Základné fyzika napätia a sily v ťahaní drôtov

Ťahanie drôtu je kritická prevádzka cez elektrickú konštrukciu, priemyselnú výrobu a telekomunikačnú infraštruktúru. Vždy, keď je vodič ťahaný cez spojku alebo kábel je závitový cez podzemné potrubie, zásady napätia a sily určujú, či inštalácia uspeje alebo zlyhá. Nedostatočná technika vedie k poškodeniu drôtu, k narušeniu izolácie alebo zranenia pracovníkov. Tento článok skúma fyziku za napätím a silou počas ťahania drôtu, dáva inžinierom, elektrikárom a projektovým manažérom technickú základňu na zlepšenie bezpečnosti, zníženie plytvania materiálom a optimalizáciu pracovného postupu.

Tenzia je vnútorná axiálna sila, ktorá sa vyvíja pozdĺž drôtu, keď je vystavený ťažnému zaťaženiu. Pôsobí rovnomerne cez prierez vodiča a pružne naťahuje materiál, až kým sa nedosiahne medza výťažnosti. Presahovanie medze výťažnosti spôsobuje trvalú deformáciu; ďalšie zvyšovanie vedie k vyklčovaniu a prípadnému pretrhnutiu. [Force je vonkajšia sila pôsobiaca cez ťažnú priľnavosť, navijak alebo manuálne úsilie na pohyb drôtu cez spojnicu. Vzťah medzi aplikovanou silou, vnútorným napätím a odporovými silami určuje výsledok ťahu.

V statickom alebo kvázistatickom ťahaní drôtu, kde je zrýchlenie zanedbateľné, sa čistá sila rovná súčtu všetkých odporových síl. Newtonov prvý zákon uvádza, že objekt v pokoji zostáva v pokoji, ak nie je činný nevyváženou silou. Preto ťažná sila musí prekročiť kombinovaný odpor trenia, gravitačných komponentov na svahoch a odolnosť proti ohybu na iniciovanie a udržanie pohybu. Po pohybe napätie v ktoromkoľvek bode pozdĺž drôtu je kumulatívnym výsledkom týchto odporov od vyťahovacieho konca k tomuto bodu. Pochopenie tejto základnej hodnoty umožňuje lekárom predvídať, kde napätie môže kliknúť, zvyčajne na ohyby alebo blízko ťažného konca, a prijať preventívne opatrenia, ako je použitie mazivá alebo zvýšenie počtu ťahových bodov.

Základné fyzikálne princípy riadenia ťahania drôtu

Druhý Newtonov zákon a zrýchlenie káblov

Hoci sa ťahanie drôtu vykonáva pri nízkej rýchlosti, základný vzťah [F = m·a] sa uplatňuje. Ťažná sila musí prekonať aj odporové zaťaženie a akékoľvek zrýchlenie hmotnosti drôtu. V praxi je zrýchlenie malé, takže dominantným pojmom je odporová sila. Pri štarte z odpočinku však statické trenie je vyššie ako kinetické trenie, ktoré si vyžaduje momentálny hrot ťažnej sily. Tento hrot môže byť významný pre dlhé behy alebo ťažké vodiče. Napríklad, 500-noha chod 500 kcmil medeného kábla váži približne 1,6 lb/ft vyžaduje prevýšenie statického trenia, ktoré môže presiahnuť kinetické trenie o 20-30%. Operátor musí brať do úvahy tento počiatočný prepätie, aby sa zabránilo prestreknutiu kábla počas prvých niekoľkých sekúnd ťahania.

Stres a medzné hodnoty napätia

Napätie vytvára [stres[], definovaný ako sila na jednotku prierezovej plochy (σ = F/A). Každý drôt má maximálne prípustné napätie v ťahu, často špecifikované ako percento jeho konečnej pevnosti v ťahu. Pre medené vodiče sa typické napätie pohybuje od 40% do 60% pevnosti pri pretrhnutí, s nižšími hodnotami pre hliník kvôli jeho nižšej káblovej odolnosti a vyššej náchylnosti na prekrvenie. Kŕmenie, predĺženie na jednotku dĺžky, zvyšuje lineárne so záťažou v oblasti pružnosti, ako je opísané Hookovým zákonom. Trvalé poškodenie nastáva, ak je prekročený elastický limit, čo spôsobuje zníženú vodivosť alebo izolačné trhliny. Napríklad 10% predĺženie v medenom vodiči môže znížiť jeho prierezovú plochu natoľko, aby sa zvýšila odolnosť o približne 10%, čo vedie k prehriatiu pri ukončení.

