Pingete ja jõu põhifüüsika juhtme tõmbamisel

Traadi tõmbamine on kriitiline toiming elektriehituses, tööstuslikus tootmises ja telekommunikatsiooni infrastruktuuris. Iga kord, kui juht tõmmatakse läbi kanali või kaabel keermestatakse läbi maa-aluse kanali, määravad pinge ja jõu põhimõtted, kas paigaldus õnnestub või ei õnnestu. Halb tehnika toob kaasa kahjustatud juhtme, kahjustatud isolatsiooni või töötajate vigastuse. Käesolevas artiklis uuritakse pinge ja jõu taga olevat füüsikat traadi tõmbamisel, andes inseneridele, elektrikutele ja projektijuhtidele tehnilise aluse ohutuse parandamiseks, materjalijäätmete vähendamiseks ja töövoo optimeerimiseks.

]Tension on sisemine telgjõud, mis areneb mööda juhtmeid, kui see on tõmbekoormuse all. See toimib ühtlaselt üle juhi ristlõike ja venitab materjali elastselt, kuni voolavuspunkt on saavutatud. Ülemine voolavuspunkti põhjustab püsivat deformatsiooni; edasine suurenemine põhjustab kaela ja lõpuks purunemist. Jõud] on väline pingutus, mida rakendatakse tõmbe, haarde või käsitsi traadi liigutamiseks läbi kanali.

Staatilise või kvaasistaatilise traadi tõmmates, kus kiirendus on tühine, võrdub neto rakendatav jõud kõigi takistusjõudude summaga. Newtoni esimene seadus ütleb, et puhkeolekus olev objekt jääb paigale, kui seda ei mõjuta tasakaalustamata jõud. Seetõttu peab tõmbejõud ületama hõõrdumise, nõlvadel olevate gravitatsioonikomponentide ning paindetakistuse liikumise alustamiseks ja säilitamiseks. Liikudes on pinge igal pool traati kumulatiivne tulemus, mis tuleneb nendest takistusest alates tõmmates otsast kuni selle punktini. Selle nulljoone mõistmine võimaldab praktikutel ennustada, kus pinge võib süveneda, tavaliselt paindudes või tõmbepunktide lähedal, ning rakendada ennetavaid, näiteks tõmbepunktide arvu suurendamise meetmeid.

Põhilised füüsikalised põhimõtted, mis reguleerivad traadi tõmbamist

Newtoni teine seadus ja traadi kiirendamine

Kuigi traattõmbamisi tehakse tavaliselt väikese kiirusega, kehtib põhisuhe F = m·a. Tõmbejõud peab ületama nii takistuskoormuse kui ka traadi massi mis tahes kiirenduse. Praktikas on kiirendus väike, seega on domineerivaks terminiks takistusjõud. Käivitamisel puhkeolekust on staatiline hõõrdumine siiski suurem kui kineetiline hõõrdumine, mis nõuab tõmbejõus hetkelist tõusu. See oga võib olla oluline pikkade sõitude või raskete juhtide puhul. Näiteks 500- jala pikkune 500 kcmil pikkune vasest kaablijooks, mis kaalub umbes 1,6 lb/ft, nõuab esimese kaabli tõmbamise ajal 20-30% ületamist.

Stressi- ja tüvepiirid

Pinged tekitavad ]stressi , mis on määratletud kui jõud läbilõike pindalaühiku kohta (σ = F/A). Igal juhtmel on maksimaalne lubatav tõmbepinge, mida sageli nimetatakse protsendiks selle lõplikust tõmbetugevusest. Vasest juhtmete puhul on tüüpilised tõmbepinged vahemikus 40% kuni 60% katketugevusest, alumiiniumi madalamad väärtused on tingitud selle väiksemast plastilisusest ja suuremast libisemistundlikkusest. Tüvi, pikenemine ühiku pikkuse kohta, suureneb Hooke'i seaduse kohaselt elastlikus piirkonnas lineaarselt stressiga. Püsikahjustus tekib, kui ületab elastse piiri, põhjustades vähenenud juhtivus või väheneb näiteks katkemistakistuse tõttu 10% võrra.

