Равнонапряженный витой объект, например стальной канат или трос, и способ его изготовления Советский патент 1993 года по МПК B23D23/00 

Изобретение относится к подъемно- транспортному машиностроению и метизной отрасли, связанным с эксплуатацией и производством различных витых объектов, например стальных канатов или тросов, для подъемных механизмов с преимущественным применением их в горнодобывающей промышленности, при добыче газа, нефти, строительстве промышленных сооружений и жилых зданий.

Целью изобретения является повышение агрегатной прочности за счет обеспечения равнонапряженности всех структурных элементов по сечению каната.

На чертеже в качестве примера изображены равнонапряженный двухслойный канат 1 конструкции 18 х 6 (12 х б + 6 х 6) + 19 о.с., его поперечное сечение и вырезанный из каната образец5, мерная длина которого до вырезки, ограниченная на канате 1 плоскостями СС, равнялась L

Канат 1 выполнен из двух концентрических слоев 2 и 3, каждый из которых свит из шести и двенадцати одинаковых прядей 4 конструкции 0+6, последовательно навитых на центральный органический сердечник.

При этом оба концентрических слоя 2 и 3 изготовлены из прядей 4 одинаковой длины за счет свивки их в каждый слой с одинаковым углом свивки,

Одинаковую длину имеют и проволоки во всех прядях 4.

00

о

4

СА

СА

Одновременно с этим в равнонапря- женном канате 1 торцовые поверхности всех элементов (проволок, прядей А и концентрических слоев 2 и 3) совмещены с плоскостью сечения каната, о чем свидетельствует одинаковая величина перемещений разрезанных сечений каждого концентрического слоя 2 и 3 в вырезанном образце 5, равная:

Д12 Аз (1), что и привело к одинаковой длине обоих концентрических слоев 2 и 3 (12 з) в указанном образце 5 и исключению сдвига между элементами как по сечению, так и объему каната, выполненного по принципу равенства длин всех элементов.

Совмещение торцовых поверхностей всех элементов с плоскостью сечения каната обеспечивается за счет того, что в равно- напряженном канате любой конструкции все структурные элементы по сечению каната находятся с одинаковыми микронапряжениями сжатия или растяжения, что и приводит к одинаковой величине осевых перемещений разрезанных сечений всех структурных элементов.

Но величина перемещения разрезанного сечения каната и упругая деформация сжатия или растяжения структурных элементов по сечению каната связаны между собой зависимостью:

.±Д1-±ДГ(2), где Д} - величина перемещения разрезанного сечения каната, приводящая к увеличению (знак плюс) или уменьшению (знак минус) длин вырезанных образцов;

ДГ - упругая деформация сжатия (знак плюс) или растяжения (знак минус) структурных элементов по сечению ненагруженного каната.

Тогда с учетом одинаковых осевых перемещений разрезанных сечений всех струк- элементов в ненагруженном канате известное уравнение равновесия сил для определения нормального напряжения для любого равнонапряженного каната примет вид:

- Р ±S+a f d F ± ст / d F О (3)

FF

где Р - макроусилие растяжения каната с недеформированными структурными элементами;

S - микроусилие, под действием которого происходит перемещение разрезанного сечения в ненагруженном канате;

а - макронапряжение каната с недеформированными структурными элементами;

(71- микронапряжение сжатия или растяжения структурных элементов по сечению ненагруженного каната;

F - площадь поперечного сечения кана- та.

После интегрирования и незначительного преобразования выражение (3) примет окончательный вид:

(4) где а - общее напряжение любого равно- напряженного каната.

Но в выражении (4) каждому напряжению будет соответствовать и своя упругая

деформация:

ДГ Д| ±Дг(5)

где ДГ - общая упругая деформация каната;

Д| - упругая деформация от макронапряжения растяжения каната с недеформированными структурными элементами;

ДГ - упругая деформация сжатия или растяжения структурных элементов по сечению ненагруженного каната.

