ORGANE FLEXIBILE PENTRU RIDICAREA SARCINILOR

ORGANE FLEXIBILE PENTRU RIDICAREA SARCINILOR

Organele flexibile servesc la legarea, suspendarea si ridicarea sarcinilor. Ele trebuie sa fie suficient de rezistente, durabile si flexibile. In masinile de ridicat se utilizeaza ca organe flexibile funiile, lanturile si cablurile.

Funiile, avand rezistenta la rupere si durabilitatea relativ mici, se folosesc ca organ flexibil pentru ridicarea sarcinilor numai in mecanismele actionate manual si cu caracter temporar, utilizarea lor fiind interzisa la masinile de ridicat cu actionare mecanica. Ele se folosesc insa frecvent la legarea sarcinilor, datorita flexibilitatii lor mari.

Lanturile, folosite ca organe flexibile la masinile de ridicat, sunt de doua feluri: lanturi sudate (calibrate si necalibrate) si lanturi articulate.

Lanturile sudate necalibrate se folosesc ca organ flexibil la mecanisme cu toba, avand suprafata exterioara neteda (lisa), pentru viteze periferice v < 11.5 m/s. Ele se folosesc, de asemenea, la legarea sarcinilor.

Lanturile sudate calibrate se folosesc ca organ flexibil la mecanisme cu roti cu locasuri, la viteze periferice v < 0,5 m/s.

Acestea se folosesc, de asemenea, la antrenarea mecanismelor actionate manual.

Avand greutate mica, lanturile sudate se utilizeaza la mecanisme portabile de ridicat (palane diferentiale, palane cu melc).

In comparatie cu lanturile sudate, lanturile articulate sunt mai sigure in exploatare, se deformeaza mai putin si asigura o functionare mai silentioasa a mecanismului. Ele au insa o greutate mai mare, sunt mai scumpe si se uzeaza mai repede, mai ales atunci cand lucreaza in praf; acestea nu au flexibilitate in plan transversal.

Lanturile articulate se folosesc la palane manuale, precum si la trolii si palane mecanice, pentru sarcini mari si viteze de ridicare reduse (v < 1 m/s) in cazul in care ridicarea sarcinii se face pe ghidaje.

Cablurile reprezinta in prezent cele mai folosite organe flexibile pentru ridicarea sarcinilor. In comparatie cu lanturile, cablurile sunt mai usoare, mai ieftine, asigura mecanismului o functionare mai silentioasa si sunt mult mai sigure in exploatare, deoarece ruperea lor nu se face brusc, iar firele de sarma din cablu se rup treptat, astfel incat cablul poate fi schimbat la timp, evitandu-se avariile. Dezavantajul cablurilor consta in faptul ca acestea necesita tobe de diametru mai mare, ceea ce conduce la mecanisme mai mari si mai grele.

1. Constructia cablurilor

Materialul de baza pentru confectionarea cablurilor ii constituie otelul carbon de calitate, avand un continut mediu de carbon de 0,5 % si o rezistenta la rupere de circa 600 MPa. Prin trefilare, barele de otel de sectiune circulara se transforma in sarma, rezistenta la rupere crescand pana la 12002000 MPa. Dupa trefilare sarma se supune unui tratament termic, pentru redarea proprietatilor plastice materialului ecruisat in procesul de trefilare. In anumite cazuri sarma se galvanizeaza.

Firele de sarma se rasucesc in jurul unei sarme centrale, intr-un singur strat sau in mai multe straturi, formand toroane. La randul lor, toroanele se infasoara in jurul unei inimi centrale formand cablul.

