Проволочный канат состоит всего из двух цельных металлических проволок , скрученных в спираль , которая образует композитный канат , в схеме, известной как уложенный канат . Проволочный канат большего диаметра состоит из нескольких прядей такого уложенного каната в схеме, известной как уложенный кабель . Изготовленные с использованием промышленной машины, известной как крутильная машина, проволоки подаются через ряд барабанов и скручиваются в их окончательную композитную ориентацию.
В более строгом смысле термин « проволочный трос» относится к диаметру более 9,5 мм ( 3 ⁄ 8 дюйма), а меньшие калибры называются кабелями или шнурами. [1] Первоначально использовались кованые железные провода, но сегодня основным материалом для изготовления тросов является сталь .
Исторически стальной трос произошел от цепей из кованого железа, которые имели историю механических отказов. В то время как дефекты в звеньях цепи или сплошных стальных прутках могут привести к катастрофическому отказу , дефекты в проволоках, составляющих стальной трос, менее критичны, поскольку другие проволоки легко принимают на себя нагрузку. Хотя трение между отдельными проволоками и прядями вызывает износ в течение срока службы троса, оно также помогает компенсировать незначительные отказы в краткосрочной перспективе.
Стальные канаты были разработаны, начиная с применения в горнодобывающих подъемниках в 1830-х годах. Стальные канаты используются динамически для подъема и подъема в кранах и лифтах , а также для передачи механической энергии . Стальной канат также используется для передачи усилия в механизмах, таких как трос Боудена или поверхности управления самолета, соединенные с рычагами и педалями в кабине. Только авиационные кабели имеют WSC (сердечник из проволочной пряди). Кроме того, авиационные кабели доступны в меньших диаметрах, чем стальной канат. Например, авиационные кабели доступны в диаметре 1,2 мм ( 3 ⁄ 64 дюйма), в то время как большинство стальных канатов начинаются с диаметра 6,4 мм ( 1 ⁄ 4 дюйма). [2] Статические стальные канаты используются для поддержки конструкций, таких как подвесные мосты , или в качестве растяжек для поддержки башен. Воздушная трамвайная линия опирается на стальной канат для поддержки и перемещения грузов наверху.
Современный стальной канат был изобретен немецким горным инженером Вильгельмом Альбертом в период между 1831 и 1834 годами для использования в горнодобывающей промышленности в горах Гарц в Клаустале , Нижняя Саксония , Германия . [3] [4] [5] Он был быстро принят, поскольку доказал превосходящую прочность по сравнению с канатами, изготовленными из пеньки или металлических цепей , которые использовались ранее. [6]
Первые канаты Вильгельма Альберта состояли из трех прядей, состоящих из четырех проволок каждая. В 1840 году шотландец Роберт Стирлинг Ньюолл усовершенствовал процесс еще больше. [7] В Америке стальной канат изготавливался Джоном А. Роблингом , начиная с 1841 года [8] и став основой его успеха в строительстве подвесных мостов . Роблинг ввел ряд инноваций в конструкцию, материалы и производство стального каната. Всегда следившие за технологическими разработками в горнодобывающей промышленности и железнодорожном транспорте, Джозайя Уайт и Эрскин Хазард , основные владельцы [9] компании Lehigh Coal & Navigation Company (LC&N Co.) — как и при строительстве первых доменных печей в долине Лихай — построили завод по производству канатов в Джим-Торпе, штат Пенсильвания , [8] [10] в 1848 году, который поставлял подъемные кабели для проекта Ashley Planes , а затем вспомогательные струговые установки для железной дороги Summit Hill & Mauch Chunk , что повысило его привлекательность как первоклассного туристического направления и значительно увеличило пропускную способность угольного терминала, поскольку время возврата вагонов сократилось с почти четырех часов до менее чем 20 минут.
