ИСТИНА

Канаты являются ответственными узлами многих подъемно-транспортных машин, поэтому к ним и условиям их эксплуатации предъявляется комплекс требований для обеспечения их безопасной работы. Особенно жесткие требования предъявляются к канатам, работа которых связана с подъемом и транспортировкой людей. Очевидно, что обязательным условием надежной и безопасной эксплуатации канатов является наличие достоверных методов определения их напряженно-деформированного состояния, обладающих высокой точностью и широкой областью применения. Данные методы должны в максимальной степени учитывать аспекты работы канатов и иметь минимальное количество принимаемых допущений, что позволит использовать их для расчетов как существующих, так и перспективных конструкций канатов. Существующие методы расчета не могут быть безоговорочно использованы для определения напряженно-деформированного состояния современных типов канатов.

Ropes are responsible nodes of many hoisting-and-transport machines, therefore to them and conditions of their operation the complex of requirements for maintenance of their safe work is shown. Particularly stringent requirements are imposed on ropes, the work of which is connected with the lifting and transportation of people. Obviously, an indispensable condition for reliable and safe operation of ropes is the availability of reliable methods for determining their stress-strain state, which have high accuracy and a wide range of applications. These methods should take into account the aspects of the ropes as much as possible and have a minimum number of assumptions that will allow them to be used to calculate both existing and prospective rope designs. Existing methods of calculation can not be used unconditionally to determine the stress-strain state of modern rope types.

Основным результатом реализаций научного проекта будет являться разработанный и апробированный на тестовых примерах метод расчета напряженно-деформированного состояния каната, включающий в себя 1. Систему исходных уравнений, которая более полно описывает состояние элементов спирального каната с учетом их физико-механических свойств; 2. Выражения связывающее нагрузку и поле перемещений для различных вариантов нагружения (растяжение, кручение, изгиб, совместное действие перечисленных ранее нагрузок); 3. Выражения для компонент тензоров деформации и напряжений. 4. Сравнение полученных результатов с данными других исследователей (Глушко М.Ф., Динник А.Н., Устинов Ю.А., Endormez C., Imrak C., Gegauff C. Costello G.) и с численными решениями (МКЭ). 5. Оценку влияния эффектов трения на напряженно-деформированное состояние канатов. 6. Разработку методики оценки долговечности работы каната с учетом трения его элементов при различных схемах нагружения. 7. Получение научно обоснованных рекомендации по использованию различных смазочных материалов, оценку их влияния на долговечность канатов.

Основными результатами, полученными в период 2008-2015гг, являются: 1. Геометрическая модель спирального каната, построенная на базе новых решений системы уравнений линейного контакта, обеспечивающая минимизацию зазоров и отсутствие взаимопроникновения проволок. 2. Уточненное решение вспомогательного трансцендентного уравнения при синтезе геометрии канатов линейного касания. 3. Метод и результаты численного анализа напряженно-деформированного состояния спирального каната, показавшие неоднородный характер распределения силовых факторов по сечению каната и его элементов. Количественная оценка влияния различных эксплуатационных факторов на напряженно-деформированное состояние: смазочные материалы, обрыв проволок и др. 4. Методика определения обобщенных коэффициентов жесткости спирального каната, учитывающая действие сил трения и микроперемещения проволок. 5. Геометрическая модель каната двойной свивки для численного анализа напряженно-деформированного состояния. 6. Результаты экспериментальных исследований по оценке влияния различных смазочных материалов на долговечность канатов. Эксперименты проводились на установке для испытаний на трение и износ SRV-III с применением оригинальной оснастки (Патент РФ № 2374627 Устройство для крепления канатов при их испытании). 7. Результаты экспериментальных исследований по определению фрикционных характеристик смазочных материалов при нормальных и низких температурах на оригинальной установке, реализующей способ оценки фрикционного взаимодействия элементов свитых изделий (Заявка на патент №2014140907 (066292). Приоритет от 9.10.2014.)

В процессе работы над проектом были получены следующие результаты: 1. Разработан и апробирован метод численного анализа напряженно-деформированного состояния стальных канатов при работе на блоках и шкивах, который позволяет исследовать поведение каната с линейным касанием проволок при его изгибе и растяжении, определять контактные взаимодействия между проволоками и блоком, может использоваться как инструмент в технических приложениях. Основным отличием разработанного метода численного анализа от разработанного ранее метода для случая прямолинейного каната являются настройка параметров контактных алгоритмов и размерности конечных элементов. Контактные задачи, при решении методом конечных элементов или другими предполагающими дискредитацию рассматриваемой области, это всегда баланс между точностью вычислений и временем, требуемым на этот расчет. Так в нашем случае, на имеющемся оборудовании, расчет типовой задачи занимал от 3 до 8 часов на примерно 50-70 итерациях. Для нахождения оптимального сочетания точности и времени счета было проведено около 120 таких вычислительных экспериментов. В каждом из которых варьировались параметры контактных алгоритмов (тип контактного поведения, формулировка, контактная жесткость, коэффициент трения, допуск на внедрение и др.) и/или перестраивалась сетка конечных элементов и анализировались результаты. Выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния стальных канатов различных конструкций при чистом растяжении и изгибе на блоках, выполнено сравнение полученных результатов с известными аналитическими решениями. Один из таких расчетов прилагается к данному отчету в виде отдельного файла (см. прилагаемый файл Расчет НДС канатов для отчета РФФИ.pdf) ; 2. Определены депланации поперечных сечений стальных канатов при изгибе на блоках и шкивах и возникающие при этом относительные микросмещения элементов каната, установлена зависимость величины этих перемещений, а также напряжений трения от коэффициента трения. Информация о параметрах контактного взаимодействия проволок в канате и с поверхностью блока позволяет перейти к построению методики расчета каната на долговечность; 3. На примере, моделирования поверхностного дефекта, в виде сферической полости, показаны возможности численного анализа, недоступные аналитическим методам. Получен коэффициент концентрации напряжений на поверхности такого дефекта (подробнее в тезисах доклада Поверхностные дефекты в проволоках стальных канатов); 4. Проведен комплекс запланированных ресурсных испытания стальных канатов на пробежной машине, получены зависимости количества оборванных проволок и циклов до выбраковки от коэффициента трения, используемого смазочного материала; 5. Проведено исследование напряжений при изгибе канатов на блоке с учетом трения его элементов, выполнено сравнение полученных результатов с известными методиками. Сделан вывод, что работа сил трения, возникающая при депланации поперечного сечения изогнутого каната, препятствует свободным микроперемещениям проволок относительно друг друга, что вызывает изменение максимальных изгибных напряжений на 7% и минимальных изгибных напряжений на 20% по сравнению с результатами М.Ф. Глушко и Eugen Czitary. (подробнее в статье Изгибные напряжения в канатах при огибании блоков). 6. Определены зависимости основных параметров износа (касательное напряжение на контактной поверхности и относительные смещения) в пределах одного цикла нагружения. 7. Для оценки долговечности канатов при изгибе на блоках и шкивах применена теория фреттинг-износа. Получены выражения для определения объемного и линейного износа проволок каната (подробнее в статье "К вопросу о долговечности стальных канатов")