СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ГРУЗОВЫХ СТАЛЬНЫХ КАНАТОВ НА ВЫНОСЛИВОСТЬ (ВАРИАНТЫ)
STAND TO TEST CARGO STEEL ROPES FOR FATIQUE LIFE (VERSIONS)

Изобретение относится к устройствам для испытания грузовых стальных канатов на выносливость, в частности к пробежным машинам. Испытания представляют собой ресурсные исследования для определения наработки испытуемых образцов канатов на отказ, в ходе которых их подвергают основному виду нагружения: изгиб на 90° и разгибание образца; присущему всем случаям нагружения грузовых стальных канатов в полиспастных системах. Все другие виды нагружения: кручение, обратный изгиб и т.п., являются частными случаями. Основной вид нагружения: изгиб на 90° и разгибание; служит единственным основанием для определения и расчета ресурса каната, поэтому одним из основных требований к конструкции испытательного устройства является недопущение даже случайного нагружения образца другими, кроме основного, видами нагрузки, что обеспечит надлежащую чистоту эксперимента и позволит использовать его результаты для прогнозирования ресурса грузового стального каната в реальных условиях эксплуатации.
Известна машина для испытания образцов стальных канатов на выносливость (ГОСТ2387-80), включающая ведущий барабан с зажимами и приводом кривошипно-шатунного типа, сменные и грузовой ролики, счетчик числа изгибов на 90° и разгибаний образца, груз.
Недостатками известной машины являются:
- нецелесообразно излишнее количество сменных роликов;
- практически неосуществимо испытание канатов диаметром более 6 мм, поскольку в этом случае потребуется груз весом, достигающим величины в 2000 кН.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является пробежная машина для испытания канатов на выносливость (а.с. SU №853467, G01М 17/00, 07.08.1979), содержащая станину, два шкива, один, ведомый, с возможностью возвратно-поступательного перемещения, другой, ведущий, связан с приводом вращения, и включающая дополнительный привод вращения, переключатель, гидроцилиндр с гидросистемой, две электромагнитные муфты, связывающие приводы с одним и тем же шкивом, снабженным пальцами, взаимодействующими с переключателем.
Недостатками ближайшего аналога являются:
- отсутствие постоянного процесса измерения величины усилия натяжения испытуемого образца каната, что приводит к ослаблению усилия натяжения каната за счет его вытяжки;
- недопустимые динамические нагрузки на приводы и на канат, возникающие при смене направлений вращения;
- изгиб и разгибание образца на угол меньше 90°;
- конструкция машины не предусматривает возможность установки двух сменных шкивов, что позволяет в два раза чаще изгибать и разгибать образец за цикл.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей стенда в части испытания канатов малых и больших диаметров, увеличение числа изгибов и разгибаний за одну пробежку, поддержание постоянства условий испытания, исключение динамических перегрузок привода и каната, строгое соблюдение чистоты испытаний, т.е. недопущение нагружения образца другими видами нагружений, кроме основного.
o
Поставленная задача по первому варианту решается тем, что стенд для испытания грузовых стальных канатов на выносливость, содержащий станину, шкивы, ведомый и ведущий, привод, электромагнитные муфты, гидросистему с гидроцилиндром, переключатель и пальцы, согласно изобретению, включает двухпоточный, с прямым и реверсивным потоками, цилиндрический редуктор, связанный с одной стороны электромагнитными муфтами с приводом, с другой - с ведущим шкивом, выполненным в виде сменного барабана с нарезанной по его поверхности винтовой канавкой, сменный ведомый шкив, посаженный в каретку, наделенную возможностью поворота на оси, установленной по линии, соединяющей оси шкивов, и перпендикулярной им, ползун, выполненный с возможностью углового перемещения в плоскости, проходящей через оси сменного барабана каретки по направляющим станины, с одной стороны скрепленный с кареткой, с другой - шарнирно связанный с гидроцилиндром; динамометр, установленный на станине и связанный шарнирно с гидроцилиндром, блок питания и управления, оснащенный микропроцессором, связанный с приводом, электромагнитными муфтами, переключателем, динамометром и гидросистемой, причем расстояние между осями ведомого шкива и барабана должно быть не менее чем 1,5 L - длины подвергаемого изгибу участка образца каната, обхватывающего 180° окружности шкива, ветви которого, сходящие со шкива, параллельны друг другу, расположены между собой на расстоянии не меньше, чем диаметр барабана, и закреплены каждый отдельно с разных сторон последнего.
