„Házilag” is elvégezhető az acélsodronyok vizsgálata

ABSZTRAKT Munkánk fő célja acélsodrony mechanikai tulajdonságainak vizsgálata. Ennek megvalósításához univerzális anyagvizsgáló géphez csatlakoztatható befogókészüléket terveztünk. Elsőként 3D modellező szoftver segítségével megterveztük a befogó készüléket, amit végeselem módszer segítségével szilárdságtanilag ellenőriztünk. Ez a készülék a kötélsúrlódás elvén működik és a kereskedelmi forgalomban kapható befogók tulajdonságait ötvözi. Ennek segítségével 4 milliméter névleges átmérőjű, korrózióálló acélsodronyokat vizsgáltunk. Ez alapján meghatároztuk a vezetékek szakítószilárdságát és közelítő anyagmodelljét.

Kulcsszavak: sodronykötél, anyagvizsgálat, anyagmodell, VEM

A szerzőkről:

Jánoki András: ELTE Informatikai, Kar, Savaria Műszaki Intézet, Gépészmérnöki BSc, 3. évf.

Safranyik Ferenc: ELTE Informatikai, Kar, Savaria Műszaki Intézet, egyetemi docens

Kollár László: ELTE Informatikai, Kar, Savaria Műszaki Intézet, egyetemi tanár

Bevezetés

Napjainkban a hideg éghajlati övezetben lévő területeken nagy problémát jelent az elektromos vezetékeken kialakuló jég- és hóréteg. Ezek az időjárási tényezők statikus igénybevétellel terhelik a vezetéket, majd olvadáskor a hirtelen leeső tömeg rezgésbe hozza a kábeleket, dinamikus igénybevételnek téve ki azokat. A hosszabb vezetékek esetén méteres kilengések is előfordulnak, ezek pedig az esetek egy részében tönkremenetelhez vezetnek. A jelenleg is alkalmazásban lévő távtartók páros vagy négyes kábel csoportok esetén csökkentik a kilengések nagyságát, de ez nem szünteti meg teljesen a problémát és nem megoldás az önmagában futó vezetékekre [1].

Ezek a távvezetékek készülhetnek tömör és sodrott kivitelben. Általában az utóbbi kialakítást használják, mivel jobban ellenáll a többszöri hajlításoknak (1. ábra). A mechanikai tulajdonságok javítása érdekében a sodrott szálak további sodrott elemi szálakból tevődnek össze. A réz és alumínium sodronyok helyett néha acél erősítéses vagy teljesen acél alapanyagú vezetékeket készítenek [2]. Ezen tulajdonságok ellenére is fennáll a tönkremenetel esélye a szélsőséges körülmények között [3].

A tönkremeneteli jelenség megértéséhez analitikus és numerikus modelleket is alkalmaznak a kutatók. A kutatásokban sokszor vizsgálják az elemi szálak kapcsolatát és a modell egyszerűsítésének lehetőségeit [3]. Mindkét modellhez először szükséges, hogy megismerjük a kábel viselkedését leíró anyagjellemzőket. Munkánk fő célja az elektromos vezetékként használt acélsodrony anyagmodelljének meghatározása anyagvizsgálatok alapján. Ehhez olyan befogókészüléket kellett tervezni, amely a Savaria Műszaki Intézetben rendelkezésre álló univerzális anyagvizsgáló berendezéshez illeszthető és alkalmas acélsodronyok rögzítésére.

Legfőbb szempontok a tervezéskor a költséghatékonyság, az egyszerű gyártás, a könnyű szerelhetőség és a szakítógép maximális teljesítményének kihasználhatósága volt. Tanulmányoztuk a jelenleg használatban lévő konstrukciók egy részét. Ezek alapján több modellt készítettünk, amiket végeselem-módszer segítségével ellenőriztünk és a kapott eredmények alapján optimalizáltunk, így a befogó legyártása után lehetőségünk nyílt a vizsgálatok elvégzésére. Második lépésként a vezetékeken végzett mérésekből származó adatok alapján meghatároztuk a sodrony anyagmodelljét.

