ОДЕСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
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 ступеня
кандидата технічних наук
ОДЕСА – 1998
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті.
Науковий керівник: доктор техн.наук, проф. Чаюн Іван Михайлович,
Одеський державний політехнічний університет, професор кафедри ДММ і ОМ.
Офіційні опоненти: доктор техн.наук, проф.Коковіхін Юрій Іванович. Науковий консультант обєднання “Укрметиз”,канд.техн.наук, доцент Ухов Олександр Васильович, Одеський державний політехнічний університет, доцент кафедри ПТРО.
Провідна установа:Одеський державний морський університет.
Захист відбудеться 8 грудня 1998 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.05 при Одеському державному політехнічному університеті (270044. Одеса-44, проспект Шевченка, 1).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Одеського державного політехнічного університету.
Автореферат розісланий 6 листопада 1998 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор тех. наук, професор. 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 Держнагохоронтруда 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 як 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 коефіцієнтів 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 сталок і вирівнювання (регулювання) їх 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 неразрушающего 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 друкованих працях здобувача. З них 6 статей і 2 патента на винахід.
Структура і обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів та висновків загальним обсягом 149 сторінок машинописного тексту, 21 ілюстрації, 20 таблиць, списку використаних джерел (95 назв).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі і першому розділі обгрунтовано актуальність теми дисертації, приведено літературний огляд в області теоретичного та експериментального дослідження напружно-деформованого стану канатів. Відносно експериментальних методів констатується помилковість тих досліджень, в яких вимір зусиль в елементах виконувався при змінених співвідношеннях їх жорсткостей. Причина помилок полягає в тім, що не врахована особливість канатів як статично невизначуваних конструкцій, в котрих розподіл зусиль залежить від співвідношення жорсткостей елементів.
Далі проведено аналіз відомих методів визначення міцнісних характеристик канатів при розтязі та розтязі з крученням, сформульовано ціль і задачі дисертаційної роботи. Вони підпорядковані головному висновку: усі міцнісні характеристики канатів зручно обраховувати за такою формулою
_ EMBED Equation.2 ___, (1)
де _ EMBED Equation.2 ___ – коефіцієнт несучої здатності каната, залежний від типу конструкції та схеми навантаження, котрий повинен уточнити (замінити) величину 0.83, запропоновану існуючими Правилами;
_ EMBED Equation.2 ___ – сумарне розривне зусилля дротин каната.
У другому розділі “Розривне зусилля канатів та коефіцієнт несучої здатності при розтязі в напрямних” проаналізовано фактори, що впливають на розривне зусилля канатів, уточнено прямий та розроблено кінематичний метод обчислення _ EMBED Equation.3 ___, а через нього і коефіцієнта _ EMBED Equation.2 ___. Розрахункова схема побудована на наступних вихідних передумовах:
1. За крітерій вичерпання несучої здатності каната прийнято такий його граничний стан, за яким дротини одного або декількох елементів досягають рівномірної граничної деформації
_ EMBED Equation.3 ___, n=1, 2, …, s, (2)
де _ EMBED Equation.3 ___- необхідна деформація n-го елемента;
_ EMBED Equation.3 ___- рівномірна гранична деформація дроту цього елемента;
s- кількість елементів каната.
2. Під елементом каната розуміємо групи дротин, що мають геометричну, фізичну та силову симетрію в його поперечному перерізі. Взагалі елементом може бути кожна окрема дротина каната.
3. Вважаємо, що дротини знаходяться в природно ненапруженому стані.
4. Розглядаючи механіку деформування дротин елементів, використовуємо гіпотезу 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
_ EMBED Equation.2 ___, (3)
Тут _ EMBED Equation.3 ___ та _ EMBED Equation.3 ___, _ EMBED Equation.3 ___ – в відносному вимірі нормальна сила в перерізах елементів та їх кути звивки з урахуванням зміни в граничному стані каната
_ EMBED Equation.2 ___ (4)
де _ EMBED Equation.3 ___ – деформація розтягу дротин елемента за усі t інтервалів деформування каната.
Для елементів, котрим даний інтервал є останнім пружним
_ EMBED Equation.3 ___. (5)
Збільшення деформацій останніх елементів
_ EMBED Equation.3 ___, (6)
де _ EMBED Equation.2 ___; _ EMBED Equation.2 ___;_ EMBED Equation.2 ___;_ EMBED Equation.2 ___; _ EMBED Equation.2 ___;_ EMBED Equation.2 ___- коефіцієнти деформації елементів за роботами М.Ф.Глушко та І.М.Чаюна;
_ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.2 ___ і т.д. алгебраїчні доповнення матриці жорсткості (24) каната.
