Введение

Металлический трос

Стальной трос состоит как минимум из двух цельных металлических проволок, скрученных в спираль, образующую композитный трос, известную как витая веревка. Тросы большего диаметра состоят из нескольких прядей такой витой веревки, образующих конструкцию, известную как многопрядный трос. Изготавливаются на промышленной машине, называемой плетельным станком (стрендером), где проволоки пропускаются через ряд барабанов и скручиваются в окончательную композитную ориентацию. В строгом смысле термин «стальной трос» относится к диаметру более 0,5 дюйма, а меньшие размеры обозначаются как кабели или корды. Первоначально использовались проволоки из ковкого железа, но сегодня сталь является основным материалом для изготовления стальных тросов. Исторически стальной трос произошел от цепей из ковкого железа, которые часто подвергались механическим разрушениям. В то время как дефекты в звеньях цепи или цельных стальных стержнях могут привести к катастрофическому разрушению, дефекты в проволоках, составляющих стальной трос, менее критичны, поскольку другие проволоки легко принимают на себя нагрузку. Хотя трение между отдельными проволоками и прядями вызывает износ в течение срока службы троса, оно также помогает компенсировать незначительные повреждения в краткосрочной перспективе. Разработка стальных тросов началась с применений в подъемных механизмах шахт в 1830-х годах. Стальные тросы используются динамически для подъема и перемещения грузов в кранах и лифтах, а также для передачи механической энергии. Стальной трос также используется для передачи усилия в механизмах, таких как трос Боудена или органы управления самолетом, соединенные с рычагами и педалями в кабине пилота. Только авиационные тросы имеют сердечник из витых проволок (WSC). Кроме того, авиационные тросы доступны в меньших диаметрах, чем стальные тросы. Например, авиационные тросы доступны диаметром, в то время как большинство стальных тросов начинаются с диаметра. Статические стальные тросы используются для поддержки конструкций, таких как подвесные мосты, или в качестве растяжек для поддержки мачт. Канатная дорога использует стальной трос для поддержки и перемещения грузов по воздуху.

История

Современная стальная проволока была изобретена немецким горным инженером Вильгельмом Альбертом в период с 1831 по 1834 год для использования в горнодобывающей промышленности в горах Гарц в Клаустале, Нижняя Саксония, Германия. Она быстро получила признание, поскольку превосходила по прочности канаты из пеньки или металлические цепи, которые использовались ранее. Первые образцы проволоки Вильгельма Альберта состояли из трех прядей, каждая из которых содержала четыре проволоки. В 1840 году шотландец Роберт Стирлинг Ньюолл усовершенствовал этот процесс. В Америке стальную проволоку начал производить Джон А. Роблинг с 1841 года. Компания Lehigh Coal & Navigation Company (LC&N Co.), как и в случае с первыми доменными печами в долине Лехай, построила завод по производству стальной проволоки в Джим Торпе, штат Пенсильвания, в 1848 году. Этот завод обеспечил подъемные тросы для проекта Ashley Planes, а затем для обратных наклонных плоскостей железной дороги Summit Hill & Mauch Chunk, повысив её привлекательность как ведущего туристического направления и значительно увеличив пропускную способность угля, сократив время возврата вагонеток с почти четырех часов до менее чем 20 минут. Последующие десятилетия характеризовались бурным ростом глубокой шахтной добычи как в Европе, так и в Северной Америке, поскольку поверхностные минеральные месторождения истощались, и шахтерам приходилось разрабатывать пласты вдоль наклонных слоев. Это был ранний период развития железных дорог, и паровым двигателям не хватало достаточной тяги для подъема на крутые склоны, поэтому широко использовались наклонные железные дороги. Это ускорило развитие кабельных подъемников в Соединенных Штатах, поскольку поверхностные залежи в Антрацитовом угольном регионе на севере и юге с каждым годом становились глубже, и даже богатые месторождения в долине Пантер-Крик потребовали от LC&N Co. прокладки первых шахт в нижние склоны, начиная с Лансфорда и его побратима в округе Шкуйлкилл, Коалдейла. Немецкая инженерная фирма Adolf Bleichert & Co. была основана в 1874 году и начала строить двухкабельные воздушные трамваи для горнодобывающей промышленности в Рурской области. Благодаря важным патентам и десяткам функционирующих систем в Европе, Bleichert доминировала в мировой отрасли, позже лицензируя свои проекты и технологии производства Trenton Iron Works в Нью-Джерси, США, которая строила системы по всей Америке. Adolf Bleichert & Co. построила сотни воздушных трамваев по всему миру: от Аляски до Аргентины, Австралии и Шпицбергена. Компания Bleichert также построила сотни воздушных трамваев для Императорской немецкой армии и Вермахта. В конце XIX века системы стальной проволоки использовались для передачи механической энергии, в том числе для новых канатных дорог. Системы стальной проволоки стоили в десять раз дешевле и имели меньшие потери на трение, чем приводные валы. Благодаря этим преимуществам системы стальной проволоки использовались для передачи энергии на расстояние в несколько миль или километров.

