КАНАТ СТАЛЬНОЙ ЗАКРЫТОЙ КОНСТРУКЦИИ МАЛОКРУТЯЩИЙСЯ (ВАРИАНТЫ)
LOW ROTATION ROPE OF STEEL CLOSED STRUCTURE (VERSIONS)

Данное изобретение относится к канатному производству и применяется в качестве шахтных подъемных и проводниковых, несущих канатов подвесных канатных дорог и кабельных кранов, вантовых канатов мостов и других инженерных сооружениях.
Известен канат стальной закрытой конструкции по ГОСТ 3090-73 с одним слоем зетообразной проволоки и сердечником точечного касания.
Недостатками его являются неуравновешенность каната, обусловленная малым количеством слоев каната; преждевременный выход из строя, вследствие выхода зетообразной проволоки из взаимного зацепления в процессе эксплуатации каната, так как зетообразные проволоки имеют одностороннее зацепление между собой в слое.
Известен канат стальной закрытой конструкции по ГОСТ 10506-76 с одним слоем зетообразной проволоки и одним, двумя или тремя слоями с чередующимися проволоками круглого и иксообразного сечения.
Недостатками его являются преждевременный выход из строя каната, вследствие выхода зетообразной проволоки из взаимного зацепления в процессе эксплуатации каната, так как зетообразные проволоки имеют одностороннее зацепление между собой в слое; внутренние упругие напряжения в проволоках.
Известен спиральный канат закрытой конструкции, содержащий сердечник и навитые на него несколько слоев проволок, наружный из которых выполнен из проволок восьмеркообразного профиля (SU867974, МПК D07B 1/06, 09.07.1979 г).
Недостатками каната являются: конструкция каната не обеспечивающая уравновешивание напряжений в слоях, в результате чего отсутствует стойкость каната к кручению; больший овал восьмеркообразного профиля расположенный на поверхности каната не обеспечивает надежный замок слоя из-за небольших плеч зацепления, касающихся между собой поверхностей смежных восьмеркообразных проволок, а также высокая трудоемкость свивки ее в канат.
Наиболее близким по техническому решению, принятому за прототип, является канат закрытой конструкции, имеющим стальной сердечник с линейным касанием проволок, на стальном сердечнике выполнены повивы из фасонной проволоки трапецеидального и омегообразного профиля (RU 164244U1, МПК D07B 1/06, 26.10.2015 г).
Недостатками прототипа являются неуравновешенность каната, так как применение вытяжки не обеспечивает достаточного снятия внутренних крутящих моментов и сил упругой отдачи в проволоках каната, конструкция сердечника со степенью обжатия площади поперечного сечения сердечника 6÷12% увеличивает площадь поперечного сечения каната незначительно, вследствие этого канат имеет невысокую агрегатную прочность, а также низкую поперечную устойчивость.
Настоящее изобретение направлено на создание каната стального закрытой конструкции малокрутящегося, в котором преодолевались бы недостатки уровня техники.
