Tuleje aluminiowe do lin stalowych: wytrzymałość na ściskanie, wymiarowanie i tryby awarii

Aluminiowa tuleja tworzy zgrzewane na zimno mechaniczne połączenie, a nie tylko punkt zwarcia

A tuleja aluminiowa liny stalowej , właściwie znana jako tuleja wtłaczana lub tuleja, działa jako końcówka, która trwale mocuje koniec liny stalowej w oczku lub splocie. Po ściśnięciu za pomocą odpowiedniego narzędzia do kształtowania plastyczny materiał aluminiowy odkształca się plastycznie wokół poszczególnych żył drutu, spływając do zagłębień pomiędzy nimi i tworząc blokada mechaniczna formowana na zimno, rozkładająca równomiernie obciążenie rozciągające na każdą splotkę w przekroju liny . Prawidłowo zaciśnięta tuleja na linie stalowej ocynkowanej lub ze stali nierdzewnej przy użyciu owalnej tulei aluminiowej osiąga siłę trzymania 85% do 90% minimalnej wytrzymałości liny na zerwanie gdy długość tulei, średnica wewnętrzna przed zatłoczeniem i specyfikacje dotyczące ściskania po zatłoczeniu są spełnione. Zastosowany stop aluminium — zazwyczaj 5052 lub 6061 w postaci kutej lub A380 w formie odlewu — jest wybierany ze względu na połączenie plastyczności podczas ściskania, odporności na korozję z materiałem liny stalowej oraz właściwości utwardzania przez zgniot, które zwiększa wytrzymałość tulei po zaciśnięciu, aby wytrzymać naprężenie obwodowe wywierane przez obciążone splotki liny próbujące się uwolnić.

Tuleja owalna i tuleja zatrzymująca: dwa różne elementy o różnych funkcjach

Termin aluminiowa tuleja liny stalowej obejmuje dwa funkcjonalnie różne typy sprzętu, które często są mylone. An tuleja owalna, zwana także tuleją oczkową flamandzką, ma wydłużony owalny profil z dwoma równoległymi otworami wewnętrznymi, w których mieszczą się obie nogi pętli z liny stalowej . Jest on zaciśnięty na całej szerokości, ściskając jednocześnie oba otwory, i jest głównym zakończeniem nośnym służącym do tworzenia trwałego oczka na końcu liny stalowej. Natomiast tuleja zatrzymująca to krótka, cylindryczna rurka aluminiowa z pojedynczym otworem przelotowym, wciskana bezpośrednio na pojedynczą nogę liny stalowej w celu utworzenia mechanicznego ogranicznika, takiego jak element ustalający, który zapobiega przeciąganiu liny przez krążek lub ogranicznik, który zabezpiecza koniec liny stalowej po przejściu przez owalną tuleję. Pomieszanie tych dwóch elementów i użycie tulei oporowej tam, gdzie do zakończenia nośnego wymagana jest tuleja owalna, spowoduje uszkodzenie połączenia przy mniej niż 40% wytrzymałości liny na zerwanie ponieważ tuleja oporowa łączy się tylko z jedną nogą i nie zapewnia zrównoważonego rozkładu obciążenia, jak w przypadku owalnej konstrukcji z dwoma otworami.

Protokół doboru rozmiaru i konsekwencje niedopasowania

Tuleja aluminiowa jest dopasowywana do określonej średnicy liny stalowej z wyjątkowo wąskim oknem tolerancji. Wewnętrzna średnica otworu tulei przed zatłoczeniem musi wynosić 0,2 do 0,5 milimetra większa od nominalnej średnicy liny aby umożliwić przejście liny bez zakleszczania, pozostawiając jednocześnie minimalną pustą przestrzeń, którą aluminium musi wypełnić podczas ściskania. Opaska o jeden rozmiar za duża nie będzie wystarczająco ściskać splotek liny; aluminium osiągnie granicę ściskania, zanim całkowicie wpłynie do szczelin pasma, pozostawiając wewnętrzne puste przestrzenie, które działają jak punkty koncentracji naprężeń i zmniejszają siłę trzymania nawet o 30%. Tulejki o jeden rozmiar za małej nie można nawlec na linę bez uszkodzenia splotki, a wciśnięcie jej powoduje przemieszczenie i załamanie poszczególnych zewnętrznych drutów, tworząc osłabiony przekrój poprzeczny dokładnie w miejscu, w którym zakończenie przykłada największe naprężenie. Tabele rozmiarów tulei publikowane przez producentów dopasowują każdą średnicę liny do konkretnego numeru części tulei, a dobór jest specyficzny dla konstrukcji liny – lina z rdzeniem włókiennym 6x19 i lina z rdzeniem z niezależnej liny stalowej 7x19 o tej samej średnicy nominalnej mogą wymagać różnych specyfikacji tulei, ponieważ rzeczywiste średnice zewnętrzne różnią się nieznacznie ze względu na różne geometrie upakowania splotek.

