Последовательность расчета. Расчет разрывного усилия в канате

Как рассчитываются рабочие показатели прочности

Прочность тросов, канатов по производственному назначению регламентируется соответствующими ГОСТами:

• ГОСТ 2688-80 – стальные канаты, тросы, стропы для подъемных кранов (строительных, металлургических), установок в шахтах;
• ГОСТ 3068-88 – канаты и тросы для дорожной, строительной техники, подъемно-транспортных механизмов, землеройной техники;
• ГОСТ 7668-80 – универсальные стальные тросы для металлургических, промышленных подъемных работ, строительства;
• ГОСТ 7669-80 – тросы и канаты для лебедок, ковшей экскаваторов, шахтных подъемников;

Прочность троса из стали определяется двумя критериями:

• разрывная прочность тросов – расчетная величина, определяющая, при каких минимальных нагрузках стальной трос начинает разрушаться;
• рабочая прочность или допустимое усилие – показатель эксплуатационных возможностей, оптимальных нагрузок на трос при которых он может эксплуатироваться определенный срок без обрывов и разрушений. Этот показатель определяет, какие рабочие нагрузки допустимы для стального каната.

Разрывная и рабочая прочность зависит от технологии производства, конструкции, степени жесткости. Чем выше жесткость троса, тем выше показатели прочности на разрыв.

Как выбрать стальной канат

1. Где используют. Применение.
2. Конструкция стальных канатов
3. Классификация. Типы свивки
4. Расшифровка
5. Характеристики Грузоподъемность стальных канатов
6. Размеры
7. Вес
8. Диаметр
9. Натяжение
10. Запас прочности
11. Разрывные усилия

Где используют. Применение.

Говоря о том, где используются стальные канаты, можно указать на следующие сферы:

• Для подъема и перемещения грузов и людей;
• В качестве силовых элементов конструкций (арматуры, несущих элементов, растяжек);
• В качестве малонагруженных элементов (ограждений, элементов грозозащиты и т.д.);
• Для передачи усилий между органами управления и исполнительными элементами в различных механизмах.

Применение стальных канатов не ограничивается подъемно-транспортным оборудованием, а довольно широко и разнообразно

Конструкция стальных канатов

Конструктивно стальной канат представляет собой изделие, свитое из стальных проволок небольшого диаметра. В нем можно выделить две основных части:

• Сердечник – центральная часть, выступает в качестве опоры для внешних слоев и амортизатора;
• Внешний слой (слои) – принимает на себя нагрузки и обеспечивает необходимую прочность.

Существуют следующие типы конструкций тросов:

• Общего назначения – из проволок круглого сечения;
• Закрытые – из проволок круглого сечения, но с одним или несколькими внешними слоями из фасонной проволоки (клиновидной, z-образной, x-образной). Они, прижимаясь друг к другу, образуют защитную оболочку;
• Из проволок круглого сечения с последующим пластическим обжатием – проволоки деформируются и прижимаются друг к другу, создавая подобие защитной оболочки;
• Из проволок круглого сечения и пластически обжатые с наружной полимерной оболочкой.

Стальные тросы могут свиваться из отдельных проволок или целых прядей, в последнем случае достигается увеличение диаметра изделия с повышением его усилия на разрыв. В качестве сердечника может использоваться прядь из стальной проволоки или органического материала (натурального или синтетического). С целью защиты от коррозии готовое изделие покрывается специальной консистентной смазкой.

Какие бывают стальные канаты? Типы свивки.

