К повышению надежности эксплуатации подъемных канатов в металлургическом производстве Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 672.72.01 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-3-68-71

К ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЪЕМНЫХ КАНАТОВ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

TO IMPROVE THE RELIABILITY OPERATION OF HOISTING ROPES IN THE METAL MANUFACTURING

© 2015 г. M.H. Хальфин, А.Х. Аль-Джумаили

Хальфин Марат Нурмухамедович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (8635)25-53-67). E-mail: xalfmmn@mail. ru

Аль-Джумаили Абдулсатар Х. Шихан - студент (магистрант), Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]

Halfin Marat Nyrmyhamedovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Hoisting-and-Transport, Building and Road Machines», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (8635)25-53-67). E-mail: [email protected]

Al-Jumaili Abdulsatar Kh. Shihan - student (master), Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]

Существующие методы расчета допустимого радиуса волнистости каната двойной свивки с металлическим сердечником не учитывают температурных напряжений, возникающих вследствие различия температур винтовых элементов, расположенных в разных слоях канатов. Были получены выражения температурных удлинений каната в целом и его винтовых элементов при неравномерном нагреве и условия прочности наиболее нагруженной проволоки каната с учетом волнистости и снижения предела прочности материала проволоки. Показано, что при высокотемпературном воздействии, температуре выше 400 оС стальные канаты нельзя эксплуатировать даже при отсутствии в них дефекта волнистости.

Ключевые слова: температурные; напряжение; радиус; волнистость; подъемный; канат; усилие; металлический; сердечник.

Existing methods of calculation of the permissible radius undulation rope double strand with a metal core does not take into account thermal stresses resulting from temperature differences screw elements arranged in different layers of the ropes. Expressions have been obtained temperature movements of the rope as a whole and its screw elements with uneven heating and terms of the strength of the most loaded wire rope, taking into account the waviness and reduce the ultimate strength of the wire material. It is shown that at high temperature the influence of temperature above 400 оС steel ropes must not be operated even in the absence of the defect waviness.

Keywords: temperature; stress; radius; waviness; hoisting rope; force, metal core.

В работах [1, 2] описан метод расчёта допустимого радиуса волнистости с учётом предела прочности материала канатной проволоки, коэффициента запаса прочности, конструктивных параметров каната и других факторов. Однако данный метод не учитывает температурных напряжений, возникающих в стальном канате вследствие различия температур винтовых элементов, расположенных в разных слоях каната.

Очевидно, что при эксплуатации стального каната вследствие резкого попадания каната под воздействие высокой температуры происходит неравномерный нагрев слоев его винтовых элементов, приводящий к изменению напряжённо-деформированного состояния и, соответственно, потере его несущей способности.

Рассмотрим нагрев единичного участка каната, состоящего, например, из трёх слоёв винтовых элементов, имеющих соответствующую площадь поперечного сечения F и температуру ti (рис. 1).

Вследствие различия температуры элементы стального каната удлиняются неодинаково. При независимой работе относительное удлинение каждого элемента составит где / - номер элемента; k -температурный коэффициент линейного расширения.

При совместной работе элементов каната взаимное продольное перемещение их отсутствует, поперечное сечение каната А - А при нагревании остаётся плоским и занимает положение Б - Б. При этом в каждом элементе возникают дополнительные темпе-

ратурные растягивающие (или сжимающие) усилия Txi. Эти усилия определяются выражениями:

Tx1 = (et cos2 Pj - kt1 )EF1 cos Pj ;

Tx2 =(si cos2 P2 -kt2)EF2COSP2; (1)

Tx3 = (stcos2 p3 - kt3 ) EF3 cos p3,

где Е - модуль упругости первого рода; st - относительное температурное удлинение каната.

А Б

УА

У/

1

2

А

kti

kt2

kt3

Tri

Б

Рис. 1. Расчётная схема неравномерности нагрева элементов стального каната: 1 - центральная прядь;

2 - наружные пряди каната; 3 - пряди сердечника

При отсутствии внешнего растягивающего усилия: Txi + Tx2 + Tx3 = 0 или ZiTxi = 0. (2)

Подставляя (1) в (2), имеем:

Zi (8t cos2 Pi - kti)EFi cosPi = 0. (3)

После преобразования (3) получаем выражение для определения температурного удлинения каната в целом при неравномерном нагреве его винтовых элементов:

Zk F- cos Pi ZF cos3 Pi

(4)

T„,

ст, =-

Fi cos pi

или CT; = CT,

(ap +CTt)=£(et cos2 p -kt). (5)

Согласно [3] допустимое значение радиуса волнистости RВ определяется исходя из условия прочности наиболее нагруженной проволоки каната:

Стр + ACTp <-

(6)

где стр - напряжение растяжения в проволоке от действия растягивающей силы, определяемое по форму-

лам проф. М.Ф. Глушко [3]; Дстр - дополнительное

напряжение растяжения в проволоке, возникающие вследствие волнистости в канате [1, 2]; ствр- предел

прочности материала канатной проволоки; г - коэффициент запаса прочности наиболее нагруженной проволоки.

