2.7. Контрольные вопросы

1. Какие материалы применяются для изготовления КВШ и почему?

2. Какие основные преимущества КВШ с полиуретановыми вставками над КВШ с металлическими ручьями?

3. Какие требования предъявляются к КВШ при их изготовлении?

4. Какова основная причина неравномерности изнашивания ручьев КВШ?

5. Какие условия должны соблюдаться при расчете КВШ?

6. Каким образом осуществляется измерение износа ручьев КВШ? При каком значении износа ручьев недопустима дальнейшая эксплуатация КВШ?

7. Каким образом осуществляется ремонт КВШ с изношенными ручьями?

8. Каким образом тип свивки каната учитывается при расчете КВШ?³

9. Какие существуют способы установки полиуретановых вкладышей в ручьи КВШ?

10. Какова периодичность технического освидетельствования КВШ?

Литература

1. Лифты. Учебник для вузов /под общей ред. Д.П.Волкова. - М.: изд-во АСВ, 1999 – 480 с.

2. Яновски Л. Проектирование механического оборудования лифтов. Третье издание:-М.: Монография. Издательство АСВ, 2005 – 336 с.

3. Дукельский А. И. Подвесные канатные дороги и кабельные краны: учебник для машиностроительных втузов / А. И. Дукельский. - Изд. 4-е, перераб. И дополн. - М.; Л. : Машгиз, 1966

4. Баранов А.П., Инюшин А.А. Расчет рабочих параметров канатоведущего шкива в процессе износа// Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 5. Тула: Изд-во ТулГУ, 2004 – С. 245-248;

5. О'Доннелл Хью. Наука и немножко искусства в легированном чугуне для шкивов привода// Лифт. - 2011. - №1. – С. 41-44;

Лабораторная работа №3 "Изучение механических свойств лифтовых канатов"

Цель работы: изучить основные теоретические положения о механических свойствах стальных проволочных канатов, получить тарировочную характеристику тензометрической пластины лабораторного устройства с использованием средств аппроксимации Microsoft Excel, определить разрывную прочность проволок каната, рассчитать суммарную и агрегатную разрывную прочность каната, а также его модуль упругости.

Инструменты и материалы: лабораторное устройство, микрометр, набор тарировочных пластин, образец лифтового каната, персональный компьютер с установленной программой Microsoft Excel.

3.1. Механические свойства стальных проволочных канатов

Основными механическими свойствами стальных канатов являются: прочность, модуль упругости, поперечная жесткость, изгибная жесткость, долговечность при огибании блоков и усталостная прочность.

1) Прочность каната

В существующих нормативных документах выделяют три характеристики прочности стальных проволочных канатов: суммарное разрывное усилие проволок P_c, агрегатная прочность P_a (разрывное усилие каната в целом) и конструкционную прочность (агрегатная прочность каната при его эксплуатации в составе конкретного агрегата).

Несоответствие между P_c и P_a объясняется неравномерностью распределения нагрузки между отдельными проволоками каната и зависит от конструкции каната и параметров его свивки. Взаимосвязь между суммарным разрывным усилием проволок P_c и агрегатной прочностью P_a для некоторых существующих типов канатов представлена на рис. 3.1. Данная зависимость приведена для случая чистого растяжения. В случае, если на канат действуют крутящие нагрузки, его агрегатная прочность может значительно снижаться.

Рис. 3.1. Отношение агрегатной прочности стальных канатов по отношению к суммарной при чистом растяжении

В большинстве случаев при эксплуатации канат взаимодействует опорными и направляющими деталями: блоками, роликами, коушами и др. В таких случаях в канате могут иметь место изгибные и контактные напряжения, а также нарушения его структуры, что приводит к снижению конструкционной прочности по сравнению с агрегатной.

Так, Яновским приведена зависимость срока службы каната, выраженной числом его знакопеременных перегибов, от растягивающего напряжения для разных диаметров шкивов (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Зависимость срока службы каната от величины напряжения растяжения при различных вариантах соотношения D/d

Согласно Прокофьеву В.И. конструкционная прочность каната составляет при перегибе: на цилиндрической поверхности диаметром ; на коуше ; в отверстии планки ; на крюке простой петлей ; на крюке закидной петлей .