Классификация стальных канатов построена на конструктивных признаках, параметрах и применении:

• Конструкция – из круглых проволок и с оболочкой из фасонных проволок (закрытые);
• Назначение – грузовые и грузолюдские;
• Форма поперечного сечения – круглые и плоские;
• Форма поперечного сечения прядей – круглые и фасоннопрядные (треугольные);
• Свивка прядей – ТК (точечное касание проволок разных слоев, слои намотаны под разными углами), ЛК (линейное касание проволок разных слоев, слои намотаны под одним углом), ЛК-О (свивка ЛК из проволок одинакового диаметра), ЛК-Р (свивка ЛК, внешний слой пряди свит из проволок разного диаметра), ЛК-З (свивка ЛК с проволоками заполнения), ЛК-РО (свивка ЛК, имеются слои из проволок как одинакового, так и разного диаметра), ТЛК (комбинированное точечно-линейное касание проволок), ПК (полосовое касание проволок);
• Способ свивки – раскручивающиеся (проволоки не подвергаются предварительной деформации) и нераскручивающиеся (проволоки предварительно деформированы) пряди;
• Степень уравновешенности – рихтованные (выпрямляется при размотке) и нерихтованные (теряют прямолинейность);
• Направление свивки – правая и левая;
• Направление свивки элементов канатов двойной и тройной свивки – крестовая, односторонняя и комбинированная свивка;
• Механические свойства – ВК (высокое качество), В (повышенное качество), 1 (обыкновенное качество);
• Точность изготовления – нормальной и повышенной точности;
• Покрытие проволок – без покрытия и цинкование типов С (для средних агрессивных условий), Ж (жестких агрессивных условий), ОЖ (особо жестких агрессивных условий);
• Покрытие каната – без покрытия и с полимерным покрытием;
• Материал сердечника – с металлическим сердечником, с органическим сердечником из натуральных или синтетических волокон, с органическим сердечником из твердого полимера, с комбинированным металлорганическим сердечником.

Конструкция, виды свивки и особенности различных марок стальных тросов прописаны в соответствующих ГОСТ

Расшифровка стальных канатов

Маркировка выпускаемых в России стальных канатов установлена соответствующими ГОСТ, она состоит из ряда символов:

• Слово «Канат» — обозначение изделия;
• Диаметр каната в мм;
• Назначение (Г – грузовой, ГЛ – грузолюдской);
• Механические свойства (марка ВК, В или 1);
• Тип покрытия проволок в канате или всего каната (нет обозначения – без покрытия, С, Ж, ОЖ – с цинковым покрытием для различных условий, П – с полимерным покрытием);
• Направление свивки (Л – левой, нет обозначения – правой);
• Сочетание направлений свивки (О – односторонней, К – комбинированной, нет обозначения – крестовой);
• Способ свивки (Н – нераскручивающийся, нет обозначения – раскручивающийся);
• Степень уравновешенности (Р – рихтованный, нет обозначения – нерихтованный);
• Точность изготовления (Т – повышенной точности, нет обозначения – нормальной точности);
• Маркировочная группа (в Н/мм2);
• ГОСТ, которому соответствует изделие.

Например, обозначение Канат 6,5-Г-В-С-Н-Т-1860 ГОСТ 3070-88 имеет стальной канат диаметром 6,5 мм грузового назначения повышенного качества из проволок с цинковым покрытием по группе С, правой крестовой свивки, нераскручивающийся, нерихтованный, повышенной прочности, маркировочной группы 1860 Н/мм2 (190 кгс/мм2), изготовленный по ГОСТ 3070-88.

Характеристики

К основным характеристикам стальных канатов относятся:

• Конструкция;
• Покрытие;
• Направление и тип свивки;
• Тип сердечника;
• Диаметр;
• Диаметр проволоки в слоях;
• Диаметр проволоки в сердечнике;
• Площадь сечения всех проволок и каната в целом;
• Масса;
• Разрывное усилие (разрывная нагрузка) – обычно указывается отдельно для всех проволок и изделия в целом.

Данные параметры указываются в ГОСТ на конкретный тип изделия и сопроводительных документах. Другие характеристики, в том числе допустимая нагрузка, вычисляются при подборе троса для оборудования.

Грузоподъемность стальных канатов

Грузоподъемность стальных канатов и оборудования, в котором они применяются, прямо зависит от их расчетного усилия на разрыв и допустимой нагрузки. Согласно действующим нормативным документам, допустимая нагрузка, которой может подвергаться трос, должна быть в 2-7 и более раз ниже его усилия на разрыв (данное число является коэффициентом запаса прочности). Грузоподъемность стальных канатов в целом соответствует допустимой нагрузке, но часто занижается с целью повышения надежности и безопасности.

