Стальные канаты

Малиновский В.А.

Астропринт, 2001 г.

 1.       Конструкции стальных канатов

Большое разнообразие конструкций стальных канатов объясняется многообразием условий их применения в качестве подъёмных, тяговых, несущих, армирующих и других элементов машин и сооружений. Классификация и технические требования к стальным канатам из круглых проволок установлены ГОСТ 3241, а также зарубежными стандартами: германским DIN 3051, английским BS 302, американским RR-W-410, итальянским UNI7291, японским JIS G 3525, французским NF А 47-205, ISO 2408, EN 12385 и др.

Прежде всего, канаты различают порядком свивки: 1) одинарной свивки или спиральные, состоящие из одного или нескольких спиральных слоев проволок; 2) двойной или тросовой свивки, состоящие из одного или нескольких слоев спиральных канатов - прядей; 3) тройной или кабельтовой свивки, состоящие из канатов двойной свивки - стренг. В принципе, порядок свивки можно повышать и далее, однако это оказывается технически нецелесообразным. Наибольшее применение в технике получили канаты двойной свивки.

Основным элементом для построения каната любого порядка свивки является спиральный канат-прядь (рис. 1.1).

Если слои проволок имеют разные шаги свивки, то проволоки смежных слоев касаются друг друга в отдельных точках, поэтому такие пряди и канаты имеют обозначение ТК - с точечным касанием проволок между слоями. При свивке слоев проволок с одним шагом свивки образуются канаты типа ЛК - с линейным касанием проволок между слоями.

Если в пряди некоторые слои имеют точечный контакт, а другие - линейный, то такой канат обозначают ТЛ К - с комбинированным точечно-линейным касанием проволок.

Пряди ТК имеют одинаковые проволоки в каждом слое, а если число проволок в каждом последующем слое увеличивается на шесть, то они одинаковы и в разных слоях.

Условие линейного касания слоев проволок требует одинаковых или разных диаметров проволок в зависимости от числа проволок в слое и их расположения по отношению к проволокам смежного слоя, поэтому в обозначение канатов Л К вводят дополнительные буквы: Л К-0 - с одинаковыми диаметрами проволок по слоям пряди; ЛК-Р - с разными диаметрами проволок в наружном слое пряди; ЛК-3 - с заполняющими проволоками; Л К-РО - с разными и одиг щ-ковыми диаметрами проволок в слоях.

Формула конструкции спирального каната или пряди записывается в виде суммы чисел проволок в слоях, начиная с центральной проволоки (в некоторых зарубежных стандартах, например, германском, наоборот- отсчет ведется от наружного слоя), при этом разные проволоки в слое обозначаются через черту дроби, а наличие заполняющих проволок - через точку с запятой. В литературе часто встречаются еще и названия некоторых наиболее типичных прядей: ЛК-О - "Сил" (Seal), конструкция 1+ п+п (1+9+ 9); ЛК-Р - "Варрингтон" (Warrington), конструкция 1 +n+n/n (1 +6+6/6); ЛК-3 - "Филлер" (Filler), конструкция 1 +n;n+2n (1 +6;6+12); ЛК-РО - "Варрингтон-Сил" (Warrington-Seal), конструкция l+n+n/n+2n(l+7+7/7+14). Здесь в скобках указаны наиболее распространенные варианты конструкций.

Формула конструкции каната двойной свивки записывается в виде произведения числа прядей на число проволок в пряди с расшифровкой её конструкции и обозначением сердечника (о.с. - в случае органического сердечника). Например, канат по ГОСТ 2688 обозначается 6x19(1 +6+6/6)+ о.с, двухслойный канат по ГОСТ 3088 обозначается 18х 19(1+6+6/6)+ о.с. В случае металлического сердечника, его конструкция также расшифровывается, например, канат по ГОСТ 7669 имеет обозначение 6x36(1 +7+7/7+14)+7х7(1+6).

В зависимости от того, по какой винтовой линии - правой или левой -расположены элементы наружного слоя, говорят, что канат имеет правую или левую свивку. В литературе часто обозначают направления свивки латинскими буквами: Z - правая; S - левая свивка. В канатах двойной свивки направления свивки проволок в прядь и прядей в канат могут совпадать - канаты односторонней свивки (Zz, Ss), или быть противоположными - канаты крестовой свивки (Zs, Sz).