Из анализа выражений 3-5 можно Сделать вывод о том, что в раенонапряженном канате, выполненном по принципу равенства длин всех элементов, все структурные элементы находятся с одинаковыми общими напряжениями и упругими деформациями, а именно:

а 2, a ± a Const

(б)

А Г 2 Д1±ДГ Const.(7)

Поэтому, если любой равнонапряжен- ный канат подвергнуть растяжению до разрушения, то в таком канате в любой момент времени будет обеспечена как совместность длин всех элементов, так и совместность упругих деформаций, макро- и микронапряжений, что и приведет к одйовременному разрушению всех структурных элементов по одной плоскости и повышению агрегатной прочности каната.

Теперь в выражении (5) каждый член разделим на длину мерного образца (I),

предназначенного к вырезке из каната, получим:;

±е (8), где е - общая относительная упругая деформация каната;

e - относительная упругая деформация от макронапряжения растяжения каната с недеформированными структурными элементами;.

е - относительная упругая деформация от микронапряжения сжатия или растяжения структурных элементов по сечению ненагруженного каната.

Тогда с учетом выражений (8) и (5) относительная упругая деформация от микронапряжений сжатия или растяжения элементов будет равна:

в - (9).

Из анализа выражения (9) вытекает, что при упругосжатых (вырезанный образец по длине больше невырезанного образца), упру горастянутых (вырезанный образец по длине меньше невырезанного образца) и недеформированных (одинаковые длины вырезанного и невырезанного образцов) структурных элементах .относительная упругая деформация от микронапряжений сжатия или растяжения каната соответственно будет иметь положительную, отрицательную величину или будет равна нулю.

Поэтому, если при изготовлении любого равнонапряженного каната, состоящего из одного или нескольких концентрических слоев однородных структурных элементов, например проволок или прядей с одинаковой длиной их в смежных концентрических слоях, одинаковую величину осевого перемещения всех структурных элементов можно обеспечить в процессе изготовления каната путем соответствующей регулировки усилий натяжений и параметров перфорации до совмещения торцовых поверхностей всех элементов с плоскостью сечения разрезанного каната, то этого нельзя сделать при изготовлении серийных канатов из-за наличия в них концентрических слоев и одиночных элементов, например, центральной проволоки в пряди и центральной пряди в канате двойной свивки, упругая осевая отдача которых на несколько порядков меньше, чем элементов, свитых в концентрический слой.

В связи с этим центральная проволока или центральная прядь в прядях и канатах должны быть заменены на концентрический слой проволок и прядей, например, конструкции 1x3..

При этом канаты, изготовленные из прядей с линейным касанием проволок (различ- ная длина проволок в прядях) будут удовлетворять условиям равнонапряженно- сти только по свитым прядям, если пряди в смежных концентрических слоях будут иметь одинаковую длину, а торцовые поверхности всех прядей и концентрических слоев будут совмещены с плоскостью сечения каната.

Пример конкретного исполнения.

I. Рассмотрим изготовление равнонапряженного двухслойного каната конструкции 18х 6(12 х6 + 6х 6)+ 19 о.с., например, диаметром 47,5 мм, изображенного на чер- 5 теже.

Аналогичная конструкция серийного каната предусмотрена ГОСТом 7681-80, восемнадцатьпрядей которого изготавливаются из проволок диаметром

0 3,0 мм, но с конструкцией пряди 1 + 6.

Но в указанной пряди 1+6 предусмотрена центральная проволока, которая по своей длине всегда короче проволок, навитых на нее в виде концентрического слоя,

5 состоящего из шести проволок.

Поэтому в равнонапряженном канате вместо пряди 1+6 предусмотрена прядь конструкции 0 + 6 или центральная проволока может быть заменена на концентриче0 ский слой более тонких проволок, например, конструкции 1x3.

Свивка восемнадцати прядей конструкции 0+6 с одинаковой длиной, равной, например, по 1050 м каждая, осуществляет5 ся по существующей технологии с шагом свивки, например, равным 90 мм, но с дополнительным контролем за совмещением торцовых поверхностей всех шести проволок с плоскостью сечения разрезанной пря0. ди,

Для этой цели все шесть проволок в машине пронумеровываются цифрами 1-6 и одна, например первая, проволока перевязывается ниточным узелком и является ба5 зовой для отсчета и поиска любой другой проволоки, если отсчет производить от нее, например, по часовой стрелке.

После выравнивания усилий натяжений всех проволок, подбора параметров пре0 формации и отметки одной из проволок ниточным узелком известными способами машину включают на свивку пряди конструкции 0+6.

