ПРОВОЛОЧНЫЙ КАНАТ Российский патент 1998 года по МПК D07B1/00 

Изобретение относится к производству и эксплуатации стальных канатов, а именно к эксплуатации некрутящихся и малокрутящихся стальных канатов.

Известен некрутящийся канат, состоящий из трех слоев прядей, в котором наружный слой прядей свит в противоположном направлении по отношению к внутренним слоям [1].

Недостатками этого каната являются сложность конструкции и технологии изготовления и структурная неустойчивость в эксплуатации. Поэтому из современных отечественных стандартов этот канат исключен без соответствующей замены.

Известен канат, содержащий наружный и внутренний слои проволочных прядей круглого и фасонного сечений с противоположным направлением свивки и центральную прядь с направлением свивки, совпадающим с направлением свивки внутреннего слоя проволочных прядей (прототип) [2].

Однако двухслойные канаты не могут удовлетворять потребности промышленности в некрутящихся канатах, т.к. они совершенно недостаточно уравновешены от кручения при свободном подвесе груза и имеют потери прочности в эксплуатации, доходящие до 50% [3].

Усовершенствование достигается тем, что в канате, содержащем наружный и внутренний слои проволочных прядей с противоположным направлением свивки и центральную прядь с направлением свивки, совпадающим с направлением свивки внутреннего слоя проволочных прядей, центральная прядь имеет диаметр, в 1,44-4,76 раза превышающий диаметр пряди наружного слоя.

Для полного уравновешивания внутренних крутящих моментов в канате диаметр центральной пряди, состоящей из круглых проволок, определен по формуле
,
где d₁ - диаметр пряди внутреннего слоя, мм;
d₂ - диаметр пряди наружного слоя, мм;
ν₀ = 800-1000 кгс/мм²;
ν₁ = 8,5 • 10⁴ кгс/мм²;
ν₂ = (0,85-1,90) • 10⁵ кгс/мм².

В предлагаемом канате все или по меньшей мере одна центральная прядь могут состоять из фасонных проволок, в частности пластически обжатые пряди, при этом диаметр центральной пряди определен по формуле

где F₁ и F₂ - площади сечения всех прядей внутреннего и наружного слоев, соответственно, мм²;
R₁ и R₂ - радиусы свивки внутреннего и наружного слоев прядей, соответственно, мм;
H₁ и H₂ - шаги свивки внутреннего и наружного слоев прядей, соответственно, мм;
коэффициент ξ₀= -3/2(sin²α₀+2ln cosα₀)ctg³α₀,
где α₀ - угол свивки центральной пряди на ее поверхности; при этом 0 ≤ ψ ≤ 0,4.

Основная идея изобретения заключается во введении в конструкцию двухслойного каната центральной пряди, достаточно жесткой на кручение, чтобы уравновесить разницу моментов в наружном и внутреннем слоях прядей.

На чертеже изображено поперечное сечение предлагаемого каната, состоящее из двух фрагментов: I - пряди из круглых проволок; II - пряди из фасонных проволок, в частности пластически обжатые.

Канат состоит из внутреннего слоя прядей 1, наружного слоя прядей 2 и центральной пряди 3. Пряди внутреннего слоя имеют диаметр d₁, наружного - d₂, а центральная прядь d₀, причем d₀ = (1,44-4,76)d₂. Наружный слой прядей 2 свит в противоположном направлении по отношению к внутреннему слою прядей 1 и центральной пряди 3.

При растяжении каната в слоях прядей возникают крутящие моменты М₁ и М₂, а в центральной пряди - М₀. Условием полной уравновешенности каната от кручения является равенство
M₂ - M₁ - M₀ = 0.

Точное соблюдение равенства (1) затруднено, поэтому в практике проектирования некрутящихся канатов принято следующее приближенное условие уравновешенности [4]

где C и C_max - действительный и максимально возможные для данной конструкции каната коэффициенты влияния.

Для каната, состоящего из двух противоположных свитых слоев прядей и центральной пряди, это условие имеет вид

где C₀, C₁, C₂ - коэффициенты влияния центральной пряди, внутреннего и наружного слоев прядей, соответственно.

Из (2) определяем требуемый коэффициент влияния центральной пряди

Известно [4] , что коэффициент влияния С пропорционален третьей степени диаметра пряди или каната, поэтому в (3) можно заменить C₀= νd30

Из конструктивно-технологических соображений наиболее целесообразно применять в наружном слое от 12 до 18 прядей, а во внутреннем - 12 прядей. В качестве центральной пряди с целью повышения гибкости лучше использовать трех- или четырехслойную прядь. Если же требование гибкости не выдвигается, то можно применять и одно- и двухслойную прядь. Исходя из этих соображений, на основе анализа численных коэффициентов влияния [4] приняты следующие значения коэффициентов в (4):
Для центральной пряди - ν₀ = 800-1000 кгс/мм²
Для внутреннего слоя - ν₁ = 8,5•10⁴ кгс/мм²
Для наружного слоя - ν₂ = (0,85-1,9)•10⁵ кгс/мм²
С учетом этих численных значений из (4) находим для предлагаемого каната
d₀ = (1,44-4,76)d₂.

При таком соотношении между диаметрами центральной пряди и пряди наружного слоя удовлетворяется приближенное условие уравновешенности (2).

Если принять в (4) ψ = 0, то получаем точное условие уравновешенности, удовлетворяющее условию (1)

При устанавливаемых по (5) или (6) соотношениях между d₀ и d₂ диаметр прядей внутреннего слоя d₁ и число этих прядей определяются однозначно по известной методике геометрического проектирования канатов.

