Стальные тросы и канаты. Классификация и особенности применения

В сказке о Репке понадобилось шестеро работников, чтобы выдернуть из земли один овощ. Причем в команде были самые разные специалисты — начиная от заслуженных пенсионеров и заканчивая домашними питомцами, и каждый рассчитывал на поддержку товарища, будучи связанными единой цепью. Но в реальности для такой операции понадобилось бы всего несколько элементов: крюк, лебедка и металлический трос.

Канатная продукция настолько прочно осела во всех сферах деятельности человека, что даже есть спортивный норматив с длинной историей — перетягивание каната. Но если первое знакомство с такими изделиями происходит в школьном спортзале, то для людей, так или иначе связанных с промышленным производством или строительством, канат всегда будет только стальным, а любой иной вариант назовут простой веревкой.

Такой трос используют как оснастку при такелажных и грузоподъемных операциях, для растяжки металлоконструкций при их монтаже, в качестве гибкого элемента в механических передачах различных устройств. Это удивительное сочетание гибкости и феноменальной нагрузочной способности сделало металлические канаты попросту незаменимыми для решения целого комплекса сложных технических задач.

Общая характеристика

Трос — это набор проволок, свитых строго определенным образом в единое целое. Как в общеизвестной народной мудрости, нагрузка, непосильная для одного-единственного элемента, становится вполне рабочей, если радикально увеличить их число. Причем, если просто собрать проволоки в пучок, их прочность будет меньшей, чем если подвергнуть упорядоченной свивке, ведь во втором случае они ложатся друг на друга с определенным контактом, равномерно распределяя нагрузку.

В процессе эксплуатации стальной канат испытывает целый ряд напряжений. Он одновременно работает на:

• растяжение статического или динамического характера;
• изгиб, будучи намотанным на шкив или барабан;
• скручивание;
• местное смятие при контакте (на крепеже и зажимах).

Также нельзя исключать такой фактор, как внутренние силы трения, возникающие между соприкасающимися проволоками в пучке. Всё в комплексе создает настолько сложную общую картину восприятия рабочих нагрузок, что точный расчет ресурса изделия становится попросту невозможным, даже если посчитать условия эксплуатации условно идеальными — без учета коррозии и перепадов температур.

Некоторой приближенной характеристикой металлического троса будет условный расчетный статический запас прочности. Его определяют как отношение суммарного разрывного сопротивления всех проволок к максимальному растягивающему усилию. Этот параметр для разных канатов составляет от 1,5 до 9 единиц, и им пользуются преимущественно инженеры-конструкторы, проверяя свои гипотезы и проектируя новые объекты.

На практике же основной характеристикой стального троса будет его разрывное усилие — предельная нагрузка растяжением, при которой наступает разрушение металла. Это парадоксально роднит металлический канат с резьбовым крепежом вроде гаек, винтов и болтов — они тоже работают с продольным нагружением.

Величину предельной нагрузки неизменно указывают в каждом стандарте или каталоге на канатную продукцию. Причем ее представляют в двух вариантах: суммарное разрывное усилие для всех проволок в тросе и для изделия целиком. Ориентироваться нужно на второй показатель, поскольку для разрушения всех проволок понадобится большая нагрузка, чем для того, чтобы начать разрушение каната.

Стальные тросы изготавливают трех типов по сложности конструкции:

• одинарной (спиральной) свивки — изделие образовано комплектом круглых проволок, свитых в пучок по определенному принципу, повторяющимися повивами;
• двойной (тросовой) свивки — набор канатиков одинарной свивки дополнительно свивают в одно общее изделие, в котором каждый элемент называют прядью, а в центре сечения присутствует сердечник;
• тройной (кабельтовой) свивки — несколько тросов двойной свивки укладывают в крупногабаритный канат с общим сердечником.

Зачастую, нагрузочная способность изделия закономерно растет с усложнением конструкции. Так канаты одинарной свивки применяют в составе силовых механизмов и для растяжки строительных объектов, канаты двойной — для перемещения грузов и в лифтовом хозяйстве. В отношении тросов тройной свивки действует некоторый парадокс: их изготовление из тяжелых канатов двойной свивки будет технически труднореализуемо, поэтому их делают на базе сравнительно тонких изделий, из-за чего кабельтовый трос не отличается какими-то выдающимися рабочими характеристиками. Особого распространения он не получил и встречается редко.

При образовании прядей в канатах двойной свивки обычно придерживаются стандартной круглой формы. Такую продукцию называют «круглопрядной», и она наиболее проста в производстве. Для особых условий эксплуатации, с целью повысить надежность и нагрузочную способность тросов, их иногда изготавливают с прядями фасонной формы — трехгранными или эллипсоидными.