Места крепления каната также снижают его конструкционную прочность. Так, согласно данным компании Pfeifer конструкционная прочность каната в местах его крепления составляет: зачалка простой петлей или с коушем, клиновой замок ; петля с замками ; опрессовка гильзами или наконечниками ; заливка спецсплавом .

2) Модуль упругости

Определение модуля упругости стального каната весьма затруднено, так как он является сложной стержневой системой с винтовой анизотропией свойств, и его состояние описывается системой уравнений упругости с несколькими упругими константами. Поэтому при проектировании лифтовых установок используется практика выбора пары трения "КВШ - канат" на основе соотношения твердости по Бринеллю рабочей поверхности шкива и разрывной прочности проволок каната (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Соотношения между разрывной прочностью проволок каната и твердостью рабочей поверхности КВШ

Разрывная прочность проволок каната, МПа	Твердость рабочей поверхности КВШ по Бринеллю
1180	190-220
1370	200-240
1570	210-250
1770	230-270

Однако при точных расчетах требуется знать конкретные значения модуля упругости каната . Причем следует учитывать тот факт, что модуль упругости каната может значительно отличаться от модуля упругости проволок его составляющих. Так, в соответствии с данными Schweizerische Seil-industrie AG модуль упругости проволоки составляет 196 ГПа и отличается от модуля упругости стальных канатов: от 105 до 131 ГПа для проволочных канатов двойной свивки со стальным сердечником и от 73,5 до 105 ГПа для проволочных канатов двойной свивки с сердечником из волокнистых материалов.

В общем случае модуль упругости стального проволочного каната является переменной величиной и зависит от его конструкции, степени приработки, величины нагрузки и др.. В настоящее время существует несколько расчетных зависимостей для определения модуля упругости стального каната:

А.Н. Динник, 1957:	,	(3.1)
П.П. Нестеров, 1958:	,	(3.2)
М.Ф. Глушко, 1966:	,	(3.3)
L. Janovsky, 1981:	,	(3.4)
J. Hankus, 1989:	,	(3.5)
K. Feyrer, 1990:	,	(3.6)

где: – модуль упругости проволоки каната; и – углы свивки проволок в прядь и прядей в канат соответственно; – коэффициент сужения; – жесткость каната на растяжение; – константы; – среднее напряжение растяжения в канате; – число слоев проволок в пряди; – число всех проволок в канате; – число слоев прядей в канате; – точечное качание проволок; – линейное или смешанное касание проволок; – крестовая свивка; n – показатель степени; – коэффициент удлинения.

Формула П.П. Нестерова (3.2) является наиболее распространенной в инженерной практике, в тоже время Малиновским В.А. зависимость (3.6) и ее упрощенный вариант (3.5) рекомендуются к применению. К недостаткам формулы (3.2) относят тот факт, что модуль упругости проволоки в ней принимается постоянной величиной, в то время как Малеванным А.Н. экспериментальным путем установлена зависимость между модулем упругости проволоки и ее разрывной прочностью :

кгс/мм2,

(3.7)

или

МПа,

(3.8)

3) Поперечная жесткость

В настоящее время в литературе отсутствует единый параметр - поперечная жёсткости каната как коэффициент пропорциональности между силой и деформацией. Это объясняется тем, по поперечная деформация стального каната зависит от схемы его нагружения, поэтому жёсткостные параметры вводят применительно к конкретным условиям его работы.

Наиболее распространенным видом поперечного нагружения является сжатие каната при многослойной навивке на барабан. При моделировании этого случая профессором Б.С. Ковальским был введен модуль поперечного сжатия , где – относительная деформация; – сила сжатия. На основании экспериментальных данных были рекомендованы эмпирические зависимости для шестипрядпых канатов с органическим сердечником МПа, с металлическим сердечником МПа.

