УДК 629.5.065.2

Анализ конструктивных особенностей и современные тенденции развития судовых канатно-блочных систем

Зефиров Игорь Евгеньевич – аспирант кафедры Судовых энергетических установок и судоремонта Мурманского арктического университета

Аннотация: Пристального внимания к надёжности при эксплуатации судовых спускоподъемных устройств требуют канатно-блочные системы и канаты в частности, являющиеся быстроизнашивающимися элементами. Срок их службы в ряде случаев составляет всего несколько месяцев, что при недостаточном обеспечении надёжности может послужить причиной, разрушения элементов системы и падению груза. Спускоподъемные устройства, находящиеся на открытой палубе, помимо циклических нагрузок подвергаются постоянному воздействию коррозионной среды и низкотемпературным перепадам, что непосредственно влияет на их надёжность, снижение которой может привести к выходу оборудования из строя, стать причиной аварии и гибели членов экипажа судна. В данной статье рассматривается конструкция и тенденции развития судовых канатно-блочных систем, а также предъявляемые к ним требования с целью дальнейших исследований и определения слабых мест конструкции.

Ключевые слова: канатно-блочные системы, спускоподъемные устройства, палубное оборудование, канаты, блоки, шкивы, судостроение, судоремонт.

История развития судовых канатно-блочных систем

Судовые канатно-блочные системы (СКБС) являются неотъемлемым и важным элементом механизации судоходства. Они используются для перемещения грузов, экипажа и других материалов на борту судна. История развития таких систем началась еще в древности, с применения системы шкивов.

Эти системы способны очень легко поднимать тяжелые веса, иногда просто изменяя направление тяговой силы в фиксированном простом шкиве и иногда значительно уменьшая тяговое усилие в системе составных шкивов.

Первое исследование по теоретическим и математическим аспектам механики приписывается Архиту (4 век до н.э.), но ни один из сохранившихся трактатов не принадлежал ему. Следовательно, этот титул зарезервирован за Архимедом (287-212 г. до н. э.). Свойство рычагов он доказал математически, основываясь на некоторых постулатах трактата «О равновесии на плоскости». Говорят, что Архимед использовал шкивы, чтобы вытащить корабль на берег [15].

В римский период Витрувий (1 век до н.э.) утверждает, что все описанные виды машин, в его книге «De Architectura» пригодны не только для строительства, но и для погрузки и разгрузки судов. По тем же принципам корабли могут быть вытащены на берег с помощью блоков подъемных машин (Vitruvius, 1914 г.). В главе II книги X он описывает подъемные машины и поясняет, что в верхней части этого устройства закреплен блок, который некоторые называют «рехамусом» (набором шкивов). Работа Витрувия была особенно важна, поскольку она оказала огромное влияние на эпоху возрождения и исследовалась до 19 века. Более того, он был базой для многих реконструкций, особенно в западном мире [16].

В мореходной практике блок изначально был деревянным, с отверстием, через которое можно было протянуть канат. Чтобы уменьшить трение, отверстие было увеличено, и в него установили шкив. На нем находились канавки, чтобы можно было стянуть канат вокруг блока и закрепить. Когда деревянная оболочка трескалась, блок становился бесполезен.

С появлением металлического каната следующим усовершенствованием стал «железный блок», в котором строп или крюк были прикованы к железному корпусу со шкивом и его штифтом, а деревянная оболочка служила для придания жесткости корпусу.

До середины 20-го века структурные свойства для проведения расчетов, во время подбора каната, не рассматривались, что не могло обеспечить необходимую точность конструкции. После промышленной революции СКБС постоянно совершенствовались с момента их первого применения. А.Н. Динник [7], М.Ф. Глушко [2] и др. привнесли новые математические модели стальных канатов, приблизив их свойства к действительным, а изготовление систем из гораздо более прочных материалов позволило увеличить их грузоподъемность и обеспечить большую надёжность и безопасность.

Анализ конструкций стальных проволочных канатов

С многочисленными изменениями в морской промышленности требования к стальным проволочным канатам (СПК) значительно изменились с первых дней производства в 1840 году.

Современные канаты разрабатываются с учетом конкретных задач, и соответственно конструкция их различна. Однако все СПК изнашиваются и изгибаются, особенно когда канаты работают вокруг концов барабанов или шкивов. Стойкость к усталости при изгибе и к истиранию требует двух разных типов каната. Максимальное сопротивление усталости при изгибе достигается за счет гибкого каната с небольшими внешними проволоками, тогда как для максимальной устойчивости к истиранию требуется менее гибкий канат с более крупными внешними проволоками.

При выборе СПК выбирается проволока, которая обеспечит достаточную устойчивость как к усталости при изгибе, так и к истиранию. Канат также должен быть максимально защищен от коррозионного воздействия, особенно в условиях агрессивной морской среды. При наличии коррозионных условий рекомендуется использовать оцинкованную проволоку.

