автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.05, диссертация на тему:Повышение агрегатной мощности стальных канатов

ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

. % ДО

СЄДАКОВ Дмитро Вікторович

УДК 621.86.065.3:539.46

ПІДВИЩЕННЯ АГРЕГАТНОЇ МІЦНОСТІ СТАЛЬНИХ

КАНАТІВ

Спеціальність: 05.05.05 - піднімально-транспортні машини

Автореферат дисертації на здобуття вченого степеня кандидата технічних наук

ОДЕСА -1998

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті.

Науковий керівник: докт. техн. наук, проф. Чаюн Іван Михайлович,

Одеський державний політехнічний університет, професор кафедри ДММ і ОМ.

Офіційні опоненти: докт. техн. наук, проф. Коковіхін Юрій Іванович,

науковий консультант об’єднання “Укрметиз”, канд. техн. наук, доцент Ухов Олександр Васильович, Одеський державний політехнічний університет, доцент кафедри ПТРО.

Провідна установа: Одеський державний морський університет.

Захист відбудеться« $ » 199^ р. о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д41.052.05 при Одеському державному політехнічному університеті (270044, Одеса-44, проспект Шевченка, 1).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету.

Автореферат розісланий «Ь »МШіЩкйі 998 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, докт. техн. наук, проф. І.М.Білоконєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стальні канати в підйомно-транспортних машинах відносяться до деталей, які швидко спрацьовуються. З точки зору економічності необхідно щоб їх міцнісний розрахунок базувався на якомога точнішій розрахунковій схемі і одночасно був простим, зводячись до вибору каната із каталога за відповідними характеристиками. Регламентований метод, затверджений Держнаго-хоронтруда України, відповідає вимогам зручної простоти. Однак базується на вельми грубій розрахунковій схемі, що використовує одну єдину міцнісну характеристику, котра недостатньо враховує відмінність в навантаженнях канатів, їх конструктивні особливості та механічні властивості дроту. Згідно з цим методом міцнісну характеристику обчислюють множенням сумарного розривного зусилля дротин каната на коефіцієнт 0.83. Відмінність в навантаженнях враховують коефіцієнтом запаса міцності. Ось чому інтервал таких коефіцієнтів дуже широкий, від 2.5 до 9. Такий метод робить розрахунок умовним, закриває саму проблему підвищення міцнісних характеристик канатів.

Оптимальний вибір каната, підвищення його міцнісних характеристик обіцяє значний економічний ефект, так ях дозволить при забезпеченні міцності використовувати канат і барабан меншого діаметра, а значить стане можливим зменшити габарити піднімального устаткування, знизити його вагу і в кінцевому розрахунку вартість. Це важливо для практики експлуатації та проектування підйомно-транспортного обладнання в першу чергу в гірничодобувних галузях промисловості України.

Метою роботи є розробка шляхів підвищення міцнісних характеристик канатів, їх розрахунок і подальше використання при експлуатації та проектуванні підйомно-транспортних машин. Це потребує аналізу головних факторів, впливаючих на міцнісні характеристики; уточнення і удосконалення розрахункових схем, дозволяючих враховувати усі впливові фактори; проведення експериментів як по визначенню вихідних параметрів механічних властивостей дроту, так і по перевірці розроблених розрахункових схем.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше проведено повний аналіз причин, впливаючих на міцнісні характеристики канатів; на підставі загальної ідеї будівельної механіки розроблено кінематичний метод обчислення розривного зусилля (несучої здатності) канатів при розтязі і крученні, дозволяючий враховувати усі фактори конструктивного, технологічного і експлуатаційного напрямків; досліджено вплив основних факторів на коефіцієнти несучої здатності канатів при розтязі в напрямних та вільно підвішеним вантажем; вперше розроблена теорія, що описує напружно-деформований стан та залишкові зусилля в канатах, пов’язані зі звивальним натяжінням елементів, і на цій основі сформульовано аналітичну умову зменшення (регулювання) цих зусиль; поширено розвиток технологічних способів підвищення міцнісних характеристик канатів; вперше сформульовано умову статичної рівноміцності канатів при розтязі та виконані розрахунки міцнісних характеристик на її основі; визначено максимально можливе значення соефіцієнтів несучої здатності канатів при розтязі в напрямних.

На захист виносяться:

- кінематичний метод обчислення розривного зусилля канатів при розтязі та розтязі з крученням;

- методика дослідження впливу різних факторів на коефіцієнти несучої здатності канатів при вказаних схемах навантаження;

- розрахункові значення коефіцієнтів несучої здатності канатів різних конструкцій; -методика використання полігональної схематизації діаграм розтягу дроту при дослідженні пружно-пластичного деформування канатів;

- результати критичного аналізу експериментального визначення зусиль в елементах каната, що розкрив помилковість методів і приладів, в яких вимір зусиль в елементах виконується при змінених співвідношеннях їх жорсткостей; конструкція універсального пристрою, що забезпечує одночасно преформацію елементів і вирівнювання їх натяжіння в процесі звивки;

принцип конструювання статично рівноміцного каната при розтязі.

