КОМБИНИРОВАННЫЙ ТРОС ИЛИ КОМБИНИРОВАННАЯ ПРЯДЬ
COMBO CABLE OR COMBINATION LOCKS

Область техники
Изобретение относится к комбинированному тросу, содержащему сердечник и внешние металлические навитые слои, а также к концевому участку троса и к способу изготовления такого комбинированного троса.
Уровень техники
Традиционно проволочные тросы и кабели обычного исполнения содержат металлический сердечник, окруженный наружным слоем спирально уложенной стальной проволоки или прядей проволоки. Недостаток кабеля с металлическим сердечником заключается в том, что при значительной длине он имеет очень большой вес.
Тросы с сердечником из натуральных или синтетических волокон, свитых с металлическими прядями проволоки, т.е. так называемые комбинированные тросы, могут применяться для придания тросам различных характеристик в зависимости от типа используемого натурального или синтетического волокна.
Преимущество комбинированного троса перед полностью стальным тросом заключается в более низкой массе троса и улучшении эксплуатационных характеристик, например, выносливости при переменных растяжении и изгибе.
Преимущество комбинированного троса перед полностью синтетическим тросом, например, нейлоновым, заключается в высокой устойчивости к истиранию, раздавливанию и вытягиванию, при этом поддерживаются желаемый уровень прочности и превосходная ударная вязкость.
В документе US 4034547 A описан комбинированный кабель 10, содержащий синтетический сердечник 12 и металлическую оболочку 14, как показано на фиг. 1. Синтетический сердечник 12 образован из пучка или переплетения высококачественных волокон, а оболочка 14 образована из проволоки или прядей 16 проволоки. При этом указано, что масса комбинированного кабеля приблизительно на 30% меньше массы соответствующего стального кабеля.
Преимущество комбинированных тросов проявляется, в частности, в случаях использования тросов большой длины для подвешивания, а именно, тяговых или подъемных тросов в горнодобывающей промышленности, кранах или лифтах, подвесных тросов или тросов для глубоководного оборудования, для использования в морском и промышленном рыболовстве или на выносных причалах. При указанном использовании масса самого троса составляет большую часть его грузоподъемности, а также несущей способности подъемника, что ограничивает полезную грузоподъемность. Таким образом, использование комбинированных тросов желательно в указанных областях применения, т.к. комбинированные тросы обеспечивают сравнимую со стальными тросами эффективность и имеют меньшую массу, расширяя возможности: например, обеспечивая возможность швартовки в более глубокой воде.
Существует потребность в дальнейшем уменьшении массы комбинированных тросов при одновременном сохранении или, что более желательно, повышении их эксплуатационных качеств.
Раскрытие изобретения
Основная задача изобретения заключается в выявлении нового продукта, пригодного для требований рынка.
Другая задача изобретения заключается в разработке комбинированного троса, имеющего низкие массу и объем в сравнении с его прочностью, и способ его изготовления.
Еще одна задача изобретения заключается в разработке комбинированного троса, имеющего устойчивость к вращению и достаточную коррозионную стойкость.
И еще одна задача изобретения заключается в разработке комбинированного троса, заканчивающегося на по меньшей мере одном из его концов канатным замком, обеспечивая тем самым высокий уровень предельной нагрузки.
Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в применении облегченного комбинированного троса согласно изобретению при необходимости использования подвесного троса большой длины.
Согласно первому объекту изобретения комбинированный трос содержит сердечник, первый и по меньшей мере один второй металлические замкнутые слои, окружающие сердечник. Сердечник состоит из пучка или переплетения синтетических нитей. Первый металлический навитый слой включает в себя множество проволочных элементов, навитых по спирали вокруг сердечника в первом направлении. Второй металлический навитый слой включает в себя множество проволочных элементов, навитых по спирали вокруг сердечника и первого металлического замкнутого слоя во втором направлении. Площадь поперечного сечения сердечника больше, чем общая площадь поперечного сечения первого и второго металлических замкнутых слоев.
