ПРОВОЛОЧНЫЙ КАНАТ Российский патент 1995 года по МПК D07B1/06 

Изобретение относится к длинномерным гибким линиям связи и может быть использовано в качестве буксировочного, подъемного или натяжного элемента систем, в том числе тралового рыболовного оборудования.

Известна конструкция каната, содержащая не более четырех проволочных многослойных прядей крестовой свивки, в котором отношение шагов свивки слоев проволок пряди к шагу свивки прядей в канат выбрано не более удвоенного квадрата отношений средних радиусов свивки этих слоев проволок к среднему радиусу свивки прядей в канат. Однако такой канат подвержен сильным вибрациям при использовании его в качестве буксировочной линии связи в потоке воды или воздуха.

Также известна конструкция каната, содержащая несколько слоев проволоки свитых в одном направлении, при этом углы свивки проволок по слоям обратно пропорциональны радиусам свивки соответствующих слоев проволок. Недостатком такой конструкции каната, является его малая надежность и низкие показатели некрутимости.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание конструкции каната повышенной надежности, предназначенного для эксплуатации в различных средах, как при статических, так и динамических нагрузках. Повышение надежности каната достигается за счет увеличения показателей его некрутимости при одновременном уменьшении вибрации в потоке среды эксплуатации, а также за счет более равномерного распределения нагрузки по слоям свивки. Предлагаемая конструкция каната состоит из трех прядей, каждая из которых содержит несколько слоев проволок свитых с заданным шагом.

Основными существенными отличиями предложения являются обоснованно выбранные диапазоны величин шагов свивки наружных слоев проволок в прядях и шага свивки каната в целом по отношению к диаметру каната. Предлагается выполнять шаг свивки наружного слоя в прядях в пределах от четырех до пяти величин диаметра каната, а шаг свивки каната в целом в пределах от 9 (девяти) до 11 его диаметров.

Также установлено, что наиболее целесообразной является линейная зависимость шагов свивки проволок по слоям в прядях каната от радиусов расположения соответствующих слоев. Перечисленные существенные отличия определяют новизну, изобретательский уровень предложения и позволяют решить поставленную задачу.

На фиг. 1 изображена схема каната; на фиг. 2 зависимость коэффициента сопротивления каната C_x от шага свивки Н отнесенного к его диаметру D.

Канат 1 состоит из трех прядей 2, каждая из которых свита из нескольких слоев проволочных нитей 3. Канат выполнен крестовой свивки при которой углы α свивки слоев проволочных нитей в прядях имеют противоположный знак по отношению к углу β свивки каната в целом. В результате проведения многочисленных испытаний установлено, что нагруженный канат находящийся в набегающем потоке подвержен поперечным колебаниям (вибрации).

Вибрация каната в потоке приводит к значительному увеличению коэффициента его сопротивления С_х и силе сопротивления перемещению каната в потоке. Следствием вибрации каната в потоке при одновременном его кручении при продольном нагружении являются значительные перегрузки, которые ускоряют разрушение конструкции каната и снижают его надежность.

Авторами разработана конструкция некрутящегося и маловибрирующего каната. При использовании предложенного трехпрядного каната в качестве буксировочного элемента при транспортировке рыболовных или других устройств под водой возникает закручивание набегающего потока вдоль линии свивки прядей, переходящее далее во встречное течение потока. Это приводит к снижению интенсивности вихреобразований вдоль поверхности каната и тем самым, к уменьшению амплитуды его колебаний (вибрации). Таким образом достигается эффект ведущий к уменьшению напряжения в проволочных нитях, снижению их перегрузок и к повышению надежности каната.

На основании результатов испытаний стальных канатов установлена зависимость коэффициента С_х трехпрядного каната от отношения H/D при различных фиксированных скоростях потока. Полученные данные для скоростей 0,2; 1,4 и 2,6 м/с для трехпрядного каната представлены в таблице.

Графики полученной авторами зависимости представлены на фиг. 2 для диапазона скоростей набегающего потока от 0,2 до 2,6 м/с. Из графиков видно, что наименьшая величина коэффициента С_х, а следовательно минимальное сопротивление и вибрация трехпрядного каната имеют место при условии H/D=10.

Также установлено, что в диапазоне величин g ≅ H/D ≅ 11 коэффициент С_х имеет незначительные изменения, находящиеся в пределах 5% от максимальных наблюдаемых при испытаниях, т.е. практически не меняется. При этом за пределами отмеченного диапазона величина С_х резко возрастает, что ведет к значительному увеличению амплитуды колебаний каната и его вибрациям. Поэтому авторами предложена конструкция каната, у которого величина H/D=10 ± 1. Из представленной таблицы и графиков на фиг. 2, можно установить, что для осредненных условий испытаний (график аналогичный условиям V=1,4 м/с) С_х=С_х min= 0,70 при H/D=10.

В случает изменения отношения H/D в пределах предложенного авторами диапазона, т.е. при H/D=9; 11 коэффициент С_х≈ 0,72. Наблюдается незначительный рост С_х на 0,02 единицы или всего на 3%
В то же время при выходе за предлагаемый диапазон, т.е. для H/D=8; 12 коэффициент С_х ≈ 0,80. Показатель прироста коэффициента С_х изменяется на порядок, он составляет 0,1 единицы или 15%
Как уже отмечалось ранее недостатком большинства конструкций канатов, наряду с подверженностью их вибрациям в потоке, является их повышенная крутимость при растяжении под нагрузкой. Это явление связано с тем, что в прядях каната и в канате могут возникать неуравновешенные крутящие моменты. У предлагаемой конструкции каната это отрицательное явление отсутствует.