o
o
Поставленная задача по второму варианту решается тем, что стенд для испытания грузовых стальных канатов на выносливость, содержащий станину, шкивы, ведомый и ведущий, привод, электромагнитные муфты, гидросистему с гидроцилиндром, переключатель и пальцы, согласно изобретению, включает двухпоточный, с прямым и реверсивным потоками, цилиндрический редуктор, связанный с одной стороны электромагнитными муфтами с приводом, с другой - с ведущим шкивом, выполненным в виде сменного барабана с нарезанной по его поверхности винтовой канавкой, второй сменный ведомый шкив, посаженный в каретку с первым, наделенную возможностью поворота на оси, установленной по линии, соединяющей оси шкивов, и перпендикулярной им, ползун, выполненный с возможностью углового перемещения в плоскости, проходящей через оси барабана и каретки, по направляющим станины, с одной стороны скрепленный с кареткой, с другой - шарнирно связанный с гидроцилиндром; динамометр, установленный на станине и связанный шарнирно с гидроцилиндром, блок питания и управления, оснащенный микропроцессором, связанный с приводом, электромагнитными муфтами, переключателем, динамометром и гидросистемой, причем расстояние между осями ведомого шкива и барабана должно быть не менее чем 1,5 L - длины подвергаемого изгибу участка образца каната, обхватывающего 180° окружности шкива, ветви которого, сходящие со шкива, параллельны друг другу, расположены между собой на расстоянии не меньше, чем диаметр барабана, и закреплены каждый отдельно с разных сторон последнего, при этом сменные ведомые шкивы, посаженные в каретку на одной линии, перпендикулярной оси поворота каретки, два роликовых блока-ограничителя, установленные в каретку на расстоянии от линии шкивов не менее чем L/3 - длины испытуемого участка образца каната, обхватывающего по 90° окружностей шкивов, параллельные друг другу ветви которого, сходящие со шкивов и запасованные в роликовые блоки-ограничители, расположены между собой на расстоянии не менее, чем диаметр барабана, с разных сторон которого они каждый отдельно закреплены.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид стенда, на фиг.2 - вид А на каретку, на фиг.3 - сечение Б-Б по каретке (первый вариант), на фиг.4 - сечение В-В по каретке (второй вариант).
Стенд для испытания грузовых стальных канатов на выносливость (в дальнейшем тексте - «стенд») состоит из станины 1, привода 2, связанного электромагнитными муфтами 3, 4 и коаксиальными ведущими валами 5, 6 с двухпоточным цилиндрическим редуктором 7 и далее с ведущим шкивом 8, выполненным в виде сменного барабана 9 с нарезанной на его поверхности винтовой канавкой 10. Шаг канавки 10 - t (фиг.1). Поток 11 редуктора 7 осуществляет прямую передачу, поток 12 с «паразитной» шестерней 13 - реверсивную передачу. Сменный ведомый шкив 14 посажен в каретку 15 (фиг.2), скрепленную болтовыми соединениями 16 с ползуном 17. Каретка 15 посажена на ось 18 ползуна 17 (фиг.3) и имеет возможность поворота вокруг нее. Ползун 17 имеет возможность плоско-углового перемещения по направляющим 19 станины 1 и связан шарнирно через гидроцилиндр 20 с динамометром 21, установленным на станине 1. Ползун 17, гидроцилиндр 20, динамометр 21, ось 18 расположены в плоскости, проходящей через ось барабана 9 по направляющим 19. На барабане 9 установлены пальцы 22, взаимодействующие с переключателем 23. В состав стенда входят гидростанция 24, блок питания и управления 25, оснащенный микропроцессором 26, связанный с приводом 2, электромагнитными муфтами 3, 4, гидростанцией 24, динамометром 21, переключателем 23. Образец 27 грузового стального троса запасован в сменный, с обхватом 180° окружности, ведомый шкив 14. Концы образца 27 намотаны с разных сторон на барабан 9 в несколько витков, и каждый из концов закреплен на барабане 9 зажимами 28 (первый вариант).
