Оцените нагрузки при протягивании кабеля по одному участку трассы за раз: добавьте сопротивление прямых участков, учтите вес неподдерживаемых подъемов, затем рассчитайте натяжение на изгибе и боковую нагрузку. Я начинаю с барабана и следую направлению протяжки. Натяжение на выходе одного участка становится начальным натяжением следующего, поэтому порядок прямых участков и изгибов имеет значение.
Сравниваю рассчитанное усилие с допустимой нагрузкой кабеля, тягового приспособления и опор. В примерах приведены явные допущения; для фактического монтажа сопоставьте рассчитанные нагрузки с действующими ограничениями для кабеля и оборудования.
Основные выводы
- Расчет горизонтального скользящего участка дает добавочное трение; входное натяжение учитывайте отдельно.
- Один раз преобразуйте массу в kg в силу в N, используя ускорение свободного падения.
- Проверьте боковую нагрузку на каждом изгибе по местному натяжению на выходе и соответствующему радиусу.
- Используйте модель для скольжения, роликов или кабельной трубы, которая отражает фактические условия контакта.
- До завершения заделки кабеля в кабельном вводе распределите вес подвешенного участка и другие нагрузки трассы на предназначенные для них опоры.
Участок трассы — это длина кабеля с заданными направлением, условиями опирания и расчетной моделью. Отметьте барабан, тяговый конец, изгибы, перепады высоты и точки опоры. Каждому прямому участку я присваиваю отдельное обозначение и указываю, скользит ли кабель по поверхности, катится ли по оборудованию или свободно висит.
| Условия трассы | Основной расчет | Входной параметр, меняющий результат |
|---|---|---|
| Горизонтальный скользящий участок | Добавочное трение от поддерживаемого веса | Линейная масса кабеля, длина и коэффициент трения при контакте |
| Неподдерживаемый вертикальный участок | Вес, передаваемый по пути растягивающей нагрузки | Неподдерживаемая длина и масса закрепленных элементов |
| Изгиб со скользящим контактом | Рост натяжения и местная боковая нагрузка | Входное натяжение, угол, трение, радиус и расположение кабелей |
| Схема с роликами или блоком | Сопротивление качению и изгибу, зависящее от оборудования | Состояние роликов, расстояние между ними, геометрия блока и жесткость кабеля |
Проследите передачу усилия от кабеля к несущей конструкции. Направляющая может воспринимать боковую реакцию, а тяговое приспособление — осевое натяжение. Распределяйте нагрузки между компонентами в соответствии с тем, какие усилия они действительно воспринимают.
Для горизонтального скользящего участка умножьте вес поддерживаемого кабеля на соответствующий коэффициент трения. Прибавьте это сопротивление к входному натяжению. Следующая модель предполагает один прямой кабель, равномерное движение и постоянные условия контакта:
Здесь — безразмерный коэффициент трения, — линейная масса кабеля в kg/m, — длина скольжения в m, а — ускорение свободного падения в m/s². Вес кабеля воспринимает поверхность. Изгибы, уклоны, препятствия и другие нагрузки следует учитывать в отдельных частях модели трассы.
Входное натяжение — это осевая нагрузка, уже присутствующая на входе участка. Для данного горизонтального равновесия при равномерном движении натяжение на выходе равно входному натяжению плюс трение на участке. Такой же поучастковый подход изложен в руководстве Southwire по монтажу силовых кабелей; здесь используются согласованные единицы СИ.
Например, возьмем условный кабель с линейной массой 0.8 kg/m, горизонтальный скользящий участок длиной 20 m, предполагаемый коэффициент 0.30 и m/s². Предположим равномерное движение и отсутствие иных сопротивлений на этом участке:
| Величина | Расчет | Результат |
|---|---|---|
| Масса перемещаемого участка кабеля | 0.8 × 20 | 16 kg |
| Нормальная сила в этой модели | 16 × 9.80665 | 156.91 N |
| Добавочное сопротивление скольжению | 0.30 × 156.9064 | 47.07 N |
| Натяжение на выходе при входных 25 N | 25 + 47.07192 | 72.07 N |
Передаю натяжение на выходе 72.07 N на следующий участок. Это трение 47.07 N — только добавка данного участка к входным 25 N.