Все СПК должны подвергаться техническому обслуживанию, чтобы гарантировать, что они будут покрыты смазкой через соответствующие промежутки времени в течение всего срока их эксплуатации. СПК смазываются как внутри, так и снаружи, чтобы обеспечить защиту проволоки от коррозии. Внутренняя смазка осуществляется, если проволока имеет сердечник из натуральных волокон, потому что, когда проволока подвергается натяжению, смазка высвобождается из сердечника, вызывая желаемое внутреннее смазывание. Если для сердечника проволоки используется синтетический материал, это также снижает коррозию. Будучи синтетическим, сердечник непроницаем для влаги; следовательно, если канат намокнет, любая влага будет удалена из внутренней части проволоки под действием веса и давления. Однако внешняя смазка для таких канатов является единственно доступной.

Современная конструкция СПК состоит из нескольких тонких проволок, диаметр которых варьируется от 0,26 до 5,4 мм. Более тонкие проволоки изготавливаются из холоднотянутой первосортной стали, а более толстые из стального проката. Отдельные проволоки скручены в жгуты вокруг натурального, синтетического или стального сердечника или могут быть в свивке без какой-либо сердцевины. Эти пряди, в свою очередь, свиты вокруг сердцевины из волокна или стали или просто уложены вместе [5].

При изготовлении современных СПК направление свивки проволок и укладки прядей имеет решающее значение и имеет несколько вариантов исполнения [11]:

Крестовая свивка

СПК крестовой свивки – это канат, у которого направление свивки наружного слоя проволок в прядях противоположно направлению свивки прядей в канате. Большинство стальных канатов укладывают правосторонним способом, но могут быть изготовлены и левосторонние канаты.

Изменением длины свивки изменяют упругие свойства СПК. Например, уменьшение длины свивки повысит эластичность каната при растяжении, но уменьшит его прочность на разрыв.

Параллельная свивка

В этом типе конструкции все проволоки в пряди имеют одинаковую длину свивки. Следовательно, контакт между проволоками носит линейный характер.

Односторонняя свивка

В этой конструкции внешний слой проволоки в пряди уложен по направлению прядей каната. Как и крестовая свивка, она обычно бывает правосторонней свивки, но может быть изготовлена и левосторонней.

Такой канат имеет большую износостойкость поверхности и, как ожидается, прослужит дольше, чем обычный СПК. Однако проволоки односторонней свивки имеют низкое сопротивление к раскручиванию и обычно ограничиваются применением, в которых оба конца каната защищены от вращения.

Wirex свивка

Скрутка проволоки, уложенная как шпигованная оплётка. Она широко используется для СПК подъемных кранов и спускоподъемных спасательных устройств из-за её устойчивости к вращению, а пряди не распускаются после спуска шлюпки на воду.

Перекрёстная свивка

Конструкция поперечной свивки – это конструкция, в которой проволоки в слоях пряди скручены примерно под одним и тем же углом свивки. Отсюда следует, что проволоки в слоях контактируют точечно. При работе СПК над шкивами и барабанами происходит задир проволок вместе со вторичным изгибом в этих точках контакта, что может привести к выходу из строя проволок из-за преждевременного износа.

Комбинированная свивка

Форма сочетает оцинкованные проволоки с просмоленным сизалем. Шесть прядей из просмоленного трехжильного сизаля включают в себя три проволоки, каждая из которых содержит девятнадцать проволок на прядь, и все это уложено вокруг сердечника.

Прочность такого каната не так высока, как у обычного СПК, но преимущество такой свивки заключается в том, что с ним легко обращаться и скручивать. Подобные комбинированные канаты широко используются в рыбной промышленности, но, когда они встречаются на торговых судах, они, как правило, используются для швартовки или буксировки, поскольку они обладают очень хорошей ударопрочностью.

В судовой практике РФ большой популярностью пользуются СПК двойной свивки. Изготовленные в соответствии с ГОСТ 2688-80 [4] СПК являются одним из важных элементов мостовых и судовых кранов, талей, барабанных лебёдок, тельферов.  СПК по ГОСТ 7668-80 [6] содержит проволоку, толщина которой позволяет эксплуатировать арматуру в жестких условиях трения и повышенной влажности, ими комплектуются всевозможные судовые СПУ и используются в качестве ваерных снастей для оснащения траулеров.

Анализ конструкции канатоведущих блоков

На коммерческом рынке существует множество типов блоков различной конструкции и назначения. На судах они применяются для поворота стрел, в качестве топенантнго блока, для тяги канатов в ярусоподъёмных лебёдках, в шлюпочных устройствах и других СПУ.

