Стальные канаты и тросы: разновидности и технология производства

Стальной канат был запатентован в Германии в 1827 году инженером В.Альбертом. Первые канаты, за неимением специальных станков, сплетались вручную, что накладывало ограничения на количество и толщину жил – таким способом удавалось сплести канат из 12 проволок сечением по 3,5 мм каждая. Несмотря на это, полученные канаты намного превосходили по прочности и надежности существующие аналоги.

Спрос на проволочные канаты привел к появлению специальной производственной техники, в Словении в 1840 году запустили первую линию автоматического витья проволоки. Применение паровых двигателей позволило использовать все большее количество проволочных прядей из проволоки высокой прочности. В это время в Европе произошел всплеск популярности подвесных фуникулёров, применявшихся как в горнолыжном туризме, так и в качестве общественного транспорта в гористой местности. В основе доступности, надёжности и простоты реализации «подвесных дорог» лежало, конечно же, развитие технологии производства стальных канатов.

В 1870 году производители отказались от проволоки, перейдя на использование литой стали. Именно тогда появилось понятие «стальной канат», само изделие перешло из разряда такелажа в разряд несущих конструкций в строительстве. Стальные канаты, особенно в США, активно применялись (и применяются по сей день) для установки подвесных мостов. Трос для подвеса моста, состоящий более чем из семнадцати тысяч свитых проволок диаметром 0,3 мм каждая, может выдерживать около 95 тысяч тонн. При этом сталь, при надлежащем изготовлении и антикоррозионной обработке, может служить до сотни лет.

Этапы производства стальных тросов и канатов

Материалом для изготовления металлических тросов и канатов является проволока из высокоуглеродистых сортов нержавеющей стали. Сорт и марка стали влияют на самую главную характеристику каната – диапазон растяжения. Стандартом являются границы в 1570 – 2160 Н/мм².

Проволока на производство поставляется в виде бухт весом до 2 тонн каждая. Диаметр проволоки-материала – от 0,6 до 8 мм. Проволока проходит предварительную обработку в ванне с соляной кислотой, для некоторой закалки и удаления посторонних фрагментов. После ополаскивания проволоку укрепляют волочением, то есть пропускают через ряд конусообразных отверстий, каждое из которых становится меньше в диаметре, проволока при этом спрессовывается, уменьшая диаметр на 30-200%.

Финальным этапом подготовки проволоки является горячее цинкование, для чего ее погружают в ванну с горячим, около 450^оС, расплавом цинка. Цинковое покрытие защищает сталь от коррозии, механических повреждений, делая поверхность более гладкой, что снижает трение (и образование потертостей) между прядями каната. Кроме того, цинк инертен к большинству слабых электролитов, поэтому оцинкованная проволока не деградирует при контакте с подобными средами.

Далее формируют пряди, путём завивки (скрутки) нескольких проволок-нитей между собой в скруточном аппарате. В сильно нагруженных канатах, например, используемых в конструкции подвесных мостов, количество нитей в пряди достигает 60. На практике используются меньшие значения – от 19 до 30 нитей.  Полученные пряди пропускаются через протяжно кольцо, где происходит нормализация степени скручивания, при этом прядь обильно смазывается, что способствует подвижности проволок внутри пучка, повышая его эластичность. Лишняя смазка затем снимается резиновыми валками. Последующий прогон прядей между роликами большого диаметра убирает внутренние напряжения, в то же время спрессовывая и закрепляя пучок, во избежание его раскручивания.

Для получения тросов и канатов пряди подаются в канатовьющую машину. Здесь пучки приобретают форму спирали, навиваясь на центральный такой же пучок – жилу, или на органический или металлический сердечник. В первом случае канат будет более гибким, во втором – более стойким на растяжение.

В зависимости от условий эксплуатации, канат может иметь защитную оболочку из двухслойного пластика. Полимер нагревают в экструдере и выдавливают на трос, пропускаемый через протяжное устройство. Чтобы пластик не успевал стечь с каната, его сразу же охлаждают в воде.

Виды канатов

Пряди являются тросами одинарной свивки, то есть состоящими из 1-3 слоев витой проволоки. Если при этом использовалась только круглая проволока, такие канаты называются обыкновенными. Иногда наружный слой проволоки имеет разную геометрию сечения (закрытая конструкция) для того, чтобы в случае обрыва внешние проволоки удерживались в составе каната соседними, не допуская его «разлохмачивания».

Канаты двойной свивки (стренги) включают в себя шесть и больше прядей, свитых в концентрический слой. Такие изделия, при противоположном направлении скрутки прядей, не только значительно прочнее того же количества прядей, но еще и менее склонны к закручиванию. Самые популярные канаты – именно шестипрядные, они используются как тросы подъёмных кранов, такелаж при строительстве, в горнодобывающей промышленности.

Для более нагруженных условий эксплуатации выпускают канаты тройной свивки, они точно также скручиваются из стренгов, причем диаметр и количество проволок во внешнем слое стренгов зачастую применяют больший, чем во внутренних слоях.

Способы свивки прядей и стренгов между собой позволяют добиться разных типов их касания между собой, что придает канату различные свойства. Различают:

Канаты с точечным касанием (тип ТК). Пряди изготавливаются за несколько приёмов, ха каждый проход свивается один слой с определенным шагом, меняющимся от слоя к слою; кроме того, слои навиваются под углом друг к другу. Это придает канату большую гибкость, однако повышает его изнашиваемость из-за внутренних контактных напряжений и подвижности слоев, приводит к увеличению толщины каната.

Пряди с линейным касанием (тип ЛК) имеют постоянный шаг скрутки во всех слоях, и изготавливаются за один приём. А вот диаметр проволок может быть различным – если наружные выполнены из проволоки большего диаметра, то они маркируются как ЛК-Р, в противном случае – ЛК-0. Если проволоки разного диаметра чередуются внутри слоев одной пряди, говорят о смешанном типе – ЛК-Р0. Канаты с линейным касанием значительно долговечнее, но из-за меньшей гибкости используются для удержания статичных нагрузок, редко применяясь, скажем для организации канатных дорог, подъёма клетей и вагонеток, строительных материалов и пр.

Пряди точечно-линейного касания (ТЛК-О) имеют повышенные некрутящиеся свойства и подходят для использования в конструкциях лебедок, талей, подъёмных кранов – там, где канат может висеть без нагрузки, и при её приложении не должен придавать вращение поднимаемому грузу. Канаты ТЛК-О получаются по той же технологии, что и ЛК, но центральная проволока в них заменена семипроволочной прядью с точечным касанием, которая и препятствует самодеформации изделия.