Достовірність отриманих результатів забезбечувалась використанням сучасних методів обробки дослідів; оцінкою чутливості розрахункових схем до вихідних експериментальних параметрів; зіставленням теоретичних результатів, одержаних двома методами, з експериментальними.

Практичне значення роботи. Здійснення цілей дисертації має теоретичну і практичну цінність. В теоретичному плані цінність полягає в першу чергу в розробленому кінематичному методі обчислення розривних зусиль канатів. Метод є фундаментальним, а тому відкриває перспективу подальшого дослідження в галузі міцності та раціонального конструювання канатів і взагалі витих дротяних деталей. На основі сформульованої і теоретично реалізованої умови статичної рівноміцності встановлена верхня межа коефіцієнта несучої здатності каната, визначено мінімально неминучу втрату сумарного розривного зусилля його дротин.

Практичне значення полягає в тім, що одержані коефіцієнти несучої здатності канатів основних типів та запропонована загальна методика їх обчислення для будь-яких конструкцій канатів, кабелів, металотросів зубчатих пасів і т.п. деталей. Розроблено і запатентовано універсальний пристрій, що вирішує дві технологічні задачі: преформацію станок і вирівнювання (регулювання) к натяжіння при звивці. Ведуться переговори про продаж ліцензії одній германській фірмі.

Розроблення вказаного метода обчислення розривних зусиль канатів, конструкції пристрою, умови статичної рівноміцності виконані у співавторстві з професорами Сергєєвим С.Т. і Чаюном І.М.

Апробація роботи. Основні положення і результати були повідомлені, обговорені та схвалені на таких конференціях і семінарах: Російському науково-технічному семінарі з міжнародною участю «Проблемы надежности и безопасной эксплуатации крановых металлоконструкций и стальных канатов» (Новочеркаськ, 1992); науково-технічному семінарі «Автоматизация методов неразрушаюздего контроля качества» (Славське, Донецької обл. 1994); науковій конференції «Механика и новые технологии» (Севастополь, 1995); розширеному засіданні кафедри «Динаміка, міцність машин та опір матеріалів» Одеського державного політехнічного університету (Одеса, 1998).

Публікації. Наукові результати, наведені в дисертації, опубліковані в 8 дру-

з

званих працях здобувана. З них 6 статей і 2 патента на винахід.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів і висновків загальним обсягом 149 сторінок машинописного тексту, 21 ілюстрації, З таблиць, списку використаних джерел (95 назв).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі і першому розділі обгрунтовано актуальність теми дисертації, приедено літературний огляд в області теоретичного та експериментального ослідження напружно-деформованого стану канатів. Відносно експериментальних :етодів констатується помилковість тих досліджень, в яких вимір зусиль в елемен-ах виконувався при змінених співвідношеннях їх жорсткостей. Причина помилок олягає в тім, що не врахована особливість канатів як статично невизначуваних кон-трукцій, в котрих розподіл зусиль залежить від співвідношення жорсткостей еле-іентів.

Далі проведено аналіз відомих методів визначення міцнісних характеристик анатів при розтязі та розтязі з крученням, сформульовано ціль і задачі дисер-аційної роботи. Вони підпорядковані головному висновку: усі міцнісні характери-тики канатів зручно обраховувати за такою формулою

Р"Г=К-РС, (1)

іе К - коефіцієнт несучої здатності каната, залежний від типу конструкції та схеми іавантаження, котрий повинен уточнити (замінити) величину 0.83, запропоновану снуючими Правилами;

Рс. - сумарне розривне зусилля дротин каната.

У другому розділі «Розривне зусилля канатів та коефіцієнт несучої здатності іри розтязі в напрямних» проаналізовано фактори, що впливають на розривне зу-:илля канатів, уточнено прямий та розроблено кінематичний метод обчислення Рт, і через нього і коефіцієнта К. Розрахункова схема побудована на наступних іихідних передумовах:

1. За крітерій вичерпання несучої здатності каната прийнято такий його гра-шчний стан, за яким дротини одного або декількох елементів досягають зівномірної граничної деформації

£"<єГ, п-1.2, ....І, (2)

ге 8- необхідна деформація п-го елемента;

е^- рівномірна гранична деформація дроту цього елемента;

г- кількість елементів каната.

2. Під елементом каната розуміємо групи дротин, що мають геометричну, фізичну та силову симетрію в його поперечному перерізі. Взагалі елементом може 5ути кожна окрема дротина каната.

3. Вважаємо, що дротини знаходяться в природно ненапруженому стані.

4. Розглядаючи механіку деформування дротин елементів, використовуємо 'іпотезу плоских перерізів і при обчисленні їх особистої несучої здатності приймаємо до уваги тільки деформацію розтягу дротин або розтягу з крученням.

