ТРОС

Полезная модель относится к области канатного производства и может быть использовано в подъемно-транспортных механизмах, а также в качестве упруго-гистерезисного элемента систем виброзащиты транспортного машиностроения.
Известен трос, содержащий сердечник из нескольких прядей и наружный слой в виде стальной упругой проволоки, обвивающей с натягом этот сердечник, отличающийся тем, что с целью увеличения прочности и демпфирующей способности каждая прядь дополнительно обвита с натягом стальной упругой проволокой, при этом все пряди свиты между собой (Авт. св-во СССР №297734, МПК D07B 1/10, F16G 9/00, опубл. 11.03.1971, БИ №10, авторов И.Д.Эскин, Ю.К.Пономарев, Г.В.Лазуткин, Ю.Н.Лапшов "Трос".
Известен канат, содержащий свитый из нескольких прядей проволочный сердечник и наружный слой в виде намотанной с натягом по спирали проволоки, закрепленной на обоих концах каната, отличающийся тем, что с целью повышения надежности работы каната, он снабжен дополнительной спиралью из упруго-эластичного материала, установленной без зазора между витками спирали проволоки наружного слоя (Авт. св-во СССР №694570, МПК D07B 1/10, опубл. 30.10.1979, БИ №40, авторов И.Д.Эскин, Ю.Н.Лапшов, В.А.Безводин, В.М.Семеринов, В.А.Антипов "Канат".
Указанные аналоги имеют следующие недостатки. При выработке ресурса или при долговременном хранении натяг проволоки обмотки ослабевает из-за уменьшения упругих свойств вследствие воздействия постоянных растягивающих усилий. Из-за уменьшения усилия натяга, во-первых, ослабевает эффект диссипации высвободившейся упругой энергии каната при его разрыве, что может привести к травмированию обслуживающего персонала и повреждению оборудования подъемно-транспортных машин, а во-вторых, к снижению демпфирующих свойств, т.е. эффективности подавления вибрации при использовании аналогов в качестве упруго-гистерезисных элементов виброзащитных систем.
Кроме того, в ряде случаев демпфирующая способность даже при сохранении заданного натяга обмотки оказывается недостаточной.
Известен трос, содержащий сердечник из нескольких параллельно уложенных прядей и наружный слой в виде длинномерного элемента, обвивающего с натягом сердечник и выполненного с изогнутыми внутрь участками, отличающийся тем, что с целью увеличения жесткости, трос снабжен проволочными спиралями, расположенными между прядями под элементом наружного слоя и закрепленными на обоих его концах, при этом шаг навивки элемента наружного слоя равен шагу спиралей.
Наружный слой может быть выполнен в виде пряди из упругих стальных проволок, а витки спиралей могут быть загнуты на витки элементов наружного слоя (Авт. св-во СССР №675109, МПК D07B 1/10, опубл. 25.07.1979, БИ №27, авторов И.Д.Эскин, Ю.Н.Лапшов, В.А.Антипов, В.А.Безводин, С.А.Уренев "Трос".
Данное изобретение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком известного троса является то, что в качестве элементов, воспринимающих нагрузку подъемно-транспортных механизмов при наработке ресурса или с течением времени происходит постепенное ослабление натяга длинномерного обвивающего элемента наружного слоя, что приводит при разрыве к повышенной опасности повреждения оборудования и обслуживающего персонала.
При использовании троса в качестве упругого гистерезисного элемента виброзащитных систем из-за ослабления натяга при наработке снижается эффективность виброзащитной системы. Кроме того, в ряде случаев демпфирующие свойства даже при сохранении заданного натяга обмотки оказываются недостаточными.
Технический результатом является повышение надежности и ресурса механизмов, за счет увеличения диссипативных свойств готового изделия и сохранения этих свойств при выработке ресурса или с течением времени.
Технический результат достигается тем, что в тросе, содержащий сердечник из нескольких прядей металлической проволоки и наружный слой из стальной проволоки, обвивающей с натягом этот сердечник, в тросе металлические пряди выполнены из стальной проволоки разного диаметра в пропорции 20:80, причем меньший член пропорции выполнен большего диаметра и его диаметр не менее чем в 2 раза больше диаметра другого члена пропорции, причем металлическая проволока прядей выполнена из чередующихся стальных проволочек и проволочек из антифрикционного материала с упругими свойствами, например из бронзы, или металлическая проволока прядей выполнена из чередующихся стальных проволочек и проволочек с антифрикционным покрытием, например омедненных, а межвитковое и межпроволочное пространство пропитано жидкостью с высокой объемной вязкостью, например, кремнийорганической жидкостью.
Выполнение наружного слоя зигованной стальной проволоки позволяет повысить натяг длинномерного обвивающего элемента наружного слоя, сократить повреждения, а выполнение прядей разного диаметра позволяет повысить надежность.
На фиг.1 показан трос (аксонометрическое изображение с разрезом).
