3 Выбор стальных канатов и грузозахватных устройств

3.1 Канаты

3.1.1 Стальные канаты

В погрузочно-разгрузочных машинах в качестве грузонесущих и тяговых элементов широко применяются канаты и цепи.

Грузоподъемные машины и установки оснащаются стальными канатами в силу их неоспоримых преимуществ: высокая прочность, хорошая гибкость, способность работать при больших скоростях, хорошее восприятие динамических нагрузок, надежность в эксплуатации и др.

Пеньковые и хлопчатобумажные канаты допускаются к применению в качестве чалочных (для обвязки груза и подвешивания его к крюку).

Стальные канаты, применяемые в качестве грузовых, стреловых, несущих, тяговых и чалочных, должны соответствовать государственным стандартам и иметь сертификат (свидетельство) завода-изготовителя об их испытании.

В соответствии с ГОСТ 3241 канаты подразделяются на следующие типы:

Г – грузовые, применяемых в устройствах, служащих для транспортирования грузов и других целей;

ГЛ – грузолюдские, применяемые в устройствах, служащих для транспортирования людей и грузов. Эти канаты должны изготавливаться только из проволоки марки В, обладать наилучшими механическими свойствами;

Б – бензольные, служащие для перевязок.

Кроме того, стальные канты подразделяются:

а) по форме поперечного сечения на круглые и плоские (форма поперечного сечения близка к форме прямоугольника);

б) по конструктивному признаку – одинарной свивки (спиральные) состоящие из проволок свитых по спирали в один или несколько концентрических слоев; двойной свивки, у которых сначала проволочки свивают в пряди, а затем пряди свиваются в канат вокруг центрального сердечника в один или несколько концентрических слоев; тройной свивки, состоящих из свитых стренг (канатов двойной свивки);

в) по форме поперечного сечения прядей – круглопрядные и фасоннопрядные с формой поперечного сечения, отличающейся от круглой (трехгранной, овальной и т.п.);

г) по типу прядей и спиральных канатов:

ТК – с точечным контактом проволок между слоями (проволоки одного слоя касаются проволок смежных слоев в одной точке);

ЛК – с линейным касанием проволок (проволоки одного слоя касаются проволок смежных слоев по всей длине проволоки), которые в свою очередь имеют несколько разновидностей:

ЛК-О – с одинаковым числом и диаметром проволочек в слое;

ЛК-Р – с разным числом и диаметром проволочек в слое;

ЛК-Ро – с проволочками разного и одинакового диаметров по отдельным слоям пряди;

ЛК-З – между слоями проволочек размещены заполняющие проволочки меньшего диаметра.

ТЛК-О и ТЛК-Р – с комбинированным точечно-линейным касанием проволок

Канаты типа ЛК по сравнению с ТК имеют большую гибкость, лучшее заполнение поперечного сечения металлом, выше долговечность в 1,5 – 1,8 раза, но дороже в изготовлении. Объединение достоинств обоих типов канатов осуществлено в канатах типа ТЛК.

д) по материалу сердечника – с органическим сердечником (ОС); с металлическим мягким сердечником из проволоки, имеющей временное сопротивление разрыву не более 900 МПа (МСМ); с металлическим сердечником из канатной проволоки (МС); с асбестовым сердечником; с сердечником из искусственных материалов (пластмасс и пр.). Наибольшее распространение получили канаты с органическим (пеньковым) сердечником, который пропитывается смазкой, что уменьшает износ каната и увеличивает его гибкость. Асбестовые сердечники используют в канатах при работе грузоподъемных машин и установок в горячих и металлургических цехах. Канаты с металлическим сердечником применяют в случаях многослойной навивки каната на барабан.

е) по способу свивки – раскручивающиеся (Р) и нераскручивающиеся (Н). У нераскручивающихся канатов пряди и проволоки сохраняют свое положение после снятия перевязок с конца каната, а у раскручивающихся не сохраняют;

ж) по направлению свивки – правого и левого направления;

з) по сочетанию направления свивки элементов каната – крестовой и односторонней (О) свивки. Если направления свивки прядей и каната совпадают, то получается канат односторонней (параллельной) свивки. Если направления свивки не совпадают, то получают канат крестовой свивки. Выпускаются также канаты комбинированной свивки. На практике наибольшее применение нашли канаты крестовой и комбинированных свивок.