В каждой пряди будет определенное количество проволок. Как правило, это 7, 16, 19, 25, 30, 36 или 37 элементов. Число зависит от схемы их расположения, которая подбирается строго радиальной и симметричной. Диаметр сечения проволок может быть одинаковым для всех или же разным. В прядях сложных ответственных канатов часто используют 3-4 варианта, чтобы за счет подбора рациональной схемы размещения основных несущих и вспомогательных проволок обеспечить максимальную прочность при сохранении гибкости.

В составе одного каната может быть 6, 8, 12 или 18 прядей. Больше — очень редко, но тоже не исключено. Свивка по двойной схеме подразумевает сначала укладку проволоки в пряди, после чего окончательную сборку в готовое изделие поверх сердечника. При этом сам сердечник может быть как металлическим (по сути — трос поменьше), так и органическим. Вторые считаются более предпочтительными в сложных условиях эксплуатации, поскольку способны за счет своих упругих свойств и более высокой податливости демпфировать внутренние напряжения в канате.

Величина предельной разрывной нагрузки для каждого проволочного изделия связана с диаметром сечения каната, диаметром проволок и маркировочной группой металла, использованного при изготовлении. Что примечательно, нет общего стандарта на размеры тросов, распространяющегося на весь ассортимент продукции, поскольку здесь нужно учесть слишком большое количество факторов: схемы образования прядей, их количество, охват проволок, тип сердечника и т.д. В итоге два одинаковых по условному диаметру сечения стальных троса будут иметь совершенно разную конструкцию и разную грузоподъемность.

Список наиболее распространенных диаметров сечения для ГОСТовских канатов вы найдете в таблице ниже.

Диаметр сечения каната, мм	Диаметр сечения каната, мм	Диаметр сечения каната, мм	Диаметр сечения каната, мм
0,65	4,5	10,5	38,5
0,75	4,6	11,5	41
0,8	4,8	12	44
0,85	4,9	12,5	45,5
0,9	5	13,5	48,5
1	5,2	14,5	49
1,1	5,5	15	49,5
1,2	5,6	15,5	50,5
1,4	5,9	16,5	51
1,6	6	17,5	52
1,8	6,2	18,5	53,5
2	6,4	19,5	54,5
2,2	6,8	21	56
2,4	7,2	23	57
2,5	7,5	24,5	58,5
2,8	7,6	25,5	59,5
3,1	8	26,5	60,5
3,2	8,4	27	61,5
3,4	8,6	29	63
3,6	9,2	29,5	64
3,7	9,5	31,5	65
4	9,8	34	68
4,3	9,9	36	72

Классификация

Одним из определяющих классификационных признаков в канатной продукции будет характер контакта между соседними элементами, будь то проволоки или пряди. Согласно этому показателю, общий ассортимент таких изделий из проволоки делят на несколько групп:

• с точечным касанием (ТК);
• с линейным касанием (ЛК);
• с линейным касанием и одинаковыми проволоками в прядях (ЛК-О);
• с линейным касанием и проволоками разного диаметра в прядях (ЛК-Р);
• с линейным касанием и заполнением зазоров в прядях (ЛК-З);
• с линейным касанием, комбинированного типа (ЛК-РО);
• с точечно-линейным касанием (ТЛК);
• с линейно-точечным касанием (ЛТК).

Считается, что линейный характер соприкосновения элементов позволяет более щадяще распределять суммарную нагрузку, поэтому канаты для серьезных условий работы изготавливают именно по такому принципу.

В иностранных справочниках можно встретить иные названия групп по характеру касания:

• ЛК-О — «Seal»;
• ЛК- Р — «Warrington»;
• ЛК-З — «Filler»;
• ЛК-РО — «Warrington-Seal».

По направлению свивки продукцию делят на:

• тросы правой свивки;
• тросы левой свивки.

По сочетанию направлений между свивкой прядей и их укладкой в изделие допустимы варианты:

• крестовой свивки;
• односторонней свивки.

По точности изготовления канаты бывают:

• нормальной;
• повышенной точности.

По степени крутимости различают изделия:

• крутящиеся (основная масса);
• малокрутящиеся (для сложных условий эксплуатации).

По степени уравновешенности тросы делят на:

• рихтованные;
• нерихтованные.

По способу свивки:

• нераскручивающиеся;
• раскручивающиеся.

По типу сердечника тросы бывают:

• с металлическим (стальным) сердечником;
• с органическим сердечником.

По виду проволоки:

• из черного металла без покрытия;
• с цинковым покрытием, поверхностной плотностью цинка категории С, Ж, ОЖ.

Особое внимание следует уделить классификации стальных канатов по маркировочным группам. По своей сути эта характеристика указывает на предел прочности использованной при изготовлении проволоки. Чем выше значение — тем большую нагрузку сможет выдержать готовое изделие.

