КАНАТ СТАЛЬНОЙ

Полезная модель относится к области конструкций многопроволочных витых стальных канатов с органическими сердечниками из натуральных или синтетических волокон или металлическими сердечниками, применяемых в промышленности, строительстве, грузоподъемных механизмах, грузовом и грузо-пассажирском канатном транспорте.
Известны конструкции стальных канатов (Букштейн М.А. Производство и использование стальных канатов. - М.: Металлургия, 1973) - аналоги, применяемые в грузоподъемных механизмах и состоящие из прядей стальных проволок 1 или канатов, свитых по спирали вокруг сердечника 2 (фиг.).
Сердечник предназначен для свивки стальных канатов из прядей проволоки или канатов меньшего диаметра. При этом сердечник обеспечивает определенную форму и размеры стального каната в процессе его изготовления и эксплуатации, гибкость, коррозионностойкость и смазку каната (при использовании сердечника из натуральных волокон, пропитанного специальной смазкой), его долговечность.
Долговечность или ресурс стального каната зависит от прочности и долговечности сердечника, его смазки, морозостойкости, биокоррозионно-стойкости. В случае частичного или полного разрушения сердечника стальной канат быстро выходит из строя.
Наиболее прочными являются сердечники, изготовленные из стальных проволок. Основные недостатки стального каната с металлическим сердечником:
- повышенная масса и стоимость;
- пониженная гибкость;
- пониженный ресурс из-за повышенного трения и износа несущих проволок.
Повышенную прочность и гибкость имеют сердечники из синтетических волокон (полиэтилен, полипропилен, капрон, лавсан, вискоза), в том числе сердечники на основе нетканого полотна волокнистого происхождения по патенту №2112095, Россия. Основные недостатки стального каната с сердечником из синтетических волокон:
- пониженный ресурс из-за повышенного трения и износа сердечника, а также пониженной морозостойкости (полипропиленовый сердечник - до минус 15°С);
- повышенная стоимость.
По этим причинам стальные канаты с сердечниками из синтетических волокон и металлическими сердечниками не нашли широкого применения.
Ближайшими по своим параметрам к полезной модели являются «Канаты стальные» по ГОСТ 3241-91, год ввода 1993, Россия (прототип), изготавливаемые на калибровочных заводах крупнейших металлургических комбинатов РФ и СНГ в соответствии с действующей технологической документацией.
В стальных канатах по прототипу используются сердечники из натуральных
волокон (пенька, сизаль) по ГОСТ 5269-93, год ввода 1995, Россия, пропитанные специальной смазкой Е-1 по ГОСТ 15037-69, год ввода 1970, содержание которой в сердечнике составляет (25-40)% по массе.
Смазка Е-1 представляет собой смесь минерального масла, загущенного твердыми углеводородами, с антисептиком - нафтенатом меди, содержание которого в смазке составляет не менее 15% по массе и в пропитанном сердечнике не менее 4% по массе.
Смазка Е-1 предохраняет органические сердечники от гниения и применяется в условиях умеренного климата при температуре окружающей среды не ниже минус 20°С.
Стальной канат по прототипу с органическим сердечником из натуральных волокон, пропитанным смазкой Е-1, более долговечен, чем с непропитанным сердечником, так как имеет меньшее трение между проволоками и прядями. Этому способствует смазка, постепенно выдавливаемая из сердечника.
Пропитка сердечников стальных канатов по прототипу проводится методом пропускания сердечника через емкость со смазкой Е-1, нагретой до 120-130°С, с последующим отжимом. При этом на поверхности сердечника остаются излишки смазки.
Стальной канат с органическим сердечником изготавливается на прядеканатовьющей роторной или трубчатой машине.
В процессе изготовления, хранения и эксплуатации стального каната по прототипу излишки смазки Е-1 с высокотоксичным нафтенатом меди быстро
загрязняют оборудование, производственные и складские помещения.
Недостатки прототипа:
- значительные ограничения по температуре и условиям эксплуатации;
- пониженная долговечность стального каната из-за повышенной коррозионной активности нафтената меди в условиях влажного климата, морского тумана;
- повышенное загрязнение оборудования, производственных и складских помещений, окружающей среды высокотоксичным нафтенатом меди, который выдавливается из сердечника каната вместе со смазкой и хорошо вымывается водой, попадая в почву и водоемы;
- низкая технологичность при изготовлении стального каната.