Для того же кабеля и длины предполагаемые коэффициенты 0.20 и 0.40 дают 31.38 N и 62.76 N. В этой модели удвоение коэффициента удваивает силу трения. Эти значения для анализа чувствительности показывают, почему установление условий контакта важнее, чем еще один десятичный знак.
Я различаю трение при начале движения и трение во время движения, а затем определяю оболочку кабеля, кабельную трубу или опорную поверхность и совместимую смазку. Для роликов используйте применимую модель и учитывайте состояние оборудования; горизонтальная трасса не означает, что ролики являются поверхностями скольжения.
Для свободно висящего вертикального участка кабеля без опор в состоянии статического равновесия:
Подвешенный вес — это сила тяжести, обусловленная массой неподдерживаемого участка ниже проверяемой точки. Здесь обозначает его длину в метрах. Прежде чем определять, какая длина нагружает каждую точку, я отмечаю промежуточные опоры.
Рассмотрим отдельный подвешенный участок длиной 6 m из того же условного кабеля с линейной массой 0.8 kg/m. Его вес составляет 47.07 N. Если верхняя опора также несет присоединенный элемент массой 1.5 kg, он добавляет 14.71 N, и в этом статическом примере общая нагрузка составляет 61.78 N. Учитывайте этот элемент только один раз. Если в фактической трассе есть и горизонтальный, и вертикальный участки, учитывайте их длины отдельно.
Массу и вес необходимо выражать в разных единицах. Таблицы СИ NIST определяют массу в килограммах, а силу — в ньютонах. Если в данных кабеля уже указан вес на единицу длины в N/m, просто умножьте его на длину. Повторное умножение на ускорение свободного падения завысило бы силу.
При подъеме учитывайте ускорение, трение в опорах, присоединенные элементы и направление перемещения в соответствующей динамической модели. Для остановленной трассы определите постоянные опоры, которые будут нести вес после снятия тягового оборудования.
Изгиб меняет как натяжение при протяжке, так и нагрузку, прижимающую кабель к направляющей. Сначала я рассчитываю местное натяжение на выходе, затем подставляю его в применимую формулу боковой нагрузки. Расположение кабелей имеет значение: одиночный кабель и несколько отдельных кабелей в одной общей трубе имеют разные схемы контакта.
Для одного кабеля со скользящим контактом часто используют следующее предварительное приближение для изгиба:
Здесь — коэффициент динамического трения на изгибе, — угол контакта в радианах, а — экспоненциальная константа. Это вариант приближения E-15 от Southwire для одиночного кабеля, в котором поправочный коэффициент веса равен единице. Изгиб на 90° соответствует радиан. Если подставить 90 в качестве угла в радианах, результат будет совершенно иным.
Это приближение описывает скользящий контакт, а не любые вращающиеся блоки или изгибы жесткого кабеля. Southwire отдельно рассматривает свободно вращающиеся блоки и сопротивление изгибу кабеля. Для фактической трассы используйте схему расположения кабелей, геометрию изгиба и модель оборудования, применимые к ней; учитывайте любое дополнительное сопротивление изгибу или началу движения, предусмотренное этой моделью.
Для одножильного кабеля или нескольких жил в общей оболочке простой индекс боковой нагрузки равен:
Чтобы получить N/m, используйте местное натяжение на выходе изгиба в N и соответствующий радиус изгиба в m. Southwire приводит эту форму как E-20 и дает другие выражения для иных схем расположения кабелей. Следуйте принятому в модели правилу определения радиуса в соответствии с чертежом; наружный диаметр блока не обязательно равен требуемому радиусу.
Боковая нагрузка — это сила на единицу длины, действующая вдоль контакта на изгибе. Хотя ее часто называют боковым давлением, этот индекс не является давлением в паскалях. NIST определяет паскаль как N/m². Для расчета местного контактного напряжения также потребуются площадь контакта и распределение нагрузки.
В отдельном примере натяжение на выходе изгиба 400 N при радиусе 0.50 m дает 800 N/m. При том же натяжении радиус 0.80 m дает 500 N/m. Больший радиус снижает этот индекс, однако выбранная геометрия также должна соответствовать минимальному радиусу изгиба кабеля и помещаться в трассе.