Производителями изделий из стальных канатов обычно предлагается таблица грузоподъемности в зависимости от диаметра, которая помогает найти необходимый для решения конкретных задач строп, трос для талей и т.д.

Размеры

Основные размеры стальных канатов зависят от типа, конструкции и назначения изделия:

• Длина;
• Для канатов круглого сечения без полимерной оболочки – диаметр;
• Для канатов плоского сечения – ширина и толщина;
• Для тросов круглого сечения с полимерной оболочкой – номинальный диаметр и диаметр по оболочке.

Круглые канаты выпускаются диаметром от 0,65 до 72 мм и более. Тросы в полимерной оболочке имеют минимальную толщину оболочки от 0,5 до 3,0 мм и более (в маркировке изделия указывается только номинальный диаметр). Плоские канаты имеют отношение ширины к высоте примерно 6:1, в соответствии с ГОСТ 3091-80 они при высоте от 11,5 до 19,5 мм могут иметь ширину от 72 до 119 мм.

Длина может быть произвольной по требованию потребителей.

Наиболее часто изделия поставляются длиной 50, 100, 200, 400, 500 и 1000 м

Вес

Общий вес стального каната зависит от его габаритов, конструкции, используемых материалов и наличия смазки. При близких значениях диаметра тросы с органическим сердечником на 10 – 15% легче аналогичных изделий с металлическим сердечником, а закрытые канаты на 50 – 55% тяжелее тросов других типов близкого диаметра.

Для изделия каждого типа в соответствующих ГОСТ приводится таблица веса, в соответствии с которой определяется расчетная или ориентировочная масса стального каната. Обычно вес указывается для 1000 м смазанного троса (реже – для 100 м), что позволяет быстро произвести расчет веса отрезка. Масса брутто изделия согласно ГОСТ 3241-91 указывается на ярлыке.

Диаметр стальных канатов

В России и за рубежом выпускаются стальные канаты диаметром от 0,65 до 72 мм и более. Наиболее популярные тросы имеют следующие диаметры:

• ГОСТ 2688-80 – от 3,6 до 56,0 мм;
• ГОСТ 3077-80 – от 4,6 до 46,0 мм;
• ГОСТ 3090-73 – от 30,5 до 35,5 мм;
• ГОСТ 7668-80 – от 6,3 до 72,0 мм;
• ГОСТ 7669-80 – от 5,9 до 72,0 мм;
• Группа стандартов DIN EN 12385-4 – от 1,5 до 40,0 мм в зависимости от стандарта (DIN 3055 – от 1,5 до 8,0 мм, DIN 3060 – от 2,5 до 20,0 мм, DIN 3064 – от 12,0 до 40,0 мм и т.д.)

В зависимости от типа диаметр стальных канатов измеряется по одинаково удаленным от центра проволокам или прядям, по защитной оболочке или в любом месте (для тросов закрытого типа).

Натяжение

В процессе эксплуатации стальной канат должен испытывать нагрузки, не приводящие к его разрушению – они называются допустимыми или рабочими. С целью обеспечения безопасности допустимая нагрузка стальных кантов должна быть в 2 – 7 раз меньше разрывной. Допустимая нагрузка стальных канатов указывается в паспорте оборудования, разрывная – в документах на трос, а запас прочности регламентируется общепромышленными и отраслевыми документами.

При выполнении отдельных операций необходимо контролировать натяжение стальных канатов, чтобы не превысить допустимой нагрузки. Это осуществляется как путем обстукивания троса или стропов, так и с помощью динамометров.

Какова величина запаса прочности стальных канатов?

Одним из основных параметров каната является его разрывная нагрузка, однако во избежание аварий максимальная нагрузка на трос должна быть в несколько раз меньше разрывной. Число, показывающее, во сколько раз натяжение троса при эксплуатации меньше определенной для него разрывной нагрузки, является коэффициентом запаса прочности стального каната.

