Содержание

Расчёт сечения кабеля по нагрузке

Расчёт сечения кабеля по нагрузке

Передающий электрический ток кабель является одной из наиболее важных составляющих любой электросети. При выходе кабеля из строя становится невозможной работа всей электрической сети, поэтому во избежание неисправностей и возгораний из-за перегрева необходимо рассчитать сечение кабеля по нагрузке. Чтобы провести такой расчет есть множество причин. Неправильный выбор сечения кабеля может привести к перегреву и оплавлению изоляции, что чревато коротким замыканием и может привести к возгоранию. Проведенный с большой точностью расчет сечения кабеля по нагрузке позволяет быть уверенным не только в безотказной и надежной работе всех электроприборов, но и в полной безопасности людей.

Как рассчитать сечение кабеля по нагрузке

Главным показателем, на который следует опираться при расчете сечения кабеля и выборе его марки, является предельно допустимая нагрузка.

Проще говоря, это та величина тока, которую кабель может пропускать в течение длительного времени без перегрева. Предельно допустимую нагрузку можно рассчитать путем простого арифметического сложения мощностей всех включаемых в сеть электроприборов. Для примера рассмотрим некоторые, встречающиеся наиболее часто, бытовые электроприборы, их перечень представлен в таблице:

После того, как мы рассчитали предельно допустимую нагрузку, переходим к следующему этапу, который позволяет достичь безопасности: это расчет сечения кабеля по нагрузке.

1. В случае эксплуатации однофазной сети напряжением 220В используем формулу:

  ,где:

– Р – сумма мощностей всех электроприборов, включаемых в сеть, Вт;

– U – напряжение сети, В;

– КИ = 0.75 – коэффициент одновременности;

  – для бытовых электроприборов.

2. При расчете сечения кабеля для трехфазной сети напряжением 380 В

используем формулу: 

Итак, мы рассчитали точное значение величины тока, теперь нужно воспользоваться таблицами, в которых можно найти величину сечения кабеля или провода, а также материал, из которого они могут быть изготовлены. В случае, если в результате расчета мы получим значение, которое не совпадает с табличным, стоит выбрать ближайшее к нему, но большее, сечение кабеля. Например, для сети напряжением 220 В мы получили значение величины тока 22 ампера. Такого значения нет в таблице, но ближайшими к нему являются значения 19 А и 27 А. Выбираем значение, которое больше рассчитанного по формуле, в нашем случае это 27 А. Значит, оптимальным выбором будет провод из меди, имеющий сечение 2,5 мм.кв., а не сечением 1,5 мм.кв., который имеет значение предельно допустимой нагрузки 19 А. Если нам нужен кабель не с медными а с алюминиевыми жилами, лучше взять еще большее сечение – 4 мм.кв.

Альтернативным вариантом, как по техническим параметрам, так и по цене, можно назвать алюмомедный кабель.

Существует и ряд других факторов, которые помогаю более точно вычислить оптимальное сечение кабеля. Дело в том, что проводя расчеты необходимо учитывать большое количество факторов, каждый из которых должен рассматриваться отдельно. Одним из наиболее распространенных вопросов относительно выбора кабеля является вопрос о том, какой кабель лучше: медный или алюминиевый. Приведем основные достоинства и недостатки этих материалов, влияющие на выбор:

– медь является более гибким и прочным, но менее ломким, материалом по сравнению с алюминием;

– медь меньше подвергается окислению и в течение длительного времени способна сохранять качество контактов при соединении в распределительных коробках;

– медь имеет проводимость, превышающую этот показатель у алюминия в 1,7 раза, а это означает, что при меньшем сечении возможна большая предельно допустимая нагрузка.

При всех этих достоинствах медь имеет один существенный недостаток: медный кабель дороже алюминиевого в 3-4 раза. Нужно учитывать и то, что для объектов бытового назначения в большинстве случаев Правилами запрещается использование алюминия в качестве проводника, а предписывается использование меди. Эти правила следует соблюдать неукоснительно, поэтому для внутренней электрической сети лучше выбирать медные кабели и провода. Алюминиевый кабель можно беспрепятственно использовать для обустройства ввода электросети в здание, для этой цели подойдут, например, провода СИП

.

Расчёт сечения кабеля по нагрузке для помещений

Две предыдущие формулы помогли нам точно рассчитать сечение вводного кабеля, который будет нести максимальную нагрузку, и материал, из которого этот кабель должен быть изготовлен. Теперь аналогичным методом произведем расчеты отдельно по каждому помещению и группам в них. Необходимость таких расчетов объясняется тем, что зачастую нагрузка на разные розеточные группы отличается, порой значительно. Например, розетки, в которые подключены стиральная машина и фен, несут большую нагрузку, нежели розетки с подключенным миксером или кофемолкой. Поэтому, «упрощать» работу и прокладывать без расчетов провод, имеющий сечение 2,5 кв.мм. на розетки может грозить не только необходимостью позже прокладывать новый провод, это прямая угроза безопасности людей.

Напомним, что суммарная нагрузка в любом помещении состоит из двух частей: силовой и осветительной. С осветительной нагрузкой обычно не возникает сложностей, она выполняется с помощью

медного провода сечением 1,5 кв.мм. А вот с розетками не все так просто. Обычно наиболее нагруженными линиями считаются кухня и ванная комната, именно здесь располагаются холодильник, электрический чайник, микроволновка, стиральная машина. Для подключения всех этих электроприборов лучше не использовать блоки из 4-6 розеток, а разделить всю эту нагрузку по нескольким розеточным группам. Если такая возможность исключена, то остается один выход – для питания помещения и подвода к розеточным группам использовать кабель сечением не менее 4 кв.мм. Для монтажа электропроводки обычно используют кабели и проводы АППВ, ШВВП или ПВС.

Иногда так называемые «специалисты» советуют использовать для розеток в помещениях кроме кухни и ванной кабель сечением 1,5 кв.

мм. Но это чревато не только возникновением черных полос, которые видны под обоями после включения в розетку тепловентилятора или масляного кабеля, но и пожаром. Электросеть – не место для опытов, опасных для жизни Ваших родных и близких, да и вашей собственной!

Итоги

Подводя итоги, можно сделать вывод, что расчёт сечения кабеля по нагрузке – это важная и ответственная работа, которая не терпит халатности и невнимательности, ошибки в которой приводят к самым плачевным последствиям.

Как рассчитать сечение кабеля: 3 способа

Среда, 19/05/2021 в 16:17

Электропроводка – одна из самых сложных инженерных систем в доме. И очень важно правильно выбрать сечение электрокабеля.

Расчет сечения кабеля может выполняться одним из методов:

  • по мощности приборов – предполагает вычисление суммарной мощности всех электроприборов и сравнение полученного значения с расчетным, взятым из специальной таблицы;
  • по длине – высчитывается величина потерь напряжения, которая зависит от длины линии кабеля, после чего она сравнивается с базовым значением в 5%;
  • по току – определяется сила тока каждого из приборов, суммируется и соотносится с табличным значением. По таблице можно определить, сколько жил и какого сечения должно быть у кабеля.

Правильный подбор сечения избавит вас от множества проблем. Подвергающийся чрезмерной нагрузке, слишком слабый провод может стать причиной самовозгорания и короткого замыкания. А дорогостоящая жила хоть и будет надежно выполнять свои функции, обойдется в слишком большую сумму. Сэкономить и при этом получить качественную электропроводку поможет правильный выбор сечения провода. Несмотря на кажущуюся сложность, с данной процедурой может разобраться и человек, не связанный с электрикой.

Подробнее о каждом методе расчета читайте далее в статье.

Выбор сечения кабеля по мощности

Кабель характеризуется мощностью, которую он способен выдержать в ходе эксплуатации приборов. Если она превышает расчетное значение токопроводящей жилы, рано или поздно случится авария.

Чтобы рассчитать сечение кабеля по мощности, нужно выяснить суммарную мощность всех приборов с учетом понижающего коэффициента 0,8. То есть, формула будет иметь вид:

Pобщ.=(P1+P2+…+Pn)*0,8

Понижающей коэффициент предполагает, что не вся техника в доме будет одномоментно потреблять электроэнергию. Получившийся расчет сечения кабеля по мощности сравнивается с данными в таблице – это и будет подходящее сечение.

Таблица сечения кабеля

 

Например, общая мощность электроприборов в квартире равняется 15 кВт. Умножаем ее на 0,8 и получаем 12 кВт нагрузки. В таблице нужно найти наиболее подходящее значение. Таким образом, необходимо выбрать медный кабель с сечением 10 мм для однофазной сети и 6 мм для трехфазной.

Выбор сечения кабеля по длине

У каждого проводника есть собственное сопротивление. С увеличением длины линии наблюдается потеря напряжения, и чем больше расстояние, тем выше потери. Если расчетная величина потерь становится больше 5%, требуется выбрать провод с более крупными жилами.

Расчет по длине состоит из двух этапов и подразумевает, что заранее известно, сколько метров провода потребуется для монтажа электропроводки.

  1. Вначале следует определить номинальную силу тока. Длина проводки переводится в миллиметры и умножается на 2, потому что ток уходит по одной жиле, а возвращается по другой.

I = (P · Кс) / (U · cos ϕ) = 8000/220 = 36 А,

где P – мощность в Вт (суммируется вся техника в доме), U – 220 В, Кс – коэффициент одновременного включения (0,75), cos φ – 1 для бытовых приборов.

  1. Необходимо узнать сечение проводника. Поможет формула: R = ρ · L/S. Зная, что потери напряжения должны составлять максимум 5%, рассчитываем:

dU = 0,05 · 220 В = 11 В.

Далее выясняем потерю напряжения по формуле:

dU = I · R. R = dU/I = 11/36 = 0,31 Ом.

Таким образом, искомое сечение проводника:

S = ρ · L/R = 0,0175 · 40/0,31 = 2,25 мм2.

В случае с трехжильным кабелем, площадь его поперечного сечения (одна жила) должна составлять 0,75 мм2. Таким образом, диаметр жилы должен быть минимум (√S/ π) · 2 = 0,98 мм. Этому условию удовлетворяет кабель BBГнг 3×1,5 мм.

Выбор сечения кабеля по току

Данный метод, также известный как расчет сечения провода по нагрузке, считается самым точным. Вначале необходимо найти силу тока каждого прибора.

В случае однофазной сети для расчета необходимо воспользоваться следующей формулой

I = (P · Кс) / (U · cos ϕ).

Сумму высчитанных токов необходимо соотнести с табличными значениями.

