2.5.5. Выбор крановых канатов. Факторы, влияющие на долговечность канатов.

Основ­ной критерий долговечности крановых канатов — срок службы — зависит от ряда переменных факторов, кото­рые можно объединить в две группы: технологические и эксплуатационные.

К первой группе относят качество проволоки, характер свивки и технологию изготовления прядей и канатов, применяемые смазочные материалы, химико-термическую обработку проволоки и каната в це­лом и т. п.;

Ко второй группе — реальные эксплуатацион­ные условия работы каната, воспринимающего статиче­ские, динамические, повторно-переменные растягивающие, изгибные и контактные нагрузки, которые вызы­вают интенсивное изнашивание наружного слоя прово­лок и их обрыв.

К эксплуатационным факторам, влия­ющим на долговечность канатов, также относятся соот­ношение D_б/d_к (D_б — диаметр барабана, d_K—диаметр каната), материал блоков, барабанов и других деталей канатно-блочной системы, профиль и размер канавок блоков (барабанов), режим работы механизма подъема, окружающая среда, соблюдение правил навешивания каната, уход за ним и т. д. Влияние эксплуатационных факторов подробно рассмотрено в гл. 2.[2]

Основными причинами постепенного разрушения ка­натов и выхода их из, строя по нормам браковки являют­ся изнашивание и обрыв (поломка от изгиба) наружных проволок, связанные с деформацией и проскальзыванием каната на блоках (барабане). Картина изнашивания — истирание с наличием пластической деформации поверхностного слоя проволок и точечная коррозия (появление пло­щадки истирания, равной 30—35% диаметра проволок наружного слоя, вмятин в проволоках). Долговечность канатов в этом случае зависит от качества материала проволок, конструктивных особенностей каната и экс­плуатационных факторов (на износостойкость канатов влияет смазывание их в процессе изготовления и экс­плуатации).

Истирание, как и усталостное разрушение канатов (поломка проволок от перегиба), является определя­ющим фактором долговечности канатов для ПТМ.

Каждая конструкция каната имеет преимущества и недостатки, которые учитывают при выборе крановых канатов для конкретных условий работы крана.

Параметрами, харак­теризующими конструкцию канатов, являются их плот­ность и гибкость.

Показатель конструктивной плотности — коэффициент плотности (заполнения)

где F — расчетная (суммарная) площадь поперечного сечения про­волок в канате, мм²; d_K — диаметр каната, мм.

Гибкость каната определяет его способность к переги­бу на блоках (барабанах) в пределах упругой деформа­ции благодаря внутреннему скольжению проволок. Гиб­кость характеризуется коэффициентом гибкости

где δ— наибольший диаметр проволок в канате, мм.

С увеличением диаметра проволоки снижается гиб­кость и значительно увеличивается жесткость каната. Выбор канатов таких конструкций целесообразен для ра­боты их в абразивной среде, т. е. когда главная причина изнашивания каната — абразивное воздействие в усло­виях эксплуатации.

При большом числе проволок малого диаметра в верх­них слоях каната гибкость увеличивается, но это приво­дит к их быстрому изнашиванию вследствие трения меж­ду блоком (барабаном) и канатом, особенно в условиях абразивного воздействия среды. Кроме того, увеличи­вается число точек и линий соприкосновения — соответ­ственно повышается внутреннее трение, что отрицатель­но сказывается на долговечности каната. Такие канаты следует применять (выбирать), если абразивное изнаши­вание сведено к минимуму.

Как показали проведенные исследования, конструкция кана­та существенно влияет на срок его службы [18, 19]. Для выбора оптимальной конструкции каната для ПТМ, ко­торая имела бы наибольший срок службы, необходимо для конкретных условий эксплуатации выявить главные причины изнашивания каната, учитывая накопленные данные по браковке канатов.

Канаты типа ЛК-Р (рис. 2.84, а) применяют в основном тогда, когда в процессе эксплуатации они подвергаются воздействию агрессивных сред, интенсивному знакопере­менному перегибу и работают на открытом воздухе. Ка­наты типа ЛК-0 (рис. 2.84, б) устойчиво работают в усло­виях интенсивного истирания (в верхнем слое проволоки большего диаметра). Для их нормальной эксплуатации требуется несколько повышенный диаметр блоков (бара­банов).