Блок обычно содержит шкив роликового подшипника, закрепленный с возможностью вращения между щеками вокруг втулки из фосфористой бронзы. Втулка удерживается на месте осевым штифтом. Шкивы и блоки часто имеют пресс-маслёнки или самосмазывающуюся конструкцию с резервуарами для смазки, вырезанными на поверхности подшипника. Втулка также может иметь аналогичный вырез для использования в качестве полости для смазки.

Блоки с двойным и тройным шкивом имеют конструкцию, аналогичную конструкции с одним шкивом, за исключением того, что шкивы разделены разделительной пластиной. Они широко используются для работы с тяжелыми грузами и в качестве оттяжек при прямом подъеме груза.

Изготавливаются канатоведущие шкивы и блоки из чугуна или стали с готовыми канавками для СПК, которые могут иметь конструкцию со сменными вкладышами, для увеличения тяговых характеристик.

Многошкивные грузовые блоки используются исключительно для подъемных кранов большой грузоподъемности. Количество шкивов зависит от конструкции подъемного устройства; до десяти шкивов не редкость при выполнении регулярных работ по подъему тяжелых грузов.

Требования, предъявляемые к судовым канатно-блочным системам

К СКБС предъявляют множество требований при их изготовлении, ремонте и эксплуатации. Основным надзорным органом, согласно законодательству РФ, является Российский морской регистр судоходства. Согласно Регистру, к СКБС предъявляются следующие требования:

Для изготовления канатов должна применяться проволока круглого сечения с покрытием для защиты от коррозии и временным сопротивлением не менее 1180 МПа.

Органические сердечники канатов должны быть по крайней мере из манилы, сизали, пеньки или синтетического волокна. Канаты с расчетным диаметром более 12 мм. должны иметь трехпрядный сердечник. Органические сердечники должны быть пропитаны или смазаны антикоррозионными и противогнилостными веществами, не растворимыми в морской воде и не содержащими кислот и щелочей. По физико-химическим свойствам смазка для канатов и пропитка органических сердечников должны быть совместимыми.

Что касается синтетических канатов, диаметр тросов из растительного или синтетического волокна должен быть не менее 20 мм. Их применение допускается только для лопарей талей поворотных оттяжек легких стрел и внутренних оттяжек и топриков при работе спаренными стрелами, а также в грузоподъемных устройствах с ручным приводом.

Блок должен быть выполнен таким образом, чтобы исключалось заклинивание троса между щеками и шкивом. Оси шкивов блоков должны быть надежно застопорены от проворачивания и аксиального смещения. При подшипниках скольжения шкивы блоков должны быть снабжены втулками из антифрикционных материалов (например, из бронзы). Ушки или вилки блоков должны быть цельноковаными, гайки вертлюгов должны быть надежно застопорены. Применение в грузоподъемных устройствах блоков с открытыми гаками не допускается.

Диаметр шкивов для стальных тросов, измеренный по дну канавки, должен быть не менее 14 диаметров троса – для тросов, подвижных под нагрузкой, и не менее 9 диаметров – для тросов, неподвижных под нагрузкой. Диаметр шкивов для тросов из растительного или синтетического волокна должен быть не менее 5,5 диаметров троса. Профиль канавки шкива должен обеспечивать плотную укладку троса без заклинивания. Диаметр шкива и профиль канавки должны выбираться, исходя из диаметра троса с наименьшим расчетным пределом прочности проволок [9, 10].

Современные тенденции развития судовых канатно-блочных систем

Тенденции в развитии СКБС на судах связаны с повышением их эффективности и безопасности. В современном судоходстве СКБС используются во множестве судовых операций. Ими оборудованы такие спускоподъемные устройства (СПУ) как, судовые стрелы, лебёдки, краны, шлюпочные устройства, рыбопромысловые механизмы, лифты, штабелёры и др. Также аспекты СКБС изменились в соответствии с более конкретными потребностями, такими как требования к трапам, к спасательным средствам, грузовым подъемникам, креплению груза, и т.д.

Стальные проволочные канаты (СПК) все еще широко используются в отрасли, но в коммерческом судоходстве прослеживается тенденция к переходу на синтетическое волокно [1].

Синтетические подъемные канаты имеют много преимуществ по сравнению с традиционными СПК. Например, они обладают более высокой коррозионной стойкостью, не требуют смазки, чтобы избежать высокого трения, как при использовании СПК и, таким образом, они более экологичны. Кроме того, превосходная гибкость волоконных канатов позволяет использовать меньшие радиусы изгиба и, следовательно, меньшие канатные шкивы, что приводит к дальнейшему снижению веса компонентов и самих СПУ.