В примере с однофазной закрытой сетью и мощностью приборов 5 кВт:

I = (P · Кс) / (U · cos ϕ) = (5000 · 0,75) / (220 · 1) = 17,05 А, при округлении 18 А.

BBГнг 3×1,5 – это медный трехжильный кабель. В таблице ближайшее к силе тока 18  A значение – 19 А (в случае прокладки в воздухе). Таким образом, сечение его жилы должно составлять минимум 1,5 мм2. Сечение жилы BBГнг 3×1,5 равно S = π · r2 = 3,14 · (1,5/2)2 = 1,8 мм2, соответственно, оно удовлетворяет указанному требованию.

Выбрать необходимый вам кабель вы можете в нашем каталоге. Мы реализуем продукцию физическим и юридическим лицам с возможностью доставки по адресу или в удобный пункт самовывоза.

Расчет сечения кабеля. по мощности, току, длине

Как самостоятельно определить качество кабеля?

Много производителей не все время соблюдают стандарты при изготовке кабеля. Главным их » ухищрением » является занижение сечения токопроводящей жилы. И порой существенно. Безусловно, обследовать сечение на месте приобретения сложно. В магазине можно измерить всякую проволочку штангенциркулем и микрометром.

Для обследования неплохо иметь при себе в качестве эталона кусок «правильного» кабеля. В магазинах можно наткнуться на китайский кабель из алюминия, укрытого медью (реализуется как медный с маркировкой на кириллице).

Есть производители, которые для снижения себестоимости применяют медь или алюминий низкого качества. У подобных кабелей срок эксплуатации и токопроводимость жилы намного ниже, нежели за ГОСТом. Испытать качество металла проводящей ток жилы возможно так:

  • попробуйте пару раз изогнуть и распрямить кабель. На заводах подобное испытание совершается на особом гибочном механизме под определенным радиусом изгиба. Конечно у Вас число изгибов будет меньшим, предусмотренных в ГОСТе. Однако, во всяком случае, алюминий должен выдержать самое меньшее 7-8 изгибов, а медь — 30-40. После этого возможна деформация изоляции и обрыв жилы. Эксперимент лучше проводить на конце кабеля, чтобы потом его просто отрезать.
  • кабель из высококачественной меди/алюминия должен сгибаться и не пружиниться;
  • медная/алюминиевая жила на зачищенном кабеле должна обладать ярким (бликующим) цветом. Когда жила — разнородна по цвету и есть беспросветные пятнышки — это свидетельствует и больших примесях в металле и о его низком качестве..

Что влияет на нагрев проводов?

Причина перегрева проводки может крыться в разных проблемах сети, поэтому для правильного расчета необходимо знать основные «слабые места» кабелей, из-за которых у них поднимается температура. При прохождении тока по металлу, материал нагревается всегда, однако снижение этого параметра достигается разными методами.

Провода греются, в зависимости от:

  • Качество и материал изоляционного покрытия не соответствуют требуемым параметрам. Низкокачественный диэлектрический материал оболочек кабелей легко подвергается разрушению от термического воздействия при прямом контакте, проводя тепло лучше.
  • Какой способ укладки проводки использовался. Для открытых проводов показатель нагрева гораздо ниже, чем для плотно «упакованных» в закрытую пластиковую трубу.
  • Тип жил в кабеле. Различают многожильные и одножильные. Разница заключается в том, что одинакового сечения моножильная проводка способна выдержать большую силу тока, чем несколько более тонких проводков, хотя многожильный кабель более гибкий и удобный для монтажа.
  • Материал сердцевины. Величина нагрева зависит от физических качеств металла. Медь обладает более низким сопротивлением, чем алюминий, поэтому меньше греется и может передавать токи более высокого напряжения и силы при одинаковом сечении.
  • Площадь поперечного сечения кабеля. Все изучали в школе скин-эффект – течение электрического тока по поверхности проводника. Чем больше площадь сечения – тем больше площадь поверхности, по которой передается электричество, поэтому толстые провода способны передавать значительные нагрузки, а тонкие при таких показателях просто перегорают.

Формула расчета

Итак, существует формула расчета сечения электрического кабеля или провода по мощности. Вот она:

I=P*K/U*cos φ – эта формула применяется для однофазных сетей с напряжением в 220 В.

В ней

  • «Р» – это суммарная мощность всех бытовых приборов и освещения.
  • «К» – это тот самый коэффициент одновременности, то есть, он выравнивает показатель мощности по временному показателю. Ведь не все время же мы пользуемся освещением или приборами. Это величина постоянная и равна 0,75.
  • «U» – напряжение 220 В.
  • cos φ – это также постоянная величина, равная единице.

Практически в этой формуле все величины, кроме общей мощности, постоянные. Поэтому в основе расчета лежат именно нагрузки, которые создают бытовые приборы и светильники. То есть, величина тока зависит от потребляемой мощности. Эти показатели обычно указываются в технической документации, которая поступает в комплекте с электрическим прибором. Нередко производители указывают ее на бирках. Вот только некоторые показатели мощности основных бытовых приборов, используемых чаще других.

  • Освещение от 300 Вт до 1500 Вт. Как было сказано выше, все зависит от количества и вида ламп.
  • Телевизор от 140 до 300 Вт. Это мощность современных моделей.
  • Холодильник от 300 до 800.
  • Утюг от 1000 до 200. Это один из самых энергопотребляемых агрегатов.
  • К этой же категории относится электрочайник: 1000-2500 Вт.
  • Добавим сюда же стиральную и посудомоечную машину – 2500 Вт.
  • Микроволновая печь в среднем в пределах 1000 Вт.
  • Компьютер от 300 до 600 Вт.

Можно было бы сюда добавить и другие приборы, к примеру, фен, музыкальный центр, пылесос, бойлер и так далее. То есть, для подсчета сечения электрического кабеля по мощности необходимо сначала определить, сколько приборов есть в доме. Складывая их мощность, устанавливается суммарная общая потребляемая мощность, которая и будет действовать на электрическую проводку.

Итак, все величины вставляются в формулу, по которой определяется сила тока. Давайте подсчитаем мощность всех вышеперечисленных приборов по минимальной ставке. И определим, какой кабель будет необходим. Общая мощность составляет – 6540 Вт или 6,54 кВт. Вставляем ее в формулу:

I=6540*0,75/220=22,3 А

Теперь для определения сечения кабеля потребуется таблица, в которой установлено соотношение двух величин.

Теперь вы знаете, как рассчитать сечение кабеля.

Основные понятия

Электрический ток, продвигая электроны через кристаллическую решётку металла, совершает работу, которая превращает электричество в тепло. Это выгодно, когда тепло используется для нагрева или освещения. Совсем нежелательно, когда оно вызывает перегрев проводов или кабелей, разрушение изоляции и возгорание.

  • сечение провода;
  • плотность тока.

Внимание! Нагрев проводника может быть связан с плохим контактом в местах присоединений или с окислением в точках, где скручены вместе алюминиевые и медные провода. Такое происходит даже при правильном подборе сечения

Сечение провода

Выбор сечения токопроводящей жилы рассматривают по двум характеристикам:

  • нагрев в допустимых пределах;
  • потеря напряжения.

Нагревание проводников критично для подземных и помещённых в шланговые или трубчатые футляры кабельных линий. Для воздушных линий электропередач (ЛЭП) серьёзное значение имеет потеря напряжения. На комбинированных участках из двух рассчитанных сечений выбирается большее с округлением до стандартной величины.

Важно! При выборе сечения из таблицы или расчётах по формулам необходимо предварительно определиться с условиями эксплуатации. Iр = Pн/Uн,

Iр = Pн/Uн,

  • Pн – номинальная мощность оборудования, Вт;
  • Uн – номинальное напряжение, В.

∆U = (U – Uном) *100/ Uном,

  • U – напряжения источника;
  • Uном – напряжение в точке подключения приёмника.

Максимальное отклонение должно составлять не более 10%.

Таблица нагрузок по сечению кабелей

Плотность тока

J = I/S,

  • I – ток, А;
  • S – площадь поперечного сечения, мм2.

Иными словами, плотность тока – это количество тока проходящего через сечение проводника за единицу времени. Единица измерения – ампер на мм квадратный (А/мм2).

Плотность тока

Расчет сечения

Итак, в первую очередь необходимо просуммировать мощности всех бытовых приборов. Это совсем просто, можно сделать даже в уме. К примеру, результат будет равен 7,5 кВт. Кстати говоря, это средняя величина нагрузки в большинстве городских квартир. Буквально лет так двадцать тому назад этот показатель не превышал 5 кВт. Все дело в росте количества используемых нами бытовых приборов. Теперь переходим к реализации выбора материала электрического провода. Сравнивая по таблице, можно сделать вывод, что в случае с медным кабелем значение сечения будет равно 4 мм², с алюминиевым – 6 мм². При этом медный сечением 4 мм² может выдержать нагрузку до 8,3 кВт, алюминиевый до 7,9 кВт. То есть, уже заложен определенный запас прочности, что повышает надежность эксплуатации электрической разводки.

Теперь, что касается трехфазной сети. Во многих частных домах подводится именно три фазы, да и в некоторых городских квартирах они также присутствуют. В принципе, что такое трехфазная сеть? Это три фазы и ноль. То есть, получается так, что в дом заходит срезу три однофазные сети. Все расчеты, связанные с мощностью и сечением провода, проводятся точно так же, как с однофазной сетью. Правда, есть одно жесткое требование – распределить общую нагрузку нужно равномерно по фазам. Все тот же пример, где потребляемая мощность дома составляет 7,5 кВт. Так вот данный показатель на каждой фазе должна быть по 2,5 кВт.

О чем это говорит? Вспоминайте наш пример, где было рассчитано сечение кабеля на однофазную сеть при нагрузке 7,5 кВт. Было определено, что оптимальный вариант для этого – медный провод сечением 4 мм². Так как общая нагрузка сети разбита на три фазы, то соответственно на каждую из них необходим провод, сечение которого соответствует мощности 2,5 кВт. А это – 1,5 мм².

Чем опасна неправильно смонтированная электропроводка: как проявляются скрытые риски

С начала дачного сезона привел ко мне новый сосед своего знакомого Андрея. У того про

Как выбрать кабель нужного сечения?

При построении электрических систем может возникнуть вопрос, как выбрать кабель с правильным сечением для передачи необходимого тока. Для этого необходимо произвести текущие расчеты.

Важно знать следующие параметры:

  • вы используете медный или алюминиевый кабель;
  • количество ядер для загрузки;
  • максимальная температура жилы в цепи кабеля;
  • температура окружающей среды;
  • способ установки;
  • удельное сопротивление грунта.