Befogókészülék tervezése

A befogó megtervezése előtt három, már kereskedelmi forgalomban kapható kivitelt hasonlítottunk össze. Ezek mind a kötélsúrlódás elve alapján működnek, ám a kábelvég rögzítése más-más módon történik. Az általunk tervezett befogó fő célja a 13 milliméteres átmérőjű vezeték megfelelő rögzítése a szakítóvizsgálat során. Ezenkívül fontos volt, hogy a készülék csatlakoztatható legyen az egyetemen található univerzális anyagvizsgáló géphez, és le tudjuk gyártani az egyetem gyártástechnológia laboratóriumában.

A funkcionális tervezést a Solid Edge 2020 3D tervező program segítségével végeztük. A sodrony rögzítését egy menetes henger teszi lehetővé, amire 2,5 menetet lehet felcsavarni, így elég nagy az átfogási szög ahhoz, hogy megfelelően rögzíteni lehessen a sodronyt. A vezeték végének a rögzítését egy szorító pofa segítségével oldottuk meg, amit egy csavar szorít a másik pofához. A kötélsúrlódás összefüggése alapján meghatározható a rögzített kötélágban ébredő erő és ezáltal a szükséges csavar mérete, amely biztosítani tudja a szükséges szorítást. A húzóerőt a készüléken vizsgálható legnagyobb, 13 milliméter átmérőjű vezeték elszakításához szükséges erő alapján határoztuk meg, ami F_h = 75 000 newton = 75 kilonewton nagyságú. A nyugvásbéli súrlódási tényezőnek pedig a szakirodalomban megtalálható, acél-acélsodrony érintkezéshez tartozó értéket használtuk [4]. Ezek alapján a rögzített ágban fellépő erő:

ahol:

• µ0 = 0; 2, a nyugvásbéli súrlódási tényező [4],
• α, az átfogási szög radiánban.

A kötélágban számított erő alapján 10.9 szilárdsági osztályú M8 névleges méretű csavart alkalmaztunk a kábelvég rögzítésére. A készülék rögzítőfelülete a szakítógép csapjának méretei alapján készült úgy, hogy a befogó könnyen cserélhető legyen (2. ábra).

A 3D modellt felhasználva a végeselemes ellenőrzéseket az Ansys szoftver statikus szerkezeti modulja segítségével végeztük [5]. Ennél a vizsgálatnál hegesztéseket nem ábrázoltuk a modellen, és mivel a szorítóelem nem teherviselő, így azt sem vettük figyelembe. 75 kilonewton nagyságú terhelő erő a huzalon keresztül a húzási egyenesben hat a menetes henger első beszúrására. Ezt az erőt távoli erő lehetőséggel definiáltuk a húzási egyenesben. Az iránya a pozitív z tengely felé mutat. A Valóságban a készülék egy csapra van felhúzva, így az x és y irányú elmozdulását az ezzel érintkező felületen korlátoztuk. A z irányú rögzítésért a csatlakozón átmenő csap felel, így furatának függőleges irányú elmozdulását korlátoztuk (3. ábra).

Három kontakt beállítást alkalmaztunk a vizsgálat alatt, ezek mind nyomatékbíró merev kényszerkapcsolat típusúak, amelyek nem engedik az alkatrészek elcsúszását és elválását. Ezeket a hegesztési varratok helyettesítésére alkalmaztuk. A hálózáskor 10 milliméter nagyságú, elsőfokú közelítésű, tetraéder alakú elemeket alkalmaztunk, így 38.222 csomópontszámot és 23.515 elemszámot kaptunk. Az ezekkel a beállításokkal elvégzett vizsgálatból azt kaptuk, hogy a legnagyobb redukált feszültség a hátlap és a menetes henger kapcsolatánál keletkezik az éles sarokban, ennek értéke 141,16 megapascal (4. ábra).

