Table of Contents

Основната физика на напрежение и сила при дърпане на тел

При всеки издърпване на проводник през тръбопровод или кабел се прорязва през подземния канал, принципите на напрежение и сила определят дали инсталацията успява или не. Лошата техника води до повредена жица, компрометирана изолация или нараняване на работниците. Тази статия изследва физиката зад напрежение и сила при изтегляне на проводници, създавайки инженери, електротехници и проектни мениджъри техническа основа за подобряване на безопасността, намаляване на материалните отпадъци и оптимизиране на работния поток.

Напрежение е вътрешната аксиална сила, която се развива по жицата, когато е подложена на теглещ товар. Тя действа равномерно през напречното сечение на проводника и разтяга материала еластично, докато точката на добива се достигне. Превишаването на точката на добива причинява постоянна деформация; допълнително увеличаване води до натискане и евентуално счупване. Форс е външното усилие, приложено чрез дърпане на захвата, лебедка или ръчно усилие за преместване на проводника през проводника. Връзката между приложената сила, вътрешното напрежение и резистентиращите сили определя изхода от притеглянето.

В статично или квазистатично жично дърпане, където ускорението е незначително, нетната приложена сила се равнява на сумата от всички съпротивителни сили. Първият закон на Нютон гласи, че обект в покой остава в покой, освен ако не е действал с небалансирана сила. Следователно, дърпащата сила трябва да надвишава комбинираното съпротивление от триене, гравитационни компоненти на наклони, и съпротивлението на завоя да се инициира и поддържа движение. Веднъж движещо се, напрежението по протежение на жицата е кумулативният резултат от тези съпротиви от дърпащия край до тази точка. Разбирането на тази базова линия позволява на практикуващите да предскажат къде напрежението може да се увеличи, обикновено при завои или близо до дърпащия край, и да вземат превантивни мерки като например използването на смазочни материали или увеличаване на броя на точките на дърпане.

Основни физически принципи, управляващи изтеглянето на проводници

Вторият закон на Нютон и ускорението на проводника

Въпреки че теглителните връзки обикновено се извършват при ниска скорост, основната връзка F = m·a се прилага. При дърпащата сила трябва да преодолее както съпротивлението на товара, така и всяко ускорение на масата на проводника. На практика ускорението е малко, така че доминиращата стойност е резистентната сила. При стартирането от почивката обаче, статичното триене е по-високо от кинетичното триене, изискващо моментно увеличаване на дърпащата сила. Този скок може да бъде значителен за дългите писти или тежките проводници. Например, 500-футоков пробег на 500 kcmil меден кабел с тегло приблизително 1.6 lb/ft изисква преодоляване на статично триене, което може да надхвърли кинетично триене с 20-30%. Операторите трябва да отчитат този първоначален скок, за да се избегне пренапреварване на кабела през първите няколко секунди от дърпането.

Ограничения на стреса и стреса

Напрежението създава стрес, дефиниран като сила на единица площ на напречно сечение (σ = F/A). Всеки проводник има максимално допустим стрес на опън, често определен като процент от крайната си якост на опън. За медни проводници, типичното напрежение на дърпане варира от 40% до 60% от якостта на счупване, с по-ниски стойности за алуминий, поради ниската си канализация и по-висока чувствителност към пълзене. Щам, удължението на единица дължина, увеличава линейно със стрес в еластичния район, както е описано от закона на Hooke. Постоянна вреда се случва, ако еластичната граница е превишена, причинявайки намалена проводимост или изолация пукнатини. Например, 10% удължение в меден проводник може да намали площта си на напречно сечение, достатъчно, за да увеличи съпротивлението с приблизително 10%, което води до прегряване при прекратяване.