Все эти недостатки прототипа существенно снижают качество, надежность, долговечность, технологичность и экологическую безопасность стальных канатов с пропитанными органическими сердечниками.
Технической задачей полезной модели является разработка стального каната с органическим сердечником из натуральных или смесевых волокон, пропитанным противогнилостной смазкой, не уступающего прототипу по физико-механическим показателям, но более коррозионностойкого, надежного, долговечного, технологичного, экологически безопасного, с большим диапазоном по температуре и условиям эксплуатации.
Технический результат достигается тем, что в качестве антисептика сердечник стального каната содержит продукт взаимодействия ароматических углеводородов с изобутиленом или продукт взаимодействия производных
амина с жирными или смоляными кислотами или их кубовыми остатками.
Общим признаком прототипа и предлагаемого технического решения является наличие органического сердечника из натуральных или смесевых волокон, пропитанного противогнилостной смазкой, содержащей антисептик и наполнитель (нефтепродукты). В то же время предложенный стальной канат отличается от известного использованием нового вида антисептика при пропитке сердечника.
Преимущества нового стального каната:
- повышенная коррозионностойкость и надежность;
- повышенное качество и долговечность;
- повышенный диапазон по температуре и условиям эксплуатации;
- повышенная культура производства и экологическая безопасность;
- пониженная себестоимость;
- хороший внешний вид.
Органический сердечник стального каната может быть изготовлен из растительных (пенька, лен, джут, кенаф, хлопок, сизаль и т.д.) или смесевых (с добавками синтетических) волокон.
Ограничения на выбор состава волокон сердечника накладывают марка и назначение стального каната, условия его эксплуатации, характеристики сердечника: прочность и долговечность, пропитываемость, стоимость и т.д., технологические параметры изготовления сердечника и стального каната.
Для стальных канатов по ГОСТ 3241-91 всем этим требованиям отвечает
сердечник из лубяных волокон: пенька, лен, сизаль, джут, кенаф или их смеси, в том числе с синтетическими волокнами.
Использование других материалов для сердечника ухудшает его технологичность и качество, увеличивает стоимость.
Максимальное качество и эффективность стального каната достигается за счет использования сердечника из джутовых волокон, который имеет достаточно высокую пористость, необходимую для качественной пропитки смазкой, высокую прочность, в том числе во влажном состоянии, морозостойкость, биостойкость, влагостойкость, износостойкость, стойкость к раздавливанию в составе каната, термостойкость, хороший внешний вид и низкую стоимость.
В качестве наполнителя противогнилостной смазки сердечника могут быть использованы различные нефтепродукты, в том числе минеральные масла их смеси и отработанные масла после их очистки и обезвоживания. Минеральные масла могут быть загущены твердыми углеводородами (церезин, парафин, полиэтиленовый воск и др.).
Ограничения на выбор наполнителя противогнилостной смазки сердечника накладывают растворимость в нем антисептика, морозостойкость, вязкость, летучесть, кислотность, коррозионная активность, токсичность, стоимость. Наполнитель должен также выполнять роль смазки проволок стального каната.
Для ускорения и облегчения процесса пропитки сердечника наполнитель противогнилостной смазки должен иметь условную вязкость не более
15 с при температуре (20±0,5)°С по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм.
При этом за характеристику вязкости наполнителя принята условная вязкость, определяемая в соответствии с ГОСТ 8420-74, год ввода 1974, с замером времени непрерывного истечения в секундах определенного объема наполнителя через калибровочное сопло вискозиметра.
Наполнитель должен иметь минимальную летучесть при температуре до 80°С, морозостойкость до минус 40°С, должен быть недорогим, нейтральным (рН ≈ 7), нетоксичным, без резкого запаха, должен хорошо растворять антисептик, не изменяя его свойств.
В наибольшей степени всем этим требованиям соответствует трансформаторное масло до и после отработки.
Использование трансформаторного масла в качестве наполнителя противогнилостной смазки сердечника позволяет существенно снизить содержание смазки в сердечнике и повысить его технологичность и качество, а также качество стального каната.
Для придания сердечнику грибостойкости в противогнилостную смазку вводится антисептик.