Температура

Максимально допустимая температура кабеля не означает, что это максимальная температура окружающей среды, при которой кабель все еще работает. Максимальная температура определяет допустимую температуру проводника с учетом комбинированного воздействия окружающей среды, тока и различных других воздействий. Факторы, ограничивающие температуру, могут зависеть как от материалов, так и от методов установки.

Медь, алюминий или алюминиевый сплав являются наиболее распространенными проводящими материалами, используемыми в силовых кабелях.Поскольку металлы обладают электрическим сопротивлением, жилы кабеля нагреваются из-за тока. Сопротивление проводника зависит от свойств конкретного металла и его сплава, а для того, чтобы иметь возможность выполнять электрические расчеты и установку кабеля без измерения сопротивления каждого провода, необходимо конкретное сопротивление проводов и согласованные сечения, назначенные для они стандартизированы. Поэтому иногда может казаться, что измеренный физический диаметр меньше значения поперечного сечения, указанного на кабеле.Важно понимать, что с электрической точки зрения важно сопротивление кабелей, а сечение кабеля скорее является информативным значением.

В зависимости от температуры окружающей среды также изменяется допустимый ток нагрузки кабелей. В Эстонии нормальной температурой окружающей среды считается 25 ° C (15 ° C в почве), на основании чего токи нагрузки также указаны в каталогах продукции Prysmian Group Baltics. Однако важно иметь в виду, что если какая-либо часть кабеля проходит через среду с более высокой температурой (например, котельную), максимально допустимый ток для всей цепи должен быть рассчитан на основе максимальной температуры окружающей среды. Аналогичный эффект возникает и при параллельной прокладке нескольких кабелей, поскольку нагруженный кабель нагревает соседние цепи.

Способы установки

На несущую способность кабелей также влияет способ рассеивания выделяемого в них тепла. Отвод тепла от кабелей можно рассматривать как различные методы установки, в которых предусмотрены различные стандартные токи нагрузки в соответствии с поперечным сечением кабеля.Например, кабель, проложенный на открытом воздухе, охлаждает лучше, чем кабель, установленный в теплоизоляции здания. В случае прокладки кабеля в почве важна теплопроводность почвы.

Токи нагрузки рассчитываются согласно стандарту HD 60364-5-52. Значения тока нагрузки, указанные в описаниях продуктов Prysmian Group Baltics, рассчитываются при условиях, указанных в таблицах. Нагрузочные токи используемых кабелей должны быть отрегулированы в соответствии с реальными условиями.Из-за разных факторов токи нагрузки одного кабеля могут отличаться в несколько раз!

Пример расчета

Чтобы определить максимально допустимый ток нагрузки, необходимо сначала знать метод установки. Например, в случае прямой установки в почву используется способ установки D2. Для кабеля AXPK 4G240 в стандарте указан максимальный ток нагрузки 250 А. Elektrilevi использует другие параметры среды установки, к которым необходимо отрегулировать ток нагрузки.

Регулировка должна быть следующей:

1. Использовалась более низкая температура почвы. Это означает, что согласно стандарту необходимо использовать поправочный коэффициент 1,04. В результате получается 250 x 1,04 = 260 А.

2. В каталоге использовано меньшее тепловое сопротивление грунта. Это означает, что почва лучше отводит тепло от кабеля. Для кабеля, проложенного непосредственно в почве, в стандарте предусмотрен поправочный коэффициент 1,5, в результате чего получается 260 x 1.5 = 390 A. Однако, когда кабель проложен в трубе, метод установки – D1. В результате токи и поправочные коэффициенты различны, и результат будет следующим: 218 x 1,04 x 1,18 = 267,5 А. Значения могут отличаться до +/- 5% из-за обновленных стандартов, более точных расчетов и округления. выключенный.

Статья опубликована в журнале Onninen uudised.

Фермерские конструкции … – Ch5 Структурное проектирование: Механика материалов-Конструкционные элементы и нагрузки-Расчет элементов в прямом напряжении-Свойства структурных секций

Фермерские конструкции… – Ch5 Конструктивное проектирование: Механика материалов-Конструкционные элементы и нагружение-Расчет элементов в прямом напряжении-Свойства структурных сечений
Механика материалов

Содержание Назад Вперед

Прямое напряжение

Когда сила передается через тело, тело стремится изменить свою форму. Хотя эти деформации можно увидеть редко. невооруженным глазом многие волокна или частицы, составляющие корпус, передают силу по всей длине и сечению тело, и волокна, выполняющие эту работу, как говорят, находятся в состоянии стресс.Таким образом, стресс можно описать как мобилизованную внутреннюю реакция, которая сопротивляется любой тенденции к деформации. С действие силы распределяется по поперечному сечению области тела стресс определяется как передаваемая сила или сопротивлялись на единицу площади.

Таким образом, напряжение = Сила / Площадь

Единица измерения напряжения в S.l. это ньютоны на квадратный метр (Н / м). Это также называется паскалем (Па). Однако часто бывает Удобнее использовать кратное Н / мм.

Обратите внимание, что 1 Н / мм = 1 МН 1 м = 1 М Па

Растягивающее и сжимающее напряжение, возникающее в результате сил действуя перпендикулярно плоскости рассматриваемого поперечного сечения, известны как нормальное напряжение и обычно обозначаются символом ( Греческая буква сигма), иногда дается суффикс t для напряжения (at) или c для сжатия (c). Напряжение сдвига создается силами действуют параллельно или касательно плоскости поперечного сечения и обозначается буквой r (греческая буква тау).

Растягивающее напряжение

Пример 8

Рассмотрим стальной стержень, который тоньше в середине длины, чем где-либо еще, и которая подвержена осевому растяжению 45 кН.

Если штанга откажется от натяжения, это произойдет из-за разрыв там, где количество материала минимально. Общая сила, ведущая к разрушению стержня, составляет 45 кН на всем поперечном секций, но в то время как действие силы распределяется по площадь поперечного сечения 1200 мм для части длины стержня, он распределяется только на 300 мм в среднем положении.Таким образом, растягивающее напряжение наибольшее в середине и составляет: при = 300 2 = 15ON / мм

Напряжение сжатия

Пример 9

Кирпичный пирс имеет площадь 0,7 м, высоту 3 м и вес 19 кН / м. Он выдерживает осевую нагрузку от колонны 490 кН. Загрузка равномерно распределяется по верхней части пирса, поэтому стрелка, показанная просто представляет собой результат нагрузки. Рассчитайте а) напряжения в кирпичной кладке непосредственно под колонной, б) напряжение на дне пирса.

Решение

Площадь поперечного сечения = 0,49 м

Напряжение = s c = 490 кН / 0,49 м 2 = 1000 кН / м или 1 Н / мм

Решение b

Вес опоры: = 0,7 м x 0,7 м x 3,0 м x 19 кН / м = 28 кН

Общая нагрузка = 490 + 28 = 518 кН и

Напряжение = s c = 518 кН / 0,49 м 2 = 1057 кН / м или 1.06N / мм

Напряжение сдвига

Пример 10

Заклепка соединяет две части плоского стального листа. Если нагрузки достаточно велики, заклепка могла выйти из строя при сдвиге, т. е. не разрыв, но скольжение его волокон. Рассчитайте напряжение сдвига заклепка, когда стальные стержни подвергаются осевому натяжению 6кН.

Диаграммы

Обратите внимание, что заклепки действительно усиливают соединение за счет сжатие двух стальных стержней вместе, но эта сила из-за трение, не может быть легко рассчитано и поэтому им пренебрегают, я.е. предполагается, что заклепка придает всю прочность связь.

Площадь поперечного сечения заклепки = 1/4 x P x 10 2 = 78,5 мм
Напряжение сдвига = r = 6 кН / 78,5 мм 2 = 76 Н / мм

Штамм

Когда к телу прикладываются нагрузки любого типа, тело будет всегда претерпевают изменения размеров, это называется деформацией. Таким образом, растягивающие и сжимающие напряжения вызывают изменения длины; крутильно-сдвиговые напряжения вызывают скручивание и опорные напряжения вызвать вмятину на опорной поверхности.

В хозяйственных постройках, где в основном возникает одноосное напряженное состояние. Считается, что основная деформация происходит в осевом направлении. В двух других всегда есть небольшие деформации. размеры, но они редко имеют значение.

Прямая деформация = Изменение длины / Исходная длина = e = D L

По определению деформация – это коэффициент изменения и, следовательно, безразмерная величина.

Эластичность

Все твердые материалы деформируются при напряжении и напряжение увеличивается, деформация тоже увеличивается.Во многих случаи, когда снимается нагрузка, вызывающая деформацию, материал возвращается к своему первоначальному размеру и форме и считается эластичный. Если напряжение постоянно увеличивается, достигается точка когда после снятия нагрузки не все индуцированные напряжение восстанавливается. Это предельное значение напряжения называется предел упругости. В диапазоне упругости деформация пропорциональна к стрессу, вызывающему это. Это называется модулем эластичность. Наибольшее напряжение, при котором еще сохраняется напряжение пропорциональный называется пределом пропорциональности (Гука закон).

Таким образом, если строится график зависимости напряжения от деформации как нагрузка прикладывается постепенно, первая часть графика будет прямая линия. Наклон этой прямой – постоянная пропорциональности, модуля упругости (E) или модуля Юнга и его следует рассматривать как меру жесткости материал.

Модуль упругости = E = Напряжение / Деформация = FL / AD L

Модуль упругости будет иметь те же единицы, что и напряжение. (Н / мм).Это потому, что у деформации нет единиц.

Удобный способ продемонстрировать упругое поведение – построить график график результатов простого испытания на растяжение, проведенного на тонкий стержень из мягкой стали. Штанга подвешивается вертикально и серия силы, приложенные к нижнему концу. Две точки замера отмечены на стержень и расстояние между ними, измеренное после каждого усилия добавлен инкремент. Испытание продолжается до тех пор, пока стержень перерывы.

Рисунок 4.1 Поведение стержень из низкоуглеродистой стали под напряжением.

Пример 11

Два деревянных столбика квадратной формы 150 мм и высотой 4 м подлежат осевая нагрузка по 108 кН. Один столб изготовлен из соснового бруса (E = 7800 Н / мм), а другой – австралийское черное дерево (E = 15300 Н / мм). Насколько они укорачиваются из-за нагрузки?

