Temeljna fizika napetosti in sile v vleki žice

Vleka žice je kritična operacija v električni konstrukciji, industrijski proizvodnji in telekomunikacijski infrastrukturi. Vsakič, ko se prevodnik vleče skozi kanal ali kabel je navit skozi podzemni kanal, načela napetosti in sile določajo, ali je naprava uspešna ali ne. Slaba tehnika povzroči poškodovano žico, ogroženo izolacijo ali poškodbe delavcev. Ta članek preučuje fiziko za napetostjo in silo med vlečenjem žice, daje inženirjem, električarjem in vodjem projektov tehnično podlago za izboljšanje varnosti, zmanjšanje materialnih odpadkov in optimizacijo delovnega toka.

Desetina je notranja osna sila, ki se razvije vzdolž žice, ko je podvržena vlečnemu bremenu. Deluje enakomerno preko prevodnikovega prečnega prereza in elastična razteza material, dokler ni dosežena točka donosa. Preko točke donosa povzroči trajno deformacijo; dodatno poveča do vratu in morebitnega zloma. Force je zunanji napor, ki se izvaja skozi vlečni prijem, vitlo ali ročni napor za premikanje žice skozi vezje. Razmerje med uporabljeno silo, notranjo napetostjo in upornimi silami določa rezultat vleka.

Pri statičnem ali kvazistatičnem vlečenju žice, kjer je pospešek zanemarljiv, je neto uporabljena sila enaka vsoti vseh uporniških sil. Newtonov prvi zakon pravi, da objekt v mirovanju ostane v mirovanju, razen če deluje neuravnotežena sila. Zato mora vlečna sila preseči skupni upor od trenja, gravitacijskih komponent na pobočjih in upogibati upor za sprožitev in vzdrževanje gibanja. Ko se napetost na kateri koli točki vzdolž žice premakne, je kumulativna posledica teh uporov od potegovanja do te točke. Razumevanje te osnove omogoča praktikatorjem, da napovejo, kje se napetost lahko poveča, običajno na ovinkih ali blizu konca vlečenja, in sprejmejo preventivne ukrepe, kot so na primer uporaba maziva za vlečenje ali povečanje števila potegovalnih točk.

Temeljna fizična načela, ki vodijo v poteg žice

Newtonov drugi zakon in pospeševanje žice

Čeprav se vlečenje žice običajno izvaja pri nizki hitrosti, velja osnovni odnos F = m·a]. Vleka mora premagati tako uporne obremenitve kot tudi vsak pospešek mase žice. V praksi je pospešek majhen, zato je prevladujoči izraz uporna sila. Vendar pa je med zagonom od počitka statično trenje večje od kinetičnega trenja, ki zahteva trenutno konico v vlečni sili. Ta konica je lahko pomembna za dolge vožnje ali težke prevodnike. Na primer, 500-metrski krog 500 kcmil bakrenega kub/ft zahteva premagovanje statičnega trenja, ki lahko preseže kine kinetične trenje za 20-30 %. Upravljavci morajo upoštevati začetni val, da se izognejo preobremenjenosti kabel v prvih nekaj sekundah vlečenja.

Stres in omejitve streh

Napetost ustvarja stres[, ki je opredeljen kot sila na enoto prečnega območja (σ = F/A). Vsaka žica ima največji dovoljeni natezni stres, ki je pogosto določen kot odstotek njene končne natezne trdnosti. Za bakrene prevodnike, značilne vlečne napetosti segajo od 40 do 60 % lomne trdnosti, pri čemer so zaradi nižje prevodnosti in večje občutljivosti za plazenje nižje vrednosti aluminija nižje vrednosti. Raztezek, raztezek na dolžino enote, se linearno povečuje s stresom v elastičnem območju, kot ga opisuje Hookov zakon. Trajna škoda nastane, če je elastična meja presežena, kar povzroči zmanjšano prevodnost ali izolacijske razpoke. Na primer, 10-odstotna raztezek v bakrovem prevodniku lahko zmanjša svoj prečni prostor dovolj, da poveča odpornost za približno 10 %, kar povzroči pretoplost ob prekinitvah.