Kontrola przed kształtowaniem i zasada długości ogona

Przed ściskaniem końcówka liny wystająca z tulei musi być na tyle długa, aby umożliwić wizualną kontrolę, czy lina nie ześlizgnęła się podczas zakuwania. Standardową zasadą jest: a minimalna długość ogona równa jednej długości rękawa w przypadku tulei owalnych i dwóm średnicom liny w przypadku tulei ograniczających . Jeżeli po zakuciu ogon cofnął się do tulei, lina ześlizgnęła się podczas ściskania i zakończenie należy odciąć i wykonać na nowo. Ogon stanowi również materiał na dodatkowy środek bezpieczeństwa: w przypadku krytycznych zastosowań związanych z podnoszeniem ogon jest często wyposażony w drut lub wyposażony w dodatkową tuleję zatrzymującą jako zapasowy element ustalający.

Wymagania dotyczące narzędzia do kształtowania i narzędzia ręcznego a decyzja hydrauliczna

Zaciskanie aluminiowej tulejki liny stalowej wymaga narzędzia kształtującego, które przykłada kontrolowane, równoległe ściskanie do określonego wymiaru po zatłoczeniu. Przecinak do śrub dostępny w sklepie z narzędziami lub młotek i przebijak nie są w stanie zapewnić bezpiecznego wcięcia. Minimalnym dopuszczalnym narzędziem do owalnych tulejek na linach stalowych o średnicy do 5 milimetrów jest: ręczne narzędzie do kształtowania ze szczękami ze stali hartowanej, obrobionymi maszynowo do odpowiedniego profilu po zaciśnięciu . Narzędzia te to narzędzia o złożonej dźwigni, które zwielokrotniają siłę ręczną do kilku ton nacisku ściskającego na powierzchniach szczęk. W przypadku lin o średnicach powyżej 5 milimetrów wymagana jest hydrauliczna prasa kształtująca z wymiennymi matrycami, aby wytworzyć stałą siłę od 8 do 15 ton niezbędną do całkowitego wciśnięcia aluminiowej tulei w strukturę liny. Krytycznym wskaźnikiem jakości każdego narzędzia kształtującego jest jego zdolność do wytwarzania powtarzalnego wymiaru po zatłoczeniu – zwykle określanego jako pomiar grubości ściśniętej tulei w jej najszerszym miejscu – a narzędzie, którego szczęki są zużyte, sprężyste lub niedopasowane do rozmiaru tulei, wytworzy niedostatecznie ściśniętą tuleję, która będzie wizualnie akceptowalna, ale nie będzie działać poniżej obciążenia znamionowego.

Wskaźnik Go/No-Go i weryfikacja po zaciśnięciu

Po ściśnięciu tuleję kształtowaną należy sprawdzić za pomocą miernika zgodności/nieprzejścia dostarczonego przez producenta tulei lub określonego w karcie katalogowej producenta. Miernik sprawdza, czy szerokość po ściśnięciu tulei mieści się w dopuszczalnym zakresie – zazwyczaj plus 0,2 milimetra i minus 0,1 milimetra od nominalnego wymiaru po zatłoczeniu . Tuleja, która jest zbyt duża na mierniku, została niedostatecznie ściśnięta i nie uzyska pełnej siły trzymania. Tuleja mierząca zbyt mały rozmiar została nadmiernie ściśnięta, co może spowodować pęknięcie aluminium lub zmiażdżenie wewnętrznych splotów liny stalowej, tworząc punkt inicjacji awarii. Sprawdzenie miernika nie jest opcjonalne w przypadku podnoszenia, olinowania lub zastosowań krytycznych dla bezpieczeństwa; jest to jedyna obiektywna weryfikacja poprawności wykonania wbijania.