С помощью настоящего изобретения достигается технический результат, состоящий в увеличении устойчивости каната против кручения, повышении целостности структуры каната в эксплуатации и долговечности. Для решения данной задачи предложены:
1. канат стальной закрытой конструкции малокрутящийся, состоящий из проволок фасонного сечения на периферии и круглых в центральной части, свитых послойно в 4÷7 концентрических слоев, при этом вокруг центральной части каната из круглой проволоки свиты в 1÷2 слоя фасонные проволоки клиновидного сечения с высотой профиля 4÷6 мм, причем проволока фасонная клиновидного сечения при свивке подвергается предварительной деформации посредством дополнительного изгиба в распределительно-деформирующем шаблоне, а наружный слой каната выполнен из пар фасонной проволоки омегообразного сечения, при этом фасонные проволоки омегообразного сечения в паре имеют одинаковую высоту профиля 4÷6 мм, но разную площадью сечения; причем для снижения технологической неуравновешенности каната от кручения фасонная проволока омегообразного сечения в процессе производства канатов дополнительно подвергается осевому закручиванию; при этом периферийная часть каната свивается в противоположных направлениях с углом свивки в слоях равным 15°÷20°; причем с увеличением диаметра каната увеличивается количество слоев каната и количество проволок в слоях;
2. Канат стальной закрытой конструкции малокрутящийся, состоящий из проволок фасонного сечения на периферии и круглых в центральной части, свитых послойно в 4÷10 концентрических слоев, при этом центральная часть из круглой проволоки каната состоит из внутреннего слоя, свитого по типу линейного касания и 1÷3 слоев, свитых по типу точечного касания; при этом последующие слои каната чередуются и выполнены из слоев с чередующимися проволоками круглого и иксобразного сечения, высотой профиля 1,9÷3,2 мм, и слоев из круглых проволок; а периферийная часть каната состоит из слоя с чередующимися проволоками круглого и иксобразного сечения и слоя из пар фасонной проволоки омегообразного сечения, при этом фасонные проволоки омегообразного сечения в паре имеют одинаковую высоту профиля 4÷6 мм, но разную площадью сечения; причем для снижения технологической неуравновешенности каната от кручения фасонная проволока иксобразного и омегообразного сечения в процессе производства канатов подвергаются осевому закручиванию; при этом периферийная часть каната свивается в противоположных направлениях с углом свивки в слоях равным 15°÷20°; причем с увеличением диаметра каната увеличивается количество слоев каната и количество проволок в слоях.
Канат закрытой конструкции малокрутящийся благодаря наличию в наружном слое проволок фасонного сечения омегообразного профиля имеет высокую уравновешенность, что увеличивает структурную устойчивость; гладкая наружная поверхность каната дает возможность уменьшить давление на одну проволоку и уменьшить изнашивание проволок; уменьшает удельное давление на шкив и сокращает износ, а радиус кривизны фасонных проволок, соответствующий диаметру каната понижает контактные напряжения. Канат имеет максимальное заполнение площади поперечного сечения металлом, высокую агрегатную прочность, незначительные конструктивные удлинения.
Противоположное направление свивок в периферийной части каната обеспечивает уравновешивание внутренних крутящих моментов и сил упругости относительно оси каната.
Угол свивки проволок равный 15°÷20° обеспечивает необходимую геометрию, плотность и структурную целостность каната, а также одинаковое распределение напряжений по сечению каната.
При углах свивки меньше 15° изгиб проволоки сопровождается упругой деформацией и сохранением внутренних напряжений в канате, при этом происходит разворот и выход из зацепления омегообразных проволок. При углах свивки выше 20° агрегатная прочность и гибкость каната снижаются.
Для создания нормальных условий работы фасонных проволок в закрытых канатах необходимо предусматривать между смежными фасонными проволоками оптимальный конструктивный зазор. При эксплуатации канат испытывает сжатие, растяжение и отсутствие тагенциальных зазоров между фасонными проволоками в слое каната, приводит к образованию радиальных зазоров между слоями, что приводит к преждевременному выходу из строя каната.
Проволока клиновидного сечения увеличивает коэффициент заполнения металлом поперечного сечения каната, создает ровную опорную поверхность для последующего слоя фасонных проволок. Канаты стальные закрытой конструкции, содержащие в слоях фасонные проволоки клиновидного сечения обладают высокой поперечной устойчивостью, меньшими контактными напряжениями и применяются в качестве несущих и направляющих.
Высота проволоки клиновидного сечения 4-6 мм обеспечивает необходимый диаметр слоя каната.
Предварительная деформация проволоки клиновидного сечения посредством дополнительного изгиба в распределительно-деформирующем шаблоне снижает внутренние упругие напряжения проволоки.
Центральная части каната состоит из проволок круглого сечения, что обеспечивает высокий коэффициент заполнения площади поперечного сечения, большую гибкостью, при этом снижается износ внутренних проволок, отсутствуют контактные напряжения в проволоках при нагружении. Количество круглых проволок в слоях зависит от диаметра каната и условий эксплуатации каната, так как с увеличением числа проволок увеличивается агрегатная прочность и гибкость, что повышает выносливость каната при работе на изгиб.
