3.5. Свойства канатов

Коэффициенты, характеризующие канат

Для оценки свойств каната служат следующие конструктивные показатели [9].

1. Коэффициент конструктивной плотности каната k₃ или коэффициент заполнения, т. е. отношение площади поперечного сечения проволок, составляющих канат к площади поперечного сечения каната:

, (3.32)

где k_з — коэффициент заполнения для талевых канатов, равный 0,5 — 0,6;

d_к — номинальный диаметр каната, мм.

2. Коэффициент гибкости k_г; т. е. отношение диаметра каната к среднему диаметру проволоки :

. (3.33)

Этот коэффициент характеризует способность каната к изгибу в пределах упругой деформации за счет внутреннего скольжения проволок. Для талевых канатов величина этого коэффициента составляет 12—16.

3. Удлинение канатов l. В стальном канате при нагрузке происходит взаимное перемещение проволок и прядей, вызывающее изменение первоначальной формы каната. При этом канат несколько удлиняется, а его сечение деформируется, превращаясь из круглого в овальное. Новые канаты удлиняются под нагрузкой вследствие усадки сердечника и перемещения проволок и прядей.

Такое удлинение, называемое конструкционным, является неупругим и равно 0,2—6% первоначальной длины каната, к концу работы каната удлинение может еще увеличиться.

Упругие деформации каната зависят от его модуля упругости, а пределом упругости _упр считается напряжение, при котором остаточное удлинение не превышает 2 % принятого для контроля расстояния.

4. Коэффициент упругости каната  - это отношение предела упругости к временному сопротивлению разрыву проволок

.

Временное сопротивление разрыву, МПа	1600-1800	1800-2000
Коэффициент упругости 	0,70	0,75

С увеличением числа повторных свивок проволок в канате (проволок в прядях и прядей в канате) и углов свивки модуль упругости каната снижается. Меняются и зависящие от этой характеристики упругие и остаточные деформации.

Ниже приводится расчет упругого удлинения каната.

Канаты талевых систем работают в режиме нестационарного нагружения: напряжения в проволоках изменяются вследствие изменения нагрузки на крюке и из-за перегиба каната на шкивах и на барабане. Для расчета по сопротивлению усталости предельное напряжение принимается равным половине предела упругости, если предел упругости не превышает 65 % временного сопротивления проволоки разрыву. Напряжение в канате не должно превышать предела усталости.

Приведенные в таблице 3.9 талевые канаты предназначены для буровых установок большой грузоподъемности, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. Диаметры канатов, и соответствующие им разрывные усилия удовлетворяют требованиям девяти из одиннадцати классов буровых установок, предусмотренных ГОСТ 16293-82. Для десятого и одиннадцатого классов (грузоподъемность 6300 и 8000 кН) требуются канаты 42 и 44 мм.

В проектировании талевых систем установок разведочного бурения с меньшей глубиной бурения можно использовать канаты, применяемые в крановой промышленности (таблицы 3.5 и 3.6). Кроме того, для сравнительного анализа талевых систем, выпущенных ранее и используемых в эксплуатации, приведены канаты старой конструкции (таблицы 3.7 и 3.8).

Таблица 3.7

Канаты стальные круглопрядные. Канат (трос) типа ЛК-Р0631=186 проволок с металлическим сердечником 77=49 проволок (прядь 1+6+6,6+12)
Диаметр каната d, мм	Площадь сечения всех проволок в канате ifi, мм	Расчетный вес 100 п.м смазанного каната, кг	Расчетный предел прочности проволок, кг/мм2
			160	170	180
			Наименьшее разрывное усилие каната, кг
25	300,64	266	40880	43440	45990
28	379,26	338	51570	54800	58020
32	464,99	415	63230	67190	71140
35	564,23	505	76730	81530	86320
38	671,61	598	91330	97040	102750

Таблица 3.8

Канаты стальные круглопрядные. Канат (трос) типа ЛК-Р0631=186 проволок с органическим сердечником (прядь 1+6+6,6+12)
Диаметр каната d, мм	Площадь сечения всех проволок в канате ifi, мм	Расчетный вес 100 п.м смазанного каната, кг	Расчетный предел прочности проволок, кг/мм2
			160	170	180
			Наименьшее разрывное усилие каната, кг
25	262,18	245	35650	37880	40110
28	332,71	300	45240	48070	50900
32	409,62	380	55700	59190	62670
35	494,01	464	64180	71380	75580
38	585,37	545	79610	84580	89560

Упругое удлинение каната зависит от его модуля упругости и определяется по формуле

, (3.34)

где Р — растягивающее усилие в канате при максимальной нагрузке на крюке;

L — длина каната;

E_к — модуль упругости каната в целом.

По экспериментальным данным модуль упругости при растяжении нового шестипрядного каната при нагружении в пределах, когда эквивалентная нагрузка P_э=(0,3…1)P_н, при коэффициенте запаса прочности n = 5 может составлять:

. (3.35)

Здесь Р_н — нагрузка каната при номинальной грузоподъемности.

Модуль упругости при поперечном сжатии зависит от типа сердечника,

.

Для канатов с металлическим сердечником E_П=(6* 10²) МПа.

Податливостью называется способность канатов упруго удлиняться в зависимости от нагрузки растяжения.

Жесткость при растяжении является величиной, обратной податливости:

, (3.36)

где l — деформация каната при Р=1МН.

Коэффициент жесткости каната зависит от упругих свойств проволоки, диаметра каната и радиуса огибаемого шкива, устанавливается экспериментально [18].

Для талевых канатов в настоящее время нет еще достаточно надежных данных о коэффициентах жесткости, зависящих не только от диаметра канатов шкивов, барабанов, но и от типа, рода и вида свивки и натяжения каната.