Cablurile se pot clasifica dupa mai multe criterii.

a.    Clasificarea cablurilor dupa forma. Cablurile pot fi plate sau rotunde. La masinile de ridicat se folosesc numai cabluri rotunde. La randul lor cablurile rotunde pot fi simple, fiind formate numai dintr-un singur toron (fig. 1 a, b si c), duble, formate din. mai multe toroane (fig. 1 d, e, f, h) ; triple sau cablate, realizate prin infasurarea unor cabluri duble in jurul unei inimi centrale (fig. 1 g). La masinile de ridicat, raspandirea cea mai larga o au cablurile duble.

b.    Clasificarea cablurilor dupa numarul toroanelor. Cablurile se construiesc cu 1, 6, 8, 18 si 36 toroane. Cablurile frecvent folosite la masinile de ridicat sunt cele cu sase si opt toroane.

c.    Clasificarea cablurilor dupa numarul firelor de sarma dintr-un toron. Numarul firelor de sarma dintr-un toron difera dupa constructia acestuia. La cablurile cu toroanele de sectiune circulara si cu inima de sarma (cablurile cele mai folosite la masinile de ridicat) acesta este de 7 (1 + 6), 19 (1 + 6 + 12), 37 (1 + 6 + 12 + 18) si 61 (1 + 6 + 12+18 + 24), cifrele din paranteze reprezentand numarul de fire din fiecare strat. La cablurile cu toroanele de sectiune circulara, dar cu inima de canepa, numarul firelor de sarma este 12, 24 sau 30. Pentru alte sectiuni ale toroanelor (triunghiulara, ovala, dreptunghiulara), numarul de fire poate fi 33, 25, 10. Frecvent sunt folosite cablurile cu 19 si 37 fire de sarma in toron.

La alegerea cablurilor trebuie avut in vedere faptul ca pentru un diametru constant al acestuia, cu cat numarul de fire de sarma este mai mare, cu atat cablul este mai flexibil, dar in acelasi timp este mai scump. In cazul cablurilor supuse la uzuri exterioare mari se recomanda folosirea cablurilor cu sarme mai groase.

d.    Clasificarea cablurilor dupa materialul inimii. Inima cablurilor poate fi din fire vegetale, minerale, metalice sau sintetice.

Inima vegetala se confectioneaza din fibre, de obicei de canepa, rasucite cu un pas de 58 ori mai mare decat diametrul ei. Sensul de infasurare al inimii trebuie sa fie invers sensului de infasurare al cablului. Inima minerala se confectioneaza din fibre de azbest, neimpregnate cu unsori consistente, rasucite la un pas de aproximativ 6 ori mai mare decat diametrul ei. Inima metalica se confectioneaza din sarma de otel. Inima sintetica se confectioneaza din fire sintetice.

Cablurile cu inima de canepa sunt flexibile, iar datorita faptului ca la fabricarea lor inima de canepa se imbiba cu unsoare, firele de sarma ale cablului se ung in timpul exploatarii si din interior, independent de ungerea periodica din exterior. Aceste considerente fac ca folosirea cablurilor cu inima de canepa sa fie foarte frecventa. Totusi, cablurile cu inima de canepa sunt usor deformabile si nu pot fi folosite rational in cazul in care asupra lor se exercita eforturi transversale de compresiune (de exemplu, in cazul in care cablul se infasoara pe toba in mai multe straturi, astfel incat straturile exterioare apasa asupra celor interioare). In acest caz se pot folosi cablurile mai rigide, cu inima metalica. De asemenea, cablurile cu inima de canepa nu pot fi utilizate in cazul in care acestea sunt supuse unei temperaturi inalte (macarale din turnatorii, laminoare etc.), deoarece canepa se carbonizeaza treptat si firele de sarma din cablu se deplaseaza unul fata de celalalt, cablul pierzandu-si forma initiala. In acest caz este recomandabil a se utiliza fie cablurile cu inima de azbest, material rezistent la temperaturi ridicate, cabluri care sunt la fel de flexibile ca si cele cu inima de canepa, fie cablurile mai rigide cu inima metalica.

e.    Clasificarea cablurilor dupa felul cablarii. Firele de sarma pot fi infasu-rate in toron spre dreapta (Z) sau spre stanga (S). La randul lor, toroanele pot fi infasurate in cablu spre dreapta (Z) sau spre stanga (S). Cablul sau toronul cu infasurare spre dreapta, privit in pozitie verticala, are spirale infasurare spre dreapta, privit in pozitie verticala, are spirele indreptate dupa linia mediana a literei S (fig. 2 b).

