Напряжения вторичного изгиба и их влияние на долговечность стальных подъемных канатов

В директивных материалах Коммунистической партии и народно-хозяйственных планах СССР предусматривается дальнейшее развитие всех отраслей промышленности и сельского хозяйства, широкое внедрение достижений науки и техники в производство с целью повышения его эффективности. Технический прогресс во всех отраслях народного хозяйства сопровождается, в частности, резким ростом технико-экономических показателей подъемно-транспортных машин, увеличением объема их выпуска и расширением области применения.

Для большинства конструкций грузоподъемных и строительных машин неотъемлемой и важнейшей деталью является стальной канат. Все крановые сооружения — строительные, сталелитейные, грейферные, плавучиеподъемные установки — шахтные, лифтовые, скиповые металлургических заводовтраловые установки рыболовных судовбуровые — геологоразведочные и нефтегазовых скважинстроительно-дорожные машины, экскаваторы и т. д. в качестве гибкого тягового органа имеют стальной канат.

Неуклонный рост отраслей промышленности, в которых применяются стальные канаты, требует значительного увеличения их производства. Однако, потребность народного хозяйства, и прежде всего, подьмно-транспортной техники в стальных канатах возможно удовлетворить не только увеличением объема производства, но и в значительной мере улучшением их качества, повышением срока службы, который в настоящее время весьма невелик: на экскаваторах — исчисляется тремя-четырьмя месяцами, а на различных кранах металлургических комбинатов — не более одного-трех месяцев.

Даже незначительное повышение срока службы канатов дает огромный экономический эффект в масштабе всей страны. Как отмечается в директивах КПСС, большое внимание в одиннадцатой пятилетке и в дальнейшем должно уделяться вопросу совершенствования существующих и созданию новых прогрессивных конструкций подъемно-транспортных машин, их деталей и узлов / I /. Отсюда следует актуальность разработки более долговечных конструкций стальных канатов, методов их расчета и технологии изготовления, а также улучшения условий эксплуатации подъемных канатов.

Задача повышения долговечности стальных канатов является весьма сложной, зависящей от целого ряда факторов научного, технологического и эксплуатационного характера.

В литературе имеется большое количество работ, посвященных данной проблеме. Комплексному исследованию выносливости стальных канатов посвящены труды А. Н. Динника, Г. Н. Савина, Б. С. Ковальского, В. Вернле, В. Скобла, А. И. Колчина, Д. Г. Житкова, Г. Д.Ксю-нина, К. М. Масленникова, Н. М. Белой и др. / 2 + 21 /. Исследования А. Н. Динника и Г. Н. Савина явились основополагающими в области динамики подъемного каната. Значительный интерес представляют работы Б. С. Ковальского по исследованию долговечности стальных канатов и, в частности, разработанный им новый метод расчета канатов по сроку их службы./ 22 /. Опыты В. Вернле, В. Скобла, Д. Г. Житкова, К. М. Масленникова по испытанию канатов на пробеж-ных машинах позволили установить ряд закономерностей как общего, так и частного характера, которые до настоящего времени не потеряли своей значимости.

Вопросами, посвященными конструированию стальных канатов для различных отраслей промышленности с учетом специфических условий эксплуатации, технологии изготовления занимались П. П. Нестеров, М. Ф. Глушко, М. А. Букштейн, В. Д. Белый, В. Т. Козлов,.

С.Т.Сергеев, Н. К. Гончаренко, А. П. Ветров, Г. И. Иозеф и др./234−40/. М. Ф. Глушко создал основы теории расчета канатов, как сложных агрегатов, и явился, таким образом, одним из создателей новой науки — строительной механики стальных проволочных канатов. Канат он рассматривал как сложную стержневую систему и на основании общих методов строительной механики исследовал напряженное состояние каждой отдельной проволоки, подвергающейся одновременно растяжению, изгибу, кручению и контактному нагру-жению.

Напряжения, возникающие в проволоках канатов при их эксплуатации необходимо знать для оценки работы существующих и создания новых, улучшенных конструкций. Достаточно подробно исследованы технологические свивочные напряжения, контактные напряжения смятия, напряжения общего изгиба. (Указанные выше ссылки на литературу не исчерпывают не исчерпывают всех исследований по этим вопросам, но они являются наиболее фундаментальными).

При работе подъемных канатов на опорных поверхностях в их проволоках возникают и так называемые напряжения вторичного изгиба. Эти напряжения проявляются вследствие деформации оси проволоки под действием контактных или осевых сил. В литературе отмечается значительная величина этих напряжений. Например, А. П. Ветров утверждает, что напряжения вторичного изгиба являются одной из главных причин разрушения стальных подъемных канатов /41,42/.

Однако, в силу ряда причин, исследования вторичного изгиба проволок в канатах проводилось в весьма приближенной постановке. Полученные результаты, поэтому, недостаточно полно отражают реальную картину явления и нуждаются в уточнении. В настоящее время, в связи с бурным развитием средств вычислительной техники и математического обеспечения ЭВМ появилась возможность значительно более точных исследований закономерностей поведения проволок в канате при вторичном изгибе.