При подборе комплектующих для подъемной техники следует определить, какова величина запаса прочности стальных канатов, и отвечает ли она предъявляемым требованиям. Это коэффициент зависит от области применения:

• Талевые канаты должны иметь запас прочности 2,5 – 3;
• В отдельных случаях допускается двухкратный запас прочности;
• Канатные стропы должны иметь запас прочности до 6 – 7 и выше.

Конкретные значения определяются в соответствии с регламентами, инструкцией по эксплуатации оборудования и иными документами.

Разрывные усилия

Одной из основных эксплуатационных характеристик стального каната является его разрывное усилие – оно показывает, какое усилие необходимо приложить к изделию для его разрушения. Разрывные усилия стальных канатов зависят в первую очередь от их диаметра, но свой вклад делают конструкция, тип используемой проволоки и т.д. Данный параметр установлен для каждого типа тросов, он прописан в соответствующих ГОСТ – в документах представлена таблица разрывного усилия стальных канатов в зависимости от диаметра и маркировочных групп.

Именно разрывное усилие является одной из основных отправных точек при подборе каната для конкретного оборудования или снаряжения

Правила эксплуатации

Правила эксплуатации стальных канатов устанавливаются общетехническими и отраслевыми стандартами. Правила могут несколько отличаться для тросов различных видов, но есть несколько общих требований:

• Канаты должны регулярно подвергаться осмотру и браковке;
• Тросы подъемно-транспортных машин должны регулярно смазываться;
• Необходимо оберегать канаты от воздействия агрессивных сред, сварочного оборудования, чрезмерных нагрузок и т.д.;
• Не допускается изгиб, кручение и другие деформации канатов свыше установленных норм;
• Для каждого типа оборудования или выполняемой операции необходимо использовать тот тип, марку и диаметр каната, что прописан в инструкции или соответствующих документах.

При соблюдении правил эксплуатации стальные канаты будут надежно и безопасно работать весь установленный срок службы.

Требования к стальным канатам

К стальным канатам предъявляются следующие требования:

• Технические – устанавливают конструктивные особенности изделий, их производство, характеристики, механические свойства, допуски и отклонения, а также маркировку и особенности перевозки;
• Эксплуатационные – устанавливают порядок эксплуатации канатов, требования безопасности, способы контроля состояния изделий и т.д.

Технические требования к стальным канатам прописаны в ГОСТ 3241-91 (для обычных), ГОСТ 18899-73 (для закрытых), ГОСТ Р 58386-2019 (для арматурных в полимерной оболочке) и др.

Эксплуатационные требования прописаны в общепромышленных и отраслевых документах. В частности, требования к канатам, эксплуатируемым на объектах с подъемным оборудованием, устанавливаются Приказом Ростехнадзора от 12.11.2013 N 533; к канатам лифтового оборудования – документом ПБ 10-06-92; к канатам, используемым в нефтяной и газовой промышленности – документом РД 08-200-98, и т.д.

Крепление стальных канатов

В зависимости от применения и условий работы каната выбираются различные способы крепления:

• Посредством сформированной на конце петли на палец или анкер;
• Непосредственная фиксация в барабане или других элементах подъемно-транспортных машин;
• Временная фиксация с помощью узлов и петель.

В первом случае крепление стальных канатов осуществляется петлей, которая изготавливается на конце троса с помощью зажимов, заплетки, клиновой и гильзо-клиновой втулок, втулки с заливкой. Для защиты от износа в петлю вставляется коуш. Во втором случае используются клинья или прижимные планки, которые жестко прижимают конец троса к барабану. В третьем – вяжутся специальные узлы или петли, которые фиксируются зажимами.

Нормы браковки

Стропы должны регулярно подвергаться контролю с целью браковки поврежденных и не годных для эксплуатации изделий

Осмотр выполняется:

• Стропальщиками – перед каждым применением;
• Лицами, ответственными за безопасность производства работ – раз в 10 дней;
• Если оборудование используется редко – непосредственно перед выдачей и использованием.