Площадь поперечного сечения A = 22500 мм; длина L = 4000мм

Сосна: D L = FL / AE = (108000 x 4000) / (22500 х 15300) = 1.3 м

Австралийское черное дерево: D L = (108000 x 4000) / (22500 x 15300) = 1,3 мм

Фактор безопасности

Разумеется, допустимые напряжения должны быть меньше стрессы, которые могут привести к отказу членов состав; другими словами, должен быть достаточный запас прочности. (В 2000 г. до н.э. строительный кодекс объявил, что жизнь застройщика конфисковано, если дом рухнет и убьет хозяина).

Также необходимо ограничить деформации из-за чрезмерного прогиба может вызвать такие неприятности, как растрескивание потолка, перегородки и отделки, а также отрицательно влияющие на функциональные потребности.

Конструктивное проектирование – это не точная наука, а расчет значения реакций, стрессов и т. д., хотя они могут быть математически корректно для теоретической структуры (т. е. модель), может быть только приблизительным, насколько фактическое поведение структура обеспокоена.

По этим и другим причинам необходимо сделать конструкцию напряжение, рабочее напряжение, допустимое напряжение и допустимое напряжение меньше предельного напряжения или предела текучести. Эта маржа клеточный запас прочности.

Расчетное напряжение = [Предельное напряжение (или предел текучести)] / Коэффициент безопасности

В случае такого материала, как бетон, который не имеют четко определенный предел текучести или хрупкие материалы, которые ведут себя линейно вплоть до отказа, запас прочности равен относящиеся к предельному напряжению (максимальное напряжение перед поломкой).Другие материалы, такие как сталь, имеют предел текучести, при котором внезапно происходит увеличение деформации, и в этот момент напряжение ниже чем окончательный стресс. В этом случае запас прочности равен связанных с пределом текучести, чтобы избежать недопустимого деформации.

Значение запаса прочности следует выбирать с учетом различные условия, например:

  • точность в предположениях нагрузки
  • постоянство нагрузок
  • вероятность несчастных случаев или больших экономических потерь в в случае отказа
  • целевое назначение дома
  • однородность строительного материала
  • качество исполнения, ожидаемое от застройщика
  • Прочностные характеристики материалов
  • уровень контроля качества, гарантирующий, что материалы соответствуют их техническим условиям
  • вид напряжений
  • Стоимость стройматериалов

Однако обычно выбираются значения от 3 до 5, когда коэффициент безопасности связано с предельным напряжением и значениями 1.От 4 до 2,4 когда это связано с пределом текучести.

В случае строительных материалов, таких как сталь и древесина, разные факторы безопасности иногда рассматриваются как общие системы загрузки и для исключительных систем загрузки, чтобы сохранить материалы. Обычные нагрузки – это те, которые происходят часто, тогда как меньший запас прочности может рассматриваться в исключительных случаях. нагрузки, которые происходят реже и редко при полной интенсивность, например, давление ветра, землетрясения и т. д.

Структурные элементы и нагрузки

Прикладные нагрузки

Они делятся на три основные категории: постоянные нагрузки, ветровые нагрузки. и другие накладываемые нагрузки.

Постоянные нагрузки – это нагрузки от собственного веса всех постоянных конструкции, включая крышу, стены, пол и т. д. вес некоторых частей конструкции, например, кровли, может быть рассчитывается по паспортам производителя, но собственный вес элементов конструкции не может быть точно определяется до завершения проектирования.Следовательно, оценки собственный вес некоторых членов должен быть произведен до начала анализ конструкции и значения, проверенные по завершении дизайн.

Ветровые нагрузки – это наложенные нагрузки, но обычно рассматриваются как отдельную категорию в силу их преходящего характера и их сложность. Очень часто ветровая нагрузка оказывается самой сильной. критическая нагрузка на сельскохозяйственные постройки. Ветровые нагрузки естественно зависит от скорости ветра, но также и от местоположения, размера, форма, высота и конструкция здания.

Специальная информация о различных типах грузов. представлены в главе 5.

При проектировании конструкции необходимо учитывать, какие сочетание статических и приложенных нагрузок может привести к наибольшему критическое состояние нагрузки. Не все приложенные нагрузки будут обязательно одновременно достигают своих максимальных значений. В некоторых случаях, например, легких открытых навесов, ветровые нагрузки могут вызывать конструкцию крыши, которую нужно поднять, создавая эффект, противоположный направление к статической нагрузке.

Возникающие нагрузки – это нагрузки, связанные с использованием конструкции. и к условиям окружающей среды, например, весу хранимых продукты, оборудование, скот, автомобили, мебель и люди кто использует здание. К возложенным нагрузкам относятся землетрясения, ветровые нагрузки и снеговые нагрузки, если применимо; и иногда называются наложенными нагрузками, потому что они мертвым нагрузкам.

Динамическая нагрузка возникает из-за изменения нагрузки, в результате непосредственно от перемещения грузов.Например, зерновой бункер может быть под действием динамической нагрузки при внезапном заполнении из подвешенного бункер; недостаточно учитывать нагрузку только тогда, когда bin либо пуст, либо полон.

Принцип суперпозиции

Это означает, что влияние ряда нагрузок, приложенных на в то же время является алгебраической суммой воздействия нагрузок, применяется по отдельности.

Используя стандартные загружения и применяя принцип суперпозиция, сложные схемы нагружения могут быть решены.Стандарт случайные значения поперечной силы, изгибающего момента или прогиба при конкретные позиции вдоль элемента могут быть оценены, а затем суммарное значение таких параметров для реальной системы загрузки найдено алгебраическим суммированием.

Влияние нагрузки

Когда нагрузки были преобразованы в определяемую нагрузку систем, проектировщик должен затем рассмотреть, как нагрузки будут передается через структуру. Нагрузки не передаются как такие, но как эффекты нагрузки.

При рассмотрении конструктивного элемента, занимающего определенное пространстве, декартову ось z-z обычно ориентируют вдоль длина стержня и оси x-x и y-y вдоль горизонтальная и вертикальная оси поперечного сечения соответственно.

Воздействие первичной нагрузки

Эффект первичной нагрузки определяется как прямой результат сила или момент, который имеет определенную ориентацию с относительно трех осей.Любая отдельная загрузка или комбинация нагрузки могут вызвать один или несколько из этих основных эффектов нагрузки. В большинстве случаев член будет рассчитан на то, чтобы поддерживать одного эффект нагрузки, обычно тот, который дает наибольший эффект. В более сложные ситуации, в которые разрешаются силы и моменты их компоненты вдоль осей, и тогда влияние нагрузки сначала изучал отдельно для одной оси за раз, а затем позже их комбинированные эффекты учитываются при предоставлении члену размер и форма.

На выбор материала члена могут повлиять некоторые протяженность по типу загрузки. Например, в бетоне мало или нет силы в напряжении и поэтому вряд ли может быть использован сам как галстук.

Растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб и кручение – все это эффекты первичной нагрузки. Вторичные эффекты нагрузки, такие как прогиб получены из эффектов первичной нагрузки.

Конструкционные элементы

Кабель

Кабели, шнуры, струны, тросы и провода являются гибкими, потому что их малых боковых размеров по отношению к их длине и поэтому имеют очень ограниченное сопротивление изгибу.Кабели наиболее эффективные структурные элементы, поскольку они позволяют каждому волокну поперечного сечения, чтобы выдерживать приложенные нагрузки до любых допустимое напряжение. Однако их приложения ограничены Дело в том, что их можно использовать только в напряжении.

Колонна

Стержни или стержни при сжатии являются основой для вертикальных конструктивные элементы, такие как колонны, стойки, опоры и столбы. Они часто используются для передачи нагрузок от балок, плиты и стропильные фермы к фундаменту.Они могут быть загружены в осевом направлении или, возможно, они должны быть спроектированы так, чтобы противостоять изгибу при нагрузка эксцентричная.

Стяжки и распорки

Когда стержни соединяются штифтовыми соединениями и в результате конструкции, нагруженной на стыки, структурный каркас, называемый Получается шарнирно-сочлененная ферма или решетчатый каркас. Члены только подвергнутые осевым нагрузкам и растянутые элементы называются Связи, когда элементы находятся в состоянии сжатия, называются распорками.

Стойки

Балка

Балка – это элемент, используемый для противодействия нагрузке, действующей на ее продольная ось за счет передачи эффекта на расстояние между опорами – именуется пролетом.

Балка

Нагрузка на балку вызывает продольное растяжение и сжатие напряжения и напряжения сдвига. Величина их будет варьироваться. вдоль и внутри балки.

Пролет, который балка может эффективно покрыть, ограничен из-за собственный вес балки, т.е.е., со временем он достигнет длины когда он способен поддерживать только себя. Эта проблема преодолеть до некоторой степени с помощью полой балки и решетки ферма или каркас. Безопасный пролет для длинных легконагруженных балок может можно несколько увеличить за счет удаления материала с полотна даже хотя способность к сдвигу будет уменьшена.

Балка полая

Арка может иметь такую ​​форму, чтобы при определенной нагрузке все секции арки подвергаются простой компрессии без изгиб.Арки оказывают вертикальное и горизонтальное воздействие на их опоры, которые могут оказаться проблематичными при проектировании опорных стены. Эта проблема горизонтальной тяги может быть устранена соединение натяжного элемента между точками опоры.

Арка

Дизайн стержней, находящихся под прямым напряжением

Системы растяжения

Системы натяжения позволяют максимально использовать материал, потому что каждое волокно поперечного сечения можно удлинить, чтобы противостоять приложенные нагрузки до любого допустимого напряжения.

Как и другие конструкционные системы, натяжные системы требуют глубина для экономичной передачи нагрузок по пролету. Как провисание (h) уменьшается, натяжение троса (T1 и T2) увеличивается. Дальнейшее уменьшение прогиба снова увеличило бы величину T1 и T2 до конечного состояния, бесконечной силы, потребуется для передачи вертикальной нагрузки по кабелю, который горизонтально (очевидно, что невозможно).

Диаграмма сил

Отличительной особенностью натяжных систем является то, что вертикальные нагрузки вызывают как вертикальные, так и горизонтальные реакции.Потому что кабели не могут сопротивляться изгибу или сдвигу, они переносят все нагрузки в натяжение по длине. Подключение кабеля к его опоры действуют как шарнирные соединения (шарниры), в результате чего реакция (R) должна быть точно равна и противоположна напряжению в кабель (T). R можно разложить на вертикаль и горизонтальные направления, создающие силы V и H. горизонтальная реакция (H) известна как тяга.

Значения компонентов реакций могут быть получены используя условия статического равновесия и разрешая натяжения кабеля на вертикальные и горизонтальные составляющие на точки опоры.

