却如此有限,让人难以理解如何能做到。这些纤维看起来完全不像是具备如此性能。其中最常见的两种,Spectra和Dyneema,看起来就像是廉价的光滑塑料绳。大多数其他纤维都需要外层防护套,因此在最终成品中完全看不到纤维本身。不过,因为它们在不损坏的前提下都不易保持绳结,所以依赖于特殊设计接线端子连接方法,来达到低负荷时的全强度。其中一种昂贵的接线方式是在拉力下持续缠绕末端套管上的纤维线。这就意味着每次停顿都是为需要的精确长度量身定制

     随着纤维技术的进步,出现了新型端子设计配置,进一步优化减重和索具性能。尾销被纤维环索、绑索和更具流线型的连索套筒螺母所替代。人们为不同的合成索具材料设计了新型线缆端子来控制预应力纤维,使其受力均匀。随着时间的流逝,有些类型的纤维经证实比其他的更耐用,人们开发出各种各样的防护外层来保护纤维,有时将其密封,与自然环境阻隔开来。

     最早的现代合成纤维索具是造来替代连续非连续配置中的不锈钢杆线材索具部件的。起初链板还在系统中,但在赛艇的改进中以将其淘汰了。所有的索具部件均并入一个单独的装配组合垂直件斜构件一体,极大地减轻了重量。某公司曾在纤维束中设计了固定链环套管,将斜构件与垂直件分开,略微增加了重量,但便于更换附加部件。

     新型纤维索具材料先是取代了金属支架,事实上,如今其他常规索具硬件已无用武之地。目前,竞技赛艇上普遍已更换了穿过单一开放式索端嵌环三轮滑轮的金属套筒螺母线端绳索。这一技术在外观上和功能上均与181920世纪初的索具运作类似,将纤维(通常是大麻纤维)系索穿过硬木制成的三轮滑轮和滑轮组,这就是拉紧纤维或金属绳索固定索具的工作机理。以前和现代两种纤维索具的使用,使得连接点易于调整和维修,但摩擦易损性又要求对其进行定期维护和监控。目前,即便是钩环螺栓也已被高性能纤维环扣所替代,这种环扣使用button-and-loop端子连接,容易拆卸。网上的教程视频表明,任何人都能制作这种实用并易于移除的索具部件。随着新应用的不断增加,现代纤维变革正慢慢取代赛艇索具上越来越多的金属元件。

 制造|高纤维的变革
Navtec出品的吊索绕线PBO拉索和两个不同的终端 上面的拉索单球头配件是传统的栓钉连接 下面的装配是更加先进的光滑洞眼 使用滑车带和系索调节张力

     一、现代索具纤维

     让我们来看一下目前固定索具上使用的主要纤维类型、其商标名称和持有人:
     1、PBO,即聚乙烯(聚对苯撑苯并双噁唑纤维):柴隆(东洋纺公司);
     2、Aramid(芳族聚酰胺):凯夫拉尔(杜邦公司),泰克诺拉(帝人公司);
     3、Carbon(碳纤维):碳纤维拉挤成型介质棒;
     4、HMPE(高分子量高密度聚乙烯):Spectra(霍尼韦尔公司),迪尼玛(帝斯曼迪尼玛公司);
     5、Heat-treated SK75 Dyneema(热处理SK75迪尼玛):Dynex Dux(Hampidjan);
     6、Heat-treated HMPE(热处理高分子量高密度聚乙烯):STS(新英格兰绳索拖飞宝公司);

     PBO,也就是聚乙烯,最早由美国空军在1980年代末开发,随后很快用于游艇索具。这种纤维呈金色,非常结实,必须使用特种工具切割。索系系统制造商购买这种纤维,或是结合了规定尺寸的防护表层,或是经其自身流程捆扎成的纤维纱。要从纤维束中获取固定索具缆索,需要从末端切开防护层,使用混合料(树脂)将其密封在锥形接头筒中,各种构型的终端均可穿入此筒。被制成各种构型的索端套环可通过以上方法充当终端,纤维束持续缠绕在按需求长度分布的索具成品金属索端套环的接线端子上,并在拉力作用下捆扎在防护套中。

     二、新型连接物

     传统的连续索具包括简单的侧支索——上部、中间体和下部——从桅具到甲板,一般主要在延展器顶端,但并不固定。非连续索具更加复杂,是使用连接装置在每个节点将直条线缆连接起来。如右图所示,它们的走向可以从甲板到延展器顶端(V1),甲板到桅具(D1),延展器顶端到桅具(D2),顶端到顶端或者顶端到桅具(V2,V3)。如下图:

 制造|高纤维的变革

     在每个节点上都有链节板,里面有起连接作用的尾销。在非连续索具中,每一元件都经过分析得出计算负荷和相应的尺寸,允许在甲板之上的高处使用更细更轻的线缆。这一系统空中重量最轻,在现代缆索和拉杆中比较常见。

     复杂的合成索具创造了连续索具的新时代,它具备非连续索具的显著优点。所有的固定索具纤维都包含在桅具每面的横桅索桨柄中,去除了链节板、终端和延展器顶端的插销。整个横桅索装配整合了桅具上多个连接点和甲板上的一个连接点。设计制造很复杂,但是正如任何一种索具一样,先是进行负荷计算,然后寻找合适尺寸的纤维来承担这一负荷。每一部分都连在桅具上,并指向合适的延展器顶端,在那里汇入一个单独的纤维束,再接到甲板为止。索具通过每个桅具终端的拉力装置调节。通过去除传统非连续索具的大部分硬件,实现大幅空中减重,通过整合传统连续索具中多个拉索减少风力影响。这一系统的缺点是初始成本,一旦哪里损坏了,整套昂贵的装配都必须更换。这类价格对那些不惜一切代价期待合成纤维索具带来最大利益的赛艇主们倒是合适。

     暴露于紫外线下或潮湿环境中会对PBO造成损害,因此,尽管纤维束已生成,仍须保存并密封在牢固的防护套中。制造商推荐每3年或航行30000英里更换一次PBO线缆,二者取其先,无论在此期间该船航程有多短。

 制造|高纤维的变革

      三、PBO纤维抗扭线缆

     Aramid是绳索和索具中使用最早的一种高性能纤维。它颜色呈黄色,通常用于层压航行构架。其抗老化和磨损能力较差,但耐高温。这种材料可与柔软的层压材料合成防弹衣,或用于硬脂层压材料制成划艇,其高强度低弹性在抗扯强度和抗冲击力方面表现突出。作为索具,该材料适合做成check拉索和活动后支索等缆索部件,与PBO相比,可承受更大的拉力。由于其价格较PBO更为低廉,有时会被用于较大直径的地方,来达到强度和弹性的平衡。制造商推荐每4到6年或航行30000英尺更换一次,二者取其先。Aramid纤维不易受紫外线和潮湿环境的侵害。

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      四、Aramid纤维抗扭线缆

     碳纤维开发于1970年代,目的是为了提高高性能层压材料的强度和韧性。其制作方法是把丙烯酸纤维置于无氧熔炉中加热,将其中的纤维还原为纯碳。碳层压材料结构优良的抗压强度使碳纤维广泛应用于桅杆、吊杆、大三角帆杆和高尔夫球杆。用于索具缆索的细碳纤维棒与刚性基质一起挤拉成型。这种碳纤维棒可按照要求切割长度,并捆扎在一起来达到目标强度。一旦捆扎完成,这些碳纤维棒就被压紧包在防护层中。附着粘合的管状接线端子与带螺纹的接线端子一起完成组装。

 制造|高纤维的变革

     五、碳纤维横桅索及附件

     碳纤维因成本低且易定制,只需增减碳纤维棒的数量,无需昂贵的卷绕定制过程,因此比PBO更受欢迎。与其它现代纤维相比,碳纤维使用寿命更长,而且不易受到紫外线或潮湿环境的影响。推荐每年或每航行10000英里对其进行一次检查,每6年或航行40000到60000英里进行一次彻底检查,碳纤维索具的使用寿命可达10年。

     HMPE是纤维索具中较新的一名成员。它是由与购物袋和牛奶壶相同的塑料制成的。特殊的制作过程将聚合物分子重新排列,制成这种高强度低弹性的材料。这种纤维熔点低(华氏297度摄氏147度),并且非常光滑。故而,它不易保持绳结。必须经过适当的拼接来完成高强度环路终端。此种材料是小型船只固定索具的明智之选,特别是可放在拖车上载运的小艇,因为柔软的缆索线圈便于装载运输。用于活动索具时,它可以用作很好的后支索、check拉索和帆脚索。应该注意的是,这种材质的带结绳索应做好捆扎或拴系等防滑措施。