Свивка круглых проволок по типу линейного касания обеспечивает большую структурную плотность центральной части каната, способствует увеличению гибкости каната.
Увеличение количества слоев круглой проволоки в канате обеспечивает уравновешенность каната, увеличение степени заполнения каната металлом, а также снижает общую жесткость каната. Выбор количества слоев круглой проволоки зависит от диаметра каната и конкретных условий эксплуатации каната. Так например, канат несущий имеет меньшее количество слоев с круглой проволокой, что обеспечивает жесткость центральной части каната и повышает поперечную устойчивость. Для канатов подъемных характерно большое содержание слоев с круглой проволоки, так как канат испытывает при работе растяжение совместно с кручением, изгиб и контактное нагружение.
Проволока иксобразная в сочетании с круглой создает самозатягивающийся слой, который не дает возможности нарушить последующие слои каната и, таким образом, способствует его поперечной устойчивости. Самозатягивающийся слой -это полузакрытая часть каната, он является хорошей опорой для омегообразной проволоки.
Применение во внутреннем слое каната двояковогнутой иксообразной проволоки в паре с круглой проволокой обеспечивает строение замка взаимного сцепления с повышенной степенью заполнения металлом поперечного сечения каната, а также ровную гладкую опорную поверхность для последующего слоя проволок. Эти свойства обеспечиваются без использования большого числа фасонных проволок в слое, что способствует сохранению достаточной гибкости.
Канаты стальные закрытой конструкции, содержащие в слоях фасонные проволоки иксобразного профиля обладают высокой гибкостью и применяются в качестве подъемных.
Высота иксобразного профиля 1,9-3,2 мм обеспечивает необходимый диаметр слоя каната.
Омегообразные проволоки образуют двойное двустороннее замковое соединение в слое каната только при парном их количестве, при этом высота профиля пары проволок одинакова 4÷6 мм, но разная площадь сечения, так как ширина головок профиля одинакова, а ширина оснований различна. За счет разной ширины головок и оснований профиля достигается замковое соединение.
Благодаря двойному зацеплению элементов профиля обеспечивается плотное прилегание проволок в замок, за счет чего повышается сохранность структуры каната в эксплуатации, увеличивается долговечность и устойчивость канатов против кручения. Проволока плотно прилегает друг другу, создает гладкую поверхность, препятствует проникновению влаги внутрь каната и предохраняет от коррозии внутренние слои каната.
При износе до 50% высоты проволоки омегообразного профиля еще сохраняют одно двустороннее зацепление в слое, что обеспечивает сохранение структуры каната в эксплуатации.
Благодаря двойному двустороннему зацеплению исключена возможность выхода из взаимного зацепления внешних фасонных проволок даже при разрушении 2-4 смежных проволок в одном сечении каната.
Фасонные проволоки омегообразного профиля, создавая двухстороннее зацепление между собой, при обрыве выступают скругленной частью профиля, не позволяя им выйти из взаимного зацепления, исключая выход наружных проволок из замка.
Высота 4÷6 мм омегообразных проволок в канате зависит от номинального диаметра каната, с увеличением диаметра каната увеличивается и высота профиля фасонной проволоки, а также определенная высота профиля принята для повышения устойчивости против кручения.
Канат стальной закрытой конструкции благодаря многослойности, противоположным направлениям свивки проволок и наличию омегообразных проволок в периферийной части каната подвергаются меньшему кручению.
Устойчивость каната против кручения может характеризоваться по результирующим моментам вращения всех его слоев проволок от растягивающего усилия
или по коэффициентам жесткости на кручение всех слоев проволок
С=ΣCi;
где Е - модуль продольной упругости проволоки;
F - площадь сечения проволок i-го слоя;
r - средний радиус свивки i-го слоя проволок;
α - угол свивки i-го слоя проволок;
Р - усилие растяжения проволок i-го слоя.
За критерий оценки степени устойчивости каната против кручения можно принять отношение неуравновешенной части коэффициента С к его максимальному значению, а считая эту величину относительной неуравновешенностью каната
1
2
1
2
ψ=(C-C)/(C+C), %
1
где C - суммарное значение ΣCi слоев проволок, свитых в одну сторону;
2
С - суммарное значение ΣCi слоев проволок, свитых в противоположную сторону.
