Структурные аварии канатных систем

Авторы: Г. Пискоты, М. Зграгген, Б. Вейс, Кр. Аффолтер, Г. Терраси

Перевод с английского: Казаков О.В.

Источник: Elsevier Science. Engineering Failure Analysis. - 16(2009), pp. 1929–1939

Structural failures of rope-based systems

Аннотация

Цель данной работы – подчеркнуть важность осуществления более широкой подборки гипотез в начале исследования аварий в качестве предварительного условия для обеспечения эффективности и правильности выводов. Для этой цели представляются четыре (в переводе рассматриваются два) типа аварий, которые произошли из-за несовершенств несущей структуры. Исследования не рассматриваются в глубину – они просто резюме с целью отметить гипотезы аварий и процедуры в поиске причин аварий.

Некоторые обобщенные выводы сформулированы в конце каждого тематического исследования. Таким образом, знания и опыт, полученные из анализа неисправности, могут быть сохранены в памяти, и использованы в ходе будущих исследований – независимо от того, находится  канат в системе после аварии или нет.

1. Введение

В начале анализа аварий обычной практикой является составление каталога гипотез аварий и планирование исследования на его основе. Предварительным условием для успеха этого подхода является то, что каталог гипотез включает в себя истинные причины аварий. В противном случае существует большая вероятность неправильного толкования результатов и предоставления неправильных выводов. Таким образом, цель данной работы состоит в выявлении значения широкого спектра гипотез и выведении некоторых общих идей для полного каталога гипотез, базирующихся на исследованиях четырех типов структурных аварий. Во всех случаях в основе разрушенной несущей конструкции были проволочные канаты и инциденты происходили, несмотря на меры предосторожности.

Перед представлением исследований случаев аварий необходимо краткое введение в структуры, основывающиеся на канатах. Канаты особенно используются в таких структурах, где требуются высокая грузоподъемность в сочетании с гибкостью несущих элементов и присущей избыточности как, например, в канатных дорогах. Причиной таких особенных характеристик является то, что канаты сделаны из множества отдельных сплетенных проволок.

В системах, базирующихся на канатах, структура и функциональная часть часто сочетаются. Так, например, тяговый канат кресельной канатной дороги представляет собой основную часть несущей конструкции, а также выступает как элемент передачи нагрузки для перемещения подвесов.

2. Разрыв каната в зависимости от местной усталости

2.1. Введение

Захваты одноканатных подвесных дорог [1] могут быть съемными или фиксированными. В первом случае подвесы (например, стулья, кабины или тавровые балки) отделены от каната подвесным устройством. Это позволяет пассажирам перемещаться комфортно на пониженной скорости подвеса. Как положительный побочный эффект, усталость каната является однородной, так как расположение зажима на канате изменяется непрерывно и случайно во время работы.

Следующие аварии произошли на канатной дороге с фиксированными зажимами. В этом виде канатной дороги, несущие устройства остаются прочно прикреплены к веревке во время работы. Поэтому всегда одни и те же участки каната испытывают дополнительный изгиб и давление напряжений в зажимах. Во избежание ускоренной локализованной усталости каната, все зажимы обычно дважды в год должны быть перерасположены на заданном расстоянии (около 0,5 м) с постоянным интервалом.

2.2. Тип аварии

При регулярной эксплуатации канатной дороги тяговые канаты разрываются близко к зажиму.

2.3. Исследования

Визуальное исследование каната показало типичные признаки усталостного разрушения. В местах крепления практически всех других зажимов также было найдено много оборванных проволок. Казалось очевидным, что предписанным перерасположениям захватов не уделялось должного внимания. Тем не менее, содержание записей показало, что зажимы были переведены в указанные промежутки времени и на указанные расстояния, в соответствии с руководством. Усталостный разрыв каната был тайной.

Для того, чтобы собрать улики, были опрошены сотрудники, которые перерасполагали зажимы. Оказалось, что ручки были перерасположены двумя различными группами: одна группа располагала зажимы в направлении движения, а другая - в противоположном.
В результате, ручки чередовались между двумя одинаковыми позициями (рис. 1).

Рисунок 1 – Возможные направления перерасположения зажимов
(нижние области зажимов не изображены).

Очевидно, что производитель не видел необходимости устанавливать направление перерасположения зажимов, так как оба возможных направления эквивалентны.

2.4. Обобщенное заключение

• Сочетание по сути правильных процессов может нейтрализовать их желаемый эффект и привести к аварии.

• Результаты должны оцениваться не только индивидуально, но и во всех возможных комбинациях.

3. Отрыв каната от анкера барабана

3.1. Введение

Анкерные барабаны представляют собой четко установленный метод для крепления канатов. В анкеровке такого типа канат в конечной последовательности оборачивается вокруг фиксированного барабана с мягкой поверхностью, например, дерева (рис. 2). Основная часть полезной нагрузки передается между канатом и барабаном через трение. Благодаря барабану, только небольшая остаточная сила должны быть покрыта с помощью зажима. Остаточная сила определяется по следующей формуле:

(1)

где α - угол части каната, наматываемой на барабан; μ - коэффициент трения между канатом и поверхностью барабана; N - число витков.