5. Схематизацію діаграм деформування дротин елементів приймаємо за

типом пружно-пластичного тіла з лінійним або полігональним зміцненням.

Для встановлення граничного стану каната досліджується його пружно-пластичне деформування. Цей процес поділяється на інтервали. Кожен інтервал крім останнього, являє деформування каната між граничними пружними станами двох сусідніх елементів. Кінцева формула прямого медоду за виглядом залишається незмінною

5 _ _

Рпр от^созйсозр, (3]

І

Тут N та а, Р - в відносному вимірі нормальна сила в перерізах елементі! та їх кути звивки з урахуванням зміни в граничному стані каната

_е при «ІІ (4.

\\-Ет+еЕт при е>\,

і

де е = Де - деформація розтягу дротин елемента за усі І інтервалів деформуванш і

каната. ........

Для елементів, котрим даний інтервал с останнім пружним

' н

Збільшення деформацій останніх елементів

"/ І її |Г ’ ( •

де Х = Аи-А\21Ауі ; ^ = ^13~^|2'^23/^22>^ = ^14--^І2'^24/^22^ЄЕ0^

КПо;К^а- коефіцієнти деформації елементів за роботами М.Ф.Глушко тг ШЛаюна;

А и> ^ 12 > Т-Д- алгебраїчні доповнення матриці жорсткості (24) каната.

Якщо, наприклад із-за к-го елемента, останній т-ий інтервал буде неповний

то

(7;

; 7=1

Якщо на останньому (&+!)-му інтервалі усі елементи деформуються з модулем зміцнення £,.

^е5(5+1) = ~ 1 • (8]

де е{}£; - рівномірна гранична деформація дротин відповідних елементів.

Коефіцієнт несучої здатності канатів, який буде однаковим для одногс конструктивного типу,

Р'

>J Nar F cos a cos р

up L*iy^r \

—■ <9'

P $

' I°.F

I

Одержана також приблизна формула

І>*стг

і

2 г,___________________________2 N

zflF COS 3C0S a

cosPcos a

І -Ет+Щ—г-Г , Ет

к = -________і____________? ----------, (10,

І

це гпп[ - рівномірна гранична деформація дротин к-го елемента, який із-за невиконання умови (2) зумовлює граничний стан каната; а та (5 - вихідні кути івивки, без урахування їх зміни.

В розглянутому прямому методі механіка пружно-пластичного деформування каната і обчислення його несучої здатності немов би відкриті для огляду послідовністю формул (5), (6), (7) або ('&), (4), (3), При цьому рахівник безпосередньо сам повинен аналізувати крітерій (2) і виявляти елемент, іумовлюючий граничний стан каната.

А тепер розглянемо кінематичний метод. Його ідея полягає в тім, що роль елемента, зумовлюючого граничний стан каната, як би наосліп послідовно дається ^сім елементам. Дійсним граничним станом буде той, якому відповідає мінімальне іначення

Рда = £д/>„. (II)

,1-1

Тут АРп - збільшення розтягуючого зусилля за л-ий інтервал деформування

саната

/■ л

1/-2Де0

єг01

ДР„=тіп---------ь--------і-----------гг—^ (12)

[RK^+W Km±V Kj{1 + X\)

ie U=l; 1.25; 1.5; 2.0;...; ¥.%p - границі дільниць полігональної схематизації діаграм юзтягу дротин елементів;

4є0 - інтенсивність деформацій елемента, зумовлюючого закінчення л-ro інтервалу

_ _ І----Т 5 RKK+WKn +V Кг . ,

ієформування каната Azn = Деп JI + Хп ; = —т=------------------------4-—; D -

0 о- о RKa+W Kn+V 1 1

іизначник матриці жорсткості (24) каната .

Коефіцієнт несучої здатності, котрий розповсюджується на усі канати одного інструктивного типу,

К = РППІРС. (13)

Деформації каната за один інтервал: Аг~ ар(а1.~аі/а22) /\о[,

А% = Др(а 13 - А |2 А 21ІА 22)/ | -О |; АС, ~ Ар(л і4~Аі2А ц/А 22 Ц\ | -

В третьому розділі «Розривне зусилля канатів та коефіцієнт несучої здатності при розтязі вільно підвішеним вантажем» спочатку обгрунтовується розрахункове навантаження дротин як розтяг з крученням. Нормальна сила в перерізах елементів в граничному стані каната

= + +мГ. (14)

>1

Тут ДИ™ = Де„„ і ДЛ'^Л = Деяу - збільшення деформацій розтягу при пружному деформуванні елемента:

/ и) ________ \

де„„ = і - ^М+Дф»/12 ^ (і+>-іГ5 ; (15)

І н )

!, т

^«9 ^ех,

*"> =—|---------------------- ------ -----------гу ; (16)