Vplyv napätia: Zosilnenie napätia v ohyboch

Keď drôt prechádza okolo zákruty, napätie na odchádzajúcej strane je väčšie ako na prichádzajúcej strane. Tento exponenciálny vzťah je daný rovnicou kapstanu: T2 = T1 · e^ (μ·θ), kde μ je koeficient trenia a θ je celkový uhol ohybu radiánov. Napríklad 90° ohyb (π/2 radiány) s μ = 0,3 násobí napätie približne o 1.6. Viac ohybov zlúčeniny tento efekt dramaticky. Beh s tromi 90° ohyby a rovnaký koeficient trenia by vidieť celkový násobiteľ e^ (0,3 × 3π/2)

Trenie a jeho úloha pri ťahaní drôtu odpor

Trenie je hlavnou odporovou silou pri ťahaní drôtu. Vzniká z kontaktu medzi drôtenou bundou a vnútornou plochou spojnice. Trecia sila F f = μ · N, kde N je normálna sila lisovaná drôtom proti stene spojnice. Normálna sila pochádza z hmotnosti drôtu z dôvodu gravitácie a z bočných síl, keď je drôt nútený proti ohybom alebo vychýleniam. Vplyv trenia nemožno preceniť; v mnohých dlhých, priamych horizontálnych ťahoch, trenie predstavuje 80-90% celkového odporu.

Koeficient trecích hodnôt

Koeficient μ závisí od materiálu, ktorý je v kontakte s materiálom. Typické hodnoty pre suché podmienky zahŕňajú:

  • PVC spojka s PVC káblom: μ
  • Oceľové potrubie s PVC bundou: μ
  • Hliníkové potrubie s PVC bundou: μ , 0, 3 , 0. 5
  • Lubrikované povrchy: μ môže klesnúť na 0,05

Použitie []komerčné vedenie ťahanie mazivo významne znižuje μ, znižuje napätie a zabraňuje abrázii bundy. Selektívna voľba mazadiel by mala zodpovedať ako materiálu žliabky a káblovej bunde, aby sa zabránilo chemickému rozkladu. Napríklad mazivá na báze ropy môžu spôsobiť opuch niektorých gumových viest, zatiaľ čo mazivá na báze vody sa môžu vyparovať v horúcom prostredí, takže zvyšky, ktoré zvyšujú trenie na dlhých ťahoch.

Účinky gravitácie na sklonené a vertikálne behy

Na naklonených spojovkách, zložka hmotnosti drôtu rovnobežná so sklonom pridáva alebo odčíta od požadovanej ťahovej sily. Pre horizontálny chod hmotnosť prispieva len k normálnej sile. Pri vertikálnom alebo sklonenom chode musí ťažná sila prekonať okrem trenia aj mg/sin (θ) aj ťah. Vo vertikálnom stúpaní visí plná hmotnosť kábla od ťažného bodu, ktorý môže pridať stovky libier napätia. Napríklad 100-nohý vertikálny beh medeného kábla s hmotnosťou približne 0,6 lb/ft vytvára ďalších 60 libier napätia od samotnej gravitácie. To je dôvod, prečo sú stredné podpery alebo ťahové rukoväte často potrebné vo vysokých stúpacích aplikáciách.

Vplyv konduitových ohybov a geometrie

Krútiaci sa ohyby zavádzajú ďalší trecí kontakt a presmerovanie sily. Fyzika pri každom ohybe zahŕňa trenie a efekt kapstanu. Drôt musí byť ťahaný cez zakrivenú cestu, kde sa tlačí proti vnútornej stene ohybu. Normálna sila sa zvyšuje samotným napätím, vytvára spätnú väzbu: vyššie napätie vedie k vyššej normálnej sile, ktorá zvyšuje trenie, čo zvyšuje napätie ďalej. Tento samovymáhací cyklus je dôvod, prečo ohyby sú najčastejším miestom pre ťahanie do stánku alebo pre káble, ktoré sa majú poškodiť.

Tlak bočnej steny a polomer ohybu

Tlak bočnej steny (SWP) na drôte pri ohybe je daný SWP = T / R, kde T je napätie v ohybe a R je polomer ohybu. Vysoký tlak bočnice môže rozdrviť izoláciu alebo deformovať vodič. Mnoho výrobcov káblov udáva maximálny SWP, zvyčajne okolo 150-300 lbs na palec polomer ohybu. Použitie väčšieho polomeru ohybu znižuje SWP a umožňuje vyššie napätie pri ťahaní bez poškodenia. Štandardné EMT vedenia ohýba polomer približne 4-6 krát priemer vedenia, ale poľa ohýbanie môže byť tesnejšie. Napríklad 2-palcový EMT spojnica má štandardný polomer ohybu asi 8 palcov. Ak napätie pri ohybe je 1 200 lbs, SWP je 150 lbs/in, čo je v hornej hranici mnohých káblov. Zvýšenie polomeru ohybu na 12 palcov by pokleslo SWP na 100 lbs/in, poskytuje oveľa bezpečnejšie rozpätie.