Якщо, наприклад із-за k-го елемента, останній m-ий інтервал буде неповний, то
_ EMBED Equation.2 ___. (7)
Якщо на останньому (s+1)-му інтервалі усі елементи деформуються з модулем зміцнення _ EMBED Equation.3 ___
_ EMBED Equation.2 ___. (8)
де _ EMBED Equation.2 ___; _ EMBED Equation.2 ___ – рівномірна гранична деформація дротин відповідних елементів.
Коефіцієнт несучої здатності канатів, який буде однаковим для одного конструктивного типу,
_ EMBED Equation.3 ___. (9)
Одержана також приблизна формула
_ EMBED Equation.2 ___, (10)
де _ EMBED Equation.3 ___ – рівномірна гранична деформація дротин k-го елемента, який із-за невиконання умови (2) зумовлює граничний стан каната; _ EMBED Equation.3 ___ та _ EMBED Equation.3 ___ – вихідні кути звивки, без урахування їх зміни.
В розглянутому прямому методі механіка пружно-пластичного деформу-вання каната і обчислення його несучої здатності немов би відкриті для огляду послідовністю формул (5), (6), (7) або (8), (4), (3). При цьому рахівник безпосередньо сам повинен аналізувати крітерій (2) і виявляти елемент, зумовлюючий 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 усім елементам. Дійсним граничним станом буде той, якому відповідає мінімальне значення
_ EMBED Equation.3 ___. (11)
Тут _ EMBED Equation.3 ___ – збільшення розтягуючого зусилля за n-ий інтервал деформування каната
_ EMBED Equation.3 ___, (12)
де U=1; 1.25; 1.5; 2.0; …; _ EMBED Equation.3 ___ – границі дільниць полігональної схематизації діаграм розтягу дротин елементів;
_ EMBED Equation.3 ___ – інтенсивність деформацій елемента, зумовлюючого закінчення n-го інтервалу деформування каната _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___- визначник матриці жорсткості (24) каната .
Коефіцієнт несучої здатності, котрий розповсюджується на усі канати одного конструктивного типу,
_ EMBED Equation.3 ___. (13)
Деформації каната за один інтервал: _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___.
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
_ EMBED Equation.3 ___. (14)
Тут _ EMBED Equation.3 ___ і _ EMBED Equation.3 ___ – збільшення деформацій розтягу при пружному деформуванні елемента:
_ EMBED Equation.3 ___ ; (15)
_ EMBED Equation.3 ___; (16)
_ EMBED Equation.3 ___; (17)
_ EMBED Equation.3 ___. (18)
Складова нормальної сили при пружно-пластичному деформуванні дротини елемента
_ EMBED Equation.3 ___ , (19)
де _ EMBED Equation.3 ___ – поздовжна жорсткість дротини
_ EMBED Equation.3 ___. (20)
На підставі (19) після інтегрування та перетворювання (рис.1)
_ EMBED Equation.3 ___. (21)
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 _ EMBED Equation.3 ___ одержано такий вираз
_ EMBED Equation.3 ___, (22)
де _ EMBED Equation.3 ___ – інтенсивність деформацій елемента, який обумовлює закінчення n-го інтервалу деформування каната
_ EMBED Equation.3 ___
Деформації каната в границях інтервалу:
_ EMBED Equation.3 ___ (23)
_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
_ EMBED Equation.3 ___, (24)
де _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___ – поздовжня, крутильна та згинні жорсткості; _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___ і т.д. – жорсткості впливу.
Кожна із жорсткостей
_ EMBED Equation.3 ___, k=j=1, 2, 3, 4, (25)
де U – питома потенційна енергія деформації каната; _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___.
Вирази жорсткостей, наприклад:
_ EMBED Equation.3 ___; (26)
_ EMBED Equation.3 ___, (27)
де _ EMBED Equation.3 ___; m – кількість дротин в одному елементі.