еї)|^1І ^12 ^13 /4і4||^єе„ ^еЄ„ ^«?п|

І Іі \Т Иі! ^12 Л)3 Л,4 К^\

^<>’> 1^11 А\2 А\і ^евп ^ех„ -^<„1

5 |^!1 ^12 АП ^І4||^ге ^/9 ^

" _ ') 75 і Ті і"? ’

1^11 ^12 ^13 *«0 Кєх ^<\

Складова нормальної сили при пружно-пластичкому деформуванні дротини елемента

= '$Фр<!е + Ет(еГ"’-1), (19)

де Фр-Фр/ЕР - поздовжнажорсткість дротини

ф''тКН+г'- <20)

На підставі (19) після інтегрування та перетворювання (рис.1)

^.(і-глМ")\Шг^_їїуп) (21,

А. Є'

В прямому методі після визначення нормальних сил в перерізах усіх елементів розривне зусилля каната обчислюється за формулою (3).

В кінематичному методі кінцева формула (11) також загальна, а для ДР„ одержано такий вираз

ДР„ = шіп-

Аео £г0

О

'■ебо

^ехо К*о 1

г(і + 4)05

,(22)

де Дє0 - інтенсивність деформацій елемента, який обумовлює закінчення п-го інтервалу деформування каната

для 1 - го (пружнього) інтервалу.

Дє0 =

п-\ і у).5 інтервали пру:

1 + ^ Ле0 (і + X ) деформування

і

5 інтервали пружно - пластичного ' ' каната;

\0.5

інтервали, яд яких усі елементи

деформуються в зоні зміцнення.

и-&оО+Л.)1

. І

Деформації каната в границях інтервалу:

Дє = ДРЛп/|0|; Д9= ДР /4 |2/| О |;

(23)

ДХ = ЛЯЛІЗ/|0|; ДС = ДЯ^І4/|0|.

Досліджені жорсткості каната з нерівномірним звивальним натягом елементів при пружно-пластичному деформуванні на підставі полігональної

схематизації діаграм розтягу Дроту. При цьому за основу взята матриця жорсткості каната, одержана

І.М.Чаюном

с., С12 С,з

(С7 і = о2, С22 С2з С24 , (24)

С31 С32 сзз 034

<?4. С43 ^44

де С7, і ; 0-22 ; С33 С44 - ПОЗДОВЖНЯ,

крутильна та згинні жорсткості;

С,: = &2\ ’ С.З =с3| і т.д. -

Рис. І. Складова нормальної сши N

ПЛ

жорсткості впливу.

Кожна із жорсткостей

* У

де ІІ - питома потенційна енергія деформації каната; Д, = є; Д 2 = 6; Д 3 = у.; Д 4 = £.

Вирази жорсткостей, наприклад:

С,І = £а(фр К2а + ф, КІ + Ф„(кі + /^)); (26)

!

°і2 = + Ф, К,г Кв + Фи(Кы Кю+Кт Км)), (27

і

де Л = т/соіа созр; т - кількість дротин в одному елементі.

Тут на відміну від роботи І.М.Чаюна при визначенні жорсткостей Фр; Ф, т Ф„ дротин в стадіі пружно-пластичного деформування використана полігональна т ступенчата схематизація. Полігональна закладалася діаграмою деформування дрот) а суть ступенчатої видно із рис.2. При цьому кожна із жорсткостей матриці (24) ви значається сумою трьох додатків

% = І ч-+І (28

54 5'-1 1

де і' - число елементів, що деформуються пружно-пластично при відповідних жор сткостях Фр , Ф,, Ф„; я" - число елементів, які деформуються в зоні зміцнення пр

відносних жорсткостях Фр = Ф, = Ф„ = ЕТ.

Використання вказаної схематизації підвищує точність розрахункової схем при розтязі каната вільно підвішеним вантажем на 10... 15%

В четвертому розділі «Експериментальні дослідження» приведені розроб лені методики лінійної на полігональної схематизації діаграм деформування дроту. Описані особливості конструкції та технології виготовлення сталок і канаті

для дослідних зразків гарантованим рівне мірним натягом ел< ментів та з свідомо ві; мінним натягом. Дос лідні сталки 1+6+1 звивались із дрот діаметром 1 мм з грі ницями міцності 1401 1800 Мпа і рівномі] ною граничною дефоі мацією відповідн

0.024; 0.015. Варіюваї ням дроту з таким характеристиками

шарах та кутами звивки внутрішнього шару а2 = 11.45°; 19.24° (в зовнішньому ша] а3 =12.87°) забезпечено 8 видів зразків. Ще для двох зразків були звиті сталки якомога низьким рівнем натяжіння трьох дротин в зовнішньому шарі, а останні 9 натяжінням близьким до гранично можливого. Із станок з рівномірним натяжіння дротин були звиті канати 6х19(1+6+12)+о.с. Вони пішли на виготовлення 8 зразкі канатів з рівномірним натяжінням сталок та 3 зразків з одною прославленої сталкою. '

Кожен зразок мав вихідну довжину 1.8 м. Одну частину зразка довжиною 1 розплітали на складові дротини і шляхом їх розриву визначали сумарне розриві

Фв

£Г=0Д5

'Х=0,5 ,1,5 ^ [2 3 / 5 1

/ - / /

г

0£5

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 ЛЄіи

Рис.2. Поздовжня зкорсткість.