Последующие десятилетия характеризовались бурным ростом глубинной добычи полезных ископаемых как в Европе , так и в Северной Америке, поскольку поверхностные месторождения полезных ископаемых были истощены, и шахтерам приходилось преследовать слои вдоль наклонных слоев. Это была ранняя эпоха развития железных дорог, и паровые двигатели не обладали достаточным тяговым усилием для подъема по крутым склонам, поэтому наклонные плоские железные дороги были распространены. Это подтолкнуло быстрое развитие канатных подъемников в Соединенных Штатах, поскольку поверхностные месторождения в районе антрацитового угля на севере и юге погружались глубже с каждым годом, и даже богатые месторождения в долине Пантер-Крик потребовали от LC&N Co. проложить свои первые шахты на более низких склонах, начиная с Лансфорда и его города-побратима округа Скулкилл в Коулдейле .
Немецкая инжиниринговая фирма Adolf Bleichert & Co. была основана в 1874 году и начала строить двухканатные канатные дороги для горнодобывающей промышленности в долине Рура . Имея важные патенты и десятки работающих систем в Европе, Bleichert доминировала в мировой промышленности, позже лицензируя свои конструкции и производственные технологии для Trenton Iron Works, Нью-Джерси, США, которая строила системы по всей Америке. Adolf Bleichert & Co. продолжила строить сотни канатных дорог по всему миру: от Аляски до Аргентины, Австралии и Шпицбергена. Компания Bleichert также построила сотни канатных дорог как для Императорской немецкой армии, так и для Вермахта.
Во второй половине 19-го века системы из проволочных канатов использовались в качестве средства передачи механической энергии [11], в том числе для новых канатных дорог . Системы из проволочных канатов стоили в десять раз меньше и имели меньшие потери на трение, чем линейные валы . Благодаря этим преимуществам системы из проволочных канатов использовались для передачи энергии на расстояние в несколько миль или километров. [12]
Стальные проволоки для канатов обычно изготавливаются из нелегированной углеродистой стали с содержанием углерода от 0,4 до 0,95%. Очень высокая прочность канатных проволок позволяет канатам выдерживать большие растягивающие усилия и проходить по шкивам сравнительно небольшого диаметра.
В так называемых прядях крестовой свивки проволоки разных слоев перекрещиваются. В наиболее используемых прядях параллельной свивки длина свивки всех слоев проволоки одинакова, а проволоки любых двух наложенных друг на друга слоев параллельны, что приводит к линейному контакту. Проволока внешнего слоя поддерживается двумя проволоками внутреннего слоя. Эти проволоки являются соседями по всей длине пряди. Пряди параллельной свивки изготавливаются за одну операцию. Выносливость канатов с таким видом пряди всегда намного больше, чем у (редко используемых) с прядями крестовой свивки. Пряди параллельной свивки с двумя слоями проволоки имеют конструкцию Filler, Seale или Warrington.
В принципе, спиральные канаты представляют собой круглые пряди, поскольку они имеют сборку слоев проволок, уложенных спирально над центром, причем по крайней мере один слой проволок укладывается в противоположном направлении по отношению к внешнему слою. Спиральные канаты могут быть рассчитаны таким образом, чтобы они не вращались, что означает, что при натяжении крутящий момент каната близок к нулю. Открытый спиральный канат состоит только из круглых проволок. Канат полузакрытой катушки и канат полностью закрытой катушки всегда имеют центр из круглых проволок. Канаты закрытой катушки имеют один или несколько внешних слоев профильных проволок. Их преимущество в том, что их конструкция в большей степени предотвращает проникновение грязи и воды, а также защищает их от потери смазки. Кроме того, у них есть еще одно очень важное преимущество, поскольку концы оборванной внешней проволоки не могут покинуть канат, если он имеет надлежащие размеры.