In cazul in care sensul de infasurare al firelor de sarma in toroane coincide cu sensul de infasurare al toroanelor in cablu, se obtine o cablare paralela (fig. 3 a). In cazul in care sensul de infasurare al firelor de sarma in toroane este diferit de cel de infasurare al toroanelor in cablu, se obtine o cablare in cruce (fig. b). Daca intr-un cablu jumatate din numarul toroanelor au sarmele infasurate intr-un sens, iar jumatate in celalalt sens, se obtine o cablare mixta (fig. 3 c).

Adoptarea sensului de infasurare a toroanelor in cablu depinde de sensul de infasurare a cablului pe toba (spre stanga sau spre dreapta), precum si de faptul ca el se infasoara pe toba pe deasupra ei sau pe dedesubt. Se cauta ca in timpul, exploatarii sa se obtina o torsionare suplimentara a cablului, pentru impiedicarea desrasucirii.

Cablurile cu cablare paralela sunt mai durabile si mai flexibile, dar au tendinta de a se desrasuci. Ele pot fi folosite in cazul ridicarii sarcinii pe ghidaje (lifturi) si in cazul folosirii greiferelor actionate prin mecanisme gemene, la care cablurile sunt dispuse cu infasurarile in sensuri opuse.

Cablurile cu cablare in cruce sunt mai rigide si au o durabilitate mai redusa. Tendinta lor spre desrasucire este insa mult mai slaba si din aceasta cauza se utilizeaza frecvent la masinile de ridicat. Pentru ridicarea sarcinilor fixate direct la capatul liber al cablului se recomanda cablurile de constructie concentrica, ele neavand tendinta de torsionare.

f.    Clasificarea cablurilor dupa forma sectiunii firelor de sarma. Cablurile pot fi formate numai din fire de sarma de sectiune circulara, purtand numele de cabluri deschise (fig. 1 a, d, e, f, g). Daca stratul exterior este format din fire de sectiune circulara alternand cu fire de sectiune speciala (fig. 1 b), cablul poarta numele de semiinchis. In cazul in care stratul exterior este format numai din sarma de profil special (fig. 1 c), cablul se numeste inchis.

Cablurile deschise se folosesc la mecanismele masinilor de ridicat. Cablurile semiinchise si mai ales cele inchise au suprafata exterioara mult mai neteda in comparatie cu cele deschise. Ele sunt insa foarte rigide si nu pot fi infasurate pe tobe sau role de cablu. Acestea sunt utilizate drept cabluri purtatoare ale funicularelor si macaralelor funicular, fiind mai durabile decat cablurile deschise.

g.    Clasificarea cablurilor dupa diametrul firelor de sarma din cablu.

Cablurile pot fi fabricate din fire de sarma de acelasi diametru (fig. 1 a, d, g) sau din fire de sarma de diametre diferite (cabluri de constructie combinata). Acestea din urma se executa in doua variante.

La cablurile de constructie combinata Sil (fig. 1 e) diametrele firelor de sarma din care sunt formate inima, straturile intermediare si stratul exterior sunt diferite, firele de sarma din acelasi strat avand insa acelasi diametru. La cablurile de constructie combinata Warrington-Sil (fig. 1 f), diametrele firelor de sarma ale inimii, primului strat intermediar si stratului exterior sunt diferite, dar in acelasi strat firele au acelasi diametru. Cel de-al doilea strat intermediar este format din fire de sarma de doua diametre diferite, prin alternare. Cablurile de constructie combinata sunt mai durabile, deoarece contactul intre firele de sarma facandu-se liniar pe toata lungimea lor, se reduc tensiunile de contact din sarme, aparute la infasurarea cablului pe role. De asemenea, contactul liniar dintre firele de sarma impiedica patrunderea impuritatilor din exteriorul cablului spre interior.

h.    Clasificarea cablurilor dupa calitatea firelor. Cablurile se executa fie din fire de sarma neprotejate (mate), fie din fire de sarma galvanizate. Acestea din urma se folosesc in cazul in care mecanismul lucreaza in aer liber sau in incaperi umede, pentru a se evita coroziunea cablului.

i.    Clasificarea cablurilor dupa rezistenta la rupere a firelor de sarma. S-a aratat mai sus ca rezistenta la rupere a firelor de sarma variaza intre 1200 si 2000 MPa. Folosirea cablurilor cu rezistenta la rupere relativ mica duce la diametre mari de cablu, nerationale in exploatare. Cablurile cu rezistenta mare la rupere au o durabilitate mai mica. In mod frecvent se folosesc cabluri cu rezistenta la rupere de 1600 MPa. La noi in tara, constructia cablurilor este standardizata.