При изготовлении 0,5-1,0 м пряди ма5 шину останавливают, разрезают и осматривают ее сечение,

Если торцовые поверхности всех проволок оказались совмещенными с плоскостью сечения разрезанной пряди, машину вклю0 чают на окончательную свивку равнонапря- женной пряди.

При несовмещении же торцовых поверхностей одной или нескольких проволок с плоскостью сечения пряди по отмеченной

5 проволоке находят соответствующие прово локи в машине и производят дополнительную регулировку их усилий натяжений или параметров преформации.

После этого вновь свивают 0,5-1,0 м пряди и осматривают ее сечение.

Только при достижении совмещения торцовых поверхностей всех проволок с .плоскостью сечения пряди производят свивку каждой пряди длиной по 1050 м,

Для настоящего же времени контроль за совмещением торцовых поверхностей всех элементов (проволок, прядей и концентрических слоев) в процессе настройки машины не осуществляют.в связи с чем в серийных канатах всегда имеет место сдвиг элементов как по сечению прядей.так и по сечению канатов.

Аналогичная регулировка усилий натяжений и параметров преформаций прядей по сечению изготавливаемого каната осуществляется и при настройке машины на свивку однослойных и многослойных канатов..

II. Свивка каната.

Концентрические слои 2 и 3 в канат свиваются пооперациоино из прядей конструкции 0 + 6 длиной по 1050 м каждая с одинаковым углом свивки, равным 18°, или с различными шагами свивки, равными ta 200 м и ta 333 мм,

В начале свивается концентрический слой 2 из шести прядей 4 вокруг центрального органического сердечника с применением преформирующего устройства с числовой нумерацией лопастей преформа- тора, соответствующей числу свиваемых прядей 4.

При этом стрелу прогиба средней линии прядей при свивке их в любой концентрический слой в настоящее время определяют по формуле

)

где Ка - коэффициент, равный 1,3-1,8, устанавливаемый опытным путем для каждого слоя, например слоя 2;

Da - диаметр свиваемого каната или концентрического слоя 2.

Согласно расчету стрела прогиба прядей 4 при свивке концентрического слоя 2 оказалась равной fa 46 мм.

С указанными параметрами преформаций осуществляют свивку концентрического слоя 2 с предварительной дополнительной регулировкой усилий натяжений и параметров преформаций свиваемых прядей по сечению изготавливаемого концентрического слоя 2 по методике, изложенной выше, и только при совмещении торцовых поверхностей всех свиваемых прядей 4 с плоскостью сечения концентрического слоя 2 машину включают на окончательную свивку концентрического слоя 2.

После этого концентрический слой 2 повивается двенадцатью прядями 4, образуя в

канате концентрический слой 3, при этом свивка прядей осуществляется также с применением преформирующего устройства с числовой нумерацией лопастей преформа- тора, соответствующей числу свиваемых прядей 4, и со стрелой прогиба средней линии всей прядей, равной:

. Оз

(11).

Но торцовые поверхности концентрических слоев 2 и 3 в свитом равнонапряжен- ном канате должны быть совмещены с плоскостью сечения каната и иметь одинаковую величину осевой упругой отдачи, а

именно:

Ala - .

Однако указанное условие может быть обеспечено только при равенстве коэффициентов Ка и Кз.

Тогда на основании выражений (10) и (11) стрелы прогибов средних линий элементов и диаметры смежных концентрических слоев 2 и 3 будут связаны следующей зависимостью:

77 мм (12).

f3

С указанной стрелой прогиба средней линии всех двенадцати прядей осуществляют свивку каната с обязательным контролем за совмещением торцовых поверхностей

концентрических слоев 2 и 3 с плоскостью сечения изготавливаемого каната.

В случае, если окажется, что торцовая поверхность концентрического слоя 3 будет

находиться в сдвинутом состоянии относи-, тельно торцовой поверхности концентрического слоя 2, производят дополнительную регулировку усилий натяжений и параметров преформаций свиваемых прядей по вышеуказанной методике и только при достижении совмещения торцовых поверхностей обоих слоев 2 и 3 машину включают на. окончательную свивку равнонапряжен- ного каната.