Насчитывают девять маркировочных групп:

• 1370;
• 1470;
• 1570;
• 1670;
• 1770;
• 1860;
• 1960;
• 2060;
• 2160.

Обратите внимание: канаты по каждому ГОСТу изготавливаются в каком-то диапазоне маркировочных групп, далеко не по всем. Это позволяет разделить общий ассортимент выпуска на эксплуатационные категории, где изделия от 1370 до 1570 предназначены для простых условий работы, от 1860 до 2160 группы — для наиболее сложных. Кроме того, ограничение какого-либо сортамента до трех-четырех маркировочных групп позволяет сократить перечень исходного материала для изготовления, что в том числе упрощает серийное производство.

В отношении распределения канатов по маркировочным группам можно проследить аналогию с разбивкой болтов на классы прочности, где в рамках одного ГОСТа изделие с одним и тем же диаметром резьбы способно выдержать совершенно разные эксплуатационные нагрузки.

Стандарты

Сегодня процесс проектирования, расчета и выпуска стальных тросов хорошо изучен и жестко регламентирован. Для решения всех этих задач имеются соответствующие отраслевые стандарты, вольное творческое отступление от которых недопустимо.

Чтобы разобраться во всех нюансах металлических грузовых канатов, можно использовать такие документы:

• ГОСТ 3241 — для России и стран СНГ;
• DIN 3051 — для Германии и Евросоюза;
• BS 302 — для Великобритании;
• RP-W-410 — для Соединенных Штатов Америки;
• UNI 7291 — для Италии;
• JIS G 3525 — для Японии;
• NF A 7-205 — для Франции;
• ISO 2408 — на международном уровне;
• EN 12385 — для Евросоюза.

На российском рынке зачастую выбор ограничен изделиями по соответствующим ГОСТам. И этого вполне достаточно: номенклатура стандартного выпуска в полной мере охватывает все отрасли и сферы применения канатной продукции, будь то системы управления воздухоплавательными судами или установки глубокого бурения.

Наиболее ходовыми и распространенными считаются изделия, выполненные по таким стандартам:

• тросы одинарной свивки — ГОСТ 3062, ГОСТ 3063, ГОСТ 3064;
• тросы двойной свивки (система ТК) — ГОСТ 3071, ГОСТ 3068, ГОСТ 3067;
• тросы двойной свивки (система ЛК-О) — ГОСТ 3066, ГОСТ 3069, ГОСТ 3077, ГОСТ 3081;
• тросы двойной свивки (система ЛК-Р) — ГОСТ 2688, ГОСТ 3088, ГОСТ 14954;
• тросы двойной свивки (система ЛК-РО) — ГОСТ 7668, ГОСТ 7669;
• тросы двойной свивки (система ЛК-З) — ГОСТ 7667, ГОСТ 7665.

В магазинах также встречаются предложения импортных образцов — по DIN 3060 и DIN 3055. В обоих случаях это стальные тросы двойной свивки, с шестью прядями вокруг общего сердечника. Но для первого варианта в каждую прядь закладывают 19 проволок, для второго — всего семь.

Распространены также канаты, выпущенные по ГОСТ 16853 (для талей бурильных установок на месторождениях нефти и газа) и ГОСТ 13840 (для армирования предварительно напряженных конструкций). Но такие изделия уже относятся к категории узкоспециализированных, с четко прописанным назначением.

Материалы и технология изготовления

Для свивки троса используют специальную канатную проволоку — из высокопрочной стали, с содержанием углерода свыше 0,5% и отсутствием значимых легирующих компонентов. Предел временного сопротивления разрыву такого сплава перекликается с обозначениями маркировочных групп и приходится на пределы от 1300 до 2400 МПа. Для наглядности можно сравнить эти показатели с прочностью закаленной рессорной стали марки 65Г — в зависимости от температуры отпуска она составит 1470...2200 МПа.

Канатная проволока может быть использована как в чистом («черном»), так и в оцинкованном виде. Что примечательно, тросы с цинковым покрытием менее востребованы на рынке, поскольку бытует мнение, что вместе с защитой от коррозии они несколько снижаются по нагрузочной способности.

Одним из перспективных направлений изготовления специальных канатов будет их производство из стальной проволоки с алюминиевым покрытием. Верхний осажденный слой уменьшает контактное трение между соседними элементами, предотвращает развитие коррозии и в общем благоприятно сказывается на условиях работы ненагруженных узлов. Такую продукцию можно встретить в составе строительных растяжек и электротехнического оборудования, эксплуатируемого под открытым небом.

Если же канат будет работать в постоянном контакте с агрессивной окисляющей средой, то его допустимо изготавливать из нержавеющей проволоки. Для этого выбирают высоколегированные криогенные сплавы марок 12Х18Н9Т и 12Х18Н10Т. Нержавеющий трос — частое явление в механических системах управления самолетной техникой, но их делают преимущественно весьма тонкими и с малой нагрузочной способностью.