Авторами выполнен математический расчет, в основу которого было положено условие равенства нулю крутящих моментов возникающих в канате
Σ M_i=0
Крутящий момент от слоя проволок толщиной dr определяется по формулам
dM= σ 2 π r(rcosβ sinα +Rsin β cos α )dr (2)
σ cos²α усилие на единицу площади (3), где Т_n усилие в пряди каната при растяжении;
α угол свивки пряди;
r расстояние от центра пряди до рассматриваемого слоя;
r_n расстояние от центра пряди до наружного слоя;
β угол свивки троса;
R расстояние от центра пряди до центра троса.

Выражение для крутящего момента, который приравниваем нулю имеет вид
M rcos²α(rsinαcosβ+Rsinβcosα)dr=0
(4)
В случае изготовления каната с постоянным углом свивки слоев проволок в пряди и точечном контакте проволок ( αconst), условие отсутствия крутящего момента в канате имеет вид
tgα + 0
(5)
Используя соотношения
tgx tgβ где h_n шаг свивки наружного (последнего) слоя проволок в пряди,
H шаг свивки троса.

Выражение (5) приводим к виду

(6)
В случае изготовления каната с постоянным шагом свивки слоев проволок в пряди и линейнoм контакте проволок имеем
α ; α_n β
(7)
При этом крутящий момент становится равным нулю при условии

(8)
Наиболее целесообразным является изготовление каната, когда шаги свивки слоев проволок прядей находятся в линейной зависимости от радиусов расположения соответствующих слоев. При этом обеспечивается равномерное распределение нагрузки по слоям проволок при натяжении, что в конечном итоге приводит к повышению несущей способности каната в целом. Это условие выполняется при соблюдении следующей предлагаемой зависимости
h_i=h_o+(h_n-h_o)r_i/r_n, (9) где h_i шаг свивки i-го слоя в пряди;
h_o шаг свивки первого слоя в пряди;
r_i радиус расположения i-го слоя в пряди.

Этот вариант изготовления каната является промежуточным по отношению к двум крайним частным случаям, обозначенным условиями (5), (7). Однако, для всех видов свивки слоев проволок в прядях каната условие его некрутимости и равенства суммарного момента нулю исходя из (6), (8) имеет вид
0,50 ≅ 0,67
(10)
Для трехпрядного троса, у которого условие (10) приходит к виду
0,4 ≅ ≅ 0,5
(11) где h_n шаг свивки наружного слоя в пряди;
Н шаг свивки троса в целом.

Ранее авторами было установлено, что предлагаемая конструкция каната имеет наименьшую вибрацию в потоке при отношении шага свивки к диаметру равному 10, т.е. должно выполняться условие
H/D=10 ± 1 (12).

Для обеспечения выполнения задачи повышения надежности каната за счет совокупности улучшения его свойств некрутимости и невибрационности объединяем условие (11) и (12). Для этого подставляем значение H/D=10 в выражение (11). В результате получаем условие некрутимости трехпрядного каната при одновременном соблюдении его невибрационности
≅≅

Внедрение каната предлагаемой конструкции позволит получить значительный экономический эффект за счет повышения надежности каната, увеличения допускаемой на него нагрузки и удлинения срока его службы. Изготовлены первые опытные образцы канатов предлагаемой конструкции, которые прошли испытания с положительным результатом.

Изобретение относится к длиномерным гибким изделиям и может быть использовано в качестве буксировочного, подъемного или натяжного элемента. Пряди каната крестовой свивки содержат несколько слоев проволок. Шаг свивки наружного слоя пряди выполнены в пределах от четырех до пяти величин диаметра каната, а шаг свивки каната в целом выполнен в пределах от девяти до одинацати величин диаметра каната. При этом шаги свивки проволок по слоям в прядях каната находятся в линейной зависимости от градусов расположения соответствующих слоев. Канат обладает повышенной надежностью за счет уменьшения его крутимости и вибрацией, а также более равномерного распределения нагрузки по слоям проволок при натяжении и эксплуатации в набегающем потоке. 1 з. п. ф-лы, 2 ил. 1 табл.

1. ПРОВОЛОЧНЫЙ КАНАТ, содержащий три многослойные пряди, отличающийся тем, что шаг свивки наружного слоя проволок в пряди по отношению к диаметру каната выполняется в пределах от четырех до пяти его величин
4D ≅ h_п ≅ 5D,
где h_п шаг свивки наружного слоя проволок в пряди;
D диаметр каната,
при этом шаг свивки каната в целом по отношению к диаметру каната выполняется в пределах от девяти до одиннадцати его величин
9D ≅ H ≅ 11D,
где H шаг свивки каната в целом;
D диаметр каната. 2. Канат по п. 1, отличающийся тем, что шаги свивки проволок по слоям в прядях каната находятся в линейной зависимости от радиусов расположения соответствующих слоев, при этом выполняется условие
h_i h₀ + ( h_п h₀) r_i/r_n,
где h_i шаг свивки i-го слоя пряди;
h₀ шаг свивки первого слоя в пряди;
h_п шаг свивки последнего наружного слоя пряди;
r_i радиус расположения i-го слоя в пряди;
r_п радиус расположения последнего слоя в пряди.