Проволока шахтных канатов может подвергаться, помимо растяжения, кручения, изгиба, также воздействию высоких температур.

Следовательно, как следует из рис. 2, при температурах в пределах 120 °С предел прочности канатной проволоки не меняется, оставаясь максимальным [4 -7]. При температурах от 120 до 410 °С предел прочности снижается по линейному закону от своего максимального значения ствртах до 0,15 ствртах. При температурах свыше 410 °С предел прочности снижается по линейному закону, достигая нуля при температуре 1050 °С.

Ов,

Овр т

0 100 200 300 400 500 600 700 г, °С

Рис. 2. Влияние температуры нагрева на разрывное усилие канатной проволоки

Изменение предела прочности материала канатной проволоки в зависимости от температуры можно выразить следующим аналитическим выражением:

atp =

вр max >

392 -0,85t

290 °вРmax 157,5 - 0,15t

если t<120 °C; если 120 оС<t<410 оС;

640

авр max , есЛи t > 410 C.

Подставив выражение (4) в (1), получим значения дополнительных усилий в элементах каната Тх1, Тх2, Тх3 и напряжений в соответствующих элементах при их нагреве:

Тогда когда коэффициент запаса прочности гр примет вид г=kzmax , где k - коэффициент снижения прочности при высокотемпературном воздействии: г < 120 оС, k = 1;

120 оС < г < 410 оС, k = (1 ^0,15); г > 410 оС, k < 0,15.

С учетом температурных напряжений стг и снижения предела прочность материала канатной проволоки выражение (6) примет вид

(Стр +CTt ) + ACTp <

ст=„ к

(7)

После подстановки выражения (7) в формулу (16), полученную в [4], имеем:

Т

3

Т

8

st =

z

z

k

RB

Rk

-К)

RkTxA

(8)

где Rk - радиус каната; Rв - радиус волнистости; Тх - сила натяжения каната; А - обобщённый коэффициент жёсткости каната согласно [3]:

A = E cos а cos ß А

Д1 2 r 3

—cos ß+— cos а sin ß cos ß + Д R

А

R

+ ^R | sin ß cos ß + Г cos4 ß 1 + Д3R cos2 ß

Здесь а, р - углы свивки соответственно проволок и прядей; г, R - радиусы свивки проволок и прядей;

А!,А2,А3 - определители второго порядка и А -третьего порядка, элементами которых являются агрегатные коэффициенты жёсткости каната А11, А12, А22, определяемые из [6], и А14, А24, А44 - определяемые из [3, 4].

0,09 0,08 0,07 0,06

55

^ 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01

Авторами были проведены исследования формуы (9) для каната ГОСТ 7669-80 диаметром 42 мм; Р1 = 17,88°; Р2 = 7,14о; а1 = 9,76о; а2 = 15,43о; аэ = = 16,46о; а4= - 16,15о; а^= - 15о. Результаты исследования приведены на рис. 3.

Как видно из рисунка, с увеличением температуры нагрева уменьшается допустимый радиус волнистости каната. Так, например, при коэффициенте запаса прочности г = 3,15 допустимый радиус волнистости достигает нуля при температуре 390 °С. Это значит, что при температуре нагрева свыше 390 °С фактический коэффициент запаса прочности будет меньше 3,15 даже при отсутствии у каната волнистости.

Для браковки каната, нагретого до температуры 400 °С, нами предлагается использовать в канатах индикаторные проволоки [8], меняющие свой цвет при нагревании. Это позволит повысить безопасность эксплуатации стальных канатов за счёт своевременного обнаружения факта потери его несущей способности в результате высокотемпературного нагрева.

100

200

300 Температура,

400

500

600

Рис. 3. Влияние температуры на допустимый радиус волнистости

Выражение (8) с учётом формулы (5) запишется в

виде:

к

RB

Rk

-E (е cos2 ß, + kti)

RkTxA

(9)

Таким образом, нами получено выражение допустимого радиуса волнистости стального каната в относительной форме, позволяющее учесть уменьшение предела прочности материала канатной проволоки вследствие нагрева. Эта формула может быть использована для определения нормы браковки (по критерию волнистости) стального каната при высокотемпературном воздействии.

Литература

1. Хальфин М.Н. Расчёт стальных канатов с учётом различия геометрических параметров и механических свойств проволок // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2005. Спецвыпуск. С. 5 - 13.

2. Хальфин М.Н. К расчету запаса прочности шахтных подъемных канатов с металлическим сердечником, имеющих дефект штопор // Изв. вузов. Горный журнал. 1990. № 10. С. 52 - 60.