В данной диссертационной работе с целью определения возможных путей повышения долговечности стальных канатов выполнены исследования напряжений вторичного изгиба, возникающих при эксплуатации канатов на подъемно-транспортных установках в качестве рабочих органов.

На защиту выносятся:

— комплексная математическая модель и алгоритмы расчетов деформаций и напряжений вторичного изгиба в канатах и их элементах в процессе эксплуатации;

— исследование, разработка и внедрение средств, обеспечивающих улучшение напряженного состояния подъемных канатов путем снижения напряжений вторичного изгиба, включающих как конструкцию самих канатов, так и элементов подъемных машин, взаимодействующих с ними;

— новая технология изготовления канатов.

На основе результатов проведенных исследований сделан ряд рекомендаций по вопросам конструирования канатов с точки зрения снижения суммарных изгибных напряжений в канатных проволоках, а также предложена конструкция каната двойной свивки с переменным направлением слоев проволок в прядях. Для изготовления такого рода канатов разработана технология и технологическое оборудование, внедренные на Харцызском сталепроволочно-канатном и Орловском сталепрокатном им. 50-летия Октября заводах.

Исследован ряд аспектов взаимодействия канатов со шкивами.

Изучена возможность перераспределения контактного давления между канатом и желобом шкива с целью снижения напряжений вторичного изгиба и предложена новая конструкция такого шкива. Разработанные рекомендации позволили повысить долговечность стальных подъемных канатов в среднем на 40%>.

Работа выполнялась по координационному плану Всесоюзного производственного объединения «Союзметиз» Минчермета СССР и плану важнейших работ Минвуза УССР.

I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА В ОБЛАСТИ ИЗУЧЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ ВТОРИЧНОГО ИЗГИБА В СТАЛЬНЫХ КАНАТАХ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

В результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований получены следующие основные результаты:

I. Разработана математическая модель для расчета напряжений вторичного изгиба в проволоках стальных подъемных канатов при различных способах их нагружения. Экспериментальная проверка, проведенная автором, показала ее достоверность. Дополнительным подтверждением достоверности теоретических результатов, полученных с помощью разработанной модели является их хорошее согласование с имеющимися экспериментальными данными исследований долговечности подъемных канатов.

2. Напряжения вторичного изгиба в проволоках канатов при работе их на шкивах подъемных устройств (Б/с!" =20*40, К = 4*6) колеблются в пределах 30*90^ от предела прочности материала проволок, причем вторичный изгиб носит локальный характер и проявляется, в основном, в местах контакта каната с опорной поверхностью.

3. Величина напряжений вторичного изгиба существенно зависит от конструкции каната, кратности свивки проволок в прядь и коэффициента запаса прочности, снижаясь при уменьшении числа наружных проволок в пряди, кратности свивки и средних растягивающих напряжений.

4. Подтверждено, что существует вполне определенное соотношение диаметра наружных проволок в прядях и диаметра каната, при котором суммарные изгибные напряжения в канатных проволоках минимальны. Положение минимума изгибных напряжений не зависит от отношения и определяется лишь запасом прочности, сдвигаясь в сторону более толстых проволок при уменьшении последнего.

5. Напряжения вторичного изгиба за счет изгиба прядей в канатах двойной свивки с органическим сердечником могут достигать 20-г30 $ от предела прочности материала проволок. При работе каната на шкиве с плоским желобом напряжения вторичного изгиба уменьшаются с повышением поперечной жесткости органического сердечника.

6. При использовании шкивов с выточкой, расположенной симметрично по дну желоба, напряжения вторичного изгиба могут быть уменьшены почти в два раза, причем минимум напряжений достигается при ширине выточки Ьк, определяемой формулой:

I 8н где 8ц, о (м — диаметр и угол свивки наружных проволок в прядьр — угол свивки прядей в канатзнаки плюс или минус берутся для канатов односторонней или крестовой свивки соответственно.

7. Напряжения вторичного изгиба могут быть существенно, до 40 $, понижены за счет противоположного направления свивки слоев проволок в прядях, при этом канаты становятся более жесткими на раздавливание, не меняя практически своей изгиб-ной жесткости.

8. Выбрана и рекомендована к внедрению в подъемной технике конструкция каната 6×31(I+6+6/6+12)+1о.с. типа ТЛК-РО, в прядях которого наружный слой (12 проволок) свит в направлении, противоположном внутренним. На канаты данного типа разработаны технические условия ТУ 14−4-911−78, ТУ 14−4-100 280 и технология их изготовления, включающая подкрутку прядей во время свивки. Разработанная технология внедрена на ХСПКЗ и ОСПАЗ.

9. Лабораторная проверка разработанных канатов и их промышленные испытания показали увеличение долговечности в среднем в 1,4 раза по сравнению с канатами ГОСТ 7668–79 и ГОСТ 16 853–71, особенно в средних и тяжелых условиях работы. Дополнительным положительным качеством новых канатов является их меньшая крутимость за счет уравновешенности прядей.

Экономический эффект от внедрения канатов в народное хозяйство — не менее 5700 рублей на 100 тонн канатов.