С целью увеличения коэффициента C₀, а также прочности и поперечной жесткости каната в целом целесообразно, чтобы центральная прядь состояла из фасонных проволок. Пряди в слоях также могут состоять из фасонных проволок (фрагмент II на чертеже). Такие пряди получают, в частности, из обычных круглопроволочных методом пластического обжатия. Для пластически обжатой пряди коэффициент влияния определяется формулой [4]

где E - модуль упругости материала проволок;
ξ₀= -3/2(sin²α₀+2ln cosα₀)ctg³α₀;
α₀ - угол свивки центральной пряди на ее поверхности.

Для прядей в слоях в соответствии с [4] примем

где
F₁ и F₂ - суммарные площади поперечного сечения внутреннего и наружного слоев прядей, соответственно;
R₁, R₂ и β₁, β₂ - радиусы и углы свивки внутреннего и наружного слоев, соответственно.

Из (3) с учетом (7), (8) и общепринятых упрощений имеем

При таком диаметре центральной пряди, состоящей из фасонных проволок (пластически обжатой), удовлетворяется приближенное условие уравновешенности (2). Если в (9) принять ψ = 0, то имеем точное условие уравновешенности, удовлетворяющее равенству (1)

При свободном подвесе груза канат стремится вращаться в сторону раскручивания наружного слоя, т. е. в сторону закручивания внутреннего слоя и центральной пряди. Для увеличение сопротивления закручиванию (крутильной жесткости) рекомендуется, чтобы пряди внутреннего слоя были свиты с плотным контактом между собой. При этом для обеспечения гибкости между прядями наружного слоя должны быть зазоры Δ.

Известно, что центральная прядь и внутренние слои прядей при растяжении каната подвергаются большим растягивающим напряжениям, чем наружный. Поэтому для выравнивания напряжений в предлагаемом канате целесообразно увеличить податливость центральной пряди и внутреннего слоя прядей. Это достигается подбором параметров свивки, при котором кратности свивки центральной пряди, внутреннего и наружного слоев прядей отличаются друг от друга не менее чем на единицу, последовательно увеличиваясь от центральной пряди к наружному слою.

Техническим результатом изобретения является достижение уравновешенности двухслойного каната на кручение на уровне трехслойных некрутящихся канатов.

В качестве примера рассмотрим канат конструкции 13•12(4+8) - 12•7(1+6)-1•36(1+7+7/7+14) из пластически обжатых прядей (фрагмент II на чертеже). В этом канате d₀ = 2,16 d₂, что удовлетворяет формуле изобретения. Кратности свивки: центральной пряди k₀ = 6; внутреннего слоя прядей k₁=7; наружного слоя прядей k₂=8. Испытания такого каната свободным подвесом груза показали, что он является практически полностью уравновешенным от кручения (некрутящимся).

Таким образом, предлагаемый двухслойный канат позволяет решить проблему создания некрутящихся канатов, более простых в эксплуатации, чем трехслойные некрутящиеся канаты. Реализация изобретения в промышленности возможна путем замены двухслойных малокрутящихся канатов по ГОСТ 3088-80, ГОСТ 16827-81, ГОСТ 16828-81 и им аналогичных.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в упрощении конструкции и технологии изготовления некрутящихся канатов по сравнению с трехслойными некрутящимися кантами и в улучшении качества и надежности по сравнению с известными двухслойными малокрутящимися канатами.

Проволочный канат, содержащий наружный и внутренний слои проволочных прядей с противоположным направлением свивки и центральную прядь с направлением свивки, совпадающим с направлением свивки внутреннего слоя проволочных прядей, содержит центральную прядь, которая имеет диаметр, в 1,44 - 4,76 раза превышающий диаметр наружного слоя. Центральная прядь может быть выполнена из круглых или фасонных проволок и диаметр ее в этих случаях определяется по соответствующим расчетным формулам. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Проволочный канат, содержащий наружный и внутренний слои проволочных прядей с противоположным направлением свивки и центральную прядь с направлением свивки, совпадающим с направлением свивки внутреннего слоя проволочных прядей, отличающийся тем, что центральная прядь имеет диаметр, в 1,44 - 4,76 раза превышающий диаметр пряди наружного слоя. 2. Канат по п.1, отличающийся тем, что центральная прядь выполнена из круглых проволок и ее диаметр d₀ определен по формуле

где d₁ - диаметр пряди внутреннего слоя, мм;
d₂ - диаметр пряди наружного слоя, мм;
ν₀ - ν₂ - коэффициенты пропорциональности,
ν₀ = 800 - 1000 кгс/мм³;
ν₁ = 8,5 • 10⁴ кгс/мм²;
ν₂ = (0,85 - 1,90) • 10⁵ кгс/мм². 3. Канат по п.1, отличающийся тем, что центральная прядь выполнена из фасонных проволок и ее диаметр d₀ определен по формуле

где F₁ и F₂ - площади поперечного сечения всех прядей внутреннего и наружного слоев соответственно, мм²;
ψ - коэффициент неуравновешенности, 0 ≤ ψ ≤ 0,4;
R₁ и R₂ - радиусы свивки внутреннего и наружного слоев прядей соответственно, мм;
H₁ и H₂ - шаги свивки внутреннего и наружного слоев прядей соответственно, мм;
коэффициент ξ₀= -3/2(sin²α₀+2ln cosα₀)ctg³α₀, где α₀ - угол свивки центральной пряди на ее поверхности.