Провода

Стальные проволоки для стальных канатов обычно изготавливаются из углеродистой стали без легирующих добавок с содержанием углерода от 0,4 до 0,95%. Очень высокая прочность проволок позволяет стальным канатам выдерживать большие растягивающие усилия и работать с блоками относительно малого диаметра.

Шнуры

В так называемых перекрестных прядях провода разных слоев пересекаются друг с другом. В наиболее часто используемых параллельных прядях длина навивки всех слоев проволоки одинакова, а провода любых двух наложенных слоев параллельны, что обеспечивает линейный контакт. Провод внешнего слоя опирается на два провода внутреннего слоя. Эти провода являются соседними по всей длине пряди. Параллельные пряди изготавливаются за одну операцию. Долговечность стальных канатов с такими прядями всегда значительно выше, чем у тех (редко используемых) с перекрестными прядями. Параллельные пряди с двумя слоями проволоки имеют конструкцию Filler, Seale или Warrington.

Спиральные канаты

В принципе, спиральные канаты представляют собой круглые пряди, поскольку состоят из нескольких слоев проволок, уложенных по спирали вокруг центра, при этом как минимум один слой проволок уложен в направлении, противоположном внешнему слою. Спиральные канаты могут быть сконструированы таким образом, чтобы не вращаться, то есть при натяжении крутящий момент канатов близок к нулю. Открытый спиральный канат состоит исключительно из круглых проволок. Канат с полузакрытой и полностью закрытой спиралью всегда имеет центральную часть из круглых проволок. Канаты с закрытой спиралью имеют один или несколько внешних слоев проволок специального профиля. Их конструкция обладает преимуществом в большей степени предотвращать проникновение грязи и воды, а также защищает от потери смазки. Кроме того, они имеют еще одно важное преимущество: при правильных размерах концы оборванной внешней проволоки не могут выйти из каната.

