БЫСТРОРАЗЪЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ КАНАТОВ МОБИЛЬНЫХ КАНАТНЫХ КОМПЛЕКСОВ МАЯТНИКОВОГО ТИПА

Полезная модель относится к области подъемно-транспортного машиностроения, а именно к устройствам на основе подвесных канатных систем для оперативного развертывания транспортно-перегрузочных грузовых и пассажирских мобильных канатных комплексов маятникового типа в условиях необорудованной и труднодоступной местности, при ликвидации природных или техногенных чрезвычайных ситуаций.
Известна конструкция устройства для соединения канатов (патент RU №2509239, F16G 11/04, F16G 11/10, 2014 г.) [1], содержащая корпус в виде параллелепипеда, в теле которого параллельно центральной оси высверлены два сквозных отверстия для размещения в них соединяемых канатов и расположенное перпендикулярно этим отверстиям сквозное отверстие с размещенным в нем стопором в виде прямоугольной пластины, на свободных концах которой жестко закреплен упор П-образной формы.
Существенным недостатком рассмотренной конструкции является то, что прижатие соединяемых канатов выполняется в одном месте. Таким образом, приложение прижимной силы, создаваемой поворотом упора П-образной формы, к канату носит характер точечного локального контакта. Как следствие, соединение либо будет иметь сравнительно невысокую несущую способность в условиях действия осевой растягивающей эксплуатационной нагрузки (значительно меньшую, чем разрывное усилие самого каната), либо упор П-образной формы в рабочем состоянии должен значительно точечно деформировать поперечное сечение каната. Это может существенно снизить срок службы и надежность дорогостоящего каната вследствие возможного необратимого пластического деформирования сечения прядей каната и ряда наружных проволок, а также разрушения органического сердечника каната. Согласно требованиям нормативно-технических документов Ростехнадзора [3] такие повреждения канатов недопустимы и их наличие есть основание для немедленной браковки канатов. В любом случае рассмотренное соединение канатов недопустимо использовать для канатных дорог и мобильных канатных комплексов, являющихся опасными производственными объектами.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемой полезной модели и принятой за ее прототип является устройство для соединения канатов (патент RU №2280200, F16G 11/06, F16G 11/04, В66В 7/06, 2006 г.) [2], состоящее из разъемного корпуса в виде двух идентичных пластин прямоугольной формы, по краям которых вдоль их длинных сторон выполнены сквозные отверстия для стяжных болтов, а на поверхности пластин, обращенных вовнутрь корпуса, жестко закреплены пилообразные пластины, во впадинах которых размещены канаты, при этом сами пилообразные пластины равномерно разнесены по длине корпуса.
Эта конструкция имеет ряд существенных конструктивных и функциональных недостатков. Как и в рассмотренном устройстве-аналоге, прижатие соединяемых канатов выполняется дискретно лишь в нескольких местах (местах расположения пилообразных пластин) и выполняется локально в пределах длины канатов, равной толщине пилообразной пластины, т.е. в пределах не более одного диаметра ^каната. Как показывают оценочные расчеты, для надежного обеспечения нагрузочной способности рассматриваемого устройства для соединения канатов, способного без разрушения выдерживать (с учетом регламентируемого нормами Ростехнадзора [3] коэффициента безопасности, равного не менее 4,5) характерные для эксплуатации мобильных канатных комплексов и канатных дорог осевые растягивающие силы, создаваемые стяжными болтами усилия прижатия канатов оказываются достаточно велики. Величина этих усилий такова, что они вызывают необратимые пластические деформации прядей канатов и сечений самих наружных проволок. Микросмещения наружных проволок относительно пилообразных пластин, возникающие в процессе эксплуатации вследствие переменности во времени осевых растягивающих сил в канатах, в условиях высокого контактного давления способны вызывать фреттинг-усталость или фреттинг-коррозию (при работе на открытом воздухе или химически агрессивной среде) наружных проволок [4] с их последующим обрывом и обязательной браковкой канатов. Как показывает опыт эксплуатации канатных систем [5], неравномерное локальное обжатие соединяемых канатов является причиной разрыва органического сердечника по длине. Нарушение целостности органического сердечника снижает срок службы каната и допустимое разрывное усилие [5].