зусилля усіх дротин конкретного зразка каната. За другою частиною зразка довжиною 0.8 .м визначали розривне зусилля каната на машині УГИМ-50. Було підготовлено і віпробувано по 6 зразків кожного виду канатів. Розбіжність розрахункових та дослідних значень розривних зусиль (коефіцієнтів несучої здатності) складали: для сталок з рівномірним натягом дротин при розрахунках за точними формулами (9), (ІЗ) до 4%, за приблизною (10) не більше 6.3%; для сталок з нерівномірним натяжїнням при розрахунках за формулою (ІЗ) 5.9...6.1%; для

12

8

т,

12*( 1-6 )-6х( 1+6+12)+О.С.

12х(1-6)-6х(1+6)+О.С.

Рис.З. Розривне зусилля каната при різній кількості т2 сталок в зовнішньому шарі

Теоретичні значення: 1 -розтяг в напрямних: 3 - вільно підвішеним вантажем. Експериментальні дані за роботою проф. М. Ф.Глуиіко:2 - в напрямних: ■/ - вільно підвішений вантаж.

канатів з рівномірним натяжінням сталок максимальна розбіжність до 9% як при розрахунках за точною, так і за приблизною формулами; для канатів з нерівномірним натяжінням сталок до 11%.

Зіставлення розрахункових та дослідних даних розривних зусиль багатошарових канатів подвійної звивки показано на рис.З. Тут розбіжність на перевищує 5%.

Проведені випробування на витривалість показали, що як сталки, тах і канати звиті зі значною нерівномірністю натяжіння мають на 15...20% знижені показники циклічної міцності.

В четвертому розділі описано також винайдений пристрій для одночасного вирівнювання натяжіння і преформації сталок при звивці канатів. Пристрій інтегрус в собі принцип звичайної преформуючої головки та важільно-пружинного механізма для притискування сталок, що забезпечує регулювання їх натяжіння. Безпосередньо це виконують профільні ролики.

У п’ятому розділі «Дослідження основних факторів, впливаючих на розривне зусилля та напружно-деформований стан канатів» результати одержані головним чином чисельним шляхом на підставі розроблених методів, які описані у 2 і З розділах. Спочатку чисельною перевіркою встановлено, що розрахункова схема методів мало чутлива до зміни (точності визначення) вихідних експериментальних даних: параметрів діаграм розтягу дроту (модуль пружності Е = (1.7.. .2.1) х 105 МПа, відносна границя текучості ат =о,/а4 =0.6...0.9); коефіцієнтів, пов’язаних зі згинною жорсткістю сталок та поперечним звуженням.

Вплив рівномірної граничної деформації дроту в інтервалі =0.015...0.025

на зміну коефіцієнта несучої здатності каната при розтязі в напрямних не перевищує 1%, якщо г™ > 2ег . При вільному розтязі вплив значніший. Його інтенсивність підвищується зі збільшенням ступеня неврівноваженості каната за крученням. Для повністю неврівноважених при зменшенні від 0.025 до 0.015 Р"р зменшується на 20%.

Установлено, що використанням полігональної схематизації діаграм розтягу дроту замість лінійної, значно на 17... 19%, підвищується точність розрахунку Рпр при вільному розтязі. А при розтязі в напрямних тільки до 2%.

Зміна коефіцієнта згинної жорсткості сталок в інтервалі його можливих значень змінює коефіцієнт несучої здатності канатів при вільному розтязі усього на 3...4%. Такий же сприятливий результат і від варіювання поперечної деформації, у тому числі для канатів подвійної звивки з органічним осердям.

Вперше, теоретично обгрунтовано вплив звивального натягу елементів на деформований стан та залишкові зусилля в канатах. Залишкові поздовжні зусилля в дротинах, пов’язані з цим фактором

де Pj та Ej Fj - натяжіння та поздовжня жорсткість дротин; тік- кількість шарів і дротин в шарі.

Використовуючи (29), залишкові силові фактори, тобто крутячий М, та згинаючі моменти Мх і Му в перерізі каната, визначаються за формулами

МФ.Глушко. Аналіз показує, що ці фактори можуть дорівнювати нулю в таких випадках: в усіх дротинах N j - 0; залишкові зусилля N j* 0, але мається таке

співвідношення зусиль, при якому забезпечується нульові значення факторів; Mz може дорівнювати нулю при визначеному сполученні напрямків звивки дротин в сталках.