Отношение площади поперечного сечения сердечника к общей площади поперечного сечения первого и второго металлических навитых слоев составляет предпочтительно 70/30, более предпочтительно 65/35, а наиболее предпочтительно - 60/40. Отношение сердечника к внешним металлическим слоям, т.е. отношение синтетических нитей к металлу, определяет массу самого троса. Это большая часть грузоподъемности троса. По сравнению с тяжелым полностью стальным тросом, масса такого комбинированного троса может быть уменьшена на 40% и более. Другими словами, этот трос, имеющий значительно меньшую массу, например, при использовании в выносных платформах, может быть использован с более крупными водяными колоннами. В качестве справки, полностью стальной трос может доходить до глубины воды максимум от 1500 до 2500 м, тогда как комбинированный трос, характеризуемый уменьшением массы на 40% и более, может доходить до глубины воды от 3500 до 4000 м.
Одновременно, следует также заметить, что снаружи сердечника, изготовленного из синтетических нитей, расположены два металлических замкнутых слоя. В предпочтительном варианте выполнения отношение площади поперечного сечения сердечника к площади металлических замкнутых слоев составляет около 65/35. Это обеспечивает повышенную прочность и надежность, при относительно высоком модуле упругости. Указанную особенность невозможно достичь простым уменьшением диаметра проволоки известного комбинированного троса, показанного на фиг. 1. Уменьшение диаметра проволоки в комбинированном тросе с одиночным металлическим наружным слоем приводит к уменьшению надежности троса. Установлено, что при наличии только одного металлического слоя снаружи синтетического сердечника, когда диаметр металлической проволоки становится очень маленьким, наружная металлическая проволока проявляет «свойства пружины», которое означает, что одна или более проволок не находятся на своем месте. Указанное нарушение расположения может произойти в отсутствии натяжения или под натяжением. Однако металлическая проволока в соответствии с конструкцией троса по настоящему изобретению может быть правильно размещена благодаря гармоничному сочетанию по меньшей мере двух наружных металлических слоев и подбору диаметра проволочных металлических элементов.
Комбинированный трос имеет диаметр в интервале от 10 до 400 мм, например, 50 мм, 100 мм или 200 мм. Комбинированный трос предпочтительно дополнительно содержит оболочку, окружающую первый и/или второй металлический замкнутый слой. Оболочка троса может быть выполнена из термопластика, пластомера, оплетки и/или эластомера.
Например, проволочные элементы являются стальной проволокой и/или прядями стальной проволоки. Проволока троса может быть изготовлена из высокоуглеродистой стали. Высокоуглеродистая сталь имеет следующий состав: содержание углерода находится в пределах от 0,5% до 1,15%, марганца - от 0,10% до 1,10%, кремния - от 0,10% до 1,30%, серы и фосфоры - в пределах 0,15%, предпочтительно менее 0,10%; дополнительно могут быть добавлены легирующие микродобавки, такие, как хром (не более 0,20%-0,40%), медь (не более 0,20%) и ванадий (не более 0,30%). Все проценты являются процентами по массе.
Предпочтительно, стальная проволока и/или пряди стальной проволоки по меньшей мере одного металлического слоя покрыты цинком и/или цинковым сплавом. Более предпочтительно, покрытие сформировано на поверхности стального прута посредством процесса оцинковки. Цинково-алюминиевое покрытие обладает в целом более высокой устойчивостью к коррозии, чем цинк. В противоположность цинку, цинково-алюминиевое покрытие более устойчиво к температуре. Также в противоположность цинку, при действии высокой температуры цинково-алюминиевый сплав не расслаивается. Цинково-алюминиевое покрытие может иметь содержание алюминия, в пределах от 2 масс. % до 12 масс. %, например, от 5% до 10%. Предпочтительный состав находится около эвтектического равновесия: около 5 масс. % алюминия. Покрытие из цинкового сплава может кроме того содержать смачивающую добавку, такую как лантан или церий, в количестве до 0,1 масс. % цинкового сплава. Остаток покрытия составляют цинк и неизбежные примеси. Другой предпочтительный состав содержит около 10% алюминия. Увеличенное количество алюминия обеспечивает лучшую защиту от коррозии, чем эвтектический состав с содержанием алюминия около 5 масс. %. К цинково-алюминиевому покрытию могут быть добавлены другие элементы, такие, как кремний или магний. С точки зрения оптимизации устойчивости к коррозии наиболее предпочтительным является сплав, содержащий от 2% до 10% алюминия и от 0,2% до 3,0% магния, остальное составляет цинк.
