Temat 12 (2 godziny): Liny stalowe 12.1. Wstęp Podstawowymi surowcami służącymi do wykonania liny są: druty stalowe rdzeń oraz smar konserwujący. Produkcja drutu odbywa się przez zastosowanie odpowiedniej technologii, takiej jak: obróbka powierzchniowa, obróbka cieplna, obróbka plastyczna, cynkowanie drutów. Obróbkę powierzchniową stosuje się w celu usunięcia warstwy zgorzeliny z powierzchni walcowanej drutu. Może się to odbywać mechanicznie (szczotki druciane) albo chemicznie (roztwór kwasu siarkowego lub solnego). Obróbka cieplna to patentowanie, polegające na przelotowym nagrzaniu drutu do temperatury 880 950 C, a następnie chłodzeniu w ołowiu w temperaturze 480 520 C. Obróbka plastyczna polega na ciągnieniu drutu, w wyniku którego powstaje zgniot powodujący wzrost wytrzymałości na rozciąganie. Cynkowanie drutu ma na celu jego ochronę przed korozją. Dokonywane jest w kąpieli z płynnym cynkiem w temperaturze 450 470 C. 12.2. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i klasyfikacją lin stalowych, a także poznanie metod badania pojedynczych drutów, z których lina jest wykonana, na rozciąganie zginanie i skręcanie [7]. 12.3. Budowa lin stalowych Splotka jest to element liny składający się z drutów splecionych spiralnie w jedną lub kilka warstw wokół prostego drutu stanowiącego rdzeń splotki. Lina jest to szereg splotek nawiniętych spiralnie w jedną lub kilka warstw wokół rdzenia liny (rys. 12.1). Rdzeń liny może być wykonany z włókien naturalnych (bawełna, juta, konopie, sizal, manila), syntetycznych lub z metalu. Stanowi on wewnętrzny zbiornik smaru. Dzięki rdzeniowi lina jest elastyczna i miękka. Do smarowania zewnętrznych drutów lin oraz do nasycania rdzenia stosuje się smar uniwersalny. Splotki mogą mieć przekrój poprzeczny: okrągły, trójkątny, owalny lub płaski. Liny ze względu na przekrój poprzeczny mogą być okrągłe, z oplotem lub płaskie. Liny z liniowym stykiem drutów (o równoległym zwiciu) są to liny, w których druty w splotkach splecione są tak, że mają jednakowy skok zwicia, w wyniku czego stykają się liniowo. Liny te wykonuje się na jednej maszynie w jednej operacji. Wszędzie tam, gdzie głównym powodem zniszczenia lin jest zmęczenie, należy stosować liny o liniowym styku drutów (maszyny budowlane, maszyny do robót ziemnych, urządzenia transportowe). Liny z punktowym stykiem drutów (o nierównoległym zwiciu) są to liny, w których druty w następujących po sobie warstwach splotek splecione są pod jednakowym w przybliżeniu kątem, w wyniku czego druty w kolejnych warstwach stykają się punktowo. Każda warstwa drutu zwijana jest na innej maszynie, w oddzielnej operacji, z innym skokiem zwicia. Jeżeli lina pracuje głównie na rozciąganie, należy stosować liny o punktowym styku drutów (maszty telewizyjne i radiowe, liny nośne estakad, liny naciągowe). Podstawową konstrukcję lin stalowych stanowi 6 splotek, każda skręcona z siedmiu drutów o tej samej średnicy (rys. 12.1). Liczba drutów w splotce i w poszczególnych jej warstwach oraz średnice drutów decydują o konstrukcji i typie liny oraz jej zastosowaniu. Odmianami tej podstawowej konstrukcji są liny, w których występuje liniowy styk drutów.