Канаты типа ЛК-3 (рис. 2.84, в) применяют в усло­виях, когда они не подвергаются воздействию агрессив­ной среды, так как тонкие проволоки заполнения легко поддаются коррозии. Канаты этого типа обладают хоро­шей гибкостью.

Канаты типа ЛК-РО (рис. 2.84, г) — уни­версальные канаты — имеют сравнительно большое число проволок в прядях, что повышает их гибкость. Нали­чие в наружном слое проволок большего диаметра поз­воляет применять канаты этого типа в условиях абразив­ного изнашивания и агрессивных сред.

Канаты типа ТЛК-0 (рис. 2.85) следует применять тогда, когда использование канатов с линейным касанием проволок в прядях невозможно, т. е. требуется большая гибкость каната на устанавливаемые барабаны (блоки) ПТМ сравнительно малого диаметра (чаще из-за нарушений отношения D_б/d_K).

Рис. 2.84. Крановые канаты с линейным касанием проволок между слоями: а — конструкции 1+6+6/6 при разных диаметрах проволок в наружном слое пряди; б — конструкции 1+9+9 при одинаковом диаметре проволок по слоям пряди: в — конструкции 1 + 6; 6+12 с проволоками заполнения; г — конструк­ции 1+7+7/7+14, имеющей в слоях проволоки разных и одинаковых диаметров

Канаты двойной свивки типа ЛК с линейным касанием проволок в прядях обладают сравнительно большой работоспособностью по сравнению с канатами типов ТК или ТЛК.

Канаты типов ПК-Р и ПК-РО (экспериментальные) изготовляют в соответствии с ТУ. Пластически обжатые пряди (рис. 2.86) этих канатов обладают достоинствами описанных канатов типа ЛК-Р и ЛК-РО, работоспособ­ность их выше [24].

Канаты типа ТК (расчалочные, различные поддержи­вающие, тормозные и др.) допускаются для эксплуата­ции в ненапряженных условиях при незначительных знакопеременных перегибах и пульсирующих нагрузках или их отсутствии.

Рис. 2.85. Крановые канаты с точечно-линейным касанием проволок: а— конструкции 1+6+9+9 с одинаковым диаметром проволок; б — конструкции I+3/3+6/6+18, имеющей в слоях проволо­ки разных и одинаковых диаметров

Рис. 2.86. Крановые канаты с пластически обжатыми прядями типа

Рекомендации для выбора канатов для грузоподъемных машин. При выборе кана­тов для грузоподъемных машин первоначально иссле­дуют технологические и эксплуатационные факторы, влияющие на долговечность каната и, учитывая изло­женные рекомендации, задаются рациональной конструк­цией каната. Но при этом обязательно следует сохранять необходимые соотношения D_б/d_K, а также необходимый запас прочности для обеспечения безаварийной рабо­ты [20].

Если отношение D_б/d_K будет уменьшать долговечность, то следует выбирать канат такой конструкции, при кото­рой возможно использование блоков (барабанов) срав­нительно малых диаметров.

При одинаковых запасах прочности наибольшей долго­вечностью обладают канаты маркировочной группы σ_в = = 1666—1764 МПа (170—180 кгс/мм²), которые рекомен­дуются для применения на грузоподъемных кранах.

Марку каната (проволоки) выбирают в зависимости от назначения машины и условий эксплуатации. Канаты марки II для кранов нежелательны. В районах с холод­ным климатом для работы при температуре — 50° С и ниже следует применять канаты с большим запасом пластичности, т. е. канаты марки В; в районах с холод­ным (до —35° С) и умеренным климатом — канаты мар­ки I. При работе канатов в условиях повышенных тем­ператур (+200÷250° С) необходимо применять канаты с асбестовым (или металлическим) сердечником.

В усло­виях повышенной влажности необходимо применять ка­наты с защитным оцинкованным покрытием или специ­альные канаты с алюминиевой протекторной защитой. Срок службы канатов из оцинкованной проволоки при низкой температуре (до —50⁰) в 2—2,5 раза меньше сро­ка службы их при +20° С. При низких температурах создается концентрация напряжений и зарождение уста­лостных трещин на поверхностях проволок, а это приво­дит к снижению срока службы канатов [25].