Предпочтительно, стальная проволока и/или пряди стальной проволоки покрываются конечным слоем цинка. Иначе говоря, последующее вытягивание оцинкованной проволоки или прядей проволоки не производится. Таким образом, достигается большая масса покрытия и соответственно большая устойчивости к коррозии одновременно с высоким пределом текучести. Это особенно важно для использования на выносных причалах, продолжительность эксплуатации которых составляет около 20 лет.
Диаметр проволочных элементов первого слоя может отличаться от диаметра проволочных элементов второго слоя. В другом варианте диаметр проволочных элементов первого слоя равен диаметру проволочных элементов второго слоя. Диаметр проволочных элементов может находиться в интервале между 0,30 мм и 30 мм. Например, первый металлический навитый слой включает в себя по меньшей мере 20 проволочных элементов, а второй металлический навитый слой - более 20 проволочных элементов.
Эффективность вращения проволочных элементов составляет более чем 90%. В предпочтительном примере, эффективность вращения составляет 95%, что означает потерю прутьями лишь 5% прочности во время вращения. Очень низкая потеря при вращении достигается сочетанием любой одной или более особенностей, описанных выше или ниже: конечная оцинковка проволоки; сердечник и внешние слои имеют определенный шаг скрутки, что повышает эффективность; трос имеет низкий крутящий момент; трос может иметь на конце особый канатный замок.
Предпочтительно, первое направление свивки первого металлического слоя отличается от второго направления свивки второго металлического слоя. В качестве примера, первый металлический слой свит в направлении «S», а второй металлический слой свит в направлении «Z». В качестве другого примера, первый металлический слой свит в направлении «Z», а второй металлический слой свит в направлении «S». Крутящие моменты между «S» и «Z» сбалансированы, и, следовательно, обеспечивается исключение вращения комбинированного троса.
Предпочтительно сердечник выполнен в виде троса, изготовленного из синтетических нитей. Сердечник может иметь любую конструкцию, известную для синтетических тросов. Сердечник может иметь заплетенную, оплетенную, скрученную, спиральную или параллельную конструкцию, или их сочетания. Предпочтительно, сердечник имеет скрученную или оплетенную конструкцию, или их сочетание.
В таких конструкциях троса он может быть выполнен из прядей. Пряди изготовлены из нитей троса, которые содержат синтетические волокна. Способы формирования нитей из волокон, прядей из нитей и тросов из прядей известны. Сами пряди могут также иметь заплетенную, оплетенную, скрученную, спиральную или параллельную структуру, или их сочетания.
Для дальнейшего описания конструкций тросов, см., например, «Handbook of fibre rope technology», McKenna, Hearle and O'Hear, 2004, ISBN 0-8493-2588-9.
Синтетические нити, которые могут быть использованы в качестве сердечника комбинированного троса по изобретению, включает в себя все нити, которые известны в качестве используемых в полностью синтетических тросах. Такие нити могут включать в себя нити, изготовленные из волокон полипропилена, нейлона или полиэфира. Предпочтительно используются нити волокон с высокой прочностью на разрыв, например, нити из волокна жидкокристаллического полимера (LCP), арамида, такого как поли(p-фенилентерефталамид) (известного как Kevlar), высокомолекулярного полиэтилена (HMwPE), ультравысокомолекулярного полиэтилена (UHMwPE), такого, как Dyneema и РВО (поли(p-фенилен-2,6-бензобисоксазол). Волокна с высокой прочностью на разрыв предпочтительно имеют предел прочности по меньшей мере 2 МПа, а модуль упругости при растяжении предпочтительно выше 90 ГПа. Диаметр сердечника может составлять 2 мм - 300 мм.