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание надежного и быстроразъемного высоконагруженного соединения концов несущих и тяговых канатов, обеспечивающего получение разрывного усилия на уровне паспортного разрывного усилия самих соединяемых канатов и исключение повреждения металлических прядей и нарушения целостности органического сердечника канатов. Реализация принципа быстроразъемности соединения канатов позволяет снизить время развертывания мобильного канатного комплекса (продолжительность его монтажа или демонтажа), что особенно важно при его применении в условиях ликвидации природных или техногенных чрезвычайных ситуаций. Исключение повреждения конструктивных элементов канатов при формировании соединения повышает срок их эксплуатации и уровень безопасности при производстве транспортно-перегрузочных работ. Требование высокой нагрузочной способности соединения канатов обусловлено тем, что в процессе эксплуатации в несущих и несущетяговых канатах современных мобильных канатных комплексов и грузовых канатных дорог могут действовать высокие осевые растягивающие нагрузки, достигающие 10…15% паспортного разрывного усилия каната (агрегатной прочности каната) [6].
Для решения указанной технической задачи в быстроразъемном устройстве для соединения канатов мобильных канатных комплексов маятникового типа, содержащем разъемный корпус из двух идентичных половин в виде прямоугольных толстостенных пластин, канавки для укладки концов соединяемых канатов и стяжные болты для прижатия и фиксации половин корпуса, по длине каждой половины разъемного корпуса по ее внутренней поверхности выполнено по одной канавке плавной зигзагообразной формы шириной, равной диаметру соединяемого каната, глубиной, равной (0,7…0,8) диаметра соединяемого каната, и радиусом закругления дна, равным радиусу соединяемого каната, а между половинами корпуса размещена нажимная пластина.
Полезная модель поясняется более подробно с помощью чертежей. Все не требующиеся для непосредственного понимания полезной модели элементы исключены.
На фиг. 1 показан общий вид устройства для соединения канатов; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид внутренней поверхности половины разъемного корпуса; на фиг. 5 - поперечное сечение канавки для размещения соединяемого каната и ее изменение в процессе выполнения технологических операций по ее изготовлению; на фиг. 6 - вид узла для соединения канатов перед затяжкой; на фиг. 7 - расчетная схема образования соединения канатов при контактировании прижимной пластины с соединяемыми канатами.
k
k
k
k
Суть полезной модели заключается в следующем. Быстроразъемное устройство для соединения канатов мобильных канатных комплексов маятникового типа содержит разъемный корпус 1 (фиг. 1) из двух идентичных половин корпуса 2 (фиг. 2-7) в виде прямоугольных толстостенных пластин и нажимной пластины 3 (фиг. 2, 3, 6, 7), расположенной между половинами корпуса 2 (фиг. 2-7). На внутренней поверхности 4 (фиг. 5, 6) каждой половины корпуса 2 (фиг. 2-7) по их длине выполнено по одной канавке 5 (фиг. 1-4, 6, 7), имеющей плавную зигзагообразную форму. Поперечное сечение канавки показано на фиг. 2. Канавка 5 (фиг. 1-4, 6, 7) может быть выполнена на станке с ЧПУ, например, за две технологические операции фрезерования. При первом проходе (технологической операции №1) (фиг. 5) используется прорезная концевая (пальчиковая) шпоночная фреза, которая обеспечивает получение канавки прямоугольного поперечного сечения шириной b, равной диаметру соединяемых канатов d, и глубиной h, равной (0,2…0,3) d. При втором проходе (технологической операции №2) (фиг. 5) используется прорезная концевая сферическая фреза, которая обеспечивает полукруглую форму дна канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7), радиус закругления которой r равен радиусу соединяемых канатов 0,5d. Таким образом, достигается требуемая форма и глубина Н канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7), равная (0,7…0,8) d. В каждой половине корпуса 2 (фиг. 2-7) и нажимной пластине 3 (фиг. 2, 3, 6, 7) выполнены соосные отверстия 6 (фиг. 4, 5, 7) для установки в них стяжных болтов 7 (фиг. 1-3, 6, 7). Для обеспечения усилия прижатия, значительного по величине и равномерно распределенного по длине разъемного корпуса 1 (фиг. 1), стяжные болты 7 (фиг. 1-3, 6, 7) размещаются во впадинах зигзагообразных канавок 5 (фиг. 1-4, 6, 7) в три ряда по длине разъемного корпуса 1 (фиг. 1): вдоль обоих его краев и вдоль его оси симметрии.