Пример 12

Два одинаковых каната выдерживают нагрузку P в 5 кН, как показано на фигура. Рассчитайте необходимый диаметр каната, если он предел прочности составляет 30 Н / мм, а коэффициент запаса прочности составляет 4,0. применяемый. Также определите реакцию горизонтальной поддержки на B.

.

Допустимое напряжение в канате 30/4 = 7,5 Н / мм

Напряжение = Сила / требуемая площадь = (4,3 x 10 3 ) / 7.5 = 573 мм

A = p r 2 = p d 2 /4

, таким образом,

При поддержке Б. реакция состоит из двух компонентов.

B v = T 2 sin 30 = 2,5 sin 30 = 1,25 кН

B H = T 2 cos 30 = 2,5 cos 30 = 2,17 кН

Короткие колонны

Колонна короткая (т. Е. Высота мала по сравнению с площадь поперечного сечения), вероятно, выйдет из строя из-за раздавливания материал.

Обратите внимание, что тонкие колонны, будучи высокими по сравнению с площадь поперечного сечения, с большей вероятностью выйдет из строя из-за потери устойчивости намного меньшая нагрузка, чем та, которая может вызвать отказ из-за дробление. Устойчивость к короблению рассматривается позже.

Пример 13

Квадратная бетонная колонна высотой 0,5 м состоит из номинальная бетонная смесь 1: 2: 4, с допустимой прямой напряжение сжатия 5,3 Н / мм. Какой нужен крест площадь сечения, если колонна должна выдерживать осевую нагрузку 300кН?

A = F / s = 300000N / 5.3N / мм 2 = 56600 мм

, т. Е. Столбец должен иметь квадрат не менее 240 мм.

Тонкие колонны

Недвижимость конструкционных профилей

Потребуется, например, при проектировании балок в изгиб, столбцы в продольном изгибе и т. д., чтобы обозначить ряд основных геометрические свойства поперечных сечений конструктивных члены.

Площадь

Площадь поперечного сечения (A) обычно рассчитывается в мм, поскольку размеры большинства элементов конструкции даны в мм, а значения расчетных напряжений, указанные в таблицах, обычно приводятся в Н / мм.

Центр тяжести или центроид

Это точка, площадь разреза которой равномерно распределены. Обратите внимание, что центроид иногда находится за пределами фактическое сечение конструктивного элемента.

Базовые оси

Принято считать опорными осями несущих конструкций. секции как проходящие через центроид. В целом ось x-x проведена перпендикулярно наибольшему поперечному размеру сечения, а ось y-y проведена перпендикулярно оси ось x-x, пересекающая ее в центре тяжести.

Базовые оси

Момент инерции

Момент инерции площади (1), или, как это правильно называется, второй момент площади – это свойство, которое измеряет распределение площади вокруг определенной оси поперечного сечения, и является важным фактором устойчивости к изгибу.Другой такие факторы, как прочность материала, из которого сделана балка. сделаны, также важны для устойчивости к изгибу и являются разрешено другими способами. Момент инерции только измеряет как геометрические свойства или форма сечения влияют на его значение в виде балки или тонкой колонны. Лучшая форма для сечения тот, который занимает большую часть своей площади, насколько это возможно от его центральной нейтральной оси.

В расчетных целях необходимо использовать момент инерция секции относительно соответствующей оси или осей.

Расчет момента инерции

Рассмотрим прямоугольник и пусть он состоит из бесконечного числа полос. Момент инерции относительно оси x-x такого полоса – это площадь полосы, умноженная на квадрат перпендикулярное расстояние от его центра тяжести до оси x-x, то есть: b x y x y 2

Расчет момента Инерция

Сумма всех таких произведений составляет момент инерции около ось x-x для всего поперечного сечения.

Применяя исчисление и интегрируя следующим образом, точное может быть получено значение момента инерции.

Для круглого сечения:

I XX = p D 4 / 64

Моменты инерции для других сечений приведены позже. и в таблице 4.3. Для конструкционных профилей из стального проката момент инерции можно найти в таблицах в справочниках.Некоторые примеры приведены в Приложении V: 3.

Принцип параллельных осей Принцип параллельных осей состояния: чтобы найти момент инерции любой области (например, верхней полки балки, показанной ниже) вокруг любой оси, параллельной ее центральная ось, произведение площади формы и квадрат перпендикулярного расстояния между осями должен быть добавлен к моменту инерции относительно центральной оси этого форма.

Пример 14

Определите момент инерции относительно оси x-x и y-y. ось для двутавра, изображенного на рисунке.Балка имеет сетку из Фанера толщиной 10 мм и фланцы из древесины 38 на 100 мм, которые прибиваются и приклеиваются к фанерному полотну.

Пример 14

Полное сечение балки и сечение балки у паутины оба центроида находятся на оси x-x, что следовательно, это их центральная ось. Точно так же ось F-F центральная ось верхнего фланца.

I xx пр-т 3 /12 = (10 x 300 3 ) / 12 = 22.5×10 6 мм 4

Момент промежутка одного фланца относительно его собственного центра тяжести ось (F-F):

I FF одного фланца = (86 x 100 3 ) / 12 = 7,2 x 10 6 мм 4 и по принципу параллельности оси, l xx одного фланца равняется:

7,2 x 10 6 + 86 x 100 x 200 2 = 351,2 x 10 6 мм 4

Итого I xx стенки плюс два фланца, таким образом равно:

Я хх = 22.5 х 10 6 + 351,2 х 10 6 + 351,2 x 10 6 = 725 x 10 6 мм 4

Балка I yy указанного выше профиля легче всего найдено путем сложения I yy из трех прямоугольников который он состоит, потому что ось y-y является их общей нейтральной оси, и моменты инерции могут быть добавлены или вычтены, если они относятся к одной оси.

I yy = 2 x [(100 x 86 3 ) / 12] + (300 x 10 3 ) / 12

= 2 х 5.3 х 10 6 + 0,025 х 10 6

= 10,6 x 10 6 мм 4

Модуль упругости сечения

В задачах, связанных с изгибающими напряжениями в балках, свойство называется модулем сечения (Z). Это соотношение момент инерции (1) относительно нейтральной оси сечения к расстояние (C) от нейтральной оси до края раздел.

Несимметричные поперечные сечения

Сечения, для которых центральная опорная ось не является осью симметрии будет иметь два модуля сечения для этой оси.

Z xx1 = I xx / y 1 ;

Z xx2 = I xx / y 2

Несимметричный крест Разделы

Радиус вращения

Радиус вращения (r) – свойство поперечного сечения который измеряет распределение площади поперечного сечения по отношению к оси. В конструкционном дизайне используется в отношение к длине элементов сжатия, таких как колонны и стойки, чтобы оценить их коэффициент гибкости и, следовательно, их склонность к короблению.Тонкие компрессионные элементы имеют тенденцию к изгибу вокруг оси, для которой радиус вращения минимален ценить. Из приведенных ниже уравнений видно, что наименьшее радиус вращения связан с осью, вокруг которой меньше всего возникает момент инерции.

(общее соотношение I = Ar 2 )

Таблица 4.3 Свойства Конструкционные разделы


Содержание Назад Вперед

Калькулятор прочности троса

| Уоррингтон Сил

Канат также известен под многими другими названиями, такими как: проволока, многопроволочная проволока, гибкая проволока, кабель, корд, стальной корд и т. Д.но по существу это совокупность небольших нитей, намотанных друг на друга таким образом, что в значительной степени сохраняет свою форму при сгибании, раздавливании и / или растяжении.

Это система для значительного увеличения прочности и гибкости стальной проволоки, которая используется почти во всех важных сферах применения, которые мы видим вокруг нас. Например: подвесные мосты, шины, тросы тормозов и акселераторов (в автомобилях), гибкие трубы высокого давления, подъемные и такелажные тросы, электрические проводники и т. Д.и это бывает во многих разных формах. На рис. 2 показан лишь очень небольшой образец доступных дизайнов.

Обозначение троса

С небольшими вариациями общепринятым методом обозначения конструкции из троса в промышленности является ее численное описание. Например:
«7×0,5 HT» означает прядь из 7 нитей диаметром 0,5 мм, изготовленную из высокопрочной стали
. и
«0,43 + 6×0,37 + 6x (0,37 + 6×0,33) HT» относится к конструкции из семи нитей: одна центральная нить (диаметр одной центральной нити 0.43 мм и 6 планетарных нитей диаметром 0,37 мм) и 6 планетарных нитей (одна центральная нить диаметром 0,37 мм и 6 планетарных нитей диаметром 0,33 мм), все изготовленные из высокопрочной стали

.
Рис. 1. Основные конструкции

Конструкция из троса

Канаты

«IWRC» немного (≈7%) прочнее канатов с тканевым или полимерным наполнителем. Кроме того, они намного более устойчивы к раздавливанию и немного жестче.

Проволочный канат (рис. 1 и 2 1×7 и 7×7) представляет собой конструкцию параллельной свивки, в которой все нити имеют одинаковый диаметр и, как правило, являются самыми жесткими из всех.

Warrington (рис. 1) представляет собой конструкцию с параллельной укладкой, в которой внешний слой состоит из проволоки переменного большого и малого диаметра, причем каждый внешний слой имеет в два раза больше проволок, чем слой, находящийся непосредственно под ним. Преимущество этой конструкции состоит в увеличении упаковки и, следовательно, в повышении плотности, однако, если волокна разного диаметра не имеют одинаковой прочности (маловероятно), эта конструкция ограничивается прочностью самых слабых нитей.

Seale (рис. 1 и 2 6×36) также представляет собой конструкцию параллельной свивки, но с одинаковым количеством проводов в каждом слое проводов.Все провода в любом слое имеют одинаковый диаметр. Это альтернатива конструкции Уоррингтона со схожими преимуществами и недостатками.

Tyrecord обычно состоит из одной нити диаметром менее 1,5 мм и обычно содержит около 12 нитей одинакового диаметра от 0,15 до 0,25 мм, но конструкции и конфигурации могут значительно различаться в зависимости от требований производителя и конструкции шины. Эта конструкция, как правило, является наиболее гибкой из всех конструкций.

OTR представляет собой более или менее сложную конструкцию Tyrecord (см. Выше) диаметром до 4,5 мм, содержащую около 100 нитей такого же размера, что и Tyrecord, хотя и ближе к большему концу диапазона размеров (от 0,2 мм до 0,25 мм).

Hosecord обычно представляет собой одножильную проволочную канатную конструкцию с диаметром нити более 0,5 мм.

