Дротяний канат

1. Дротяний канат, що складається із одного або кількох шарів гвинтових елементів (дротів або дротяних пасом), який відрізняється тим, що крок звивки принаймні зовнішнього шару гвинтових елементів безперервно чи дискретно змінюється по довжині каната від його середини однаково в напрямках до обох його кінців. 2. Дротяний канат за п. 1, який відрізняється тим, що крок звивки принаймні зовнішнього шару гвинтових елементів збільшується по довжині каната від його середини в напрямках до обох його кінців. 3. Дротяний канат за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що довжини кроків звивки гвинтових елементів на ділянках каната відповідають співвідношенню: H0 : H1 : … : Hn = T 0 : T 1 : T2 : … : Tn , де H0 - крок звивки каната на середній ділянці довжиною l0; C2 2 UA 1 3 85078 елементів (дротів або пасм) по всій довжині канату. Крок звивки - це крок гвинтової лінії, форму якої має вісь дроту або дротяної пасми в канаті. Особливість роботи звитого дротяного канату у вертикальному підвісі великої довжини полягає у тому, що власна вага канату, діючи вздовж його вісі, викликає його кручення, навіть якщо його кінці закріплені від кручення. Це явище добре відоме спеціалістам та аналітично проаналізоване у книзі [1]. Дія власної ваги приводить до того, що верхня половина канату розкручується, а нижня навпаки закручується. При цьому наступає збільшення кроку звивки канату на верхній його половині, а на нижній - крок звивки зменшується. В результаті, після першого ж опускання в шахту дротяний канат придбає змінний крок звивки самий короткий унизу біля підйомної судини, а самий довгий наверху біля шківа або барабану. У середині висоти вертикального підвісу крок звивки канату не змінюється. На підйомній машині барабанного типу змінний крок звивки канату фіксується і в такому рівновісному стані канат намотується на барабан, а потім змотується при всіх повторних циклах спуск-підйом. Вказане вище явище кручення канату грає негативну роль, бо приводить до суттєвого перенавантаження одних гвинтових елементів та, навпаки - до розвантаження і навіть вісєвому стиску інших. Наприклад, по цій причині були випадки обриву металевих сердечників канатів на верхній половині та випучування і вихід їх із канату на нижній половині [1]. В кінцевому результаті це призводить до зменшення технічного ресурсу (довговічності) канату. Особливо сильно кручення канату проявляється при глибині шахти (довжині канату у вертикальному підвісі) більш як 800 м. Чим глибша шахта, тим більше кручення, таким чином, тим гостріша описана проблема. Є відоме технічне рішення для підйомних канатів, що працюють в умовах підвісу з великою різницею в рівнях кінців, наприклад, на шахтних підйомних установках барабанного типу [2] - найближчий аналог. Згідно з цим рішенням дротяний канат виготовляють із змінним кроком звивки гвинтових елементів - самий короткий крок звивки має кінець канату, котрий в експлуатації буде нижнім кінцем, а самий довгий крок звивки має верхній кінець канату. По довжині канату крок звивки може змінюватись безперервно, або дискретно по ділянкам. Важливо, що крок звивки канату послідовно збільшується від одного його кінця до іншого. Такий канат є заздалегідь адаптованим до роботи в заданих умовах (на конкретній шахті), тому він має вищий технічний ресурс, ніж канат з постійним по довжині кроком звивки. Дротяні канати такого типу, в яких крок звивки послідовно збільшується по довжині від одного (нижнього) кінця в напрямку до другого, успішно працюють на глибоких ша хтах Криворізького басейну на підйомних установках барабанного типу, в яких верхній кінець канату закріплено на барабані, а до нижнього кінця прикріплена підйомна судина (скіп або кліть) [3]. 4 Відмінність шахтної підйомної установки з шківом тертя (т.зв. установка системи Кепе) полягає в тому, що канат не намотується на шків, а перебігає через шків під дією сил тертя між канавкою шківа та канатом. При цьому кінці канату періодично міняються місцями - спочатку один кінець канату знаходиться внизу, а другий на верху, потім перший кінець переходить в нижнє положення, а другий, навпаки, в верхнє. Такі робочі цикли повторюються на протязі всього строку експлуатації канату. У зв'язку з тим, що на установках з шківами тертя циклічно змінюється положення кінців підйомного канату, для них не годиться описаний вище канат, у якого крок звивки послідовно збільшується по довжині від одного кінця до іншого. Метою винаходу є створення підйомного канату, що буде заздалегідь адаптованим до умов роботи на підйомній установці