Capstani efekt: pinge võimendus paindeil

Kui traat liigub ümber kurvi, on pinge väljamineval küljel suurem kui sissetuleval küljel. Selle eksponentsiaalse seose annab kapseni võrrand: T2 = T1 · e^(μ·θ), kus μ on hõõrdetegur ja θ on kogu kurvinurk radiaanides. Näiteks 90° kurv (π/2 radians) μ = 0,3 korrutab pinge ligikaudu 1,6. Mitu paindeid ühendavad selle efekti dramaatiliselt. Kolme 90° kurvi ja sama hõõrdeteguriga jooksmine näeb kokku e^(0,3 × 3π/2) ≈ 4,1 raadiust, mis on raskusastmega, mis on tõmbe raskusastmega (F) (F = 360° käände summaarde arv).

Hõõrdumine ja selle roll juhtme tõmmates vastupanu

Hõõrdumine on peamine takistusjõud traadi tõmbamisel. See tekib kokkupuutest traatjaki ja juhtme sisepinna vahel. Hõõrdumisjõud F f = μ · N on normaalne jõud, mis surub traadi vastu juhtme seina. Normaalne jõud tuleneb traadi raskusest ja külgjõududest, kui traat on sunnitud vastu paindeid või nihkeid. Hõõrdumise mõju ei saa üle hinnata; paljudes pikkades, sirgetes horisontaalsetes tõmbetes moodustab hõõrdumine 80–90% kogutakistusest.

Hõõrdeväärtuste koefitsient

Koefitsient μ sõltub kontaktis olevatest materjalidest. Kuivade tingimuste tüüpilised väärtused on järgmised:

  • PVC kanal PVC-jakiga kaabliga: μ ≈ 0,4–0,6
  • PVC-jakiga teraskanal: μ ≈ 0,35–0,55
  • Alumiiniumkanal PVC-jakiga: μ ≈ 0,3–0,5
  • Määrdepinnad: μ võib langeda 0,05–0,15-ni

Õli tõmbava kommertstraadi kasutamine vähendab μ-d märkimisväärselt, vähendades pinget ja vältides pintsaku hõõrdumist. Määrdeaine valik peaks sobima nii juhtmematerjali kui ka kaablijakiga, et vältida keemilist lagunemist. Näiteks naftapõhised määrdeained võivad põhjustada turset teatud kummijakkides, samas kui veepõhised määrdeained võivad kuumades keskkondades aurustuda, jättes jääke, mis suurendavad hõõrdumist pikkade tõmbude ajal.

Gravitatsiooniefektid kaldus ja vertikaalne jooksud

Kaldjuhtmete puhul lisab kallakuga paralleelne traadi kaal vajalikule tõmbejõule või lahutab sellest. Horisontaalsel katsel annab kaal panuse ainult normaalsele jõule. Vertikaalsel või kaldsõidul peab tõmbejõud lisaks hõõrdumisele ületama ka mg·sin( θ). Vertikaalsel tõmblukul ripub kaabli täiskaal tõmbepunktist, mis võib lisada sadu kilosid pinget. Näiteks tekitab 100- jala pikkune vertikaalne 4/ 0 vaskkaabli töötamine, mis kaalub umbes 0,6 lb/ft, ainuüksi raskusjõust lisapinge 60 naela. Seetõttu on kõrgetel rakendustel sageli vaja ka vahehaardeid või tõmbejõudu.

Juhtme painde ja geomeetria mõju

Juhtme paindumine toob kaasa täiendava hõõrdumise ja jõu ümbersuunamise. Iga kurvi füüsika hõlmab nii hõõrdumist kui ka kapstani efekti. Juhtme tõmbamine läbi kõveriku, kus see surub vastu kurvi siseseina. Normaalne jõud suureneb koos pinge endaga, tekitades tagasisideahela: suurem pinge viib kõrgema normaaljõuni, mis suurendab pinget veelgi. See iset tugevdav tsükkel ongi see, miks kurvid on kõige tavalisem koht, kus tõmmates varisema või kaablid kahjustuma.