Regular Lay против Lang Lay

Хотя существует очень небольшая разница между относительной силой двух схем укладки;

Конструкции с обычной укладкой используются гораздо шире (чем по Лангу), поскольку они обладают превосходной структурной стабильностью и меньшей склонностью к разворачиванию при растяжении (см. Вращающийся и невращающийся ниже).Однако из-за того, что у него неровная (волнистая) поверхность, он изнашивается как сам, так и любая поверхность, по которой он проходит, гораздо быстрее, чем трос Lang.

Конструкции с укладкой Lang имеют более плоскую поверхность, чем конструкции с обычной укладкой, что дает им лучшую стойкость к износу и усталости при изгибе, особенно когда они изготовлены из плоских (эллиптических) нитей. Однако они гораздо менее устойчивы по конструкции и подвержены риску попадания в птичью клетку, если трос чрезмерно изгибается или перекручивается против направления намотки.

Вращающийся против неподвижного

‘Обычная свивка’, многожильные конструкции обычно подвергаются немного меньшему вращению при натяжении (чем свивка Ланга) из-за противоположного спирального направления волокон (внутри прядей) и прядей (внутри каната), однако вы могут еще больше улучшить их характеристики вращения;
а) с использованием наполнителей (см. Наполнители ниже) и / или;
б) изменение размеров проволоки во внутренних и внешних прядях для оптимизации относительного крутящего момента в каждом слое и / или;
в) увеличение количества слоев прядей (т.е.е. уменьшение диаметра нити и прядей (см. Strength ниже))
Несмотря на то, что существуют очень разные невращающиеся конструкции, такие как 19×7, и устойчивые к вращению конструкции, такие как 19×19, постоянно появляются новые идеи, и каждый производитель будет иметь свои собственные дизайнерские предпочтения.

Конструкции

Lang lay и однониточные (например, Fig 2 1×7) всегда будут пытаться выпрямить (развернуть) под натяжением. Есть несколько вещей, которые можно сделать, чтобы свести к минимуму эту проблему, например, от а) до в) выше и / или;
г) использовать менее 15% прочности каната на разрыв и / или;
д) наматывать пряди соседними слоями в противоположных направлениях и / или;
е) установите вертлюг на свободный конец


Рис 2.Обозначения

Наполнители

Наполнители (Рис. 2) могут быть тканевыми, полимерными или волокнами даже меньшего диаметра (например, 6×36). Хотя они мало влияют на прочность каната на разрыв, они могут значительно; улучшают характеристики при изгибе, уменьшают осевой рост, уменьшают вращение устойчивых к вращению конструкций, улучшают стабильность конструкции и увеличивают усталостную долговечность.

Нет смысла в том, чтобы центральный сердечник был изготовлен из того же материала, что и волокна, так как он сломается первым.Если вам нужен металлический сердечник, он должен быть из материала с меньшей осевой жесткостью, чем прядь, которая его окружает.

Прочность каната

Все нити формируются из бортовой проволоки и подвергаются дальнейшей термообработке в процессе волочения для получения высокопрочных нитей, определенных выше.

Самыми прочными стали с нитями накала обычно являются те, которые подвергались наибольшей вытяжке, то есть наименьшего диаметра.
NT (нормальное растяжение) проволока обычно больше 0.Диаметр 5 мм и менее 1500 МПа
HT (высокопрочная) проволока обычно имеет диаметр от 0,25 до 0,5 мм и от 1500 МПа до 2000 МПа
Проволока ST (сверхпрочная) обычно имеет диаметр от 0,1 до 0,25 мм и от 2000 МПа до 2500 МПа
Приведенные выше значения будут незначительно отличаться между производителями и специализированными приложениями.

Применение канатов

Подвесные мосты, как правило, строятся из плотно упакованных одножильных одножильных конструкций типа Wire Rope с использованием оцинкованных нитей большого диаметра.Мало внимания уделяется сопротивлению вращению, поскольку прочность имеет первостепенное значение, и после растяжения они должны оставаться в этом состоянии нагрузки в течение своего расчетного срока службы.

Для подъема и лебедки обычно требуются тросы с хорошей гибкостью и усталостной прочностью. Поэтому они, как правило, похожи на 6×36, но с волоконной сердцевиной вместо IWRC на рис. 2

.

Hosecord подходит для гибких труб HPHT, поскольку поперечная гибкость обычно считается менее важной, чем минимальный продольный рост или максимальная прочность на разрыв (на единицу площади поперечного сечения).

Кабели дистанционного управления, такие как ручные тормоза и акселераторы на автомобилях, обычно работают только при напряжении, поэтому они должны быть прочными, но не обязательно жесткими (поскольку они полностью заключены в усиленные внешние оболочки). Они, как правило, изготавливаются из однониточного каната большого диаметра или однониточного каната малого диаметра.

Осевая жесткость

Осевая жесткость – это линейная зависимость между осевой деформацией и силой, которая позволяет нам прогнозировать состояние любого материала или конструкции при воздействии заданной растягивающей силы.Однако он работает только с материалами и конструкциями, которые подчиняются закону Гука.

Трос не подчиняется закону Гука. Следовательно, вы не можете точно предсказать, насколько он будет растягиваться при любой указанной силе. Эта непредсказуемость применима к любому отрезку, удаленному из шнура одной и той же длины, и даже между шнурами, произведенными по одной и той же спецификации, но разными производителями.

CalQlata решила, что точность осевой жесткости (EA) каната выходит за пределы его собственных уровней приемлемости, и поэтому не учитывает ее в калькуляторе каната.

См. Модуль упругости при растяжении (E) ниже для приблизительного метода расчета.

Жесткость на кручение

Жесткость на кручение – это линейная зависимость, которая позволяет нам прогнозировать вращение любого материала или конструкции при воздействии крутящего момента. Однако он работает только с материалами и конструкциями, которые подчиняются закону Гука.

Трос не подчиняется закону Гука. Следовательно, вы не можете точно предсказать, на сколько он будет закручиваться при любом заданном крутящем моменте.Эта непредсказуемость применима к любому отрезку, удаленному из шнура одной и той же длины, и даже между шнурами, произведенными по одной и той же спецификации, но разными производителями.
Более того, намеренное скручивание троса – плохая практика.

CalQlata решила, что точность жесткости на скручивание (ГДж) каната выходит за пределы его собственных уровней приемлемости, и поэтому не учитывает ее в калькуляторе каната.

Калькулятор троса – Техническая помощь

Ограничения расчетов

Перед использованием любого калькулятора каната важно понять следующее:

1) Ни один калькулятор троса, специализированный или стандартный, не может точно предсказать свойства любой отдельной конструкции в широком диапазоне условий нагрузки

2) Ни один калькулятор троса, специализированный или стандартный, не может точно предсказать какое-либо отдельное свойство для ряда конструкций в широком диапазоне условий нагрузки

3) Если в процессе изготовления (вытяжки) не выполняется дополнительная термообработка или модификация материала, чем меньше диаметр нити, тем больше будет ее SMYS

4) Проволочные канаты, содержащие волокна разного диаметра, имеют прочность, равную прочности самого слабого волокна (волокон)

5) Прочность каната на разрыв не зависит от его диаметра

6) Схема укладки существенно не влияет на прочность троса

7) Множество различных доступных шаблонов раскладки создано по следующим причинам:
а.Увеличьте плотность упаковки (например, Seale & Warrington)
б. Улучшить противовращательные свойства (смешанные спирали)
c. Повышение износостойкости (например, Lang Lay)
d. Предотвращение использования птичьих клеток (например, регулярной яйцекладки)
е. Минимизировать предельный радиус изгиба
f. Повышение усталостной долговечности
грамм. Создание патентоспособных продуктов

8) Жесткость на изгиб (EI) любого стального каната зависит от натяжения и радиуса изгиба
(см. Жесткость при изгибе ниже)

9) Осевая жесткость (EA) изменяется нелинейно с растяжением
(см. Осевая жесткость ниже)

10) Жесткость на кручение (ГДж) изменяется непредсказуемо и нелинейно в зависимости от крутящего момента

11) Скручивание троса – не лучшая практика, так как это будет способствовать выращиванию птиц в клетках.

Единственный трос, который можно надежно проанализировать, – это тот, который используется для подвесных мостов, потому что; он состоит из одной нити, очень плотно упакован, имеет незначительную скручивание, содержит нити только одного диаметра, никогда не подвергается минимальному изгибу, и каждая нить натягивается индивидуально.

Есть очень веская причина, по которой производители не предоставляют расчетные данные о характеристиках для предложений по строительству или проектированию, потому что даже они не могут точно предсказать такие свойства и вполне справедливо полагаются на данные испытаний и публикуют их.

Философия расчетов

За время работы в этой отрасли создатель канатного калькулятора увидел, создал и отказался от множества математических моделей, простых и сложных. Он постепенно разработал свой собственный упрощенный принцип вычислений, основанный на собственном опыте, который до сих пор дает ему неизменно надежные результаты разумной точности.

Назначение калькулятора троса CalQlata – предоставить пользователю возможность получить разумное приближение для типовой конструкции, после чего следует запросить у производителя точные данные испытаний для предпочтительной конструкции пользователя.

Принцип расчета в калькуляторе троса основан на изменениях свойств троса, которые происходят с изменениями плотности упаковки при растяжении

Принимая во внимание указанные выше ограничения, CalQlata может предоставить следующую помощь при создании (манипулировании) входными данными калькулятора троса и интерпретации его выходных данных.

Шт.

Для этого калькулятора не указаны единицы измерения
См. Как они работают

Входные данные

Процент разрывной нагрузки (т)

Натяжение троса в процентах от разрывной нагрузки (Fb).

Это значение не должно превышать 50% для рабочих целей (см. Fb ниже)

Не влияет: Aᶠ

диаметр проволоки (Ø)

Минимальный внутренний диаметр кольца, через которое веревку можно пропустить по прямой без скручивания или манипуляций.

Не влияет на: Fb, ρˡ или Aᶠ

диаметр нити (d)

Если все нити в вашем тросе имеют одинаковый диаметр, вы просто вводите этот диаметр для ‘d’

В качестве альтернативы, для троса с несколькими диаметрами нити необходимо найти эквивалентный диаметр при следующих условиях; необходимо ввести минимальный предел текучести нити (SMYS)

Вы можете рассчитать эквивалентный диаметр следующим образом:
d = √ [(n₁.d₁² + n₂.d₂² + n₃.d₃² + n₄.d₄² + …) / (n₁ + n₂ + n₃ + n₄ + …)]

Не влияет: A

количество нитей (n)

Если все нити в канате имеют одинаковый диаметр, вы просто вводите общее количество нитей «n»

.

