Проволочный канат состоит всего из двух цельных металлических проволок , скрученных в спираль , которая образует составной канат по схеме, известной как свитый канат . Трос большего диаметра состоит из нескольких прядей такого каната, свитых по схеме, известной как кабельная скрутка . Проволока, изготовленная с использованием промышленной машины, известной как крутильная машина, проходит через ряд барабанов и скручивается до окончательной композитной ориентации.
В более строгом смысле термин «трос» относится к диаметру более 9,5 мм ( 3 ⁄ 8 дюйма), а меньшие диаметры обозначаются кабелем или шнурами. [1] Первоначально использовались проволоки из кованого железа , но сегодня сталь является основным материалом, используемым для изготовления тросов.
Исторически проволочные канаты произошли от цепей из кованого железа, которые неоднократно подвергались механическим повреждениям. В то время как дефекты в звеньях цепи или цельных стальных стержнях могут привести к катастрофическому выходу из строя , 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 каната, оно также помогает компенсировать незначительные неисправности в краткосрочной перспективе.
Проволочные канаты были разработаны для применения в горных подъемниках в 1830-х годах. Тросы динамически используются для подъема и подъема кранов и лифтов , а также для передачи механической энергии . Трос также используется для передачи силы в механизмах, таких как трос Боудена или поверхности управления самолета, соединенные с рычагами и педалями в кабине. Только авиационные кабели имеют WSC (жильную жилу). Кроме того, авиационные кабели доступны меньшего диаметра, чем стальные тросы. Например, авиационные тросы доступны диаметром 1,2 мм ( 3/64 дюйма ) , тогда как большинство стальных тросов начинаются с диаметра 6,4 мм ( 1/4 дюйма ). [2] Статические тросы используются для поддержки таких конструкций, как подвесные мосты , или в качестве растяжек для поддержки башен. Канатная дорога опирается на трос для поддержки и перемещения груза над головой.
Современный стальной канат был изобретен немецким горным инженером Вильгельмом Альбертом 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, потому что доказал превосходную прочность веревок из пеньки или металлических цепей , которые использовались раньше. [6]
Первые веревки Вильгельма Альберта состояли из трех прядей по четыре проволоки в каждой. В 1840 году шотландец Роберт Стирлинг Ньюолл еще больше усовершенствовал этот процесс. [7] В Америке стальной трос производился Джоном А. Роблингом , начиная с 1841 года [8] и что послужило основой его успеха в строительстве подвесных мостов . Роблинг представил ряд инноваций в конструкции, материалах и производстве стальных канатов. Всегда внимательно следя за технологическими разработками в горнодобывающей промышленности и железнодорожном строительстве, Джозайя Уайт и Эрскин Хазард , основные владельцы [9] компании Lehigh Coal & Navigation Company (LC&N Co.) – как они это сделали с первыми доменными печами в долине Лихай – построили фабрика по производству проволочных канатов в Джим-Торпе, штат Пенсильвания , [8] [10] в 1848 году, которая поставляла подъемные тросы для проекта Ashley Planes , а затем самолетов обратного пути для железной дороги Summit Hill & Mauch Chunk Railroad , что повысило ее привлекательность как ведущего туристического направления. пункт назначения и значительно улучшилась пропускная способность угольных мощностей, поскольку время возврата автомобилей сократилось с почти четырех часов до менее 20 минут.
В последующие десятилетия наблюдался бурный рост добычи глубоких шахт как в Европе , так и в Северной Америке , поскольку поверхностные месторождения полезных ископаемых были истощены, и горнякам приходилось преследовать пласты по наклонным слоям. Это была ранняя эпоха развития железных дорог, и паровым двигателям не хватало достаточного тягового усилия для подъема по крутым склонам, поэтому железные дороги с наклонной плоскостью были обычным явлением. Это способствовало быстрому развитию кабельных подъемников в Соединенных Штатах, поскольку поверхностные залежи Антрацитового угольного региона на севере и юге с каждым годом углублялись, и даже богатые месторождения в долине Пантер-Крик потребовали от LC&N Co. пробить свои первые шахты на более низких склонах, начиная с Лансфорд и его город-побратим в округе Шуйлкилл Коулдейл .