A készülék valamennyi alkatrészét C45 minőségű szerkezeti acélból gyártottuk, amelynek folyáshatára (R_eH) az előgyártmány méretei alapján 370 megapascal. A vizsgálat során lineáris anyagmodellt használtunk, amihez 200 gigapascal értékű rugalmassági modulust és 0,3 értékű Poisson-tényezőt állítottunk be [6]. A legnagyobb szerkezeti feszültség σ_red,max = 141,16 megapascal, amelyek alapján biztonsági tényezőt számoltunk:

A fenti biztonsági tényező elfogadható, illetve mivel a maximális szerkezeti feszültség az éles sarokban ébredt, a valóságban ennek értéke várhatóan kisebb lesz, a homorú hegesztési varrat feszültségcsökkentő hatása miatt. Végezetül a tervek és ellenőrzések alapján legyártottuk a befogókészüléket. Korrózióvédelemnek festést alkalmaztunk. Funkcióját tökéletesen ellátja, és ezzel lehetőségünk nyílik kötél, huzal és fonal minták anyagvizsgálatára (5. ábra).

Kísérleti vizsgálatok

Az elkészült befogóval összesen 5 darab mintán végeztünk anyagvizsgálatot. A vizsgálatokhoz az egyetemen található Zwick/Roell z100 típusú szakítógépet használtuk. Pontossága 0,2 kilonewton – 1 kilonewton között a mért érték 1 százaléka, 1 kilonewton felett pedig a mért érték 0,5 százaléka. DIN3060 szabványú T7x19 méretű, 4 mm névleges átmérőjű, korrózióálló acélsodronyt használtunk az anyagvizsgálatokhoz. Ezeket az elnevezésből is meghatározhatóan 7 kisebb, 19 szálból álló sodrott huzalból sodorták össze (6. ábra). A köré írható kör névleges átmérője 4 milliméter. A legkisebb szál kerekített átmérője pedig 0,27 milliméter. A Korrózióálló acélsodronyok szakítószilárdsága a szabvány szerint 1570 megapascal [7].

Mérési folyamat szempontjából fontos volt olyan hosszúra hagyni a kábeleket, hogy a két befogó között elférjen a mechanikus nyúlásmérő is, aminek segítségével mértük az alakváltozást. A kábel rögzítésekor fontos a kellő odafigyelés mivel rossz feltekerés esetén a szálak folyamatosan rendeződnek és csúsznak a készülékben, így hibás mérést eredményezve. Mindemellett arra is ügyelni kell, hogy a szorító pofán túl bőven legyen kábel mivel, ha a vezetékeket a végén fogjuk be, akkor a húzóerő hatására a kisebb szálak elkezdenek egymásról letekeredni így kilapul a keresztmetszet, aminek következtében elmozdul a rögzítésből a vezeték. Ilyenkor a mérési diagramon látható, hogy nem növekszik az erő a kábel végén, mivel az elemi szálak szétbomlanak. A probléma a sodrony végére roppantható menetes véggel vagy megfelelő kinyúlási hossz alkalmazásával kiküszöbölhető. A megfelelő befogás után a két befogót 5 milliméter/perces sebességgel mozgattuk el egymástól. A szakítási folyamat végén megfigyelhető, hogy nem szakad el egyszerre az összes szál, bár ez várható volt a többszörösen összetett szerkezeti kialakítás miatt (7. ábra).

Eredmények és következtetések

A szakítóvizsgálat során megkapott adatokból megállapítható, hogy az elvégzett vizsgálatok között kicsi a szórás és közel egyformák a szakító diagramok (8. ábra).

Méréseink alapján a sodronykötél szakítószilárdsága 1451,8 ± 29 megapascal (95,4 százalékos valószínűséggel). A várható érték csupán 7,6 százalékkal tér el a DIN 3060 szabványban szereplő 1570 megapascalos értéktől. Ezekből következik, hogy a befogókészülék megfelelően használható, és a mérési módszer alkalmas sodronykötelek vizsgálatára. A kapott adatokból továbbá vizsgáltuk annak fontosságát, hogy a kábel keresztmetszetét lehet-e helyettesíteni a befoglaló kör területével. A sodronyt alkotó elemi szálak köré írható kör területe A_k = 12,57 négyzetmilliméter. Ez jelentősen nagyobb a vezeték pontos keresztmetszetének területénél, ami A_p = 7,61 négyzetmilliméter (8. ábra). Ezt úgy kapjuk meg, ha összeadjuk a legkisebb elemi szálak keresztmetszetének területét. Ebből már látszik, hogy a két értékkel végzett számítások teljesen más eredményre vezetnek. Ezekkel a számokkal készítettük el a vezetékek feszültség nyúlás diagrammját, amiről egyértelműen megállapítható, hogy jelentős különbségek vannak és a későbbi vizsgálatokat fontos a pontos keresztmetszettel végezni (8. ábra).

Innentől fogva az elemzéseket csak a pontos keresztmetszetre terjesztettük ki. Következő lépésként az adatokból kapott görbéket 4-4 lineáris trendvonallal közelítettük hasonlóan Thoeni és szerzőtársai munkájához [9]. Ezek segítségével meg tudtuk határozni a görbe különböző szakaszaira jellemző merevséget. Erre a kábel későbbi végeselemes modellezésénél a megfelelően pontos anyagmodell beállítása végett van szükség (9. ábra).

A számozott R betűk a lineáris egyenesek metszés pontjai, a számozott E betűk pedig egyes szakaszok meredekségét jelölik. Ez a meredekség az egyes szakaszokhoz tartozó merevségeket jelenti. Az R_m az a pont, ahol vizsgálat során a vezeték elszakadt. Ebből adódóan ennek a pontnak a feszültség értéke a vezeték szakítószilárdságával egyezik meg.

Összefoglalás

Tervezés és VEM vizsgálatok után sikeresen legyártottuk a befogót, ami 0-13 milliméter átmérőjű vezetékek vizsgálatára alkalmas, 75 kilonewtonos terhelésig, 2,6-os biztonsági tényezővel. Ezután szakítóvizsgálatokat végeztünk, és a kapott adatokból megállapítottuk, hogy a befoglaló kör területével számolt feszültségek nagyban eltérnek a pontos területtel számítottól. A vezetékek 3,5-4,5 százalékos alakváltozás után szakadnak el, miközben átlagosan 1451,8 megapascal feszültség ébred bennük. Ezek az eredmények a szabványban és a gyártók által megadott adatokkal összhangban vannak, így megállapítható, hogy a mérések sikeresek voltak.

Köszönetnyilvánítás

Jelen kutatás az EFOP-3.6.1-16-2016-00018 „A felsőoktatási rendszer K+F+I szerepvállalásának növelése intelligens szakosodás által Sopronban és Szombathelyen” című projekt keretein belül valósult meg.

Irodalomjegyzék

[1] L.E. Kollár, M. Farzaneh, Vibration of Bundled Conductors Following Ice Shedding, IEEE Transactions on Power Delivery 23(2), 2008, pp. 1097-1104, CrossRef

[2] W.K. Lee, An insight into wire rope geometry, International Journal of Solids and Structures 28(4), 1991, pp. 471-190, CrossRef

[3] G. Kastratović, N. Vidanović, 3D finite element modeling of sling wire rope in lifting and transport processes, Transport 30(2), 2015, pp. 129-134, CrossRef

[4] M. Csizmadia Béla, Nándori Ernő, Mechanika Mérnököknek: Szilárdságtan (második kiadás), Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest-Gödöllő-Győr, 2002.

[5] Ansys® Academic Research Mechanical, Release 16.0, 2016

[6] H. Mouradi, A.E. Barkany, A.E. Biyaali, Steel wire ropes failure analysis: Experimental study, Engineering Failure Analysis 91, 2018, pp. 234-242, CrossRef

[7] DIN 3060:1972, Acélsodronykötelek

[8] Würth szereléstechnika, letöltés dátuma: 2021. 01. 20, url

[9] K. Theoni, C. Lambert, A. Giacomini, S.W. Sloan, Discrete modelling of hexagonal wire meshes with a stochastically distorted contact model, Computers and Geotechnics 49, 2013, pp. 158-169, CrossRef