В качестве альтернативы для троса с несколькими диаметрами нитей можно ввести общее количество нитей всех диаметров
n = n₁ + n₂ + n₃ + n₄ + …

Не влияет: A

минимальный предел текучести (SMYS)

Если все нити в тросе имеют одинаковую прочность, вы просто вводите SMYS материала нити

В качестве альтернативы для троса с различной прочностью нити необходимо ввести минимальное значение

.

Только влияет на: Fb и Rᵀ

Плотность материала (ρᶠ)

Ожидается, что, за исключением наполнителей, весь материал в канате будет идентичным и, следовательно, будет иметь одинаковую плотность, т.е.е. использование других материалов приведет к менее «лучшим» характеристикам. Однако, если предлагается такая конструкция, вы можете рассчитать эквивалентную плотность следующим образом:
ρᶠ = (ρ₁.d₁².n₁. + Ρ₂.d₂².n₂ + ρ₃.d₃².n₃ + ρ₄.d₄².n₄ + … ) / (d₁².n₁. + d₂².n₂ + d₃².n₃ + d₄².n₄ + …)

Только влияет на: ρˡ

материал Модуль Юнга (Eᶠ)

Модуль упругости филаментного материала

Ожидается, что, за исключением наполнителей, весь материал каната будет идентичным и, следовательно, будет иметь одинаковый модуль упругости при растяжении, т.е.е. использование других материалов приведет к менее «лучшим» характеристикам. Однако, если предлагается такая конструкция, следует ввести наивысший модуль упругости.

Вы также можете рассчитать эквивалентный модуль упругости при растяжении следующим образом:
Eᶠ = (E₁.d₁² + E₂.d₂² + E₃.d₃² + E₄.d₄² + …) / (d₁² + d₂² + d₃² + d₄² + … )

Только влияет на: EI, Eᵀ и Rᵀ

Выходные данные

разрывная нагрузка (Fb)

Максимальная нагрузка, которую может выдержать трос до обрыва первой нити.
Примечание: маловероятно, что приложенная нагрузка будет равномерно распределена по всем нитям.

Калькулятор троса просто складывает общую площадь всех нитей и умножает их на введенное значение SMYS, которое представляет собой теоретическую максимальную разрывную нагрузку, которая существовала бы, если бы эта нагрузка равномерно распределялась между всеми нитями и углы свивки были приспособлены для устранения локальных (точечных) нагрузок между соседними нитями.

Если трос сконструирован правильно, вероятно, что его фактическая разрывная нагрузка будет больше 80% от этого теоретического значения.Однако, учитывая капризы конструкции троса, фактическая разрывная нагрузка может значительно варьироваться в зависимости от ряда факторов. CalQlata предполагает, что следующие факторы могут использоваться для определения ожидаемой разрушающей нагрузки любой данной конструкции:
Качество изготовления (fᵃ): отличное; 0,98 – хорошо; 0,95, среднее значение; 0.9, Плохо; 0,8
Сложность⁽¹⁾ (fᵇ): Низкая; 0,95, средний; 0,9, высокий; 0,85
Прочность материала (fᶜ): NT; 0,95, HT; 0,9, СТ; 0,85
Ожидаемая разрушающая нагрузка будет: Fb ‘= Fb x fᵃ x fᵇ x fᶜ
я.е. для троса с теоретической разрывной нагрузкой (Fb) 10 т ожидается обрыв первой нити …
хорошее качество / простой трос NT во всем; 10 x 0,98 x 0,95 x 0,95 = 8,84 т (± 5%)
канат средней ВТ; 10 x 0,9 x 0,9 x 0,9 = 7,29 т (± 15%)
некачественный / сложный трос СТ; 10 х 0,8 х 0,85 х 0,85 = 5,78 т (± 25%)

Площадь волокон (Aᶠ)

Сумма площадей поперечного сечения всех нитей (г)

Точность этих данных будет ± 0%

линейная плотность (ρˡ)

Масса на единицу длины троса при нулевом натяжении.

Ожидается, что точность будет в пределах ± 0,1% от расчетного значения для производства хорошего качества, но отклонения в диаметре изготовленной нити в крайних случаях могут снизить ее до ± 1%

Линейную плотность при растяжении (T) можно рассчитать следующим образом: ρˡᵀ = ρˡ / (1 + δLᵀ)

площадь провода (А)

Площадь сечения проволоки диаметром (Ø) при нулевом натяжении

Точность этих данных будет ± 0%

Площадь поперечного сечения при растяжении (T) может быть рассчитана следующим образом: Aᵀ = π.(Ø. (1 + δØᵀ)) ² / 4
δØᵀ будет отрицательным при напряжении, поэтому (1 + δØᵀ) на самом деле (1-δØᵀ)

момент площади (I)

Ожидаемый второй момент площади каната при нулевом натяжении

Ожидаемая точность этих данных составляет ± 5%

Модуль упругости при растяжении (E)

Ожидаемый модуль упругости каната при нулевом натяжении

Ожидаемая точность этих данных составляет ± 10%

Это значение зависит от изгиба (см. Жесткость при изгибе ниже)

Плотность упаковки [%] (ρᵖ)

Площадь поперечного сечения троса (A) в процентах, занятая нитями при нулевом натяжении.

Точность этих данных будет аналогична ожидаемой для линейной плотности

Предупреждение будет отображаться, если это значение превышает максимально возможное значение:
ρᵖ ≤ ¼.π / √¾ {90,67%}

Это свойство существенно влияет на поведение троса при натяжении;
т. е. чем ниже плотность упаковки, тем больше будет изменение размеров (например, сплющивание, уменьшение диаметра, рост и т. д.).

Осевая жесткость и деформация под нагрузкой будут зависеть от этого значения, отсюда и причина того, почему наиболее надежные (предсказуемые) конструкции, как правило, имеют минимальное [количество] прядей и диаметр одной нити.Конструкции Warrington и Seale и их комбинации, как правило, обеспечивают наивысшую плотность упаковки (но самую низкую гибкость), и от использования этих конструкций в более чем одножильных тросах мало что можно получить, поскольку преимущество высокой плотности упаковки будет потеряно с нет выигрыша в гибкости.

момент площади @ ‘T’ (Iᵀ)

Ожидаемый второй момент площади стального каната при натяжении «Т» из-за деформации, но незначительного сплющивания, поскольку предполагается, что стальной канат будет изгибаться по сформированному (профилированному) шкиву или ролику.

Ожидаемая точность этих данных составляет ± 10%

Модуль упругости (Eᵀ)

Ожидаемый модуль упругости стального каната при растяжении «Т» из-за деформации, но незначительного сплющивания, поскольку предполагается, что канат будет изгибаться по сформированному (профилированному) шкиву или ролику.

Ожидаемая точность этих данных составляет ± 10%

Это значение зависит от изгиба (см. Жесткость при изгибе ниже)

Плотность упаковки @ ‘T’ [%] (ρᵖᵀ)

Процент уменьшенной площади поперечного сечения троса, занятой нитями при растяжении ‘T’

Ожидается, что точность этих данных будет аналогична процентному изменению диаметра (δØᵀ)

минимальный радиус изгиба (Rᵀ)

Минимально допустимый радиус изгиба троса, который будет вызывать SMYS в самой внешней нити при совпадении с приложенным натяжением ‘T’

Ожидаемая точность этих данных составляет ± 10%

Не рекомендуется создавать такой радиус изгиба при эксплуатации из-за неопределенностей, связанных с конструкцией троса, особенно для динамических приложений.CalQlata предлагает, чтобы здесь также применялся подход, аналогичный тому, который использовался для вышеупомянутой разрывной нагрузки (Fb), то есть:
Rᵀ ‘= Rᵀ ÷ fᵃ ÷ fᵇ ÷ fᶜ

изменение диаметра [%] (δØᵀ)

Уменьшение диаметра (это значение будет отрицательным) при растяжении ‘T’

Точность этих данных будет колебаться от ± 5% для простых конструкций до ± 10% для наиболее сложных

Изменение диаметра будет происходить во всех тросах, независимо от конструкции, до тех пор, пока плотность упаковки не достигнет предельного значения.В калькуляторе троса отображается значение, которое можно было бы ожидать, если бы конструкция осталась нетронутой при приложенном натяжении T

.

Ненадежность этого значения возрастает со сложностью каната из-за его продольной изменчивости и повышенной вероятности преждевременного выхода из строя.

изменение длины [%] (δLᵀ)

Увеличение длины (это значение будет положительным) при растяжении ‘T’

Точность этих данных будет варьироваться от примерно ± 1% для троса с одной прядью и одним диаметром нити до примерно ± 15% для конструкций аналогичной сложности с кордом OTR

.

Изменение длины любого троса происходит из-за того, что плотность упаковки увеличивается с натяжением.Однако это не линейная зависимость.

Это может быть ненадежное значение, что подтверждается испытаниями, проведенными (автором) на двух кусках каната, поставленных одним и тем же известным производителем, причем оба отрезка были одинаковой длины, с разницей в прочности на разрыв всего на 1,5%. , но модуль упругости (и деформации при разрыве) изменился на 34%. Хотя это был крайний случай, в тросах, изготовленных рядом производителей, были замечены значительные изменения.

Осевая жесткость

Хотя калькулятор стального каната не рассчитывает осевую жесткость (см. «Ограничения расчета 9» выше), CalQlata может предложить следующее практическое правило, которое обеспечит приемлемые результаты для большинства конструкций при приложенном натяжении «Т»:
EA = Eᵀ.А. (1 + δØᵀ) ². Cos (θ)
Где: θ = «абсолютная» сумма среднего угла свивки нити и среднего угла свивки ²⁾. Примечание; угол закручивания (θ) будет уменьшаться по мере приближения растяжения к разрушающей нагрузке.

Жесткость при изгибе

Хотя калькулятор стального каната не рассчитывает жесткость на изгиб (см. «Ограничения расчета 8» выше), CalQlata может предложить следующее практическое правило, которое обеспечит приемлемые результаты для большинства конструкций при приложенном натяжении «Т»:
EI = Eᵀ.Iᵀ. Rᵀ / R
Где: R = радиус используемого шкива, который должен быть больше

R.