В этом связанном примере используются тот же условный кабель и то же ускорение свободного падения: один кабель равномерно скользит по горизонтальному прямому участку длиной 20 m, затем проходит изгиб на 90° и еще один прямой участок длиной 10 m. Вертикальных участков нет.
Предположим, что на входе первого прямого участка натяжение составляет 25 N, коэффициент трения на обоих прямых участках равен 0.30, а на изгибе — 0.20. Радиус для модели боковой нагрузки составляет 0.50 m. Примените простое приближение для изгиба, приведенное выше; в примере не учитываются переходные процессы при начале движения, жесткость кабеля и отдельная поправка на вес в изгибе сверх предусмотренной этим приближением.
| Положение или составляющая | Расчет | Результат |
|---|---|---|
| Добавочное трение на первом прямом участке | 0.30 × 0.8 × 20 × 9.80665 | 47.07 N |
| Натяжение на входе изгиба | 25 + 47.07192 | 72.07 N |
| Множитель натяжения на изгибе | exp(0.20 × π/2) | 1.3691 |
| Натяжение на выходе изгиба | 72.07192 × 1.36910777 | 98.67 N |
| Местный индекс боковой нагрузки на изгибе | 98.67422572 / 0.50 | 197.35 N/m |
| Добавочное трение на втором прямом участке | 0.30 × 0.8 × 10 × 9.80665 | 23.54 N |
| Натяжение на конечном выходе | 98.67422572 + 23.53596 | 122.21 N |
Используйте 122.21 N на конечном выходе и 98.67 N на выходе изгиба. Подстановка конечного значения в предшествующую проверку изгиба смешивает разные позиции на трассе. Между этапами я сохраняю полную точность и округляю отображаемые результаты.
Согласно моему анализу этого примера, увеличение радиуса изгиба с 0.50 m до 0.80 m снижает индекс боковой нагрузки с 197.35 до 123.34 N/m, то есть на 37.5% при том же натяжении. Экспоненциальное приближение дает то же натяжение, поскольку радиус в это выражение не входит. При проектировании фактической трассы также нужно проверить радиус изгиба и жесткость кабеля.
Изменение направления протяжки требует нового расчета. Прямые участки и изгибы будут следовать в другой последовательности, поэтому натяжение на входе каждого изгиба может измениться. На трассах с перепадами высоты изменится и направление вклада веса. Сравните пересчитанные местные нагрузки и доступ к оборудованию, а не просто поменяйте стрелки на готовом расчетном листе.
Сравните каждую рассчитанную нагрузку с ограничением для данного кабеля, приспособления, места и режима работы. Низкое натяжение на конечном выходе не определяет боковую нагрузку на изгибе с малым радиусом. Аналогично, высокий допустимый предел натяжения кабеля не увеличивает номинальную грузоподъемность тягового ушка или захвата.
| Проверка | Сравнить с | Если условие не выполняется |
|---|---|---|
| Натяжение кабеля | Предельная нагрузка кабеля для указанной конструкции и метода протяжки | Снизьте нагрузку на трассе или измените утвержденную схему протяжки |
| Тяговое приспособление | Его номинальная грузоподъемность и условия монтажа | Выберите подходящее приспособление и повторно проверьте систему |
| Каждый изгиб | Применимый предел боковой нагрузки и минимальный радиус изгиба | Увеличьте радиус, измените трассу или снизьте натяжение на входе изгиба |
| Направляющие и опоры | Допустимые осевая/боковая нагрузки и конструктивное крепление | Измените компоненты, расстояние между ними или конструкцию крепления |
| Конечный ввод | Выравнивание кабеля, опирание и функция удержания кабельного ввода | Исправьте подход кабеля и опирание до завершения заделки кабеля в кабельном вводе |
В руководстве Southwire отдельно указаны пределы тягового устройства, натяжение кабеля, боковая нагрузка и геометрия трассы. Используйте допустимые значения из действующих инструкций к кабелю и приспособлению, сопоставляя их с рассчитанной нагрузкой в каждом месте.