Пластомер, термопластик, оплетка и/или эластомер также могут быть нанесены или экструдированы с внешней стороны троса. Покрытие имеет среднюю толщину по меньшей мере 0,1 мм, более предпочтительно по меньшей мере 0,5 мм. Упомянутая толщина составляет максимум 50 мм, предпочтительно максимум 30 мм, более предпочтительно максимум 10 мм, а наиболее предпочтительно - максимум 3 мм.
3
Сердечник может быть покрыт пластомером, термопластиком, оплеткой и/или эластомером. Пластомер может быть полукристаллическим сополимером этилена или пропилена и одним или более сомономером C2-C12 α-олефина и пластомером, имеющим плотность, измеренную согласно IS01183, между 870 и 930 кг/м. В качестве варианта, сердечник может быть также покрыт термопластиком, предпочтительно путем экструзии. Термопластик может быть высокомолекулярным полимером, например, полиэтиленом (РЕ), полипропиленом (РР), полиуретаном (PU) и поливинилхлоридом (PVC). Использование покрытия из пластомера, термопластика и/или эластомера на сердечнике в комбинированном тросе также обеспечивает то, что сердечник защищен от истирания вследствие движения наружных металлических прядей проволоки при использовании троса. Меньшее относительное смещение происходит между сердечником и наружными металлическими слоями.
Предпочтительное покрытие можно найти в документе WO 2011/154415, который также предоставляет больше подробностей о том, как получить сердечник согласно настоящему изобретению.
Второй объект изобретения относится к комплекту из комбинированного троса и канатного замка. Комбинированный трос на по меньшей мере одном из своих концов имеет канатный замок 30. Как показано на фиг. 2, канатный замок содержит участок 20 конической формы. Участок конической формы имеет угол конусности, равный 2°-8°, и длину A, равную 5D-20D, где D - наименьший диаметр участка конической формы. Как показано на фиг. 3, на указанном по меньшей мере одном из концов стальная проволока не скручена. Открытое пространство вокруг нескрученной проволоки и сердечника в полом коническом корпусе разъема заполнено смолой.
Комбинированный трос хорошо сочетается с указанным разъемом. Вследствие использования особого канатного замка, трос переламывается при более высоких нагрузках, даже больших, чем для полностью стального троса такого же диаметра. Дополнительно, трос не выскакивает из разъема и не отрывается на выходе из разъема, но может разорваться между разъемами на находящемся в свободном состоянии участке троса. Комплект из комбинированного троса и канатного замка работает так хорошо, что достигается эффективности вращения более чем 95%.
Предпочтительный комплект из комбинированного троса и канатного замка можно найти в документе WO 2011/083126, который также раскрывает подробности применения канатного замка.
Трос по изобретению может быть использован, например, для выносных причалов или в глубоководных установках, что делает возможным проникнуть глубже при меньшей собственной массе по сравнению с полностью стальными тросами. Трос легче, прочнее и, следовательно, удобнее для применения в качестве воздушных тросов, например, для фуникулеров. В противоположность обычным воздушным тросам, применение тросов по изобретению позволяет получить большие пролеты канатной дороги в дополнение к меньшему провисанию. В качестве другого примера, трос по изобретению может также быть применен в качестве тянущих или подъемных тросов для тяговых лебедок или в горном деле. Существующие тянущие тросы для горного дела обычно имеют массу около 15 кг/м. Это означает, что масса самого троса уже занимает 30 тонн, если используется трос длиной 2 км. Если используется трос по изобретению, имеющий массу около 8 кг/м, при той же самой длине троса его масса составит только 16 тонн. Таким образом, комбинированные тросы по изобретению значительно увеличивают грузоподъемность или полезную нагрузку и предоставляют возможность разработки более глубоких месторождений. Более того, комбинированные тросы по изобретению благодаря их малой массе обеспечивают преимущества для строительных конструкций, например, мостов, стадионов, подъемных кранов, лифтов, установок или в промышленном рыболовстве.