Külgseina rõhk ja kurviraadius

Külgseina rõhk (SWP) juhtmel kurvi juures on antud valemiga SWP = T / R, kus T on pinge kurvi juures ja R on painderaadius. Kõrge külgseina rõhk võib isolatsiooni purustada või juhtme deformeerida. Paljud kaablitootjad määravad maksimaalse SWP, tavaliselt umbes 150- 300 naela kurviraadiuse tolli kohta. Suurema kurviraadiuse kasutamine vähendab SWP- d ja võimaldab suuremaid tõmmutuspingeid ilma kahjustusteta. Standardsete EMT kanal kurvides on raadius ligikaudu 4-6 korda kanali läbimõõt, kuid väljakäänd võivad olla tihedamad. Näiteks 2-tollisel EMT kanali standardne kaabel on pinge, mis on raadiusega umbes 100 b tolli raadiuses, mis on raadiusega kuni 150 b tolli.

Mitmed painduvad ja tõmbavad kasti

Ülemäärase pinge tekkimise vältimiseks nõuavad ehituskoodid tõmbekast või tõmbepunkti pärast iga kumulatiivset 360- kraadist kurvi. Pikas perspektiivis võimaldavad vahepealsed tõmbepunktid pinge nullida igas kastis. Mitmekihilise töö pinge arvutamiseks on vaja summeerida panused metoodiliselt: alustada otsast, kus juhtmestik rullilt välja tuleb, ning lisada igale kurvile pinge juurde astmed, kasutades kapstani võrrandit, pluss sirge lõigu hõõrdumine. Tavaline lähenemine on "kumulatiivne pinge" meetod, mida kasutatakse tarkvaras nagu Pull- Planner ja mida kirjeldatakse IEEE 399 (Pruun raamat) - jooksudel, isegi sirged lõigud võivad olla olulised ja vahepealsed.

Praktilised pinge- ja jõuarvutused

Sirge horisontaallõike puhul on hõõrdumisest tulenev pingeosa T = μ · w · L, kus w on traadi kaal ühikupikkuse kohta ja L on pikkus. Mitme juhi puhul on w kogukaal. Vertikaalsete või kallakuga sektsioonide puhul lisa w·L·sin(θ). Kurvi korral korruta sissetulev pinge e^(μ·θ) väljamineva pingega. Nõutav kogutõmbejõud on kõigi segmendi panuste summa, alustades kaugemast otsast ja töötades tõmbeotsa suunas.

Üksikasjalik näide illustreerib, kuidas väikesed pinged õhupalli dramaatiliselt: Kaaluge 150 jalga 3/C # 10 vaskkaabli horisontaalset jooksu, mis kaalub 0, 1 lb/ft teraskanalis, kus μ = 0, 4. Sirge ristlõike hõõrdepinge on T0 = 0, 4 × 0,1 × 150 = 6 naela. Nüüd lisage kaks 90° painet (θ = π/2 iga). Esimese painde jaoks, mille sissetulev pinge on 6 naela, on väljamine pinge T1 = 6 × e^(0,4 × π/2) = 6 × 1,87 = 11,2 naela. Teise painde jaoks on T2 = 11.2 × 1,87 = 20,9 lbs, mis on pinge 20 × 1,1 lb,1 on vahetult suurem,1 lb pärast seda, kui on 20 × 1,1 lb,1 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Täpsema analüüsi jaoks kasutavad insenerid meetodeid, mis on pärit ]IEEE juhendist toitekaablite valimiseks ja paigaldamiseks (IEEE 576) või tarkvara, mis arvestab kaabli jäikust, segamist mitmejuhiliste tõmbede korral ja dünaamilisi mõjusid kiirenduse ajal.

Tööriistad ja tehnikad pingete haldamiseks

Mehaanilised tõmbeseadmed

Vintsid, kpsstanitõstukid ja kalalindid on peamised tööriistad traadi tõmbamiseks. Suurte juhtide jaoks jaotab ] sissetõmbav haarde, näiteks korvi kudu või Kellemsi haardejõud pintsaku pikemale pikkusele, vältides punktlaadimist, mis võiks isolatsiooni läbi lõigata. Haard tuleb rakendada veidi traadi tõmmates pea taha, et tõmmake silm ei võtaks kogu koormust. FLT: 2]]Tensionomeetrid[[[[[ FLT:3]] või koormuselemendid annavad reaalajas tagasisidet, mis võimaldab operaatoril jääda turvalistesse piiridesse.