Standard z podwójną tuleją do zastosowań związanych z podnoszeniem

Normy branżowe dotyczące zawiesi linowych i zespołów podnoszących, w tym ASME B30.9 i EN 13411-3, wymagają, aby flamandzkie złącze oczkowe zakończone aluminiowymi owalnymi tulejami minimum jedna tuleja dla lin stalowych o średnicach do 6 milimetrów, dwie tuleje dla średnic od 6 do 12 milimetrów i trzy tuleje dla średnic powyżej 12 milimetrów . Rękawy są rozmieszczone równomiernie wzdłuż ogona, przy czym pierwszy rękaw znajduje się jak najbliżej oka, a kolejne w odstępach mniej więcej jednej długości rękawa. Wymóg stosowania wielu rękawów nie jest redundancją sam w sobie; odnosi się do faktu, że pojedyncza tuleja skupia całe obciążenie rozciągające w jednym punkcie, a jeśli tuleja ulegnie uszkodzeniu — w wyniku wady produkcyjnej, korozji lub wygięcia niezgodnego ze specyfikacją — całe zakończenie ulegnie awarii bez ostrzeżenia. Wiele tulei rozkłada obciążenie i zapewnia stopniową sygnalizację uszkodzenia: jeśli pierwsza tuleja zacznie się ślizgać, obciążenie zostanie przeniesione na drugą tuleję, a występ ogona z pierwszej tulei ulegnie widocznej zmianie, ostrzegając inspektora o rozwijającej się awarii podczas rutynowego badania.

Względy korozji i kompatybilność galwaniczna aluminium i stali

Aluminiowa tuleja stykająca się z liną stalową tworzy parę galwaniczną w obecności elektrolitu, takiego jak woda deszczowa, mgła solna lub przemysłowa wilgoć atmosferyczna. Aluminium jest anodowane na stal w szeregu galwanicznym, co oznacza tuleja aluminiowa będzie preferencyjnie korodować, aby chronić linę stalową . W suchych pomieszczeniach zamkniętych efekt galwaniczny jest nieistotny, a trwałość rękawa jest dłuższa od liny. W środowiskach morskich, przybrzeżnych instalacjach zewnętrznych lub zakładach przetwarzania chemicznego szybkość korozji galwanicznej gwałtownie wzrasta. Ograniczenia w tych środowiskach obejmują wybór tulei z anodyzowanego aluminium o minimalnej wartości Anodowana warstwa o grubości 15 mikronów, która izoluje elektrycznie aluminium od stali , nakładając podkład bogaty w cynk na zespół kształtowany przed oddaniem go do użytku i skracając okresy między przeglądami w celu wykrycia pocienienia ścianki tulei, zanim wpłynie to na wytrzymałość zakończenia. Tuleje ze stali nierdzewnej — dostępne w gatunku 304 lub 316 — całkowicie eliminują problem korozji galwanicznej, gdy są stosowane z liną stalową ze stali nierdzewnej, kosztem konieczności stosowania większych sił kształtowania ze względu na większą granicę plastyczności stali nierdzewnej w porównaniu z aluminium.

Typowe tryby awarii i identyfikacja pola

Aluminiowe zakończenia tulejkowe liny stalowej ulegają awariom w wyniku ograniczonej liczby przewidywalnych mechanizmów, z których każdy ma widoczne wskaźniki. Najczęstszą awarią jest wyciąganie liny, gdzie lina stalowa przesuwa się przez ściśniętą tuleję pod obciążeniem, pozostawiając tuleję na miejscu na odłączonym ogonie . Wskazuje to na niedociśnienie, źle dobrany rozmiar tulei lub zanieczyszczoną powierzchnię liny, która uniemożliwiała trzymanie się drutów przez aluminium. Drugi tryb to pękanie tulei, podczas którego aluminium pęka wzdłużnie wzdłuż osi ściskania, zwykle w wyniku nadmiernego ściskania przekraczającego granicę plastyczności aluminium. Trzecim jest uszkodzenie zmęczeniowe liny stalowej w miejscu wyjścia z tulei, spowodowane ostrym przejściem pomiędzy sztywnym odcinkiem tulejowym a elastyczną, wolną liną, powodując koncentrację naprężeń zginających. Ten rodzaj awarii można złagodzić poprzez zastosowanie naparstnicy w uchu, co zapewnia kontrolowany promień zgięcia i zmniejsza cykliczne naprężenia zginające na styku tuleja-lina. Czwarty tryb to pocienienie ścianki tulei wywołane korozją, podczas którego aluminiowa tuleja traci pole przekroju poprzecznego, aż pozostała ściana nie będzie już w stanie powstrzymać promieniowego rozszerzania się liny pod obciążeniem, co prowadzi do rozdwajania się tulei. Każdy z tych trybów awarii pozostawia dowód diagnostyczny, który kompetentna inspekcja może zidentyfikować przed wystąpieniem katastrofalnej awarii.