Банкноты

  1. Низкая сложность означает одножильный и однопроволочный диаметр. Средняя сложность означает многопроволочный и однопроволочный диаметр. Высокая сложность означает многопроволочную проволоку и проволоку разных диаметров.
  2. Если угол свивки нити и угол свивки пряди противоположны, как в конструкциях с регулярной укладкой, вы должны сложить углы вместе как положительные; я.е. -12 ° + 23 ° = 35 °

Дополнительная литература

Дополнительную информацию по этому вопросу можно найти в справочных публикациях (2, 3, 26 и 27)

Техническое примечание

: Понимание напряжения и отказов кабеля в приложениях с высокой гибкостью

Новейшие машины для автоматизации технологических процессов разработаны для работы намного быстрее, чем предыдущие поколения, и включают в себя видеонаблюдение и многочисленные датчики. Эта новая операционная среда может подвергнуть кабели и кабельному оборудованию чрезмерную нагрузку, превышающую проектные возможности.Напряжение кабеля напрямую влияет на надежность оборудования автоматизации. Понимание причин выхода из строя кабелей в приложениях с высокой гибкостью позволяет нам принимать соответствующие меры предосторожности на этапе проектирования, чтобы оптимизировать надежность системы.

Кабели физически ограничены

Кабели изгибаются в одном или нескольких из четырех основных движений, показанных на рисунке 1. Каждый раз, когда кабель изгибается или изгибается, его медные проводники и экраны подвергаются нагрузке.Медь плохо сопротивляется повторяющимся нагрузкам, даже если напряжение удерживается ниже предела текучести, составляющего 15% относительного удлинения. Медь также имеет очень низкое сопротивление напряжению сдвига и будет деформироваться, даже если напряжение ниже предела пластической текучести.

Чтобы уменьшить усталость медных проводников и экранов и тем самым исключить обрыв провода, радиус изгиба кабеля должен быть как можно большим, а диаметр кабеля – как можно меньшим.

Причины выхода из строя

Существует три основных причины выхода из строя любого кабеля, подверженного изгибу:

  • Деградация изоляции кабеля и жилы

  • Усталость проводника и экрана в зоне изгиба

  • Усталость проводника и экрана в точке подключения

Ухудшение изоляции кабеля и жилы

Одной из причин выхода из строя кабельной оболочки и изоляции является постоянное истирание кабеля другими кабелями, шлангами и оборудованием для укладки кабелей, например, кабельными трассами.Металлическая или пластиковая стружка, растворители и смазочные материалы разрушают оболочку и изоляцию кабеля. Оболочки кабелей также уязвимы к перепадам температур и низкому атмосферному давлению (вакууму), которые могут ослабить или сделать материал оболочки хрупким.

В дополнение к этим факторам окружающей среды изоляция проводника также должна противостоять раздавливанию. Проводники в типичном круглом кабеле могут подвергаться высоким силам сжатия, когда кабель зажимается или изгибается в кабельном канале вместе с другими кабелями или шлангами.

Когда оболочка кабеля выходит из строя, обнажается внутренняя часть кабеля. Если присутствует жидкость, она проникает в кабель и в конечном итоге вызывает короткое замыкание между проводниками. Абразивные частицы разрушают изоляцию проводника и приводят к выходу из строя. Если кабель имеет общий экран, он становится открытым для заземления.

Усталость проводника и экрана в зоне изгиба

Наиболее распространенный тип отказа гибкого кабеля – это возможный перелом экрана и / или проводника в области гибкости.Если сначала выходит из строя экран, проводники продолжают функционировать, но кабель чувствителен к помехам и излучению EMI / RFI. Это создает ошибки и ложные сигналы, источник которых очень трудно определить.

Чтобы понять механизм разрушения проводника и экрана, мы должны рассмотреть основные концепции анализа напряжений. Сопротивление твердого тела изгибу зависит от материала, формы, площади поперечного сечения и радиуса кривизны изгиба. Математически это выражается напряжением в теле σ, определяемым как

.

где:

M = изгибающий момент

c = Расстояние от нейтральной оси тела до любого волокна в поперечном сечении

| = Момент инерции поперечного сечения

σ = напряжение в волокне на расстоянии c

Для типичного применения гибкого кабеля геометрия изгиба фиксируется соображениями, включая ограничения механической конструкции и компоновку корпуса, поэтому разработчик должен работать в рамках этих ограничений и минимизировать напряжения проводника, которые сокращают срок службы при изгибе.

Наиболее важным фактором при определении усталостной прочности при изгибе является максимальное напряжение в любой части кабеля. Это максимальное напряжение, при условии, что радиус изгиба не опускается ниже минимального значения, R мин , определяется по формуле:

σ макс =

Ec макс
______
R мин

где:

E = модуль

эластичности в фунтах на квадратный дюйм (17000000 для меди ETP)

C max = максимальное расстояние от нейтральной оси до любого волокна

R мин. = радиус изгиба

Экранированный плоский кабель является самонесущим и может использоваться в большинстве приложений, связанных с вращением, скручиванием и тик-тактом.

Обратите внимание, что это соотношение сохраняется для любого поперечного сечения, потому что момент инерции | не появляется.

Напряжение можно минимизировать, уменьшив толщину или диаметр кабеля, C max , или увеличив радиус изгиба, R min . Влияние напряжения также можно свести к минимуму, выбрав материалы проводника и экрана, которые имеют более высокий предел прочности на разрыв, чем медь.

Испытания на изгиб показывают, что сопротивление медных проводников и экранов увеличивается по мере того, как металлы работают сильнее при изгибе.Чем тверже металл обрабатывается, тем он становится более хрупким. Более быстрые циклы оборудования приводят к более высоким температурам в меди. Малый радиус изгиба также приводит к более высоким температурам и более высокой степени усталости. Повышенные температуры могут вызвать размягчение изоляции, что, в свою очередь, изменяет физические свойства изоляции, снижая сопротивление истиранию, уменьшая сопротивление прорезанию и уменьшая прочность на разрыв. Все эти изменения могут вызвать преждевременный выход кабеля из строя.

Усталость проводника и экрана в точке окончания

Изгибающие напряжения и вибрация от движущихся кабелей приводят к поломке соединителей, обжатых и припаянных концов кабеля. Неподдерживаемые кабели преждевременно выходят из строя из-за усталости интерфейса разъема.

Кабели могут получить травмы плетью от быстро движущихся кареток, в результате чего кабель быстро меняет направление и ломается. Во всех приложениях, связанных с высокоскоростным изгибом, неподвижный кабель обеспечивает лучшее сопротивление изгибу и изгибу, чем гибкий кабель.

Конструкция кабеля предотвращает выход из строя

Чтобы повысить надежность кабелей в гибких приложениях, сосредоточьтесь на основных материалах и конструкции кабелей. Размер кабеля – самый важный фактор, который следует учитывать при увеличении срока службы при изгибе. Уменьшение диаметра кабеля приводит к экспоненциальному увеличению срока службы при изгибе, когда радиус изгиба остается постоянным.

Использование стандартных медных проводников и уменьшение размера и веса кабеля может увеличить срок службы (надежность) и снизить затраты.Начните с как можно более тонкой изоляции проводника, обладающей высокой диэлектрической прочностью и хорошими характеристиками сопротивления разрыву. Уменьшение толщины изоляции проводника уменьшает общий диаметр готового кабеля и делает его менее восприимчивым к нагрузкам, связанным с изгибом. Изоляция Gore MIL-ENE * на 50 процентов тоньше, чем сопоставимый материал, и рассчитана на напряжение 300 В RMS при толщине стенки 0,004 дюйма.

Укладка кабелей и проводов имеют решающее значение для увеличения срока службы круглых кабелей при изгибе.Вы можете отрегулировать укладку кабеля, количество витков на дюйм проводов и укладку проводов, чтобы оптимизировать надежность кабеля для различных гибких приложений. Такая оптимизация не увеличивает стоимость кабеля, но при правильной реализации существенно влияет на надежность.

Экран кабеля часто выходит из строя первым, потому что он находится на наибольшем расстоянии от нейтральной оси кабеля и, следовательно, испытывает наибольшую нагрузку. Для решения этой проблемы требуются два элемента дизайна.

Во-первых, замените экран со стандартной оплеткой на экран с двойной оплеткой, оптимизированный для срока службы и эффективности экранирования. Во-вторых, изолируйте экран от проводников и внешней оболочки, чтобы уменьшить трение, которое генерирует тепло и сокращает срок службы при изгибе. Используйте материал с низким коэффициентом трения, как статического, так и динамического.

Gore расширенный PTFE ** имеет самый низкий коэффициент трения среди всех материалов кабеля. Он использовался для различных применений, от коаксиальных диэлектриков до прочных внешних оболочек на гибких карданных кабелях.

Оболочка кабеля защищает экраны и проводники от окружающей среды. Если кабель закреплен и правильно заделан, оболочка также может увеличить прочность на разрыв и срок службы кабеля при изгибе.

Лучшие материалы оболочки – тонкие, с высокой прочностью на разрыв и устойчивостью к разрыву, гидравлической жидкости, смазочно-охлаждающей жидкости и растворителям. Полиуретан – отличный материал для оболочек кабелей. Он огнестойкий, устойчив к большинству промышленных жидкостей и обладает отличной стойкостью к истиранию.

Методы прокладки кабелей повышают производительность машины

Применение

Flex в высокоскоростных автоматизированных устройствах может привести к выходу из строя круглых кабелей высочайшего качества. По мере уменьшения времени цикла вес кабеля и системы управления кабелями становится ограничивающим фактором.

В таких приложениях ленточные силовые кабели дольше стандартных силовых кабелей. Срок службы ленточного кабеля в 100 раз больше, чем у круглого кабеля, а вес ленточного кабеля составляет одну четвертую веса круглого кабеля.Ленточный кабель уменьшает массу движущихся пучков кабелей, обеспечивая большее ускорение, меньшую вибрацию и колебания, а также меньший износ.

Плоский кабель часто может сгибаться и двигаться без использования кабельной цепи. Ленточный кабель является самонесущим и с соответствующими зажимами и направляющими может использоваться в большинстве приложений, связанных с перекатыванием, скручиванием и тик-тактом. Он может включать в себя монтажные скобы, отформованные на куртке. Это обеспечивает значительную экономию трудозатрат и затрат на установку.

Заключение

Традиционные кабели, используемые в промышленном оборудовании, не предназначены для обеспечения надежности и производительности, необходимых для новых конструкций оборудования.Используя материалы, которые доказали свою надежность в соответствующих средах, таких как военные и автомобильные приложения, а также улучшая базовую конструкцию кабеля с низкой стоимостью, можно спроектировать надежные кабели, отвечающие требованиям оборудования для автоматизации производства.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *