Стальные подъёмные канаты

Раздел: Строительство

Простейшие образцы металлических канатов известны с давних времен. Так, при раскопках Помпеи были найдены образцы бронзовых канатов, которым насчитывается по меньшей мере 2400 лет [113]. Начало применения канатов из стальной проволоки относится к первой половине XIX столетия. Пеньковые канаты по своей разрывной прочности в то время уже не могли удовлетворить растущие потребности горной техники, что побудило к поискам более прочных материалов для их свивки. Так, в 1834 г. после семилетних испытаний на одном из рудников в Германии в г. Гартце был введен в эксплуатацию первый стальной проволочный канат [101].

Первые образцы стальных канатов были очень примитивны и изготовлялись по образцу пеньковых: из трех прядей, по четыре проволоки в каждой пряди. Предел прочности стальных проволок в то время составлял 40— 50 кГ/мм2 . Поэтому увеличение грузоподъемности каната в пределах такой примитивной конструкции приводило к большим диаметрам проволок (до 3,5 мм). Такой канат обладал низкими эксплуатационными качествами, но все же и в таком виде он имел известные преимущества перед цепями и пеньковыми канатами.

Механизм износа каната состоит из многих факторов. К ним прежде всего относятся растягивающие, изгибные и контактные напряжения, возникающие в канате при огибании блоков и барабанов, его поверхностное абразивное истирание. Поэтому по мере накопленного опыта дальнейшее совершенствование конструкции стальных канатов шло по пути увеличения заполнения кругового контура его поперечного сечения металлом, выбора оптимального диаметра и количества проволок. Совершенствовалось его геометрическое построение с целью уменьшения внутренних и внешних контактных напряжений и максимального увеличения его внешней опорной поверхности.

В различных условиях эксплуатации различные факторы износа проявляются по-разному, и поэтому расширение области применения стальных канатов различные за собой появление большого разнообразия их конструктивных форм, максимально удовлетворяющих различным специфическим требованиям их эксплуатации.

Конструкции стальных канатов и технология их производства продолжают непрерывно совершенствоваться, однако основные структурные признаки канатов, заключающиеся в их винтовой свивке, остаются неизменными. Другие возможные способы свивки или плетения в стальных канатах не применяются прежде всего потому, что только посредством винтовой свивки обеспечивается наибольшее заполнение контура поперечного сечения каната металлом и достигается линейный контакт между проволоками.

Важным фактором, определяющим конструктивное оформление каната и во многом его эксплуатационные свойства, является его геометрическое построение. Свивка только трех или четырех одинаковых круглых проволок не вызывает особых сомнений в успехе этой операции. Однако построение многослойных прядей с линейным касанием проволок приводит уже к довольно сложной геометрической задаче.

Поэтому на первых же этапах развития канатного производства возникли задачи их правильного геометрического построения. Конечно, связанные с этим производственные вопросы решались в основном опытом: путем грубого расчета и дальнейшего подбора параметров свивки. Отсутствие достаточно точных предварительных геометрических расчетов сдерживало дальнейшее развитие канатного производства.

История развития геометрической задачи начинается с весьма грубых приближений К. Ю. Милковского [64], И. Грабака [109], И. И. Амитина [1], не учитывающих действительной формы проволок в поперечном сечении каната. Первое решение этой задачи, построенное на соприкосновении эллиптических сечений проволок, принадлежит П. П. Нестерову [69]. В более поздней работе Д. Г. Житкова [47] по существу повторяются формулы П. П. Нестерова. Точная форма сечения проволоки в канате, отличающаяся от эллипса, была найдена в последующей совместной работе П. П. Нестерова и Г. И. Иозе- фа [51]. Дальнейшее развитие этих исследований [49, 50, 51] приводит к созданию более надежных методов геометрического , построения канатов. С. Д. Пономарев [78] при рассмотрении аналогичной задачи для витых пружин исходит из постоянства расстояния между винтовыми осями соприкасающихся проволок, не касаясь формы их наклонного сечения. Этот принцип позволяет найти более общее решение задачи о геометрии свивки канатов. В результате этих исследований геометрическая теория круглых канатов и прядей находит свое общее логическое завершение, не исключая, конечно, необходимости в дальнейшей систематизации, обобщении и развитии отдельных вопросов. Геометрическая теория фасонных прядей и закрытых канатов, рассматриваемая в отдельных работах [52, 53], находится пока в стадии разработки.