Тут на відміну від роботи І.М.Чаюна при визначенні жорсткостей _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___ та _ EMBED Equation.3 ___ дротин в стадіі пружно-пластичного деформування використана полігональна та ступенчата схематизація. Полігональна закладалася діаграмою деформування дроту, а суть ступенчатої видно із рис.2. При цьому кожна із жорсткостей матриці (24) визначається сумою трьох додатків
_ EMBED Equation.3 ___, (28)
де _ EMBED Equation.3 ___ – число елементів, що деформуються пружно-пластично при відповідних жорсткостях _ EMBED Equation.3 ___ , _ EMBED Equation.3 ___, _ EMBED Equation.3 ___; _ EMBED Equation.3 ___ – число елементів, які деформуються в зоні зміцнення при відносних жорсткостях _ EMBED Equation.3 ___.
Використання вказаної схематизації підвищує точність розрахункової схеми при розтязі каната вільно підвішеним вантажем на 10…15%
_В четвертому розділі “Експериментальні дослідження” приведені розроблені методики лінійної на полігональної схематизації діаграм деформування дроту.
Описані особливості конструкції та технології виготовлення сталок і канатів для дослідних зразків з гарантованим рівно-мірним натягом еле-ментів та з свідомо від-мінним натягом. Дос-лідні сталки 1+6+12 звивались із дроту діаметром 1 мм з гра-ницями міцності 1400, 1800 Мпа і рівномір-ною граничною дефор-мацією _ EMBED Equation.3 ___ відповідно 0.024; 0.015. Варіюван-ням дроту з такими характеристиками в шарах та кутами звивки внутрішнього шару _ EMBED Equation.3 ___ (в зовнішньому шарі _ EMBED Equation.3 ___) забезпечено 8 видів зразків. Ще для двох зразків були звиті сталки з якомога низьким рівнем натяжіння трьох дротин в зовнішньому шарі, а останні 9 з натяжінням близьким до гранично можливого. Із сталок з рівномірним натяжінням дротин були звиті канати 6(19(1+6+12)+о.с. Вони пішли на виготовлення 8 зразків канатів з рівномірним натяжінням сталок та 3 зразків з одною прослабленою сталкою.
Кожен зразок мав вихідну довжину 1.8 м. Одну частину зразка довжиною 1 м розплітали на складові дротини і шляхом їх розриву визначали сумарне розривне 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), (13) до 4%, за приблизною (10) не більше 6.3%; для сталок з нерівномірним натяжінням при розрахунках за формулою (13) 5.9…6.1%; для 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.3. Тут розбіжність на перевищує 5%.
_Проведені випробування на витривалість показали, що як сталки, так 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 інтегрує 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 3 розділах. Спочатку чисельною перевіркою встановлено, що розрахункова схема методів мало чутлива до зміни (точності визначення) вихідних експериментальних даних: параметрів діаграм розтягу дроту (модуль пружності E = (1.7…2.1) ( 105 МПа, відносна границя текучості _ EMBED Equation.3 ___); коефіцієнтів, пов’язаних зі згинною жорсткістю сталок та поперечним звуженням.
Вплив рівномірної граничної деформації дроту в інтервалі _ EMBED Equation.3 ___ на зміну коефіцієнта несучої здатності каната при розтязі в напрямних не перевищує 1%, якщо _ EMBED Equation.3 ___. При вільному розтязі вплив значніший. Його інтенсивність підвищується зі збільшенням ступеня неврівноваженості каната за крученням. Для повністю неврівноважених при зменшенні _ EMBED Equation.3 ___ від 0.025 до 0.015 _ EMBED Equation.3 ___ зменшується на 20%.
Установлено, що використанням полігональної схематизації діаграм розтягу дроту замість лінійної, значно на 17…19%, підвищується точність розрахунку _ EMBED Equation.3 ___ 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
_ EMBED Equation.3 ___, (29)
де _ EMBED Equation.3 ___ та _ EMBED Equation.3 ___ – натяжіння та поздовжня жорсткість дротин; m і k – кількість шарів і дротин в шарі.
Використовуючи (29), залишкові силові фактори, тобто крутячий _ EMBED Equation.3 ___ та згинаючі моменти _ EMBED Equation.3 ___ і _ EMBED Equation.3 ___ в перерізі каната, визначаються за формулами М.Ф.Глушко. Аналіз показує, що ці фактори можуть дорівнювати нулю в таких випадках: в усіх дротинах _ EMBED Equation.3 ___; залишкові зусилля _ EMBED Equation.3 ___, але мається таке співвідношення зусиль, при якому забезпечується нульові значення факторів; _ EMBED Equation.3 ___ може дорівнювати нулю при визначеному сполученні напрямків звивки дротин в сталках.