Немецкая инжиниринговая фирма Adolf Bleichert & Co. была основана в 1874 году и начала строить двусторонние канатные дороги для горнодобывающей промышленности в Рурской долине . Обладая важными патентами и десятками работающих систем в Европе, компания Bleichert доминировала в мировой промышленности, позже лицензируя свои разработки и технологии производства компании Trenton Iron Works, Нью-Джерси, США, которая строила системы по всей Америке. Адольф Блейхерт и компания построили 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 XIX века канатные системы использовались как средство передачи механической энергии [11] , в том числе для новых канатных дорог . Тросовые системы стоят в десять раз дешевле и имеют меньшие потери на трение, чем линейные валы . Из-за этих преимуществ системы тросов 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 передвигаться по шкивам относительно небольшого диаметра.
При так называемой перекрестной скрутке проволоки разных слоев пересекают друг друга. В наиболее часто 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 провода являются соседями по всей длине жилы. Параллельная укладка прядей производится за одну операцию. Выносливость канатов с такой прядью всегда значительно выше, чем у канатов (редко используемых) с прядями поперечной 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 набор слоев проволок, уложенных по спирали над центром, причем по крайней мере один слой проволок уложен в направлении, противоположном направлению внешнего слоя. Спиральные канаты могут иметь такие размеры, что они не вращаются, а это означает, что при натяжении крутящий момент каната практически равен нулю. Открытый спиральный канат состоит только из круглых проволок. Полузамкнутый витой канат и полностью замкнутый витой канат всегда имеют центр из круглых проволок. Канаты с запертыми витками имеют один или несколько наружных слоев профильных проволок. Их преимущество заключается 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: концы оборванной внешней проволоки не могут покинуть веревку, если она имеет правильные размеры.
Многожильные канаты представляют собой совокупность нескольких прядей, уложенных по спирали в один или несколько слоев вокруг сердечника. Это ядро может быть одного из трех типов. Первый представляет собой волокнистую сердцевину, состоящую из синтетического материала или натуральных волокон, таких как сизаль. Синтетические волокна прочнее и однороднее, но не могут впитывать много смазки. Натуральные волокна могут поглощать до 15% своего веса смазки и поэтому гораздо лучше защищают внутренние провода от коррозии, чем синтетические волокна. Волоконные сердцевины являются наиболее гибкими и эластичными, но имеют недостаток: их легко сдавливать. Второй тип, сердечник из проволочной жилы, состоит из одной дополнительной жилы и обычно используется для подвешивания. Третий тип — независимый канатный сердечник (IWRC), наиболее прочный во всех типах сред. [13] Большинство типов многожильных канатов имеют только один слой прядей поверх сердечника (волоконного или стального сердечника). Направление свивки прядей каната может быть правым (символ Z) или левым (символ S), а направление свивки проволок может быть правым (символ z) или левым (символ s). Канат такого типа называется канатом обычной свивки, если направление свивки проволок наружных прядей противоположно направлению свивки самих наружных прядей. Если и проволока во внешних прядях, и сами внешние пряди имеют одинаковое направление свивки, веревку называют веревкой с длинной свивкой (от голландского langslag , противоположного kruisslag , [14] ранее свивки Альберта или langs Lay). Регулярная скрутка означает, что отдельные провода намотаны вокруг центров в одном направлении, а жилы - вокруг сердечника в противоположном направлении. [2]
Все многопрядные канаты более или менее устойчивы к вращению и имеют как минимум два слоя прядей, уложенных спирально вокруг центра. Направление внешних прядей противоположно направлению нижележащих слоев прядей. Канаты с тремя слоями прядей могут практически не вращаться. Канаты с двумя слоями прядей чаще всего являются маловращающимися. [15]
В зависимости от того, где они используются, стальные канаты должны отвечать различным требованиям. Основные виды использования:
Технические регламенты распространяются на проектирование канатных приводов кранов, лифтов, канатных дорог и горных установок. Факторы, которые учитываются при проектировании, включают: [17]
Расчет пределов канатного привода зависит от:
Тросы подвергаются нагрузкам из-за колебаний, износа, коррозии и, в редких случаях, экстремальных сил. Срок службы каната ограничен, и безопасность обеспечивается только путем проверки на предмет обнаружения разрывов проволоки на эталонной длине каната, потери поперечного сечения, а также других неисправностей, чтобы трос можно было заменить до возникновения опасной ситуации. Установки должны быть спроектированы таким образом, чтобы облегчить осмотр стальных тросов.
Подъемные установки для перевозки пассажиров требуют применения комбинации нескольких способов для предотвращения падения автомобиля вниз. Лифты должны иметь резервные несущие тросы и предохранительное снаряжение. Канатные пути и шахтные подъемники должны находиться под постоянным наблюдением ответственного руководителя, а канат должен проверяться магнитным методом, позволяющим обнаруживать внутренние обрывы проводов.