Ограничения на выбор антисептика накладывают его степень антимикробной и антигрибковой защиты сердечника и смазки, совместимость с наполнителем противогнилостной смазки (растворимость), токсичность, стойкость к вымыванию в воде, химическая нейтральность по отношению ко всем материалам стального каната, морозостойкость, вязкость, стоимость.
Антисептик должен обеспечивать грибостойкость пропитанного сердечника из натуральных волокон. При этом степень биологического обрастания грибами сердечника не должна превышать двух баллов по ГОСТ 9.048-89, год ввода 1989. Антисептик не должен вызывать или поддерживать коррозию проволок стального каната.
Исследованиями Центрального института кабельной промышленности ОАО «ВНИИ КП» установлено, что наиболее известный антисептик, нафтенат меди, используемый при пропитке защитных материалов из натуральных волокон, при определенных условиях (повышенная влажность, морской туман и т.д.) может вызывать или усиливать коррозию цветных и черных металлов, поэтому применение данного антисептика для пропитки волокнистых материалов, используемых в защитных покровах кабелей поверх стальной брони запрещено Решением Ассоциации «Электрокабель» и Госстандарта России от 01.07.98 г.
Изменением №5 от 06.11.2002 г. нафтенат меди выведен из ГОСТ 7006-72, год ввода 1975, на покровы защитные кабелей и заменен безметальным антисептиком АС-2 щелочного типа.
Нафтенат меди является высокотоксичным и дорогостоящим продуктом, который не производится в России. Нафтенат меди выпадает в осадок при длительном хранении и использовании пропиточного состава, существенно увеличивает его вязкость, снижает морозостойкость сердечника.
Нафтенат меди хорошо вымывается водой, поэтому является экологически опасным продуктом, загрязняющим окружающую среду.
По этим причинам нафтенат меди не может быть использован в новой конструкции стального каната.
Существуют также безметальные антисептики щелочного типа, представляющие собой продукты взаимодействия производных амина с жирными или смоляными кислотами или их кубовыми остатками, к которым относятся антисептики АС-2 по ТУ 2416-007-05773103-98, год ввода 1998, Россия и АСК-1 по ТУ 84-07509103.489-98, год ввода 1998, Россия.
Антисептический состав АС-2 представляет собой продукт конденсации полиэтиленполиамина со смоляными кислотами таллового пека (кубовым остатком). Данный антисептик не вызывает и не поддерживает коррозию металлов в любых условиях.
Недостатки антисептика АС-2:
- плохая растворимость в жидких нефтепродуктах и выпадание в осадок при остывании пропиточного состава;
- пониженная морозостойкость пропитанного сердечника;
- высокая вязкость пропиточного состава.
Антисептический состав АСК-1 представляет собой продукт взаимодействия лапромола 294 с кубовым остатком синтетических жирных кислот.
Данный антисептик частично растворяется в жидких нефтепродуктах, обладает защитными антикоррозионными свойствами.
Недостатки АСК-1:
- пониженная грибостойкость пропитанных волокнистых материалов;
- нестабильность основных характеристик (вязкость, растворимость в жидких нефтепродуктах, наличие осадка), обусловленная завышенным содержанием примесей (неомыляемых веществ и смолистых продуктов конденсации и полимеризации) в кубовом остатке синтетических жирных кислот;
- повышенная вязкость пропиточного состава;
- пониженная морозостойкость пропитанного сердечника.
По этим причинам антисептики АС-2 и АСК-1 могут быть использованы для пропитки сердечников стальных канатов только в ограниченных количествах.
Авторами полезной модели разработан безметальный антисептик щелочного типа (состав биокоррозионнозащитный кабельный АСКМ-1 по ТУ 2439-006-50289046-2003, год ввода 2003, Россия), лишенный недостатков, присущих антисептикам АС-2 и АСК-1.
Состав АСКМ-1 является продуктом взаимодействия триэтаноламина с соапстоком (кубовым остатком переработки растительных масел).
Данный антисептик является жидким продуктом, хорошо совмещается и растворяется без осадка во всех нефтепродуктах, включая минеральные масла, полугудрон, керосин, дизельное топливо и битумы, технологичен, не растворяется в воде.