Номенклатура крановых канатов. По назначению стальные крановые канаты подразделяют на грузовые (подъемные), стреловые, вантовые, несущие, тяговые и чалочные.

Грузовые канаты применяют для подъема груза раз­личными кранами, а также на экскаваторах. На двух- и четырехканатных грейферных кранах грузовые канаты поддерживают груз и замыкают грейфер. Поэтому кана­ты грейферных кранов разделяют еще на поддержива­ющие и замыкающие. На одноканатном грейферном кра­не замыкание грейфера и поддержание груза осущест­вляется одним канатом.

Грузовые канаты при работе подвергаются сложной нагрузке: растяжению, чередующемуся перегибу, вибра­ции, контактным напряжениям. Поэтому они должны быть высокой прочности при наименьшем диаметре кана­та, иметь большую гибкость, сопротивляемость внешне­му и внутреннему изнашиванию проволок, воспринимать динамические нагрузки; противостоять усталостным на­пряжениям от повторных знакопеременных перегибов на блоках (барабане) и абразивному изнашиванию; обла­дать достаточно высокой работоспособностью (долговеч­ностью).

Для кранов тяжелого и среднего режима работы и экскаваторов рекомендуется выбирать канаты с линей­ным касанием проволок в пряди. При отношении (D_б/d_к)>25 целесообразно выбирать конструкцию кана­та 6х19+1 о. с, т. е. с большим диаметром проволок в пряди; при меньшем отношении D_б/d_K можно рекомен­довать канаты более гибкие, например, 6х37+1 о. с; 6х36+1 о. с.

При многослойной навивке каната на ба­рабан рекомендуется применять канаты с металлическим сердечником, для металлургических кранов — с асбесто­вым сердечником. Наибольшее применение нашли кана­ты с органическим (ГОСТ 2688—80, ГОСТ 7668—80, ГОСТ 7665—80) и металлическим (ГОСТ 7669—80, ГОСТ 7667—80) сердечниками.

Хорошие эксплуатационные показатели на подъемных установках имеют канаты из пластически обжатых пря­дей, изготовляемые со знаком качества по ТУ 14-4-1070— 80. Промышленные испытания подтвердили преимущест­ва этих канатов: при одном и том же диаметре каната на 8—12% увеличивается их разрывное усилие (путем повышения степени заполнения площади поперечного сечения металлом), снижаются контактные напряжения и уменьшается истирание проволок в прядях по винтовым полосовидным поверхностям. Срок службы канатов типа ПК повышается в 1,25—1,5 раза [24].

Применение канатов типа ТК в качестве грузовых не желательно, так как они имеют работоспособность в 1,5—2 раза меньшую, чем канаты типов ЛК, ТЛК, ПК.

В качестве грузовых следует рекомендовать канаты типа ТЛК (ГОСТ 7665—80) с органическим сердечником. Диаметры основных типов этих канатов такие же, как у канатов по ГОСТ 3071—74, что позволяет заменять их канатами типа ТЛК.

В морских и речных портах в качестве грузовых ка­натов применяли свыше 20 конструкций канатов, выпу­щенных в соответствии с ГОСТами, действовавшими до 1980 г. [18, 19].

В результате наблюдений, анализа их работы можно сделать вывод, что канаты по ГОСТ 2688—69, ГОСТ 7668—69 имеют большую наработку на отказ.

Для канатов, используемых на портальных, плавучих и других кранах (в морских и речных условиях работы), следует учитывать дополнительное требование — подъем­ные канаты должны изготовлять (поставлять) из про­волок с цинковым покрытием С, Ж вследствие того, что эти канаты подвергаются воздействию агрессивной среды (морской и речной воды), а на кранах, работа­ющих в химически активных сферах, — из проволок с цинковым покрытием ОЖ.

Для автомобильных, пневматических, гусеничных и же­лезнодорожных кранов, имеющих блоки малого диамет­ра, можно рекомендовать канаты двойной (крестовой) свивки, изготовленные по ГОСТ 2688—80, ГОСТ 7668—80, ГОСТ 3079—80, ГОСТ 3077—80, ГОСТ 7665—80, ГОСТ 7669—80.

ВНИИПТМАШ в механизмах подъема груза мостовых и козловых кранов ограничивает номенклатуру канатов (РТМ 24.090.59-80) двумя конструкциями: канатами, изготовляемыми в соответствии с ГОСТ 2688—80 и ГОСТ 7668—80 (предпочтительно).