Развитие теории силового расчета стальных канатов также имеет свою давнюю историю.

Общепринятым в настоящее время является статический расчет канатов по максимальному растягивающему усилию Т с учетом суммарного разрывного сопротивления всех проволок в канате Рс.

Величина запаса прочности в зависимости от типа и назначения подъемного механизма колеблется в весьма широких пределах — от четырех или даже от полутора до девяти и более% Разумеется, что этот расчет совершенно не учитывает всей сложности конструкции каната и действительной картины возникающих в нем напряжений и поэтому носит условный характер.

При одном и том же значении запаса прочности различные конструкции канатов в одинаковых условиях, вообще говоря, имеют различный срок службы. Это значит, что действительные напряжения в канате тесно связаны с его конструкцией и для их определения одной величины т недостаточно.

Неполноценность расчета канатов по условному статическому запасу прочности давно побудила инженерную мысль к разработке более совершенной теории. Такая теория необходима как для правильного выбора типа канатов в зависимости от условий эксплуатации, так и для дальнейшего совершенствования их конструкций.

В процессе эксплуатации канат испытывает растяжение статического или динамического характера, изгиб на шкивах и барабанах с одновременной контактной нагрузкой, а в ряде случаев скручивание, вызванное внешним или внутренним крутящим моментом.

Исследование задачи простого растяжения каната впервые встречается у Бендорфа [102] и Г. А. Чоповского [100], которое в этом же аспекте завершается акад. А. Н. Дин- ником [42]. Эту теорию часто называют теорией Бендорфа— Динника. В своей постановке теория сводится к изучению растяжения симметричного пучка прямых проволок, наклоненных под углом а к оси каната. В качестве условия совместности деформаций проволок принята гипотеза плоских сечений.

Одним из недостатков рассмотренной теории является то, что она не учитывает поперечного сужения каната. Бендорфом и Чоповским показано, что в спиральных канатах сужением при растяжении вследствие эффекта Пуассона и контактного обмятая проволок можно пренебречь, так как ошибка в значении напряжений при этом не превышает 5%. Аналогичные формулы для растяжения каната встречаются также и в ряде других работ [108].

Однако эта теория остается приближенной по тем соображениям, что здесь остаются неучтенными напряжения вследствие изгиба и кручения проволок. Предпосылки для учета этих факторов в канате с линейным контактом проволок дает работа Берга [103]. Однако уравнения Берга содержат неизвестную контактную силу, которая не определяется из уравнений статики. Берг не раскрывает статической неопределимости задачи, которая остается до конца не решенной.

В практике канат часто работает на совместное растяжение и кручение. В этой связи заслуживает внимания статья Дреера [105], который так же, как и Бендорф, исходит из простых геометрических соображений и дополняет расчет введением угла скручивания каната. Однако выводы Дреера не отличаются необходимой общностью и строгостью. Поскольку здесь рассмотрен более общий случай, то решение Бендорфа — Динника, полученное аналогичным путем для простого растяжения, должно вытекать из него как частное, чего, к сожалению, из формул Дреера получить нельзя.

Наибольший интерес представляет теория кручения тросов многожильных пружин сжатия С. Д. Пономарева [78]. Однако эта теория не может быть безоговорочно перенесена на проволо.чные канаты в силу некоторых их конструктивных особенностей.

Стальной канат представляет собой сложную, статически неопределимую стержневую систему, в общем поддающуюся расчету методами строительной механики. Расчет прямого каната как стержневой конструкции при совместном растяжении и кручении с применением методов строительной механики впервые рассмотрен в работах автора [7, 8,

В работе шахтного подъемного каната значительную роль играют динамические напряжения. История развития и современное состояние динамики шахтных подъемных канатов изложены в работах Г. Н. Савина и Ф. В. Фло- ринского [82, 95], а с учетом переменной длины каната — в монографии Г. Н. Савина и О. А. Горошко [83].

Динамическая теория каната до сих пор строилась на представлении его как упругой или упруговязкой нити с учетом только продольных колебаний.

Кроме механических воздействий на прямую ветвь, канат испытывает изгиб на блоках и барабанах. Возникающие при этом напряжения в некоторых случаях играют решающую роль в разрушении каната.

Теория изгибных напряжений в канатах имеет более раннюю историю и исходит из формулы Рело (1861 г.)