Učinek kapstana: napetost nagibov

Ko žica gre okoli ovinka, je napetost na izhodni strani večja kot na prihajajoči strani. Ta eksponentna povezava je podana z capstanovo enačbo: T2 = T1 · e^(μ·θ), kjer je μ koeficient trenja in θ skupni kot ovinka v radianih. Na primer 90° ovinek (π/2 radianov) z natezno vrednostjo μ = 0,3 za več valov za približno 1,6. Večkratni ovinki ta učinek dramatično sestavljajo. Potek s tremi 90° ovinki in enak koeficient ovinka bi videl skupni množitelj e^(0,3 × 3π/2)

Frikcija in njena vloga pri odpornosti na žice

To je glavna uporniška sila med vlečenjem žice. Izhaja iz stika med žično jakno in notranjo površino vode. Torna sila F f = μ · N, kjer je N običajna sila, ki pritiska na žico ob steno vodnika. Normalna sila izhaja iz teže žice zaradi težnosti in iz stranskih sil, ko je žica prisiljena proti ovinkom ali odmikom. Udarec trenja ni mogoče precenjevati; v mnogih dolgih, ravnih vodoravnih vlekih, trenje predstavlja 80-90 % celotne upornosti.

Koeficient Friction vrednosti

Koeficient μ je odvisen od materialov v stiku. Značilne vrednosti za suhe razmere vključujejo:

  • PVC kanal s PVC-obleko: μ
  • Jekleni vod s PVC jakno: μ
  • Aluminij z PVC-jakno: μ
  • Mazane površine: μ lahko pade na 0,05–0,15

Z uporabo komercialne žice, ki vleče mazivo[], se znatno zmanjša μ, zmanjša napetost in prepreči odrgnine jakne. Izbira maziva se mora ujemati tako z materialom za odvod in kabelsko jakno, da se prepreči kemična razgradnja. Maziva na osnovi nafte lahko na primer povzročijo otekanje v nekaterih gumijastih jopičih, medtem ko maziva na osnovi vode lahko izhlapijo v vročem okolju, kar pušča ostanke, ki povzročajo trenje pri dolgih vlekah.

Gravitacija vpliva na reže in vertikalne tekove

Na nagnjenih vodih, je sestavni del teže žice vzporedno z naklonom doda ali odšteje od zahtevane vlečne sile. Za vodoravno vožnjo, teža prispeva le k običajni sili. Za navpično ali nagibno vožnjo, mora vlečna sila premagati mg·sin(θ) poleg trenja. V vertikalnem dvigu, polno težo kabla visi iz vlečne točke, ki lahko doda več sto kilogramov napetosti. Na primer, 100-metrski navpični tek 4/0 bakrenega kabla, ki tehta približno 0,6 lb/ft, ustvarja dodatnih 60 kilogramov napetosti od gravitacije. Zato so vmesni nosilci ali vlečni oprijemi pogosto potrebni v visokih uporniških aplikacijah.

Vpliv spojev veznikov in geometrije

Konduit upogiba uvaja dodatne torne stike in preusmeritev sile. Fizika na vsakem ovinku vključuje tako trenje kot učinek kapstana. Žico je treba potegniti po zaviti poti, kjer pritisne na notranjo steno ovinka. Normalna sila se povečuje s samo napetostjo, kar ustvarja povratno zanko: višja napetost vodi do višje normalne sile, kar povečuje trenje, kar še povečuje napetost. Ta samoponavljajoči cikel je razlog, zakaj so krivine najpogostejša lokacija za vlečenje zavlačevanja ali za kable, da se poškodujejo.

Pritisk bočne stene in polmer upogiba

Pritisk bočne stene (SWP) na žici pri ovinku je podan s SWP = T / R, kjer je T napetost na ovinku in R polmer ovinka. Velik bočni tlak lahko zmečka izolacijo ali deformira prevodnik. Mnogi proizvajalci kablov določijo največji SWP, običajno okoli 150-300 lb na palec polmera ovinka. Z uporabo večjega polmera ovinka zmanjša SWP in omogoča večje napetosti vleke brez poškodb. Standardni EMT ovinki imajo polmer približno 4-kratni premer vodnika, vendar so lahko ožji tudi ovinki na terenu. Na primer, 2-inčni EMT vodnik ima standardni polmer ovinka približno 8 centimetrov. Če je napetost pri tem ovinku 1200 lb, je SWP 150 lb/in, kar je zgornja meja za številne kable. Povečanje polmera bočnega pasu na 12 palcev bi SWP znižalo na 100 lb/in, kar zagotavlja veliko varnejšo mejo.