Määrdesüsteemid ja valik

Õige määrdeaine rakendamine on sama oluline kui tõmbejõu juhtimine. Pikal sõidul vähendavad automaatsed määrdesüstid etteandeotsas või perioodiliselt manuaalselt hõõrdumist pidevalt. Veepõhised määrdeained on tavalised, kuid võivad kuumades tingimustes või pikkades tõmmistes kuivada, jättes kleepuva jääki. Silikoonipõhised või polümeerist määrdeained kestavad kauem, kuid võivad mõjutada teatud kaablijaki materjale. Kontrolli alati ühilduvust: polüuretaanjakid võivad teatud õlidega kokku puutudes paisuda ja mõned määrdeained võivad aja jooksul XLPE isolatsiooni halvendada.

Tõmbetehnika ja parimad tavad

Säilitada stabiilne, aeglane tõmbekiirus, tavaliselt 5-10 jalga/ min suurte kaablite puhul. Jerky või kiired käivitused tekitavad löökjõude, mis rõhuvad juhtmele ja võivad põhjustada tõmmise haardumise libisemist või kahjustamist. Pöörake tõmbesilma, et vältida juhtmete väänamist, mis võib tekitada sisemisi pingeid ja vähendada paindlikkust. Mitmejuhtkaablite puhul hoidke voopooli kanali teljega joondatud, et vältida painutamist sisenemispunktis. Kurvides lase töötajal juhtme kurvis toita, et vähendada hõõrdumist ja vältida sidumist. See on eriti oluline tihedate painde korral, kui kapsakaitsme väärmõju on kahe olulise otsatuse korral.

Turvalisusega seotud kaalutlused ja juhtme terviklikkus

Mehaaniliste ohtude hulka kuuluvad pinge all olevad trossimurded, mis võivad põhjustada tõsiseid vigastusi, samuti seadmete otsad ja näpuotsad vintside ja kpslite juures. Nõuetekohase isikukaitsevahendi hulka kuuluvad kindad, mis kaitsevad kulumise ja lõigete eest, silmakaitse lendava prahi eest, kui köis või haare ei tööta, ja kõvad mütsid kohtades, kus on oht pea kohal.

Materiaalsest seisukohast võib traadi ] maksimaalne tõmbepinge ületamine põhjustada püsivat pikenemist. 10%line pikenemine võib vähendada vaskjuhi ristlõikepinda umbes 10% võrra, suurendades takistust ja vähendades voolu kandevõimet. See võib põhjustada ülekuumenemist lõpplõigetel ja enneaegset riket. Külgseina rõhust või kulumisest tingitud isolatsioonikahjustus ei pruugi olla väliselt nähtav, kuid võib tekitada nõrku punkte, mis viivad lühikeste vooluahelateni kuude või aastate jooksul pärast paigaldamist. Alati vaata kaabli tootja andmelehelt maksimaalse pinge ja külgseina rõhu piirväärtuste kohta.

Pärast tõmbamist tuleb pistiku abil teha pidevuskatsed ja isolatsioonitakistuse katsed, et kontrollida, et tõmmise ajal ei tekkinud kahjustusi. Isolatsioonitakistuse märkimisväärne langus võrreldes tootja baastasemega viitab võimalikule pintsakukahjustusele. Paigaldamise kvaliteedi tagamise protsessi osana dokumenteerida tõmbeandmed, sealhulgas maksimaalse pinge näitude, kasutatud määrdeaine ja täheldatud kõrvalekallete kohta.

Järeldus

Pinge ja jõu füüsika traadi tõmbamisel mõjutab otseselt projekti edukust, maksumust ja ohutust. Mõistdes hõõrdumist, kapseni efekti, paindegeomeetriat ja juhtide mehaanilisi piire, saavad spetsialistid planeerida tõmmeid, mis minimeerivad riske ja maksimeerivad tõhusust. Õigete tööriistade, määrdeainete ja nendel põhimõtetel põhinevate tehnikate rakendamine tagab, et traat jõuab sihtkohta kahjustamata ja valmis lõpetamiseks. Kaabellevi paigaldustavade kohta vaata lähemalt ]NEC[[, IEEE 576[[[[[] ja tööstuskäsiraamatuid sellistelt organisatsioonidelt nagu NECA ja Insuleeritud Insenerid (AICE).