Die kern fisika van spanning en krag in draad trek

Draad trek is 'n kritieke operasie in elektriese konstruksie, industriële vervaardiging en telekommunikasie-infrastruktuur. Elke keer as 'n geleier deur 'n buis getrek word of 'n kabel deur 'n ondergrondse kanaal getrek word, bepaal die beginsels van spanning en krag of die installasie suksesvol of misluk. Slechte tegniek lei tot beskadigde draad, geskend isolasie of besering aan werkers. Hierdie artikel ondersoek die fisika agter spanning en krag tydens draad, wat ingenieurs, elektrici en projekbestuurders 'n tegniese grondslag gee om veiligheid te verbeter, materiaalverlies te verminder en werkstroom te optimaliseer.

Die spanning is die interne askraam wat langs 'n draad ontwikkel wanneer dit onderworpe is aan 'n sleepbelasting. Dit tree uniform op oor die deurkruis van die geleier en strek die materiaal elasties totdat die opbrengspunt bereik word. Oorskrywing van die opbrengspunt veroorsaak permanente vervorming; verdere toename lei tot nek en uiteindelike breuk.

In statiese of quasi-statiese draad trek waar versnelling is verwaarloosbaar, is die net toegepas krag gelyk aan die som van alle resistiwiteit kragte. Newton se eerste wet sê dat 'n voorwerp in rus rus bly, tensy dit deur 'n ongebalanseerde krag gedra word. Daarom moet die trek krag die gekombineerde weerstand van wrywing, gravitasie komponente op hellings, en buig weerstand oorskry om beweging te begin en te handhaaf. Sodra beweeg, is die spanning op enige punt langs die draad 'n kumulatiewe gevolg van hierdie weerstand van die trek einde tot daardie punt.

Basiese fisiese beginsels wat die trek van drade reguleer

Newton se Tweede Wet en Draadversnelling

Hoewel draad trek gewoonlik met lae spoed uitgevoer word, is die basiese verhouding F = m·a FlT:1 van toepassing. Die trekkracht moet beide resistiwiteit en enige versnelling van die draadmassa oorkom. In die praktyk is versnelling klein, dus is die dominante termyn die resistiwiteit.

Stres en spanningsgrense

Spanning skep spanning, gedefinieer as krag per eenheid deursigtige area (σ = F/A). Elke draad het 'n maksimum toegelaatbare trekspanning, wat dikwels gespesifiseer word as 'n persentasie van sy uiteindelike treksterkte. Vir kopergeleiers wissel tipiese trekspanning van 40% tot 60% van die breeksterkte, met laer waardes vir aluminium as gevolg van sy laer ductiliteit en hoër vatbaarheid vir kruip. Spanning, die verlenging per eenheid lengte, verhoog lineêr met spanning in die elastisiteit streek soos beskryf deur Hooke se wet. Permanente skade voorkom as die elastisiteit limiet oorskry word, wat verminder deurslagbaarheid of isolasie kraakke veroorsaak. Byvoorbeeld, 'n 10% verlenging in 'n kopergeleier kan sy delingsarea verminder om die weerstand te verhoog deur ongeveer 10% te verhoog, wat lei tot oorverhitte beëindigings.

Capstan-effek: Spanningversterking by buig

Wanneer 'n draad om 'n bocht gaan, is die spanning aan die uitgaande kant groter as aan die inkomende kant. Hierdie eksponensiële verhouding word gegee deur die capstan- vergelyking: T2 = T1 · e^(μ·θ), waar μ die wrywingkoëffisiënt is en θ die totale boekteken in radiale is. Byvoorbeeld, 'n 90 ° bocht (π/2 radiale) met μ = 0,3 vermenigvuldig die spanning met ongeveer 1,6.

Wrywing en die rol daarvan in draadvermyding

Wrywing is die belangrikste weerstandsmag tydens 'n draad trek. Dit ontstaan uit kontak tussen die draadjak en die binnekant van die geleiding. Die wrywingskrag F_f = μ · N, waar N die normale krag is wat die draad teen die geleiding muur druk. Normale krag kom van die draad se gewig as gevolg van swaartekrag en van laterale kragte wanneer die draad teen buigings of afwykings gedwing word. Die impak van wrywing kan nie oorskat word nie; in baie lang, reguit horisontale trek, is wrywing verantwoordelik vir 80-90% van die totale weerstand.

Koëffisiënt van spanning waardes

Die koeffisiënt μ hang af van die materiaal wat in kontak is.

  • PVC-geleiding met PVC-gepakte kabel: μ ≈ 0,40,6
  • Stelsels met PVC-jas: μ ≈ 0,350,55
  • Aluminiumleiding met PVC-jas: μ ≈ 0,30,5
  • Gesmeer oppervlaktes: μ kan tot 0,050,15 daal

Die gebruik van 'n kommersiële draad trek smeermiddel verminder μ aansienlik, verminder spanning en voorkom die afbreek van die baadjie. smeermiddel keuse moet ooreenstem met die geleidingsmateriaal en kabel baadjie om chemiese afbreek te voorkom. Byvoorbeeld, petroleum-gebaseerde smeermiddels kan swelling in sekere rubber baadjies veroorsaak, terwyl water-gebaseerde smeermiddels kan verdamp in warm omgewings, wat die oorblyfsel wat wrywing oor lang trek verhoog, verlaat.

Gewigsverwante effekte op slope en vertikale hardloop

Op hellende geleide, die komponent van die draad se gewig parallel aan die helling voeg tot of aftrek van die vereiste sleepkracht. Vir 'n horisontale loop, dra die gewig slegs by tot die normale krag. Vir 'n vertikale of helling loop, moet die sleepkracht oorkom mg·sin(θ) behalwe wrywing. In 'n vertikale riser, hang die volle gewig van die kabel van die trekpunt, wat honderde pond spanning kan byvoeg. Byvoorbeeld, 'n 100-voet vertikale run van 4/0 koper kabel met 'n gewig van ongeveer 0,6 lb / ft skep 'n ekstra 60 pond spanning uit swaartekrag alleen.

Impakt van geleidingsbelange en meetkunde

Die fisiek by elke bocht behels beide wrywing en die capstan-effek. Die draad moet deur 'n gebroke pad getrek word waar dit teen die bocht se binnemuur druk. Die normale krag verhoog met spanning self, wat 'n terugvoerlus skep: hoër spanning lei tot hoër normale krag, wat spanning verhoog, wat spanning verder verhoog. Hierdie selfversterkende siklus is die rede waarom bochten die algemeenste plek is vir trek om te stop of vir kabels om beskadig te word.

Bykomende muurdruk en buigradius

Die kantwanddruk (SWP) op die draad by 'n bocht word gegee deur SWP = T / R, waar T die spanning by die bocht is en R die bochtradius is. Hoë kantwanddruk kan die isolasie verpletter of die geleier vervorm. Baie kabelvervaardigers spesifiseer 'n maksimum SWP, gewoonlik ongeveer 150-300 lbs per duim bochtradius. Die gebruik van 'n groter bochtradius verminder SWP en laat hoër sleepspanning sonder skade toe. Standard EMT-geleidingskurke het 'n radius van ongeveer 4-6 keer die buisdiameter, maar veldkurke kan tighter wees. Byvoorbeeld, 'n 2-duim EMT-geleiding het 'n standaard bochtradius van ongeveer 8 duim. As die spanning by daardie bocht is 1,200 lbs, is die SWP 150 l / in, wat die boonsperste limiet vir baie kabels is.

Meervoudige hellings en trekkasplasing

Om te voorkom dat buitensporige spanning opbou, bou kodes trekkasse of trekpunte na elke kumulatiewe 360 grade van boeke vereis. In lang loop, tussenliggende trekpunte toelaat spanning om terug te stel na nul by elke boks. Bereken spanning vir 'n multi-boek loop vereis dat bydraes metode: begin van die verre einde waar die draad van die spoel af kom, en voeg spanning toename by elke boek met behulp van die capstan vergelyking, plus-seksie wrywing tussen reguit boeke. 'n algemene benadering is die "kumulatiewe spanning" metode wat gebruik word in sagteware soos Pull-Planner en beskryf in IEEE 399 (die Brown Book).

Praktiese spanning en kragberekeninge

Vir 'n reguit horisontale gedeelte is die spanning bykomende T = μ · w · L, waar w is die gewig per eenheid lengte van die draad en L is die lengte. Vir verskeie geleiders, w is die totale gewig. Vir vertikale of hellende dele, voeg w·L·sin(θ. By 'n bocht, vermenigvuldig die inkomende spanning met e^(μ·θ) vir die uitgaande spanning.

'N Gedetailleerde voorbeeld illustreer hoe klein spanning ballon dramaties: Oorweeg 'n 150 voet horisontale loop van 3 / C # 10 koperkabel met 'n gewig van 0.1 lb / ft in staalleiding met μ = 0.4. Die rechte-seksie wrywingspanning is T0 = 0.4 × 0.1 × 150 = 6 lbs. Voeg nou twee 90 ° boeiings (θ = π / 2 elk). Vir die eerste boei met inkomende spanning van 6 lbs, die uitgaande spanning T1 = 6 × e^0.4 × π / 2) = 6 × 1.87 = 11.2 lbs. Vir die tweede boei, T2 = 11.2 × 1.87 = 20.9 lbs. As daar 'n ekstra 20 voet van reg boei na die tweede gedeelte, voeg 'n ander 0.4 × 0.1 × 20 = 0.8 lbs, wat 'n totale trek van 21.7 lbs gee. Dit is hanteerbaar, maar met 'n hoër wrywing, of selfs meer boeiings, kan vinnig bereik oor duisende pond.

Vir meer akkurate analise gebruik ingenieurs metodes uit die IEEE Guide for Selecting and Installing Power Cables (IEEE 576) of sagteware wat rekening hou met kabel styfheid, jamming in verskeie-geleier trek, en dinamiese effekte tydens versnelling.

Gereedskap en tegnieke vir spanningbestuur

Meganiese trektoerusting

Winkels, capstan hysbakke en visbande is die primêre gereedskap vir draad trek. Vir groot geleiders, 'n FLT: 0 in trek grip soos 'n mandjie weef of Kellems grip versprei krag oor 'n langer lengte van die baadjie, vermy punt-laai wat deur die isolasie kan sny. Die greep moet effens agter die trekkop van die draad toegepas word om te voorkom dat die trek oog die hele lading neem.

Gesmorsingsstelsels en keuse

Die toepassing van die regte smeermiddel is net so belangrik as die beheer van trekkracht. Vir lang loop, kan outomatiese smeermiddelinspuiters aan die voedingskansel of periodieke handmatige toepassing voortdurend wrywing verminder. Watermiddels smeermiddels is algemeen, maar kan uitdroog in warm omstandighede of lang trekke, wat 'n kleefige oorblyfsel agterlaat. Silikoon- of polimeer smeermiddels duur langer, maar kan sekere kabeljasmateriaal beïnvloed. Verifieer altyd verenigbaarheid: poliuretaanjas kan swel wanneer dit aan sommige olies blootgestel word, en sommige smeermiddels kan XLPE-isolasie met verloop van tyd afbreek. Die FLT: 0 ANSI/NECA standaarde FLT: 1 bied riglyne vir smeermiddelkeuse en toepassingskoerse gebaseer op materiaal, tipe kabel en sleeplengte.

Trektegniek en beste praktyke

Hou 'n stabiele, stadige trekspoed, gewoonlik 5-10 voet / minuut vir groot kabels. Trigtige of vinnige begin veroorsaak impakkragte wat die draad stres en kan veroorsaak dat die trekgrip die jas laat gly of beskadig. Gebruik 'n trekglik wat draai om die leiers te voorkom, wat interne spanning kan skep en buigsaamheid kan verminder. Vir multiconductor kabels, hou die voer spoel in lyn met die geleiding as om te voorkom dat buig by die ingang punt. Wanneer jy buig om buig, het 'n werker voer die draad by die buig om wrywing te verminder en binding te voorkom. Dit is veral belangrik vir tight bends waar die capstan effek is sterker. Kommunikasie tussen die trek einde en die voer einde is noodsaaklik; tweerigting radio's of hand spanning seine voorkom koördinasie wat kan lei tot skielike spykers.

Veiligheid oorwegings en draad integriteit

Veiligheid tydens draad trek behels beide menslike faktore en materiaal grense. Meganiese risiko's sluit in tou breek onder spanning, wat 'n slaaggevaar wat ernstige besering kan veroorsaak, asook toerusting tip-overs en knippunte by winches en capstans.

Vanuit 'n materiaal oogpunt kan die oorskrywing van die draad se maksimum trekspanning 'n permanente verlenging veroorsaak. 'n Verlenging van 10% kan die kruisverdeling van 'n kopergeleier met ongeveer 10% verminder, die weerstand verhoog en die draagvermoë verminder. Dit kan lei tot oorverhitting by beëindigings en premature mislukking. Isolasiebeskadiging van kantwanddruk of afbreek kan nie ekstern sigbaar wees nie, maar kan swak punte skep wat na maande of jare na installasie tot kortsluitings lei.

Na trek, voer voortgesette toetse en isolasie weerstand toetse met behulp van 'n megger om te verifieer dat geen skade tydens trek plaasgevind het nie. 'n Betekenisvolle daling in isolasie weerstand in vergelyking met die basis van die vervaardiger dui op moontlike jakketskade. Dokumenteer die trek rekord, insluitend maksimum spanning lesings, smeermiddel gebruik en enige anomalies waargeneem, as deel van die kwaliteitsversekering proses vir die installasie.

Die gevolgtrekking

Die fisika van spanning en krag tydens draad trek direk beïnvloed projek sukses, koste en veiligheid. Deur die wrywing, die capstan effek, buiggeometriese en die meganiese grense van geleiders te verstaan, kan professionele mense trek wat risiko verminder en doeltreffendheid maksimeer. Die toepassing van die korrekte gereedskap, smeermiddels en tegnieke gebaseer op hierdie beginsels verseker dat die draad onbeskadig en gereed vir beëindiging by sy bestemming kom. Vir verdere lees oor kabel installasie praktyke, raadpleeg die NECT:0NECT:1, FLT:2, IEEE 576FLT:3 en bedryf handboeke van organisasies soos NECA en die Isolated Cable Engineers Association (AICE).