Натяжные веревки

Пряденные канаты состоят из нескольких прядей, уложенных по спирали в один или несколько слоев вокруг сердечника. Этот сердечник может быть одного из трех типов. Первый – волокнистый сердечник, изготовленный из синтетических материалов или натуральных волокон, таких как сизаль. Синтетические волокна прочнее и однороднее, но плохо впитывают смазку. Натуральные волокна могут поглощать до 15% своего веса в смазочных материалах и, таким образом, гораздо лучше защищают внутренние проволоки от коррозии, чем синтетические волокна. Волокнистые сердечники наиболее гибкие и эластичные, но легко сминаются. Второй тип – сердечник из проволочной пряди, состоящий из одной дополнительной проволоки, и обычно используется для подвесных конструкций. Третий тип – независимый проволочный сердечник (IWRC), который является самым прочным в любых условиях эксплуатации. Большинство типов пряденых канатов имеют только один слой прядей поверх сердечника (волокнистого или стального). Направление скрутки прядей в канате может быть правым (символ Z) или левым (символ S), а направление скрутки проволок – правым (символ z) или левым (символ s). Если направление скрутки проволок во внешних прядях противоположно направлению скрутки самих внешних прядей, такой канат называется канатом с обычным крестом. Если и проволоки во внешних прядях, и сами внешние пряди имеют одинаковое направление скрутки, канат называется канатом с длинным крестом (от голландского langslag, в отличие от kruisslag, ранее известного как Albert's lay или langs lay). Канат с регулярным крестом означает, что отдельные проволоки скручены вокруг центра в одном направлении, а пряди – вокруг сердечника в противоположном направлении.

Классификация по использованию

В зависимости от области применения, стальные канаты должны соответствовать различным требованиям. Основные области применения:

Бегущие канаты (многопрядные канаты) используются на шкивах и барабанах, поэтому в основном испытывают нагрузки на изгиб и, во вторую очередь, на растяжение. Стационарные канаты, вантовые канаты (спиральные канаты, чаще всего с полной укладкой) предназначены для восприятия растягивающих усилий и, следовательно, в основном подвергаются воздействию статических и переменных растягивающих напряжений. Канаты, используемые для подвески, часто называют тросами. Рельсовые канаты (канаты с полной укладкой) служат направляющими для роликов кабин или других грузов в канатных дорогах и подвесных кранах. В отличие от бегущих канатов, рельсовые канаты не повторяют кривизну роликов. Под действием силы, прикладываемой роликом, возникает так называемый свободный радиус изгиба каната. Этот радиус увеличивается (и напряжения на изгиб уменьшаются) с увеличением силы натяжения и уменьшается с увеличением силы, прикладываемой роликом. Стропы из стальных канатов (многопрядные канаты) используются для строповки различных грузов. Эти стропы испытывают растягивающие усилия, но прежде всего изгибающие напряжения при изгибе вокруг более или менее острых кромок груза.

Безопасность

Проволочные канаты испытывают воздействие переменных сил, изнашиваются, подвержены коррозии, и в редких случаях – экстремальным нагрузкам. Срок службы каната ограничен, и безопасность обеспечивается только посредством инспекций для выявления обрывов проволок на контрольном участке, потери сечения, а также других дефектов, чтобы канат мог быть заменен до возникновения опасной ситуации. Конструкция установок должна обеспечивать удобство проведения инспекций проволочных канатов. Подъемные установки для перевозки пассажиров требуют применения комбинации нескольких методов для предотвращения падения кабины. Лифты должны быть оснащены дублирующими несущими канатами и предохранительным устройством. На канатах дорог и подъемных машинах шахт должен постоянно осуществляться надзор со стороны ответственного лица, а канаты должны проверяться магнитным методом, способным обнаруживать внутренние обрывы проволок.

Прекращение

Конец стального каната имеет тенденцию легко распушиваться и его сложно надежно соединить с оборудованием и установками. Существуют различные способы закрепления концов стальных канатов для предотвращения распушивания. Распространенный и полезный тип концевой оснастки для стального каната – это загиб конца обратно для формирования петли. Затем свободный конец фиксируется на самом канате. Эффективность закрепления варьируется от примерно 70% для простой петли (фламандского глаза); до почти 90% для петли и расплётки; до 100% для залитых концов и опрессовок.

Пятна

Когда стальной трос заканчивается петлей, существует риск его чрезмерного изгиба, особенно при соединении петли с устройством, концентрирующим нагрузку на относительно небольшой площади. Для сохранения естественной формы петли и защиты троса от пережатия и истирания изнутри петли, внутрь нее можно установить втулку. Использование втулок в петлях является общепринятой отраслевой практикой. Втулка предотвращает непосредственный контакт нагрузки с прядями троса.