2. Calculul de rezistenta al cablurilor

Cablul reprezinta un agregat compus dintr-un numar de fire de sarma rasucite dupa o linie elicoidala (frecvent dubla si uneori chiar tripla), cu unghiuri de inclinare diferite fata de axa cablului. La intinderea cablului cu o forta P_c, in firele de sarma iau nastere eforturi unitare de tractiune, de incovoiere (datorita tendintei firelor de a-si schimba curbura), de compresiune (datorita presiunii ce se exercita intre firele alaturate) si de torsiune (datorita tendintei firelor de a se desrasuci).

In cazul in care cablul infasoara o rola, apar tensiuni suplimentare de incovoiere (datorita schimbarii curburii cablului in ansamblu) si tensiuni de contact. Valorile tuturor acestor tensiuni sunt functie de numarul de fire de sarma si de diametrul acestora, de numarul toroanelor, de unghiurile de inclinare ale sarmelor si toroanelor, de materialul inimii cablului, de tipul cablarii, de diametrul si mate-rialul rolei, de forma santului de pe obada acesteia etc. Aceasta face ca in prezent sa nu poata fi data o relatie matematica capabila sa exprime intreaga complexitate a fenomenului fizic, cablurile calculandu-se conventional pe baza sarcinii reale minime de rupere cu relatia:

, (1)

in care: P_r este sarcina reala minima de rupere, in N, indicata in standarde; c coeficientul de siguranta prescris; P_c sarcina de calcul a cablului (efortul din ramura cablului care se infasoara pe tambur), in N. In acelasi timp, diametrul tobei sau rolei pe care se infasoara cablul se determina cu relatia:

, (2)

in care: D este diametrul tobei sau rolei (masurat pe fundul canelurii), in mm; d diametrul cablului, in mm; e - coeficient, functie de tipul masinii de ridicat si de regimul ei de functionare.

In tabelul 1 sunt date valorile minime admisibile ale coeficientilor c si e.

Valorile coeficientului e din coloana I a tabelului 1 se refera la toate instalatiile de ridicat, cu exceptia macaralelor mobile cu brat, a macaralelor de cale ferata, a macaralelor pe senile, a macaralelor pe pneuri, a macaralelor pe autosasiuri si a macaralelor pentru constructii; pentru acestea se vor folosi valorile coeficientului e din coloana II.

Coeficientul e, indicat pentru greifere, se refera la rolele din interiorul acestora. Tobele si rolele mecanismelor de actionare a greiferelor se aleg in functie de regimul de functionare al instalatiei de ridicat.

Valorile coeficientului c, indicate in tabelul 1, se pot reduce cu 40 % pentru rolele de egalizare, cu 10 % in cazul utilizarii cablurilor cu infasurare paralela si cu 5% in cazul utilizarii cablurilor de constructie combinata.

Valorile coeficientului e se majoreaza cu 2 unitati la mecanismele care lucreaza tot timpul sau marea majoritate a timpului cu sarcina nominala, precum si in cazul folosirii cablurilor de constructie concentrica.

Calculul durabilitatii cablurilor

Practica exploatarii masinilor de ridicat a aratat ca sarmele cablului incep sa se rupa dupa un anumit timp, independent de faptul ca acesta rezista in bune conditii la incercarile statice.

Tabelul 1. Valorile minime admisibile ale coeficientilor c si e

Cauza distrugerii sarmelor o constituie oboseala materialului, iar cercetarile de laborator au aratat ca, din complexul de tensiuni ce apar in cablu, cele mai periculoase sunt tensiunile de incovoiere si cele de contact. Micsorarea acestor tensiuni duce la o crestere sensibila a durabilitatii cablurilor.