зі шківом тертя, маючи на увазі зменшення шкідливого впливу кручення канату під дією власної ваги, тобто збільшення його технічного ресурсу. Суть винаходу полягає в тому, що крок звивки гвинтових елементів (дротів або дротяних паем) безперервно чи дискретно змінюється від його середини однаково в напрямках до обох кінців. Якщо канат складається з одного або декількох шарів гвинтових елементів, що мають однаковий напрямок звивки, то крок звивки, щонайменше, зовнішнього шару збільшується по довжині канату від його середини в напрямках до обох його кінців. Якщо в канаті є не більше одного внутрішнього шару гвинтових елементів з протилежним напрямком звивки по відношенню до зовнішнього шару, то крок звивки, щонайменше, зовнішнього шару гвинтових елементів збільшується від його середини в напрямках до обох його кінців. Довжини кроків звивки елементів на ділянках канату можуть відповідати співвідношенню Н0:Н1:Н2:...:Нn=T 0:T 1:Т 2:...:Тn , де Н0 - крок звивки канату на середній ділянці довжиною l0; H1, Н2...Нn - кроки звивки відповідно на ділянках довжинами l1, l2...ln , рахуючи від середньої ділянки l0 в напрямках до обох кінців канату; T0, T1 , Т2...Т n - розрахункові натяги канату в серединах ділянок l0, l1, l 2...ln на вер хній половині довжини канату у вертикальному підвісі. Якщо дротяний канат має по довжині 5 або більше ділянок з різними кроками звивки гвинтових елементів, то крайні ділянки біля обох його кінців можуть мати меншу довжину кроку звивки, ніж сусідні ділянки. Якщо дротяний канат складається із дротяних пасм та має хрестову звивку, то щонайменше, зовнішні дроти в пасмах можуть мати змінний крок звивки, що зменшується по довжині канату від його середини в напрямках до обох кінців. Якщо канат має два або більше шарів гвинтових елементів з протилежним напрямком звивки відносно до зовнішнього шару, то крок звивки зовнішнього шару гвинтових елементів може зменшуватись по довжині канату від його середини в напрямках до обох його кінців. 5 85078 В такому канаті крок звивки принаймні одного внутрішнього шару гвинтових елементів може збільшуватися по довжині канату від його середини в напрямках до обох його кінців. Якщо такий канат має хрестову звивку, то, щонайменше, зовнішні дроти зовнішнього шару паем можуть мати змінний крок звивки, що збільшується по довжині канату від його середини в напрямках до його кінців. Щонайменше, зовнішні дроти в пасмах, принаймні, одного внутрішнього шару можуть мати змінний крок звивки, що зменшується по довжині канату від його середини в напрямках до обох його кінців. Крок звивки гвинтових елементів може змінюватись по довжині канату симетрично відносно його середини. Технічний результат полягає в зменшенні кручення канату під дією власної ваги щоразу в кожному циклі підйом-спуск на верхній половині довжини канату у вертикальному підвісі, тобто на тих ділянках канату, де його навантаження найбільше. Таке полегшення шкідливих умов навантаження (кручення) забезпечить підвищення технічного ресурсу канату з перемінним кроком звивки у порівнянні з таким же канатом, котрий має постійний крок звивки. Суть винаходу пояснюється кресленнями, на яких зображені: на Фіг.1 – схема роботи підйомного канату зі сталим кроком звивки на підйомній установці зі шківом тертя: а - перше крайнє положення підйомного канату; b - друге крайнє положення підйомного канату; с - епюра натягу підйомного канату в крайніх положеннях; d - епюра зміни кроку звивки канату по його довжині внаслідок кручення під дією власної ваги; є - схема зміни кроків звивки канату. на Фіг.2 - приклад канату з дискретно змінними кроками звивки: а - схема поділу довжини канату на ділянки. b - епюра зміни кроків звивки канату при його виготовленні. с - епюра дискретної зміни кроків звивки канату при його виготовленні. На підйомній установці зі шківом тертя 1 підйомний канат 2, до кінців якого підвішені підйомні судини З, послідовно займає два крайні положення І та II, Фіг.1а та 1b. при цьому всю довжину канату АВ можливо поділити на такі характерні ділянки: 1. АС та ВС, що поперемінно утворюють ділянки вертикального підві су; 2. АС та ВС - дві ділянки біля кінців канату, що не переходять через шків на протилежні ділянки вертикального підвісу в крайніх положеннях І та II. На ділянках вертикального підвісу АС та ВС довжиною L натяг канату збільшується, Фіг.2с, від величини вантажу Тmіn=Q на нижньому кінці, тобто в перетинах А та В, до величини Тmах=Q+pL в верхніх перетинах С чи С` (тут р – вага одиниці довжини канату). В загальному вигляді Тх=Q+р(L-х), де координата х відліковується