Стальной канат

Общая информация

 В грузоподъемных машинах в качестве гибких элементов применяют стальные канаты, а также сварные и пластинчатые цепи.

Стальные канаты служат для передачи тяговых усилий грузовому крюку и стреле при их подъёме или опусканию. Кроме того, стальные канаты на грузоподъёмных кранах применяют для расчалок и управления работай грейфера в стяжных устройствах, а также для изготовления строп.

Применяют в грузоподъемных машинах преимущественно канаты двойной свивки, проволоки свивают в пряди вокруг центральной проволоки, а затем пряди свивают в канат вокруг сердечника. Число проволок в пряди и число прядей в канате может быть различно. В грузоподъемных машинах применяют главным образом шестипрядные канаты с числом проволок в пряди 19 и 37. При этом получается наиболее рациональное соотношение диаметра прядей и диаметра центрального сердечника и хорошо используется поперечное сечение каната при достаточной его гибкости. Восьмипрядные канаты используют в кранах и подъемниках, если применяются шкивы трения и барабаны малого диаметра.

Из чего делают стальные канаты и их прочность

  Канаты изготовляют из стальной светлой или оцинкованной проволоки марок В, или I или II диаметром от 0,2 до 3 мм; высокий предел прочности проволоки при растяжении QB ? 2600 МПа достигают многократным холодным волочением с промежуточной термической и химической обработкой. Однако в грузоподъемных машинах наибольшее применение находят прочность стальные канаты с пределом 1600+2000 МПа. Использование проволоки с более низким пределом прочности приводит к увеличению диаметра каната, а с более высоким пределом прочности— к снижению срока службы из-за большей жесткости проволок. Проволоку марки В, применяют в особо ответственных случаях, например в устройствах для подъёма людей. Для специальных целей канаты изготавливают из проволок нержавеющей стали.

Преимущества и недостатки стальных канатов

Преимущество стальных канатов на грузоподъёмных кранах

  Преимуществами стальных канатов, обеспечивающими их преобладающее применение в грузоподъемных машинах, являются плавная и бесшумная работа при любых скоростях, гибкость во всех направлениях и надежность в работе (так как по числу лопнувших проволок можно установить степень изношенности и провести браковку стального каната), относительно малая масса. Значительная упругость стальных канатов существенно снижает динамические нагрузки в процессе пуска и торможения благодаря демпфированию толчков, воспринимаемых металлической конструкцией грузоподъемной машины и механизмом подъема.

Недостатки стальных канатов

 В процессе работы каната, являющегося сложным телом, его отдельные проволоки испытывают различные напряжения – смятия, растяжения, изгиба и кручения. При огибании блока распределение напряжений значительно усложняется. При каждом огибании в канате появляются дополнительные контактные напряжения смятия в местах соприкосновения наружных проволок с поверхностью ручья. В результате пульсирующего характера этих дополнительных напряжений после некоторого числа изгибов происходит усталостное разрушение сначала наружных, а затем и внутренних проволок. Кроме того, при сгибании и разгибании каната на блоках и барабане пряди каната сдвигаются одна относительно другой, что приводит к истиранию проволок в местах контакта прядей. Особенно интенсивно процесс истирания проходит при наличии в окружающей среде абразивной пыли или примесей, способствующих коррозии проволок. Необходимо также иметь в виду, что перегибы каната в различном направлении вызывают появление знакопеременных напряжений и резкое увеличение усталости металла, что существенно отражается на долговечности каната (примерно в два раза).

 Для увеличения долговечности следует уменьшать число направляющих блоков и по возможности избегать перегибов каната в противоположных направлениях. С увеличением диаметра блока изгибающие и контактные напряжения и сдвиг прядей уменьшаются, а это приводит к снижению контактных напряжений и силы трения между прядями.

Типы стальных канатов

По типу сердечника

 В зависимости от материала сердечника стальные канаты бывают с органическим сердечником или металлическим сердечником.

  1). Органический сердечник делают из лубяных (пенька) или из синтетических (нейлон, капрон и т. п.) волокон, а при работе в условиях повышенных температур или химически агрессивной среды – из асбестовых волокон.

  2). Стальные канаты с металлическим сердечником где в качестве сердечника используется также проволочный канат двойной свивки. Данный тип стальных канатов применяют при многослойной навивки на барабан, поскольку этот канат не теряет формы под действием нагрузки от вышележащих витков, а также от резкоменяющейся нагрузки и при работе в условиях высоких температур, исключающих применения типов стальных канатов с органическим сердечником.

  Канат со стальным сердечником, хотя и имеет более высокий коэффициент заполнения поперечного сечения металлом, из-за различных условий прядей сердечника и прядей самого каната практически не становится более прочным чем канат с органическим сердечником.