Имеются следующие признаки браковки стропов из стальных канатов:

• Наличие изломов, перегибов, перекручивания и узлов на тросах;
• Испорчена либо утеряна бирка;
• Количество визуально наблюдаемых обрывов проволок троса выше установленных норм (контроль осуществляется по таблицам браковки конкретных типов стропов);
• Износ троса вследствие коррозии на 7%;
• Износ троса вследствие повреждения сердечника на 10%;
• Износ проволок внешних слоев на 40%;
• Разрыв прядей (даже одной);
• Выдавливание сердечника;
• Высокотемпературное повреждение троса (оплавление, сварка);
• Деформации и повреждения коуша, втулок, крюка;
• Отсутствие предохранительных замков.

При обнаружении повреждений, деформаций или чрезмерного износа строп согласно правилам браковки изымается и отправляется на ремонт или утилизацию.

Хранение

Тросы могут храниться в условиях, соответствующих категории 5 по ГОСТ 15150. Согласно данному документу, а также ГОСТ 3241-91, хранение стального каната возможно в следующих условиях:

• В неотапливаемых помещениях с высокой влажностью;
• В шахтах и почве;
• В трюмах судов и помещениях, где возможно длительное нахождение воды.

При этом необходимо соблюдать несколько мер по обеспечению надежной сохранности изделий:

• Трос, направленный на хранение, должен подвергнуться осмотру и смазке участков, потерявших защитную смазку;
• В случае хранения изделия на барабане его ось должна располагаться параллельно полу;
• При долгосрочном хранении изделия должны как минимум раз в полгода подвергаться осмотру и, при необходимости, смазке.

Соблюдение требований стандартов обеспечивает надежное хранение стального троса в течение многих лет без потери его характеристик.

Технические и дорожные условия

Технические условия на стальные тросы, изготавливаемые в России, прописаны в целом ряде документов:

• ГОСТ 3241-91 – общего назначения;
• ГОСТ 18899-73 – несущие закрытого типа;
• ГОСТ Р 53772-2010 – арматурные;
• ГОСТ Р 58386-2019 – защищенные арматурные в оболочке;
• И другие.

В этих же документах указаны и дорожные условия, при которых допускается транспортировка канатов. Для изделий общего назначения условия транспортировки просты: их можно перевозить любым транспортом открытого и закрытого типа. При этом необходимо соблюдать нормы по загрузке и креплению, предусмотренные для конкретного типа транспортных средств.

Какой маркировочной группы должны быть стальные канаты?

Маркировочная группа стального каната определяется двумя факторами:

• Натяжение троса в ходе эксплуатации;
• Установленный запас прочности для конкретного оборудования или области применения.

Например, стальной канат одинарной свивки типа ЛК-О (структура 1+6) диаметром 10,5 мм маркировочной группы 1370 (140) имеет усилие на разрыв 81,55 кН (около 8,3 т) – его можно использовать для изготовления стропов с натяжением одной ветви 13,6 кН (около 1,38 т), что отвечает требованию о шестикратном запасе прочности. В то же время этот канат можно использовать в талях грузоподъемностью до 2,8 т, что отвечает трехкратному запасу прочности.

Выбор стальных канатов

При выборе стальных канатов необходимо руководствоваться:

• Требованиями, предъявляемыми к тросу в инструкции или паспорте оборудования, стандартами и иными документами;
• Характеристиками конкретного каната;
• Нормами охраны труда и безопасности.

В случае замены поврежденного или изношенного каната новый не должен отличаться по типу, марке и характеристикам от старого (если обратное не указано в инструкции). Также не допускается использовать тросы с меньшим диаметром или другого типа, с меньшим разрывным усилием и другими параметрами.

При возникновении сложностей с подбором стального каната на помощь придут наши специалисты. Вы можете задать вопросы о продукции по телефону, в мессенджерах или через форму обратной связи – мы ответим вам и поможем сделать верную покупку.

Купить стальной канат

Область применения

Использование стального каната можно встретить в разных областях. Это может быть, как трос для монтажа палатки и вантовых кровельных конструкций до подвесных мостов и телерадиобашен.