Viacnásobné ohyby a umiestnenie pull boxu

Aby sa zabránilo nadmernému napínaniu, stavebné kódy vyžadujú ťahacie boxy alebo ťahať body po každom kumulatívne 360 stupňov ohybov. V dlhých behoch, stredné ťahové body umožňujú napätie resetovať na nulu v každom boxe. Výpočet napätia pre viac-stenný beh vyžaduje suming príspevky metodicky: štart od vzdialeného konca, kde drôt prichádza z cievky, a pridať zvýšenie napätia pri každom ohybe pomocou capstan rovnice, plus rovný rez trenie medzi ohybmi. Spoločný prístup je "kumulatívne napätie" metóda používaná v softvéri ako Pull-Planner a je opísaná v IEEE 399 (hnedá kniha). Pre beží viac ako 1000 stôp, dokonca aj rovné úseky môžu hromadiť značné trenie, a stredné ťahy sa stávajú nevyhnutnými bez ohľadu na počet ohybov.

Praktické výpočty napätia a sily

Pre rovný horizontálny úsek je ťažný príspevok trenia T = μ · w · L, kde w je hmotnosť na jednotku dĺžky drôtu a L je dĺžka. Pre viac vodičov je w celková hmotnosť. Pre vertikálne alebo sklonové úseky pridajte w·L·sin (θ). Pri ohybe vynásobte prichádzajúce napätie e^ (μ·θ) pre odchádzajúci tlak. Celková požadovaná ťažná sila je súčet všetkých úhrnov segmentu, počnúc od vzdialeného konca a pracujúc smerom k ťažnému koncu.

Podrobný príklad ilustruje, ako sa dramaticky namáhavý balón: Zvážte 150 ft horizontálny beh 3/C #10 medeného kábla s hmotnosťou 0,1 lb/ft v oceľovom potrubí s μ = 0,4. Priame napätie trecieho úseku je T0 = 0,4 × 0,1 × 150 = 6 lbs. Teraz pridajte dve 90° ohyby (θ = π/2 každý). Pri prvom ohybe s prichádzajúcimi napätím 6 lbs sa odchádzajúci napätie T1 = 6 × e^4 × π/2) = 6 × 1,87 = 11,2 lbs. Pri druhom ohybe T2 = 11,2 × 1,87 = 20,9 lbs. Ak je po druhom ohybe ďalších 20 ft priamej časti, pridajte ďalší 0,4 × 20 = 0,8 lbs, čo predstavuje celkovú ťahnú silu približne 21,7 lbs. To je zvládnuteľné, ale s ťažším káblom, vyššie trenie, alebo viac ohybov, napätie rýchlo dosiahne stovky alebo dokonca tisíce libier.

Na účely presnejšej analýzy inžinieri používajú metódy z príručky [[IEEE na výber a inštaláciu elektrických káblov (IEEE 576) alebo softvéru, ktorý zodpovedá za tuhosť káblov, rušenie pri ťahaní s viacerými vodičmi a dynamické účinky počas zrýchlenia.

Nástroje a techniky na riadenie napätia

Mechanické vyťahovacie zariadenia

Vlákna, kapsacie výťahy a rybie pásky sú primárnymi nástrojmi na ťahanie drôtu. Pre veľké vodiče je potrebné [ pull-in grip[], ako je košová väzba alebo Kellems grip distribuuje silu na dlhšiu dĺžku bundy, aby sa zabránilo bod-natiahnutiu, ktoré by mohlo prerezať izoláciou. Uchopenie by sa malo aplikovať mierne za ťahaciu hlavu drôtu, aby sa zabránilo ťahaniu oka z celého zaťaženia. [Štetové merače[ alebo načítacie bunky poskytujú spätnú väzbu v reálnom čase, čo umožňuje operátorovi zostať v bezpečnej polohe. Moderné jednotky sa pripájajú k smartfónom cez Bluetooth pre prihlásenie profilov napätia a posielanie upozornení, keď sú prekročené prahové hodnoty. Použitie napínača nie je voliteľné pre kritické inštalácie; je to jediný spôsob, ako overiť, že vyťavacie sily zostávajú v rámci špecifikácií výrobcu počas celého ťahania.