Sunt de remarcat in aceasta privinta lucrarile de baza ale cercetatorilor W. Woernle, F. Niemann, P. Stephan, H. Ernst, K. M. Maslenicov, D. G. Jitkov si A. I. Kolcin. Fara a reusi sa prinda intr-o relatie matematica teoretica fenomenul fizic complex al distrugerii cablurilor datorita oboselii materialului, cercetatorii amintiti mai sus dau, pentru calculul durabilitatii cablurilor, expresii matematice empirice, obtinute pe baza generalizarii rezultatelor cercetarilor lor. Este de mentionat faptul ca rezultatele calculelor efectuate dupa diferitele metode difera intre ele si difera intrucatva si de rezultatele practice, aceasta demonstrand necesitatea continuarii cercetarilor in acest domeniu. Ca fenomen general, se constata ca durabilitatea cablului creste daca acesta se infasoara pe un numar mai mic de role si daca toate rolele sunt infasurate in acelasi sens. Durabilitatea cablului creste odata cu cresterea coeficientului de siguranta si a raportului dintre diametrul rolei (tobei) si cel al cablului. Folosirea rolelor (tobelor) din materiale cu modul de elasticitate mai redus si cu caneluri cu raza cat mai apropiata de cea a cablului determina, de asemenea, o crestere a durabilitatii cablului.

Dupa D.G. Jitkov, numarul incovoierilor repetate ale cablului pana la distrugerea sa este:

(3)

in care Z₁ are valoarea:

(4)

in care: σ este efortul unitar efectiv de tractiune din cablu, in MPa; C₁, si C coeficienti dati in tabelele 2 si

Tabelul 2. Valorile coeficientului C₁

Tabelul Valorile coeficientului C₂

Pe baza experientelor lui W. Woernle, prof. Niemann propune calculul durabilitatii cablurilor pe baza formulei:

(5)

in care: L este un coeficient pe baza caruia, in tabelul 4 se prezinta numarul incovoierilor repetate Z ale cablului, pana la distrugerea sa; K coeficient, in functie de raportul D/d (prezentat in tabelul 5); P coeficient, in functie de constructia cablului (prezentat in tabelul 6).

Tabelul 4. Valorile coeficientului L

Tabelul 5. Valorile coeficientului K

Tabelul 6. Valorile coeficientului P

Dupa A.I. Kolcin, numarul incovoierilor repetate ale cablului pana la distrugerea sa este:

(6)

in care: E este modulul de elasticitate al otelului, MPa; σ_R - rezistenta la rupere a sarmelor cablului, in MPa; δ - diametrul sarmei cablului, in mm.

Coeficientii au urmatoarele valori:

=1 in cazul incovoierii cablului intr-un singur sens;

=0,65 in cazul incovoierii cablului in ambele sensuri;

2=1 pentru cabluri cu inima de canepa;

=0,85 pentru cabluri cu inima de otel;

=l pentru unghiul γ = 0 (unghiul de inclinare al cablului fata de planul normal la axa rolei sau tobei);

=0,85 pentru unghiul γ =3°;

= 0,8 pentru unghiul y =5°;

depinde de constructia rolelor sau tobei. Pentru role si tobe canelate α'₃=1. Pentru tobe netede α'₃ este prezentat in tabelul 7.

Tabelul 7. Valorile coeficientului α'₃

Coeficientul C depinde de constructia cablului:

- cablu de constructie normala, din sarme mate C = 900.000;

- cablu de constructie normala, din sarme zincate C = 100.000;

- cablu de constructie combinata, din sarme mate C = 2.040.000;

- cablu de constructie combinata, din sarme zincate C = 2.380.000;

Coeficientul a depinde, de asemenea, de constructia cablului:

- cablu de constructie normala a = 7,7;

- cablu de constructie combinata a = 7,

Coeficientii A si β sunt dati in tabelul 8.

Tabelul 8. Valorile coeficientilor A si β

Dintre cele trei metode de calcul expuse, se constata ca primele doua sunt mai comode, in timp ce cea de-a treia cuprinde mai bine fenomenul fizic, tinand seama de influenta mai multor factori asupra durabilitatii cablului.

Durabilitatea cablului in luni N poate fi determinata cu ajutorul relatiei:

, (7)

in care: b este numarul mediu de cicluri intr-o luna; Z₂ numarul de incovoieri repetate intr-un ciclu, pentru intreaga inaltime de ridicare si incovoiere intr-un singur sens; ε - coeficient, care tine seama de folosirea partiala a inaltimii de ridicare si a capacitatii de ridicare.