Третий объект изобретения относится к способу изготовления комбинированного троса, содержащего сердечник, первый и второй металлические замкнутые слои, в котором площадь поперечного сечения сердечника больше общей площади поперечного сечения первого и второго металлических замкнутых слоев. Способ включает этапы, на которых: берут сердечник, включающий в себя пучок или переплетение синтетических нитей; накручивают множество проволочных элементов первого слоя вокруг сердечника в первом направлении, тем самым формируя первый металлический замкнутый слой; накручивают множество проволочных элементов второго слоя вокруг сердечника и первого металлического замкнутого слоя во втором направлении, тем самым формируя второй металлический замкнутый слой. Дополнительно способ может включать в себя предварительное формирование каждого из проволочных элементов для того, чтобы предопределить спиральную скрутку перед накручиванием. Дополнительно способ может включать формирование посредством экструзии вокруг второго металлического замкнутого слоя оболочки из пластомера, термопластика, оплетки и/или эластомера.
Комбинированные тросы применяются там, где необходимы тросы большой длины для подвесного использования, например для перетягивания или подъема в горном деле, в подъемных кранах или лифтах, воздушных тросах или глубоководных установках или используются в морском и промышленном рыболовстве и на выносных причалах. Дело в том, что во время такого использования масса самого троса уже отнимает большую часть его грузоподъемности и несущей способности подъемника; полезная грузоподъемность, соответственно, ограничена. Таким образом, комбинированные тросы желательны в этих производственных процессах, т.к. они обеспечивают сравнимые со стальными тросами эксплуатационные свойства и более низкую массу, расширяя возможности, например, обеспечивая возможность пришвартовывания в более глубокой воде.
Изобретение может быть осуществлено в надлежащем виде при отсутствии описания любого элемента или элементов. Так, например, термины «содержащий», «включающий в себя», и т.п. следует толковать расширительно и без ограничений. Кроме того, используемые термины, выражения и понятия следует толковать без ограничений, используя любые эквивалентные понятия и различные возможные модификации в пределах объема охраны заявленного изобретения. Например, снаружи волоконного сердечника могут быть расположены три металлических слоя, а оболочки из термопластика могут быть нанесены снаружи каждого из металлических слоев. Итак, следует понимать, что хотя настоящее изобретение раскрыто с использованием предпочтительных вариантов его осуществления и необязательными вариантами выполнения, специалист в данной области техники может сделать модификации и изменения, находящиеся в пределах объема изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан известный комбинированный трос, вид в поперечном сечении;
на фиг. 2 - канатный замок комбинированного троса;
на фиг. 3 - канатный замок комбинированного троса, вид в продольном сечении;
на фиг. 4 - комбинированный трос по первому варианту осуществления изобретения, вид в поперечном сечении;
на фиг. 5 - комбинированный трос по второму варианту осуществления изобретения, вид в поперечном сечении;
на фиг. 6 - комбинированный трос по третьему варианту осуществления изобретения, вид в поперечном сечении;
на фиг. 7 представлена диаграмма нагрузки для квазидинамического измерения;
на фиг. 8 - сравнительная диаграмма значений квазидинамической жесткости комбинированного троса (A) и полностью стального троса (B) при разных нагрузках;
на фиг. 9 - диаграмма сравнения значений квазидинамической удельной жесткости комбинированного троса (A) и полностью стального троса (B) при разных нагрузках;
на фиг. 10 показана диаграмма ползучести с течением времени при постоянной нагрузке комбинированных тросов (A, D) и полностью стального троса (C).