которая определяет изгибные напряжения в несвитой проволоке диаметром 8, изгибаемой на блоке диаметром D. В сущности эта формула не представляет ничего нового по сравнению с теорией изгиба круглого бруса, известной из сопротивления материалов.

В наиболее общей постановке вопрос изгибных напряжений рассмотрен Г. П. Ждановым [44, 45, 46]. С помощью ряда предположений, основным из которых является гипотеза плоских сечений, Г. П. Жданов находит уравнение оси проволоки и ег кривизну в изогнутом канате. Для прямого каната такие зависимости были получены Б. Д. Ти- ховидовым [91].

Деформации изгиба проволоки получаются как разность векторов кривизны проволоки в изогнутом и прямом канате. Выражения для деформаций и напряжений получены Г. П. Ждановым только для двух точек упругой линии проволоки. Полученные результаты, по признанию их автора, дают удовлетворительное совпадение с опытом только в ограниченной области.

Более общую и математически компактную теорию изгибных напряжений позволяет построить метод кинематической аналогии [15, 16, 17], однако при этом еще не учитывается силовое взаимодействие элементов каната»

Основы силовой теории изгиба канатов изложены в работе автора [14]. Кроме основных напряжений в канате, существенную роль на его работоспособность оказывают краевые эффекты, связанные с несовершенством закрепления его концов, сопровождающиеся неравномерным натяжением его элементов и концентрацией местных напряжений. Такой эффект неизбежно возникает в области набегания каната на блок, где вследствие резкого изменения его кривизны возникают большие смещения его элементов. Возникающие при этом местные напряжения в канате рассматриваются в работах С. Т. Сергеева [87, 88, 89].

В некоторых инженерных задачах достаточно ограничиться рассмотрением каната как статической стержневой системы, в общем поддающейся расчету методами строительной механики. Однако в отличие от обычных стержневых систем, рассматриваемых в строительной механике, канат обладает той существенной особенностью, что все его элементы взаимно контактируют по длине и только благодаря этому они работают совместно, сохраняя структурную целостность. Это накладывает свои особенности на его расчет, вследствие чего данную часть общей теории работы каната мы вправе обособить как строительную механику каната.

Как результат обобщения и развития работ [7, 8, 9, 15, 16], в статье Г. Н. Савина и М. Ф. Глушко [33] на основании уравнений Кирхгофа для тонких стержней впервые сформулированы общие уравнения строительной механики стального каната при произвольной действующей на него нагрузке.

Однако было бы недостаточно рассматривать канат только как некоторую статическую стержневую систему. Работа каната на блоках отличается большими относительными смещениями его элементов, что заставляет рассматривать его в движении уже как некоторый механизм, состоящий из упруго податливых элементов с контактными кинематическими связями и силами трения. Таким образом, в канате мы встречаем сочетание свойств деформируемой стержневой системы и механизма с контактными кинематическими связями, а отсюда вытекают все особенности в теоретическом описании его работы. В связи с этим возникает проблема построения общей теории работы каната, задача которой состоит в том, чтобы определить усилия и деформации в канате в целом и в отдельных его элементах не только в некотором его статическом состоянии, но и в процессе их изменения во времени и по длине каната при работе его на блоках и барабанах.

Большую роль в работе каната играют внутренние силы трения. Их влияние как диссипативных сил приводит к тому, что в отличие от идеально упругой системы многие процессы в канате, связанные с относительным смещением его элементов, носят необратимый характер. Накопление необратимых процессов в канате приводит к остаточным нарушениям его структуры в виде расслоения, волнистости и т. д.

Изучение этих явлений требует уже рассмотрения работы каната с учетом накопления всех изменений в нем в процессе эксплуатации. В этом направлении в литературе пока не имеется сколько-нибудь серьезных трудов, вскрывающих природу этих явлений, кроме работ описательного характера.

Большую роль в инженерной практике играет расчет каната на долговечность, который строится пока на чисто эмпирических данных. К наиболее важным работам, касающимся крановых канатов, следует отнести исследования Д. Г. Житкова [47], К. М. Масленникова [63], Б. С. Ковальского [56, 57, 58], результаты которых во многом подтверждаются опытом. То, что эти методы еще не нашли широкого применения'в инженерной практике, можно объяснить недостаточностью экспериментальных и статистических данных.