Capstan Ефект: Напрежение Усилване на огъване

Когато проводникът преминава около завой, напрежението от изходящата страна е по-голямо от това от входящия. Тази експоненциална връзка се дава от уравнението на капстан: T2 = T1 · e^(μ·θ), където μ е коефициентът на триене и θ е общият ъгъл на завоя в радиани. Например, 90° завой (π/2 радиани) с μ = 0,3 multiplices напрежение с приблизително 1.6. Множество завои компилират този ефект драстично. A run with three 90° bends and the same rifter equice would see a top total microulity of e^(0.3 × 3π/2) . . . Ето защо строителните кодове, като Национален електрически кодекс (NEC), ограничават общия ъгъл между дърпащите кутии до не 360 градуса.

Пързаляне и ролята му в съпротивлението при дърпане на кабели

Извличането е основната сила на съпротивлението при изтегляне на проводника. То възниква от контакта между жицата и вътрешната повърхност на проводника. Триене сила F f = μ · N, където N е нормалната сила, притискаща проводника към стената на проводника. Нормалната сила идва от тежестта на проводника поради тежестта и страничните сили, когато проводникът е принуден срещу завои или компенсации. Въздействието на триене не може да бъде преувеличено; в много дълги, прави хоризонтални дърпания, триене представлява 80-90% от общата устойчивост.

Коефициент на триене

Коефициентът μ зависи от материалите в контакт. Типичните стойности за сухи условия включват:

  • PVC кабел с PVC-жилетка: μ гофрира.
  • Стоманени тръби с PVC яке: μ . 5555
  • Алуминиеви тръби с PVC яке: μ гофрирани
  • Смазочни повърхности: μ може да падне до . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

С помощта на търговски проводник дърпат смазка намалява μ значително, намаляване на напрежението и предотвратяване на ожулване на якето. Смазката селекция трябва да съответства както на материала на проводника и кабелната обвивка, за да се избегне химическо разграждане. Например, петролни смазочни материали могат да причинят подуване в някои гумени якета, докато водни смазочни материали могат да се изпаряват в горещи среди, оставяйки остатък, който увеличава триене над дълги издърпвания.

Гравитационни ефекти върху наклонени и вертикални течения

При наклонените проводници, частта от тежестта на проводника, успоредна на наклона, добавя или изважда от необходимата сила на дърпане. За хоризонтално движение теглото допринася само за нормалната сила. За вертикално или наклонено движение, притеглящата сила трябва да преодолее mg·sin(θ) в допълнение към триенето. При вертикалното издигане цялото тегло на кабела виси от точката на изтегляне, което може да добави стотици килограми напрежение. Например, 100-футов вертикален пробег от 4/0 меден кабел с тегло около 0.6 lb/ft създава допълнително 60 паунда напрежение от гравитацията само. Ето защо междинните подпори или дърпащи ръкохватки често се изискват при високи приложения на възходящия.

Въздействие на кондуитните огради и геометрията

Физиката на всеки завой включва триене и кабестанов ефект. Кабелът трябва да се издърпа през извит път, където той притиска вътрешната стена на завоя. Нормалната сила се увеличава със самото напрежение, създавайки обратна връзка: по-високото напрежение води до по-висока нормална сила, което увеличава триенето, което допълнително повишава напрежението. Този цикъл на самонасилване е защо се огъват най-честото място за дърпане, за да се забави или за кабели да се повреди.

Странично налягане и наклон на радиуса

Налягането на страничната стена (SWP) върху проводника при завой се дава от SWP = T / R, където T е напрежението при завоя и R е радиусът на завоя. Високото странично налягане може да смаже изолацията или деформира проводника. Много производители на кабел определят максимален SWP, обикновено около 150-300 lbs на инч радиус на завоя. Използването на по-голям радиус на завоя намалява SWP и позволява по-високо дърпане на напрежението без повреди. Стандартните EMT тръби имат радиус приблизително 4-6 пъти диаметъра на проводника, но полевите завои могат да бъдат по-строги. Например, 2 инчов EMT канал има стандартен радиус на завоя от около 8 инча. Ако напрежението при този завой е 1200 lbs, SWP е 150 lbs/in, който е на горната граница за много кабели. Увеличаване на завоя до 12 инча ще падне SWP до 100 ls/in, осигурявайки много по-безопасен марж.