Rys. 12.1. Budowa typowej liny stalowej, składającej się z 6 splotek, w splotce po 7 drutów oraz rdzenia liny [21] Liny ze splotkami o jednakowej średnicy drutów w poszczególnych warstwach (rys. 12.2) są to liny o konstrukcji typu Seale, zwykle oznaczane symbolem S [21]. Jeżeli w warstwie występują dwie różne średnice, to jest to lina o konstrukcji Warrington, oznaczana symbolem W (rys. 12.3). Istnieją także konstrukcje splotek o liniowym styku drutów w splotkach składające się z warstw drutów o jednakowych średnicach i warstw drutów o niejednakowych średnicach (rys. 12.4). Takie konstrukcje nazywa się Warrington-Seale, są one oznaczane symbolem WS. Rys.12.2. Splotka o konstrukcji Seale (S). Druty w poszczególnych warstwach mają takie same średnice [20]
Rys.12.3. Lina o konstrukcji Warrington (W), w warstwie zewnętrznej drutów występują dwie średnice drutów [20] Rys. 12.4. Splotka o konstrukcji Warrington-Seale (WS), składa się z warstw drutów o jednakowych średnicach i warstw drutów o niejednakowych średnicach [20] Ostatnią odmianą lin stalowych o liniowym styku drutów w splotkach są liny z drutami wypełniającymi typu Filler (rys. 12.5), oznaczane symbolem F. Rys. 12.5. Splotka typu Filler (F), z drutami wypełniającymi [20] Konstrukcje z częściowo liniowym i częściowo punktowym stykiem drutów w splotkach przedstawione są na rys. 12.6. Oznaczane są symbolami ST lub WT. Rys. 12.6. Splotka z punktowo-liniowym stykiem drutów (ST) lub (SW) [20] Kierunek zwicia drutów w splotce prawy i lewy oznacza się odpowiednio literami z i s. Duże litery Z i S oznaczają kierunek zwicia splotek w linę. Wzajemny układ kierunków zwicia splotek i liny oznacza się następująco:
liny przeciwzwite prawe: Z/s, kierunek zwicia splotek lewy, a liny prawy, liny przeciwzwite lewe: S/z, kierunek zwicia splotek prawy, a liny lewy, liny współzwite prawe: Z/z, kierunek zwicia splotek i liny prawy, liny współzwite lewe: Z/z, kierunek zwicia splotek i liny prawy. Liny wykonuje się przeważnie jako przeciwzwite prawe, znajdują one zastosowanie w większości urządzeń przemysłowych. Liny współzwite są bardzo giętkie i mają dużą wytrzymałość zmęczeniową. Mają jednak wadę, lina taka obciążona ciężarem swobodnie zwisającym rozkręca się a zluzowana zapętla się. Nadaje się do pracy, gdzie jest stale pod obciążeniem: kolejki linowe, windy osobowe, górnicze urządzenia wyciągowe. 12.4. Badania lin stalowych Liny podlegają następującym badaniom: 1. Oględziny i pomiary liny w całości: a) sprawdzenie wzrokowe wyglądu zewnętrznego liny. Na powierzchni drutów liny nie może być rdzy pęknięć rozwarstwień, b) sprawdzenie średnicy liny polega na zmierzeniu średnicy liny w dwóch wzajemnie do siebie prostopadłych kierunkach jednego przekroju (rys.12.7), Rys. 12.7. Pomiar średnicy liny c) sprawdzenie skoku zwicia liny i splotek; jako długość skoku zwicia należy przyjmować średnią arytmetyczną długości trzech kolejnych skoków, d) sprawdzenie masy liny, e) sprawdzenie odprężania liny; polega to na badaniu zachowania się splotek po zdjęciu końcowych oplotów z drutu, sploty w linie odprężonej nie powinny się rozkręcać, 2. Oględziny i pomiary drutów odkręconych z liny: a) sprawdzenie stanu powierzchni drutów i rdzeni; oględziny nieuzbrojonym okiem, b) sprawdzenie średnic drutów; wykonujemy mikromierzem w dwóch wzajemnie do siebie prostopadłych kierunkach i w dwóch miejscach, c) sprawdzenie powłoki cynkowej; polega na sprawdzeniu ilości cynku, równomierności powłoki cynkowej, przyczepności cynku, 3. Badania wytrzymałościowe i technologiczne: a) określenie siły zrywającej poszczególne druty; badanie przeprowadza się na uniwersalnej zrywarce, długość pomiarowa powinna wynosić 100 mm [10], b) określenie liczby skręceń drutów liny [8]; odbywa się na maszynie do skręcania drutów. Liczba skręceń do zniszczenia drutu świadczy o odkształceniach
