Прочность синтетических канатов. Влияние материалов, типа плетения, условий эксплуатации на разрывную нагрузку.

Прочность синтетических канатов

Одна из важных характеристик каната/веревки – это прочность (разрывная нагрузка). Обычно, испытания проводят в лабораторных условиях на специальных разрывных машинах, при этом фиксируется нагрузка и удлинение.
Оборудование для работы с металлом (тросы, прутки и т.д.) здесь не подойдет ("ход" таких машин очень мал - невозможно испытать кусок веревки приемлемой длинны, особенно если учесть, что веревка под нагрузкой может удлиняться! К тому же необходимы специальные крепления, для зажима концов каната. Иначе он будет просто напросто выскальзывать).

Разрывные машины для испытания синтетических канатов имеют большие габариты. Испытания канатов - достаточно трудоемкий и длительный процесс.
Специальные приспособления для закрепления концов каната позволяют получить точные и правдивые результаты. Ведь если просто завязать веревку узлом - прочность может снизиться на 30-60%!

В реальных условиях (при эксплуатации) прочность канатов всегда будет ниже, чем при лабораторных испытаниях. Узлы ослабляют канат на 30-60% - в зависимости от материала, типа каната и вида узла. Правильнее всего использовать огоны - специальным образом заплетенные петли на концах каната. Правильно сделанный огон ослабляет канат значительно меньше (до 10% от разрывной прочности, указанной производителем).
Когда нет возможности испытать канат (например, нет оборудования, которое обеспечит требуемую разрывную нагрузку) - допускается расчет исходя из прочности нитей/прядей, составляющих канат. Нагрузка измеряется в ньютонах или килограммах силы (1 Н ≈ 0,10197 кгс)

Можно выделить основные факторы, влияющие на прочность каната.

1. Сырьевые факторы

Здесь наблюдается самая простая зависимость. Чем выше прочность исходных нитей, тем выше прочность готового изделия. Ниже приведена таблица характеристик для основных материалов, используемых при производстве канатов (Таблица 1)
Таблица 1. Прочность синтетических нитей

Свойства Полиамид (PA) Полиэстер (PET) Полиэтилен (PE) Полипропилен (PP) Арамиды Высокомолекулярный полиэтилен (HPME)
Прочность, cN/dtex 6,2-8,2 6,2-8,4 5,3 6,1-6,6 20 35
Точка плавления, С 215 260 140 170 500 150
Плотность, г/см3 1,14 1,38 0,95 0,91 1,45 0,96

2. Технологические факторы

Прочность зависит от типа каната (структура / строение / конструкция) Основная суть – сконструировать канат таким образом, чтобы максимально полно задействовать прочность каждой нити. Считаем, что наибольшая прочность нитей – на продольных нагрузках.

Рассмотрим наиболее распространенные типы канатов.

Канаты крученые трехпрядные

Каболки (группы скрученных нитей, которые составляют пряди каната) расположены практически параллельно канату. Коэффициент использования прочности исходных нитей достаточно высок. Однако, на срезе каната хорошо видно, что остаются значительные «пустоты», которые можно бы было заполнить нитями, а значит и увеличить прочность каната. Но конструкция каната сделать это не позволяет. Поэтому, такой тип крученых канатов имеет среднюю «полезную» прочность.

Канаты плетеные (single-braid)

канат 8ми прядный, L тип канат 8ми прядный, L тип

канат 8ми прядный
канат 8ми прядный

Один из самых распространенных видов плетеных канатов без сердечника. Выпускаются, как правило, 8, 12, 16 прядные. Есть градация по типам. (L-тип, со сдвоенными прядями) С ростом числа прядей «полезная» прочность канатов данной категории уменьшается (на срезах каната будут значительные пустоты в центре). Кроме того, с увеличением прядности увеличивается угол наклона нитей – т.е. под нагрузкой возникают не только продольные, но и поперечные напряжения. В данной подгруппе лидируют 8 и 12 прядные канаты L типа – они имеют хорошую «полезную» прочность.

Канаты двойного плетения (Double Braid)

Имеют структуру плетеного сердечника и оплетки На срезе нет пустот, очень высокая «полезная» прочность.

Канаты с параллельными сердечниками (Parallel Core) (single-braid)

Состоят из крученых сердечников и оплетки. Аналогично канатам двойного плетения, на срезе нет пустот, очень высокая «полезная» прочность.

3. Эксплуатационные факторы


Старение канатов
Снижение прочности в результате воздействия окружающей среды – ультрафиолетовое излучение, циклы перепадов температуры, влажность, контакт с агрессивными веществами. Под воздействием этих факторов синтетические нити становятся «хрупкими». Для защиты изделия используют светостабилизаторы и другие добавки.
Трение
В ходе эксплуатации поверхность (оплетка) каната истирается. Необходимо избегать контакта каната с абразивными элементами, чтобы продлить срок эксплуатации. Необходимо избегать попадания песка, пыли и других твердых частиц между волокнами каната. Они приведут в негодность канат очень быстро, «перерезая» волокна. Интенсивное протягивание каната, особенно под большими нагрузками, вызывает локальные перегревы, вплоть до оплавления.
Узлы
Ослабляют прочность канатов от 30 до 60%. Узлы, как правило, нарушают конструкцию каната. Т.е. возникают пережатия, перегибы волокон, в результате чего нагрузка распределяется не равномерно и волокна каната не работают в равной мере.

Действие этих факторов уменьшается правильным подбором материала и типа каната.

4. Лабораторные испытания

Ниже представлены фотографии канатов, которые были испытали на разрыв. По месту разрыва нити оплавились - это результат внутреннего трения.

Канат «Токса», 16мм Конструкция - Double Braid Сердечник – плетеный полиэстер Оплетка – полиэстер При достижении нагрузок, близких к разрывным, становятся слышны «потрескивания» волокон. У данного образца при нагрузке 4900кгс порвался сердечник. В месте разрыва волокна частично оплавились.

канат полипропиленовый после испытаний

Канат полипропиленовый с сердечником, 12мм Конструкция - Double Braid Сердечник – плетеный полипропилен Оплетка – полипропилен Т.к. полипропилен под нагрузками хорошо тянется, оплетка и сердечник в большинстве случаев «работают» вместе. При достижении 1900кгс произошел одновременный разрыв оплетки и сердечника. В месте разрыва произошло частичное оплавление волокон.

Выводы

Прочность каната зависит от большого числа факторов - качество исходного материала, тип каната и соблюдение технологий при его изготовлении, условия эксплуатации и правильный подбор материала/типа каната под эти условия.

За редким исключением, наибольшую полезную прочность дают канаты с сердечниками (например канаты двойного плетения (Double Braid), канаты с параллельными сердечниками (Parallel Core)). Однако, такие канаты более сложны (дороги) в изготовлении, чем скажем, крученые или обычные плетеные.

Величина разрывной нагрузки не единственный фактор при выборе каната. Возможно, условия эксплуатации не позволят использовать тот или иной тип каната.

При использовании материалов статьи ссылка на первоисточник www.remera.ru обязательна

Русский