Наука и практика

Направление навивки стального каната на 

барабан – как правильно?

Малиновский В. А.,проф., д. т. н., НПП « Вира – Сервис Плюс»,

Пригода А.А., к.т.н. 

Свиридов А.А., инженер ЧАО ПО «Стальканат-Силур», Одесса

Канат на барабане принимает форму винтовой линии, которая может иметь правое или левое направление. Стальной канат также имеет правое или левое направление свивки. Возникает вопрос – каким нужно считать правильным сочетание направлений свивки каната и винтовой его навивки на барабан. Для этого принято известное правило правой или левой руки. Однако оказалось, что в отечественной и зарубежной литературе это правило трактуется по разному, что приводит к противоположным рекомендациям.Рассмотрим этот вопрос подробней.

В процессе навивки на барабан по винтовой линии канат получает дополнительное кручение – это свойство винтовой линии. Направление этого кручения зависит от направления этой винтовой линии. При совпадении винтовой навивки с направлением свивки каната канат подкручивается, в противном случае канат раскручивается. Принято считать, что подкрутка (уплотнение) каната является положительным фактором, поэтому в отечественной литературе [ 1, 2] выработано правило: канат правой свивки должен иметь правую навивку на барабан, канат левой свивки – левую навивку на барабан, рис.1 из книги [ 2 ]. Кроме технической литературы это правило не приводится ни в «»Правилах устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов» (НПАОП 0.00-1.01-07), ни в одном другом нормативном документе.

Рис. 1 Навивка каната согласно [ 2 ].

В зарубежной литературе [ 3 ] имеется абсолютно противоположная рекомендация: канат правой свивки требует левой навивки на барабан, канат левой свивки - правой навивки на  барабан. Это правило узаконено в ISO 4308-1:2007 «Cranes and Lifting Appliances –

Selection of Wire Ropes – Part 1 : General», где приведена такая таблица- комментарий правил правой и левой руки.

Особенно жестко это правило относится к барабанам с винтовой нарезкой. Крупный германский специалист K. Feyrer формулирует это правило, отдавая предпочтение барабану: на барабан с левой нарезкой должен навиваться канат правой свивки, а на барабан с правой нарезкой канат левой свивки (..sollten auf linksgangige Trommeln rechtsgangige Seile und auf rechtsgangige Trommeln linksgangige Seile aufgelegt..). В случае 2-х барабанной фрикционной лебедки это правило реализуется за счет смещения одного барабана относительно второго на 1/2шага нарезки в ту или иную сторону, рис.2.

(а) 

Рис. 3 Правила навивки каната согласно [ 3 ]:

а. на барабан; в. на фрикционные барабаны.

Чтобы понять истоки отмеченных выше противоречащих друг другу рекомендаций, рассмотрим кинематику винтовой навивки каната на барабан согласно [ 1 ].

Кручение винтовой линии навивки (кручение навитой части каната)

 , рад/м,

где, t – шаг навивки на барабан; D – диаметр барабана.

Деформация кручения еще не навитой (прямой) ветви каната

,

где, L – полная длина каната: S – длина каната навитого на барабан.

Кроме кручения каната от винтовой навивки 𝜏_в имеется еще кручение, вызванное девиацией - отклонением каната от плоскости изгиба в зоне набегания на блок или барабан. Этот фактор лучше пояснить на примере блока, рис.3.

                                                 Рис. 3 Девиация каната в зоне набегания

 Вследствие винтовой структуры каната в нем имеется крутящий момент М, вызванный натяжением. Этот крутящий момент отклоняет набегающую ветвь из плоскости блока на некоторый угол γ, который называется углом девиации, причем канат правой свивки отклоняется вправо, а канат левой свивки отклоняется влево. Это очень важно, что канат правой свивки входит в ручей по направлению справа налево, а канат левой свивки слева – направо. В результате первое касание каната с ручьем происходит не в точке a по центру канавки, а в некоторой точке b на боковой поверхности ручья. Затем канат смещается в центр канавки, причем это смещение представляет собой качение, если момент сил трения больше крутящего момента, или скольжения, если момент сит трения меньше.