Второй вариант стенда включает второй сменный шкив 29, установленный в каретку 15 вместе с первым шкивом 30 на одной линии 31, перпендикулярной оси 18 (фиг.4). Ветви образца 27, сходящие на барабан 9 со шкивов 29 и 30, обхватывающие по 90° окружности последних, перпендикулярны линии 31 и запасованы в роликовые блоки-ограничители 32, установленные в каретку 15. Блоки-ограничители 32 состоят каждый из пары вертикальных 33 и пары горизонтальных 34 роликов, без зазоров плотно контактирующих с образцом 27.
б
o
o
ш
п
п
o
б
б
o
o
Стенд для испытания грузовых стальных канатов на выносливость работает следующим образом. В зависимости от диаметра d образца 27 подбирается диаметр Дш сменного ведомого шкива 14, диаметр Д сменного барабана 9 и шаг t винтовой канавки 10 в соответствии с предъявляемыми к образцу 27 требованиями. Длина L подвергаемого испытаниям участка образца 27 в этом случае должна быть не менее L≥½π(Д+d), где π=3,14; чтобы обеспечить изгиб на 90° и разгибание всего испытуемого участка образца 27. Величина пробежки - L образца 27 (ход образца 27 относительно шкива 14 в одну сторону) должна быть в пределах L=(1,2÷1,5)L, с тем чтобы предотвратить случайное нагружение испытуемого участка образца 27 частным видом нагружения, отличным от основного, создаваемым при намотке образца 27 на барабан 9, и сохранить чистоту эксперимента. Границы испытуемого участка образца 27 следует маркировать. Для обеспечения этих требований следует выдержать безопасное расстояние L между осями барабана 9 и шкива 14 не менее L≥1,5L. Для обеспечения угла изгиба на 90° и разгибания образца 27 следует выполнить требование о параллельности ветвей образца 27, сходящих со шкива 14 на барабан 9. Чтобы выполнить это требование, необходимо согласовать сопряжение образца 27, шкива 14 и барабана 9, поворачивая каретку 15 вокруг оси 18 на угол α, определяемый по формулам: предварительной, теоретической
и промежуточной
,
m
где n - число шагов t винтовой канавки 10, занимаемых витками концов образца 27 на барабане 9 от ветви, сходящей с верхней образующей барабана 9, до ветви, сходящей с нижней образующей. По формуле (II) определяют потребное количество n шагов t, используя значение α, определенное по формуле (I):
o
б
б
ш
б
ш
Величину n округляют до целого числа и определяют окончательно α по формуле II. Диапазон диаметров грузовых стальных канатов разбивают на ряд поддиапазонов. Диаметр Д сменного барабана 9 назначают по нижнему в поддиапазоне значению диаметра d каната, а величину шага винтовой канавки t - по верхнему значению d, причем величина диаметра Д сменного барабана 9 должна быть не менее 2-х величин наименьшего в поддиапазоне диаметра Д сменного шкива 14 плюс 5-ти величин наименьшего в поддиапазоне диаметра d каната. По нормам, принятым в грузоподъемной технике, диаметр Д барабана 9 допускается принимать на 15% меньше диаметра Д шкива 14. На один цикл нагружения образца 27: изгиб на 90° и разгибание; приходится только один изгиб на 90° одной ветви образца 27 на барабане 9 и только одно разгибание другой ветви за одну пробежку. Испытание образца 27 проводят не до полного разрушения его, а до разрушения заранее принятого количества проволок из общего количества их в образце 27. Учитывая вышеприведенные обстоятельства, можно сделать вывод: разрушение каната на барабане 9 даже при принятых допущениях в соотношениях его размерных характеристик исключено априори. Округление величины n до целого числа выражается значением ±0,5*t. Влияние округления на отклонение от параллельности ветвей концов образца 27, сходящих со шкива 14, т.е. на отклонение φ угла изгиба образца 27 (в норме 90°), выражается формулой:
ш
o
Принимая: t≈1,5d, Д = минимум 16d, α=90÷45°, получим φ=0÷15°; что составляет (0÷0,003)% от нормы и практически не может повлиять на точность расчета. По аналогии с ГОСТ 2387-80 профиль канавки сменного шкива 14 и его размеры приняты такими (см. фиг.2):
ш
Д - в соответствии с требованиями на грузовой стальной канат 27;
м
Д=Д+4d; угол раскрытия канавки - 30±1°.