Valoarea b depinde de tipul macaralei, de operatiile pe care le efectueaza si de regimul nominal de exploatare. Orientativ se poate considera:

- pentru regim I: b = 1.000;

- pentru regim II:    b = 500;

- pentru regim III:    b = 10.000.

Numarul de incovoieri Z₂ depinde de tipul palanului si are valoarea:

Z = 2∙i_p pentru palane simple;

Z = 2∙i_p-1 pentru palane duble, unde i_p este raportul de transmitere al palanului.

La determinarea valorii Z₂ trebuie insa sa se tina seama de faptul ca schimbarea sensului de incovoiere este echivalenta cu doua incovoieri in acelasi sens.

Coeficientul ε poate fi apreciat orientativ in functie de tipul palanului si raportul lui de transmitere. El este dat in tabelul 9.

Tabelul 9. Valorile coeficientului ε

Deoarece durabilitatea cablului depinde de gradul de uzura al acestuia, este necesara verificarea permanenta a starii sale. Cercetarile au aratat ca la ruperea unei sarme, aceasta continua sa lucreze in bune conditii la o oarecare distanta de sectiunea in care a avut loc ruperea. Cresterea numarului de sarme rupte pe o distanta relativ scurta, face insa ca sectiunea activa a cablului sa scada simtitor pe aceasta portiune si sa apara pericolul ruperii bruste a cablului, in cazul in care el nu este inlocuit la timp. De aceea, pentru a se preintampina accidentele, cablurile se inlocuiesc atunci cand numarul de fire rupte pe o distanta egala cu un pas de infasurare a toroanelor atinge o anumita valoare, functie de destinatia cablului, de constructia sa si de coeficientul de siguranta cu care a fost calculat.

Pentru macarale, aceasta este aproximativ 10 % din numarul total de fire pentru cabluri cu cablare in cruce si 5 % pentru cabluri cu cablare paralela.

4. Fixarea cablurilor

Capatul liber al cablurilor metalice poate fi fixat la cadrul mecanismului in mai multe moduri. Cel mai simplu si mai raspandit dintre acestea il constituie fixarea cablului cu ajutorul unui ochet. Cablul se infasoara in jurul unui ochet de otel, capatul lui liber legandu-se prin matisare de ramura activa (fig. 4). Lungimea l de matisare trebuie sa fie mai mare decat de 15 ori diametrul d al cablului si in toate cazurile mai mare de 300 mm. Tot cu ajutorul ochetilor se poate fixa carligul direct la cablu (fig. 5). Ochetii pentru fixarea cablurilor sunt standardizati.

In locul matisarii, se pot folosi cleme pentru fixarea capatului liber al cablului de ramura activa a acestuia, dupa infasurarea pe ochet (fig. 6). Pentru siguranta fixarii cablului, numarul clemelor trebuie sa fie de cel putin trei.

Un alt mod de fixare il constituie fixarea cu pana. Cablul infasoara o pana de otel, prevazuta cu sant periferic, fiind apoi introdus, impreuna cu aceasta, intr-un manson plat, de o forma corespunzatoare, executat din otel turnat (fig. 7). Sub actiunea greutatii sarcinii, cablul este presat intre pana si manson.

Cablul poate fi fixat si cu ajutorul unui manson conic (fig. 8). Pentru aceasta, capatul cablului se leaga in a si b, legatura din b fiind mai mare, iar distanta dintre cele doua legaturi fiind determinata de

lungimea mansonului. Se desface apoi legatura din a, se despletesc toroanele si sarmele, se taie inima de canepa pe toata portiunea despletita si apoi firele desfasurate se leaga din nou provizoriu in a' si a' pentru a putea fi introdus capatul cablului in manson. Dupa introducerea capatului cablului in manson, se desfac legaturile provizorii, capetele sarmelor se indoaie si se toarna plumb, care umple spatiul dintre sarme si manson. Cu ajutorul mansoanelor conice se poate fixa si direct carligul la cablu (fig. 9).

Mansonul se calculeaza in ipoteza unui vas cu pereti grosi, supus unei presiuni interioare.