plastycznych. Liczba ta zawiera się w przedziale (21 70) w zależności od średnicy drutu i nominalnej wytrzymałości na rozciąganie. Długość pomiarowa dla drutów o średnicy do 1mm powinna być równa 200-krotnej średnicy drutu, dla drutów od 1mm do 5 mm 100-krotnej średnicy drutu dla drutów, zaś o średnicy większej od 5 mm długość pomiarowa powinna być równa 50-krotnej średnicy drutu. Siła osiowa powinna wynosić 2% nominalnego obciążenia zrywającego drut, c) określenie przegięć drutów liny [9] odbywa się na specjalnym przyrządzie. Liczba przegięć do zniszczenia określa podatność drutu na odkształcenia plastyczne. Liczba ta zawiera się w przedziale (9 20), w zależności od średnicy drutu i nominalnej wytrzymałości na rozciąganie. 12.5. Określenie siły zrywającej linę Operuje się trzema pojęciami siły zrywającej linę w całości: nominalną siłą zrywającą linę w całości F n : F n = S n R m, (12.1) gdzie: S n przekrój metaliczny wszystkich drutów w linie, R m wytrzymałość na rozciąganie materiału, z którego druty są wykonane; obliczeniową siłą zrywająca linę w całości F o: F o = (F 1 + F 2 +... + F z ) z n, (12.2) gdzie: F 1 + F 2 +... + F z suma sił zrywających druty wzięte do badań, z liczba drutów wziętych do badań, n liczba wszystkich drutów w linie; rzeczywistą siłą zrywającą linę w całości F rz = F o, gdzie: współczynnik zmniejszający, uwzględniający nachylenie drutów i splotów, nierównomierny rozkład sił na poszczególne druty oraz tarcie występujące w linie. Najczęściej = 0,85. Im budowa liny jest bardziej skomplikowana, tym ten współczynnik jest mniejszy. 12.6. Wykonanie ćwiczenia zmierzyć średnicę liny i jej skok, określić budowę liny, przygotować odcinki drutów do prób, wykonać próbę rozciągania na wybranych losowo drutach, wyznaczyć obliczeniową F o i rzeczywistą F rz siłę zrywającą linę w całości, wyznaczyć na skręcarce liczbę skręceń, wyniki porównać z wymaganiami zawartymi w tab. 12.1 (PN-68/M-80021 [23]). wyznaczyć na zginarce liczbę zgięć, wyniki porównać z wymaganiami zawartymi w tab. 12.1 (PN-68/M-80021 [23]). 12.7. Opracowanie wyników badań Sprawozdanie powinno zawierać:
protokół badań, tabela protokółu dostępna jest na pulpicie monitora komputerowego pod nazwą liny.xls, wykres słupkowy sił zrywających poszczególne druty, obliczenie średniej wartości rozrzutu sił zrywających druty: Fm min Fmś Fm max Fmś min = 100 %, min = 100 %, (12.3) F F mś mś gdzie: F mmax, F mmin, F mś siły: maksymalna, minimalna i średnia zrywająca druty.
Tabela 12.1 Druty stalowe ocynkowane do produkcji lin [23] Średnica drutu d mm 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 Nominal na wytrzym ałość na rozciąga nie MPa Liczba przegięć drutu Średnica wałka drutu 1 drutu 2 Długość pomiaro wa próbki Liczba skręceń drutu drutu 1 drutu 2 71 59 67 55 1960 63 51 70 58 66 54 1960 62 50 69 57 Próbę zginania drutów 65 53 1960 61 49 o średnicy poniżej 0,80 68 57 mm zastępuje się próbą 65 53 1960 rozciągania węzłem, przy 61 49 czym siła zrywająca drut 68 56 nie powinna być mniejsza 200 d 64 52 1960 od 50% siły zrywającej 60 48 drut bez węzła. 67 55 63 51 1960 59 47 66 54 62 50 1960 58 46 65 53 61 50 1960 57 45 5,0 19 16 69 57 18 15 66 54 17 14 61 49 1960 16 13 57 45
Średnica drutu d mm 0,85 0,90 0,95 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 Nominal na wytrzym ałość na rozciąga nie MPa Liczba przegięć drutu Średnica wałka drutu 1 drutu 2 Długość pomiaro wa próbki Liczba skręceń drutu drutu 1 drutu 2 18 15 69 57 5,0 17 16 14 13 65 60 53 48 1960 15 12 56 44 17 14 68 56 5,0 16 15 13 12 64 59 52 47 1960 14 16 10 13 200 d 55 67 43 55 5,0 15 14 12 11 63 58 51 47 1960 13 10 54 42 15 12 67 55 5,0 14 13 11 10 63 58 51 46 1960 12 9 54 42 13 11 34 28 7,5 12 10 32 26 10 9 29 23 1960 9 8 27 21 11 9 34 28 7,5 10 8 8 7 32 29 26 23 1960 7 28 6 24 100 d 27 34 21 28 7,5 26 24 22 20 32 29 26 23 1960 22 18 27 21 25 21 34 28 7,5 23 18 32 26 20 17 29 23 1960 18 16 27 21
Protokół badania liny Zrywarka: Zakres siłomierza: Posuw roboczy Symbol liny Średnica liny Średnica drutu [N] [mm/min] [mm] [mm] Liczba drutów Rodzaj rdzenia Budowa Sposób zwicia Próba rozciągania drutów Lp. Średnica drutu Pole przekroju Siła zrywająca Wytrzymałość drutu Uwagi d S = d 2 /4 F m R m [mm] [mm 2 ] [N] [MPa] 1 2 3 4 Próba skręcania drutów Lp. Średnica drutu d Długość drutu L = 200 d Liczba skręceń otrzymana wymagana Uwagi [mm] [mm] 1 2 3 4 Próba zginania drutów Lp. Średnica Średnica Liczba zgięć Uwagi drutu rolki otrzymana wymagana d D 1 2 3 4 [mm] [mm]