Več upogibov in povlecite polje mesto

Da bi preprečili prekomerno kopičenje napetosti, morajo gradbene kode po vsakem kumulativnem 360 stopinjah zavojev povleči škatle ali točke. V dolgih časovnih presledkih, vmesnih vlekah omogočajo, da se napetost pri vsakem zavoju ponovno nagne na ničlo. Izračun napetosti za večstopenjski tek zahteva povzete prispevke metodično: začnite od daleč, kjer se žica odvije iz cevi, in dodajte povečanje napetosti pri vsakem ovinku z uporabo kapstanske enačbe, plus trenje ravnega preseka med ovinki. Skupni pristop je metoda "kumulativne napetosti", ki se uporablja v programski opremi, kot je Pull-Planner in je opisana v IEEEE 399 (Rjava knjiga). Za teke, ki presegajo 1000 čevljev, lahko tudi ravni odseki nakopičijo znatno trenje, in vmesne točke pulka postanejo potrebne ne glede na število zavojev.

Praktični izračuni napetosti in sile

Pri ravnem vodoravnem delu je napetostni prispevek trenja T = μ · w · L, kjer je w teža na enoto dolžine žice in L dolžina. Pri več prevodnikih je w skupna teža. Za navpične ali nagibne odseke dodajte w·L·sin(θ). Pri ovinku pomnožite dohodno napetost z e^(μ·θ) za izhodno napetostjo. Skupna potrebna vlečna sila je vsota vseh prispevkov segmentov, ki se začnejo od skrajnega konca in delujejo proti koncu vlečenja.

Podroben primer prikazuje, kako majhne napetosti balona dramatično: Razmislite o 150 ft vodoravni vožnji 3/C #10 bakrenega kabla, ki tehta 0,1 lb/ft v jeklenem vodu z μ = 0,4. Torna napetost ravnega preseka je T0 = 0,4 × 0,1 × 150 = 6 lb. Zdaj dodajte dva 90° ovinka (θ = π/2 vsak). Za prvi ovinek z dohodno napetostjo 6 lbs, izhodna napetost T1 = 6 × e^(0,4 × π/2) = 6 × 1,87 = 11,2 lbs. Za drugi ovinek T2 = 11,2 × 1,87 = 20,9 lbs. Če je po drugem ovinku dodatnih 20 ft ravnega dela, dodajte še 0,4 × 0,1 × 20 = 0,8 lbs, kar pomeni skupno vlečno silo približno 21,7 lb. To je obvladljivo, vendar s težjim kabelom, višjim trenjem ali več ovinki hitro dosežejo več sto ali celo tisoče funtov.

Za natančnejšo analizo inženirji uporabljajo metode iz IEEE Guide za izbiro in namestitev napajalnih kablov (IEEE 576) ali programske opreme, ki je odgovorna za togost kablov, motenje v večprevodniških vlečenjih in dinamične učinke med pospeševanjem.

Orodja in tehnike za obvladovanje napetosti

Mehanska oprema za vlečenje

Vitli, vitla in trakovi za ribe so primarno orodje za vlečenje žice. Za velike vodnike ]prijemalec za prijemanje za prijemanje za vlečenje za koše ali Kellemov prijemalec za prenos moči po daljši dolžini jakne, ki bi lahko prerezal izolacijsko točko. Prijem je treba uporabiti rahlo za vlečno glavo žice, da se prepreči, da bi vlečno oko prevzelo celotno obremenitev. Desetni merilniki ] ali celice za obremenitev zagotavljajo povratne informacije v realnem času, kar omogoča operaterju, da ostane v varnih mejah. Sodobne enote se prek Bluetootha povezujejo s pametnimi telefoni za beleženje napetosti profilov in pošiljanje opozoril, ko so preseženi pragovi. Uporaba merilnika napetosti ni neobvezljiva za kritične naprave; to je edini način za preverjanje, da vlečne sile ostanejo znotraj specifikacij proizvajalca v celotnem vleku.

Mazalni sistemi in izbira

Uporaba pravega maziva je tako pomembna kot nadzor vlečne sile. Za dolge vožnje, avtomatski maziva injektorji na koncu krme ali periodično ročno uporabo zmanjšati trenje neprekinjeno. Maziva na osnovi vode so pogosti, vendar lahko posušijo v vročih pogojih ali dolgih vleče, kar pušča lepljiv ostanek. Silikonska ali polimerna maziva trajajo dlje, vendar lahko vplivajo na nekatere materiale kabelske jakne. Vedno preverite združljivost: poliuretanski jopiči lahko otečejo, ko so izpostavljeni nekaterim oljem, in nekateri maziva lahko sčasoma razgradijo XLPE izolacijo. ANSI/NECA standardi] zagotavljajo smernice za izbiro maziva in stopnje uporabe, ki temeljijo na materialu vodnika, tip ka in dolžino pulka.

Povlecite tehniko in najboljše prakse

Ohranite enakomerno, počasno hitrost vlečenja, običajno 5-10 ft/min za velike kable. Zategnjeni ali hitri začne ustvarjati udarne sile, ki stresejo žico in lahko povzroči zdrs ali poškodbo jakne. Uporabite vlečno oko, ki se vrti, da prepreči zvijanje prevodnikov, ki lahko ustvari notranje napetosti in zmanjša prožnost. Za večprevodne kable imejte napajalni moment poravnan z osjo vodnika, da se izognete upogibanju na vstopni točki. Pri vleki okoli ovinkov, naj delavec navija žico na ovinku, da zmanjša trenje in prepreči vezavo. To je še posebej pomembno za ozke ovinke, kjer je učinek kapstana najmočnejši. Komunikacija med potegom in koncem podajanja je bistvena; dvosmerni radijski ali ročni signali preprečujejo napačno usklajevanje, ki lahko privede do nenadnih konic napetosti.

Varnost in žicasta integriteta

Varnost pri vlečenju žice vključuje človeške dejavnike in omejitve materiala. Mehanične nevarnosti[] vključujejo pretrganje vrvi pod napetostjo, ki povzročajo nevarnost biča, ki lahko povzroči hude poškodbe, ter konice opreme in točke vitlov in kapstanov. Pravilna osebna zaščitna oprema vključuje rokavice za zaščito pred odrgninami in urezninami, zaščito oči pred letečimi razbitini, če vrv ali oprijem ne uspe, ter trde klobuke na območjih z nevarnostjo za nadzemne vode.

Z materialnega stališča lahko 10-odstotna raztezek zmanjša prečno površino bakrovega prevodnika za približno 10%, poveča upornost in zmanjša zmogljivost prenosa toka. To lahko povzroči pregrevanje ob prekinitvah in prezgodnji odpovedi. Poškodbe zaradi bočnega pritiska ali odrgnine niso vidne navzven, lahko pa ustvarijo šibke točke, ki vodijo do kratkih vezij mesece ali leta po namestitvi. Vedno se nanaša na podatkovni list proizvajalca kablov za največjo napetost in mejne tlake bočnih zidov. Te vrednosti se med vrstami kablov bistveno razlikujejo; na primer, srednjenapetostni kabli z debelo izolacijo imajo nižje meje napetosti kot nizkonapetostne gradbene žice.

Po vlečenju opravite preskuse kontinuitete in preskuse izolacijske odpornosti z uporabo meggerja, da se preveri, da med vlečenjem ni prišlo do poškodb. Pomemben padec izolacijske upornosti v primerjavi z proizvajalčevo osnovno vrednostjo kaže na morebitno poškodbo jakne. Dokumentirajte zapis vlečenja, vključno z največjimi odčitki napetosti, uporabljenim mazivom in vsemi ugotovljenimi anomalijami, kot del postopka zagotavljanja kakovosti za namestitev.

Sklep

Fizika napetosti in sile med vlečenjem žice neposredno vpliva na uspeh projekta, stroške in varnost. Z razumevanjem trenja, kapstanskega učinka, geometrije in mehanskih meja prevodnikov lahko strokovnjaki načrtujejo, da bo čim manj tveganja in čim bolj učinkovito. Uporaba pravilnih orodij, maziv in tehnik, ki temeljijo na teh načelih, zagotavlja, da bo žica prispela na cilj nepoškodovana in pripravljena za zaključek. Za nadaljnje branje o praksah kabelske namestitve se obrnite na NEC], ]IEEE 576 in industrijske priročnike organizacij, kot sta NECA in Insulirani kabelski inženirji (ICA).