PROVOZNÍ A KOROZNÍ DEGRADACE OCELOVÝCH LAN

Obsah

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

PROVOZNÍ A KOROZNÍ DEGRADACE OCELOVÝCH LAN DEGRADATION OF STEEL CABLE

DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS

AUTOR PRÁCE

FRANTIŠEK VLAŠIC

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE

doc. Ing. MICHAL ČERNÝ, CSc.

SUPERVISOR

BRNO 2007 strana

1

Obsah

ABSTRAKT Cílem této diplomové práce je určení změny nosnosti a odolnosti tažného a nosného lana v jednoosém tahu. Tato lana jsou vystavena koroznímu poškození (NaCl a SO2). Vzhledem k vysoké hodnotě nosnosti lan (stovky kilonewtonů) je práce zaměřena na zkoušení jednotlivých částí lana. Jedná se o tahovou zkoušku zkorodovaných drátů a analýzu poškození materiálu z hlediska fraktografie. Dále se práce zabývá návrhem upínacího modulu k tahové zkoušce. Na závěr je vypracováno doporučení v rámci protikorozní ochrany ocelových lan. Klíčová slova:

ocelové lano, koroze, tahová zkouška, pevnost drátů

ABSTRACT The purpose of this thesis is to determine changes in loading capacity and resistance of tow rope and track cable in uniaxial tension. These cables are exposed to damage by corrosion (NaCl and SO2). With regard to high rate of loading capacity of the cable (hundreds of kN) the thesis focuses on testing individual parts of the cable. Specifically, tensile test of rusted wires and analysis of material damage from the fractography aspect. Next, the paper deals with the design of the fixture for tensile test. In conclusion it describes the recommendation in terms of anticorrosion protection for steel ropes. Key words:

steel rope, corrosion, tensile test, wires strength

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE VLAŠIC, F. Provozní a korozní degradace ocelových lan. Brno: VUT-FSI, 2007. 80 s.

strana

5

Obsah

strana

6

Obsah

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci Provozní a korozní degradace ocelových lan vypracoval samostatně pod vedením doc. Ing. Michala Černého, CSc. a uvedl v seznamu všechny literární, odborné i jiné zdroje.

V Brně dne: 25. 5. 2007

……………………… František Vlašic

strana

7

Obsah

strana

8

Obsah

PODĚKOVÁNÍ V těchto následujících řádcích bych chtěl poděkovat hlavně doc. Ing. Michalu Černému, CSc. za vstřícnost, cenné rady, konzultace a odborné vedení práce. Mé poděkování také patří Miloši Neumanovi za ochotu při výrobě upínacího přípravku, Ing. Jiřímu Votavovi, PhD. v oblasti světelné metalografie a na závěr pracovníkům Ústavu fyziky materiálů Akademie věd ČR v Brně při realizaci tahových zkoušek.

strana

9

Obsah

strana

10

Obsah

OBSAH Úvod 1 PROBLEMATIKA DEGRADACE LAN 1.1 Korozní chování ocelových lan 1.2 Vliv provozních faktorů na mechanické vlastnosti lan 2 HISTORICKÝ VÝVOJ OCELOVÝCH LAN 3 OCELOVÁ LANA V SOUČASNÉ DOBĚ 3.1 Použití ocelových lan 3.2 Konstrukce ocelových lan 3.2.1 Základní pojmy pro prameny 3.2.2 Základní pojmy pro ocelová lana 3.3 Značení ocelových lan 3.4 Rozdělení ocelových lan 3.5 Základní materiál na výrobu ocelových lan 3.5.1 Dráty 3.5.2 Duše lan (vložky lan) 3.5.3 Mazivo 3.6 Mechanické vlastnosti ocelových lan a jejich zkoušení 3.7 Ochrana proti korozi 3.8 Budoucnost ocelových lan 4 NÁVRH VHODNÉ METODIKY MĚŘENÍ OCELOVÝCH LAN 5 VERIFIKACE KOROZNÍ DEGRADACE 5.1 Příprava zkoušek 5.1.1 Vzorky 5.1.2 Korozní prostředí 5.1.3 Korozní zkoušky solnou mlhou (ČSN ISO 9227) 5.1.4 Korozní zkouška v atmosféře s obsahem S02 (ČSN ISO 6988) 5.2 Průběh zkoušek a výsledky 5.3 Světelná mikroskopie a metalografie 6 KONSTRUKČNÍ NÁVRH UPÍNACÍHO MODULU 6.1 Vstupní parametry 6.2 Varianty řešení 6.2.1 I. varianta řešení 6.2.2 II. varianta řešení 6.3 Výběr správné varianty 7 TAHOVÁ ZKOUŠKA 7.1 Příprava 7.2 Průběh zkoušky ocelových pramenů 7.3 Průběh zkoušky ocelových drátů 7.4 Výsledky a hodnocení 7.4.1 Dráty 7.4.2 Lomové plochy 7.5 Napěťová analýza pomocí MKP 7.5.1 Model čepu se závitem a drátu 7.5.2 Zatížení, tvorba vazeb a sítě 7.5.3 Výsledky řešení a další kroky 8 SHRNUTÍ A DISKUSE

15 16 16 17 18 22 22 24 24 25 26 28 29 29 30 31 32 33 35 36 37 37 37 38 39 40 42 46 50 50 50 51 54 56 58 58 59 60 63 63 66 67 68 68 69 70

strana

13

Obsah

9 ZÁVĚR Literatura Seznam použitých zkratek, symbolů a veličin Seznam obrázků a grafů Seznam tabulek Seznam samostatných příloh Seznam příloh

strana

14

72 73 75 76 78 79 80

Úvod

ÚVOD Ocelová lana dnes zasahují prakticky do všech technických činností. Jeho mnohotvárné využití umožňují výhodné vlastnosti ocelových patentovaných drátů, zejména jejich vysoká pevnost, která dovoluje konstruovat lana malého průměru a nízké hmotnosti při technickém zvládnutí předem stanovených určitých vlastností (tažnost, prodloužení, modul pružnosti apod.). Během provozu působí na lana mnoho negativních jevů, mezi které hlavně patří: opotřebení, dynamické namáhání a v neposlední řadě koroze, která je až v 80% případů příčinou přetržení lana. Přetržení lana patří k haváriím s velmi nepříjemnými následky. Nebezpečná je zejména koroze vnitřních drátů, která se při vizuálních prohlídkách nemůže zjistit. Postupným zmenšováním nosného průřezu lana dochází k přetížení, vznikají zlomy drátů, které způsobují až konečné celkové přetrhnutí lana. [1] V rámci diplomové práce se řešil vliv koroze na mechanické vlastnosti lan. Experimenty se s ohledem na časové nároky prováděly v podmínkách zrychlených laboratorních zkoušek, týkajících se koroze, na dvou typech ocelových lan. Jednalo se o tažné lano (lyžařský vlek) a nosné lano (výtahové). Vzorky jednotlivých pramenů a drátů byly vystaveny působením roztoku NaCl a SO2. Dráty byly následně podrobeny zkoušce na tah, při které se sledovala jejich pevnost. Při korozi povrchových drátků rychle narůstá i jejich opotřebení. Je to způsobené současným působením mechanických a korozních činitelů. Proto je potřebné v případě působení koroze věnovat zvýšenou pozornost antikorozní ochrany ocelových lan. Tab. 1 Závislost negativních jevů během provozu lana [2] Nebezpečí Ohrožení Iniciace

Provozní podmínky

Poškození

koroze

prostředí – vlhkost

porušené dráty v laně

opotřebení

dotyk lano – kladka, různý materiál

zmenšení průřezu, zlomy

dynamické namáhání

kmitání lana, změny rychlosti

snížení bezpečnosti

Nebezpečí

přetrhnutí lana, pád břemena, možný úraz

Protikorozní ochrana je možná různými způsoby. Kromě použití pozinkovaných drátů se nejčastěji užívají speciální mazadla a to jak při jejich výrobě tak i během provozu. Domazávání ocelových lan během působení koroze má na mechanické vlastnosti drátů pozitivní účinek, projevující se zejména po 12-ti měsíčním působení koroze, kdy u ohybu dochází dokonce k nárůstu její střední hodnoty meze únavy [10]. Kvalita ocelového lana ovlivňuje jeho životnost. Jedním z důležitých ukazatelů, který má z hlediska kvality ocelového lana velký význam, je homogenita mechanických vlastností jeho drátů.

strana

15

Problematika degradace lan

1 PROBLEMATIKA DEGRADACE LAN 1.1 Korozní chování ocelových lan Kovová lana jsou užívaná v mnoha stavebních konstrukcích, jako jsou mosty, lanové dráhy nebo výtahy. Materiál užívaný pro dráty lan je uhlíková ocel, která nemá žádné zvláštní protikorozní vlastnosti. Mnoho lan se užívá v agresivních lokalitách, kterými jsou např. mořské, báňské nebo závodní provozy. V takových prostředích se mohou vyskytovat korozní úkazy [7].

Obr. 1 Rychlost koroze v různém vodním prostředí [9]

Podle údajů z obr. 1 je zřejmé, že kovy užívané v mořských povětrnostních podmínkách podléhají velké rychlosti koroze a proto vyžadují řádné mazací techniky, jestliže má být dosaženo maximální životnosti těchto prvků. Lze zpozorovat, že atmosférická koroze představuje menší vliv na dráty než efekt „splash zone“ – zóny postřiku (účinek vln,...). Zajištění takové ochrany, aby po dobu životnosti konstrukce nedošlo k poškození lana korozí, která by snížila skutečnou nosnost lana a tím bezpečnost konstrukce proti porušení, je nedílnou součástí návrhu lanového prvku. Jedná se především o znehodnocování materiálu chemickým nebo fyzikálněchemickým působením okolního prostředí. Korozí se rozumí proces vzájemného působení povrchu kovového materiálu a jeho okolí, který vede k nenávratné přeměně materiálu kovového v nekovový, v tak zvanou reakční zplodinu, znamenající nežádoucí trvalou ztrátu kovové hmoty. Na průběhu koroze má vliv řada faktorů, které označujeme jako činitele korozního procesu. Jsou jimi činitelé materiálu, činitelé konstrukce a činitelé prostředí a právě poslední zmíněný je pro nás nejdůležitější. Jedná se o nehomogenitu, teplotu a teplotní změny, charakter proudění prostředí, na korodující povrch spolupůsobí přítomná tuhá fáze,

strana

16

Problematika degradace lan

její fyzikální a chemický charakter, a také přítomné látky korozi podporující (stimulátory) nebo potlačující (inhibitory).

1.2 Vliv provozních faktorů na mechanické vlastnosti lan

1.2

Mechanické vlastnosti ocelových lan během jejich životnosti jsou ovlivňované různými faktory. Mimo faktorů koroze a únavy na mechanické vlastnosti ocelových lan vyplývá i údržba a mazání. Tradiční metody hodnocení drátů lan se zabývají vyhodnocováním jednotlivých zkoušek, jako jsou zkoušky na tah, ohyb a krut. V průběhu používání ocelových lan v rámci dodržení požadavků bezpečnosti, je důležitá součinnost veškerých kvalitativních ukazatelů, výsledkem kterých je kvalita a spolehlivost používaného lana. To se chápe jako „způsobilost výrobku plnit požadované funkce v daných podmínkách v průběhu daného časového období“ (IEC 271) nebo jako „všeobecnou vlastnost objektu, spočívající v schopnosti plnit požadovanou funkci při zachování hodnot stanovených technických podmínek“ (ČSN 010102) [11]. Mezi tyto ukazatele patří: Kvalita drátů, která je zaručená výrobcem. Tento požadavek je ve smyslu ČSN 024301 pro kvalitu ocelového lana určená třemi parametry: pevnost drátů, počet ohybů a počet krutů. Kvalita lana vyrobeného z daných drátů pro danou konstrukci, pro kterou je výrobcem zaručená nosnost vázaná na typ lana a konstrukci ve smyslu normy ČSN 024301. Zodpovědnost použivatele Kritickým faktorem kvality lana jsou jednotlivé dráty. Vzájemná spolupráce vlivu třech kvalitativních ukazatelů drátů lana, pevnost, ohyb a krut, je definujícím ukazatelem kvality drátů. Mazání nebo domazávání lan (nového, po únavě nebo po únavě a korodovaného lana) způsobí zlepšení nosnosti a pevnosti drátů. Mazání a domazávání lan nezpůsobí zlepšení výsledků zkoušek na ohyb a krut. Faktor únava i v kombinaci únava a koroze významně zhoršují vlastnosti drátů lana [11]. Hlavní vlivy koroze na mechanické vlastnosti drátů ocelových lan jsou [12]: velký rozptyl mechanických vlastností drátů (pevnost, ohyby, kruty, meze únavy) snížení počtu ohybů a krutů drátů při jejich slaňovaní na úroveň minimálního počtu předepsaného normou různá velikost hodnot mechanických vlastností drátů v ocelových lanech při konstrukcích, které se skládají z drátů různých průměrů velké výkyvy hodnot mechanických vlastností po délce drátu

strana

17

Historický vývoj ocelových lan

2 HISTORICKÝ VÝVOJ OCELOVÝCH LAN Lana zhotovená z kůže, vlasů nebo rostlinného původu byly nejrannější úspěchy lidské civilizace. Nejstarší doklady o používání lan se datují 12 – 9 tis. let př. n. l. (Finsko, Egypt). Nástěnné malby v Egyptě (cca 2000 let př. n. l.) ukazují výrobu lan zhotovených z papyru, kůže nebo palmových vláken (obr. 2). Lana byla užívaná pro výrobu rybářských sítí, pastí a pro zdvihání a tažení těžkých nákladů.

Obr. 2 Lano vyrobené v Egyptě (2000 let př. n. l.) [3]

Do začátku 19. stol. se konopná lana a železné řetězy užívaly jako způsob zvedání břemen v báňském průmyslu. Mezi léty 1824 a 1838 se důlní inženýr Albert (1787 – 1846) z Clausthalu v Německu pokoušel neustále zdokonalovat přepravu v dolech. Uvědomoval si výhody lana konopného, ve kterém jsou nosné elementy ve shodném uspořádání, a také železného řetězu s vyšší pevností v tahu. Jeho pokus o spojení těchto výhod se označuje za počátky vzniku ocelového lana. Výroba drátů byla méně náročná, jestliže byla k dispozici vodní energie pro pohon tažné stolice (obr. 3). Dnes jsou železné průvlaky nahrazeny tvrdokovy a vodní kolo stejnosměrným motorem. Teplo vytvořené během procesu je odváděné přes chladící zařízení. V zásadě novodobé drátotahy jsou složené ze stejných prvků jako v době inženýra Alberta. První drátěné lano v dějinách mělo v průměru 18 mm. Skládalo se ze tří pramenů s čtyřmi dráty v každém o průměru přibližně 3,5 mm a bylo stejnosměrného vinutí. Mělo šestkrát vyšší nosnost než lano konopné stejného průměru. Aby se výroba "albertových" lan mohla brzy rozšířit po celé Evropě a později i severní Americe, musel je podrobit potřebným testům. A tak připravil cestu ke vzniku čtyř a šesti pramenných lan díky realizaci únavových zkoušek, které se dnes považují za první, založené na vědeckém základu. [3] Mezitím co Němci dosáhli velkých úspěchů v Harz dolech, londýnský vynálezce Andrew Smith experimentoval různými způsoby jak použít ocelová lana v lodním průmyslu.

strana

18


Obr. 3 Tažná stolice z poč. 19. stol. [3]

V roce 1840 byl otevřen nový rychlý dopravní systém, známý jako Blackwall Railroad pro obchod v Londýně, a Smith nahradil tehdy ještě konopná lana v této dopravě lany ocelovými. Zatím další Angličan Robert Newall se dozvěděl o albertových lanech a vymyslel způsob, jak vyrobit ocelová lana v továrně užívající stroje místo ruční výroby. Společnosti založené Smithem a Newallem se později sloučili a pokračují v obchodování až do současné doby. Také Amerika nestála v pozadí a první zkušenosti s ocelovým lanem, stejně jako v Anglii, se uplatnily v Morris Transportation System v New Jersey, v několika antracitových uhelných přepravních společnostech, zahrnující Delaware & Hudson Co. v New Yorku a Lehigh Co. v Pennsylvanii. Hlavním specialistou se stal zeměměřič John Roebling. Ačkoliv stočil dráty dohromady ručně, jako Albertova lana, použil šest pramenů a jádro převzaté od Smitha a Newalla. Během doby, kdy se musel Roebling zotavovat ze zranění, odvedl pozornost budováním visutých mostů z lan. Za tento počin se stal průkopníkem visutých mostů na světě. [4] Nepochybně neméně významným ve vývoji ocelových lan byl objev souběžně vinutých pramenů Tomem Sealem v roce 1884, ředitelem lanových drah. Prudká stoupání v ulicích San Francisca nebyla vhodná pro provoz tramvají taženými koňmi. Proto byly užívané tzv. "cable cars" (obr. 4) - dopravní prostředky, které pro pohon užívaly lana umístěná v podzemní dráze.

Obr. 4 Cable cars [3]

strana

19


První náčrt Warringtonova pramenu můžeme nalézt v zápisníku již zmíněného německého emigranta Johna Roeblinga. Jeho vynálezce je neznámý a nejistý. Byl vyráběn s centrálním drátem a dalšími dvěma vrstvami drátů stejného průměru. Dutiny ve vnějších vrstvách byly vyplněny dráty různých průměrů (obr. 5).

Obr. 5 Prameny (1 – Seal, 2 – Filler, 3 – Warrington) [3]

Mezníkem v historii ocelových lan se stala výroba vysokopevnostních ocelových drátů. Angličanu Jamesu Horsfallovi byl udělen patent na tepelné zpracování drátů, dnes nazývané patentování. Tato lana byla prvně užita při stavbě visutého mostu Brooklyn Bridge v roce 1883, nejvyššího stavení „Nového světa“ (obr. 6). Lana byla vyráběná v dílně Johna Roeblinga.

Obr. 6 Brooklyn Bridge [24]

Roku 1922 vyvinul pracovník společnosti „Chain & Cable“ Connor duté vřeteno, pomocí kterého se jednotlivé dráty a prameny navíjely do šroubovice tzv. předtvarováním. Toto zařízení je ještě dnes široce užívané v USA. O tři roky později americký inženýr téže společnosti Briggs vyvinul předtvarovací hlavu s kladkami, které se prakticky nezměněné používá ještě dnes po celém světě. Této technologii

strana

20


byla udělená licence a byla tak úspěšná ve světě, že si mohli dovolit pozastavit výrobu lan a těžit jen z poplatků za licence. Waleský inženýr Telford C. Batchelor byl pověřen vyšetřit problémy ocelových lan s jejich opotřebováním. Na tento podnět vznikly první tvarové dráty a v roce 1884 zažádala firma Latch & Batchelor o udělení patentu za tzv. uzavřená vinutá lana. Ukázky z jejich patentové listiny dokazují ty nejfantastičtější příčné profily, které byly využity v prvních vynálezech na výstavě v roce 1885 (obr. 7).

Obr. 7 Latch & Batchelor uzavřená vinutá lana [3]

Od 60. let 20. stol. začali někteří výrobci ocelových lan opatřoval lana vnějším nátěrem pro použití v extrémně agresivních prostředích. Nesporně byla tato ochrana velmi účinná, ale podle průmyslových standardů ilegální. V roce 1972 společnost Casar vyřešila tento problém plastickým nátěrem pouze části lana, a tak mohlo být jeho nezávislé drátěné jádro chráněné před korozí. Až během následujících let se postupně rozpoznávaly hlavní výhody této mezivrstvy: zlepšení strukturální stability ocelového lana, snížení tlaků mezi hlavním drátěným jádrem a vnějšími prameny a také více ochrany proti vnitřním lomům v drátech [3].

strana

21

Ocelová lana v současné době

3 OCELOVÁ LANA V SOUČASNÉ DOBĚ V poslední době se rozšiřuje rychlý růst rozmanitosti produktů ocelových lan různých velikostí a tuhostí než kdykoli předtím. Tento vývoj zahrnul tradiční druhy lan, kterými jsou jednopramenná lana a uzavřená vinutá lana. Nedávné změny značně ovlivnily trh nebo přinejmenším stojí za hlavními iniciátory těchto proměn. Představují skutečný pokus o navrhování nových lan k jejich danému užití. Velká část podnětu pro tyto změny přišly z vývoje inovačních konstrukcí, zvláště lanových mostů a ropných rafinérií na volném moři, které představovaly nové problémy pro výrobce ocelových lan. S těmito vývojovými trendy byl také spojen požadavek posouzení ochrany proti korozi, která zabezpečuje dlouhou životnost lan. Tyto potřeby berou v úvahu nejen boj s negativními činiteli a agresivním prostředím, ale také v mnoha případech alarmující vysokou cenu a potíž s nahrazením tak neodmyslitelného prvku, kterým jsou ocelová lana. Naštěstí se s touto výzvou setkal pokrok ve vývoji nových materiálů [6]. Nové materiály a technologie umožnily nárůst produktivity a integrity v souladu s vývojovými trendy a ochranných opatření uvedených výše. Svědčí o tom velké úsilí průmyslu vytvářet včasná a účinná řešení konstrukčních požadavků. Proto ocelová lana nyní nabízí všestranné a vysoce ekonomické řešení téměř všech problémů spojených s tahovým namáháním. Společným znakem těchto ukazatelů na ocelová lana jsou vysoké hodnoty spolehlivosti a zajištění jakosti, které jsou základními požadavky návrhových a výrobních procedur.

3.1 Použití ocelových lan Dnes se rozšiřuje tradiční použití ocelových lan pro zavěšené konstrukce mostů, pro zakotvení vysokých anténních stožárů. V betonových i ocelových předpjatých konstrukcích se nabízí využití lan jako předpínací výztuže. Lanovými střechami započal rozvoj nových typů konstrukcí, jejichž nosné prvky jsou tvořeny výhradně lany, tedy konstrukcí lanových. Na následujících ukázkách jsou příklady použití ocelových lan v tradičním i trochu netradičním duchu.

Obr. 8 Londýnské oko [25]

strana

22


Obr. 9 Olympijský stadion v Mnichově [26]

Obr. 10 Visutý most Akashi Kaykio – nejdelší most světa [27]

strana

23


3.2 Konstrukce ocelových lan Ocelové lano můžeme definovat jako prvek strojů, který je při práci namáhaný především tahem a ohybem. Jeho konstrukce musí zodpovídat základnímu požadavku – dosáhnout vysokou nosnost při poměrně malém průměru, malé hmotnosti a dostatečné ohebnosti. Řez ocelovým lanem a vysvětlení základních pojmů znázorňuje obr. 11 (1-průměr d ocel. lana, 2-průměr d1 pramene, 3-duše pramene, 4-dráty pramene průměru d2, 5textilní vložka lana průměru d3).

Obr. 11 Řez ocelovým lanem [16]

3.2.1 Základní pojmy pro prameny Pramen je tvořený několika holými nebo pozinkovanými dráty, které jsou vinuté do šroubovice tak, aby se dotýkali a vytvářeli stále týž pramen. Dráty se vinou do pramenů okolo duše pramene v jedné nebo několika vrstvách, viz obr. 12 (1jednovrstvý pramen, 2-dvouvrstvý pramen, 3-třívrstvý pramen, 5-dvouvrstvý pramen s textilní vložkou). Jednotlivé prameny mohou mít také odlišnou geometrii kolmého průřezu, a to kruhového, trojbokého, oválného nebo plochého, viz. obr. 13.

Obr. 12 Druhy pramenů [16]

strana

24


Obr. 13 Průřezy pramenů [1]

Duše pramene je zpravidla ocelový drát umístěný v ose pramene. Jestliže má drát tvořící duši menší průměr než ostatní dráty, nazývá se jádrovým drátem a jeho nosnost se do nosnosti pramene nezapočítává. Když má ale drát tvořící duši stejný nebo větší průměr než ostatní dráty a je vyhotovený z materiálu stejné pevnosti, jeho nosnost se do nosnosti pramene započítává. Směr vinutí pramenů může být pravý nebo levý. Pravovinutý pramen má povrchové dráty vinuté do šroubovice, která při pohledu na svislý pramen stoupá zleva doprava. Levovinutý stoupá zprava doleva. Ukázky na obr. 14.

Obr. 14 Směry vinutí pramenů [28]

3.2.2 Základní pojmy pro ocelová lana Lano tvoří více (většinou šest) pramenů, které jsou zavinuté do šroubovice okolo společné vložky nebo duše, ale může se skládat jen z jediného pramene. Lany nazýváme také konstrukce, při kterých je několik lan zavinutých do dalšího lana (kabelové lano). Příklady lan různých konstrukcí jsou uvedeny v následujícím obrázku 15 (1-jednopramenné lano otevřené, 2- jednopramenné lano uzavřené, 3šesti pramenné lano s textilní vložkou, 4-více pramenné dvojvrstvé lano, 5konstrukce Seal, 6-konstrukce filler, 7-konstrukce Warrington).

3.2.2

strana

25


Obr. 15 Konstrukce jednotlivých pramenů [16]

Vložka je jádro lana vyrobené z vláknin, okolo které jsou uloženy jednotlivé prameny. Musí být zpracovaná z nové, ještě nepoužité, pevné a pružné textilie. Konstrukce lana je daná upořádáním pramenů v laně a drátů v pramenu. Je uvedená v záhlaví jednotlivých rozměrových norem číselným vzorcem a obrazem průměru lana - viz kapitola 3.3. Výška vinutí pramene (h) je vzdálenost souběžná k podélné ose pramene, ve které vnější drát tvoří jeden kompletní závit (nebo spirálu) kolem osy pramene. Výška vinutí lana (H) je vzdálenost rovnoběžná s podélnou osou lana, ve které vnější dráty spirálového lana, vnější prameny pramenného lana nebo lana s kabelovým vinutím vytváří jeden kompletní závit (nebo spirálu) kolem osy lana [15]. Viz. obr. 16.

Obr. 16 Výšky vinutí pramene a lana [1]

3.3 Značení ocelových lan Podle nové evropské normy ČSN EN 12385-1 (všeobecná ustanovení), ČSN EN 12385-5 a ČSN EN 12385-2 z roku 2002 se značí lana podle vzoru na obr. 17. Jmenovitý průměr lana je průměr kružnice, která je opsaná jeho průměru; udává se v milimetrech a označuje průměr lana. Skutečný průměr je největší rozměr lana, který se zjistí měřením posuvným měřidlem v rovině kolmé na osu lana.

strana

26


Obr. 17 Značení lan dle ČSN EN

Povrchová úprava vnějších drátů musí být označena použitím následujících písemných symbolů:

bez povlaku nebo lesklé zinkový povlak třídy B zinkový povlak třídy A povlak ze zinkových slitin třídy B povlak ze zinkových slitin třídy A

U B A B(Zn/Al) A(Zn/Al)

Třída pevnosti lana Rr je úroveň požadované síly při přetržení, která je označená číslicí (např. 1770, 1960). To ale neznamená, že skutečné pevnosti drátů v laně odpovídají této třídě pevnosti lana. Směr vinutí lana Z (pravý) nebo S (levý) odpovídá směru vinutí vnějších drátů ve spirálovém laně, vnějších pramenů v pramenném laně nebo lanových jednotek v laně s kabelovým vinutím, ve vztahu k podélné ose lana. Protisměrné vinutí má lano, ve kterém směr vinutí drátů ve vnějších pramenech je v opačném směru k vinutí vnějších pramenů v laně. Stejnosměrné vinutí má lano, ve kterém směr vinutí drátů ve vnějších pramenech je ve stejném směru jako vnější prameny v laně.

Obr. 18 Směry vinutí lan [1]

strana

27


3.4 Rozdělení ocelových lan Lana se dělí podle mnoha hledisek. Zde jsou uvedena jen ta nejdůležitější a nejzajímavější, která budou účelná pro tuto diplomovou práci. Podle způsobu použití se dělí ocelová lana na:

kotvící vázací nosné tažné zdvihací speciální jiné

Další hlediska rozdělení jsou následující: podle povrchu drátů rozeznáváme lana z holých nebo pozinkovaných drátů podle počtu pramenů rozeznáváme obyčejná lana, která jsou vyrobená z jednoho nebo ze šesti pramenů; počet pramenů může být i větší. Prameny mohou být uložené v jedné nebo v několika vrstvách. Jednopramenná lana mohou být otevřená nebo uzavřená; lana otevřená mají povrchovou vrstvu vytvořenou z drátů kruhového průřezu, při uzavřených lanech se tato vrstva skládá z profilových „Z“ drátů. podle způsobu vinutí drátů v pramenech rozeznáváme lana vinutá • klasickým způsobem; dráty jsou vinuté do pramenů s různou výškou vinutí v jednotlivých vrstvách, přičemž v narovnaném stavu mají všechny stejnou délku

Obr. 19 Klasický způsob [16]

•

strana

28

souběžným způsobem; dráty jsou v jednotlivých vrstvách vinuté do pramenů se stejnou výškou vinutí, přičemž narovnané mají dráty různou délku


Obr. 20 Souběžný způsob [16]

Klasickým způsobem bývají vinutá jednopramenná a šesti pramenná lana a lana s trojbokými prameny. Souběžným způsobem jsou vinutá lana konstrukce Seal, Warrington, lana s výplňovými dráty a lana kombinované konstrukce.

3.5 Základní materiál na výrobu ocelových lan

3.5

Dlouhá léta přitahovala technology ve výrobě a tažení drátů rostoucí pozornost teplota indukovaná během tažení drátu, která měla silný vliv na konečnou tažnost drátu v návaznosti na potenciál deformačního stárnutí. Značné úsilí proto směřovalo do konstrukce drátotahů se zaměřením na snížení vysoké teploty vznikající při tažení důsledkem deformační práce. Problém může nastat v případě větších rozměrů drátu, kde plocha povrchu přepočtená na jednotku hmotnosti je nízká a z toho důvodu poměr chlazení je pomalejší. K dosažení vysokých pevností v tahu větších rozměrů drátů, byla představena mikroslitina oceli, do které byly přidány přísady chrómu, křemíku nebo vanadu. Tento krok umožnil dosažení vyšší pevnosti drátu v důsledku snížení množství tepla během tažení drátu [6].

3.5.1 Dráty Tvoří nosnou část lana. Na výrobu ocelových lan se ve většině případů používá patentovaný, tažený holý nebo pozinkovaný drát. Výchozím materiálem pro drátovnu je válcovaný drát průměru 5 až 12 mm, vyrobený z uhlíkové, nelegované oceli. Opakovaným tažením za studena se zmenšuje průměr drátu vždy o 15 až 25 %, jeho tažnost klesá, zároveň má vyšší sklon k lámavosti. Proto se drát ponoří do roztoku modré skalice a na jeho povrchu se utvoří měděný povlak usnadňující další tažení. Pak se zařazuje tepelný proces – patentování, což je zvláštní způsob izotermického kalení, spočívající v ohřátí válcovaného drátu na kalicí teplotu asi 920 °C a kalení do olověné nebo solné lázně na teplotu asi 500 °C. Tím se dosáhne velmi jemné perlitické struktury, smíšené s bainitem, velmi houževnaté. Struktura se zjemní a lze drát na drátotazích i vícenásobně táhnout, např. až do úběru 40% původní průřezové plochy.

3.5.1

strana

29


Lana jsou vyráběna převážně z drátů kruhového průřezu. Vedle uhlíkové oceli se vyskytují i další materiály, které se používají k výrobě lan. Jedná se především o nerezové oceli, slitiny mosaz/bronz/monel a nebo kevlar. Jedna z možností vyhnutí se korozní problematice lan, především v prostorách svislé šachetní dopravy apod., je použití lan z nerezových tažených drátů na bázi Cr-Ni, CrNi-Mo a nebo Cr-Ni-Ti. Lana z austenitické nerezavějící oceli mají po deformaci za studena (po tažení) jinou mikrostrukturu než výchozí ocel a jsou citlivá na jakékoliv další tepelné zpracování. Tato lana mají až o 15% menší pevnost než lepší uhlíková a menší odolnost proti abrazivnímu opotřebení. Ale naproti tomu jsou mnohem více odolné proti korozivnímu prostředí než uhlíkové oceli. Stejně je na tom i slitina mosaz/bronz/monel [17]. Jako nejmodernější materiál ve výrobě lan v poslední době se objevil kevlar. Jedná se o para-aramidová vlákna a díky své pozoruhodné pevnosti (5x pevnější než ocel při stejné hmotnosti) v kombinaci s vysokou teplotní stálostí (od -46°C to 160°C s minimální změnou pevnosti v tahu), vysokým modulem pružnosti v tahu, nízkou hustotou, nevodivostí a korozní odolností je vyhledávaným materiálem v celé řadě náročných aplikací. Srovnání fyzikálních vlastností kevlaru a oceli je znázorněno v tab. 2 (1 MPa = 145,0377 psi). Tab. 2 Srovnání fyzikálních vlastností kevlaru a oceli [18]

Kevlar se především používá v automobilovém průmyslu jako náhrada azbestu ve spojkovém a brzdovém obložení, v různých druzích automobilových hadic i v kordech pneumatik. Uplatňuje se v optických kabelech ale i v kompozitních strukturách pro lehké pancéřování vozidel, při výrobě letadel, lodí a sportovního zboží [18]. 3.5.2 Duše lan (vložky lan) Duše přispívá velmi významně do celkových vlastností lana. Existují dva druhy, a to vláknová (FC) a ocelová duše drátěného lana (IWRC). Na výrobu vložky lan (FC) se musí použít nová, ještě nezpracovaná dlouhovláknitá příze. Používá se sisal nebo příze z tvrdých i měkkých vláken. Do lan malých průměrů (<3,55 mm) jsou tyto příze nevhodné, proto se do takových lan používají

strana

30


bavlněné nebo kordové příze. Vlákno inklinuje k tlumení chvění a tohoto se využívá především u lan výtahových. FC je více ohebnější než IWRC, ale zvyšuje napětí. Výhody IWRC jsou v jeho vyšší pevnosti v tahu a odolnosti proti otlačení. Jeho jediná nevýhoda je snížená ohebnost [18]. 3.5.3 Mazivo Vliv prostředí, v kterém ocelové lano pracuje, se projevuje znehodnocujícím způsobem, často vzniká koroze jednotlivých drátů lana. Aby se zabránilo vlivu prostředí a korozních účinků a následujících nežádoucích jevů, je potřebné, aby měla lana spolehlivou ochranu, kterou zabezpečuje dobré mazání povrchu lana i její vložky. Ocelové lano při své práci prochází většinou soustavou kladek, na kterých se ohýbá a tehdy nastává posuv drátů pramenů mezi sebou a v místě vzájemného styku vznikají poměrně vysoké tlaky. Při tomto posouvání je třeba zabezpečit, aby se tento posuv uskutečňoval na mazivu, čímž se maximálně vyloučí otěr jednotlivých drátů. Není podstatné, zda dráty lana jsou holé nebo pozinkované. To proto, že pozinkování chrání dráty v laně před korozí hlavně v neutrálním prostředí, ale nechrání je při kombinovaném namáhání v silně agresivním prostředí [1]. Mazivo ve vložce lana chrání lano před korozí zevnitř po celý čas jeho životnosti. Je ověřené, že se nemohou míchat různé druhy mazadel či olejů bez toho, aby to nemělo vliv na kvalitu obou druhů. Duše lan, které se běžně užívají, jsou mazané Elaskonem 20 (vedoucím producentem maziv pro drátová lana a separačních prostředků v Evropě), který výrobce v teplotě cca 100 ºC rozpustí, namaže duši lana a po ztuhnutí maziva se duše oplete ocelovými dráty. Nejnovějším mazadlem, nahrazujícím Elaskon 20 a Elaskon 20 BB je Elaskon SK-U. Při práci s lany v mokrém nebo vlhkém prostředí, je potřebné použít mazadlo biologicky lehko odbouratelné. Na to bylo vyvinuté mazadlo Elaskon NK-S, které v plné míře nahradilo doposud používané mazadlo Elaskon 30 Bio [19]. Při užívaní lan během provozu zabezpečuje mazivo primárně mazání ocelových drátů, čím se zabezpečuje, aby nedošlo ke zkorodování vnitřních drátů dříve, než ke zkorodování a opotřebení vnějších drátů. Vizuální prohlídkou lana by se tato koroze nezjistila. Zjistila by se jen při defektoskopické kontrole lana. Ví se ale, že defektoskopická kontrola se pro svou finanční náročnost u běžných zdvíhacích zařízení a výtahů nepoužívá.

3.5.3

Obr. 21 Průměrná pevnost drátů v druhé vrstvě [19]

strana

31


U pohyblivých lan je důležitou úlohou mazání zamezení tření mezi jednotlivými dráty v prameni. Mazivo nesmí být vytlačené, musí pevně přiléhat k drátům a pokrýt všechny místa. V případě nepohyblivých lan je v první řadě kladený důraz na ochranu proti korozi. U těchto lan musí být všechny dutiny v laně vyplněné mazivem, nesmí být vytlačené na povrch a nesmí odkapávat. Vyhodnocení zkoušek mechanických vlastností drátů ocelového lana je vidět na obr. 21 [19]. Všechny uvedené příklady hovoří o důležitosti mazání lan. Správné mazání spočívá mj. v tom, že na lano se nanáší jen velmi jemná vrstva maziva. Tato vrstva se aplikuje pokud možno na suché lano za pěkného slunečného počasí. Čím teplejší prostředí, tím dříve prchavá ředící látka z maziva vyprchá.

3.6 Mechanické vlastnosti ocelových lan a jejich zkoušení Lana jsou během provozu vystavena různému namáhání, jako je tah, krut, nebo ohyb. Tato jednotlivá namáhání obvykle nepůsobí samostatně (jednotlivě), ale v různých kombinacích. Jedná se tedy o složené namáhání. Například jsou namáhána současně tahem a ohybem. Zkouškami mechanických vlastností se určují základní mechanické charakteristiky používané k hodnocení jakosti materiálu, pro pevnostní výpočty konstrukcí i k posouzení vhodnosti aplikace mechanických technologií a návrhu jejích parametrů. Velice důležitým výstupem z mechanických zkoušek jsou informace o plastických vlastnostech materiálů. Práce se bude dále zabývat únosností ocelových lan, tudíž z tohoto důvodu bude zajímavá především zkouška tahová. Tab. 3 Rozdělení zkoušek mechanických vlastností

Podle tab. 3 se jedná o zkoušku statickou, krátkodobou, kdy zatěžování probíhá pouze jednou. Při zkoušce tahem je zkušební vzorek - lano zatěžováno (kvazi)statickým jednoosým tahem. Zkouška obvykle končí lomem vzorku. Zkušební stroje jsou buď jednoúčelové (pro jeden druh zkoušek), nebo univerzální (pomocí vhodných přípravků lze provádět různé druhy zkoušek). V Evropě jsou v dnešní době dostupné trhací stroje s kapacitami až do 30 MN. Příklady uvedeny v tab. 4.

strana

32


Tab. 4 Ukázka velkých trhacích strojů určená pro lana [6]

3.7 Ochrana proti korozi

3.7

Lano před účinky koroze chráníme antikorozní ochranou drátů a doplňujeme ji ochranou lana jako celku. Jedině uzavřené jednopramenné lano je, pokud jde o odolnost proti korozi, označováno za konstrukce výhodnou, s ohledem na uzavření vnitřku lana kompaktní krycí vrstvou ze Z-drátů. Všechna ostatní lana jsou z hlediska koroze jako celek rovnocenná – účinnost krycí vrstvy uzavřených lan jako antikorozního obalu pro jejich jádro nelze přitom přeceňovat. Krycí vrstva není ani vodotěsná, a pokud vnitřek lana není dobře konzervován, může naopak krýt uvnitř vzniklou a pokračující korozi. Žádný systém konzervování vnitřku lana nelze pokládat za zcela jistý a žádný systém povrchové úpravy za naprosto dokonalý – to je zásada, kterou je třeba uplatňovat při řešení podrobností návrhu antikorozní ochrany. Nutno především věnovat pozornost prohlídkám, aby po nich byla neprodleně zahájena oprava případných malých závad [1]. Důležitou součástí antikorozní ochrany je správná volba takových součástí, které vznik a rozvoj koroze nepodporují. Ve všech případech, kdy je lano vystaveno vlivu povětrnosti, volíme dráty s pozinkovaným povrchem. Rychlost koroze lan v laboratorních prostředích chloridu sodného se Zn-Al nátěry je významně menší než se Zn. I když tloušťka Zn-Al nátěrů je asi o polovinu menší než Zn (viz. obr. 22), trvanlivost je vyšší, protože vydrží déle aplikovaná na povrchu než ve druhém případě a nemusí se často modifikovat [21]. Lano z drátů, ať už se zinkovým povlakem pro použití za vlivu povětrnosti nebo korozního prostředí, nebo holých, je nutno vždy opatřit antikorozní ochranou jako celek. Míru ochrany volíme jako u jiných konstrukčních prvků úměrně působícímu prostředí. Antikorozní ochrana lana se skládá: z konzervování vnitřku lana z povrchové úpravy lana Konzervování vnitřku lana má prvořadou důležitost – provádí se při výrobě lana jednou provždy, nelze je prakticky obnovit a jeho stav nelze bez porušení lana kontrolovat. Většinou se konzervuje vnitřek lana zinchromátovou nátěrovou hmotou.

strana

33


Obr. 22 Mikrostruktury nátěrů [21]

Důležitá je volba správné konzistence nátěrové hmoty, aby si při vyplnění všech dutin mezi dráty zachovala pružnost a soudržnost. Povrchová úprava lana má zajistit dokonalou ochranu konzervovaného jádra před vnějšími vlivy, aby pouze v případě náhodných porušení ochranné vrstvy zabraňovalo samo vzniku a rozšíření koroze. Běžnou povrchovou úpravou lana je povlak z umělé hmoty, dříve se jednalo o krycí nátěr trojnásobnou vrstvou olejové barvy. Pro lana visutých mostů se používá speciální systém ochrany. Lano se sestává z tisíců ocelových drátů vysoké pevnosti průměru asi 5 mm. Každý drát je pokryt zinkovým nátěrem s tloušťkou asi 50 µm (350 g/m2) a poté na povrchu antikorozní pastou. Následně jsou ovinuty vyžíhanými galvanizovanými ocelovými dráty průměru asi 4 mm. Nakonec celý povrch lana je natřen speciální vrstvou nátěru (viz. obr. 23) [8].

Obr. 23 Ochranný systém lan visutých mostů [8]

strana

34


3.8 Budoucnost ocelových lan

3.8

Lana zhotovená z vysokopevnostních vláken budou nepochybně vytlačovat z přední pozice ocelová lana v mnoha oblastech použití, a to hlavně díky své nízké váze, odolnosti vůči korozi a únavě. Nicméně ve zbývajících oborech si budou ocelová lana udržovat výhradní postoj pro dohlednou budoucnost. Ostatně, mají vyšší moduly pružnosti a jsou méně citlivá vůči abrazi a mechanickému poškozování než jejich konkurenti lehké váhy. Navíc jsou ocelová lana odolná proti ultrafialovému záření a signalizující stav vyřazení se značnou spolehlivostí. Jejich nejdůležitější výhodou je skutečnost, že výrobci a uživatelé ocelových lan se mohou opírat o značné zkušenosti téměř 170leté historie [3]!

strana

35

Návrh vhodné metodiky měření ocelových lan

4 NÁVRH VHODNÉ METODIKY MĚŘENÍ OCELOVÝCH LAN Na začátku této práce se musely zhodnotit veškeré náležitosti k tomu, zda je vůbec možné zrealizovat v plném rozsahu hlavní cíle práce. To se týkalo především otázky korozního prostředí a tahové zkoušky. Díky vstřícnosti vedení Ústavu techniky a automobilové dopravy Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně (dále již ÚTAD MZLU) byl umožněn přístup k solné komoře a komoře s oxidem siřičitým. Měření únosnosti ocelových lan bylo zajištěno na Ústavu fyziky materiálů Akademie věd ČR v Brně (dále jen ÚFM AVČR). Otázka ale byla: „Jsou k dispozici dostatečně výkonné zkušební trhací stroje k tomu, aby se dosáhlo přetržení celých lan?“ K využití byl trhací stroj s maximální zátěžnou silou 200 kN pro lana s největším průměrem 18 mm. Po patřičném prostudování literatury se došlo k závěru, že v Evropě a po celém světě se k přetržení lan používají trhací stroje v řádech několik meganewtonů, viz. tab. 4 na straně 33. Podle normy ČSN EN 13411 v části 4: „Zalévání kovem a pryskyřicí“ se zjistilo, že se jedná o jedinou metodu uchycení konců lan na pracovní stroj. Lano je třeba před samotnou zkouškou rozplést na obou koncích na jednotlivé dráty, ty zahnout a následně zalít buď do kovu (nejčastěji se používá cínová slitina) nebo do plastu ve tvaru kužele. Jedná se o jediný způsob reálného zkoušení ocelových lan vcelku, protože takto jsou zapojené všechny dráty do tahu. Po náležitém zvážení a konzultaci s pracovníky Technické univerzity v Košicích, která v tomto oboru pracuje již velmi dlouhou dobu, se předem rozhodlo, že na trhacích strojích na ÚFM AVČR se budou zkoušet pouze jednotlivé prameny, resp. dráty.

strana

36

Verifikace korozní degradace

5

5 VERIFIKACE KOROZNÍ DEGRADACE Nechat lana zkorodovat byl první krok k tomu, aby se mohlo dospět k zadaným cílům. Působení korozních činitelů v atmosférickém prostředí by byl nejlepší a také nejreálnější způsob dosažení nezkreslených výsledků. Od této varianty se muselo upustit, hlavně z časových nároků, a využít zrychlených laboratorních zkoušek pomocí solných a siřičitých komor, které by měly simulovat negativní faktory působící ve venkovním ovzduší na ocelová lana. Během zkoušek se pozoruje a podle možnosti kvantitativně zaznamenává stupeň napadení v závislosti na čase. Cílem zkoušek má být stanovení stavu vzorků ve více než třech vhodných okamžicích. Zkoušky mají trvat tak dlouho, aby se po dokončení zkoušky získal jasný výsledek týkající se chování materiálu [22]. Dále je nutné ověřit lomové chování drátů, jejich korozní ochranu a upozornit na doporučené použití lan z hlediska jejich určení.

5.1 Příprava zkoušek

5.1

5.1.1 Vzorky Vzorkem zkoušek byly použity prameny a jednotlivé dráty tažného lana (lyžařského vleku) a lana nosného (výtahového) následujících parametrů:

5.1.1

tažné lano: číslo konstrukce lana: konstrukce pramenů: průměr lana: počet pramenů: průměr drátů: průměrná únosnost lana: jmenovitá nosnost lana: jmenovitá pevnost drátů: materiál vložky lana: směr vinutí: povrch drátů:

ČSN 024347.47 umrtvené 18 mm 6 0,56 - 1,25 - 1,70 mm 197,60 kN 178,0 kN 1570 MPa POP stejnosměrné pravé pozinkovaný

Pozn.: podrobnější info o tomto laně viz. hutní atest zobrazený v části „seznam příloh“ nosné lano: číslo konstrukce lana: konstrukce lana: průměr lana: počet pramenů: počet drátů v laně: počet drátů v prameni: průměr drátů: jmenovitá pevnost drátů: materiál vložky lana:

ČSN EN 12385-5 8 x 19S-FC 10 mm 8 152 19 0,4 - 0,65 mm 1445 MPa vlákno

strana

37


způsob vinutí: směr vinutí: povrch drátů:

protisměrný pravý holý

Na začátku zkoušek se musely jednotlivé prameny rozmotat a odříznout z výše uvedených typů lan na délku 800 mm, nechat odmastit a tím eliminovat přítomnost korozních pasivátorů. Na odmaštění byl použit perchlóretylen. Následovalo zhotovení upínacích ok, dle průměru čepu trhacího stroje, stažených dvojicí svorek. Celkově byly tedy použity 4 svorky na jeden pramen. Dále na koncích pramenů byl v odsávacím boxu nanesen ochranný nátěr (S2008) na délce 150 mm. Celkem bylo použito ke zkouškám 12 kusů pramenů (6 z tažného lana, 6 z nosného lana). Příprava vzorků drátů se od přípravy pramenů moc nelišila. Dráty se musely taktéž rozplést a nařezat na délku 500 mm, nechat odmastit a opatřit na koncích nátěrem jak bylo uvedeno výše. Aby mohlo být měření objektivní a mohlo se porovnávat normálové napětí při jednoosém tahu, byly vybrány pouze dráty o průměru 1,25 mm z tažného lana a 0,65 mm z lana nosného. Poslední úpravou ocelových drátů bylo zahnutí jednoho konce drátu o 180° a délky 50 mm. Důvodem bylo jejich zavěšení na tyče v solných a siřičitých komorách. V tomto případě bylo zkoušeno dohromady 50 vzorků (25 z tažného lana a 25 z výtahového lana). Nářadí a chemikálie použité k přípravě vzorků: štípací kleště, úhlová bruska, sada klíčů, odsávací box (ÚTAD MZLU), barva (S2008), odmašťovadlo (perchlóretylen), textilie pro odmašťování, délkové měřidlo, ochranné rukavice, respirátor.

5.1.2 Korozní prostředí Jak již bylo zmíněno, zkoušky se prováděly v laboratořích na ÚTAD MZLU v souladu s ČSN. Bylo použito dvou korozních prostředí: solná mlha - vzorky jsou vystaveny působení atmosféře s obsahem chloridů (obr. 24) SO2 - vzorky jsou vystaveny působení atmosféře s obsahem SO2 (obr. 25)

Obr. 24 Solná komora

strana

38


Obr. 25 Siřičitá komora

5.1.3 Korozní zkoušky solnou mlhou (ČSN ISO 9227) Zkouška v mlze roztoku chloridu sodného se používá pro:

5.1.3

kovy a jejich slitiny kovové povlaky organické povlaky na kovových materiálech Zkušební zařízení solné jednotky bylo použito od firmy Liebisch. Hlavní části jsou zobrazeny na obr. 26 - zkušební prostor (test room), průtokoměr a regulátor (flow meter and regulator), zásobní nádrž (tank), tryska (nozzle), větrání (ventilation), vlhčící zařízení (humidifier).

Obr. 26 Hlavní části solné komory [29]

Příprava roztoku chloridu sodného v destilované nebo demineralizované vodě o elektrolytické konduktivitě (měrné vodivosti) nepřevyšující 20 µS/cm se při teplotě (25 ± 2 °C) rozpustí takové množství chloridu sodného, aby vznikla koncentrace (50 ± 5 g/l). Hustota roztoku o této koncentraci při teplotě 25 °C je 1,0225 až 1,0400

strana

39


g.cm-3. Chlorid sodný nesmí obsahovat více něž 0,001 % (hmot.) niklu stanovených atomovou absorpční spektrofotometrií (optická metoda umožňující zjištění koncentrace většiny kovů ve vzorku), nebo jinou analytickou metodou obdobné citlivosti. Dále nesmí obsahovat více než 0,1 % (hmot.) jodidu sodného a více než 0,5 % (hmot.) příměsí celkově v přepočtu na čistou sůl. Všechny součásti, které budou ve styku s rozprášenou mlhou nebo zkušebním roztokem, musí být vyrobeny z materiálů, které jsou odolné proti koroznímu působení rozprašovaného roztoku. Horní části komory musí být konstruovány tak, aby kapky rozprašovaného roztoku, které se vytvářejí na jejich povrchu, nestékaly na zkoušené vzorky. Ohřívací zařízení musí udržovat stanovenou teplotu. Rozprašovací zařízení obsahuje přívod čistého vzduchu s regulovaným tlakem a vlhkostí, zásobník roztoku určeného k rozprašování a nejméně jeden rozprašovač. Vzorky musí být uspořádány tak, aby nepřišly do styku s vnitřním povrchem komory a aby zkoušené povrchy byly vystaveny volnému proudění mlhy. Vzorky lze uvnitř komory umístit různě vysoko, avšak ze vzorků umístěných v jedné výšce nebo z jejich držáků nesmí stékat roztok na níže umístěné vzorky. Držáky pro vzorky musí být vyrobeny z inertních nekovových materiálů, jako sklo, plasty nebo dřevo, opatřené vhodným povlakem. Pokud je nezbytné zavěšení vzorků, nesmí k tomu být za žádných okolností použít kovový materiál, ale musí se použít syntetická vlákna, bavlněná příze nebo jiný inertní materiál. Zkušební vzorky musí být umístěny v komoře tak, aby nebyly vystaveny přímému postřiku mlhou z rozprašovače. Úhel, pod kterým je povrch vzorku v komoře vystaven působení mlhy, je velmi důležitý. Teplota ve zkušební komoře při rozprašování neutrálního a okyseleného roztoku chloridu sodného se doporučuje (35 ± 2 °C). Kolísání teploty během zkoušky má být v celém zkušebním prostoru co nejmenší. Doba zkoušky odpovídá specifikaci pro zkoušený materiál nebo výrobek. Pokud doba není stanovena, musí být dohodnuta mezi zúčastněnými stranami. Doporučené doby zkoušky jsou 2 h, 6 h, 24 h, 48 h , 96 h, 168 h, 240 h, 480 h a 720 h. Na konci doby zkoušky se vzorky vyjmou z komory a před oplachem se nechají 0,5 h až 1 h oschnout, aby se snížilo nebezpečí odstranění korozních zplodin. Před kontrolou se z povrchu vzorků pečlivě odstraní zbytky rozprášeného roztoku.

5.1.4 Korozní zkouška v atmosféře s obsahem S02 (ČSN ISO 6988) Norma uvedená v názvu této části kapitoly platí pro zrychlené laboratorní korozní zkoušky za přítomnosti oxidu siřičitého a kondenzace vodní páry. Podstatou zkoušky je vyvolání koroze na vzorcích v prostředí stanoveném touto normou. Zkušební zařízení musí vyhovět těmto podmínkám, komora zkušebního zařízení je vyrobena z nekorodujícího materiálu, tvar komory je volen tak, aby zkondenzovaná voda ze stěn nestékala na vzorky, komora je vyrobena vyhřívacím zařízením s automatickou regulací teploty, zkušební prostor je vyhříván pouze vodní lázní na dně komory. Zdroj tepla neovlivňuje teplotu vzorků umístěných ve zkušebním prostoru (např. sáláním). Komora (obr. 27) musí umožňovat jednorázové dávkování oxidu siřičitého uvolněním z roztoku tak, aby bylo dosaženo počáteční koncentrace. Ve zkušebním prostoru komory musí být dosaženo během 90 minut po zapnutí vytápění (40 ± 2

strana

40


°C). Voda použitá v komoře je destilovaná podle ČSN 68 4063. Oxid siřičitý se do zkušebního prostoru komory dávkuje tak, aby jeho počáteční nárazová koncentrace byla (2,0 ± 0,2 mg) oxidu siřičitého v jednom litru zkušebního prostoru. Na dno komory byla nalita voda potřebná k vyhřívání daného typu komory, vlije se další (2,0 ± 0,2 l) vody do ploché nádoby umístěné ve zkušební komoře.

Obr. 27 Vzorky v siřičité komoře

Oxid siřičitý se dávkuje po uzavření komory. Komora je uzamčena, aby mohla být otevřena pouze odpovědnou osobou Rozlišují se dva typy expozice vzorků během zkušebního cyklu: nepřetržitá expozice vzorků „metoda N“ střídavá expozice vzorků „metoda S“ Při nepřetržité expozici vzorků delší než jeden cyklus se vytápění komory mezi jednotlivými cykly nevypíná. Zkouška probíhá za pravidelného dávkování oxidu siřičitého. Voda je před přidáním do zkušebního zařízení temperována na teplotu zkušebního prostředí (40 ± 2 °C). Princip dávkování je vysvětlen na obr. 28. Pokud je nutné v průběhu zkoušky otevírat zkušební prostor komory, musí být v jednotlivých denních cyklech dodržen pravidelný interval a doba otevření komory musí být co nejkratší. Po dávkování oxidu siřičitého se komora nesmí 2 hodiny otevřít. Doba trvání zkoušky se volí podle ČSN 03 8101.

Obr. 28 Schéma funkce siřičité komory

strana

41


5.2 Průběh zkoušek a výsledky Jednotlivé odběry vzorků se prováděly v intervalech uvedených v tabulce níže. V další tabulce jsou shrnuty provozní podmínky u solných a siřičitých komor. Tab. 5 Termíny odběrů pramenů a drátů (uvedeno ve dnech) Druh lana Prostředí tažné lano nosné lano NaCl 1 4 11 18 25 32 1 4 11 18 25 SO2 1 14 28 - 1 14 28 -

Tab. 6 Provozní podmínky korozních jednotek Provozní podmínky Prostředí provozní teplota objem zkušební voda komory komory 3 NaCl 35°C 0,4 m destilovaná 3 SO2 40°C 0,252 m destilovaná

32 -

SO2

NaCl

2 mg/l

50 g/l -

Prameny se zavěšovaly na tyče pomocí umělohmotných drátků, aby nedocházelo ke vzniku galvanického článku, jak bylo zmíněno v kap. 5.1.3. a) prostředí solné mlhy: Dráty tažného lana po druhém odběru (tj. po 4 dnech), jak můžeme vidět na obrázku 29, vykazují již známky začínající korozní degradace, která je však jen lokální a slabá. V posledním odběru, tj. cca po 1 měsíci lze z obrázku 30 zpozorovat, že koroze se rozšířila po celé délce drátu, ale jen povrchově. Dalo by se usoudit, že ne v celém objemu. To se potvrdí nebo vyvrátí v kapitole věnované metalografickým rozborům. Tyto zkorodované dráty tažného lana je vhodné srovnat s etalonem (obr. 31). Dráty lana nosného přinesly zcela odlišné výsledky. Již po 1. a 2. odběru vykazovaly zřetelné korozní jevy, které v kontrastu s dráty tažnými byly zcela neporovnatelné. Po 5. odběru (po 25 dnech) se mohlo usoudit, že další setrvání výtahových drátů v solné mlze nemá význam. Z obr. 32 je možno konstatovat, že koroze prostoupila již do celého objemu a některá místa jsou natolik porušená, že je otázkou času, kdy ztratí svou soudržnost.

strana

42


Obr. 29 Dráty tažného lana v NaCl po 2. odběru (4 dny)

Obr. 30 Dráty tažného lana v NaCl po 6. odběru (32 dní)

Obr. 31 Etalony tažných drátů

strana

43


Obr. 32 Drát nosného lana v NaCl po 5. odběru (25 dní)

Prameny tažného lana po prvních odběrech nevykazovaly velké změny v degradaci, ale až v posledních odběrech (obr. 33) se zjistilo, že mimo samotných vzorků zasáhla koroze v plném rozsahu upínací svorky. Prameny lan nosných opět potvrdily svou nezpůsobilost vůči mírně agresivnímu prostředí a napadení se znovu projevilo po celé délce, i když z prvního pohledu jen zčásti povrchově a hlavně kolem upínacích svorek (obr. 34).

Obr. 33 Pramen tažného lana v NaCl po 4. odběru

Obr. 34 Pramen nosného (výtahového) lana v NaCl po 2. odběru

strana

44


Obr. 35 Vzorky umístněné v solné komoře

Na konci zkoušky se všechny vzorky vyjmuly z komory a před oplachem se nechaly 1 hodinu oschnout, aby se snížilo nebezpečí odstranění korozních zplodin. Následně se odstranily zbytky rozprášeného roztoku a poté byly vzorky ponořeny do čisté tekoucí vody o teplotě 35°C a poté ihned osušeny proudem vzduchu ze vzdálenosti 300 mm. b) prostředí SO2: V tomto prostředí se zkoušely jen dráty tažného lana. Vzorky byly odebírány po 14 resp. 28 dnech expozice.

Obr. 36 Vzorky umístěné v prostředí kysličníku siřičitého

strana

45


Obr. 37 Dráty tažného lana v SO2 po 4. odběru

5.3 Světelná mikroskopie a metalografie Světelná mikroskopie je založena na zákonech optiky, která ve svém původním významu označuje část fyziky pojednávající o světle, jeho vlastnostech a chování. Aby se dosáhlo vysoké rozlišovací schopnosti, musí být dostatečný kontrast obrazu a dostatečné množství světla odražené od detailů obrazu, které je nutno rozlišit. Tedy pozorování mikrostruktury se provádí v odraženém světle. To znamená, že povrch materiálu je osvícen a objektivem pozorujeme odražené světlo. Proto se používá řada optických metod zvýšení kontrastu strukturních součástí materiálů aplikovatelných na jakýkoli stav povrchu vzorku. Optický mikroskop, je tedy zařízení ke sledování drobných předmětů v optickém oboru za pomoci soustavy čoček. Vynalezen byl v roce 1590 v Holandsku [23]. Základními optickými částmi světelného metalografického mikroskopu (obr. 38) jsou objektiv a okulár. O kvalitě sledovaného obrazu a o množství rozlišených detailů na vzorku rozhoduje objektiv, který je umístěn těsně u pozorovaného předmětu. Objektivem prochází světlo ze zdroje a dopadá na vyleštěný a naleptaný povrch vzorku. Odražené světelné paprsky procházejí objektivem zpět a vytvářejí převrácený a zvětšený obraz sledovaného objektu. Každý objektiv je charakterizován hodnotou zvětšení a tzv. číselnou aperturou A. Rozlišovací schopnost objektivů optických mikroskopů je omezena hodnotou cca 0,1 µm. Okulár zvětšuje obraz vytvořený objektivem. Metalografie je nauka, která pozoruje a vyhodnocuje vnitřní stavbu kovů a slitin. Jejím cílem je zviditelnění struktury materiálu a následné studium pomocí optického resp. elektronového mikroskopu. Metalografie umožňuje: zjišťovat souvislosti mezi strukturou materiálu a jeho vlastnostmi sledovat a kontrolovat vlastnosti materiálu při jeho výrobě a zpracování hledat příčiny vad materiálu nevyhovujících výrobků nebo vysvětlit důvody selhání nějakého zařízení Kovy a jejich slitiny jsou materiály neprůhledné a k jejich pozorování se tedy používají optické mikroskopy v režimu odrazu. A protože nejvyšší odrazivost mají plochy dokonale rovné a hladké, cílem bude připravit vzorek právě s takovou plochou.

strana

46


Obr. 38 Světelný metalografický mikroskop [30]

Postup přípravy vzorku pro pozorování (tzv. metalografického výbrusu) se skládá z několika na sebe navazujících kroků: odběr vzorku preparace vzorku (pouze u některých vzorků) broušení leštění leptání Jednoduché schéma postupu je na obr. 39. Každý z uvedených kroků velmi výrazně ovlivňuje kvalitu výsledného metalografického výbrusu a proto se preciznost provedení každého kroku projeví na budoucích možnostech pozorování vzorku.

Obr. 39 Schéma přípravy metalografického výbrusu

U lan se jedná o výbrusy pramenů tažného lana. Postup výroby těchto výbrusů je totožný s tím, jak je uvedeno výše. U nosných lan nemohlo být metalografické pozorování provedeno z důvodu rychlé korozní degradace. Na obr. 40 je vidět příčný řez pramenem, kde jde rozpoznat typ pramene lana. Lze ale pozorovat (nejvíce na obvodu) vzniklou korozi, která postupuje částečně i ke středu. Je zřejmé, že povrch je zkorodovaný a vnitřek pramene zůstává bez většího korozního napadení.

strana

47


Obr. 40 Příčný řez pramenem

Také v podélných řezech (obr. 41) se vytvořila koroze na povrchu, ale jádro se jeví neporušené. Tato stavba se vykazuje silně vláknitou strukturou drátu, která je výhodná s ohledem působícího nominálního napětí, kde je patrná homogenní jemnozrnná struktura následkem tepelného zpracování (patentování) a jeho další deformace při finálních průtazích. Podélné protažení zrn je ve směru osového (tahového) zatížení, což při hustotě vláken vytváří dojem kvazihomogenního kontinua.

Obr. 41 Podélný řez pramenem

Na obr. 42 je proveden řez pramenem a upínací svorkou, kde lze demonstrovat, že i když se svorky a lana chrání různými ochrannými nátěry a povlaky, korozi nic nebrání v tom, aby pronikla celou svorkou i zevnitř až přímo k pramenu. Zde je vidět, že pramen ještě není zcela napaden korozí, ale na obvodu se nachází vrstva korozních zplodin, které svou velmi malou odolností proti deformaci ve smyku eliminují svírací funkci mechanismu svorky. Tento vliv se projevil na snižující se hodnotě „vytahování“ konce lana při tahové zkoušce zkorodovaných pramenů a pokles byl patrný v rámci 1. a 2. odběru, kdy se korozní vrstva vytvořila. Pak se již neměnil a byl 3 .a 4. odběrem stejný.

strana

48


Obr. 42 Příčný řez pramene a upínací svorky

strana

49

Konstrukční návrh upínacího modulu

6 KONSTRUKČNÍ NÁVRH UPÍNACÍHO MODULU Požadavek na návrh upínacího přípravku k tahové zkoušce vyplynul z důvodu nevhodného upnutí jednotlivých drátů ke zkušebnímu stroji. Upnutí drátů v samosvěrných kleštinách nelze realizovat z důvodu vzniku deformačního vrubu na hranách kleštin a následnému porušení drátu v tomto místě. Zkušenosti ze světových pracovišť vedou jednoznačně k upnutí se zvýšeným třením. Ovinutí zkušebního čepu (ani provedení smyček) problém neřešilo s ohledem na strukturu povrchu čepů a jejich rotaci. Ani aplikace zařízení od firmy ZWICK, RUMUL a MTS nevyhovovalo. Jednalo se především o přípravek k upínání měkkých a tenkých drátů (cca do průměru 0,5 mm) a tedy nedostatečnou tuhost, která by mohla u houževnatějších ocelových materiálů zkreslit naměřené výsledky. Proto bylo nezbytné vytvořit přípravek nový a provést jeho praktické ověření.

Obr. 43 Ukázka stávajícího nevhodného přípravku od firmy ZWICK

6.1 Vstupní parametry Na začátku práce s návrhem nového přípravku se musely brát na zřetel 3 počáteční podmínky. Závity vyrobené na modulu, ať už vnější nebo vnitřní sloužící k upevnění zkušebního přípravku ke stroji, musely být kompatibilní se závity v trhacím stroji. Jednalo se o závit M 30. Další omezení se týkalo požadavku dodržení souososti vzorků, tzn. drátů v nataženém stavu vůči ose závitu modulu. Za třetí, dostatečnou eliminaci tahového napětí v tření drátu uvnitř závitových drážek. Tyto podmínky lze lépe pochopit na následujících obrázcích zvolených variant.

6.2 Varianty řešení Během řešení a konstrukce vznikly 2 varianty upínacího přípravku – viz obr. 44.

strana

50


Obr. 44 Varianty řešení (vpravo: I. varianta, vlevo: II. varianta)

Byl kladen důraz především na jednoduchost, dostatečnou tuhost a levnou výrobu. Všechny modely variant, které se zpracovávaly, byly vytvořeny v objemovém parametrickém modeláři Autodesk Inventor 11 a výrobní dokumentace v AutoCADu 2005.

6.2.1 I. varianta řešení Tato sestava se skládá z 9 komponent včetně samotného vzorku - drátu. Horní upínací čep se závitem délky 40 mm se našroubuje do protikusu (matice) na trhacím stroji. V dolní části čepu je do poloviny průměru vyfrézována drážka pro zasunutí horního závěsného čepu, který je na koncích osazen pravým a levým závitem M 18 (z důvodu dodržení souososti vzorku vůči ose upínacího horního a dolního čepu) a otvory průměru 2 mm pro zajištění drátu proti povolení. Do těchto závitů bude navinut zkušební vzorek - viz. obr. 45.

6.2.1

Obr. 45 Horní část upínacího modulu se závěsným čepem

Drát se začne navíjet od středu dolního závěsného čepu, který je do poloviny osazen levým a ve zbývající polovině pravým závitem M 18 (ze stejného důvodu jako v horní části) - viz obr. 46.

strana

51


Obr. 46 Dolní část upínacího modulu se závěsným čepem

Nejprve se musí celá délka vzorku rozdělit na poloviny (cca 2x500 mm) a střed v ohybu provléci otvorem, který je vyroben v polovině závěsného čepu (obr. 47).

Obr. 47 Řez dolním závěsným čepem

Vložením malého soudečku o průměru cca 7 mm do ohybu drátu a následným stažením se dosáhne celkového napnutí a usazení na ploše čepu. Pak následuje navinutí drátu do příslušných závitů a vyvedení na horní závěsný čep. Je třeba dávat pozor, zda se začíná navíjet ze správné strany a namotávání ukončíme v příslušných otvorech, do kterých zasuneme kolíčky. Dolní část modulu je ještě opatřena dvěma úchyty, do kterých se upevní dolní závěsný čep a základnou, sloužící k celkovému osazení těchto dílů a také dolního upínacího čepu. Celá sestava váží cca 5 kg a je zobrazena na obr. 48.

strana

52


Obr. 48 Sestava upínacího přípravku

Použitý materiál je omezen na konstrukční ocel třídy 11. Podmínky, které byly stanoveny na začátku práce, byly dodrženy v celé míře. To dokládá obr. 49, kde je možno jasně určit, že vedení drátu jak v levém tak i v pravém pohledu prochází osou horního a dolního upínacího čepu a tedy natahování drátu nebude ovlivněno jinými silami než jednoosou tahovou silou.

Obr. 49 Ukázka dodržení souososti vedení drátu sestavou

Tato varianta obsahuje ale jednu nevyřešenou otázku. Během tahové zkoušky jsou společně natahovány dva průřezy drátu. Jakmile nastane přetržení, odečte se skutečná síla, tzv. skutečná síla při přetržení, která musí být rovna nebo vyšší než

strana

53


síla minimální při přetržení. Problém nastává v tom, že tato síla není „skutečnou silou“ při přetržení vzorku - drátu právě vlivem dvou natahovaných průřezů. Je skutečná síla poloviční, když jsou v činnosti 2 průřezy? Je vůbec možné tuto sílu zjistit? Toto byly otázky, na které se nedařilo věrohodně najít odpověď.

6.2.2 II. varianta řešení Tato varianta je zcela odlišná než předcházející. Zůstává jen myšlenka namotávání drátu na závit. Sestává se pouze z 6 komponent včetně vzorku - drátu. Hlavní části tvoří dva čepy s hlavou a dva upínací hranoly.

Obr. 50 Upínací hranol v částečném řezu

Narozdíl od první varianty tvoří upínací díl - hranol závit vnitřní M 30, který je kompatibilní se závitem vnějším na čepu trhacího stroje. Hranol je vyroben z polotovaru čtvercového průřezu □65 mm délky 92 mm a ofrézován do geometrie podle obr. 50. Ve středu dolní části je vyvrtána díra se závitem délky 30 mm a v horní části vyvrtán průchozí otvor průměru 24 mm s jemným opracováním pro uložení čepu. Tento otvor je umístěn tak, aby při zasunutí čepu byl vzorek - drát v ose vnitřního závitu. Druhý hranol je vyroben identicky jako první s tím, že je celý ozrcadlen - viz obr. 51. Tedy jediná geometrie, která se změní, je otvor pro čep. Oba díly jsou vyrobeny z konstrukční oceli 11483. Jak již bylo zmíněno, do otvoru průměru 24 mm přijde zasunout čep s hlavou, který zde bude uložen s vůlí. Na jeho výrobu se využije opět konstrukční ocel, tentokrát třídy 11500 a jako polotovar bude použit kruhový průřez ø50 mm s délkou 74 mm. Na konci čepu je vysoustružen závit délky 34 mm s průchozí dírou pro zakončení drátu. Na druhém konci - v hlavě čepu je vylisován šestihran pro umístění kliky. Jak lze zpozorovat na obr. 52, část hlavy kruhového tvaru je sfrézována z důvodu snadného usazení (zapření) čepu a zamezení rotace v upínacímu hranolu. Druhý čep je taktéž vyroben shodně s tím rozdílem, že se na konci jedná o závit levý, aby se dalo uskutečnit správné namotání drátu.

strana

54


Obr. 51 Upínací hranoly

Obr. 52 Čep s hlavou v částečném řezu

Čepy se zasunou do uložení hranolů a ty se zašroubují na upínací části trhacího stroje min. 200 mm od sebe. Vzorek - drát se začne namotávat na horní nebo dolní část modulu tak, že se nejprve vysune o cca 7 mm čep, aby mohl rotovat a zasune se do šestihranu klika. Nyní může probíhat navíjení od konce čepu tak dlouho, než se dostane drát na poslední závit. Poté se čep zasune na doraz k hranolu a vytáhne klika. Na druhou část přípravku se bude drát namotávat obdobně s tím rozdílem, že se odehraje navíjení v opačném směru a zajistí se kolíčkem. Celá sestava je zobrazena na obr. 53. Upínací modul je připraven a v této chvíli může začít samotná tahová zkouška. I u této varianty byly splněny počáteční podmínky souososti drátu vůči upínacím závitům v hranolu jak je vidět na obr. 54.

strana

55


Obr. 53 Sestava upínacího modulu II. varianty

Obr. 54 Ukázka dodržení souososti vedení drátu sestavou

U této varianty nenastávají žádné problémy s vyhodnocováním síly nebo napětí při přetržení, protože se jedná o jednoosé tahové napětí, kde je při natahování přítomen jen jeden průřez vzorku. K přetržení dochází vždy v určené délce, cca v polovině mezi horním a dolním tělesem.

6.3 Výběr správné varianty Vzhledem k jednoduchosti, lehké váze, dostatečné tuhosti, levné výrobě a vyhodnocení se vybrala varianta II, která byla následně vyrobena na ÚTAD MZLU v Brně.

strana

56


Obr. 55 Zvolená varianta pro aplikaci k tahové zkoušce

Výrobní výkresy včetně sestavy se nacházejí v nezávislé části DP „Samostatné přílohy - výkresová dokumentace“.

strana

57

Tahová zkouška

7 TAHOVÁ ZKOUŠKA Zkouška spočívá v zatížení zkušebního vzorku jednoosým tahem zpravidla do přetržení. Výstupem ze zkoušky jsou napěťové a deformační charakteristiky zkoušeného vzorku. Mechanické zkoušky provedené v módu jednoosého tahového napětí byly rozděleny na zkoušky pramenů ocelového lana a na zkoušky jednotlivých drátků po jeho rozpletení. Obvykle se zkouška provádí při okolní teplotě v rozmezí od 18 do 21 °C. Rychlost zatěžování se pohybuje od 0,5 do 10 mm.min-1. Výstupem ze zkoušky je závislost síla - čas. Zkušební stroj musí vyhovovat ISO 7500-1.

7.1 Příprava Vzorek se upevní a zajistí ve stroji tak, aby bylo zajištěno, že v průběhu zkoušky jsou všechny dráty v laně vystavené síle. Po dosažení 80% minimální síly při přetržení Fmin musí být síla zvyšována v rozsahu ne větším než 0,5% minimální síly při přetržení za sekundu. Hodnoty skutečné síly při přetržení Fm je dosaženo, není-li možné další zvyšování použité síly a lano je přetrženo. Zkouška může být ukončena bez přetržení lana, je-li dosažena nebo překročena hodnota minimální síly při přetržení. Vznikne-li porušení lana uvnitř vzdálenosti šesti průměrů lana od místa upevnění nebo koncovky a nebylo-li dosaženo minimální síly při přetržení, nesmí být zkouška započítána [20]. Zkoušky jednoosým tahem byly provedeny na zkušebním stroji značky ZWICK s maximální silou v tahu 200 kN. Jeho charakteristické údaje jsou uvedeny na obr. 56. Zadané silové hodnoty byly snímány na zapisovači x-y Philips, který je součástí stroje. Snímací jednotka je navíc propojena s PC. Makroskopické snímky lomových ploch drátů byly snímány mikroskopem Olympus SZ61 s kamerovým systémem SONY ExWave HAD Color Video camera digital.

Obr. 56 Trhací stroj ZWICK a jeho specifika

strana

58

Tahová zkouška

Tab. 7 Organizační podmínky tahové zkoušky Vzorky Druh lana tažné nosné

prameny nedegradované zkorodované ANO ANO ANO ANO

nedegradované ANO ANO

dráty zkorodované ANO NE

průměr [mm] 1,25 0,65

7.2 Průběh zkoušky ocelových pramenů

7.2

Jako první byla provedena zkouška celého pramene ocelového lana s oky, který se zasunul na čepy stroje, jak je zobrazeno na obr. 57. Ty se uchycují na trhací stroj pomocí příčních čepů a následně závitových pouzder na tenzometrickou hlavu trhacího stroje a jeho příčník. Nastavení probíhá pomocí makro pojezdu příčníku stroje tak, aby nastalo napnutí vzorku (lana). Následuje mikro pojezdové vypnutí lana pro nastavení nulové zátěžné tahové síly.

Obr. 57 Systém uchycování lan - pramenů ke stroji

První byl zkoušen nezkorodovaný pramen lana - etalon. Již při prvním pokusu se objevily komplikace, které spočívaly v prokluzování v místě uchycení svorek. I když svorky byly dotaženy na maximální možnou hodnotu utahovací síly obou matic, respektive bylo dotahování prováděno i během zatěžování, k eliminaci prokluzu nedocházelo. Následovaly zkoušky zkorodovaných pramenů. I u těchto vzorků nastávalo prokluzování a to při ještě nižší úrovni liniového silového působení. I když koroze, jak se později ukázalo měla jen povrchový charakter, rozhodovala o hodnotě zátěžné síly nízká pevnost korozních zplodin. Při prokluzování svorek se koroze snadno odlupovala a za svorkami zůstával jen čistý pramen ocelového lana (obr. 58). Prováděli se také tahové zkoušky lan nosných, ale předem se už mohlo usuzovat, že výsledek bude obdobný jako u lan tažných. Praxe to také potvrdila. Vzhledem k tomu, že prameny jsou menšího průměru (cca 3 mm) než prameny lana tažného a svorky se mohly použít jen typizované velikosti, povolování v tomto případě bylo ještě zřetelnější. Nebyla možnost tento problém jakkoli vyřešit - což se později potvrdilo při konzultaci s košickou univerzitou, která v této problematice pracuje.

strana

59

Tahová zkouška

Obr. 58 Prokluzování pramenů přes upínací svorky

Obr. 59 Zkouška tahem tažného lana - pramene

7.3 Průběh zkoušky ocelových drátů Ve druhé fázi tahové zkoušky byly podrobeny verifikaci mechanických vlastností jednotlivé dráty. Byl to také poslední a jediný možný způsob (v rámci dostupných možností), při kterém by došlo k přetržení a skutečnému srovnání únosnosti nezkorodovaných a zkorodovaných vzorků. Zkoušeny byly oba druhy drátů s tím, že v korozní části se jednalo jen o dráty tažného lana. V prvním kroku byl zamítnut postup s přímým upnutím drátu do trhacích čelistí stávajícího upínacího modulu z důvodu vnesení napěťového vrubu hranou čelistí, který způsobuje přetržení drátu v místě sevření. Z tohoto důvodu byl následně proveden záplet s překřížením drátu tak, aby při dotažení docházelo ke zkracování délky smyčky kolem zátěžného čepu (obr. 60). I tento zkušební postup se jevil jako nevhodný – k přetržení drátu docházelo v místě jeho překřížení a to způsobovalo strana

60

Tahová zkouška

zvýšení koncentrace napětí vlivem průměru drátu. Získané hodnoty síly pro výpočet napětí byly zkreslené a nesprávné. Po vědecké konzultaci byly navrženy dvě nové a také konečné formy zatěžování drátu pomocí zvýšení tření v závitových drážkách, které jsou podrobně popsány v kap. 6. Realizována a aplikována pro tahovou zkoušku byla pouze varianta II - osové zatěžování jednoho drátu.

Obr. 60 Záplet překřížením

Jak je detailně popsáno v kap. 6.2.2, na čepy se závitem se navinou pomocí přídavné kliky zkušební vzorky drátu, nejprve na horní a posléze dolní část modulu, a oba díly se ustaví do min. vzdálenosti 200 mm od sebe. Nutnost použití navíjecí kliky s šestihranem a rukojetí byla navržena po prvních absolvovaných pokusech. Ruční namotávání drátu na upínací modul bylo obtížné, hlavně s ohledem na malý prostor a značnou tuhost tažného drátu (průměr 1,25 mm) během navíjení (obr. 61).

Obr. 61 Vzorek připravený ke zkoušce

strana

61

Tahová zkouška

Až nyní mohla začít tahová zkouška. Nejprve byly testovány dráty nedegradované čili etalony, a to tažného i nosného lana. Postup zkoušky byl veden přesně podle předepsaných pravidel, bylo dbáno hlavně na okamžik těsně před přetržením, kdy podle zapisovače x-y (obr. 62) se při cca 80% minimální síly při přetržení zvyšovala síla jen minimálně - vše uvedeno v tab.

Obr. 62 Zapisovač x-y

Jako poslední etapou tahové zkoušky bylo testování drátů zkorodovaných a to jen lana tažného, protože nosné výtahové nebylo možno použít vzhledem k široce rozsáhlé korozní degradaci. Zkoušení probíhalo v pořadí dle délky korozní exploatace. Při pohledu na místa přetržení všech vzorků se mohlo usoudit, že navržený upínací modul byl zkonstruován správně, protože u všech pokusů vznikl lom mezi oběma díly přípravku, tedy horním a dolním. Nenastal případ, že by k přetržení došlo v místě navinutí drátu na závit. To bylo hlavně způsobeno zvýšením tření v závitových drážkách, kde napětí postupně zanikalo. Mohlo se teda konstatovat, že tento upínací modul vyhověl ve všech jeho nárocích a byl užitečnou a neodmyslitelnou součástí tahové zkoušky.

Obr. 63 Navinutý vzorek na upínacím modulu

Veškeré výsledky z tahové zkoušky a provozní podmínky jsou vyhodnoceny a zobrazeny v následující kapitole 7.4.

strana

62

Tahová zkouška

Obr. 64 Přetržený vzorek (vlevo: tažného, vpravo: nosného lana) 7.4

7.4 Výsledky a hodnocení Tahová zkouška proběhla bez jakýchkoli závad a problémů i s ohledem na to, že prameny tažného i výtahového lana se nepodařilo přetrhnout. S touto okolností se ale předem počítalo, jednalo se spíše jen o to, vyzkoušet a verifikovat, zda tomu opravdu tak je. 7.4.1 Dráty Na následujícím obr. 65 je na zapisovači x-y zobrazen průběh tahové zkoušky drátu nosného lana (výtahového) o průměru 0,65 mm a délky 500 mm. Z tabulky 8 lze vyčíst, že se tato zkouška vykonávala celkem na 5 vzorcích totožných parametrů.

7.4.1

Obr. 65 Průběh tahové zkoušky drátu nosného lana

Střední hodnota síly při přetržení se pak spočítala na základě dat, pořízených z PC připojeného k trhacímu stroji. Druhá možnost zjistit tyto síly byl odečet hodnot přímo ze zapisovače. Tato varianta však není tak přesná. Tab. 8 Síly a provozní podmínky při přetržení drátů nosného lana Druh drátu nosné (ø0,65mm)

Provozní podmínky rozsah 5 kN

rychlost posuvu papíru 30 mm.min-1

rychlost zatěžování 10 mm.min-1

Síla při přetržení [kN] 0,49

0,5

0,49

0,51

0,54

střední hodnota 0,51

strana

63

Tahová zkouška

Podle jednoduchého vzorce:

σ Pt =

Fm S0

kde: σPt [MPa] Fm [N] S0 [mm2]

mez pevnosti v tahu; skutečná síla při přetržení; počáteční plocha příčného průřezu;

se vypočte napětí, při kterém dochází k přetržení drátu, tj. mez pevnosti v tahu, která činila v průměru 1537 MPa. Když by tato hodnota porovnala s hodnotou průměrné pevnosti uvedené v informačním listu (1550 MPa), může se konstatovat, že měření proběhlo s dostatečnou přesností a rozdíl těchto dvou hodnot je minimální. Dráty tažného lana se zkoušely za stejných podmínek jako nosného, viz. tab. 9. Z grafu na obr. 66 lze potvrdit vyšší sílu při přetržení těchto vzorků s průměrem 1,25 mm a délkou 500 mm.

Obr. 66 Průběh tahové zkoušky drátu tažného lana

Střední hodnota síly při přetržení se opět spočítala na základě 5 měření se stanovenou výší 2,03 kN. Při přepočtu síly na pevnost v tahu se dosáhlo hodnoty 1654 MPa, což je o 117 MPa více, než v případě nosného drátu. Když se tato hodnota opět srovná s hodnou průměrné pevnosti drátů uvedenou v atestu (1674 MPa), rozdíl činí 30 MPa, čímž se může opět konstatovat, že měření proběhlo s kvalitní přesností. Tab. 9 Síly a provozní podmínky při přetržení drátů tažného lana Druh drátu tažné (ø1,25mm)

strana

64

Provozní podmínky rozsah 5 kN

rychlost posuvu papíru 30 mm.min-1

rychlost zatěžování 10 mm.min-1

Síla při přetržení [kN] 2,03

2,02

2,05

2,04

2,02

střední hodnota 2,03

Tahová zkouška

Po úspěšném měření drátů - etalonů následovaly zkoušky zkorodovaných drátů. Na tyto byly použity pouze dráty tažného lana exponované solné mlze v solných komorách po dobu od 4 do 25 dnů. Naměřené výsledky s ohledem na délku korozní degradace jsou zobrazeny v tab. 10. Tab. 10 Síly při přetržení drátů s ohledem na délku korozní degradace [kN] Délka pobytu v solné mlze Druh drátu 4. den průměr 11. den průměr 18. den průměr 1,67 1,53 1,43 1,6 1,5 1,42 1,59 1,47 1,41 tažné (ø1,25 mm) 1,57 1,44 1,42 1,57 1,43 1,39 1,56 1,43 1,39

25. den 1,38 1,38 1,36 1,34 1,3

průměr

1,35

Když se tyto síly přepočtou na napětí, dostane se hodnota, resp. pevnost drátů v jednotlivých dnech. V tab. 11 jsou tyto výsledky srovnané s naměřenou průměrnou pevností etalonu. Tab. 11 Srovnáni pevnosti etalonu a zkorodovaných drátů [MPa] Druh lana Pevnost zkorodovaných drátů Naměřená pevnost etalonu 4. den 11. den 18. den 25. den 1654 tažné (ø1,25 mm) 1296 1198 1149 1100

Po komparaci s naměřenou hodnotou pevnosti etalonu (1654 MPa) činí pokles 22 až 34 % (357 až 553 MPa).

1,7

Síla při přetržení [kN]

1,65 1,6 1,55 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 0

5

10

15

20

25

30

Dny

Obr. 67 Síly při přetržení drátu s ohledem na délku korozní degradace Pozn.: červené body znázorňují střední hodnoty síly

Na obr. 67 je zobrazen velmi důležitý graf, který ukazuje klesající tendenci síly potřebné k přetržení drátu s ohledem na délku korozní degradace.

strana

65

Tahová zkouška

Úbytek je viditelný zvláště v prvních jedenácti dnech, kde síla potřebná k přetržení poklesla o 8%. V rámci třetího a čtvrtého odběru je pokles síly méně výrazný. Celkový pokles síly k přetržení drátů za 25 dnů v solné mlze je 0,24 kN, což znamená úbytek 16% z počáteční hodnoty pevnosti drátu.

7.4.2 Lomové plochy Vzhled lomové plochy u obou typů drátů byl snímán mikroskopem s kamerovým systémem (kap. 7.1). V obou případech se jedná o tvárné porušení čížkovým lomem.

Obr. 68 Laboratoř vybavená mikroskopem s kamerovým systémem

Hloubka osové deformace kalíšku je výraznější u nosného (výtahového) lana (obr. 69). Vzhled je ovlivněn hladinou obvodového napětí, které je úměrné průměru drátu. Je zřejmé, že dochází k trojosé deformaci materiálu vlivem normálového napětí v ose drátu a příčné deformaci (viz Hookův zákon). Hodnoty napětí jsou ovlivněny v maximální míře mikrostrukturou oceli.

Obr. 69 Lomová plocha drátu nosného lana

strana

66

Tahová zkouška

Obr. 70 Lomová plocha drátu tažného lana

7.5 Napěťová analýza pomocí MKP

7.5

Řešit deformačně-napjatostní analýzu pomocí MKP (metody konečných prvků) se do této práce také podařilo zahrnout, i když jen v omezeném rozsahu. Důvodem tohoto rozhodnutí bylo potvrzení vhodnosti použití upínacího modulu a jeho hlavní přednosti, tj. při zatěžování drátu tahovou silou vznikající zvýšené tření v závitových drážkách. A právě toto tření bylo snahou postihnout a zobrazit napěťovou charakteristiku. Jednalo se o kontaktní úlohu.Vstupní parametry k tvorbě tohoto typu úlohy jsou: geometrie modelu zatížení a vazby (okrajové podmínky) mechanické vlastnosti Splnit první dvě kritéria a zjistit mechanické vlastnosti etalonu nebyl problém. Potíž ale byla se stanovením kvalitních vstupních údajů do výpočtového modelování zkorodovaných drátů. Nelze přesně dopředu určit materiálové charakteristiky drátu po korozi a taktéž výpočtovým modelováním postihnout všechny procesy, které korozní degradací vznikají, včetně změny mechanických vlastností (modul pružnosti E, Poissonovo číslo µ, mez pevnosti Rm, degradace povrchu a další). Čili porovnat tyto změny na základě výpočtového modelování pomocí MKP drátů zkorodovaných a drátů nedotčených korozí - etanolů nebylo možné. Cílem tedy bylo: vytvořit model závitové drážky a nezkorodovaného drátu zatížit tahovou silou a vytvořit vazby zhotovit na modelu jemnou/hustou konečnoprvkovou síť, která by postihovala inkriminovaná místa nebo naopak místa, která nebudou pro výpočet zajímavá definovat mechanické a materiálové vlastnosti modelu spočítat a zobrazit napětí a příp. posuvy drátu v závitech

strana

67

Tahová zkouška

Software, ve kterém se vytvářel model závitové drážky a drátu - vzorku, byl opět použit Autodesk Inventor 11 a veškeré výpočty MKP, tvorba sítě, vazby a zatížení Ansys Workbench 10. 7.5.1 Model čepu se závitem a drátu Vytvořit model závitu a drátu nebylo těžké, protože základ už byl zhotoven při návrhu upínacího přípravku v kap. 6. Stačilo jen přesně vymodelovat tvar závitové drážky podle ČSN (metrické závity - M 24) a drátu, stočeného do spirály. Navíc čep se závitem a celé těleso se musely spojit do jednoho komponentu kvůli příp. problémům s konvergencí a kontakty. Čili celá sestava obsahovala 2 díly: základní těleso se závitem a vzorek - drát.

Obr. 71 Model závitu s navinutým drátem

7.5.2 Zatížení, tvorba vazeb a konečnoprvkové sítě Než se dala načíst vytvořená geometrie v softwaru Ansys Workbench, musel se daný model převést do formátu příslušejícího programu. V tomto případě se jednalo o standardizovaný datový formát „step“. Nyní se mohlo přistoupit k vlastní tvorbě a odladění možných kolizí. Přiřadily se materiálové konstanty (konstrukční ocel) k daným dílům, definoval se kontakt mezi drátem a závitem s charakterem „tření“, hlavnímu tělesu (včetně čepu) se zamezil pohyb v osách x, y, z, stejně tak rotacím kolem těchto os a konec drátu se zatížil silou F = 1,7 kN - síla při přetržení etalonu. Vše je zobrazeno na obr. 72.

Obr. 72 Zatížení a vazby na sestavě

strana

68

Tahová zkouška

V této chvíli se mohla vygenerovat na sestavě (modelu) konečnoprvková síť s tím, že hustota se volila s ohledem na důležitost a funkčnost oblastí, které jsou pro výpočet podstatné. Tzn. drát a závitové drážky byly voleny se stejnou - jemnou hustotou sítě a zbytek modelu byl navržen s hrubou sítí (obr. 73). Nakonec se zvolili výstupy, které se budou očekávat z výpočtového modulu - redukované napětí, posuvy v ose natahovaného drátu a tlak v kontaktu. Během výpočtu se musely několikrát měnit a modifikovat vstupy, zejména počet prvků aplikovaných na modelu, až se dospělo k variantě, která byla vyhovující s ohledem na časovou náročnost a obtížnou konvergenci.

Obr. 73 Model sestavy s vytvořenou konečnoprvkovou sítí

7.5.3 Výsledky řešení a další kroky Vzhledem k složitosti této nelineární kontaktní úlohy se nepodařilo spočítat a vyřešit napětí a deformace ve vzorku, umístěném v závitových drážkách. Problémy vznikaly především s obtížnou konvergencí (hrany prvků, počet prvků) díky malým průměrům drátu (a tvaru drátu) v porovnání s geometrií ostatních těles. Z tohoto důvodu se také tvořily špatně podmíněné matice. Během zatěžování se prvky deformovaly a vznikaly z nich tzv. „warningové prvky“. V případě dalšího pokračování v této problematice by se měla určitě zjemnit a zkvalitnit síť. Dále změnit řešič v nastavení na „přímý“ (sparse). Je důležité si uvědomit, že pro takto složitou nelineární úlohu bude zapotřebí kvalitní a výkonný hardware k redukci časové náročnosti.

7.5.3

strana

69

Shrnutí a diskuse

8 SHRNUTÍ A DISKUSE Výsledky jednoosé tahové zkoušky pro zkorodovaná tažná lana uvádí obr. 67, kde lze zpozorovat zřejmý pokles síly potřebné k přetržení drátu vlivem délky expozice v korozním prostředí. Pokles je viditelný zvláště v prvních jedenácti dnech, kde síla potřebná k přetržení poklesla o 8%. V rámci třetího a čtvrtého odběru je pokles síly méně výrazný. Po srovnání s naměřenou hodnotou pevnosti etalonu (1654 MPa) činí pokles 22 až 34 % (357 až 553 MPa). Vše je pro přehlednost zobrazeno v tab. 12. Tab. 12 Srovnáni pevností drátů z tahové zkoušky [MPa] Naměřené hodnoty Typ drátu zkorodované etalony 4. den 11. den 18. den 1654 1296 1198 1149 tažné (ø 1,25 mm) 1537 nosné (ø 0,65 mm)

Hodnoty atestu 25. den 1100 -

1674 1550

Důvodem k těmto rapidním změnám je hloubka korozního poškození drátu, která je zachycena v příčném a podélném řezu lana (obr. 74). Na obrázcích je vidět, že korozní poškození se vztahuje jen na povrchové vrstvy drátu a s časem je korozní přírůstek minimální (parabolická, resp. kubická závislost přírůstku korozních zplodin za čas).

Obr. 74 Podélný a příčný řez zkorodovaným pramenem

Dosažené silové, resp. napěťové úrovně vychází ze zkoušek provedené nově navrženým způsobem za pomoci upínacího modulu – varianta II. K porušení drátu docházelo ve všech případech přibližně v polovině měrné délky vzdálenosti mezi horní a dolním upínacím přípravkem. Lomová plocha drátu tažného lana vykazuje tvárné porušení v centrální části, které lze označit jako kvazitvárné, se smykovými pásy na okraji. Hloubka tzv. kalíšku je dána značnou pevností drátu, který je tepelně zpracován na horní mez pevnosti přibližně 1700 MPa - viz hutní atest. Výsledky získané na etalonech jsou v naprostém souladu s výsledky uvedenými v hutním atestu lana a lze tedy předpokládat, že i výsledky korozně degradovaných drátů lana lze považovat za směrodatné.

strana

70

Shrnutí a diskuse

S ohledem na prezentované výsledky lze vyslovit závěr, že materiál lana je korozně odolný zvláště je-li prosycení vložky lana dostatečné při aplikaci maziva Elaskon s přísadou inhibitorů tzv. long time inhibitorů. Mazání a tedy i korozní ochrana v průběhu používání tohoto typu tažného typu lana není nutná. Korozní namáhání nosného lana a jeho verifikace je prakticky neproveditelná z důvodu bleskové koroze drátů okamžitě po odstranění tukové, mazací vrstvy. Po očištění drátů odmašťovadlem a jejich umístění do komory se solnou mlhou, došlo již v průběhu několika hodin k masivní korozní degradaci. Přibližně po třech dnech expozice již bylo na korozní zplodiny převedeno přibližně 50% objemu kovu drátu. Z tohoto důvodu u nosných lan byla provedena pouze kontrola nosnosti jednotlivých drátů pro srovnání s informačním listem. Totéž platí i pro korozní napadení pramenů lana s umístěním svorek. Koroze lan probíhala přibližně stejnou rychlostí, ale v úvodu se projevila akcelerace vlivem galvanické koroze v místě umístění svorky, což je patrné z obr. 75.

Obr. 75 Koroze pramene nosného lana a přítomnost galvanické koroze

Z tohoto důvodu napěťová verifikace pramenů nebyla provedena, protože docházelo k plynulému vytažení koncové části pramene lana ze svorky, která nepřenášela požadované napětí. U etalonu – pramenu se ani po dotahování během zkoušky nepodařilo zastavit vytahování konců, nefunkčnost svorky u korozně poškozených vzorků byla ještě markantnější. Korozní poškození probíhalo u tohoto typu v celém průřezu. Tento poznatek vede k závěru, že by nosná, zejména pak výtahová lana neměla pracovat bez aplikace protikorozní ochrany (mazání plus konzervace). Zkušební vzorky degradované v agresivním prostředí kysličníku siřičitého nebyly napadeny korozním mechanizmem v rámci rovnoměrné a ani skvrnité koroze a tak i hodnoty tahové síly byly naměřeny na stejné úrovni, jako u vzorků bez korozní expozice - etalonů. Ve vyhodnocení deformačního chování lze pozorovat jen nepatrný pokles tažností (cca 3 až 5 %). Z tohoto důvodu, a i tak značného rozsahu experimentálních prací, nebyly vzorky z prostředí SO2 dále detailně zkoumány z pohledu korozního napadení.

strana

71

Závěr

9 ZÁVĚR Tato práce vytváří komplexní souhrn poznatků z oblasti použití ocelových lan. Praktické závěry spolu s experimentální verifikací zaměřenou do oblasti ovlivnění funkce ocelových lan v laboratorních podmínkách (solná mlha a oxid siřičitý), které simulují působení skutečného pracovního prostředí, by měly doplnit zkušenosti z provozní degradace lan. Diplomová práce se skládá ze dvou nezávislých, ale úzce souvisejících částí. Jedná se o část kompilační a část charakterizující realizaci experimentálních plánů v rámci splnění cílů dle navržené zkušební metodiky. Praktická část je tvořena deskripcí vlastních měření a její detailní odborné analýze. Shrnuje výsledky z: přípravy zkušebních vzorků v rámci navržené metodiky zkoušení jednoosým tahem, popis korozního prostředí solné mlhy a oxidu siřičitého v rámci urychlených laboratorních zkoušek, oblasti zkoušení tažných i nosných pramenů a drátů lan v dodaném stavu etalonů při použití obvyklé měřící techniky, návrhu a realizace zkušebního modulu pro zkoušení drátů ocelových lan, postupu zkoušení korozně degradovaných pramenů a drátů lan na zkušebním zařízení - trhacím stroji, metalografické a fraktografické analýzy zkoušeného materiálu, souborné diskuse získaných výsledků v průběhu měření pramenů a drátů jednoosým tahem doplněné o související výstupy z metalografie. V rámci komplexního splnění stanovených cílů přináší tato práce do technické praxe poznatky z oblasti zkoušení korozně poškozených lan v laboratořích, které nedisponují zkušebními stroji se zátěžnou silou řádově v meganewtonech. Dalším výstupem je potvrzení nebezpečnosti korozní degradace zvláště u nosných, nezinkovaných ocelových lan, kde nedodržení bezpečnostních předpisů (nedostatečné mazání) může mít tragické ekonomické, ale i společenské následky. Dále se u tažných lan, resp. drátů potvrdil pokles nosnosti až o 34 %, tj o 0,7 kN z původní hodnoty etalonu, vlivem korozní degradace.

strana

72

Literatura

LITERATURA [1] BOROŠKA, J., HULÍN, J., LESŇÁK, O. Oceľové laná. 1. vydání. Bratislava: ALFA, 1982. 480 s. [2] BOROŠKA, J. Technické riziká prevádzky oceľových lán zdvíhacích zariadení. In Zdvíhací zařízení v teorii a praxi: sborník přednášek mezinárodní konference: Brno, 20. - 21. května 2003. Sestavil Jiří Špička. Brno: Vysoké učení technické, 2003. s. 46–51. ISBN 80-214-2375-7. [3] VERREET, R. A Short History of Wire Rope [online]. c2004 PR GmbH, first edition January 2002 [cit. 2007-03-01]. Dostupné z: . [4] SAYENGA, D. Modern History of Wire Rope [online]. [2004?] [cit. 2007-0301]. Dostupné z: < http://www.domesticwirerope.org/history.htm>. [5] PETŘÍČKOVÁ, M. Ohlédnutí do historie kovových konstrukcí. Konstrukce [online]. 2003, č. 3 [cit. 2007-03-15]. Dostupné z: . [6] WALTON, J. M. Developments in Steel Cables. J. Construct, Steel Res., 1996, 39, 3-29. PII: S0143-947X(96)00027-2. [7] DEFLORIAN, F., ROSSI, S. Corrosion Behavior of Steel Ropes. Materials Performance, December 2002, vol. 41, nr. 12, pag. 56-60. ISSN: 0094-1492. [8] SUZUMURA, K., NAKAMURA, S. Environmental Factors Affecting Corrosion of Galvanized Steel Wires. Journal of Materials in Civil Engineering 16 (1), Jan-Feb 2004, pag. 1-7. ISSN: 0899-1561. [9] GRIGNARD, E. Wire Rope and E.M. Cable Lubrication [online]. Chapter 6. 1998 [cit. 2007-03-24]. Dostupné z: . [10] BOROŠKA, J., FLOREKOVÁ, L., MOLNÁR, V. Vplyv korózie na zmenu štatistických veličín mechanických vlastností drôtov oceľových lán. The International Journal of Transport & Logistics, mimoriadne vydanie – Loado, September 2003, s. 255-258. ISSN 1451-107X. [11] STEHLÍKOVÁ, B., MOLNÁR, V. Vplyv vybraných faktorov na mechanické vlastnosti drôtov oceľových lán. The International Journal of Transport & Logistics, 2005. ISSN 1451-107X. [12] MOLNÁR, V., BOROŠKA, J., ŠADEROVÁ, J. Corrosion effect of mechanical properties variation of wires in steel rope. In: ISTI '05 : Razvoj novih tehnologija i opreme u rudničkom transportu i izvozu : Zbornik radova : Budva, 23. -25. maj 2005. Belgrade : University of Belgrade, 2005. s. 234-237. [13] BLAHA, J. Zkušenosti se speciálními ocelovými lany Casar. The International Journal of Transport & Logistics, 2006. ISSN 1451-107X. [14] OPLATKA, G., PISKOTY, G., ZGRAGGEN, M. Ein seltener, gefährlicher Schadenfall Wasserstoffinduzierte Spannungsriss – Korrosion. The International Journal of Transport & Logistics, [2006?]. ISSN 1451-107X. [15] Česká technická norma. Ocelová drátěná lana – Bezpečnost – Část 2: Definice, označování a klasifikace, ČSN EN 12385-2. Praha: Vydal a vytiskl Český Normalizační Institut, 1996. 50 s.

strana

73

Literatura

[16] SZOJKA, L. Údržba ocelových lan. 1. vydání. Bratislava: Vydavateľstvo technickej a ekonomickej literatúry ALFA, 1982. 110 s. 63-155-82. [17] JONŠTA, Z., et al. Rozvaha lan s nerezovými dráty. The International Journal of Transport & Logistics, 2003. ISSN 1451-107X. [18] Rope Construction and Materials [online]. Chapter 2. 30. Sep. 1998 [cit. 200704-05]. Dostupné z: . EM 1110-2-3200. [19] IVANOV, M. Mazanie oceľových lán. The International Journal of Transport & Logistics, 2003. ISSN 1451-107X. [20] Česká technická norma. Ocelová drátěná lana – Bezpečnost – Část 1: Všeobecné požadavky, ČSN EN 12385-1. Praha: Vydal a vytiskl Český Normalizační Institut, 1996. 18 s. [21] DEFLORIAN, F., et al. Corrosion Behavior of Steel Ropes for snow and rockfall barriers. Corrosion Engineering Science and Technology, 2004, vol. 39, nr. 3, pag. 250-254. ISSN: 1478-422X. [22] Česká technická norma. Koroze kovů a slitin – Všeobecné zásady pro korozní zkoušky, ČSN ISO 11845. Praha: Vydal a vytiskl Český Normalizační Institut, 1997. 8 s. [23] KONEČNÁ, M. Využití elektronové mikroskopie v AAS. Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity Brno. 2001. Elektronické zdroje informací: [24] Brooklin Bridge [online]. [cit. 2007-03-15]. Dostupné z: . [25] Londýnské oko [online]. [cit. 2007-03-26]. Dostupné z: . [26] Olympijský stadion v Mnichově [online]. [cit. 2007-03-26]. Dostupné z: . [27] Visutý most Akashi Kaykio – nejdelší most světa [online]. [cit. 2007-03-26]. Dostupné z: . [28] Směry vinutí pramenů [online]. [cit. 2007-04-09]. Dostupné z: . [29] Hlavní části solné komory [online]. [cit. 2007-04-17]. Dostupné z: . [30] Světelný metalografický mikroskop [online]. [cit. 2007-05-05]. Dostupné z: <www.olympus.cz>.

strana

74

Seznam použitých zkratek, symbolů a veličin

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK, SYMBOLŮ A VELIČIN Seznam použitých zkratek: FC IEC IWRC MKP ÚFM AVČR ÚTAD MZLU

duše lana zhotovená z přírodních vláken Mezinárodní elektrotechnická komise ocelová duše drátěného lana metoda konečných prvků Ústav fyziky materiálů Akademie věd ČR Ústav techniky a automobilové dopravy Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity

Seznam použitých symbolů a veličin: d [mm] d1 [mm] d2 [mm] d3 [mm] E [MPa] Fmin [N] Fm [N] h [mm] H [mm] Rm [MPa] Rr [-] S [-] S0 [mm2] Z [-] µ [-] σPt [MPa]

- průměr ocelového lana - průměr pramene lana - průměr drátu v prameni - průměr vložky (textilní) lana - modul pružnosti v tahu - minimální síla při přetržení - skutečná síla při přetržení - výška vinutí pramene - výška vinutí lana - mez pevnosti v tahu - třída pevnosti lana - levý směr vinutí lana - počáteční plocha příčného průřezu - pravý směr vinutí lana - Poissonovo číslo - mez pevnosti v tahu

strana

75

Seznam obrázků a grafů

SEZNAM OBRÁZKŮ A GRAFŮ Obr. 1 Rychlost koroze v různém vodním prostředí [9] Obr. 2 Lano vyrobené v Egyptě (2000 let př. n. l.) [3] Obr. 3 Tažná stolice z poč. 19. stol. [3] Obr. 4 Cable cars [3] Obr. 5 Prameny (1 – Seal, 2 – Filler, 3 – Warrington) [3] Obr. 6 Brooklyn Bridge [24] Obr. 7 Latch & Batchelor uzavřená vinutá lana [3] Obr. 8 Londýnské oko [25] Obr. 9 Olympijský stadion v Mnichově [26] Obr. 10 Visutý most Akashi Kaykio – nejdelší most světa [27] Obr. 11 Řez ocelovým lanem [16] Obr. 12 Druhy pramenů [16] Obr. 13 Průřezy pramenů [1] Obr. 14 Směry vinutí pramenů [28] Obr. 15 Konstrukce jednotlivých pramenů [16] Obr. 16 Výšky vinutí pramene a lana [1] Obr. 17 Značení lan dle ČSN EN Obr. 18 Směry vinutí lan [1] Obr. 19 Klasický způsob [16] Obr. 20 Souběžný způsob [16] Obr. 21 Průměrná pevnost drátů v druhé vrstvě [19] Obr. 22 Mikrostruktury nátěrů [21] Obr. 23 Ochranný systém lan visutých mostů [8] Obr. 24 Solná komora Obr. 25 Siřičitá komora Obr. 26 Hlavní části solné komory [29] Obr. 27 Vzorky v siřičité komoře Obr. 28 Schéma funkce siřičité komory Obr. 29 Dráty tažného lana v NaCl po 2. odběru (4 dny) Obr. 30 Dráty tažného lana v NaCl po 6. odběru (32 dní) Obr. 31 Etalony tažných drátů Obr. 32 Drát výtahového lana v NaCl po 5. odběru (25 dní) Obr. 33 Pramen tažného lana v NaCl po 4. odběru Obr. 34 Pramen výtahového lana v NaCl po 2. odběru Obr. 35 Vzorky umístněné v solné komoře Obr. 36 Vzorky umístěné v prostředí kysličníku siřičitého Obr. 37 Dráty tažného lana v SO2 po 4. odběru Obr. 38 Světelný metalografický mikroskop [30] Obr. 39 Schéma přípravy metalografického výbrusu Obr. 40 Příčný řez pramenem Obr. 41 Podélný řez pramenem Obr. 42 Příčný řez pramene a upínací svorky Obr. 43 Ukázka stávajícího nevhodného přípravku od firmy ZWICK Obr. 44 Varianty řešení (vpravo: I. varianta, vlevo: II. varianta) Obr. 45 Horní část upínacího modulu se závěsným čepem

strana

76

16 18 19 19 20 20 21 22 23 23 24 24 25 25 26 26 27 27 28 29 31 34 34 38 39 39 41 41 43 43 43 44 44 44 45 45 46 47 47 48 48 49 50 51 51

Seznam obrázků a grafů

Obr. 46 Dolní část upínacího modulu se závěsným čepem Obr. 47 Řez dolním závěsným čepem Obr. 48 Sestava upínacího přípravku Obr. 49 Ukázka dodržení souososti vedení drátu sestavou Obr. 50 Upínací hranol v částečném řezu Obr. 51 Upínací hranoly Obr. 52 Čep s hlavou v částečném řezu Obr. 53 Sestava upínacího modulu II. varianty Obr. 54 Ukázka dodržení souososti vedení drátu sestavou Obr. 55 Zvolená varianta pro aplikaci k tahové zkoušce Obr. 56 Trhací stroj ZWICK a jeho specifika Obr. 57 Systém uchycování lan - pramenů ke stroji Obr. 58 Prokluzování pramenů přes upínací svorky Obr. 59 Zkouška tahem výtahového lana - pramene Obr. 60 Záplet překřížením Obr. 61 Vzorek připravený ke zkoušce Obr. 62 Zapisovač x-y Obr. 63 Navinutý vzorek na upínacím modulu Obr. 64 Přetržený vzorek (vlevo: tažného, vpravo: nosného lana) Obr. 65 Průběh tahové zkoušky drátu nosného lana Obr. 66 Průběh tahové zkoušky drátu tažného lana Obr. 67 Síly při přetržení drátu s ohledem na délku korozní degradace Obr. 68 Laboratoř vybavená mikroskopem s kamerovým systémem Obr. 69 Lomová plocha drátu nosného lana Obr. 70 Lomová plocha drátu tažného lana Obr. 71 Model závitu s navinutým drátem Obr. 72 Zatížení a vazby na sestavě Obr. 73 Model závitu s navinutým drátem Obr. 74 Podélný a příčný řez zkorodovaným pramenem Obr. 75 Koroze pramene nosného lana a přítomnost galvanické koroze

52 52 53 53 54 55 55 56 56 57 58 59 60 60 61 61 62 62 63 63 64 65 66 66 67 68 68 69 70 71

strana

77

Seznam tabulek

SEZNAM TABULEK Tab. 1 Závislost negativních jevů během provozu lana [2] Tab. 2 Srovnání fyzikálních vlastností kevlaru a oceli [18] Tab. 3 Rozdělení zkoušek mechanických vlastností Tab. 4 Ukázka velkých trhacích strojů určená pro lana [6] Tab. 5 Termíny odběrů pramenů a drátů (uvedeno ve dnech) Tab. 6 Provozní podmínky korozních jednotek Tab. 7 Technické podmínky tahové zkoušky Tab. 8 Síly a provozní podmínky při přetržení drátů nosného lana Tab. 9 Síly a provozní podmínky při přetržení drátů tažného lana Tab. 10 Síly při přetržení drátů s ohledem na délku korozní degradace [kN] Tab. 11 Srovnáni pevnosti etalonu a zkorodovaných drátů [MPa] Tab. 12 Srovnáni pevností drátů z tahové zkoušky [MPa]

strana

78

15 30 32 33 42 42 59 63 64 65 65 70

Seznam samostatných příloh

SEZNAM SAMOSTATNÝCH PŘÍLOH Výkresová dokumentace čep levý čep pravý těleso levé těleso pravé klika upínací modul

4 - 96 - 5/01 4 - 96 - 5/02 4 - 96 - 5/03 4 - 96 - 5/04 4 - 96 - 5/05 2 - 96 - 5/00

strana

79

Seznam příloh

SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Příloha 2 Příloha 3 Příloha 4

strana

80

Ukázka koroze tažného lana z povrchového lomu Rozpletený vzorek nosného (výtahového) lana Detail zkorodovaného pramene tažného lana Hutní atest tažného lana

I II II III

Přílohy

přílohy Provozní a korozní degradace ocelových lan vypracoval: František Vlašic vedoucí práce: doc. Ing. Michal Černý CSc. Aplikovaná mechanika, Počítačová podpora konstruování 2007

Příloha 1 Ukázka koroze tažného lana z povrchového lomu

strana

I

Přílohy

Příloha 2 Rozpletený vzorek nosného (výtahového) lana

Příloha 3 Detail zkorodovaného pramene tažného lana

strana

II

Přílohy

Příloha 4 Hutní atest tažného lana

strana

III

PROVOZNÍ A KOROZNÍ DEGRADACE OCELOVÝCH LAN

Recommend Documents