При многослойной навивке на барабан, а также для кранов, работающих с расплавленным или раскаленным металлом и жидким шлаком, РТМ 24.090-59—80 рекомендуется применение канатов с металлическим сердечником (ГОСТ 7669—80).

В одноковшовых экскаваторах, где на канат действуют большие динамические нагрузки и абразивность среды, а также большие усилия в поперечном направлении при многослойной навивке на гладкие барабаны, желательно применять канаты, обладающие большой поперечной жесткостью в сочетании с гибкостью — канаты односто­ронней свивки (ГОСТ 7669—80, ГОСТ 7668—80, ГОСТ 7667—80 и др.).

При многослойной навивке на барабаны и на установ­ках со шкивами трения [23, 33] при больших концевых нагрузках и сильном абразивном изнашивании рекомен­дуется применять трехграннопрядные канаты (ГОСТ 3085—80). Эти канаты отличаются большим К_пл и боль­шой опорной поверхностью, но имеют недостатки — по­вышенную жесткость каната и трудоемкость изготовле­ния.

Канаты тройной свивки (ГОСТ 3089—80), хотя и обладают большой гибкостью, но применять их в качест­ве грузовых на ПТМ не рекомендуется. Их применяют, когда основным эксплуатационным требованием являет­ся гибкость и упругость каната, а его прочность и опор­ная поверхность не имеют решающего значения (букси­ровочные, швартовочные и другие канаты).

Многопрядные канаты двойной свивки (ГОСТ 3088—80) обеспечи­вают надежную и долговечную работу на механизмах со свободным подвешиванием груза. Большая опорная по­верхность и небольшое давление на наружные проволо­ки повышают работоспособность этих канатов.

Канаты тройной свивки применяют в качестве вантовых, но известны случаи применения их на порталь­ных кранах в качестве грузовых. Эти канаты как грузо­вые широкого распространения пока не имеют, так как склонны к расслоению и трудоемки в обслуживании (сложность заплетки, наблюдения за состоянием вну­тренних слоев и т. п.).

В конкретных паспортных данных грузоподъемного крана могут быть другие рекомендации по выбору кон­струкции каната для механизмов, однако при отсутствии таковых во время выбора канатов необходимо руковод­ствоваться приведенными соображениями. Предпочти­тельная номенклатура крановых грузовых канатов даётся в справочных таблицах.

Стреловые канаты, устанавливают на механизмах из­менения вылета стрелы с полиспастным исполнительным механизмом. К ним можно отнести также канаты под­вижных противовесов, уравновешивающих стрелу у пор­тальных кранов. Стреловые канаты при работе испыты­вают комплексные нагрузки, так как не только поддер­живают стрелу с грузом. У большинства конструкций автомобильных, железнодорожных и других кранов с по­мощью этих канатов изменяется вылет стрелы.

Стреловые канаты механизмов изменения вылета, как правило, имеют многоблочную подвеску, что увеличи­вает число перегибов каната в одном цикле. Поэтому эти канаты, как и грузовые, должны иметь, кроме опреде­ленной прочности, достаточную гибкость, хорошо проти­востоять внешнему и внутреннему изнашиванию про­волок.

Приведенные рекомендации по выбору грузовых кана­тов распространяются и на стреловые канаты кранов.

Вантовые канаты применяют на гибких стреловых от­тяжках портальных, башенных консольных кранов, гру­зовых стрел и мачт. К этим канатам предъявляют высо­кие требования по прочности и коррозионной стойкости. Как правило, вантовые канаты при работе не перекаты­ваются по блокам или криволинейным направляющим. Хорошие эксплуатационные показатели имеет также многопрядный канат двойной свивки (ГОСТ 3088—80). Срок службы его в 1,5—2 раза больше срока службы канатов других конструкций.

Для канатных оттяжек шарнирно-сочлененных укосин с профилированным гуськом (т. е. при чередующемся перегибе) рекомендуются канаты такие же, как и для грузовых канатов при одинарной свивке.

В качестве Байтовых также используют спиральные канаты с точечным касанием проволок (ГОСТ 7675—73, ГОСТ 7676—73), многопрядный канат с линейным каса­нием проволок (ГОСТ 7681—80).