 Тип стального каната с органическим сердечником более гибок, чем канаты с металлическим сердечником, и лучше удерживают смазку, так как смазка к проволокам поступает не только с наружи (в процессе работы канаты регулярно смазываются), но и из сердечника, пропитанного смазкой.

Типы стальных канатов по роду свивки

 По роду с в и в к и проволок в прядях различают канаты типа ТК (рис. а) с точечным контактом отдельных проволок между слоями прядей и типа ЛК с линейным касанием проволок в пряди.

 1). Канаты типа ЛК имеют несколько разновидностей:

- ЛК-О (рис. б), где проволоки отдельных слоев пряди имеют одинаковый диаметр;

- ЛК-Р (рис. в), у которых проволоки в верхнем слое пряди имеют разные диаметры;

- ЛК-РО (рис. г)— в прядях имеются слои, составленные из проволок одинакового диаметра и из проволок разного диаметра;

- ЛК-З (рис. Д)— между двумя слоями проволок размещаются заполняющие проволоки меньшего диаметра.

 Кроме того, изготовляются канаты типа ТЛК-О и ТЛК-Р с комбинированным точечно-линейным контактом между проволоками в пряди (рис. е).

 2). Стальные канаты типа ТК с точечным касанием проволок применяются только для ненапряженных режимов работы, когда длительность срока службы определяется в основном не качеством каната, а условиями его использования.

 Канаты с линейным касанием (ЛК) имеют лучшее заполнение сечения, они более гибки и износостойки. Их срок службы на 30—100% выше, чем срок службы канатов типа ТК. Вследствие лучшего заполнения сечения они при той же разрывной нагрузке имеют несколько меньший диаметр.

Типы стальных канатов по виду свивки

 

 По виду свивки канаты подразделяют на обыкновенные или раскручивающиеся (в этих канатах проволоки и пряди после снятия перевязок концов стремятся выпрямиться) и нераскручивающиеся, свиваемые из заранее деформированных проволок и прядей: их форма соответствует положению в канате.

 Проволоки нераскручивающихся канатов в ненагруженном состоянии не испытывают внутренних напряжений, эти канаты имеют значительно более долгий срок службы. Растягивающая нагрузка в них более равномерно распределяется между прядями и между проволоками в прядях, они обладают большей сопротивляемостью переменным изгибам. Оборванные проволоки в них сохраняют свое прежнее положение и не выходят из каната— это облегчает его обслуживание и уменьшает износ поверхности барабана и блока лопнувшими проволоками.

 Бывают также некрутящиеся канаты— это многослойные канаты, которые имеют противоположное направление свивки прядей по отдельным слоям. Однако отдельные слои при огибании блока легко сдвигаются относительно друг друга, что приводит иногда к выпучиванию прядей и преждевременному выходу каната ИЗ строя.

Типы по направлению свивки прядей

 Канаты изготовляют с различным направлением свивки прядей — с правым и левым. При правом направлении пряди идут слева — вверх— направо, при левом направлении наоборот: справа— вверх— налево.

Tипы по сочетанию направлений свивки проволок и прядей каната

  По сочетанию направлений свивки проволок в прядях и прядей в канатах различают канаты односторонней и крестовой свивки.

 В канатах односторонней свивки направления навивки проволок в наружном слое прядей и прядей в канате одно и то же.

 В канатах крестовой свивки эти направления противоположны.

  Канаты односторонней свивки имеют более ровную поверхность, площадь сечения в них заполнена лучше, они более гибки и долговечны вследствие увеличенной поверхности соприкосновения проволок с поверхностью блока или барабана. Их срок службы на 26—60 % больше срока службы канатов крестовой свивки.

 В канатах крестовой свивки наружные проволоки смежных прядей соприкасаются отдельным точкам, что увеличивает контактные напряжения, повышает износ и снижает долговечность каната.

 Из-за стремления к раскручиванию под действием растягивающей нагрузки канаты односторонней свивки непригодны к использованию в тех случаях, когда груз свободно подвешивают на одной ветви. В этих случаях применяют канаты крестовой свивки, а канаты односторонней свивки используют при движении груза в направляющих или при применении подвижных блоков, препятствующих раскручиванию каната.

  Благодаря большей структурной прочности, т. е. лучшему сохранению формы под воздействием внешней радиальной нагрузки от вышерасположенных слоев, канаты крестовой свивки применяются не только при однослойной, но и при многослойной навивке на барабан.

Тип стального каната из радиально обжатых прядей

 Для грузоподъёмных машин производят стальные канаты из радиально обжатых прядей.

 При изготовлении таких канатов прядь, свитую и проволоки круглого сечения, пропускают через волоку, в результате чего проволоки пряди, пластически деформируются, теряют круглую форму и линейный контакт между ними становится контактом по поверхности, увеличиваются опорная поверхность пряди и степень заполнения её поперечного сечения. Эти канаты по сравнению с традиционной конструкцией отличаются высокой плотностью и однородностью, повышенным сопротивлением износу проволок, повышенной на 12 – 15% прочностью на разрыв и увеличенной на 30 – 50% долговечностью.