.Как видно из изложенного, стрелы прогибов средних линий свиваемых элементов как в смежные концентрические слои, так и в самостоятельный слой канатов должны быть строго согласованы с целью исключения сдвига как между концентрическими слоями, так и отдельными элементами в самих концентрических слоях по сечению любого ненагруженного равнонапряженного каната.

III. Свивка каната из недеформированных структурных элементов.

В таком ненагруженном канате микронапряжения (±d) сжатия или растяжения структурных элементов будут равны нулю,

значит и относительная упругая деформация (е ) от указанных микронапряжений также будет равна нулю, что будет обеспечено только при равенстве длин невырезанного и вырезанного образцов от ненагруженного каната.

Поэтому технология изготовления такого каната будет отличаться от вышеописанной тем, что пряди 4 свиваются в концентрические слои 2 иЗравнонапряжен- нота каната со стрелами прогибов средних линий, обеспечивающих равенство длин невырезанного и вырезанного образцов.

При этом контроль за длинами образцов и регулировка усилий натяжений и па- раметров преформаций осуществляются перед пуском машины на окончательную свивку вначале концентрического слоя 2, а затем и концентрического слоя 3.

Формула изобретения

1. Равнонапряженный витой обьект, например, стальной канат или трос, содержащий один или несколько концентрических слоев длинномерных элементов, свитых из отдельных проволок или прядей, о т л и ч а- ю щи и с я тем, что, с целью повышения агрегатной прочности за счет равнонапря- женности всех элементов по сечению каната, сменные концентрические слои каната свиты из элементов одинаковой длины, а торцовые поверхности всех элементов в плоскости сечения разреза совмещены с плоскостью сечения ненагруженного каната, при этом все структурные элементы по сечению каната выполнены с одинаковыми относительными деформациями от микрорастяжения сжатия или растяжения, равным

,

I ± --,

где ДГ - упругая деформация сжатия при растяжении структурных элементов по сечению ненагруженного равнонапряженного каната:

t -длина образца элемента, предназначенная к вырезке из каната,

2. Объект, например стальной канат или трос по п. 1,отличающийся тем, что он при недеформированных структурных элементах выполнен с относительной деформацией от микронапряжений сжатия или растяжения, равной нулю.

3. Способ изготовления разнонапря- женного витого объекта например стального каната ,или троса, включающий свивку элементов концентрических слоев из отдельных проволок или прядей, их натяжение и преформацию, отличающийся тем, что, с целью повышения агрегатной прочности за счет обеспечения равнонапря- женности всех элементов витого объекта, величину усилий натяжения и параметры преформаций проволок или прядей регулируют по сечению разрезанного ненагруженного каната до совмещения торцовых поверхностей свитых элементов с плоскостью сечения каната, при этом стрелы прогибов элементов в смежных концентрических слоях определяются по формуле

Di f2 .

fi

D2

где fi,2 - стрелы прогибов элементов в смежных концентрических слоях каната;

Di,a - диаметры смежных концентрических слоев канала.

4. Способ по п.З, отличающийся тем, что при изготовлении каната из недеформированных структурных элементов, параметры преформаций проволок или прядей регулируют до обеспечения равенства длин мерного и вырезанного образцов из каната.

Сущность изобретения: смежные кон-, центрические слои каната свиты из элементов одинаковой длины, а торцовые поверхности всех элементов в плоскости сечения разреза совмещены с плоскостью сечения ненагруженного каната, при этом все структурные элементы по сечению каната выполнены с одинаковыми относительными деформациями от микронапряжений сжатия или растяжения, равными: Г- ±Дг /I, где ДГ - упругая деформация сжатия или растяжения структурных элементов по сечению ненагруженного равнонапряженного каната: I - длина образца. Способ изготовления витого объекта включает свивку элементов концентрических слоев из отдельных проволок, их натяжение и преформацию, а величину усилий натяжения и параметры преформации проволок или прядей регулй- ют по сечению разрезанного ненагруженного каната до совмещения торцовых поверхностей свитых элементов с плоскостью сечения каната, при этом стрелы прогибов элементов в смежных концентрических слоях определяют по формуле: fi Di f2/Da, гдеf 1.2-стрелы прогибов элементов в смежных концентрических слоях каната; Di,2 диаметры смежных концентрических слоев каната. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 йл. ел С

iiw.