Многопрядные канаты представляют собой сборку из нескольких прядей, уложенных спирально в один или несколько слоев вокруг сердечника. Этот сердечник может быть одного из трех типов. Первый — это волоконный сердечник, состоящий из синтетического материала или натуральных волокон, таких как сизаль. Синтетические волокна прочнее и однороднее, но не могут впитывать много смазки. Натуральные волокна могут впитывать до 15% своего веса в смазке и поэтому защищают внутренние проволоки от коррозии гораздо лучше, чем синтетические волокна. Волоконные сердечники являются наиболее гибкими и эластичными, но имеют недостаток в том, что легко раздавливаются. Второй тип, сердечник из проволочных прядей, состоит из одной дополнительной пряди проволоки и обычно используется для подвешивания. Третий тип — независимый сердечник проволочного каната (IWRC), который является самым прочным во всех типах сред. [13] Большинство типов многопрядных канатов имеют только один слой прядей над сердечником (волоконный сердечник или стальной сердечник). Направление свивки прядей в канате может быть правым (символ Z) или левым (символ S), а направление свивки проволок может быть правым (символ z) или левым (символ s). Такой канат называется канатом обычной свивки , если направление свивки проволок во внешних прядях противоположно направлению свивки самих внешних прядей. Если и проволоки во внешних прядях, и сами внешние пряди имеют одинаковое направление свивки, канат называется канатом продольной свивки (от голландского langslag в отличие от kruisslag , [14] ранее Albert's lay или langs lay). Обычная свивка означает, что отдельные проволоки были обмотаны вокруг центров в одном направлении, а пряди были обмотаны вокруг сердечника в противоположном направлении. [2]
Многопрядные канаты все более или менее устойчивы к вращению и имеют по крайней мере два слоя прядей, уложенных спирально вокруг центра. Направление внешних прядей противоположно направлению нижних слоев прядей. Канаты с тремя слоями прядей могут быть почти невращающимися. Канаты с двумя слоями прядей в основном только слабовращающиеся. [15]
В зависимости от того, где они используются, стальные канаты должны соответствовать различным требованиям. Основные области применения:
Технические регламенты применяются к проектированию канатных приводов для кранов, лифтов, канатных дорог и горнодобывающих установок. Факторы, которые учитываются при проектировании, включают: [17]
Расчет пределов канатного привода зависит от:
Канаты подвергаются воздействию переменных сил, износа, коррозии и в редких случаях экстремальных сил. Срок службы каната конечен, и безопасность обеспечивается только осмотром для обнаружения обрывов проволоки на контрольной длине каната, потери поперечного сечения, а также других неисправностей, чтобы канат можно было заменить до возникновения опасной ситуации. Установки должны быть спроектированы так, чтобы облегчить осмотр канатов.
Подъемные установки для перевозки пассажиров требуют, чтобы комбинация нескольких методов была использована для предотвращения падения автомобиля вниз. Лифты должны иметь резервные несущие канаты и предохранительное устройство. Канатные дороги и шахтные подъемники должны постоянно контролироваться ответственным менеджером, а канат должен быть проверен магнитным методом, способным обнаружить внутренние разрывы проволоки.
Конец троса имеет тенденцию легко изнашиваться и не может быть легко присоединен к установке и оборудованию. Существуют различные способы закрепления концов тросов для предотвращения изнашивания. Распространенный и полезный тип концевой заделки троса — это поворот конца назад для образования петли. Затем свободный конец закрепляется обратно на тросе. Эффективность заделки варьируется от примерно 70% для одного фламандского ушка; до почти 90% для фламандского ушка и сращивания; до 100% для залитых концов и обжимок. [ необходима цитата ]
Когда трос заканчивается петлей, существует риск, что он будет слишком сильно изгибаться, особенно когда петля присоединена к устройству, которое концентрирует нагрузку на относительно небольшой площади. Внутри петли можно установить коуш, чтобы сохранить естественную форму петли и защитить кабель от защемления и истирания на внутренней стороне петли. Использование коушей в петлях является лучшей практикой в отрасли . Коуш предотвращает прямой контакт нагрузки с проводами.