Клипсы для проволочных канатов

Клипса для стального троса, иногда называемая зажимом, используется для фиксации свободного конца петли к тросу. Обычно она состоит из U-образного болта, кованой муфты и двух гаек. Два слоя троса помещаются в U-образный болт. Затем муфта надевается на болт поверх тросов (муфта имеет два отверстия для крепления к U-образному болту). Гайки фиксируют конструкцию. Для закрепления конца стального троса обычно используется два или более клипсы, в зависимости от диаметра троса. Для троса определенного диаметра может потребоваться до восьми клипс. Мнемоническое правило "никогда не седлай мертвого коня" означает, что при установке клипсы муфта должна располагаться на несущей, или "живой" стороне троса, а не на неподвижной, или "мертвой" стороне. Это необходимо для защиты несущего, или испытывающего нагрузку, конца троса от смятия и повреждений. Плоское опорное основание и удлиненные выступы муфты предназначены для защиты троса и всегда располагаются со стороны живого конца. Военно-морской флот США и большинство регулирующих органов не рекомендуют использовать такие клипсы в качестве постоянного крепления, если они не подвергаются периодической проверке и подтяжке.

Сплит глаз или фламандский глаз

Для завершения свободного конца стального каната при формировании петли может использоваться узел "глаз". Пряди конца стального каната распускаются на определенном расстоянии, затем изгибаются таким образом, чтобы конец распущенной части образовал петлю. Распущенные пряди затем вплетаются обратно в канат, формируя петлю, или "глаз", называемый узел с глазом. Фламандский глаз, или голландский сплайс, предполагает распускание трех прядей (пряди должны располагаться рядом друг с другом, а не через одну) и отведение их в сторону. Оставшиеся пряди изгибаются вокруг, пока конец каната не достигнет "V"-образного участка, где завершилось распускание, формируя петлю. Затем отложенные пряди переплетаются, начиная от конца каната и возвращаясь к "V"-образному участку петли. Эти пряди эффективно переплетаются вдоль каната в направлении, противоположном их исходной скрутке. Когда этот тип узла используется специально со стальным канатом, он называется "Молли Хоган", а некоторые называют его "голландским" глазом вместо "фламандского" глаза.

Свекренные окончания

Расклепывание – это метод опрессовки стального каната, относящийся к технике его завершения. Целью опрессовки фитингов стального каната является соединение двух концов каната вместе или закрепление одного конца каната к чему-либо другому. Для сжатия и деформации фитинга используется механический или гидравлический опрессовочный пресс, создающий постоянное соединение. Резьбовые шпильки, гильзы, втулки и муфты являются примерами различных типов опрессованных окончаний. Не рекомендуется опрессовывать канаты с волокнистым сердечником.

Клинковые розетки

Клинковое гнездо полезно, когда необходимо часто заменять концевое крепление. Например, если конец стального каната находится в зоне повышенного износа, канат может периодически укорачиваться, что требует снятия и повторной установки концевого крепления. Примером является использование на концах тяговых канатов драглайна. Коневая петля стального каната входит в коническое отверстие в гнезде, оборачиваясь вокруг отдельного элемента, называемого клином. Конструкция фиксируется на месте, и нагрузка постепенно передается на канат. По мере увеличения нагрузки на стальной канат, клин становится надежнее, сильнее сжимая канат.

Концы из горшка или слитые розетки

Для получения высокопрочного и надежного соединения используются литые сокеты. Они изготавливаются путем вставки троса в узкий конец конической полости, ориентированной по направлению предполагаемой нагрузки. Отдельные пряди троса расходятся внутри конуса или "капеля", после чего конус заполняется расплавленным припоем на основе свинца, сурьмы и олова (Pb80Sb15Sn5), известным как "белый металл", цинком или, чаще всего, ненасыщенным полиэфирным компаундом.