Правое или левое направление свивки каната необходимо учитывать при креплении каната на барабане и направлении его вращения. Для увеличения прочности и долговечности каната при наматывании его на барабан должно происходить дополнительное подкручивание.

и) по степени крутимости – крутящиеся, с одинаковым направлением свивки всех прядей и малокрутящиеся, многопрядные с противоположным направлением свивки прядей по слоям каната (МК);

к) по механическим свойствам проволоки: В – из проволоки марки В; I – из проволоки марки I; II – из проволоки марки II и Б – из бензольной проволоки. Для грузоподъемных машин и установок канаты изготавливают из проволоки диаметром 0,2…3 мм марок В и I.

л) по виду покрытий проволок и каната – из светлой проволоки, оцинкованной проволоки и с покрытием искусственными материалами всего канта и прядей.

Канаты из оцинкованной проволоки различают

ЛС – с тонким цинковым покрытием для легких условий работы;

СС – со средним цинковым покрытием для средних условий работы

ЖС – с толстым цинковым покрытием для жестких условий работы.

В сухих помещениях применяют канаты, изготовленные из светлых (без покрытия) проволочек, а в сырых помещениях – из оцинкованных проволочек. Последние являются коррозионно-стойкими, но прочность их снижается примерно на 10 %. Оцинкованные проволочки слабо сопротивляются действию кислот, что необходимо учитывать при выборе каната в условиях химического производства.

Канаты являются наиболее ответственными и в то же время наиболее быстро изнашиваемой деталью грузоподъемной машины. Обрыв грузовых и несущих канатов может быть причиной аварий и тяжелого травматизма. В связи с этим правилами Госгортехнадзора регламентированы наименьшие допустимые запасы прочности каната (n_k).

При выборе каната вначале определяют максимальное статическое усилие в канате, которое определяют по формуле:

, (3.1)

где G – вес номинального груза; q - вес крюковой подвески; Z_к.б – число ветвей каната, навиваемых на барабан; а_п – передаточное число (кратность) полиспаста; η_п – КПД полиспаста; η_н.б – КПД направляющих (обводных) блоков.

Вес крюковой подвески принимается по справочным таблицам [6] или ориентировочно рассчитывается по зависимостям:

q = 15·G – для одноблочных подвесок;

q = 20·G – для двух – и трехблочных подвесок,

здесь q – в Н, G – в кН.

Выбор типа каната осуществляют в зависимости от конкретных условий эксплуатации грузоподъемного устройства и способа крепления груза к канату. На грузоподъемных машинах общего назначения при однослойной навивке на барабан рекомендуется применять шестипрядные стальные канаты двойной свивки с одним органическим сердечником, имеющие предел прочности проволоки при растяжении σ_в=1666…1960 МПа, следующих типов:

ЛК-Р 6×19(1+6+6/6)+1 ос ГОСТ 2688-80;

ЛК-РО 6×36(1+7+7/7+14)+1 ос ГОСТ 7668-80.

В условиях абразивного износа предпочтительнее канаты с меньшим числом проволок, т.е. 6×19, по сравнению с канатами, у которых число проволок 6×36 или 6×37.

Типоразмер каната выбирают из условия – произведение максимального статического усилия в канате на коэффициент запаса прочности не должно превышать разрывного усилия каната в целом, указанного в таблице ГОСТа:

S_max∙n_k ≤ S_р, (3.2)

где n_k – коэффициент запаса прочности каната, выбираемый по таблице 3.1; S_р – разрывное усилие каната в целом.

Выбранный типоразмер каната необходимо поверить на соотношение между диаметром каната и диаметром блока крюковой подвески (если они были выбраны ранее), которое имеет вид:

D_бл≥d_к∙е, (3.3)

где D_бл – диаметр блока, измеряемый по средней линии навитого каната (D_бл= D_бл.0 + d_к); d_к – диаметр каната; е – коэффициент, регламентируемый нормами Госгортехнадзора и зависящий от типа машины и режима работы, выбираемый по таблице 3.2; D_бл.0 - диаметр блока по дну ручья.

Таблица 3.1 - Наименьший допускаемый коэффициент запаса прочности канатов.

Назначение канатов	Привод	Группа режима работы	Допускаемые значения nk
Грузовые* и стреловые	Ручной	1	4,0
	Машинный	1; 2; 3	5,0
		4	5,5
		5 и 6	6,0

Примечание: *Грузовые канаты на кранах, предназначенных для подъема и транспортирования расплавленного металла, жидкого шлака, ядовитых и взрывчатых веществ, должны выбираться с коэффициентом запаса прочности не менее 6.

Таблица 3.2 - Минимальные значения коэффициента е

Тип грузоподъемной машины	Тип привода	Группа режима работы	е
Электрические тали	Машинный	–	22
Стреловые краны	Машинный	1; 2; 3	16
		4	18
		5	20
Все виды за исключением лебедок, талей, стреловых кранов, электроталей и лебедок	Ручной	1	18
	Машинный	1; 2; 3	20
		4	25
		5	30
		6	35
Лебедки для подъема груза	Ручной	–	12
	Машинный	–	20

Если соотношение (3.3) не выполняется, то нужно выбрать канат другого диаметра с соблюдением условия прочности (3.2). При этом можно изменить маркировочную группу или принять другой тип каната. Если условие (3.3) продолжает не выполняться, можно принять крюковую подвеску с большим числом блоков, что приведет к изменению кратности полиспаста, уменьшению усилия и диаметра каната. Можно не изменять число блоков, а увеличить их диаметр, но при этом потребуется спроектировать специальную канатную подвеску.

Выбрав канат, необходимо выписать его основные параметры: условное обозначение типа, условное обозначение типоразмера, диаметр каната, марку проволоки, расчетную площадь сечения всех проволок F_к, маркировочную группу, вид покрытия поверхности проволоки, направление свивки каната, сочетание направлений свивки элементов, способ свивки каната.

Пример 1

Подобрать канат для растяжки, если известно, что усилие в ней равно S=45 кН.

Находим разрывное усилие R. Коэффициент запаса прочности для растяжек равен K = 3,5. Тогда R=S·K=45000·3,5 = 157500 Н.

Поскольку для растяжек рекомендуется жёсткий канат, то принимаем канат двойной свивки ЛК-Р 6×19+1 ос. ГОСТ 2688-80 диаметром 18 мм с пределом прочности проволок на разрыв 1570 Н/мм² с допустимым разрывным усилием каната 165200 Н, что больше 157500 Н.

Пример 2

При подъёме груза через грузовой блок диаметром 225 мм возникает усилие в канате, идущем на лебёдку S=17 кН. Лебёдка приводная, работающая в среднем режиме.

Определяем R = 1 7000·5,5 = 93500 Н. Выбираем гибкий канат двойной свивки типа ЛК-3 конструкции 6×25+1 ос по ГОСТ 7665-80 диаметром 14,5 мм с пределом прочности проволок 1570 Н/мм², R=102500 > 93500 Н.

Проверяем допустимый диаметр изгиба

D = d·(e - 1) = 14,5·(18 - 1) = 246,5 > 22 5 мм.

Диаметр каната выбран неправильно. Принимаем канат ЛК-3 6×25+1 ос. по ГОСТ 7665-80, но с пределом прочности проволок 1960 Н/мм² диаметром 13 мм, для которого R = 97200 > 93500 и D = 13·(18 - 1) = 201 мм < 225 мм.

Пример 3

Имеется канат диаметром 11,5 мм. Из сертификата на этот канат известно, что пряди каната свиты из проволок с пределом прочности 1960 Н/мм², а конструкция каната ТЛК-О 637+1ос. ГОСТ 3073-80. Требуется определить допустимую нагрузку на этот канат, если использовать его для подъёма люльки с людьми и допустимый диаметр блоков.

Определяем, что для указанного каната с диаметром 11,5 мм разрывное усилие R=77550 Н.

Допустимая нагрузка на канат составит

S = R/K = 77550/9 = 8617 Н.

Допустимый диаметр роликов блоков и барабана лебёдки должен быть больше D > d·(e - 1) > 11,5·(25 - 1) > 276 мм (коэффициенты "K" и "е" определены по справочным таблицам).