Алюминиевые втулки для проволочных тросов: прочность на обжимку, размеры и виды отказов

Алюминиевая втулка создает механическое соединение методом холодной сварки, а не просто точку защемления.

A алюминиевый рукав для троса , известный как обжимная втулка или наконечник, действует как концевой фитинг, который надежно фиксирует конец троса в проушине или стыке. При сжатии с помощью подходящего обжимного инструмента пластичный алюминиевый материал пластически деформируется вокруг отдельных жил проволоки, затекая в впадины между ними и создавая механическая блокировка холодной штамповки, которая равномерно распределяет растягивающую нагрузку по каждой пряди поперечного сечения каната . Правильно обжатая втулка на тросе из оцинкованной или нержавеющей стали с использованием овальной алюминиевой втулки обеспечивает прочность удержания От 85% до 90% минимальной прочности на разрыв троса. когда длина втулки, внутренний диаметр до обжатия и характеристики сжатия после обжатия соблюдены. Используемый алюминиевый сплав - обычно 5052 или 6061 в деформируемой форме или A380 в литой форме - выбирается из-за сочетания пластичности при сжатии, коррозионной совместимости с материалом каната и характеристик деформационного упрочнения, которые увеличивают прочность втулки после обжатия, чтобы противостоять окружному напряжению, создаваемому нагруженными прядями каната, пытающимися вырваться.

Овальная втулка и стопорная втулка: два разных компонента для разных функций

Термин «алюминиевая втулка для троса» охватывает два функционально различных типа оборудования, которые часто путают. Ан овальная втулка, также называемая фламандской проушиной, имеет удлиненный овальный профиль с двумя параллельными внутренними отверстиями, в которые входят обе ветви петли из троса. . Он обжимается по ширине, сжимая оба отверстия одновременно, и является основным несущим устройством для создания постоянной проушины на конце троса. Стопорная втулка, напротив, представляет собой короткую цилиндрическую алюминиевую трубку с одним сквозным отверстием, обжатую непосредственно на одну ветвь троса для создания механического упора — например, фиксатора, который предотвращает протягивание троса через полиспаст, или упора, который фиксирует хвост троса после того, как он пройдет через овальную втулку. Если спутать эти два понятия и использовать стопорную втулку там, где для несущего заделки требуется овальная втулка, то соединение выйдет из строя при менее 40% прочности каната на разрыв потому что стопорная втулка зацепляет только одну опору и не обеспечивает сбалансированного распределения нагрузки, как в овальной конструкции с двумя отверстиями.

Протокол определения размеров и последствия несоответствия

Алюминиевая втулка рассчитана на определенный диаметр троса с чрезвычайно узким окном допуска. Внутренний диаметр отверстия втулки перед обжимкой должен быть На 0,2–0,5 мм больше номинального диаметра каната. чтобы веревка могла проходить без заедания, оставляя при этом минимальное пространство, которое алюминий должен заполнить во время сжатия. Рукав, который на один размер больше, не будет достаточно сжиматься на прядях веревки; алюминий достигнет предела сжатия до того, как он полностью затечет в промежутки прядей, оставляя внутренние пустоты, которые действуют как точки концентрации напряжений и снижают прочность удержания до 30%. Рукав, который на один размер меньше, не может быть надет на веревку без повреждения пряди, а принуждение к нему приводит к смещению и перекручиванию отдельных внешних проволок, создавая ослабленное поперечное сечение именно в той точке, где окончание оказывает наибольшее напряжение. В таблицах размеров рукавов, опубликованных производителями, каждый диаметр каната соответствует определенному номеру детали рукава, а размеры зависят от конструкции каната: для каната с волоконным сердечником 6x19 и каната с независимым сердечником 7x19 одного и того же номинального диаметра могут потребоваться разные спецификации рукавов, поскольку фактические наружные диаметры немного отличаются из-за различной геометрии упаковки прядей.

Проверка перед обжимкой и правило длины хвоста

Перед сжатием хвост каната, выступающий из втулки, должен быть достаточно длинным, чтобы можно было визуально убедиться в том, что канат не соскользнул при обжимке. Стандартное правило – это минимальная длина хвостовой части равна одной длине втулки для овальных втулок и двум диаметрам каната для упорных втулок. . Если после обжима хвост втянулся в гильзу, веревка при сжатии проскальзывает и оконцевание необходимо отрезать и переделать. Хвост также обеспечивает материал для вторичной меры безопасности: при ответственных подъемных операциях хвост часто снабжается проволокой или оснащается дополнительной стопорной втулкой в ​​качестве резервного фиксатора.