Множество огъвания и дърпане на кутията

За да се предотврати прекомерното натрупване на напрежение, строителните кодове изискват изтегляне на кутии или точки след всяка кумулативна 360 градуса на завои. В дългите писти междинните точки на изтегляне позволяват на напрежението да се нулира до нула във всяка кутия. Изчисляването на напрежението за многостепенен пробег изисква summing вноски методично: започнете от далечния край, където жицата излиза от шпулата, и добавете увеличаване на напрежението на всеки завой, използвайки уравнението капстан, плюс триене прав разрез между завоите. Общ подход е методът "кумулативен натиск," използван в софтуер като Pull-Planner и описан в IEE 399 (Кафявата книга). За писти, надвишаващи 1000 фута, дори прави раздели могат да натрупат значително триене, и междинните точки на изтегляне стават необходими независимо от броя на завоите.

Практически изчисления на напрежение и сила

За права хоризонтална секция, напрежението от триене е T = μ · w · L, където w е теглото на единица дължина на проводника и L е дължината. За множество проводници, w е общото тегло. За вертикални или наклонени секции, добавете w·L·sin(θ). При завой, умножавайте входящия товар по e^(μ·θ) за изходящото напрежение. Общата сила на изтегляне е сумата от всички сегменти вноски, започващи от далечния край и работещи към дърпащия край.

Детайлен пример илюстрира как лекото напрежение балон драматично: Сега се помислете за 150 фута хоризонтален пробег от 3/C #10 меден кабел с тегло 0.1 lb/ft в стоманен тръбопровод с μ = 0.4. Напрежението на триене в права секция е T0 = 0.4 × 0.1 × 150 = 6 lbs. Сега добавете два 90° завоя (θ = π/2 всеки). За първия завой с входно напрежение от 6 lbs, изходящото напрежение T1 = 6 × e^(0.4 × π/2) = 6 × 1.87 = 11.2 lbs. За втория завой T2 = 11.2 × 1.87 = 20,9 lbs. Ако има допълнително 20 фута права секция след втория завой, добавете още 0.4 × 0.1 × 20 = 0.8 lbs. Това е управляемо, но с по-тежък кабел, или по-големи завои, напрежение бързо достига стотици или хиляди от килограмате.

За по-точен анализ инженерите използват методи от IEEE Guide за избор и инсталиране на захранващи кабели (IEEE 576) или софтуер, който се отнася за скованост на кабела, заглушаване на многопроводните притегляния и динамични ефекти по време на ускорението.

Инструменти и техники за управление на напрежението

Механично дърпащо оборудване

За големи проводници, плъзгаща глава на проводника като например дръжка на коша или захващане на калници разпределя сила върху по-дълга дължина на якето, като избягва откъсване на точката, което може да се отреже през изолацията. Захватът трябва да се прилага леко зад дърпащата глава на проводника, за да се предотврати дърпането на окото от цялото натоварване. Тензорни метри или товарните клетки осигуряват обратна връзка в реално време, което позволява на оператора да остане в безопасни граници. Модерните единици се свързват към смартфони чрез Bluetooth за сечови профили на напрежение и изпраща сигнали при превишаване на праговете. Използването на измервателен уред не е опционално за критични инсталации; това е единственият начин да се провери, че дърпащите сили остават в рамките на спецификациите на производителя през цялото изтегляне.