від шківа вниз. Та 6 ким чином, натяг канату Т х є змінним по його довжині. В реальних шахтни х підйомах глибиною більш як 1000 м власна вага канату буває близькою до ваги вантажу Q, тому натяг канату Т по довжині вертикального підвісу може змінюватись вдвічі та більше. Відомо, що під дією натягу в дротяному канаті виникає внутрішній крутний момент, прямо пропорційний натягу [4] M=kdT, де d - діаметр канату; k - коефіцієнт крутного моменту, що залежить від конструкції канату, та геометрії його звивки - в першу чергу, від кроків звив-ки його елементів. При відсутності зовнішніх крутни х моментів по довжині канату крутний момент М є величиною сталою на протязі всього вертикального підвісу М=k×d×T=const. Звідси ясно, що при сталому діаметрі канату, повинна виконуватись умова k×Т=const, (1) тобто збільшення натягу T потребує зменшення коефіцієнту k, та навпаки. Для канату, що складається з одного або кількох шарів гвинтови х елементів, звитих в одному напрямку, а також при наявності не більше одного внутрішнього шару з протилежним напрямком звивки по відношенню до зовнішнього шару, при інших сталих умовах (діаметр та конструкція) коефіцієнт k зворотньо пропорційно залежить від кроку звивки Н гвинтових елементів канату k1 H2 = (2) k 2 H1 Розглянемо два перетини канату в точках х1 та х2 , Фіг.1с. В перетині х1 канат має натяг Т1, а в перетині х2 - натяг Т2 , при чому T1>Т 2. Згідно з (1) та (2) повинна виконуватись умова k1 H2 T2 = = (3) k 2 H1 T1 Це означає, що крок звивки канату повинен бути прямо пропорційним натягу. Виконання цієї умови реалізується за рахунок кручення канату в вертикальному підвісі під дією власної ваги. Якщо канат був виготовленим з постійним кроком звивки по довжині, то в вертикальному підвісі він обертається таким чином, що верхня половина його розкручується, збільшуючи крок звивки, а нижня половина, навпаки закручується, зменшуючи крок звивки. Середина канату зберігає свій початковий крок звивки. В результаті такого кручення в першому крайньому положенні канат має найдовший крок звивки біля шківа поблизу перетину С, а найкоротший внизу біля судини, Фіг.1е. В другому крайньому положенні кінці канату помінялись місцями, тому поблизу перетину С крок звивки змінюється від найдовшого до найкоротшого. Поблизу перетину С, навпаки, крок звивки змінюється від найкоротшого до найдовшого. Таким чином, за кожний цикл роботи підйомної установки ділянки канату поблизу перетинів С та С здійснюють симетричний цикл розкручування 7 85078 закручування та навпаки. Такі крутні деформації негативно впливають на технічний ресурс канату. Найбільшу шкоду канату завдають циклічні знакоперемінні крутні деформації для верхньої половини канату (біля шківа), де його натяг найбільший. Згідно з винаходом для зменшення шкідливого впливу циклічних де формацій розкручуваннязакручування пропонується канат, в якому крок звивки гвинтових елементів ще при виготовленні змінюється по довжині від його середини в напрямках до обох його кінців таким чином, щоб виконувалась умова (1) для верхньої половини канату. Якщо дротяний канат складається з одного або декількох шарів гвинтових елементів, що мають однаковий напрямок звивки, або має не більше одного внутрішнього шару з протилежним напрямком звивки, то крок гвинтових елементів послідовно збільшується по довжині від його середини в напрямках до обох його кінців, Фіг.2. Найкоротший крок H0=Hmin звивки має середина ділянки СС`, а найдовший Hmах - ділянки канату поблизу перетинів С та С`, Фіг.2b. Якщо технологічне обладнання не дозволяє безперервної зміни кроку звивки при виготовленні канату, то канат може мати дискретну зміну кроків звивки по ділянкам, збільшуючись від середини в обох напрямках до його кінців, Фіг.2с. Завдяки тому, що крок звивки гвинтових елементів збільшується від середини канату, значно зменшується кручення (розкручування) канату на верхній половині в кожному із крайніх положень, де натяг канату найбільший. Таким чином, полегшуються умови роботи на більш навантажених дільницях канату. На нижній половині канату його кручення (закручування) збільшується в порівняні з канатом з постійним по довжині кроком звивки. Але на нижній половині натяг канату менший, що зменшує шкідливий вплив деформації кручення. Згідно з співвідношенням (3) крок звивки канату по довжині повинен змінюватись пропорційно зміні його натягу. Це означає, що при дискретній зміні кроку звивки по дільницям довжини канату має виконуватись співвідношення: Н0:Н1:Н2:...:Нn=T 0:T 1:Т 2:...:Тn , де Н0; Н1; Н2 ...