Полезная модель работает следующим образом.
k
В зигзагообразные канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7) половин корпуса 2 (фиг. 2-7) укладываются соединяемые канаты 8 (фиг. 1), причем их концы выступают за пределы разъемного корпуса 1 (фиг. 1). Для исключения расплетки концов соединяемых канатов 8 (фиг. 1) на них надеваются и опрессовываются предохранительные втулки 9 (фиг. 1) из легко деформируемого материала, например, меди или алюминия. Затем в соосные отверстия 6 (фиг. 4, 5, 7) одной из половин корпуса 2 (фиг. 2-7) вставляются стяжные болты 7 (фиг. 1-3, 6, 7) и устанавливается нажимная пластина 3 (фиг. 2, 3, 6, 7). Далее устанавливается вторая половина корпуса 2 (фиг. 2-7), внутренняя поверхность 4 (фиг. 5, 6) которой ориентирована навстречу внутренней поверхности 4 (фиг. 5, 6) первой половины корпуса 2 (фиг. 2-7). Далее на стяжной болт 7 (фиг. 1-3, 6, 7) надевается пружинная шайба 10 (фиг. 2, 3, 7) и гайка 11 (фиг. 1-3, 7), а затем производится постепенная (без перекосов) равномерная затяжка стяжных болтов 7 (фиг. 1-3, 6, 7) до полного контакта внутренних поверхностей 4 (фиг.5, 6) половин корпуса 2 (фиг. 2-7) без зазора. Для исключения самоотвинчивания гаек 11 (фиг. 1-3, 7) в процессе эксплуатации в их качестве целесообразно использовать самостопорящиеся или корончатые гайки. При затяжке происходит поперечная деформация участка соединяемых канатов 8 (фиг. 1) в пределах длины канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7), т.е. на значительном протяжении до (30…50)d. Поперечное сечение соединяемых канатов 7 (фиг. 1-3, 6, 7) сплющивается, пряди каната 12 (фиг. 2, 3, 6, 7) приобретают овальную форму и более плотно заполняют свободные промежутки внутри поперечного сечения каната. Органический сердечник 13 (фиг. 2, 3, 6, 7) также деформируется, приобретая овальную форму. Однако вследствие всестороннего равномерного обжатия со стороны прилегающих к нему прядей каната 12 (фиг. 2, 3, 6, 7) он сохраняет свою целостность.
1
2
3
k
k
2
Так как стальной канат обладает поперечной жесткостью, то его поперечная деформация при сборке узла для соединения канатов приводит к возникновению давления между телом соединяемого каната 7 (фиг. 1-3, 6, 7) и поверхностью канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7), а также рабочей поверхностью 14 (фиг. 6) нажимной пластины 3 (фиг. 2, 3, 6, 7). Эпюра давления в произвольном сечении канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7) показана на фиг. 7. На участке поверхности ad действует давление р, на участках ab и cd - давление р, на участке bc - давление р. Исходя из нелинейной зависимости силы сопротивления с(х) (в Н/м) при поперечном сдавливании каната на величину х (в м) [7], которая для предлагаемого технического решения составляет х=(1-Δ)d или х=(0,2…0,3)d, величины давлений определяются следующими зависимостями:
где μ - коэффициент Пуассона каната; α - угол на фиг. 7.
Возникающие давления на поверхности контакта соединяемых канатов 7 (фиг. 1-3, 6, 7) с поверхностью канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7) и нажимной пластины 3 (фиг. 2, 3, 6, 7) приводят к появлению сил трения, которые противодействуют смещению концов канатов под действием осевой растягивающей эксплуатационной нагрузки S и таким образом обеспечивают работоспособность предлагаемого устройства для соединения канатов. Погонная (на единицу длины каната) сила трения ƒ (в Н/м), возникающая в поперечном сечении одной канавки, составляет:
где γ - коэффициент трения стального каната по стали.
Создаваемая предлагаемым устройством для соединения канатов удерживающая осевая сила F (в Н), определяющая нагрузочную способность данного соединения, с учетом общей длины участков соединяемых канатов 7 (фиг. 1-3, 6, 7), находящихся под действием нажимной пластины 3 (фиг. 2, 3, 6, 7), и ориентации поперечных сечений канавок 5 (фиг. 1-4, 6, 7) относительно продольной оси разъемного корпуса 1 (фиг. 1) составляет:
где β - угол наклона касательной к осевой линии канавки в произвольной точке в пределах длины Δz относительно продольной оси разъемного корпуса (фиг. 7); n - число отрезков длиной Δz в пределах длины разъемного корпуса (фиг. 7); y(z) - математическая зависимость, определяющая геометрическую форму осевой линии канавки в пределах длины Δz (в частности, для канавки, имеющей синусоидальную форму,
где А - амплитуда осевой линии канавки (фиг. 7).