Застосування першої умови до виразу (29) показує, що однакові натяжіння дротин Pj = const не забезпечують в них нульові залишкові зусилля. Тільки в окремому випадку, коли EF та а = const при постійному натяжінні будуть відсутніми залишкові зусилля. Одержані залежності дозволяють визначати натяжіння дротин,

cos2ct, Ej Fj,

(29)

F. F. т ,

1 J Iе, Ficos а/

\

за якими будуть допустимі значення залишкових факторів, наприклад, з точки зору збереження прямолінійності відрізків каната.

Нерівномірність звивального натяжіння епементш робить разтяг каната нецетральніш. Через це з’являютея деформації згину х тз С» які додають нерівномірність деформацій розтягу дротин в канаті. А іде, в разі обмеженості рівномірної граннчної деформації дроту є'!!', веде до додаткового зменшення розривного зусилля каната.

Вплив нерівномірності звивального натяжіння на напружно-деформований стан і пов’язану з ним циклічну міцність канатів є ще більш згубним, тому що відчувається при значно меньаюму рівні нерівномірності натяжіння. Так, для сталки 1+6+12 з трьома прослаблекими дротинами в зовнішньому шарі і для каната 6х19+о.с. з одною прослабленою сталкою при умовному запасі міцності 9, дійсний запас міцності, обчислений як відношення границі міцності дропгу до максимального еквівалентного навантаження в ньому знаходиться в таких інтервалах: при розтязі в напрямних 8.2...3.9; при розтязі вільному 3.6...1.15. Ці значення виразно показують, яку нерівномірність напруженого стану породжує нерівномірність звивального натяжіння елементів. Це в свою чергу знижує циклічну міцність канатів і являється однією з причин, що змушує назначати великі умовні запаси міцності для канатів.

Відносно дослідження впливу вихідного ііапружного стану дротин встановлено, що найбільш несприятливим є післязвивальний стан. А самим сприятливим як для статичної, так і циклічної міцності є природно кенапружений стан. Вичерпні дослідження цього фактора являють собою вельми об’ємну задачу гідну окремої самостійної роботи. Найбільш наближає післязЕивальний напружений стан до природно ненапруженого преформація елементів каната. Саме цій меті і служить розроблений нами пристрій.

Урахування зміни кутів та радіусів звивки на розривне зусилля канатів виконано також чисельним шляхом. Самі зміни кутів значні тільки при розтязі канатів вільно підвішеним вантажем. При урахуванні їх теоретичне значення розривного зусилля канатів різних конструкцій збільшується на 0.4...6.7%. Проте це збільшення не мас будь-якої строгої закономірності.

На закінчення 5-го розділу проведено дослідження в області статичної рівноміцності каната, за яку розуміємо одночасне вичерпання несучої здатності усіх його елементів. Дія схеми розтягу в напрямних одержано умову конструювання рівноміцного каната за таким критерієм. Ця умова з’єднує кути ззивки каната та механічні характеристики дротин таким співаідношенням

П

< соз~2 а у = соті, (30)

де - рівномірна гранична деформація дротин; а, - кути звивки і-го елемента в

його /-му порядку звивки; я= 1, 2, 3 - номер порядка звивки.

При виконанні цієї умови досягається максимально можливе значення розривного зусилля каната конкретного конструктивного типу. Збільшення розривного зусилля для різних типів канатів при додержанні умови (30) досягає 1.3...4.7%. На підставі умови (30) складена заязка на винахід, і одержано патент України.

ВИСНОВКИ І РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. Стальні канати в підйомно-транспортних машинах зазнають різні навантаження, отримуючи деформації розтягу, кручення, згину, а також поперечні деформації, в тому числі в зоні контакта з блоками та барабанами. Незважаючи на це, розрахунок на статичну міцність, регламентований Правилами Держнагохоронтруда виконується за одною єдиною характеристикою, визначеною тільки деформацією розтягу каната. До того ж таку характеристику обчислюють без належного урахування конструкції каната та механічних властивостей його дроту. Її приймають рівною 0.83 від сумарного розривного зусилля дротин каната.

2. Аналіз теорії, що описує напружно-дгформований стан канатів, показує за можливе розробку надійних методів обчислення їх міцнісних характеристик з урахуванням факторів конструкції, технології, а також параметрів механічних властивостей дроту. Наявність таких характеристик в каталогах та сертифікатах залишить існуючу зручну простоту розрахунків канатів на міцність, і одночасно істотно підвищить точність розрахункової схеми, забезпечивши пов’язаний з цим позитивний ефект.

3. Аналіз існуючих результатів експериментального визначення зусилль в елементах канатів дав можливість помітити помилковість тих методів і приладів, в яких вимірювання зусиль виконується при змінених співвідношеннях жорсткостей елементів. Причина полягає в тім, що канат є статично невизначуваною стержневою системою і тому розподіл зусиль між елементами залежить від співвідношення їх жорсткостей.