В дополнение к преимуществам, упомянутым выше, синтетические канаты обладают потенциалом снижения динамических нагрузок на трансмиссию СПУ. M. Yousri et al. [14] делает первоначальные выводы, что СВК (синтетические волокнистые канаты) приводят к значительному снижению статического крутящего момента из-за их легкого веса и снижению динамического крутящего момента из-за их меньшей жесткости, позволяя увеличить срок службы трансмиссий, что потенциально может привести к значительной экономии средств при их проектировании и эксплуатации, с учётом, более высокой закупочной стоимости канатов.

Однако СВК также имеют тенденцию к изнашиванию, порезам, плавлению, вытягиванию и сжатию. Дефектация таких канатов может быть проведена специалистом визуально, так как повреждения проявляют себя как поверхностные дефекты, в отличии от стальной проволоки, разрыв которой происходит в основном изнутри [3].

Несмотря на весь потенциал, возможность надёжного использования синтетических канатов при эксплуатации со стальными шкивами остаётся неизученной областью. Для повышения эксплуатационной надёжности поверхность стального шкива, контактирующего с СВК, можно использовать резиновое покрытие. При этом к свойствам резины в условиях арктического плавания должен предъявляется ряд требований: устойчивость к низкотемпературным перепадам, максимальный коэффициент трения, высокая износостойкость, высокая нагрузочная способность и долговечность. В этом случае необходимо решить задачи выбора резиновых покрытий различного состава и оценить их трибологические свойства. Также необходимы исследования надёжности слоев различных покрытий с точки зрения образования усталостных трещин и их износостойкость в условиях циклических нагрузок в КБС.

Заключение

Несмотря на то, что при проектировании КБС закладывается их надежность, в условиях циклических нагрузок и действия агрессивной морской среды прогнозирование срока службы при проектировании является крайне сложной задачей. Кроме того, в процессе эксплуатации возникают непредвиденные ситуации, которые также могут повлиять на надежность и долговечность КБС.

Для обеспечения надежности и безопасности эксплуатации судов необходимо применение современных методов контроля в том числе и с передачей информации в режиме реальном времени для своевременного выявления износа и образования дефектов, что позволит своевременно обеспечить проведение ремонтно-восстановительных работ или замену по фактическому состоянию.

Также, возникает потребность в моделировании долговечности КБС по оценке сопротивления внешним нагрузкам, таким как трибологические факторы. Для этого необходимо проведение прямых экспериментов, которые помогут определить возможные слабые места конструкции и принять меры по их устранению.

Список литературы

1. Великанов Н.Л., Васильева В.А. Перспективы применения синтетических тросов на грузоподъемном оборудовании / Транспорт и сервис № 6. 2018. С. 81 – 88.
2. Глушко М.Ф. Стальные подъемные канаты. – Киев, Техника, 1966. – 327 с.
3. ГОСТ 18322-78. Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения. − М.: Стандартинформ, 2007.− 12 с.
4. ГОСТ 2688-80. Канаты стальные. Сортамент – М.: ИПК Изд. стандартов, 2002 – 9 с.
5. ГОСТ 3241-91. Виды канатов. Характеристики и маркировка стальных канатов. М.: Стандартинформ, 2008.
6. ГОСТ 7668-80. Канаты стальные. Сортамент – М.: ИПК Изд. стандартов, 2002 – 6 с.
7. Динник А.Н. Статьи по горному делу. – М.: Углетехиздат, 1957. С. 195.
8. Евсеева С.С. Сравнительный анализ технических характеристик синтетических канатов. / Вестник Астраханского государственного технического университета № 3. 2008. С. 90 – 92.
9. НД № 2-020101-174. Часть ХIII. Материалы. – Российский морской регистр судоходства, 2023.
10. НД № 2-020101-179. Правила по грузоподъемным устройствам морских судов. – Российский морской регистр судоходства, 2023.
11. House D.J. Seamanship Techniques. Shipboard and Marine Operations. 5th Edition / Routledge. Taylor and Francis, 2019. pp. 98 – 122.
12. International Code for Ships Operating in Polar Waters (Polar Code) [Электронный ресурс]: IMO. International Marine Organization − URL: https://www.imo.org/en/OurWork/Safety/Pages/polar-code.aspx.
13. Laurent F., Faury O., Etienne L. Mapping and analysis of maritime accidents in the Russian Arctic through the lens of the Polar Code and POLARIS system. / Marine Policy № 118, 2020.
14. Peng Y., Wang G., Zhu, Z., Chang X., Lu H., Tang W., Jiang F., Chen G. Effect of Low Temperature on Tribological Characteristics and Wear Mechanism of Wire Rope. / Tribology International № 164 2021.
15. Seyhan A. Brief History of the Pulleys and Explanation of Chief Instructor Ishaq Efendi’s Work on Pulleys and Pulley Systems. / History of Machines and Mechanisms Science № 40. 2022.
16. Seyhan A. The Early History of the Pulleys and Crane Systems. / Found Sci, 2022.