В рабочем диапазоне нагрузок МПа можно принять отношение модулей и составляет для канатов с органическим сердечником , для канатов с металлическим сердечником .

От поперечной жёсткости каната зависит уменьшение его диаметра при растяжении-кручении. В этой связи профессором М.Ф. Глушко был введен коэффициент сужения каната , который также входит в формулу (3.2).

4) Изгибная жесткость

Вопрос об изгибной жесткости является ключевым для всех исследований изгиба стального каната. Особое значение имеет изгибная жесткость для формирования переходных участков, а также при изгибе на опорной поверхности малых размеров, когда канат не принимает кривизны опорной поверхности, что затрудняет определение размеров опорного участка и удельной нагрузки. В 1965 году международная организация по исследованию стальных канатов OIPEEC создала специальную рабочую группу по изучению изгибной жесткости, однако и в настоящее время этот параметр исследован значительно меньше других жесткостных параметров стальных канатов.

Внутренние сопротивления изгибу каната включают в себя упругие силы, внутреннее трение, сопротивления пластическим деформациям в точках контакта проволок, причем, общая картина этих сопротивлений очень сложна и не вполне изучена. Поэтому изгибную жесткость каната не удается определить, как для сплошного стержня в виде произведения EI, поскольку, во-первых, канат является квазиупругим телом, во-вторых, момент инерции поперечного сечения не определен из-за подвижности части проволок.

В настоящее не существует единой методики определения изгибной жесткости стальных канатов, поэтому известные экспериментальные исследования носят фрагментарный, а зачастую и противоречивый характер.

Известны несколько серий опытов по определению изгибной изгибной жесткости стального каната в ненатянутом состоянии, проведенных Королевым В.Д., Бороховичем А.И., Коваленко Н.И, Ковалевым Н.Н. и Плюксне Н.И. Основным результатом этих исследований является вывод о том, что изгибная жесткость ненатянутого каната с некоторым превышением равна сумме изгибных жесткостей всех проволок . Однако значение этого результата не велико, так как канаты практически не используются без нагрузки.

В опытах с натянутым канатом не удается реализовать классическую схему чистого изгиба, поэтому разные авторы применяют разные методики, в основном, используя частотный и статический способы определения изгибной жесткости.

Постановка опытов частотным способом основана на использовании известной зависимости частот поперечных колебаний стержня от величины изгибной жесткости и натяжения. Статический способ основан на измерении прогибов натянутого каната под действием поперечной нагрузки. Впервые такие опыты провел Stephan с канатами спиральной конструкции, применяемыми на кабель-кранах и подвесных канатных дорогах. Затем Б С. Ковальским и его учениками были проведены исследования канатов двойной свивки точечного и линейного касания и спиральных закрытых канатов.

5) Долговечность при огибании блоков

В литературе принято обозначать долговечность стальных канатов при огибании блоков при переменных нагрузках: для прямого каната – число циклов нагружений до разрушения каната или достижения норм браковки; для канатов, работающих на блоках, – число циклов изгиба каната на блоках до разрушения каната или достижения норм браковки.

При расчете лифтовых канатов рассматривается только статическая нагрузка при растяжении. В этой связи коэффициент запаса является довольно высоким, он должен учитывать действие дополнительных напряжений, в том числе изгибных, когда канат охватывает шкив и/или блоки.

В соответствии со стандартом EN 81-1:1998 минимальный коэффициент запаса может быть определен по графику (рис. 3.3) в зависимости от соотношения D/d, где D – диаметр КВШ, d – номинальный диаметр каната, а также от эквивалентного числа блоков :

,

(3.9)

где: – эквивалентное число канатоведущих шкивов, – эквивалентное число отводных блоков.

,

(3.10)

где: – число отводных блоков с прямым огибанием, – число отводных блоков с обратным огибанием, – коэффициент, зависящий от соотношения между диаметрами КВШ и отводного блока, – средний диаметр всех отводных блоков.

Значения см. табл. 3.2

Таблица 3.2