Несущие канаты применяют в основном на кабельных кранах и канатных подвесных дорогах. Эти канаты под­вергаются большому натяжению и прогибу под дей­ствием силы тяжести катков грузовых устройств, поэто­му они должны быть очень прочными. Лучшими канатами для стационарных канатных дорог, а также стацио­нарных и других кабельных кранов являются спи­ральные закрытые канаты (ГОСТ 3090—73, ГОСТ 7675—73) и многопрядный канат (ГОСТ 7681—80). Эти канаты обладают повышенными коэффициентом К_пл и опорной поверхностью при сравнительно малых упругих и остаточных удлинениях в процессе их эксплуатации.

Для воздушно-трелевочных установок и трелевочно-по­грузочных машин в качестве несущих рекомендуются стальные трехграннопрядные канаты (ГОСТ 3085—80) и канаты с линейным касанием проволок (ГОСТ 7668—80 и ГОСТ 2688—80). Можно использовать и канаты дру­гих конструкций с большой плотностью поперечного се­чения.

Тяговые канаты служат для передачи тягового усилия на большие расстояния на подвесных канатных дорогах, трелевочных установках, а также на козловых и кабель­ных кранах некоторых типов. Обычно эти канаты изна­шиваются о поддерживающие ролики, блоки или в от­дельных случаях при трении о грунт. Тяговые канаты должны иметь большую гибкость, прочность, хорошо противостоять внешнему трению, воздействию коррозии и поперечному сдавливанию. Для передачи тягового усилия с многократным перегибом на блоках и барабане следует выбирать канаты, так же как и грузовые и от­давать предпочтение канатам с линейным касанием про­волок в пряди.

Для трелевочных установок можно выбирать тяговые канаты по действующим стандартам (ГОСТ 2688—80 ГОСТ 7668—80, ГОСТ 7665—80 и др.).

Чалочные канаты используют для буксиров, шварто­вых, якорных устройств на плавучих кранах, а также на лесосплаве. Чалочные канаты работают в основном на растяжение и должны обладать хорошей гибкостью и коррозионной стойкостью. Следует выбирать канаты оцинкованные. Можно применять новые и бывшие в упо­треблении канаты линейного и точечного касания с большим числом проволок в канате или многопрядные (имеющие большую гибкость). Рекомендуются конструк­ции канатов 6х37+1 о. с, 6х36+1 о. с. и др. Диаметр чалочного каната надо выбирать расчетным путем. Эти же канаты могут быть рекомендованы для изготовления грузозахватных приспособлений, например, стропов, под-стропников.

Для трелевки хлыстов и деревьев применяют чеке­ры — разновидность стропов. Предпочтительные кон­струкции канатов для них выбирают по ГОСТ 7668—80, ГОСТ 3071—74, ГОСТ 7665—80 [16]. Диаметр и длину рассчитывают исходя из грузоподъемности каната или его тягового усилия. Как правило для чокеров приме­няют канаты диаметром 12,5—15,5 мм, для тракторов — тяговые канаты диаметром 20—22,5 мм с временным со­противлению разрыву проволок σ_в=1372 МПа (140 кгс/мм²). Опыт эксплуатации показывает, что ка­наты таких параметров (разрывное усилие 70—100 кН для чокеров, 170—180 кН для тяговых) работают на пре­деле, без запаса прочности [16]. Увеличение же диаметра каната нежелательно, так как увеличиваются на 20— 25% масса каната и, что очень нежелательно, его жест­кость. Для повышения прочности каната при одних и тех же его диаметрах целесообразно выбирать канаты с σ_в= 1666-1764 МПа (170-180 кгс/мм²) марки I из оцинкованной проволоки для средних агрессивных усло­вий работы (С), крестовой и нераскручивающейся свив­ки. Наименьшей работоспособностью на трелевке леса обладают жесткие канаты типа ЛК-Р (ГОСТ 2688—80). У канатов типа ЛК-РО (ГОСТ 7668—80) срок службы в указанных условиях в 1,5—2 раза больше чем у кана­тов типа ЛК-Р.

В последние годы на трелевке леса находят примене­ние экспериментальные комбинированные канаты типа капрон — сталь. Эти канаты имеют хорошую гибкость и очень удобны в эксплуатации.