КАНАТ ЗАКРЫТОЙ КОНСТРУКЦИИ

Полезная модель относится к  закрытым  канатам, предназначенным для работы ряда механизмов современной подъемно-транспортной техники. Практическая значимость производства закрытых подъемных канатов в последнее время возросла в связи с их использованием в качестве тела насосной штанги, передающей возвратно-поступательное движение и продольное усилие от находящегося на поверхности земли привода к рабочему органу скважинного насоса при добыче нефти из скважин.
Для повышения служебных свойств канаты закрытой конструкции необходимо свивать с гарантированными зазорами между фасонными проволоками, так как при плотной свивке проволок несогласованное поперечное сужение слоев при растяжении во время эксплуатации или даже при предварительной вытяжке приводит к появлению радиальных зазоров между слоями и, как следствие, нарушению структурной целостности и выходу каната из строя (Ветров А.П. Определение причин появления дефектов в закрытых канатах //  Сб. тр. «Стальные канаты».  Вып. 8. – Киев: Техника, 1971. – С. 54 –59).  Плотная свивка проволок в слоях каната выполняется при соблюдении   условия касания проволок в слое:
, (1)
где d– средний диаметр слоя, мм;
δ – среднее значение размера проволоки, мм;
α - угол свивки;
n – число проволок в слое.
Критериями выбора величины зазора между элементами каната могут служить степень остаточного конструктивного удлинения каната, допуск на размер проволоки, а также величина контактных напряжений между элементами каната при их соприкосновении.
Известен закрытый канат (авторское свидетельство №855102, МПК D07B 1/06, опубликовано 15.08.1981. Бюл. №30), содержащий сердечник, проволоки внутренних слоев и проволоки наружных слоев фасонного сечения, причем жесткость проволок наружного слоя при растяжении равна сумме аналогичных жесткостей сердечника и проволок каждого внутреннего слоя.
Повышение жесткости проволок наружного слоя при растяжении увеличивает массу каната, что снижает надежность и долговечность закрытого каната  при эксплуатации.
Наиболее близким по совокупности признаков и выбранным за прототип является закрытый канат (патент №2626327, МПК D07B 3/00, опубликовано 26.07.2017. Бюл. №21), содержащий стальной сердечник,  все слои которого выполнены с линейным касанием проволок,  выполненные на стальном сердечнике повивы  проволоки фасонного профиля различного  сечения. Стабилизация упругопластических свойств и снятие остаточного конструкционного удлинения достигается предварительной вытяжкой закрытого каната путем растяжения.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится отсутствие зазоров между фасонными проволоками в слоях каната, что не позволяет улучшить качество каната и увеличить срок его службы.
Отсутствие гарантированных зазоров между фасонными проволоками в слоях может привести к нарушению его структурной целостности уже при предварительной вытяжке каната в связи с образованием радиальных зазоров между слоями из-за несогласованного поперечного сужения слоев при растяжении, что приводит к выходу каната из строя. Кроме того, выполнение внешних повивов только из фасонной проволоки снижает гибкость каната, что существенно снижает его надежность.
Задачей полезной модели является сохранение структурной целостности каната при растяжении во время эксплуатации или при предварительной вытяжке каната за счет исключения образования радиальных зазоров между слоями из фасонной проволоки при поперечном сужении слоев.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности и долговечности закрытого каната при эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом закрытом канате, содержащем стальной сердечник с линейным касанием проволок,  выполненные на стальном сердечнике повивы из проволок различного сечения, повивы из фасонной проволоки выполнены с гарантированными зазорами  между смежными проволоками в диапазоне:
, (2)
i
где d – средний диаметр слоя каната, мм;
n – число проволок в слое.