o
После поворота каретки 15 на угол α ее закрепляют болтовыми соединениями 16. Для экономии длины образца 27 концы его закрепляют на барабане 9 по отдельности зажимами 28 после намотки 2÷3 витков. Посередине длины барабана 9 образуется незанятое витками образца 27 место. Второй вариант стенда предусматривает установку сменных шкивов 29 и 30, поэтому при пробежке образца 27 он подвергается двум изгибам на 90° и разгибаниям, т.е. частота нагружения за пробежку увеличивается в 2 раза по сравнению с основным случаем - с одним шкивом 14. После остановки образца 27 гидросистема 24 по команде блока 25 подает гидросмесь в гидроцилиндр с усилием, контролируемым динамометром 21, и вытягивает цепочку: гидроцилиндр 20, ползун 17, каретку 15, образец 27 и барабан 9; в одну линию, начинающуюся в точке крепления гидроцилиндра 20 к динамометру 21. Привод 2 начинает вращать через одну из электромагнитных муфт 3, 4 и редуктор 7 барабан 9. Образец 27 одной ветвью наматывается на одну сторону барабана 9, не более одного, двух витков, другой ветвью сматывается с другой стороны барабана 9. Крайние витки образца 27 на барабане 9 начинают возвратно-поступательно смещаться на один - два шага t сначала в одну сторону, затем другую. «Цепочка» отклоняется на угол ±β, что практически не сказывается на величине угла 90° изгиба и разгибания образца 27, поскольку конфигурация сопряжения шкива 14 (29, 30), барабана 9 и образца 27 такова, что параллельность ветвей концов образца 27, сходящих со шкива 14, сохраняется при перемещении каретки 15 относительно вдоль барабана 9. Винтовые канавки 10 на барабане 9 служат для предотвращения несанкционированного случайного смещения витков образца 27 на барабане 9, способного нарушить постоянство условий испытания, в том числе внести дополнительные к основному виду: изгиб на 90° и разгибание; нагружения: кручение троса от скоса его при наложении в канавку шкива 14 и рывки. Пробег образца 27 по шкиву 14 подвергает испытуемый участок «чистому» изгибу на 90° и разгибанию один раз, при пробеге по шкивам 29 и 30 два раза. Переключатель 23, взаимодействующий с пальцами 22, подает сигнал в блок питания и управления 25 об окончании пробега образца 27 в одном направлении. Блок 25 отключает одну из электромагнитных муфт 3, 4 и включает другую. Начинается вращение барабана 9 (пробега образца 27) в обратном направлении. Микропроцессор 26 по заложенной в него программе выдает команду блоку 25 увеличить скорость вращения в начале пробега и уменьшить в конце. Такая программа управления микропроцессора 26 блоком 25 скорости пробега образца, наряду со схемой реверсирования вращения барабана 9 путем подключения поочередно электромагнитными муфтами 3, 4 потоков 11 или 12 редуктора 7 при постоянном вращении привода 2 в одном направлении, способствует снижению динамических нагрузок на привод 2, редуктор 7, образец 27 при переключении направлений пробега. Динамометр 21 постоянно контролирует усилие напряжения образца 27 и при изменении его величины подает сигнал в блок 25, который по программе микропроцессора 26 выдает команду гидростанции 24 скорректировать гидроцилиндром 20 величину натяжения.
Использование изобретения позволит проводить испытания грузовых стальных канатов неограниченного диапазона диаметров, увеличить частоту пробежек образца в единицу времени, снизить динамические нагрузки на механизмы и на испытываемый образец каната, обеспечить «чистоту» эксперимента, позволяющую идентифицировать, выделить влияние на выносливость каната только «чистого» изгиба на 90° и разгибания образца. Этот вид нагружения является основным и присущ всем сочетаниям видов нагружения канатов в полиспастных системах, является основанием для расчета ресурса канатов в самых различных условиях эксплуатации, наиболее объективным способом сравнительных испытаний различных видов, типов, конструкций, материалов канатов.