Ответственный за монтаж инженер также прорабатывает сопротивление вращению барабана, эффекты начала протяжки, изменения нагрузки во время протяжки и риск препятствий или заклинивания. Включите в план монтажа контроль нагрузки и критерии остановки.
Я распределяю нагрузку трассы между компонентами, предназначенными для ее восприятия. IEC 61914:2021 распространяется на кабельные зажимы и промежуточные ограничители, в том числе на заявленные функции и указанную поверхность монтажа. IEC 62444:2010 распространяется на комплектные кабельные вводы. Это разные функции компонентов со своими условиями монтажа.
Результат удержания кабеля кабельным вводом не превращает его в тяговое приспособление или неограниченную вертикальную опору. Определите неподдерживаемую длину, нагрузки от закрепленных элементов и реакции опор, а затем подберите компоненты для этой задачи. Их взаимосвязь при вводе кабеля в корпус описана в руководстве по кабельным зажимам и кабельным вводам.
На последнем изгибе я проверяю требуемый прямой подходной участок, выступ кабельного ввода относительно корпуса и расположение опоры. Не допускайте бокового прижатия кабеля к входному отверстию кабельного ввода. Эта геометрия описана в руководстве по выбору радиуса изгиба кабеля, а руководство по разгрузке от натяжения рассматривает эксплуатационные нагрузки после монтажа.
| Параметр | Что указать в расчетном листе |
|---|---|
| Кабель | Обозначение, линейная масса, диаметр и метод протяжки |
| Участок | Направление, длина, угол, радиус и условия опирания |
| Баланс сил | Входное натяжение, добавленная нагрузка и натяжение на выходе |
| Входные данные и пределы | Основание для коэффициента трения, пределы кабеля и приспособления |
| Неуточненные условия | Сопротивление вращению барабана, эффекты начала движения или состояние оборудования |
Если входной параметр меняется, я пересчитываю последующие затронутые участки. Неизвестную нагрузку следует показывать явно, а не скрывать в общем коэффициенте.
Я рассчитываю нагрузки при протягивании кабеля, прослеживая передачу усилия по трассе. Горизонтальный участок добавляет трение, неподдерживаемый подъем — вес, а изгиб изменяет натяжение и создает местную боковую нагрузку. Передача натяжения на выходе дальше по трассе связывает эти составляющие, не смешивая их единицы измерения и положения.
До выбора схемы протяжки сопоставьте местные результаты с пределами кабеля, приспособления, изгиба и опоры. У ввода кабеля в корпус предусмотрите требуемое опирание кабеля и геометрию подхода, чтобы кабельный ввод выполнял указанные функции ввода и удержания.
Он показывает дополнительное трение на горизонтальном скользящем участке. Добавьте входное натяжение, а затем рассчитайте остальные прямые, изгибы или вертикальные участки по соответствующим моделям. Результат участка я использую как одну строку в ведомости трассы, а не как итоговое значение для каждой трассы.
Килограммы обозначают массу. Умножьте массу на ускорение свободного падения, чтобы получить силу в ньютонах. Если в технических данных кабеля уже указана сила тяжести на единицу длины в N/m, умножьте ее на длину, не применяя ускорение свободного падения повторно. На протяжении всего расчета четко различайте kg/m и N/m.
Простой индекс боковой нагрузки на изгибе для одного кабеля равен местному натяжению на выходе из изгиба, деленному на соответствующий радиус изгиба. Его единица измерения — сила на единицу длины, хотя его часто называют боковым давлением. Для расчета контактного напряжения в N/m² также потребуются сведения о площади контакта и распределении нагрузки.
Используйте его для этой задачи только тогда, когда в спецификации указаны конкретный кабельный ввод, кабель и схема монтажа для полученной нагрузки. Сначала я определяю неподдерживаемую длину и другие опоры, затем выбираю оборудование для этого пути передачи нагрузки. Одного удержания кабеля кабельным вводом недостаточно, чтобы считать его тяговым приспособлением.
При одинаковом натяжении больший радиус снижает простой индекс боковой нагрузки. В экспоненциальном приближении для изгиба натяжение зависит от входного натяжения, трения и угла, поэтому изменение только радиуса не меняет эту оценку. Также проверьте фактическую жесткость кабеля, геометрию изгиба и модель оборудования.