Lina stalowa ze stali nierdzewnej i specjalna obudowa do tulejek aluminiowych

W przypadku stosowania tulejek aluminiowych na linach ze stali nierdzewnej, takie połączenie wiąże się z koniecznością rozważenia innych kwestii, niż te dotyczące liny ocynkowanej. Lina stalowa ze stali nierdzewnej ma gładsze wykończenie powierzchni i niższy współczynnik tarcia niż lina ocynkowana co oznacza, że aluminiowa tuleja musi uzyskać głębsze mechaniczne połączenie z geometrią splotu, aby skompensować zmniejszoną składową tarcia siły trzymającej. Osiąga się to poprzez określenie nieco mniejszego wymiaru po zatężeniu dla liny ze stali nierdzewnej niż dla liny ocynkowanej o tej samej średnicy, co skutecznie zwiększa procent ściskania, aby wbić aluminium głębiej w doliny splotek. Dodatkowo potencjał galwaniczny pomiędzy aluminium i stalą nierdzewną wynosi około 0,5 wolta w wodzie morskiej, w porównaniu do 0,3 wolta między aluminium i stalą węglową co oznacza, że ​​aluminiowa osłona liny ze stali nierdzewnej w środowisku morskim będzie korodować znacznie szybciej niż ta sama osłona liny ocynkowanej. Anodowana tuleja z podkładem cynkowym staje się obowiązkowa, a nie opcjonalna, w przypadku kombinacji stali nierdzewnej i aluminium w zastosowaniach zewnętrznych lub morskich.

Alternatywne materiały tulei oraz opcje miedzi i cynku

Aluminium nie jest jedynym materiałem tulei dostępnym do zakończenia lin stalowych, a w niektórych zastosowaniach korzystne są materiały alternatywne. Tulejki miedziane, określone jako miedź odtleniona fosforem C12200, są standardem dla lin stalowych stosowanych w górnictwie i atmosferach wybuchowych, ponieważ miedź nie wytwarza iskier przy uderzeniu lub ścieraniu . Tulejki miedziane wymagają około 15% większej siły ściskającej niż tulejki aluminiowe tego samego rozmiaru ze względu na wyższą granicę plastyczności miedzi, a przy prawidłowym zaprasowaniu dają końcówkę o wytrzymałości trzymania porównywalnej z aluminium. Tulejki cynkowe, produkowane ze stopu cynku o wysokiej czystości, są przeznaczone do zastosowań podwodnych i podwodnych, gdzie cynk spełnia podwójną rolę zarówno jako zakończenie mechaniczne, jak i anoda protektorowa chroniąca linę stalową przed korozją. Tuleja cynkowa ulega celowemu zużyciu z biegiem czasu, a jej grubość ścianki jest określona z naddatkiem na korozję, który gwarantuje, że zakończenie mechaniczne pozostanie funkcjonalne przez cały projektowany okres użytkowania instalacji. Jak zauważono, tulejki ze stali nierdzewnej są wyborem do lin nierdzewnych pracujących w środowiskach korozyjnych oraz do osprzętu do zastosowań w przemyśle spożywczym, farmaceutycznym i pomieszczeniach czystych, gdzie pył tlenku glinu powstający w wyniku korozji tulei jest niedopuszczalny.

Rola naparstnicy w ochronie rękawa i liny

Kausza to rowkowana wkładka metalowa lub plastikowa umieszczona wewnątrz ucha zakończenia liny stalowej przed zaciśnięciem tulei. Jego funkcją jest utrzymywać kontrolowany promień zgięcia na wewnętrznej krzywiźnie ucha i zapobiegać zgnieceniu liny stalowej przez powierzchnię nośną elementu, do którego przymocowane jest ucho . W przypadku aluminiowych zakończeń tulejowych nasadka pełni dodatkową, krytyczną funkcję: zapobiega załamywaniu się splotów liny na uchu pod obciążeniem, co mogłoby spowodować koncentrację naprężeń bezpośrednio przy tulei i prowadzić do przedwczesnego uszkodzenia zmęczeniowego drutu. Standardowa kausza dla danej średnicy liny zapewnia: minimalny promień zgięcia wynoszący 2,5 do 3-krotności średnicy liny przy oku i gardle. Bez nausznika — konfiguracja zwana miękkim oczkiem — lina zgina się wokół znacznie mniejszego promienia narzuconego przez sworzeń mocujący lub szeklę, a druty po wewnętrznej stronie zagięcia są ściskane powyżej granicy sprężystości w pierwszym cyklu obciążenia, trwale uszkadzając linę w jej najbardziej obciążonym miejscu. Miękkie oczko z aluminiową końcówką tulejową jest dopuszczalne tylko w niekrytycznych zastosowaniach statycznych, gdzie lina nigdy nie osiągnie swojego limitu obciążenia roboczego i gdzie zmęczenie nie jest brane pod uwagę przy obsłudze.