Металлические сердечники канатов собирают на базе тех же материалов, что и пряди. Куда больший интерес представляет выбор основы для изготовления органического сердечника. Это может быть:

• пеньковое волокно;
• сизалевое волокно;
• хлопчатобумажная пряжа;
• хлопчатобумажный корд;
• полиэтилен;
• полипропилен;
• капрон;
• вискоза;
• лавсан.

Органический сердечник также дополнительно пропитывают специальным смазочным составом, чтобы закрепить и улучшить его демпфирующие свойства.

Свивка проволоки в готовый канат происходит на свивальных машинах с разной кинематической схемой. Сегодня в промышленности используют технику:

• корзиночного типа;
• сигарного типа;
• безроторного типа;
• двойной скрутки.

Канатовьющее оборудование работает в полностью автоматизированном цикле, с забором сырья из бухт или мотков. Оператор лишь следит за нормальным режимом свивки, а после — проверяет качество готовой продукции. Кроме того, в процессе упорядоченной укладки проволок в повивы металл покрывают особой канатной смазкой. Без этого местное контактное трение между соседними элементами будет слишком высоко, и общий ресурс использования троса может значительно сократиться.

Сферы применения

В настоящее время в отраслевых стандартах закреплено простейшее деление всех стальных канатов на две базовые категории — грузового и грузолюдского применения. Изделия первого типа допустимо использовать лишь в составе силовых механизмов, для растяжки строительных конструкций, подъема и перемещения различных грузов (в том числе, в составе канатных строп). Тросы грузолюдского типа отличаются повышенной надежностью в отношении динамических нагрузок, поэтому их можно применять для комплектации лифтов и подъемников.

В западной литературе можно встретить иную классификацию канатов по области применения:

• подвижные — в своей работе постоянно огибающие блоки, шкивы и барабаны, т.е. обычные грузовые;
• неподвижные — находящиеся в натянутом состоянии, растяжки мачт, вантовые и направляющие тросы;
• несущие — служащие опорой для качения роликов какого-либо транспорта (яркий пример — канатная дорога);
• такелажные — используемые для обвязки грузов.

Такое разделение показывает, насколько тесно связана конструкция металлического каната с характером его нагружения и эксплуатации. Соответствие нагрузке — далеко не единственное условие надежной работы таких изделий.

В составе какого оборудования можно встретить стальной трос:

• краны (башенные, автокраны, мостовые, судовые, портальные, козловые, кран-балки);
• тельферы, лебедки;
• грейферные захваты;
• лифты и подъемники;
• землеройные и горные машины (экскаваторы, скреперы);
• траулеры;
• буровые установки;
• аэрофишинеры;
• палубные фишинеры;
• аэростаты и авиация;
• тормозные и амортизационные системы парашютов.

Отдельно стоит упомянуть такую категорию изделий, как грозотрос. Эти металлоизделия представляют собой вспомогательную оснастку для электротехники и позволяют защитить дорогостоящее оборудование от удара молнии.

В строительной сфере металлический канат применяют в качестве подвесных звеньев (вантовые мосты), для растяжки металлоконструкций и их фиксации, а также в армировании сложных промышленных объектов, когда металл не просто закладывается каркасом в теле бетона, а дополнительно затягивается после заливки.

Канаты также используют для подвески полков, спасательных лестниц и проходческих люлек в подземных горных выработках. К продукции, эксплуатируемой в шахтах, выдвигают особо жесткие требования по надежности — ведь там металл испытывает не только рабочие статические и динамические нагрузки, но также подвержен коррозии и абразивному изнашиванию от пыли, оседающей на поверхности проволок и участвующей в их контактном трении.

Заключение

Ценность металлического троса в огромном спектре области его применения невозможно преувеличить. Это по-настоящему незаменимое звено в целом комплексе операций, в самых разнообразных отраслях человеческой деятельности.

Гибкий, но при этом прочный узел способен выдержать колоссальные нагрузки самого различного рода, начиная от статичного растяжения и заканчивая кручением и рывками. Такие свойства стальной канат приобретает благодаря своей одновременно многокомпонентной и целостной структуре, получаемой за счет свивки сложного сечения из множества проволок.

При выборе рабочего троса ориентируются в первую очередь на область применения по конкретному ГОСТу, затем — на предельную разрывную нагрузку. И нужный диаметр сечения подбирают с серьезным запасом прочности, стараясь заранее предусмотреть все рабочие и внештатные ситуации. Ведь среди технарей бытует мнение: укажи на кране предел подъема в 2 тонны, так кто-то обязательно попробует поднять в два раза больше.