4. На основі загальної ідеї будівельної механіки розроблено і реалізовано на ЕОМ кінематичний метод розрахунку розривних зусиль канатів при розтязі і розтязі з крученням, який на відміну від відомого прямого методу дозволяє враховувати усі конструктивні особливості канатів та їх змінювання в процесі навантаження, реально існуючу нерівномірність звивапьного натяжіння елементів і другі фактори асиметрії, а також параметри діаграм деформування дроту.

5. Власні експериментальні дослідження, а також експериментальні дані,

взяті із робіт професора М.Ф.Глушко, доють підставу стверджувати, що запропонований кінематичний метод розрахунку розривного зусилля канатів fix несучої здатності) при розтязі в напрямних та вільно підвішеним вантажем є досить точним. Розбіжність між теоретичними і експериментальними даними, визначеними для 40 різних конструкцій, складає Причому тільки у восьми випадках

розбіжність дорівнює 6... 11 %, а в останніх не перевк'цує 5%.

6. Проведені дослідження показали, що розроблений метод дає стабільні результати, будучи мало чутливим до вихідних експериментальних даних, як відносно конструкції канатів (поперечне звуження, згинна жорсткість сталок), так і відносно параметрів діаграм деформування дроту.

7. Вперше в практиці дослідження пружно-пластичного деформування канатів і взагалі витих дротяних деталей розроблена і використана методика полігональної схематизації діаграм розтягу дроту. В порівнянні з використанням до цього часу лінійної схематизації полігональна підвищує точність розрахункової схеми при вільному розтязі канатів на 10... 15%.

8. Розроблена методіка обчислення деформативного коефіцієнта, ураховуючого тертя поміж дротинами в станках при їх згині, на підставі експериментальних даних згинної жорсткості стапок. Обчислені такі коефіцієнти для основних типів стапок.

9. Одержано теоретичне обгрунтування впливу звивального натяжіння елементів на пружно-деформований стан і залишкові зусилля в канатах. Показано, що звивальне натяжіння формує залишкові зусилля в дротинах і пов’язані з ним згинаючі та крутячі моменти в перерізах каната, які є причиною втрати прямолінійності у вільному стані. Сформульовані аналітичні умови, дозволяють зменшувати (регулювати) зазначені силові фактори в залежності від звивального натяжіння елементів.

10. Канат, звитий з нерівномірним натяжінням елементів, зазнає нецентрального розтягу. В такому стані крім поздовжньої та крутильної деформації він одержує просторовий згін. Звідси додаткові поздовжні деформації дротин, а значить збільшення ступеня нерівномірності їх навантаження. При недостатності рівномірної граничної деформації дроту це приводить до зменшення коефіцієнта несучої здатності каната на 10...20%. Цей процент слід розглядати як можливе збільшення розривного зусилля канатів за рахунок забезпечення рівномірності звивального натяжіння елементів.

11. Непостійність звивального натяжіння ще більш згубно впливає на циклічну міцність (витривалість) канатів, тому що підвищує нерівномірність напружного стану дротин при значно меньшому рівні непостійності натяжіння елементів. Розрахунки показують, що максимальне еквівалентне напруження у дротинах з урахуванням цього фактора при розтязі в напрямних в 1.5...2.5 рази перевищує середне напруження, обчислене як відношення розтягуючого зусилля до площі поперечного перерізу усіх дротин каната. При розтязі вільно підвішеним вантажем зазначене перевищення доходить до 7.5. Це значить, що майже в стільки разів дійсний коефіцієнт запасу міцності буде менше, ніж умовний, прийнятий за Правилами Держнагохоронтруда.

12. Для основних конструкцій канатів обчислені коефіцієнти їх несучої здатності при розтязі в напрямних і розтязі вільно підвішеним вантажем. Ці результати уточнюють коефіцієнт 0.83, пропонований Правилами, як в бік збільшення, так і в бік зменшення. В залежності від конструкції та схеми навантаження вонидорівнюють 0.97...0.52. Використання таких коефіцієнтів підвищує точність розрахунків, знижує ступінь їх умовності.

13. Запропоновано принцип конструювання статично рівноміцного каната. За цією розробкою одержано патент України на винахід. Розрахунки показують, що реалізація принципа статичної рівноміцності дозволяє підвищити розривне зусилля канатів при розтязі в напрямних на 1.5...6%, доводячи його до максимально можливого значення.

14. Розроблено і запатентовано в Україні універсальний пристрій, що забезпечує одночасну преформацію стапок і вирівнювання їх натяжіння при звивці. Щорічний економічний ефект зменшення витрат на виготовлення канатів з точечним контактом дротин при використанні пристрою становить 1.6 мільйона гривень. Ведуться переговори про продаж ліцензії на пристрій одній германській фірмі.

Основні результати дисертації опубліковано в 8 друкованих працях:

1. Седаков Д.В., Сергеев С.Т., Чаюн И.М. Факторы потери несущей способности канатов // Тр. Одес. политехи, ун-та, 1996, Вып.1.- С.26-27.