Н n – кроки звивки на ділянках довжини канату l0; l1; l2...ln ; Т0; Т 1; Т 2...Тn - розрахунковий натяг канату в середині відповідних ділянок на верхній половині довжини канату в вертикальному підвісі, Фіг.2а. На ділянках АС` та ВС, що не переходять в протилежні положення вертикального підвісу крок звивки гвинтових елементів може бути меншим, ніж на сусідніх ділянках, що доцільно з конструктивних міркувань. В канатах хрестової звивки величина кроку звивки дротів у пасмах впливає на коефіцієнт крутного моменту к протилежно, ніж величина кроку звивки пасм у канат, тому для зменшення різниці у кроках звивки канату по довжині доцільно зворотньо змінювати крок звивки дротів у пасмах, тобто зменшувати його від середини канату в напрямках до обох його кінців. 8 Якщо канат має два або більше внутрішні х шарів гвинтови х елементів з протилежним напрямком звивки відносно зовнішнього шару, то залежність (2) не виконується. Експериментально доведено [2], що при збільшені кроку звивки зовнішнього шару гвинтових елементів коефіцієнт крутного моменту k для такого канату теж збільшується, а при зменшенні кроку звивки k теж зменшується, тобто залежність прямо пропорційна k1 H2 = . k 2 H1 Тому в канаті з протилежними напрямками звивки зовнішнього та двох чи більше внутрішніх шарів гвинтови х елементів крок звивки зовнішнього шару гвинтови х елементів може зменшуватись по довжині канату від його середини в напрямках до обох його кінців, пунктир на Фіг.2b. У такому канаті крок звивки внутрішніх шарів гвинтових елементів, або, щонайменше, одного з них може збільшуватись по довжині канату від його середини в напрямках до обох його кінців. Якщо канат з протилежними напрямками звивки зовнішнього та внутрішніх шарів дротяних паем має хрестову звивку зовнішнього шару, то щонайменше, зовнішній шар дротів в зовнішніх пасмах може мати крок звивки, що збільшується по довжині канату від його середини в напрямках до обох його кінців. Якщо в канаті з протилежними напрямками звивки зовнішнього та внутрішніх шарів дротяних паем, внутрішні шари паем мають хрестову звивку, то, щонайменше, зовнішній шар дротів внутрішніх паем може мати крок звивки, що зменшується по довжині канату від його середини в напрямках до обох його кінців. При симетричній схемі роботи канату на підйомній установці крок звивки гвинтових елементів доцільно змінювати при виготовленні канату симетрично відносно його середини по довжині в обох напрямках до кінців канату. Приклад будови канату для конкретної шахти. Канат конструкції 6х36+6х7+О.С. правої хрестової звивки з однаковим напрямком обох шарів паем, має діаметр 42,0мм та повну довжину 1500м. Питома лінійна вага канату р=74,6Н/м. Згідно схеми на Фіг.1, та виходячи з параметрів шахти, довжини ділянок такі АС=ВС'=40м, СС'=1420м, L = 1460м. Кінцевий вантаж при повному завантаженні скіпа Q =215 кН. Довжина канату СС поділена на ділянки таким чином: довжина середньої ділянки l0= 220м, від неї симетрично в обох напрямках l1=l2=l3=l4=l5=l6=100м. Сума l0+2l1+2l2+2l3+2l4+2l5+2l6=1420м. Розрахункові натяги канату в серединах ділянок на верхній половині довжини вертикального підвісу T0=268 кН, T1=280,7 кН, T2= 288,1 кН, Т3=295,5кН, T4=302,9 кН, Т5=310,3 кН, T6= 317,7кН. Кроки звивки гвинтових елементів на ділянках, що відповідають співвідношенню (3), такі H0=294мм, Н1=308мм, Н2=316мм, Н3=324мм, H4=332мм, H5=340мм, H6=348мм. На кінцевих ділянках АС та ВС` крок звивки Нk=294мм. 9 85078 Розрахунки по методиці [1] показали, що при такій будові підйомного канату, його деформація кручення в верхньому перетині біля шківа вдвічі менша, ніж для такого ж канату, звитого з постійним кроком звивки Н=294мм. Кількість та довжини ділянок на довжині вертикального підвісу канату, а також величини кроків звивки на цих ділянках можуть бути іншими, ніж приведені в цьому прикладі. Важливо, що кількість ділянок та величини кроків звивки повинні бути встановлені ще до виготовлення канату, виходячи з параметрів конкре Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 10 тного шахтного підйому, для якого призначений канат, що буде виготовлятись. Джерела інформації: 1. Глушко М.Ф. Стальные подъемные канаты. Киев, Техника. - 1966. - 327с. 2. Verreet R. Патент Германії DE 3632298A1, D07B/06, заявл. 23.09.1986. 3. Малиновский В.А., Малявицкий Н.Ф., Ми щенко А.А. Адаптирован ные шахтные подъемные канаты с переменным шагом свивки. – В зб. Стальные канаты, вып. 3. - 2003. - с. 9-15. 4. Канаты для горнодобывающей промышленности. Проспект фирмы Bridon Ropes. - 110с. (рус). Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1,м. Київ – 42, 01601