Благодаря высокому показателю общей щелочности и содержанию природных растительных фунгицидов, антисептик АСКМ-1 обладает достаточными антимикробными и антигрибковыми свойствами. Антисептик достаточно морозостоек. Установлено также, что антисептик АСКМ-1 является
активным ингибитором коррозии черных и цветных металлов. Антисептик изготавливается из недефицитного и недорогого отечественного сырья.
Большинство антисептиков аминного типа, включая АСКМ-1, относятся к умеренно опасным веществам 3 класса опасности по ГОСТ 12.1.007-76, год ввода 1976.
В наибольшей степени перечисленным выше требованиям к антисептику для пропитки сердечников стальных канатов удовлетворяют продукты взаимодействия ароматических углеводородов с изобутиленом. Из них наиболее изученным и эффективным продуктом является состав биокоррозионнозащитный кабельный АСКМ-1А по ТУ2439-006-50289046-2003, разработанный авторами полезной модели.
Состав АСКМ-1 А - малоопасный порошкообразный продукт 4 класса опасности по ГОСТ 12.1.007-76. Данный антисептик в небольших дозах обеспечивает надежную и длительную защиту пропитанных волокнистых материалов от гниения, не вымывается в воде, хорошо растворяется в нефтепродуктах и дополнительно предохраняет пропитанный сердечник от окисления и проволоки стального каната от коррозии.
Антисептик АСКМ-1 А, растворенный в трансформаторном масле, глубоко проникает в волокна сердечника. При этом существенно снижается содержание смазки в сердечнике. Сердечник становится более сухой, технологичный, с хорошим внешним видом. Существенно увеличивается морозостойкость и грибостойкость сердечника. По данным ОАО «БМК» стальной канат с сильнокрученым джутовым сердечником марки СДП по ТУ 8121-012-
50289046-2005, год ввода 2005, Россия, пропитанным раствором антисептика АСКМ-1А в трансформаторном масле (разработка авторов полезной модели), получается высокого качества.
Пропитка джутового сердечника марки СДП раствором антисептика АСКМ-1А в трансформаторном масле проводится методом окунания бухт сердечника в емкость с пропиточным составом, имеющим температуру (40÷60)°С, с последующим отжимом на центрифуге.
Технология изготовления стального каната с новым пропитанным сердечником аналогична технологии изготовления каната по прототипу.
Качество, надежность, ресурс, технологичность и экологическая безопасность стальных канатов при прочих равных условиях зависят от качества, технологичности и долговечности пропитанных сердечников, которые, в свою очередь, зависят от количества смазки и антисептика в сердечнике, состава антисептика и наполнителя, конструкции, физико-механических характеристик, морозостойкости, грибостойкости и коррозионной активности сердечника.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется следующими примерами.
В таблице 1 приведены варианты образцов стального каната ⌀ 16,5 мм типа ЛК-Р по ГОСТ 2688-80, год ввода 1982, с пропитанным сердечником из натуральных волокон, включая прототип. В данной таблице приведены также наименование компонентов и основные характеристики пропитанного сердечника
для всех вариантов каната. В таблице 2 приведены эксплуатационные характеристики пропитанного сердечника для всех вариантов стального каната и оценка качества каната. Содержание смазки в мас.% определяли методом взвешивания сердечника до и после пропитки. Содержание антисептика в мас.% определяли по его дозировке в смазке.
Число кручений на 1 м и разрывную нагрузку пропитанного сердечника определяли по ГОСТ 25552-82, год ввода 1984.
Морозостойкость сердечника определяли по ГОСТ 15037-69 со следующим дополнением. Пропитанный отрезок сердечника помещали в камеру с «сухим» льдом (диоксидом углерода) с температурой охлаждения от минус 20°С до минус 60°С.
Коррозионную активность оценивали по методике ОАО «ВНИИ КП» путем измерения водородного показателя рН водной вытяжки пропитанного сердечника по ГОСТ 17.5.4.01-84, год ввода 1986.
В ОАО «ВНИИ КП» было экспериментально установлено, что материалы, имеющие величину водородного показателя в интервале от 4 до 10 рН являются не активными в коррозионном отношении к алюминию, свинцу, стали, цинку.