Сочетание направлений свивки элементов канатов существенно влияет на значения упругих констант и механические свойства, поэтому в случае необходимости (в основном, в научно-технической литературе) в формуле конструкции указывают и направления свивки слоев элементов знаками плюс или минус. В работе [6] введено следующее правило: направление свивки наружного слоя каната принимается положительным, а остальным элементам присваивается знак плюс или минус в зависимости от того, в каком направлении они свиты по отношению к выбранному положительному. Центральной проволоке условно всегда присваивают положительное направление. Например, канат односторонней свивки 6x19(1 + 6 + 6/6) + о.с, а тот же канат крестовой свивки 6x19(1 - 6-6/6) + о.с. Спиральный канат ТК можно обозначить при одинаковом направлении свивки всех слоев 1+6+12+18, а при противоположном направлении свивки наружного слоя по отношению к внутренним 1- 6 -12 + 18. Двухслойный канат с противоположным направлением свивки слоев прядей, крестовой свивки наружного слоя и односторонней свивки внутреннего слоя прядей записываем так: 12x19(1- 6 - 6/6) - 6x19(1- 6 - 6/6) + о.с. В стандартных обозначениях канатов это правило знаков не применяется.

Канаты двойной свивки состоят из одного или нескольких слоев прядей, причем пряди могут иметь круглую или фасонную форму поперечного сечения (рис. 1.3).

Если слои винтовых элементов (прядей или проволок) имеют противоположные направления свивки, то канат называется малокрутящимся (МК), хотя само по себе такое геометрическое определение далеко не отражает физическую способность каната не крутиться под действием свободно подвешенного груза. В отечественных стандартах отсутствуют некрутящиеся канаты, что является их существенным недостатком. Подробнее вопрос о некрутящихся канатах рассматривается в гл. VI, п. 1.

Благодаря предварительной винтовой деформации элементов в процессе свивки пряди в канате двойной свивки или проволоки в спиральном канате могут сохранять свое положение в канате (не расплетаться) после снятия с конца каната перевязок или других ограничений. В этом случае канат называется нераскручивающимся (Н), в противном - раскручивающимся (Р).

ГОСТ 3241 устанавливает назначение каната: для подъёма грузов и людей - грузолюдского назначения (ГЛ), для подъёма только грузов - грузового назначения (Г).

Стальные канаты изготовляют из стальной канатной проволоки по ГОСТ 7372 в светлом (без покрытия) или оцинкованном исполнении с временным сопротивлением разрыву О = 108СН-2350НЛим2ивыше(поспециальнойдокумен-тации). По механическим свойствам проволока делится на марки: высшую - В или первую -1. Оцинкованная проволока в зависимости от поверхностной плотности цинка относится к трем группам: ОЖ - для особо жёстких условий работы; Ж -для жёстких условий работы; С-для средних условий работы.

Стандартами предусмотрено условное обозначение каната, в котором содержатся основные сведения о конструкции, технических параметрах и особенностях изготовления. Например, канат диаметром 12,0 мм по ГОСТ 2688, грузолюдского назначения, из проволоки без покрытия, марки В, левой односторонней свивки, нераскручивающийся, повышенной точности, маркировочной группы 1770 Н/мм2 (180 кгс/мм2) обозначается так: канат 12-ГЛ-В-Л-О-Н-Т-1770 ГОСТ 2688-80.

Такой же канат грузового назначения, марки I, из оцинкованной проволоки по группе ОЖ, правой крестовой свивки, нормальной точности: канат 12-Г-1-ОЖ-Н-1770 ГОСТ 2688-80.

Особую группу составляют спиральные канаты, содержащие фасонные проволоки в наружном слое - закрытые или полузакрытые канаты (рис. 1.4). Они имеют гладкую опорную поверхность, большое заполнение сечения металлом и, следовательно - высокую прочность, продольную и поперечную жёсткости.

Однако большая изгибная жёсткость существенно сужает область'их применения. В основном, эти канаты применяют в качестве шахтных подъёмных, несущих канатов подвесных канатных дорог и кабельных кранов, вантовых канатов мостов и других инженерных сооружений.

Технические параметры закрытых и полузакрытых канатов содержатся в ГОСТ 3090, ГОСТ 18902, ГОСТ 18900.

2. Свивка стальных канатов

Элемент каната (проволока или прядь) расположен по винтовой линии, параметры которой приведены на рис. 1.5: d- диаметр каната; г,а,Н~ радиус, угол, и шаг свивки; L = H/cosCl=2nr/sin(X - длина винтового элемента на шаге свивки каната. Обобщенным параметром, отвечающим принципу геометрического подобия, является кратность свивки k — H/d.

В соответствии с ГОСТ 3241 к < 9 для прядей Л К; к < 11 для прядей ТК, трехгранных прядей и однопрядных металлических сердечников, канатов одинарной свивки и прядей 1 + 6; к < 6,5 для 3-6-прядных канатов; к < 7 для канатов с числом прядей более шести и канатов тройной свивки; к < 7,5 для фасоннопрядных канатов; к < 16 для стренг и прядей плоского каната.

Формирование прямой проволоки или пряди в винтовой элемент каната сопровождается изгибом и кручением, поэтому её напряженное состояние и качество свивки в значительной мере зависят от способа установки зарядной шпули в смысле её вращения относительно оси свиваемого элемента.