Смазочни системи и селекция

За дълги разстояния автоматичните смазочни инжектори в края на захранването или периодичното ръчно приложение намаляват триенето непрекъснато. Водоструйните смазочни материали са често срещани, но могат да изсъхнат при горещи условия или дълги издърпвания, оставяйки лепкав остатък. Силиконовите или полимерни смазочни материали продължават по-дълго, но могат да повлияят на някои материали от кабелната обвивка. Винаги проверявайте съвместимостта: полиуретановите якета могат да се набъбнат при излагане на някои масла, а някои смазочни материали могат да разграждат изолацията на XLPE с течение на времето. стандартите на ANSI/NECA осигуряват насоки за избор на смазочни материали и скорости на приложение въз основа на материала на проводника, вида на кабела и дължината на изтегляне.

Издърпване на техника и най-добри практики

Поддържайте постоянна, бавна скорост на притегляне, обикновено 5-10 фута/мин за големи кабели. Jerky или бързо започва да създава удар сили, които стрес на проводника и може да предизвика дърпане на захлъзване за плъзгане или повреда на якето. Използвайте дърпане на очи, които се въртят, за да се предотврати усукване на проводниците, които могат да създадат вътрешни напрежения и да намалят гъвкавостта. За многопроводни кабели, поддържайте захранващата шпула, подравнена с оста на проводника, за да се избегне огъване в точката на влизане. При дърпане на завоите, има работник, който подава жицата на завоя, за да намали триенето и да предотврати свързването. Това е особено важно за тесните завои, където капстановия ефект е най-силен. Комуникацията между дърпащия край и захранващия край е от съществено значение; двупосочното радио или ръчни сигнали предотвратяват погрешното свързване, което може да доведе до внезапни наклони.

Обмисли и почтеност на безопасността

Безопасността при изтегляне на кабелите включва както човешки фактори, така и материални ограничения. Механични опасности включват разкъсвания на въжета под напрежение, които създават опасност от удар, която може да причини тежки наранявания, както и оборудване, което включва върхове и точки на захващане при лебедки и капстани. Правилното лично защитно оборудване включва ръкавици за защита от ожулване и нарязване, защита от летене на отломки, ако въжето или ръкохватката не се получи, и твърди шапки в райони с надземни опасности.

От гледна точка на материала, надвишавайки максимално напрежение на проводника , максимално напрежение на изтегляне може да причини трайно удължение. 10% удължение може да намали площта на проводника на мед с приблизително 10%, увеличавайки съпротивлението и намалявайки капацитета на токопреносимостта. Това може да доведе до прегряване при прекратяване и преждевременно прекъсване. Повредяването на изолацията от страничното налягане или абразивното износване може да не се вижда външно, но може да създаде слаби точки, които да доведат до къси вериги месеци или години след монтажа. Винаги се отнася до листата с данни на производителя на кабела за максимално напрежение и граници на страничното налягане. Тези стойности варират значително между видовете кабелни кабели; например, кабели със средно напрежение с плътна изолация имат по-ниски граници на напрежението от жицата на ниско напрежение.

След изтегляне, извършване на тестове за непрекъснатост и изпитване на съпротивлението на изолацията, използвайки мегамер, за да се провери, че не е имало повреда по време на издърпването. Значителен спад в съпротивлението на изолацията в сравнение с изходното ниво на производителя показва възможно увреждане на якето. Документирайте записите за изтегляне, включително максимално напрежение, използвани смазочни материали, както и всички наблюдавани аномалии, като част от процеса на осигуряване на качеството на инсталацията.

Заключение

Физиката на напрежение и сила по време на жица дърпане пряко засяга успеха на проекта, разходите и безопасността. Чрез разбиране триене, капстан ефект, огъване геометрия, и механичните граници на проводниците, професионалистите могат да планират дърпа, че минимизира риска и максимизиране на ефективността. Прилагането на правилните инструменти, смазочни материали, и техники, базирани на тези принципи гарантира, че жицата пристига на местоназначението си неповреден и готов за прекратяване. За по-нататъшно четене на кабелни инсталационни практики, консултирайте се с NEC, IEEE 576[, и индустриални ръководства от организации като NECA и Изолационните кабелни инженери асоциация (ICEA).