Застосування першої умови до виразу (29) показує, що однакові натяжіння дротин _ EMBED Equation.3 ___ не забезпечують в них нульові залишкові зусилля. Тільки в окремому випадку, коли EF та _ EMBED Equation.3 ___ при постійному натяжінні будуть відсутніми залишкові зусилля. Одержані залежності дозволяють визначати натяжіння дротин, за якими будуть допустимі значення залишкових факторів, наприклад, з точки зору збереження прямолінійності відрізків каната.
Нерівномірність звивального натяжіння елементів робить разтяг каната нецентральним. Через це з’являются деформації згину _ EMBED Equation.3 ___ та _ EMBED Equation.3 ___, які додають нерівномірність деформацій розтягу дротин в канаті. А це, в разі обмеженості рівномірної граничної деформації дроту _ EMBED Equation.3 ___, 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 меньшому рівні нерівномірності натяжіння. Так, для сталки 1+6+12 з трьома прослабленими дротинами в зовнішньому шарі і для каната 6(19+о.с. з одною прослабленою сталкою при умовному запасі міцності 9, дійсний запас міцності, обчислений як відношення границі міцності дроту 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 напружного стану дротин встановлено, що найбільш несприятливим є післязвивальний стан. А самим сприятливим як для статичної, так і циклічної міцності є природно ненапружений стан. Вичерпні дослідження цього фактора являють собою вельми об’ємну задачу гідну окремої самостійної роботи. Найбільш наближає післязвивальний 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 має 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. Для схеми розтягу в напрямних одержано умову конструювання рівноміцного каната за таким критерієм. Ця умова з’єднує кути звивки каната та механічні характеристики дротин таким співвідношенням
_ EMBED Equation.3 ___, (30)
де _ EMBED Equation.3 ___ – рівномірна гранична деформація дротин; _ EMBED Equation.3 ___ – кути звивки i-го елемента в його j-му порядку звивки; n=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 заявка 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-деформований 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 звивального 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 (їх 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 1…11%. Причому тільки у восьми випадках розбіжність дорівнює 6…11%, а в останніх не перевищує 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 сталках при їх згині, на підставі експериментальних даних згинної жорсткості сталок. Обчислені такі коефіцієнти для основних типів сталок.
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 нецент-рального розтягу. В такому стані крім поздовжньої та крутильної деформації він одержує просторовий згин. 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 сталок 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. политехн. 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. политехн. ун-та, 1997, Вып.1.- С.98-100.
3. Патент на винахід 15916 Україна, 5D07B7/16. Універсальний пристрій для одночасного вирівнювання натягу і деформації пасом при скручуванні каната / Сєдаков Д.В., Сєргєєв С.Т., Чаюн І.М. Видано 30.06.97 Бюл.№3
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, 6F1G9/00. Канат рівноміцний / Сєдаков Д.В., Чаюн І.М., Донцов Ю.Г. Видано 16.06.98.
Особистий внесок здобувача в працях опублікаваних з співавторами – ана-літичні 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 спеціальністю 05.05.05 – піднімально-транспортні машини.- Одеський державний політехнічний університет, Одеса, 1998.
Подана розробка кінематичного методу обчислення міцнісних характеристик стальних канатів при розтязі та крученні з урахуванням впливу конструктивних і технологічних факторів, в тому числі, нерівномірності звивального натяжіння елементів, а також механічних властивостей дроту. Для основних типів канатів одержані коефіцієнти несучої здатності, які дозволяють точно обчислювати міцнісні характеристики каната за сумарним розривним зусиллям його дроту. Показані шляхи підвищення характеристик статичної і циклічної міцності канатів. Запропонована конструкція універсального пристрою, який виконує одночасне вирівнювання натяжіння сталок і їх преформацію при звивці канатів, що забезпечує підвищення коефіцієнтів несучої здатності. Наведено принцип конструювання статично рівноміцних канатів при розтязі.
Ключові слова: канат стальний, міцність, несуча здатність, деформування пружно-пластичне, жорсткість.
АННОТАЦИЯ
Седаков Д.В. Повышение агрегатной прочности стальных канатов. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.05 – подъемно-транспортные машины.- Одесский государственный политехнический университет, Одесса, 1998.
Представлена разработка кинематического метода вычисления прочностных характеристик стальных канатов при растяжении и кручении с учетом влияния конструктивных и технологических факторов, в том числе, неравномерности свивочного 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.V. 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.
_PAGE _
_PAGE _22_
_PAGE _v_
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