Необходимость наличия гарантированных зазоров между фасонными  проволоками навитых на сердечник слоев для сохранения структурной целостности закрытого каната объясняется следующим.  При плотной свивке [при соблюдении условия (1)] проволок в слоях в начальный период нагружения нового каната растягивающей нагрузкой при эксплуатации или предварительной вытяжке создается остаточное конструктивное удлинение, связанное с приработкой свитых проволок при соответствующем уменьшении диаметра каната. Уменьшение диаметра вызывает избыточную длину проволоки, составляющую ориентировочно 0,25% от длины закрытых подъемных канатов. В результате несогласованного поперечного сужения соседних слоев между ними могут появиться радиальные зазоры, приводящие к неустойчивому положению проволок и нарушению структурной целостности слоев при многократном повторении цикла нагрузка-разгрузка в процессе эксплуатации каната и, как следствие, выходу каната из строя.  Между проволоками закрытого каната во всех выполненных на стальном сердечнике слоях при свивке должны оставляться зазоры для согласованного сужения.
К величине зазоров между фасонными проволоками предъявляются весьма жесткие требования. При увеличенном зазоре  возможен выход из зацепления проволок фасонного профиля.  Критериями выбора величины зазора могут служить степень остаточного конструктивного удлинения и допуск на размер элементов каната, а также величина контактных напряжений между проволоками в слоях и между слоями. Для выбора диапазона изменения величины зазора целесообразно использование компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния элементов закрытого каната при растяжении.
r
сл
r
сл
i
r
i
i
i
i
i
i
r
i
Минимальная величина зазора между проволоками выполненного на стальном сердечнике слоя может быть определена путем анализа зависимости относительной деформации сужения слоя εот относительной деформации удлинения слоя ε, полученной при моделировании чистого растяжения (без кручения) каната. После определения значения относительной деформации сужения слоя εс использованием принятого значения остаточного удлинения слоя ε=0,25%, изменение диаметра слоя определится из уравнения ∆d=εd. Уменьшение диаметра слоя ∆d вызывает соответствующее уменьшение длины окружности слоя в поперечном сечении каната, принимаемой за меру суммарного зазора между проволоками слоя ∑∆ = π∆d. Тогда среднее значение минимального зазора между проволоками в слое определится  ∆= π∆d/n= πεd/n. Расчеты и результаты компьютерного моделирования деформации элементов закрытого каната при растяжении показывают, что  значение минимального зазора составляет  .
i
Максимальную величину зазора следует назначать с учетом допуска на размер проволоки слоя. Для проволоки зетобразного и иксобразного профиля допуски на размер по ГОСТ Р 58134-2018 составляют от ±0,08 до ±0,12 мм. Результаты сопоставления нижнего предельного отклонения eи отношения  показывают, что  значение максимального зазора составляет .  Тогда диапазон значений гарантированного зазора между смежными проволоками в слое составит:
,
i
где d – средний диаметр слоя каната, мм;
n – число проволок в слое.
На фиг. 1 изображено поперечное сечение моделируемого закрытого каната. На фиг. 2 изображены два соседних элемента наружного слоя в поперечном сечении каната.
Канат содержит проволоки сердечника 1 и  проволоки круглого 2, круглого / иксобразного 3 и  зетобразного 4 профилей слоев, навитых на сердечник 1. Использование в закрытых канатах круглых проволок способствует увеличению их гибкости. Фасонные проволоки создают плотное строение каната, препятствуют попаданию влаги внутрь его. При совместной работе круглых проволок с иксобразными обеспечивается получение замка проволок в слое.  Зетобразные проволоки наружного слоя при обрыве сохраняют свое положение в канате.
Проволоки наружного слоя зетобразного профиля свиты между собой с тангенциальными зазорами  и по верхней и нижней полке, соответственно.