Различные области применения тросов предъявляют разные требования к прочности, устойчивости к истиранию и коррозии. Чтобы соответствовать этим требованиям, трос изготавливается из таких материалов как:

1. Нержавеющая сталь. Используется там, где коррозия является основным фактором.
2. Оцинкованная углеродная сталь. Применяется там, где прочность стоит на первом месте, а коррозионная стойкость менее важна.

Проволока (один элемент) может иметь сечение до 3 мм. Этого достаточно, чтобы выдерживать нагрузку до 200кгс/мм2. Стальные тросы и канаты различаются в плане свивки, которая бывает одинарная, двойная или тройная. Расположение проволоки в разных слоях, имеет одно из следующих касаний:

• точечное (используются, как правило, при несущественных прерывистых нагрузках);
• линейное (применяется во многих сферах);
• точечно-линейное (используется для дополнительной прочности).

Силы упругости: пружины, канаты и нити

В задачах в этой статьи рассмотрены случаи, когда тело поднимают или опускают с ускорением. При этом натяжение нити, на которой подвешен груз, разное. Даны примеры составления уравнений по второму закону Ньютона в проекциях на оси.

Задача 1. Грузовик взял на буксир легковой автомобиль массой т и, двигаясь равноускоренно, за с проехал м. На сколько при этом удлиняется трос, соединяющий автомобили, если его жесткость Н/м? Трение не учитывать.

Удлинение троса можно найти, зная силу упругости:

Так как трение учитывать не нужно, то по второму закону Ньютона

Следовательно,

Определим ускорение грузовика:

Окончательно для удлинения троса получаем:

Ответ получен в метрах, можно записать его в мм: 0,64 мм.

Задача 2. На нити, выдерживающей натяжение Н, поднимают груз массой кг из состояния покоя вертикально вверх. Считая движение равноускоренным, найти предельную высоту , на которую можно поднять груз за с так, чтобы нить не оборвалась.

К задаче 2

Запишем второй закон Ньютона в проекция на вертикальную ось:

Тогда ускорение равно:

Высота, на которую тело можно поднять с таким ускорением, равна

Ответ: 5 м

Задача 3. Веревка выдерживает груз массой кг при вертикальном подъеме его с некоторым ускорением и груз массой кг при опускании его с таким же по модулю ускорением. Какова максимальная масса груза , который можно поднимать или опускать на этой веревке с постоянной скоростью?

К задаче 3

Запишем уравнения по второму закону как для подъема, так и для спуска тела. Направим ось вверх, тогда при подъеме:

При спуске:

Ускорение по условию одно и то же, тогда:

Или

Приравняв, можем найти силу натяжения веревки, которую она выдерживает:

Если бы груз массой просто висел на такой веревке, то мы бы записали

Следовательно,

Ответ: 190 кг

Задача 4. Груз массой кг подвешен к пружине жесткостью Н/м. Длина пружины в нерастянутом состоянии м. Найти длину пружины , когда на ней висит груз. Какой будет длина пружины, если пружина с грузом будет находиться в лифте, движущемся с ускорением м/с, направленным а) вверх; б) вниз?

К задаче 4

Если груз повешен на пружину, ее длина увеличивается:

При движении лифта вверх запишем второй закон (ось направлена вверх):

Тогда длина пружины в этом случае:

При движении лифта вниз запишем второй закон (ось направлена вверх):

Тогда длина пружины в этом случае:

Ответ: , , .

Задача 5. Четырьмя натянутыми нитями груз закреплен на тележке. Силы натяжения горизонтальных нитей соответственно и , а вертикальных – и . С каким ускорением движется тележка по горизонтальной плоскости?

К задаче 5

Запишем уравнения по второму закону в проекциях на оси, которые расположим традиционно: ось вправо, ось – вверх. Тогда, если тележка движется вправо, по оси, имеем:

Из второго уравнения найдем массу груза:

Тогда ускорение тележки (и груза) равно:

Если же тележка движется влево (против оси), то изменится только первое уравнение:

Тогда ускорение тележки (и груза) равно: