Растяжение троса под нагрузкой

Общие сведения о тросах

Эксплуатационные качества тросов. Тросами
(канатами) называются изделия из нитей растительных и
искусственных волокон или из стальных проволок. По
материалу, использованному для изготовления, тросы
подразделяются на растительные, синтетические, стальные
и комбинированные, а по способу изготовления — на витые
(крученые), невитые и плетеные.

При выборе троса для работы в конкретных условиях
руководствуются его эксплуатационными качествами,
которые определяются физико-механическими
характеристиками троса. Важнейшими из них являются
прочность, гибкость и эластичность.

Прочность троса
— способность его выдерживать нагрузки на
растяжение. Она зависит от материала, конструкции,
способа изготовления и толщины троса. Последняя
измеряется в миллиметрах: растительных и синтетических
тросов — по длине их окружности, стальных — по диаметру.
Прочность является основным критерием оценки любого
троса, предназначенного для работы в сильно напряженном
состоянии.

Различают разрывную и рабочую прочность троса.

Разрывная прочность троса определяется той наименьшей
нагрузкой, при которой он начинает разрушаться. Эта
нагрузка R называется разрывным усилием. Его
численное значение в ньютонах указано в государственных
стандартах и может быть вычислено приближенно по
формулам.

Для растительных и синтетических тросов:

для стальных тросов:

где f — эмпирический коэффициент; С — длина
окружности сечения троса, мм;
d, — диаметр троса, мм.

Рабочая прочность троса определяется той наибольшей
нагрузкой, при которой он может работать в конкретных
условиях длительное время без нарушения целости
отдельных элементов и всего троса. Эта нагрузка
называется допустимым усилием. Его значение в ньютонах
устанавливается с определенным запасом прочности:

где R — разрывное усилие, Н; k —
коэффициент запаса прочности, выбираемый в зависимости
от назначения и условий эксплуатации троса.

Для большинства судовых тросов коэффициент запаса
прочности берется равным 6, а в устройствах для подъема
людей — не менее 12.

Гибкость троса
— способность его изгибаться без нарушения структуры и
потери прочности. Чем больше гибкость троса, тем удобнее
и безопаснее работать с ним.

Эластичность (упругость) троса —
способность его удлиняться при растяжении и принимать
первоначальные размеры без остаточных деформаций после
снятия нагрузки. Эластичные тросы являются оптимальными
в условиях приложения динамических нагрузок.

Для надлежащего ухода за тросами, их правильного
хранения и использования на судне важно также знать и
учитывать стойкость тросов к воздействиям внешних
факторов: воды, температуры, солнечной радиации,
химических веществ, микроорганизмов и др. Нормативами и
государственными стандартами определены требования к
качеству исходных материалов и основные характеристики
тросов.

Растительные тросы.
Изготавливают растительные тросы из специально
обработанных прочных длинных волокон некоторых растений.
По способу свивки они могут быть тросовой и кабельной
работы.

Рис. 1. Растительные тросы.

Изготовление растительного троса (рис. 1) начинают со
свивки нитей 1 в каболки 2. Из нескольких
каболок свизают прядь
3, а несколько прядей, свитых вместе, образуют трос
тросовой работы (рис. 1, а). В зависимости
от числа прядей тросы бывают трех-, четырех- и
многопрядные. Трос с меньшим числом прядей прочнее троса
такой же толщины, свитого из большего числа прядей, но
уступает ему в гибкости. Трос кабельной работы
(рис. 1, б) получается путем свивки нескольких
тросов тросовой работы, которые в структуре такого троса
называются стрендями 4. Трос кабельной работы
менее прочен, чем трос тросовой работы такой же толщины,
но более гибок и эластичен. Чтобы трос не раскручивался
и сохранял свою форму, свивку каждого последующего
элемента троса делают в сторону, противоположную свивке
предыдущего элемента. Обычно волокна свивают в каболки
слева направо. Тогда каболки в пряди свивают справа
налево, а пряди в трос — снова слева направо. Такой трос
называется тросом прямого спуска, или правой свивки
(рис. 1, в), а трос с противоположным
направлением свивки элементов — тросом обратного
спуска, или левой свивки (рис. 1, г).

На судах морского флота наибольшее применение получили
пеньковые, манильские и сизальские растительные тросы.
Реже используют тросы кокосовые, хлопчатобумажные и
льняные.

Пеньковые
тросы изготавливают из волокон конопли — пеньки.
Существенным недостатком этих тросов является их большая
гигроскопичность и подверженность гниению. Для
предотвращения гниения пряди троса свивают из
просмоленных каболок. Такой трос называется смоленым, а
трос, изготовленный из непросмоленных каболок, —
бельным. Прочность смоленого троса примерно на 25% ниже
прочности бельного троса такой же толщины, а масса на 11
— 18% больше. Пеньковые тросы тросовой работы
изготавливают бельными и смолеными, а тросы кабельной
работы — только смолеными. Последние как более
влагостойкие используют преимущественно в качесте
швартовных тросов. Бельные тросы имеют серо-зеленоватый
цвет, смоленые — от светло- до темно-коричневого.
Пеньковые тросы удлиняются без потери прочности на
8-10%.

Манильские
тросы изготавливают из волокон тропического банана абаки
— манильской пеньки. Из всех растительных тросов они
имеют наилучшие эксплуатационные характеристики: большую
прочность, гибкость и эластичность — удлиняются без
потери прочности на 20 — 25%. Тросы медленно намокают и не
тонут в воде, под влиянием влаги не теряют эластичности
и гибкости, быстро сохнут и поэтому мало подвержены
гниению. Цвет этих тросов от светло-желтого до
золотисто-коричневого.

Сизальские
тросы изготавливают из волокон листьев тропического
растения агавы — сизальской пеньки. Они эластичны, как
манильские тросы, но уступают им в прочности, гибкости и
влагостойкости, в намокшем состоянии становятся
хрупкими. Цвет этих тросов светло-желтый.

Кокосовые
тросы изготавливают из волокон, покрывающих кокосовые
орехи. Тросы не тонут в воде, вдвое легче смоленых
пеньковых тросов, но обладают меньшей прочностью. Тросы
весьма эластичны — при нагрузке на растяжение, близкой к
разрывному усилию, они удлиняются на 30 — 35%.

Хлопчатобумажные
тросы используются в основном для хозяйственных
нужд. Они недостаточно прочны, недолговечны, весьма
гигроскопичны и сильно вытягиваются.

В зависимости от способа изготовления и толщины
растительные тросы имеют специальные названия:

• лини — тросы тросовой работы толщиной до 25 мм и
  тросы кабельной работы толщиной до 35 мм;
• перлини — тросы кабельной работы толщиной 101 — 150
  мм;
• кабельтовы — тросы кабельной работы толщиной 151 — 350
  мм;
• канаты — тросы кабельной работы толщиной более 350
  мм.

Лини большой прочности свивают из нескольких каболок
высококачественной пеньки. Линь, свитый из низкосортной
пеньки, называется шкимушгаром. Он идет на изготовление
матов, кранцев и других изделий. Лини, полученные путем
сплетения льняных нитей, называются шнурами. Плетеные
шнуры гибки и эластичны, не имеют больших наружных
изменений и деформаций в результате скручивания.

При расчете разрывного усилия для растительных тросов
принимают следующие значения эмпирического коэффициента:

• для манильского — 0,65;
• для пенькового бельного — 0,6;
• для пенькового смоленого — 0,5;
• для сизальского — 0,4.

Синтетические тросы.
В зависимости от марки полимера эти тросы подразделяют
на полиамидные, полиэфирные и полипропиленовые. К
полиамидным относятся тросы, изготовленные из волокон
капрона, найлона (нейлона), перлона, силона и других
полимеров. Полиэфирные тросы изготавливают из волокон
лавсана, ланона, дакрона, диолена, терилена и других
полимеров. Материалами для изготовления полипропиленовых
тросов служат пленки или мононити полипропилена,
типтолена, бустрона, ульстрона и др.

Синтетические тросы имеют большие преимущества перед
растительными. Они значительно прочнее и легче
последних, более гибки и эластичны, влагостойки, в
большинстве своем не теряют прочности при намокании и не
подвержены гниению. Такие тросы стойки к растворителям
(бензину, спирту, ацетону, скипидару). Полиамидные и
полиэфирные тросы сохраняют все свои свойства при
изменении температуры воздуха от — 40 до +60°С, что
позволяет использовать их при работе судна в различных
климатических условиях.

При эксплуатации синтетических тросов необходимо
учитывать их особенности. Полиамидные тросы повреждаются
под воздействием солнечной радиации, кислот, олифы,
мазута, а полиэфирные — от соприкосновения с
концентрированными кислотами и щелочами. Разрывная
прочность полипропиленовых тросов снижается при
температуре свыше +20°С, а при отрицательных
температурах понижается их гибкость. При трении о
поверхности деталей оборудования и в результате трения
прядей между собой тросы способны накапливать
статическое электричество, которое может вызвать
искрообразование и повреждение тросов. Наружные волокна
недостаточно стойки к истиранию и могут оплавляться
особенно при трении о шероховатые поверхности.

Синтетические тросы очень эластичны. Так, при нагрузке,
равной половине разрывного усилия, относительное
удлинение плетеных восьмипрядных тросов следующее:
полипропиленовых — 21 — 23%, полиэфирных — 23 — 25%,
полиамидных — 35 — 37%. Такая большая эластичность делает
сильно натянутый трос опасным для работающих, так как
при разрыве концы его могут нанести им травму. Менее
опасны плетеные восьмипрядные тросы, нежели крученые
трехпрядные. Кроме того, они более стойки к истиранию,
обладают лучшей гибкостью, сохраняют структуру и форму
даже при обрыве двух прядей, выдерживая при этом
нагрузку, составляющую 75% разрывного усилия. Отсутствие
крутящего момента у плетеного троса, находящегося в
напряженном состоянии, делает его более удобным в
эксплуатации.

Разрывная прочность синтетических тросов зависит от
марки полимера (см. таблицу).

Таблица. Значения разрывного усилия (кН) для
плетеных восьмипрядных тросов в зависимости от материала
их изготовления.

Плетеные и крученые капроновые тросы отечественного
производства бывают обычными и повышенной плотности.
Разрывная прочность последних выше разрывной прочности
обычных. Значения разрывного усилия для обычных плетеных
восьмипрядных тросов следующие:

Значения разрывного усилия для плетеных восьмипрядных
тросов повышенной плотности следующие:

Стальные тросы. Их изготавливают обычно из
оцинкованной проволоки. По качеству оцинковки проволоку
подразделяют на три группы с индексами ЛС (для легких
условий работы), СС (для средних условий работы) и ЖС
(для жестких условий работы).

Рис. 2. Стальные тросы.

По конструкции тросы бывают одинарной, двойной и тройной
свивки. Трос одинарной свивки, называемый также
спиральным (рис. 2,а),
состоит из одной пряди, у которой проволоки свиты по
спирали в один или несколько рядов вокруг центральной
проволоки. Несколько прядей, свитых вокруг одного
сердечника, образуют трос двойной свивки (рис.
2.6). Это трос тросовой работы. Трос тройной свивки
(рис. 2,е) получают путем свивки нескольких
тросов двойной свивки. Он представляет собой трос
кабельной работы.

В зависимости от способа свивки проволок в многорядной
пряди различают тросы с линейным и точечным касанием
проволок. В тросе с линейным касанием проволоки
каждого последующего ряда свиваются вокруг центрального
сердечника в ту же сторону, что и проволоки предыдущего
ряда. В этом случае ряды проволок соприкасаются по всей
длине проволоки. Такой тип троса обозначается буквами
ЛК. Значения разрывного усилия для тросов типа ЛК
конструкции 6X30 (0+15+15) + 10С следующие:

При свивании проволок каждого последующего ряда в
сторону, противоположную свивке проволок предыдущего
ряда, получается трос с точечным касанием
проволок, обозначаемый буквами ТК.

Значения разрывного усилия для тросов типа ТК
конструкции 6X37(1+6+12+18)+10С следующие:

По направлению свивки проволок в пряди и прядей в трос
различают тросы односторонней, крестовой и
комбинированной свивки.

Трос односторонней свивки
(правой или левой) получают свивкой прядей в том же
направлении, в каком свиты проволоки в пряди. При свивке
прядей в трос в направлении, противоположном свивке
проволок в пряди, получается трос крестовой свивки.
Если же первая половина прядей имеет свивку в одну
сторону, а вторая половина — в противоположную, такой
трос называется тросом комбинированной свивки.

В качестве сердечников для тросов применяются стальная
проволока, промасленные пеньковые и другие растительные
тросы тросовой работы, синтетические и асбестовые
материалы. Сердечник обеспечивает плотность троса и
сохранение его формы на изгибах при большом натяжении,
делает трос более мягким и гибким. Промасленные
сердечники, кроме того, предохраняют внутренние
проволоки от ржавления, а асбестовые — от
преждевременного изнашивания тросов, используемых в
условиях высоких -температур. Кроме центрального
сердечника из различных материалов, многие типы тросов
имеют сердечники из органических материалов внутри
каждой пряди.

По степени гибкости тросы подразделяют на жесткие и
гибкие. Жесткими
называют тросы одинарной свивки, изготовленные из
проволок с высоким пределом прочности, свитых в
несколько рядов вокруг проволочного сердечника, а также
тросы тросовой работы с одним сердечником из
органического материала. Гибкими называют тросы
тросовой работы, каждая прядь которых свита из тонких
проволок и имеет сердечник из органического материала, а
также свитые из таких тросов тросы кабельной работы.

Комбинированные тросы.
Их применяют как буксирные и в качестве швартовов.
Для их изготовления используют различные полимеры (в
сочетании), а также синтетические и стальные тросы с
волокнами растительного происхождения. Факторами,
определяющими выбор материалов для изготовления
комбинированных тросов, являются эксплуатационные
характеристики, которым они должны соответствовать.

Для условного обозначения конструкции, структуры и
характеристики стальных тросов применяют буквенную и
цифровую системы. Число прядей в тросе указывается
цифрой, а конструкция пряди — суммой цифр, из которых
первая характеризует сердечник, вторая указывает число
проволок в первом ряду, третья — число проволок во
втором ряду и т. д. Например, запись для двухрядной
пряди (1+6+12) означает, что прядь имеет сердечник из
одной (центральной) проволоки, в первом ряду пряди 6
проволок, во втором — 12. У прядей с органическим
сердечником вместо цифры 1 ставят цифру 0. Запись за
скобкой +1 ОС означает, что многопрядный трос имеет
общий органический сердечник. Так, для многопрядного
троса запись 6X24 (0 + 9+15)+ 1ОС означает: трос
шестипрядный, каждая прядь имеет 24 проволоки, свитые
вокруг органического сердечника в 2 ряда по 9 и 15
проволок соответственно, а пряди свиты вокруг общего
органического сердечника.