3. Глушко М.Ф. Стальные подъёмные канаты. Киев: Техника, 1966. 327 с.

4. Липатов А.С. Методы повышения безопасности грузоподъёмных кранов при ненормируемых условиях эксплуатации: дис. ... д-ра техн. наук. Новочеркасск, 2006. 259 с.

z

0

о

С

5. Козлов В.Т., Туманский В.И. Исследование механических характеристик канатной проволоки при повышенных температурах // Стальные канаты. Вып. 6. Киев: Техника, 1969. С. 278 - 280.

6. Малое В.П., Кузьминов А.Л., Попов В.Г., Тебнев С.А., Липатов А.С. Влияние термоциклических нагрузок на прочность каната литейных кранов // Безопасность труда в промышленности. 1999. № 11. С. 30 - 32.

7. Мамаев Л.М. Расчет кабель- канатов с учетом температурного воздействия // Стальные канаты. Вып. 6. Киев: Техника, 1969. С. 49 - 58.

8. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов: ПБ 10-382-00: утв. Госгортехнад-зором России 31.12.99: обязат. для всех м-в, ведомств, предприятий и орг., независимо от их орг.-правовой формы и формы собственности, а также для индивидуал предпринимателей // Промышленная безопасность при экплуатации грузоподъемных кранов: сб. док. Серия 10. Вып. 7 / Государственное предприятие Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России. М., 2000. С. 6 - 254.

References

1. Halfin M.N. Raschet stal'nyh kanatov s uchetom razlichiya geometricheskih parametrov i mehanicheskih svojstv provolok [Calculation of steel ropes, taking into account differences in the geometric parameters and mechanical properties of the wires ]. Iz-vestiya vuzov. Severo-Kavkazskij region. Tehnicheskie nauki, 2005, Specvypusk, pp. 5-13.

2. Halfin M.N. K raschetu zapasa prochnosti shahtnyh pod'emnyh kanatov s metallicheskim serdechnikom, imeyuschih defekt shtopor [On the calculation of safety mine hoisting ropes with metal core having a defect corkscrew]. Izvestiya vuzov. Gornyj zhurnal, 1990, no. 10, pp. 52-60.

3. Glushko M.F. Stal'nyepod'emnye kanaty [Steel lifting ropes]. Kiev, Tehnika Publ., 1966, 327 p.

4. Lipatov A.S. Metody povysheniya bezopasnosti gruzopodemnyh kranov pri nenormiruemyh usloviyah ekspluatacii. Dis... d-ra tehn. nauk [Methods of improving the safety of cranes at nonnormable conditions. Dis ... dr. tehn. Science]. Novocherkassk, 2006, 259 p.

5. Kozlov V.T., Tumanskij V.I. Issledovanie mehanicheskih harakteristik kanatnoj provoloki pri povyshennyh temperaturah [Investigation of mechanical properties of the cable wires at higher temperatures]. Stal'nye kanaty, Kiev, Tehnika Publ., 1969, vol. 6, pp. 278-280.

6. Malov V.P., Kuz'minov A.L., Popov V.G., Tebnev S.A., Lipatov A.S. Vliyanie termociklicheskih nagruzok na prochnost' kanata litejnyh kranov [The Effect of cyclic thermal stresses on the strength of the rope foundry cranes]. Bezopasnost' truda v pro-myshlennosti, 1999, no. 11, pp. 30-32.

7. Mamaev L.M. Raschet kabel'- kanatov s uchetom temperaturnogo vozdejstviya [Calculation of the cable ropes taking into account temperature effects Stal'nye kanaty, Kiev, Tehnika Publ., 1969, vol. 6, pp. 49-58.

8. Pravila ustrojstva i bezopasnoj 'ekspluatacii gruzopod'emnyh kranov: PB 10-382-00: utv. Gosgortehnadzorom Rossii 31.12.99: obyazat. dlya vseh m-v, vedomstv, predpriyatij i org., nezavisimo ot ih org.- pravovoj formy i formy sobstvennosti, a takzhe dlya individual predprinimatelej [Rules for design and safe operation of cranes: PB 10-382-00: approved. Gosgortekhnadzor of Russia 31.12.99: obligatory for all m, departments, enterprises and organizations., regardless of their org.- legal form and ownership, as well as for individual entrepreneurs]. Promyshlennaya bezopasnost'pri ekpluatacii gruzopod emnyh kranov: Sbornik dokumentov. Seriya 10. Vypusk 7 [Industrial safety during maintenance of cranes: a Collection of documents. Episode 10. Issue 7]. Moscow, Gosudarstvennoe predpriyatie Nauchno-tehnicheskij centr po bezopasnosti v promyshlennosti Gosgortehnadzora Ros-sii, 2000, pp. 6-254.

Поступила в редакцию 8 апреля 2015 г.