Конец троса имеет тенденцию легко изнашиваться, и его нелегко подсоединить к установкам и оборудованию. Существуют различные способы закрепления концов тросов во избежание изнашивания. Распространенный и полезный тип концевого крепления троса — это поворот конца назад, чтобы образовалась петля. Затем свободный конец фиксируется обратно на тросе. Эффективность терминации варьируется от примерно 70% только для фламандского глаза; почти до 90% для фламандского глаза и сращивания; до 100% для герметизированных концов и обжимок. [ нужна цитата ]
Когда трос заканчивается петлей, существует риск его слишком сильного изгиба, особенно когда петля соединена с устройством, концентрирующим нагрузку на относительно небольшой площади. Внутри петли можно установить наперсток, чтобы сохранить естественную форму петли и защитить кабель от защемления и истирания внутри петли. Использование наперстков в петлях является передовой практикой в отрасли . Наперсток предотвращает непосредственный контакт нагрузки с проводами.
Зажим для троса, иногда называемый зажимом, используется для фиксации свободного конца петли обратно на тросе. 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 (в седле есть два отверстия для крепления U-образного болта). Гайки фиксируют конструкцию на месте. Для заделки троса обычно используются два или более зажима в зависимости от диаметра. Для веревки диаметром 2 дюйма (50,8 мм) может потребоваться до восьми.
Мнемоника «никогда не седлайте мертвую лошадь» означает, что при установке зажимов седловидная часть узла размещается на несущей или «живой» стороне, а не на ненесущей или «мертвой» стороне троса. . Это необходимо для защиты находящегося под напряжением или несущего нагрузку конца веревки от сдавливания и неправильного обращения. Плоское гнездо подшипника и удлиненные зубцы корпуса предназначены для защиты каната и всегда располагаются напротив живого конца. [18]
ВМС США и большинство регулирующих органов не рекомендуют использовать такие зажимы в качестве постоянных соединений, если они не проверяются периодически и не затягиваются повторно.
Сращивание с проушиной можно использовать для заделки свободного конца троса при формировании петли. Пряди конца стального каната разматывают на определенное расстояние, затем загибают так, чтобы конец развернутого отрезка образовал проушину. Развернутые пряди затем вплетаются обратно в проволочный канат, образуя петлю или ушко, называемое соединением проушины.
Фламандский глаз, или голландское сращивание, предполагает разматывание трех прядей (пряди должны быть рядом друг с другом, а не чередующиеся) проволоки и отведение их в сторону. Остальные пряди сгибаются до тех пор, пока конец проволоки не встретится с буквой «V» в месте окончания разворачивания, чтобы сформировать глаз. Пряди, отложенные в сторону, теперь снова наматываются, наматываясь от конца проволоки обратно к букве «V» ушка. Эти пряди эффективно наматываются вдоль проволоки в направлении, противоположном их первоначальной скрутке. Когда этот тип соединения канатов используется специально для стальных канатов, его называют «Молли Хоган», а некоторые - «голландским» ушком вместо «фламандского». [19]
Обжимка — это метод заделки троса, относящийся к технике монтажа. Целью обжатия фитингов для троса является соединение двух концов троса вместе или иным образом закрепить один конец троса на чем-то другом. Механическая или гидравлическая обжимка используется для сжатия и деформации фитинга, создавая постоянное соединение. Резьбовые шпильки, наконечники, гнезда и втулки являются примерами различных обжимных соединений. [20] [21] Не рекомендуется обжимать канаты с волокнистым сердечником.
Заделка с клиновой муфтой полезна, когда фитинг необходимо часто заменять. Например, если конец троса находится в зоне повышенного износа, веревку можно периодически подрезать, что потребует снятия и повторной установки концевого оборудования. Примером этого являются концы тросов на драглайне . Концевая петля троса входит в коническое отверстие в гнезде, обернутое вокруг отдельного компонента, называемого клином. Устройство устанавливается на место, и нагрузка постепенно спускается на веревку. По мере увеличения нагрузки на трос клин становится более надежным и крепче сжимает трос.
Литые муфты используются для создания высокопрочных и постоянных заделок; они создаются путем вставки троса в узкий конец конической полости, ориентированной в соответствии с предполагаемым направлением деформации. Отдельные провода растягиваются внутри конуса или «накидки», а затем конус заполняется расплавленным припоем свинец-сурьма-олово (Pb 80 Sb 15 Sn 5 ) или « покрытием из белого металла», [22] цинком . ] , или теперь чаще, соединение ненасыщенной полиэфирной смолы . [23] [24]