Более подробно этот процесс проанализирован в книге [ 1 ]. Кручение каната, вызванное его девиацией, определяется так:

,

где d – диаметр каната; α – полуугол ручья.

В [ 1 ] отмечается, что «превалирующее значение в кручении канатов на блоках и барабанах играют углы девиации», а величина 𝜏_в более низкого порядка , чем 𝜏_дев.

Таким образом, автор [ 1 ] ясно указал на превалирующее значение девиации, а тот факт, что в части правил навивки на барабан он повторил общепринятую ошибочную позиции можно считать случайностью.

Приведем количественную оценку величин 𝜏_в и 𝜏_{дев на конкретном примере.}

Пусть канат диаметром 20,0 мм навивается на барабан диаметром D = 400 мм с шагом навивки t = 22 мм. Общая длина каната L = 40 м, длина навитой части S = =20 м. В этом случае кручение каната от винтовой навивки

        8,76х10^-5 рад/мм = 0,0876 рад/м.

Деформация кручения прямой ветви каната от винтовой навивки

Ө_в= - 𝜏_{в ln} (1-S/L) = - 0,0876 ln(1-20/40)= -0,0876 (-0,683) = 0,06 рад/м.

Если это же канат набегает на блок, имеющий ручей с α = 15 ^ᵒ с углом девиации γ = 5^ᵒ = 0,0877 рад, то кручение от девиации

𝜏_дев                                                                                             0,0169 рад/мм = 16,9 рад/м.

Деформация кручения прямой ветви от девиации

Ө_дев= - 𝜏_дев ln (1-S/L) = -16,9(-0,693) = 11,7 рад/м.

Как видим, 𝜏_дев >> 𝜏_в и Ө_дев >> Ө_в поэтому процесс изгиба на блоке или барабане следует организовывать так, чтобы минимизировать кручение 𝜏_дев. Для этого нужно уменьшать угол девиации γ. Конструктивно это можно сделать, если плоскость изгиба (плоскость блока) повернуть в направлении угла γ, уменьшая тем самым этот угол девиации. Иными словами, ручей подставляется под то направление, которое «хочет» иметь канат в зоне набегания на блок.

В соответствии с отмеченным выше для каната правой свивки ручей блока следует повернуть налево, а для каната левой свивки - направо. Таким образом, на блоке образуются начальные участки соответственно левой или правой винтовых линий.

Применительно к барабану этот конструктивный прием реализуется правилом навивки по ISO 4308-1:2007. Относительно значения этого правила K. Feyrer [ 3 ] пишет «опыт показал, что при несоблюдении этого правила износ каната наступает раньше ( .. Die Erfahrung hat gezeigt, dass Seilschaden am ehestem bei Nichtbefolgung dieser Regeln auftreten.)».

Выводы:

1. Следует признать ошибочными имеющиеся в отечественной литературе рекомендации по направлению навивки на барабан.
2. Рекомендовать на практике следовать правилам навивки канатов согласно ISO 4308-1:2007.
3. Авторы считают необходимым включение правил навивки на барабан канатов правой и левой свивки в отечественную нормативную документацию, предпочтительно в «Правила устройства и безопасной эксплуатации кранов».
4. В паспорте крана необходимо указывать необходимое направление свивки каната в зависимости от направления нарезки барабана или принятого направления навивки каната.

Литература

1. Глушко М.Ф. Стальные канаты. Киев, Техника. 1966 - 327с.
2. Александров М.П. Подъемно-транспортные машины. Москва «Машиностроение,1984 – 334с.
3. Feyrer K. Drahtseile: Bemessung, Betrieb, Sicherheit. Berlin, Springer, 2000 – 468s.