Таким образом, предлагаемое устройство для соединения канатов обеспечивает их работоспособное соединение при действии в канате осевой растягивающей эксплуатационной нагрузки S величины:
k
k
Условие выполнения канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7) глубиной (0,7…0,8%)d обусловлено тем, что гарантированно обеспечивается поперечное деформирование соединяемых канатов 8 (фиг. 1) на величину (0,2…0,3)d. При такой величине деформирования достигается получение достаточно высокой удерживающей осевой силы F при отсутствии необратимого повреждения прядей и наружных проволок каната и разрыва органического сердечника.
Геометрическая форма и габаритные размеры разъемного корпуса 1 (фиг. 1) исключают возможность его прохождения через ручьи концевых канатных шкивов мобильных канатных комплексов и канатных дорог с круговым движением канатов. Поэтому предлагаемое устройство для соединения канатов может использоваться только в мобильных канатных комплексах и канатных дорогах маятникового типа, в которых несущие и тяговые канаты совершают циклическое возвратно-поступательное движение между концевыми канатными шкивами.
Как вариант исполнения, канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7) имеют синусоидальную форму. Такая форма является благоприятной с точки зрения технологичности ее изготовления, а также снижения напряжений изгиба, дополнительно возникающих в соединяемых канатах при их укладке в канавки 5 (фиг. 1-4, 6, 7).
Как вариант исполнения, нажимная пластина 3 (фиг. 2, 3, 6, 7) на обеих рабочих поверхностях 14 (фиг. 6) имеет накатку в виде двух перекрещивающихся систем параллельных рисок. Наличие накатки приводит к увеличению коэффициента трения стального каната по стали у и, таким образом, приводит к повышению удерживающей осевой силы F и нагрузочной способности предлагаемого устройства соединения канатов.
Технико-экономический результат от внедрения полезной модели достигается за счет создания быстромонтируемого соединения канатов, обладающего высокой нагрузочной способностью, что позволяет их использовать в конструкции мобильных канатных комплексов и канатных дорог, для работы которых характерно наличие высоких растягивающих эксплуатационных нагрузок в несущих и тяговых канатах. При формировании соединения реализуются щадящие условия по отношению к соединяемым канатам, которые проявляются в деформационном воздействии стяжные элементов устройства на наружную поверхность канатов на значительной длине - до 30…50 диаметров каната и в равномерном обжатии их поперечного сечения, что исключает разрывы канатных прядей и отдельных канатных проволок, а также нарушение целостности органического сердечника. Это способствует повышению срока службы канатов, являющихся одним из наиболее дорогостоящих элементов канатных систем, и безопасности производства транспортно-перегрузочных операций.
Источники информации
1. Пат. 2509239 Российская Федерация, МПК F16G 11/04, F16G 11/10. Устройство для соединения канатов / Царев Е.М.; заявитель и патентообладатель Марийский государственный технический университет. - №2012128567/11; заявл. 05.07.2012; опубл. 10.03.2014, Бюл. №7.
2. Пат. 2280200 Российская Федерация, МПК F16G 11/06, F16G 11/04, В66В 7/06. Устройство для соединения канатов / Царев Е.М.; заявитель и патентообладатель Марийский государственный технический университет. - №2004132644/11; заявл. 09.11.2004; опубл. 20.07.2006, Бюл. №20.
3. Федеральные нормы и правила в области промышленной безопасности «Правила безопасности грузовых подвесных канатных дорог»: утв. Федеральной службой по экологическому, технологическому и атомному надзору (приказ от 22 ноября 2013 г. №563).
4. Трение, изнашивание и смазка: Справочник. В 2-х кн. Кн. 1. / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. 400 с.
5. Безопасная эксплуатация, контроль и браковка крановых канатов / Под ред. М.Н. Хальфина. Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ, 1995.
6. Короткий А.А., Лагерев А.В., Месхи Б.Ч., Лагерев И.А., Панфилов А.В. Развитие транспортной инфраструктуры крупных городов и территорий на основе технологии канатного метро. Ростов-на-Дону, ДГТУ, 2017. 344 с.
7. Feyrer K. Wire ropes. Tension, Endurance, Reliability. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2015. 336 p. 8