Mazacie systémy a výber

Na dlhé behy sú automatické vstrekovače mazív na konci podávacieho zariadenia alebo pravidelná manuálna aplikácia neustále znižujú trenie. Mazadlá na báze vody sú bežné, ale môžu vyschnúť v horúcich podmienkach alebo pri dlhých ťahoch, pričom zanechávajú lepkavé zvyšky. Mazadlá na báze silikónu alebo polymérov trvajú dlhšie, ale môžu ovplyvniť niektoré materiály z kábla. Vždy sa overuje kompatibilita: polyuretánové bundy môžu napuchnúť pri vystavení niektorým olejom a niektoré mazivá môžu časom degradovať izoláciu XLPE. Normy [ANSI/NECA poskytujú usmernenia pre výber mazív a aplikačné sadzby založené na riedicom materiáli, type kábla a dĺžke ťahania.

Vytiahnutie techniky a osvedčené postupy

Udržujte stálu, pomalú rýchlosť ťahania, zvyčajne 5-10 ft/min pre veľké káble. Jerky alebo rýchlo začína vytvárať nárazové sily, ktoré namáhajú drôt a môžu spôsobiť ťahové uchopenie k skĺznutiu alebo poškodeniu bundy. Použite ťahové oko, ktoré sa otáča, aby sa zabránilo krúteniu vodičov, ktoré môžu vytvárať vnútorné napätie a znížiť pružnosť. Pre viacvodiče káble, udržať prívod cievky v súlade s osou vedenia, aby sa zabránilo ohýbaniu vo vstupnom bode. Pri ťahaní okolo ohybov, majú pracovník kŕmiť drôt na ohybe znížiť trenie a zabrániť viazaniu. To je obzvlášť dôležité pre tesné ohyby, kde je najsilnejší efekt kaptánu. Komunikácia medzi ťažným koncom a konca prívodu je nevyhnutná; dvojsmerné rádiá alebo ručné signály zabrániť chybnej koordinácii, ktorá môže viesť k náhlym napínaniam hrotom.

Bezpečnostné hľadiská a bezúhonnosť drôtov

Bezpečnosť pri ťahaní drôtu zahŕňa ľudské faktory aj materiálne limity. [Mechanické nebezpečenstvá zahŕňajú lano pretrhnuté pod napätím, ktoré vytvárajú nebezpečenstvo bičom, ktoré môže spôsobiť vážne zranenie, ako aj hroty a body na navijakoch a kapstanoch. Správne osobné ochranné prostriedky zahŕňajú rukavice na ochranu pred odieraním a rezmi, ochranu očí pred lietajúcimi troskami, ak lano alebo uchopenie zlyhá, a tvrdé klobúky v oblastiach s nebezpečenstvom nadzemného vedenia.

Z hľadiska materiálu môže predĺženie o 10% znížiť prierez medeného vodiča o približne 10%, zvýšiť odolnosť a znížiť kapacitu prúdu. To môže viesť k prehriatiu pri ukončení a predčasnej poruche. Poškodenie izolácie od tlaku bočnej steny alebo oderu nemusí byť viditeľné zvonka, ale môže vytvoriť slabé body, ktoré vedú k krátkym obvodom mesiace alebo roky po inštalácii. Vždy sa vzťahujú na dátový list výrobcu káblov pre maximálne napätie a limity tlaku bočnej steny. Tieto hodnoty sa výrazne líšia medzi typmi káblov; napríklad káble stredného napätia so silnou izoláciou majú nižšie limity napätia ako drôty nízkonapäťového systému.

Po ťahaní, vykonať skúšky kontinuity a izolačné skúšky odolnosti pomocou megger overiť, že nedošlo k poškodeniu počas ťahania. Výrazný pokles izolačné odolnosť v porovnaní s výrobcom základné indikuje možné poškodenie plášťa. Dodokumentovať záznam ťahania, vrátane maximálnych napínavých odčítaní, mazivo, a všetky pozorované anomálie, ako súčasť procesu zabezpečenia kvality pre inštaláciu.

Záver

Fyzika napätia a sily počas ťahania drôtu priamo ovplyvňuje úspech projektu, náklady a bezpečnosť. Pochopením trenia, efektu kapstanu, geometrie ohybu a mechanických limitov vodičov, odborníci môžu plánovať ťahanie, ktoré minimalizujú riziko a maximalizujú efektívnosť. Použitie správnych nástrojov, mazív a techník založených na týchto princípoch zabezpečuje, že drôt dorazí do svojho cieľa nepoškodené a pripravené na ukončenie. Pre ďalšie čítanie o káblových inštalačných postupoch, konzultovať [NEC, IEE 576, a priemyselné príručky od organizácií, ako je NECA a Izolované káblové inžinierske združenie (ICEA).