Исследования влияния кручения канатов показывают, что неуравновешенность канатов примерно до 30% является допустимой для эксплуатации, поскольку разрывное усилие и устойчивость структуры не снижаются.
В таблице 1 приведены результаты расчетов относительной неуравновешенности канатов стандартных канатов и каната стального закрытой конструкции малокрутящегося.
Как видно из таблицы 1 канат стальной закрытой конструкции малокрутящийся обладает высокой устойчивостью против кручения, неуравновешенность каната значительно меньше неуравновешенности конструкций существующих закрытых канатов.
Осевое закручивание фасонной проволоки при изготовлении каната обеспечивает нераскручиваемость каната и нейтрализацию внутренних упругих напряжений на 60-70%, увеличение срока службы каната вследствие исключения выхода проволок фасонных из взаимного зацепления. При этом осевое закручивание фасонных проволок позволяет снизить технологическую неуравновешенность каната от кручения.
Изобретение иллюстрируется изображениями поперечных сечений каната.
Фиг. 1 - поперечное сечение каната с проволоками фасонными клиновидного и омегообразного сечений;
где 1 - центральная часть каната, состоящая из проволок круглого сечения;
2 - слои каната, состоящие из проволок фасонных клиновидного сечения;
3 - слой каната, состоящий из пар проволок фасонных омегообразного сечения;
Фиг. 2 - поперечное сечение каната с проволоками фасонными иксобразного и омегообразного сечений;
где 1 - центральная часть каната, состоящая из проволок круглого сечения;
2 - слои каната, состоящие из чередующихся проволок круглого и фасонного иксобразного сечения;
2а - слои каната, состоящие проволок круглого сечения;
3 - слой каната, состоящий из пар проволок фасонных омегообразного сечения;
Производство каната осуществляется в несколько технологических операций. При свивке центральной части 1 каната на канатовьющем оборудовании применяется технологическая оснастка: распределительный шаблон для распределения проволок в слое и достижения определенного угла свивки; обжимные плашки для формирования каната, рихтовальное приспособление для частичного снятия внутренних упругих напряжений проволоки.
После свивки центральной части 1 последовательно свивается каждый слой каната за отдельную операцию с применением технологической оснастки.
При свивке слоя 2 каната проволока фасонная клиновидного сечения протягивается через распределительно-деформирующий шаблон и подвергается предварительной деформации посредством дополнительного изгиба и затем входит в обжимные плашки. После этого слой 2 каната проходит через рихтовальное приспособление для дополнительного снятия внутренних упругих напряжений проволоки. Заключительной операцией является свивка наружного слоя 3 с проволокой фасонной омегообразного сечения.
Проволока фасонная, разматываясь с зарядной катушки, протягивается через преформатор для фасонной проволоки, где происходит закручивание ее вокруг собственной оси на 180-360° в сторону, противоположную направлению свивки каната между двумя парами роликов преформатора, далее проволока самопроизвольно закручивается вокруг своей оси, и протягивается через накладки с профильными отверстиями в распределительном шаблоне, и, дополнительно скручиваясь, плавно входит в обжимные плашки. После обжимных плашек канат проходит через рихтовальное приспособление для дополнительного снятия внутренних упругих напряжений проволоки, набирается на вытяжной шкив и далее, наматывается на барабан.
При этом при свивке слоев 2 (фиг. 2) каната с проволоками фасонными иксообразного сечения проволоки подвергается осевому закручиванию для нейтрализации внутренних упругих напряжений аналогично проволокам фасонным омегообразного сечения.
Данное изобретение было реализовано в качестве направляющих в подъемных установках на рудниках ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель». Канаты имеют срок службы в 2,5 раза больше стандартных канатов аналогичной конструкции; относительная неуравновешенность канатов вдвое ниже по сравнению со стандартными канатами.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить канат с увеличенной устойчивостью против кручения, с высоким сроком службы.