Трос включает несколько тросовых прядей 1, свитых между собой и обвитых снаружи длинномерным (зигованным) проволочным элементом 2, выполненным с изогнутыми внутрь участками 3, с шагом, определяемым уложенной под длинномерным элементом растянутой проволочной спиралью 4.
Ряд нитей 5 (не более 80%) в прядах 1 выполнены заданного диаметра, а остальных нитей 6 (не менее 20%) - большего не менее, чем на 50% диаметра.
При этом ряд нитей 7 могут быть выполнены из упругого антифрикционного материала, например, из латуни или бронзы, или со специальным антифрикционным покрытием, например, омедненными, а межвитковое и межпроволочное пространство 8 может быть заполнено кремнийорганической жидкостью или полиуританом.
Проявление указанного технического эффекта объясняется следующим образом.
При обмотке металлических прядей троса предварительно зигованной стальной проволокой с натягом, натяг при выработке ресурса или с течением времени не ослабевает из-за компенсации падения натяга восстанавливающей нагрузкой, возникающей при распрямлении зигов в процессе обмотки. Изготовить зигованную проволоку можно, например, пропусканием стальной нити через специальные валки или растягиванием до полного выпрямления заранее изготовленной проволочной спирали.
Наиболее распространенная упрощенная модель диссипации энергии при изгибе троса заключается в реализации проскальзываний проволочек троса друг относительно друга из-за разности радиусов их (проволочек) изгиба и возникновения работы сил трения, превращающей энергию изгиба в тепло.
В реальных конструкциях при анализе процесса диссипации энергии приходится учитывать и целый ряд других факторов.
В частности, в межвитковом пространстве образуются микро- и нано- элементарные объемы (из-за неточности изготовления и укладки нитей в прядах, несоблюдения стабильности технологии свивки и т.п.) Эти микро- и нано- объемы могут быть заполнены остатками смазки нитей, окалиной, влагой т.п.
В этой связи при деформировании их можно рассматривать как некий трибореактор с подвижными стенками, имеющими микро- и нано- поры, заполненные некой субстанцией.
При нагружении в этой ячейке формируются градиенты полей деформаций, температуры и концентрации вещества, их взаимные превращения и перенос энергии: механической, тепловой, химической, электрической, акустической и др.; происходит перенос вещества (диффузия), структурные и фазовые превращения, образование и аннигиляция микродефектов, химических соединений и др.
Как показано, например, Силаевым Б.М. в работе (Силаев Б.М. Обобщенная модель процесса внешнего трения и изнашивания. // Машиноведение, 1989, №2, С.56-65), источники возникновения энтропии упруго-гистерезисного элемента связаны с наличием пространственной неоднородности распределения температуры, парциальных химических потенциалов, тангенциальными перемещениями и деформированием среды, взаимодействием среды с энергией β-го рода (например, возникновение джоулевого тепла от воздействия электрического тока на среду и т.п.), с химическими реакциями в зоне трения и с механическим отделением частиц.
Рост энергии, в свою очередь, состоит из потоков тепловой энергии, диффузионных потоков, изменений компонент тензора напряжений (количества движений), скоростей химических реакций, изменения массы, скоростей деформации и др.
В этой связи единственным определяющим реальным критерием эффективности диссипации энергии вибрации является эксперимент. Авторами настоящей работы был проведен широкомасштабный эксперимент (см. например, табл.1).
Таблица 1
Результаты исследования влияния соотношения диаметров проволочек в тросовых прядях на коэффициент демпфирования
Процентное соотношение проволочек расчетного диаметра
Процентное соотношение проволочек большего на 50% диаметра
Коэффициент, ψ
90
10
1,08
80
20
1,37
70
30
1,05
60
40
0,98
Экспериментальные исследования выполнены для изгибной деформации троса. При этом:
длина троса l=50 мм, амплитуда деформации А=2 мм, диаметры проволочек расчетного диаметра - 0,15 мм, большего диаметра - 0,25 мм.
Аналогичные результаты получены при использовании чередующихся стальных и омедненных (на глубину 10 МКМ) проволочек. При этом эффективность диссипации (площадь петли гистерезиса) увеличилась на 20%. Аналогичные результаты получены и при использовании вместо омедненных нитей бронзовых нитей.
Использование кремнийорганической жидкости позволило увеличить коэффициент демпфирования с ψ=1,41 до ψ=2,05.
В частности, было выявлено, что при введении каждого из предлагаемых усовершенствований (разнотолщинность проволок в прядях, добавление проволок с антифрикционным покрытием или из другого сплава, заполнения микропор кремнийорганической смазкой) происходит увеличение демпфирующих свойств на 20-30%, а обмотка зигованной проволокой приводит к увеличению ресурса изделия в 2 раза.
Приведенные в формуле изобретения процентные соотношения являются оптимальными для достижения поставленных целей. Это подтверждают опытные данные, приведенные например в таблице 1.
Предлагаемое изобретение позволит повысить ресурс и эффективность виброзащитных систем и, тем самым, надежность и ресурс агрегатов и узлов транспортных машин, повысить безопасность перевозок и безопасность работы подъемно-транспортных механизмов.