     即便是暴晒在阳光下或是处于潮湿环境中,HMPE的使用寿命也很长。目前,无遮蔽使用的推荐更换间隔是5年,销售商Colligo Marine(加利福尼亚州Grover Beach)称Dynex Dux在热带地区的使用寿命可达8年。

     Dynex Dux是高分子量聚乙烯经过拉力下的热处理改善了构造弹性特征的产物。在织成绳索时,所有的纤维都有弹性,因为每股细绳都是在压力下紧紧编织在一起——这就是构造弹性。在Dynex Dux的制作过程中,绳索的预加弹性抵消了大部分的还原趋向。这一产品在使用简单的接合环扣终端的固定索具中能发挥最好的性能。Dynex Dux销售商Colligo Marine提供了各种各样的索端嵌环和相关部件,可供专业和业余索具装配人选择组装。游船可装配此种易于装载的索具缆索,由于索端嵌环连接端子可重复使用,要更换船只的固定索具只需更换绳索即可。Dynex Dux与其它昂贵的纤维相比更容易变形,因此高负荷固定索具有必要进行定期拉紧。


Dynex Dux缆索和铝制三孔滑轮

     六、弹性与变形

     任何一种处于重压下的缆索都会被轻微拉长,当这一外力移除后,缆索将恢复原来的长度。这称为弹性,并出现在压力的弹性范围内。根据估测,合成纤维索具呈现的弹性特征与其替代的金属索具类似;但是由于纤维索具比同尺寸的不锈钢绳或棒多呈现出来的弹性更大,其直径将比同类常规不锈钢索具更长。然而,与不锈钢索具的弹性特征相配的纤维拉索整体强度要比金属部件大得多。

     变形指的是缆索在长期的压力下慢慢拉长,当外力移除后,缆索无法恢复原来的长度。关于索具,合成纤维侧支索和拉索随着时间可能因变形而变得略微松弛。这就意味着由此种现代材料制成的固定索具应当定期进行调整。Colligo Marine公司举了一个例子。以50英尺(15.2米)长直径9毫米的Dynex Dux侧支索为例,在1200lbs(544.3千克)的持续压力下其每年变形2.4毫米。

     新英格兰绳索(拖飞宝公司)出品的STS是市场上最新的产品。与Dynex Dux一样,这也是一种高分子量聚乙烯,通过热处理降低了结构弹性。其性能与Dynex Dux类似,或许价格更低。目前这种材料只用于缆索,还未有支援硬件。

     七、尺寸与减重

     当合成材料首次应用于固定索具时,它们基本上取代了金属索具。因此,Nitronic50棒索具成为衡量赛艇合成索具尺寸的参考标准;1×19不锈钢缆索则是游船索具的标准。为了与金属的低弹性相匹配,合成索具直径通常应该更长(见图表1),但是强度也更大。尽管长直径增大了对风面(空气阻力),但也相应地减轻了重量(见图表2)。对一艘大型游艇来说,空中减重几百磅可使得龙骨减轻几吨的重量,因此极大地减轻了总重。空中减重对船体结构产生连锁反应,故而降低重量和结构负荷。即使在卸去底货的多体船上,如赛艇或游船,空中减重可大大改善运动性能,减少颠簸摇晃。

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     对大多数现代纤维来说,很难找到完全符合传统拉杆弹性和直径特点的,但是为了符合不锈钢的弹性特征,允许新材料的直径稍大些

 制造|高纤维的变革

     请注意,尽管直径变大,所有的现代纤维远比任何一种不锈钢材料要轻得多

     合成缆索组件属于劳动集约产品,需要人力装配,但这一成本或许可以用结构和压舱减重节省下来的费用相抵消。新型纤维缆索组件在很多方面都与旧款不同。诸如套筒螺母之类的张力调整器在大型索具中依然存在,但其中的多数金属部件已被三孔滑轮和合成低弹性绳索捆所替代。滚轴卷帆系统,不论是自下而上还是自上而下,现在都可以使用合成拉索。这些是特制的拉索,其设计能将扭力从一端传到另一端,而自身扭转幅度有限。这些拉索基本上都是同样的PBO或凯夫拉尔缆索,外面有一层螺旋纤维层,使它们不易产生扭转。在螺旋纤维层的外面还有防护层,使得拉索能更好地拉紧风帆。目前,一些制造商可提供直接连接在卷鼓上的线端终端。对高性能近海赛事来说,在不需要时能将风帆卷起存放在下面非常有利。