Зажим для троса, иногда называемый зажимом, используется для фиксации свободного конца петли обратно к тросу. Обычно он состоит из U-образного болта , кованого седла и двух гаек. Два слоя троса помещаются в U-образный болт. Затем седло крепится к болту поверх тросов (седло имеет два отверстия для установки на U-образный болт). Гайки фиксируют конструкцию на месте. Для окончания троса обычно используется два или более зажима в зависимости от диаметра. Для троса диаметром 2 дюйма (50,8 мм) может потребоваться до восьми зажимов.
Мнемоническое выражение «никогда не седлайте мертвую лошадь» означает, что при установке зажимов седловая часть узла размещается на несущей или «живой» стороне, а не на ненесущей или «мертвой» стороне троса. Это необходимо для защиты живого или несущего нагрузку конца троса от раздавливания и неправильного обращения. Плоское гнездо подшипника и удлиненные зубцы корпуса предназначены для защиты троса и всегда размещаются напротив живого конца. [18]
Военно-морской флот США и большинство регулирующих органов не рекомендуют использовать такие зажимы в качестве постоянных соединителей без периодической проверки и повторной затяжки.
Глазковое соединение может использоваться для завершения свободного конца троса при формировании петли. Пряди конца троса разматываются на определенное расстояние, затем сгибаются так, чтобы конец нераскрученной длины образовывал глаз. Затем раскрученные пряди сплетаются обратно в трос, образуя петлю или глаз, называемый глазковым соединением.
Фламандский глаз, или голландский сплайс, включает в себя разматывание трех прядей (пряди должны быть рядом друг с другом, а не чередоваться) проволоки и откладывание их в одну сторону. Оставшиеся пряди сгибаются вокруг, пока конец проволоки не встретится с «V», где разматывание закончилось, чтобы сформировать глаз. Пряди, удерживаемые с одной стороны, теперь повторно оборачиваются путем обмотки от конца проволоки обратно к «V» глаза. Эти пряди эффективно перематываются вдоль проволоки в направлении, противоположном их первоначальной скрутке. Когда этот тип сращивания каната используется специально на стальном канате, он называется «Молли Хоган», а некоторые называют «голландским» глазом вместо «фламандского» глаза. [19]
Обжимка — это метод концевой заделки троса, который относится к технике установки. Целью обжимки арматуры троса является соединение двух концов троса вместе или иное завершение одного конца троса к чему-либо еще. Механический или гидравлический обжимной пресс используется для сжатия и деформации арматуры, создавая постоянное соединение. Резьбовые шпильки, наконечники, гнезда и втулки являются примерами различных обжимных концевых заделок. [20] [21] Обжимка тросов с сердечниками из волокон не рекомендуется.
Клиновое гнездо окончания полезно, когда фитинг необходимо часто заменять. Например, если конец троса находится в области высокого износа, трос может периодически обрезаться, требуя снятия и повторной установки крепежных деталей. Примером этого являются концы тяговых тросов на драглайне . Концевая петля троса входит в коническое отверстие в гнезде, оборачивается вокруг отдельного компонента, называемого клином. Конструкция забивается на место, и нагрузка на трос постепенно ослабевает. По мере увеличения нагрузки на трос клин становится более надежным, сильнее сжимая трос.
Литые гнезда используются для создания высокопрочного, постоянного окончания; они создаются путем вставки троса в узкий конец конической полости, которая ориентирована в соответствии с предполагаемым направлением деформации. Отдельные провода распускаются внутри конуса или «капеля», а затем конус заполняется расплавленным припоем свинец-сурьма-олово (Pb 80 Sb 15 Sn 5 ) или «белым металлическим колпачком», [22] цинком [ требуется ссылка ] или, в настоящее время, более распространенным, ненасыщенным полиэфирным смоляным соединением. [23] [24]