Варианты осуществления изобретения
Комбинированный трос 1
На фиг. 4 показано поперечное сечение комбинированного троса по первому варианту осуществления изобретения. Комбинированный трос 40 содержит волоконный сердечник 42, первый слой металлических проволочных элементов 44 и второй слой металлических проволочных элементов 46. Комбинированный трос 40 может иметь диаметр от 10 мм до 400 мм. Комбинированный трос 40, как показано на фиг. 4, имеет конструкцию «32×7c+26×7c+FC SsZs, SzZz или ZzSz». Термин «32×7c+26ʺ×7c+FC SsZs» характеризует конструкцию троса со вторым металлическим слоем (наружный слой или второй слой металлических проволочных элементов 46), содержащим 32 пряди с направлением свивки «S», в котором каждая прядь содержит 7 плотно уложенных нитей с направлением свивки «s», первым металлическим слоем (первый слой металлических проволочных элементов 44), содержащим 26 прядей с направлением свивки «Z», в котором каждая прядь содержит 7 плотно уложенных нитей с направлением свивки «s», а также с волоконным сердечником. В таблице 1 конструкция троса обозначена подобным образом. Металлические элементы 44, 46 комбинированного троса 40, как показано на фиг. 4, имеют идентичные размеры и конструкции нитей прядей. Как вариант, металлические элементы могут иметь другой диаметр и/или другую конструкцию нитей прядей. В таблице 1 представлены обозначения некоторых комбинированных тросов.
Сердечник 42 изготовлен из множества нитей сверхвысокомолекулярного полиэтилена (HМРЕ), например, любой одной или более из тросовых нитей марок 8*1760 dTex Dyneema SK78, 4*1760 dTex Dyneema или 14*1760 dTex Dyneema 1760 dTex SK78. Сердечник 42 может быть изготовлен из пучка непрерывных синтетических нитей или плетеных прядей. Например, на первом этапе производится первая часть сердечника из 12 плетеных прядей, каждая прядь состоит из нитей 8*1760 dTex Dyneema SK78. Эта первая часть сердечника оплетена снаружи 12 прядями из нити 4*1760 dTex Dyneema.
В этом варианте диаметр металлических проволочных элементов первого слоя 44 может быть тем же самым или отличным от диаметра металлических проволочных элементов второго слоя 46 (см. таблицу 1). Металлические проволочные элементы 44, 46 могут быть выполнены в виде прядей, содержащих множество в основном идентичных металлических нитей. Следует понимать, что металлические проволочные элементы могут иметь различную конфигурацию прядей. Кроме того, металлические слои могут включать в себя металлические проволочные элементы с различной конфигурацией прядей. Следует понимать, что металлические слои могут быть образованы сочетанием прядей и одиночных прутьев стальной проволоки.
Комбинированный трос 2
На фиг. 5 показано поперечное сечение комбинированного троса по второму варианту осуществления изобретения. Комбинированный трос 50 содержит волоконный сердечник 52, первый слой металлических проволочных элементов 54 и второй слой металлических проволочных элементов 56. На Фиг. 5 схематически изображен комбинированный трос, имеющий конструкцию «34+24+FC SZ». В отличие от первого варианта осуществления изобретения, каждый из металлических проволочных элементов 44, 46 заменен одиночной стальной проволокой 54, 56. Комбинированный трос имеет конструкцию «34+24+FC SZ», означающую, что он содержит волоконный сердечник, первый металлический слой с направлением скрутки «S», содержащий 24 проволоки и второй металлический слой с направлением скрутки «Z», содержащий 32 проволоки. Подробные обозначения некоторых возможных конструкций комбинированных тросов приведены в таблице 2. Следует понимать, что металлические слои могут быть образованы сочетанием прядей и одиночных прутьев стальной проволоки.