Требования к обжимному инструменту и ручной инструмент в сравнении с гидравлическим решением

Для сжатия алюминиевой втулки стального каната требуется обжимной инструмент, который осуществляет контролируемое параллельное сжатие до заданного размера после обжима. Болторез из хозяйственного магазина или молоток и пробойник не смогут обеспечить надежную обжимку. Минимально допустимый инструмент для овальных гильз на тросе диаметром до 5 миллиметров – это ручной обжимной инструмент с губками из закаленной стали, обработанными до правильного профиля после сжатия . Эти инструменты представляют собой конструкции со сложными рычагами, которые умножают силу руки на несколько тонн давления сжатия на лицевых поверхностях челюстей. Для канатов диаметром более 5 миллиметров требуется гидравлический обжимной пресс со сменными матрицами для создания постоянного усилия от 8 до 15 тонн, необходимого для полного сжатия алюминиевой втулки в конструкции каната. Критическим показателем качества любого обжимного инструмента является его способность обеспечивать повторяемый размер после обжима (обычно определяемый как размер поперечного сечения сжатой втулки в ее самой широкой точке), а инструмент, чьи губки изношены, подпружинены или не соответствуют размеру втулки, будет производить недостаточно сжатую втулку, которая выглядит визуально приемлемой, но выходит из строя при нагрузке ниже номинальной.

Калибр «годен/не годен» и проверка после обжима

После сжатия обжатую втулку необходимо проверить с помощью калибра годности/негодности, поставляемого производителем втулки или указанного в паспорте производителя. Манометр проверяет, что ширина втулки в сжатом состоянии находится в пределах допустимого диапазона — обычно плюс 0,2 миллиметра и минус 0,1 миллиметра от номинального размера после обжима. . Втулка, размер которой указан на манометре, недостаточно сжата и не развивает полной удерживающей силы. Втулка, размер которой меньше размера, была чрезмерно сжата, что может привести к растрескиванию алюминия или разрушению внутренних прядей троса, создавая точку начала разрушения. Проверка манометра не является обязательной для любого подъема, такелажа или критически важного с точки зрения безопасности применения; это единственная объективная проверка того, что обжимка была выполнена правильно.

Стандарт с двойным рукавом для подъемных работ

Отраслевые стандарты для канатных стропов и подъемных узлов, включая ASME B30.9 и EN 13411-3, требуют, чтобы фламандские проушины, оканчивающиеся алюминиевыми овальными втулками, использовали минимум одна втулка для канатов диаметром до 6 миллиметров, две втулки для диаметров от 6 до 12 миллиметров и три втулки для диаметров более 12 миллиметров. . Рукава расположены равномерно вдоль хвоста, при этом первый рукав расположен как можно ближе к горловине проушины, а последующие рукава расположены с интервалом примерно в одну длину рукава. Требование наличия нескольких рукавов не является избыточностью само по себе; он учитывает тот факт, что одна втулка концентрирует всю растягивающую нагрузку в одной точке, и если эта втулка повреждена - из-за производственного дефекта, коррозии или нестандартной обжимки - все соединение выходит из строя без предупреждения. Несколько втулок распределяют нагрузку и обеспечивают индикацию постепенного разрушения: если первая втулка начинает проскальзывать, нагрузка передается на вторую втулку, а выступ хвоста первой втулки заметно изменяется, предупреждая инспектора о развивающемся отказе во время планового осмотра.

Аспекты коррозии и гальваническая совместимость алюминия и стали

Алюминиевая втулка, контактирующая со стальным тросом, создает гальваническую пару в присутствии электролита, например, дождевой воды, солевого тумана или промышленной атмосферной влаги. Алюминий является анодным по отношению к стали в гальваническом ряду, что означает Алюминиевая втулка преимущественно подвергается коррозии, чтобы защитить стальной трос. . При использовании в сухих помещениях этот гальванический эффект незначителен, и втулка прослужит дольше веревки. В морской среде, прибрежных наружных установках или на химических перерабатывающих предприятиях скорость гальванической коррозии резко возрастает. Меры по смягчению последствий этих сред включают выбор гильз из анодированного алюминия с минимальным Анодированный слой толщиной 15 микрон, который электрически изолирует алюминий от стали. , нанесение на обжатый узел грунтовки с высоким содержанием цинка перед вводом его в эксплуатацию и сокращение интервала проверок для обнаружения утончения стенки втулки до того, как оно поставит под угрозу прочность заделки. Втулки из нержавеющей стали, доступные в марках 304 или 316, полностью устраняют проблему гальванической коррозии при использовании с тросами из нержавеющей стали за счет необходимости более высоких усилий обжима из-за большего предела текучести нержавеющей стали по сравнению с алюминием.