Для изготовления и оценки качества образцов стального каната по прототипу использовался пеньковый трехпрядный сердечник диаметром 8мм марки СПКТПр 8,0 мм 55 ктекс по ГОСТ 5269-93 из каболок (нитей), изготовленных по способу короткого прядения, пропитанный смазкой Е-1 по ГОСТ 15037-69 на основе нафтената меди (НМ) и загущенных нефтепродуктов
(ЗНП). Загущенные нефтепродукты используются в качестве наполнителя смазки и содержат минеральное масло, например масло индустриальное марки И-12 по ГОСТ 20799-88, год ввода 1990, и твердые углеводороды, например церезин нефтяной марки 80Н по ТУ 38.401218-94, год ввода 1994, Россия.
Для изготовления и оценки качества опытных образцов стального каната (варианты №№-1÷6) использовался джутовый трехпрядный сердечник диаметром 8 мм из каболок, изготовленных по способу короткого прядения, пропитанный смазкой на основе антисептиков АС-2, АСК-1, АСКМ-1, АСКМ-1А и нефтепродуктов.
В варианте №6 опытных образцов стального каната использовался джутовый пропитанный сердечник марки СДП-8 по ТУ 8121-012-50289046-2005.
Как видно из таблиц 1 и 2, заявляемая полезная модель стального каната не уступает прототипу по основным характеристикам пропитанного сердечника: разрывной нагрузке и грибостойкости, и в то же время превосходит его по коррозионностойкости и качеству.
Наибольшее качество стального каната достигается при использовании джутового сердечника марки СДП (вариант №6) с повышенным числом кручений, пропитанного раствором биокоррозионнозащитного состава АСКМ-1А в трансформаторном масле. При этом существенно увеличиваются эксплуатационные характеристики сердечника: разрывная нагрузка, морозостойкость, грибостойкость, увеличивается качество, технологичность и экологическая
безопасность производства, хранения и эксплуатации сердечника и стального каната, снижается себестоимость изготовления стального каната.
Стальные канаты с джутовым пропитанным сердечником марки СДП прошли всесторонние испытания в ОАО «Белорецкий металлургический комбинат» с положительными результатами. Налажен выпуск данных канатов.
Таблица 1
Варианты образцов стального каната
Наименование компонентов и основные характеристики пропитанного сердечника
Сердечник-основа
Наполнитель
Антисептик
Содержание смазки, мас.%
Содержание антисептика, мас.%
Число кручений на 1 м
Качество сердечника
Прототип
Пеньковый
ЗНП
НМ
30÷40
4÷6
109÷115
Низкое
1
Джутовый
ЗНП
АС-2
30÷40
4÷6
109÷115
Среднее
2
Джутовый
ЗНП
АСК-1
30÷40
4÷6
109÷115
Среднее
3
Джутовый
ЗНП
АСКМ-1
25÷30
2÷4
109÷115
Среднее
4
Джутовый
ТМ
АСКМ-1
20÷25
2÷4
109÷115
Высокое
5
Пеньковый
ТМ
АСКМ-1
25÷30
2÷4
109÷115
Среднее
6
Джутовый
ТМ
АСКМ-1А
15÷20
0,2÷0,6
125÷135
Очень высокое
Таблица 2
Варианты образцов стального каната
Эксплуатационные характеристики пропитанного сердечника
Качество стального каната
Разрывная нагрузка, кгс
Морозостойкость, °С
Грибостойкость, балл
Коррозионная активность, рН водной вытяжки
Прототип
240÷260
-20
1÷2 Средняя
3÷4 Высокая
Низкое
1
240÷260
-20
1÷2 Средняя
7÷8 Не активен
Среднее
2
240÷260
-20
2 Пониженная
8÷9 Обладает защитными свойствами
Среднее
3
240÷260
-30
1÷2 Средняя
8÷9 Обладает защитными свойствами
Среднее
Продолжение таблицы 2
Варианты образцов стального каната
Эксплуатационные характеристики пропитанного сердечника
Качество стального каната
Разрывная нагрузка, кгс
Морозостойкость,°С
Грибостойкость, балл
Коррозионная активность, рН водной вытяжки
4
240÷260
-40
0÷1 Высокая
8÷9 Обладает защитными свойствами
Высокое
5
240÷260
-40
2 Пониженная
8÷9 Обладает защитными свойствами
Среднее
6
270÷300
-60
0 Высокая
7÷8 Обладает защитными свойствами
Очень высокое