Выбор канатов для применения на грузоподъёмных механизмах

  Многочисленные исследования позволили выявить основные факторы, определяющие предельное число перегибов каната до разрушения проволок. Этими факторами являются максимальное натяжение каната и отношение Диаметра блока и барабана к Диаметру каната. В зависимости от этих факторов и установленных норм для подбора каната. По этим нормам размер каната выбирается из соотношения
Smax n ≤ Sраз р

где Smax — максимальная рабочая сила ветви каната, определяемая при подъеме номинального груза с учетом потерь на блоках полиспастов и на обводных блоках, но без учета динамической нагрузки; п— коэффициент запаса прочности, т. е. отношение минимальной разрушающей нагрузки каната к максимальной рабочей нагрузке на канат, принимаемый по нормам в зависимости от назначения каната и группы режима работы механизма (табл. 11) [20] (для лифтов значения коэффициента приведены в табл. 12 [21]); — разрывная нагрузка каната в целом. Эта величина стандартизована для различных конструкций каната, диаметров и пределов прочности материала проволок.

Отметим, что вследствие сложного характера распределения напряжений в проволоках каната общая разрывная нагрузка Sразр (агрегатная прочность) всегда меньше суммарной прочности входящих в него проволок. Обычно Sраз р = 0,82+0,85 суммарной прочности проволок.

 С целью ограничения в канате напряжений от изгиба при его выборе должно быть соблюдено заданное правилами Госгортехнадзора соотношение между диаметром выбранного каната и диаметром блока и барабана: D ≥ ed, где d – диаметр каната, D2 — диаметр блока и барабана, измеренный по средней линии навитого каната; е – коэффициент, принимаемый по нормам Госгортехнадзора в зависимости от типа грузоподъемной машины и группы режима работы механизма (табл. 13).

 Диаметр D барабана и блока, измеренный по дну канавки или ручья блока, следует принимать по нормальному ряду размеров:
160, 200, 250, 320, 400, 450, 560, 630, 710, 800, 900 и 1000 мм.

 При больших значениях коэффициента е. резко увеличивается срок службы каната (увеличивается допускаемое число перегибов) Поэтому рекомендуется принимать максимально возможные по конструктивным соображениям значения диаметров блоков и барабана. При больших высотах подъема диаметр барабана иногда увеличивают для уменьшения его длины при сохранении канатоемкости барабана.

Какие стальные канаты применяют на автокранах

  На автокранах применяют стальные канаты двойной свивки с линейным касанием проволок в прядях типа ЛК-Р из шести прядей с числом проволочек в каждой пряди 19 и с одним органическим сердечником (КОНСТРУКЦИЯ 6 х 19 + 1 ос) Реже используют канаты типа ТЛК-О конструкции 6 Х31 +1 ос, так как такие канаты менее износостойкие и обладают пониженной прочностью по сравнению с канатами типа ЛК-Р. Канаты типа ТК в основном устанавливают в системах управления краном.

Стальные канаты на башенных кранах

  На башенном кране применяют канаты: грузовой, стреловой, монтажные, растяжки.

  Все стальные канаты должны иметь сертификаты (свидетельства) завода изготовителя. При отсутствии сертификата канат испытывают в соответствии с ГОСТ 3241—91 «канаты стальные Технические требования» Канат, не снабженный сертификатом или не испытанный, к установке на кране не допускается.

  В технической документации башенного крана (паспорте, инструкции ТО) должно быть записано условное обозначение каждого каната, установленного на кране. Например, для КБ-160.2 грузовой канат обозначен 24,0-Г-1-Л-О-Н-180, что расшифровывается так:

  диаметр наружный 24 мм Г — грузовой, I — первой марки по механическим свойствам проволоки, из светлой проволоки (не обозначается), Л — левой, О односторонней свивки, Н — нераскручивающийся, 180 кгс/мм2 временное сопротивление разрыву (маркировочная группа).

  Определить возможность применения каната на кране можно проверить по формуле P/S ≥ K, где Р – разрывное усилие каната в целом, принимаемое по сертификату (если в сертификате дано суммарное разрывное усилие проволок, величина Р определяется умножением суммарного разрывного усилия на 0,83 или на соответствующий коэффициент, определенный по Государственному стандарту на канат выбранной конструкции), кгс: S — наибольшее расчетное натяжение ветви каната с учетом КПД полиспаста, указываемое в паспорте (без учета динамических нагрузок), кгс; К — коэффициент запаса прочности.

 Наименьший допускаемый коэффициент запаса прочности канатов приведен в таблице ниже.