4
3
3
Для закрытого каната диаметром 20,5 мм тангенциальные зазоры между проволоками слоя 4 должны лежать в диапазоне Δ= = 0,037÷0,065 мм,  а между проволоками слоя 3 – в диапазоне Δ= = 0,030÷0,053 мм. Моделирование чистого растяжения закрытого каната проводили при следующих средних значениях тангенциальных зазоров  между проволоками слоя 4 по нижней полке: вариант 1 - =0,035мм; вариант 2 - =0,060 мм; вариант 3 - =0,130 мм. Среднее значение тангенциального зазора между проволоками слоя 3 составляло Δ= 0,092 мм,  при отсутствии радиального зазора между слоями 4 и 3.  При деформации регистрировали контактные напряжения между фасонными проволоками в слоях и  между слоями (см. таблицу)
Таблица – Контактные напряжения между фасонными проволоками в слоях и между слоями в поперечных сечениях закрытого каната
ε<sub>сл</sub>, %
Тангенциальные  напряжения (слой 4, нижняя полка) σ<sub>Т</sub>, МПа
Тангенциальные  напряжения (слой 3) σ<sub>Т</sub>, МПа
Радиальные  напряжения (между слоями 4 и 3) σ<sub>r</sub>, МПа
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,035мм
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,060мм
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,130мм
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,035мм
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,060мм
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,130мм
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,035мм
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,060мм
<img file="00000007.jpg" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="jpg" />=0,130мм
0,15
0,9
1,8
2,9
0,2
2,3
1,6
0,2
0,7
14,3
0,30
3,7
3,5
2,9
0,4
0,3
8,8
0,9
1,9
94,0
0,45
64,5
11,5
13,2
6,5
14,5
15,5
4,2
9,1
170,9
0,60
155,1
35,2
35,4
19,2
5,1
58,8
7,6
11,4
384,0
0,75
251,5
59,7
60,5
28,9
9,4
108,7
8,8
17,7
635,3
0,90
312,5
85,2
85,6
27,9
137,0
144,5
3,8
23,5
863,0
1,05
389,9
110,8
107,5
9,9
178
183,9
5,7
30,2
1075,6
1,20
412,3
116,1
125,3
5,9
203,0
215,3
4,0
31,1
1123,0
Т
Из таблицы следует, что в условиях растяжения каната с выполненными  по варианту 1 зазорами контактные напряжения между проволоками слоя 4 достигают величины σ=300-400 МПа,  при отсутствии контактных напряжений между проволоками слоев 4 и 3  и проволоками слоя 3. Это говорит об отставании слоя 4 в сужении от слоя 3, что способствует образованию радиального зазора между слоями 4 и 3, приводящего к неустойчивому положению проволок и возможному нарушению структурной целостности наружного слоя  при многократном повторении цикла нагрузка-разгрузка в процессе эксплуатации каната и, как следствие, снижению надежности и долговечности каната.
Т
Т
r
В условиях растяжения каната с выполненными  по варианту 2 зазорами контактные напряжения между проволоками слоя 4 уменьшаются, по сравнению с вариантом 1, примерно в 3-4 раза до значений σ=100-115 МПа. Контактные напряжения между проволоками слоя 3 достигают значений σ=200 МПа. Контактные радиальные напряжения между слоями 4 и 3 незначительны по величине и составляют σ = 25-35 МПа. Это указывает на согласованное сужение слоев из проволоки фасонного сечения, исключающее образование радиального зазора между слоями, что повышает надежность и долговечность каната.
r
В условиях растяжения каната с выполненными  по варианту 3 зазорами значения контактных тангенциальных напряжений между проволоками слоя 4 и слоя 3 незначительно повышаются, по сравнению с вариантом 2. Однако контактные радиальные напряжения  между слоями 4 и 3 возрастают значительно и достигают величины σ = 900-1100 Мпа. Это говорит о том, что наружный слой становится самозатягивающимся, перегружается, что повышает вероятность появления в нем обрывов, снижает срок службы.
Таким образом, выполнение повивов из фасонной проволоки  с зазором  между смежными проволоками в диапазоне   в канате закрытой конструкции, содержащем стальной сердечник с линейным касанием проволок,  выполненные  на стальном сердечнике повивы из проволоки различного сечения, обеспечивает повышение надежности и долговечности закрытого каната при эксплуатации за счет снижения контактных напряжений  между слоями и проволоками в слоях закрытого каната.