Распространенные виды отказов и идентификация полей

Окончания алюминиевых гильз троса выходят из строя из-за ограниченного числа предсказуемых механизмов, каждый из которых имеет видимые индикаторы. Самая распространенная неисправность – это вытягивание троса, при котором трос проскальзывает через сжатую втулку под нагрузкой, оставляя втулку на месте на уже отсоединенном хвосте. . Это указывает на недостаточное сжатие, втулку неправильного размера или загрязненную поверхность каната, которая не позволяет алюминию захватить провода. Второй вид — это разрушение втулки, при котором алюминий растрескивается в продольном направлении вдоль оси сжатия, обычно из-за чрезмерного сжатия, превышающего предел пластичности алюминия. Третье — усталостное разрушение каната в месте выхода из рукава, вызванное резким переходом между жестким рукавным участком и гибким свободным канатом, создающим концентрацию изгибающих напряжений. Этот вид отказа смягчается за счет использования наперстка в проушине, который обеспечивает контролируемый радиус изгиба и снижает циклическое напряжение изгиба на стыке муфта-трос. Четвертый режим - это утончение стенки втулки, вызванное коррозией, при котором алюминиевая втулка теряет площадь поперечного сечения до тех пор, пока оставшаяся стенка больше не может сдерживать радиальное расширение каната под нагрузкой, что приводит к раскалыванию втулки. Каждый из этих режимов отказа оставляет диагностические данные, которые компетентная проверка может выявить до того, как произойдет катастрофический отказ.

Трос из нержавеющей стали и специальный чехол для алюминиевых гильз

Когда алюминиевые втулки используются на канатах из нержавеющей стали, это сочетание требует особых требований, помимо тех, которые касаются оцинкованного каната. Трос из нержавеющей стали имеет более гладкая поверхность и более низкий коэффициент трения, чем у оцинкованного каната. Это означает, что алюминиевая втулка должна обеспечить более глубокое механическое соединение с геометрией пряди, чтобы компенсировать уменьшенную составляющую трения удерживающей силы. Это достигается за счет определения немного меньшего размера после обжима для нержавеющего каната, чем для оцинкованного каната того же диаметра, что эффективно увеличивает процент сжатия, что позволяет алюминию проникать глубже в впадины прядей. Кроме того, гальванический потенциал между алюминием и нержавеющей сталью очень велик. примерно 0,5 В в морской воде по сравнению с 0,3 В между алюминием и углеродистой сталью. Это означает, что алюминиевая втулка на канате из нержавеющей стали в морской среде будет корродировать значительно быстрее, чем такая же втулка на оцинкованном канате. Анодированная гильза с цинковой грунтовкой становится обязательной, а не дополнительной для комбинаций нержавеющей стали и алюминия при эксплуатации на открытом воздухе или на судах.

Альтернативные материалы гильз и варианты из меди и цинка

Алюминий — не единственный материал втулки, доступный для концевой заделки канатов, и в некоторых случаях можно использовать альтернативные материалы. Медные втулки, обозначенные как раскисленная фосфором медь C12200, являются стандартом для стальных канатов, используемых в горнодобывающей промышленности и во взрывоопасных средах, поскольку медь не образует искр при ударе или истирании. . Медные гильзы требуют примерно на 15% большей силы сжатия, чем алюминиевые гильзы того же размера, из-за более высокого предела текучести меди, и при правильной обжимке они обеспечивают соединение с прочностью удержания, сравнимой с алюминиевыми. Цинковые втулки, изготовленные из цинкового сплава высокой чистоты, предназначены для погружного и подводного применения, где цинк выполняет двойную функцию: как механическое окончание, так и в качестве защитного анода, защищающего трос от коррозии. Цинковая втулка намеренно изнашивается с течением времени, а толщина ее стенки указана с учетом припуска на коррозию, обеспечивающего сохранение работоспособности механического соединения в течение расчетного срока службы установки. Как уже отмечалось, втулки из нержавеющей стали являются лучшим выбором для канатов из нержавеющей стали в агрессивных средах, а также для оснастки пищевых, фармацевтических и чистых помещений, где пыль оксида алюминия от коррозии втулки недопустима.

Роль наперстка в защите рукава и веревки

Наперсток представляет собой рифленую металлическую или пластиковую вставку, помещаемую в проушину концевой заделки троса перед обжимкой гильзы. Его функция заключается в том, чтобы поддерживать контролируемый радиус изгиба на внутреннем изгибе проушины и не допускать сдавливания троса опорной поверхностью того, к чему прикреплена проушина. . В случае алюминиевых концевых муфт втулка выполняет дополнительную важную функцию: она предотвращает перекручивание прядей каната в горловине проушины под нагрузкой, что может создать концентрацию напряжений в непосредственной близости от муфты и привести к преждевременному усталостному разрушению проволоки. Стандартный коуш для данного диаметра каната обеспечивает минимальный радиус изгиба в 2,5–3 раза превышает диаметр каната. у глазного горла. Без наперстка (конфигурация, называемая «мягкой проушиной»), веревка изгибается по гораздо более узкому радиусу, создаваемому крепежным штифтом или скобой, а проволока на внутренней стороне изгиба сжимается за пределами предела упругости при первом цикле нагрузки, необратимо повреждая веревку в наиболее нагруженной точке. Мягкая проушина с алюминиевой втулкой подходит только для некритических статических применений, когда канат никогда не достигает предела своей рабочей нагрузки и где усталость не является фактором эксплуатации.