Рисунок 2 – Конструкция анкера барабана

Например, если коэффициент трения 0,2 и канат оборачивается вокруг барабана 4 раза, остаточная сила составляет всего лишь 1% от полезной нагрузки (F₂ ≈ F₁ / 100). Вцелом, зажим должен быть предназначен только для небольшой части полезной силы на канат, позволяющей производить плавную фиксацию, без чрезмерного локального давления на поверхность каната. Это преимущество становится особенно важным для установок, где канат должен быть смещен периодически.

3.2. Тип аварии.

Во время регулярной эксплуатации канатной дороги конец тягового каната, удерживающий кабину в нужном положении, сорвал зажим анкера барабана. Канат отделился от кабины и она стала свободной. К счастью, оборудование для обеспечения безопасности (направляющие обрыва каната [1]) предотвратило разрушение кабины.

3.3. Исследования

Визуальный осмотр анкера не выявил видимых отклонений. Поскольку чрезмерная перегрузка во время работы может быть исключена, было сделано предположение о недостаточной несущей способности креплений. Эта очевидная гипотеза должна была быть доказана посредством нагрузочных испытаний. Так как скорость изменения полезной нагрузки в канате была низкой, были проведены квазистатические настроечные испытания. В ходе испытания сила в анкере каната была постепенно увеличена до утроенного максимального значения полезной нагрузки. Тем не менее, крепёж не оторвался. Гипотеза о недостаточной несущей способности анкера должна была быть отклонена.

Были начаты разбирательства для того, чтобы объяснить причины сбоя и результаты опыта. Во-первых, нагрузка на канат была удалена. При этом было обнаружено небольшое скольжение между зажимом и канатом. Повторяя циклы загрузки и разгрузки, канат постепенно выскользнул через зажим, даже тогда, когда колебания растягивающей силы в канате были по-прежнему значительно ниже обычных эксплуатационных сил. Как ни странно, скольжение происходило не при увеличении, а при восстановлении нагрузки.

Неожиданное поведение системы может быть объяснено после проведения детального анализа этого процесса. Полезная нагрузка колебалась медленно, в соответствии с состоянием нагрузки, положением или ускорением кабины и т.п. в определенном интервале. Если растягивающая нагрузка увеличивалась, упругая деформация поддерживающей балки становилась больше. Как следствие, расстояние между барабаном и зажимом для каната уменьшалось (F₁ ↑ → k ↓, рис. 3). В связи с сокращением расстояния, остаточная сила исчезла (k ↓ → F₂↓), и поэтому соотношение (1) уже не выполняется. Для того чтобы восстановить необходимое равновесие между силами по обе стороны барабана, канат был смещен вокруг барабана в направлении по часовой стрелке, пока остаточная сила не была вновь увеличена до требуемого значения.

Рисунок 3 – Распределенное равновесие сил в канате по обе стороны барабана при повышенной полезной нагрузке
(упругая деформация поддерживающей балки преувеличена).

Когда оперативная нагрузка уменьшилась, опорная балка начинала возвращаться в исходное положение. Таким образом, расстояние между барабаном и зажимом становилось больше (F₁ ↓ → k ↑). Но из-за недостающей длины каната между барабаном и зажимом нагрузка начинала расти в том участке каната. Не было никакой возможности для оттягивания веревки по барабану, так как это потребовало бы силы в несколько раз большие силы, чем текущая полезная нагрузка (Поменять местами индексы "1" и "2" в формуле (1)). Очевидно, что остаточная деформация имела место в зажиме, который была разработан только для небольшой части полезной нагрузки. В процессе эксплуатации канатной дороги эта асимметричная процедура периодически повторялась, пока канат не выскользнул из зажима.

3.4. Обобщенные выводы

• Системы должны быть проанализированы также из соображений колеблющихся полезных нагрузок, даже если классические динамические причины аварий – например, колебания, усталостные явления или износ – могут быть исключены.

• Авария может быть вызвана скрытыми соединительными связями в системе.

• Простые упругие структуры могут реагировать на переменную нагрузку с асимметричностью поведения. Это может привести к накоплению малых негативных последствий и, в конце концов, привести к аварии.

4. Резюме

Обобщенные выводы в данной работе представляют собой лишь некоторые из возможных примеров того, как знание анализа конкретной аварии могут быть обобщены и сведены в целях поддержки будущих исследований. Таким образом, опыт полученный посредством анализа аварий может быть закреплён в чьей-либо памяти. Кроме того, он становится все более востребованным и применимым для различных видов аварий систем. В результате, эффективность процедуры анализа аварий увеличивается и вероятность неправильных выводов уменьшается.

Literature

1. Wallis-Tayler AJ. Aerial or wire rope-ways: their construction and management. Kessinger Publishing, LLC; 2007.
2. Eidgenössisches Verkehrs, Energiewirtschaftsdepartement. Pendelbanhnverordnung. Bern: Eidgenössische Drucksachen – und Materialzentrale; 1988.
3. Kuron D. Wasserstoff und Korrosion. Kuron Verlag; 2000.
4. Lange G. Systematische Beurteilung technischer Schadensfälle. DGM-Verlag; 1993. p. 235 ff.
5. Ashby MF, Jones DRH. Eng Mater 1. 3rd ed. Elsevier; 2005.