 对大多数现代纤维来说,很难找到完全符合传统拉杆弹性和直径特点的,但是为了符合不锈钢的弹性特征,允许新材料的直径稍大些
这种安装在Karver卷鼓上的带防护层抗扭缆索是特制的,用来抵制滚轴卷帆时发生扭转

     八、成本

     线端类型、现有硬件和空中减重造成的船体结构缩减的差异使得成本难以衡量。需要考虑两方面的成本:原始设备更换和终端接头更换。此外,还要加上不同索具类型需要的更换频率,这一方程式的变数更大。为了进行比较,我们将用原始安装和使用20年所需成本为参考数据。附加成本还包括拖拽船只等船厂服务和组装索具部件所需人力。不过,如果你是生活在新英格兰或类似气候环境中,船厂拖拽作业和冬季仓储已经包含在基本运营成本在内了。

     让我们来看一下不同类型索具的成本因素。

     1×19不锈钢缆索:这是“低价领袖”,尤其是带有铁模终端的。带有Sta-Lok或诺斯曼终端的价格稍微高一点。在干燥气候环境或北方地区的预期寿命是10至20年,在热带地区则要短一些。如果暴露在海风和暖空气中,腐蚀等级会升高。

     拉杆(Rod Rigging):成本是1×19不锈钢缆索的两倍,但幸运的是能使用20年。这种索具需要每年检测(有些使用专业的着色渗透剂),也许还需要进行换头处理。腐蚀问题方面与不锈钢缆索差不多。拖拽船只进行换头作业会产生较大费用。终端接头和桅具的定期检测所需费用也要考虑在内。

     PBO:直到最近,PBO仍是大型船只的首选。无论使用何种服务,其使用寿命都是3年,因此,与不锈钢索具的20年使用寿命相比,同期内这种材料的索具需要更换6次。起初很昂贵,正如碳纤维一般,成本因终端设计和建造不同而异。如果你一定要问,你买不起。

     Aramid:成本是不锈钢缆索的4倍,并且建议每5年或航行30000英里更换一次。20年的费用可能会是不锈钢缆索的12倍。

     碳纤维:根据报告,其预期使用寿命与二次换头的拉杆类似:也许能达到20年,视服务而定。它相对来说受恶劣海洋环境影响较小,具备高疲劳寿命。Navtec索具公司报告称,碳纤维占据了它们新索具市场份额的50%。由于线端终端的选择众多,而且优化安装需要的技术很复杂,因此很难进行明确的成本界定。

     高分子量聚乙烯:Dynex和STS的初始成本与不锈钢索具相同,或者略贵一些。根据报告,其预期寿命大约是8年,但如果有防护套或编织层来抵御紫外线的话可能更长些。由于终端接头可重复使用,每次只需更换纤维绳,因此更换费用不高。因为销售商可提供出色的支持,此类索具对于那些想要装配和修理自己的固定索具又想大幅节省人力开支的水手来说极具吸引力。

     过去的十年中,高强度合成纤维索具技术不断发展,对整个游艇业都很有利。在赛艇界,与昂贵的PBO相比,碳纤维凭借其预期寿命的提高占据了上风。Dynex和Dux是后起之秀,与相应的终端硬件一起开辟了面向小艇、敞篷帆船、游艇等全体船主的市场。对于DIY帆船主、远程游艇主来说,现在不需要求助于专业索具店和五金店,可以自行装配索具或者打包备用的固定索具材料以完成维修或更换部件,这一选择极具有诱惑力。

     我曾经设计过许多组装游艇,我建议每条船都考虑使用这些材料,而不仅仅是出于空中减重的需要。船主们从许多方面受益,至少可以避免金属索具面临的常年腐蚀问题。这些材料大多易于操作,纤维索具部件的装配不费吹灰之力,只需改动一点系索就能带来重大变化,而不需再次前往船具店。对于远离熟识的供应商和服务船厂的游艇或赛艇来说,修理索具时不再需要在港内苦苦等待合适尺寸和纹路的硬件运来。讽刺的是航天时代的技术让我们在索具配置和使用时仿佛回到了19世纪以前的横帆船时代,那时所有的维修原材料和技能都是在船上完成的。

     希望未来几年能看到这一技术继续进步,如果能与过去十年的进步一样快,是不会让我们失望的。毫无疑问,我的下一艘船只会使用高纤维。

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