Комбинированный трос 3
На фиг. 6 показано поперечное сечение комбинированного троса по третьему варианту осуществления. Представленный комбинированный трос имеет конструкцию «34+24+FC SZ». Комбинированный трос 60 содержит волоконный сердечник 62, экструдированный вокруг сердечника 62 слой 63 термопластика, первый слой металлических проволочных элементов 64, второй слой металлических проволочных элементов 66 и защитный слой 68 термопластика.
Например, покрытие из пластомера EXACT™ 0230 экструдируется на сердечник троса, посредством одношнекового экструдера Collin ТМ 45 мм. Полиэтилен (РЕ) экструдируется на весь трос в качестве защитного покрытия.
Совершенно очевидно, что только экструдированное покрытие на сердечнике (и отсутствие экструдированного слоя на самом тросе), и только экструдированный слой на тросе (и отсутствие экструдированного слоя на сердечнике) также входят в объем изобретения. Кроме того, дополнительный покрывающий экструдированный слой может быть добавлен в промежуток между двумя металлическими слоями, чтобы избежать истирания в промежутке между этими слоями.
Комбинированный трос с канатным замком
Комбинированный трос конструкции «32+26+FC SZ» соединен с канатным замком, показанным на фиг. 2 и 3. Канатный замок имеет участок конической формы с длиной A=8,8D, где D - диаметр троса, и углом конусности α=2°30'.
Оба конца троса заканчиваются канатными замками. Конец троса пропускают через отверстие малого диаметра в разъеме. Затем трос и пряди троса раскручивают на расстоянии, превышающем A+D. После этого проволоки и нити троса распределяют в пространстве полого участка конической формы. Развитый и разделенный конец троса после этого вводят в участок конической формы. Разъем, содержащий развитый и разделенный конец троса, после этого переводят в вертикальное положение с расположением широкой части участка конической формы вверху.
После этого смешивают ненасыщенную полиэфирную двухкомпонентную смолу, например, Socket Fast Bluel или эпоксидную двухкомпонентную смолу и наливают ее в канатный замок, чтобы заполнить открытое пространство между нитями и прядями распущенного и распределенного конца троса. Смоле позволяют отвердеть в течение 24 часов при комнатной температуре (~20°C). Длина троса составляет 4 м.
Тросы испытывали согласно ISO 2307. Тросы подсоединяются канатными замами к стандартному оборудованию для проверки тросов на разрыв. Тросы предварительно натягивали 5 раз до около 50% от их предельной нагрузки. После этого тросы натягивали до разрыва. Прочность тросов на разрыв приведена в таблице 3. Три комбинированных троса с одной и той же конфигурацией тестировали по отдельности, отклонения также приведены в таблице 3. В таблицу для сравнения также включены полностью стальной наполовину/полностью застопоренный трос и трос из полиэфира.
Прошедшие испытания комбинированные тросы показали приемлемые результаты. Модуль упругости комбинированного троса находится в промежуточном интервале между полностью стальным и полиэфирным тросами. Следует отметить, что приведенные значения модулей упругости являются ожидаемыми для всех тросов, за исключением комбинированного троса. По сравнению с полностью стальным тросом, имеющим сходный диаметр, комбинированный трос на 37-46% легче и в то же время его предельная нагрузка на 4-17% выше. В противоположность полиэфирному тросу, хотя комбинированный трос имеет линейную массу на 25% выше, диаметр полиэфирного троса должен составлять около двух диаметров комбинированного троса, чтобы достичь сопоставимого предела прочности на разрыв.
