Високоміцні волокнисті канати для кранів

Незважаючи на те, що пластмасові нитки, що зараз доступні на ринку, мають вищу несучу здатність, ніж порівнянні сталеві дроти, вони, серед іншого, були. через недостатній практичний досвід - поки що не широко використовується як несучі елементи в ходових кранових канатах. Стаття представляє високоміцну волокнисту мотузку як підйомну мотузку для кранових застосувань, яку спільно розробили Liebherr та Teufelberger.

Високоміцний підйомний канат типу "soLITE", розроблений в рамках 9-річного партнерства, характеризується не тільки своєю низькою вагою, але і значно зручнішим керуванням під час складання (втягування та обертання). На мотузкові барабани можна намотувати до десяти шарів. Волокниста мотузка не має обертання, і, з урахуванням факторів безпеки, які зазвичай використовуються сьогодні в кранах, термін служби, який у багато разів довший порівнянних сталевих канатів. Високоміцний волокнистий канат оснащений функціями, які дозволяють його безпечно використовувати на різних кранових системах, щоб гарантувати, що він готовий до утилізації.

Історія партнерства з питань розвитку

Мотузки, виготовлені з високоміцних полімерних волокон, використовуються в самих різних сферах впродовж багатьох років. Тим часом ці мотузки також все частіше використовуються у промисловій практиці, яка раніше була зарезервована для сталевих канатів через специфічні вимоги. У 2009 році Liebherr та Teufelberger заснували партнерство з питань розвитку з метою використання високоміцних волоконних канатів (HFFS) у кранах як заміни сталевим канатам. У квітні 2016 року прототип HFFS був представлений громадськості вперше після приблизно 7 років дослідно-конструкторських робіт на міжнародній виставці будівельних машин (рис. 1).

Порівняння волокнистого канату та сталевого канату у кранових застосуваннях

Високоміцні волокнисті канати пропонують порівнянні сили розриву та економію ваги до 80% у прямому порівнянні з сьогоднішніми комерційними сталевими канатами з однаковим зовнішнім діаметром (рис. 2). При використанні HFFS як підйомного канату в крані, нижча власна вага призводить до прямого збільшення допустимого крутного моменту навантаження та пікової вантажопідйомності. Порівняння кривих несучої напруги на рисунку 3 показує збільшення за рахунок переходу на волокнисту мотузку на прикладі баштових кранів 340 EC-B 12 та 370 EC-B 12. За тієї ж сталевої конструкції волокно 370 EC-B 12 забезпечує максимальну несучу здатність, збільшену на 0,4 т.

Розробка волокнистого канату як підйомного канату

Вимоги, яким слід відповідати

Крани - це вузькоспеціалізована будівельна техніка, компоненти якої оптимально поєднуються між собою, щоб забезпечити ефективність, термін служби та безпеку пристрою та користувача на будівельному майданчику в довгостроковій перспективі. Для того, щоб мати змогу протистояти "застосуванню сталевої мотузки" за допомогою волоконного канату, необхідно дотримуватися багатьох різних вимог. До них належать:

Прийнятне відношення діаметра до розривної сили:Кран та його компоненти розраховані на певне максимальне робоче навантаження. Втрата несучої здатності внаслідок перетворення зі сталевого кабелю на HFFS зазвичай неприйнятна [2].

Порівнянна змінна втомна міцність ("термін служби"): Для більшості застосувань кранів прогнози терміну служби сталевих канатів добре відомі/можуть бути оцінені і, отже, можуть плануватися. Існують також усталені методи розпізнавання стану викидання сталевих тросів (ISO 4309 [3]). На початку розробки було виключено скорочення терміну служби мотузки шляхом переходу зі сталевої мотузки на волокнисту.

Хороша поведінка намотування в багатошаровій обмотці: Сталевий трос і багатошаровий барабан виступають як чітко скоординована система підйому. Геометрія барабана, особливо канавка барабана, і допуски на діаметр мотузки повинні бути оптимально узгоджені. Це єдиний спосіб уникнути надмірного зносу мотузки в багатошаровій обмотці, пов’язаної з помилками намотування.

Свобода обертання:Сталеві мотузки, як підйомні мотузки для кранів, в основному виконуються як багатошарові круглі канати. Вони мають дуже низький крутний момент у передбачуваному діапазоні навантаження [4]. Завдяки волокнистому матеріалу волокнисті мотузки мають меншу жорсткість на кручення, що вимагає ретельної конструкції, щоб виключити ризик перекидання гачкового блоку.

Кінцеве з'єднання:Підйомні канатні крани, виготовлені зі сталі, постачаються із заливкою або алюмінієвими прес-з'єднаннями, залежно від пристрою. Тому для використання в крані волоконні канати повинні бути оснащені торцевим з'єднанням, яке принаймні відповідає вимогам безпеки, застосовним до сталевих канатів.

Стійкість до впливу навколишнього середовища та УФ-випромінювання:Сталеві троси дуже стійкі до атмосферних впливів. Всі відомі високоміцні полімерні волокна менш стійкі до ультрафіолетового випромінювання, ніж сталевий дріт, а також відрізняються між собою з точки зору стійкості до атмосферних впливів. Для досягнення довговічності, необхідної для використання в якості підйомного канату крана, залежно від використовуваного волокна та конструкції канату, може знадобитися обладнати волокнисті канати відповідними просоченнями та/або конструкційними характеристиками (наприклад, захисною оболонкою).

Погляди на розробку роботи

Використання випробувальних стендів у Біберачі

В рамках проекту було розроблено понад 100 різних прототипів підйомних канатних канатів довжиною мотузки понад 85 000 м. Вони були піддані реальним експлуатаційним навантаженням і випробувані на випробувальних установках, побудованих спеціально для проекту в Liebherr в Бібераху. Таким чином, волокнисті канати можна було всебічно випробувати на польових приладах до їх використання.

На додаток до класичних канатозгинальних верстатів (від 10 до 250 кН), у приміщенні заводу в Біберачі було встановлено стенд для випробування мотузкового крану з випробувальним навантаженням до 45 т і висотою підйому 42 м (рис. 4).

На випробувальному стенді канати діаметром до 31 мм можна випробовувати за допомогою мотузкових барабанів, намотаних у кілька шарів. Для проекту розробки було встановлено випробувальний стенд для моделювання клімату (від -5 ° C до 80 ° C) з випробувальним навантаженням 45 т. Тут досліджували вплив забруднення навколишнього середовища на волоконну мотузку.

Розвиток мотузкового барабана

Механічні властивості волокнистого канату (наприклад, поздовжня жорсткість, поперечна жорсткість та коефіцієнт тертя) відрізняються від властивостей сталевого канату. Для хорошого малюнка намотування кабельний барабан повинен бути адаптований до механічних властивостей намотування пакета [5]. Тому компанія Liebherr розробила спеціальні мотузкові барабани для волоконних канатів. Зміни конструкції торцевих пластин та корпусів котушок забезпечують безпечну багатошарову обмотку та конструкцію компактного мотузкового пакету з високоміцним волокнистим канатом. Особливо заслуговує на увагу оптимізоване кріплення кінця мотузки (рис. 5), яке забезпечує постійну кількість захисних поворотів, незважаючи на зменшення коефіцієнта тертя вдвічі порівняно зі сталевим канатом.

Розвиток мотузки

Для успішного використання в крані мотузка повинна мати принаймні вищезазначене Відповідати вимогам. Представлена тут волокниста мотузка була розроблена ітеративно у декілька петель розвитку. Він складається з несучої жили і захисної оболонки, яка, з одного боку, захищає несучі елементи серцевини мотузки, а з іншого боку використовується як індикатор відкидання мотузки.

У проекті розробки конструкції з оболонкою з серцевиною виявилися вигідними порівняно з конструкціями без оболонки, особливо в додатках із багатошаровою обмоткою. Оболонка захищає серцевину несучої мотузки під час використання, так що несучі елементи не пошкоджуються зовнішнім стиранням. Ось чому високоміцна волокниста мотузка демонструє, як і раніше, розривну силу на 100% від заданої мінімальної розривної сили навіть під час відкидання. Це гарантує можливість експлуатації мотузки з постійним коефіцієнтом безпеки протягом усього терміну служби. У таблиці 1 порівнюються результати випробувань на вигин на втому зі сталевими кабелями та волоконними кабелями з однаковими параметрами випробування.

Критерії викидання

Оскільки високоміцна волокниста мотузка використовується там, де раніше використовувались сталеві канати, основною ідеєю було перенести існуючі стандарти на сталеву мотузку на волокнисту мотузку. Вирішальними механізмами пошкодження в канатному приводі є:

Пошкодження від змінних навантажень на вигин - внутрішнє стирання між пасмами

Пошкодження від багатошарової обмотки - зовнішнє стирання поперек та уздовж

Пошкодження через скручування, місцеві пошкодження - подрібнення або порізи.

Для волоконної мотузки були розроблені відповідні методи виявлення.

Волоконна мотузка, серед іншого, має. через захисну сорочку, яка поступово зношується і, таким чином, надає інформацію про майбутнє викидання. Ця захисна сорочка сконструйована таким чином, що вона може відображати всі вищезазначені механізми пошкодження. На рисунку 6 показані приклади різних умов зносу захисної сорочки. Оскільки оболонка не виконує несучої функції, мотузка зберігає свою повну несучу здатність у разі повної втрати оболонки. Таким чином, волокнисті канати в конструкції серцевини-оболонки можуть експлуатуватися зі значним підвищенням безпеки в порівнянні зі сталевими канатами або конструкціями без оболонки.

Керівництво FEM 5.024 [6], опубліковане в 2017 році, вимагає залишкового терміну служби не менше 60% на момент відмови від волоконної мотузки. Для розробленої високоміцної волокнистої мотузки "soLITE" цей момент часу становить 100% зносу оболонки.

Польові випробування з волокнистими мотузками як підйомні канати для кранів

Розроблена волокниста мотузка випробовувалася в польових випробуваннях різних діаметрів на різних кранах (мобільних кранах, баштових кранах) з 2016 року (рис. 7 і 8). Щоб отримати якомога більше інформації про поведінку канатів під час роботи, польові випробування супроводжуються спеціально навченим персоналом, вузькими інтервалами випробувань та додатковими датчиками.

Мобільні крани та різні баштові крани постійно надавали нову інформацію, яку неможливо отримати під час випробувань на випробувальних стендах. Кожен кран використовується по-різному і експлуатується по-різному різними машиністами кранів. Отримані з цього знання дуже важливі для подальшої оптимізації волоконного канату.

Мотузки, використані в польових випробуваннях, показали бажані властивості. Термін експлуатації, якість схеми намотування та простота використання оператори оцінили дуже позитивно. На рисунку 8 показано використання волоконного канату на автокрані LTM 1750-9.1. Канат без проблем витримав кілька ударів демонтажу. Демонтажні вставки особливо важливі для сталевих тросів через розріз кабелю. Сталевий трос можна швидко пошкодити. Волокниста мотузка, випробувана на малюнку 8, використовувалася близько 16 місяців. За цей час не було значних пошкоджень захисної оболонки, на цей момент було витрачено близько 7% терміну експлуатації (в розрахунку на обрив мотузки). Відповідно до настанови FEM 5.024 [6], цю мотузку слід викинути після максимум 40% терміну експлуатації розриву. Це означає, що ця мотузка використала 7%/40% ≈ 18% свого терміну служби, а термін служби, що залишився, склав 82%. Екстрапольовано на попередній діапазон застосувань, це призведе до загального терміну служби цієї мотузки близько 7,6 років.

Резюме

Високоміцні волокнисті канати (HFFS) дають великий потенціал для підйому на кранах. Використання високоміцних матеріалів дозволяє досягти подібних діаметрів на розривну силу. Це негайно призводить до вагової переваги порівняно зі сталевими тросами. Зменшення ваги дозволяє використовувати довші стріли та вищі пікові навантаження. Вантажопідйомність також збільшується протягом усього діапазону навантаження (звис). Завдяки приблизно в 4 рази довшому терміну служби мотузки, час технічного обслуговування значно скорочується, а обробка мотузки значно полегшується. Оскільки для волоконної мотузки не потрібні мастило та мастило, на крані більше не буде забруднень, спричинених мастилом для мотузки.

Представлена волокниста мотузка "soLITE" була спеціально розроблена для використання в підйомних роботах із багатошаровою намотуванням на барабанні канати. Це демонструє високу втомну міцність на вигин і тривалий термін служби в багатошаровій обмотці.

У кожному канатному приводі діють різні механізми пошкодження, які слід виявляти за допомогою відповідних механізмів виявлення. З цієї причини волоконна мотузка була спроектована в конструкції оболонки з серцевиною. Готовність до утилізації видно з захисної оболонки, яка захищає несучу серцевину мотузки. Викид можна розділити на етапи через послідовний знос. Оскільки знос обмежений захисною сорочкою, викид визначається без втрати вантажопідйомності або безпеки під час використання.