2. Чаюн И.М., Седаков Д.В. Влияние неравномерности натяжения проволок при свивке на напряженно-деформированное состояние канатов и брони грузонесущих кабелей // Тр. Одес. политехи, ун-та, 1997, Вып.1.- С.98-100.

3. Патент на винахід 15916 Україна, 5007В7/16. Універсальний пристрій для одночасного вирівнювання натягу і деформації пасом при скручуванні каната / Седаков Д.В., Сергеев С.Т., Чаюн І.М. Видано 30.06.97 Бга.Н'З

4. Седаков Д.В., Сергеев С.Т. Экспериментальные исследования повышения агрегатной прочности канатов.- 15 с. Деп. В УкрИНТЭИ 25.08.94, №1797-Ук94.

5.Чаюн И.М., Седаков Д.В. Повышение агрегатного разрывного усилия канатов при свободном растяжении.- 35 с. Деп. В УкрИНТЭИ 31.03.93, №750-Ук93.

6.Чаюн И.М., Седаков Д.В. Теоретическое определение разрывного усилия канатов.- 34 с. Деп. В УкрИНТЭИ 15.08.94, №1631-Ук94.

7. Чаюн И.М., Седаков Д.В. Методика расчета разрывного усилия канатов. Информационный листок №105-94.- Одесса.: ОАПНТ и ЭИ, 1994.- 3 с.

8. Патент на винахід 23712А Україна, 6Г1Є9/00. Канат рівноміцний / Седаков Д.В., Чаюн І.М., Донцов Ю.Г. Видано 16.06.98.

Особистий внесок здобувача в працях опублікаваних з співавторами - аналітичні дослідження, написання статей, розрахунки на ЕОМ, розробка суттєвих ознак винаходів.

АНОТАЦІЯ

Сєдаков Д.В. Підвищення агрегатної міцності стальних канатів. Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за іеціальністю 05.05.05 - піднімально-транспортні машини.- Одеський державний мітехнічний університет, Одеса, 1998.

Подана розробка кінематичного методу обчислення міцнісних характеристик гальних канатів при розтязі та крученні з урахуванням впливу конструктивних і гхнологічних факторів, в тому числі, нерівномірності звивального натяжіння еле-ентів, а також механічних властивостей дроту. Для основних типів канатів одер-;ані коефіцієнти несучої здатності, які дозволяють точно обчислювати міцнісні ха-актеристики каната за сумарним розривним зусиллям його дроту. Показані шляхи ідвищення характеристик статичної і циклічної міцності канатів. Запропонована онструкція універсального пристрою, який виконує одночасне вирівнювання на-яжіння сталок і їх преформацію при звивці канатів, що забезпечує підвищення ко-фіцієнтів несучої здатності. Наведено принцип конструювання статично іівноміцних канатів при розтязі.

Ключові слова: канат стальний, міцність, несуча здатність, деформування іружно-пластичне, жорсткість.

АННОТАЦИЯ

Седаков Д.В. Повышение агрегатной прочности стальных канатов. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по :пециальности 05.05.05 - подъемно-транспортные машины.- Одесский государст-1енный политехнический университет, Одесса, 1998.

Представлена разработка кинематического метода вычисления прочностных (арактеристик стальных канатов при растяжении и кручении с учетом влияния кон-лруктивных и технологических факторов, в том числе, неравномерности свивочно-го натяжения элементов, а также механических свойств проволоки. Для основных типов канатов получены коэффициенты несущей способности, которые позволяют точно вычислять прочностные характеристики каната по суммарному разрывному усилию его проволоки. Показаны пути повышения характеристик статической и циклической прочности канатов. Предложена конструкция универсального приспособления, которое выполняет одновременное виравнивание натяжения прядей и их преформацию при свивке канатов, что обеспечивает повышение коэффициентов несущей способности. Приведен принцип конструирования статически равнопрочных канатов при растяжении.

Ключевые слова: канат стальной, прочность, несущая способность, деформирование упруго-пластическое, жосткость.

SUMMARY

Sedakov D.Y. Theincrease of assembly strength of steel ropes. Manuscript.

Master’s thesis by speciality 05.05.05 - “Lifting and transport mashines”, Odessa State Polytechnical University, Odessa, 1998.

Proposed is the development of kinematical method of culculation of steel rope strength properties under tension and twisting taking into consideration the influence of structural and technological factors including untvenness of twisting tension of elements as well as the influence of mechanical properties of wire. Bearing strength coefficients are found for basic rope types which afford to culculate accurately rope strength properties according to the overall breaking stress of the wire. Proposed are the methods of the increase of statical and cyclical rope strength. Proposed is the construction of the universal device for simultanuous levelling of strand tension and their preformation by combining of ropes and thus, increasing the bearing stress coefficient, given is the design concept of ropes having statically equal strength under tension.

Key words: steel rope, strength, bearing stress, elastoplastic deformation, rigidity.