Также оценивалась квазидинамическая жесткость комбинированного троса (A) с диаметром 22 мм и полностью стального троса с диаметром 22 мм (прядь, 35×K7) (B). Измеренные значения жесткости соответствуют требуемым для удерживающих на месте швартовочных канатов, и основаны на работе, проведенной для сертификации тросов из синтетического волокна для этих направлений использования (Del Vecchio CJM, 1992, «Light-weight materials for deep water moorings», PhD thesis University of Reading; Francois M, Davies P, 2008, ((Characterization of polyester mooring lines», OMAE 2008-57136). Испытания, по определению квазидинамической жесткости проводили в соответствии с национальным стандартом ISO 18692, 2007, «Fibre ropes for offshore station keeping - Polyester» и правилами сертификационной компании Bureau Veritas, 2007, «Certification of fibre ropes for deep water offshore services», NI432R01.
Диаграмма загрузки для квазидинамического измерения показана на фиг. 7. По горизонтальной оси указано время в секундах (с), а по вертикальной оси - приложенная нагрузка в килоньютонах (кН). Средняя приложенная нагрузка составила 10%, 20%, 30% и 40% от предельной нагрузки проволочного троса. Значения квазидинамической жесткости комбинированного троса (A) и полностью стального троса (B) показаны в сравнении на фиг. 8. Квазидинамическая жесткость обоих тросов значительно повышается с ростом средней нагрузки в использованном интервале нагрузок (10-40% от предельной нагрузки). Квазидинамическоя жесткость комбинированного троса (A) на 17-26% ниже, чем у полностью стального троса (B). Однако преимущество комбинированного троса перед полностью стальным тросом появляется с учетом массы. Удельная жесткость определяется как отношение жесткости к погонному метру. Как показано на фиг. 9, удельная жесткость комбинированного троса (A) на 22-37% выше, чем удельная жесткость полностью стального троса (B) во всем диапазоне нагрузок при испытании.
На фиг. 10 показан график ползучести с течением времени при постоянных нагрузках. Ползучесть определяется как деформация проволочного троса (удлинение) при постоянной статической нагрузке. Комбинированный трос (A) с множеством прядей и диаметром 22 мм сравнивали с 8-прядным полностью стальным тросом (C) с диаметром 13 мм и с 8-прядным комбинированным тросом (D) с диаметром 13 мм. Приложенная нагрузка на комбинированный трос (A) составила 50% от предельной нагрузки, тогда как на 8-прядный полностью стальной трос (C) и 8-прядный комбинированный трос (D) - 40% от предельной нагрузки. Температуру троса поддерживали на уровне около 50°С в течение 10 дней измерения. Ползучесть определялась путем измерения растяжения (%) с течением времени (h). Как показано на фиг. 10, комбинированный трос (A) имеет большее растяжение, чем полностью стальной трос (C) в момент приложения нагрузки, которая является ожидаемой для троса с сердечником из волокна. Однако с течением времени при постоянной нагрузке комбинированный трос (A) показывает похожее изменение растяжения по сравнению с полностью стальным проволочным тросом (C). По сравнению с 8-прядным комбинированным тросом (D) к комбинированному тросу (A) приложена большая нагрузка (50% против 40% предельной нагрузки). Кроме того, относительная площадь поперечного сечения сердечника больше у комбинированного троса (A). Даже с этими фактами, интенсивность ползучести троса (A) с множеством прядей значительно ниже, следовательно, ползучесть не становится проблемой с течением времени для комбинированного троса согласно изобретению.
Список номеров позиций:
10 - композитный кабель;
12 - синтетический сердечник;
14 - металлическая оболочка;
16 - проволока;
20 - участок конической формы на канатном замке;
30 - комбинированный трос, оканчивающийся на конце канатным замком;
40 - комбинированный трос по первому варианту;
42 - волоконный сердечник;
44 - первый слой металлических проволочных элементов;
46 - второй слой металлических проволочных элементов;
50 - комбинированный трос по второму варианту;
52 - волоконный сердечник;
54 - первый слой металлических проволочных элементов;
56 - второй слой металлических проволочных элементов;
60 - комбинированный трос по третьему варианту;
62 - волоконный сердечник;
63 - слой из термопластика;
64 - первый слой металлических проволочных элементов;
66 - второй слой металлических проволочных элементов;
68 - защитный слой из термопластика.