Краткая история проволочных лифтовых канатов: от железа до высокопрочной стали

При изучении механики и безопасности современной вертикальной транспортировки крайне важно рассмотреть краткую историю канатов для лифтов. До изобретения современного лифтового троса высота зданий была жестко ограничена физическими ограничениями первых подъемных материалов. Эволюция от натуральных волокон и хрупких железных цепей к тросам из высокоуглеродистой стали — это именно тот технологический прогресс, который сделал возможным строительство современных небоскребов.

Допроводная эра: конопляные и железные цепи

До XIX века подъемные механизмы почти полностью полагались на натуральные пеньковые канаты или цепи из кованого железа. Оба материала представляли критический риск для безопасности при вертикальном подъеме. Веревки из пеньки впитывают влагу из окружающей среды, вызывая внутреннее гниение и быстрое разрушение при трении. Цепи из кованого железа были чрезвычайно тяжелыми и не имели никакой механической избыточности. Если бы одно звено железной цепи вышло из строя, весь груз мгновенно упал бы без какого-либо предварительного визуального предупреждения. Эти физические ограничения означали, что ранние подъемники были строго ограничены перемещением груза на очень короткие вертикальные расстояния.

Изобретение многожильной веревки (1834 г.)

Решение проблемы подъема зародилось в горнодобывающей промышленности Германии. В 1834 году горный инженер Вильгельм Альберт изобрел первый многожильный канат. Конструкция Альберта состояла из отдельных металлических проволок, скрученных вместе в прядь, причем несколько нитей затем скручивались по спирали вокруг центрального сердечника.

Эта особая геометрия ввела в подъемный процесс концепцию механической избыточности. Если один отдельный провод сломается из-за трения или усталости, окружающие его провода внутри пряди продолжат нести нагрузку. Этот предсказуемый характер износа позволил инженерам визуально определить усталость и заменить канат до того, как произойдет полный разрушение конструкции. Первоначальное изобретение Альберта стало основой для всех стальных тросов для лифтов, используемых сегодня.

Пассажирский лифт и лужица железа (1850-е гг.)

Переход от горизонтальных карьерных тележек к вертикальным пассажирским подъемникам потребовал более совершенных механизмов безопасности. В 1852 году Элиша Отис изобрел предохранительный тормоз лифта, который предотвращал падение кабины в случае обрыва подъемного троса. Это изобретение сделало пассажирские лифты безопасными для общественного использования.

В то время стандартный трос для использования в лифтах изготавливался из луженого железа. Хотя луженое железо было значительным улучшением по сравнению с пенькой и цепями, оно обладало относительно низкой прочностью на разрыв. Когда архитекторы начали проектировать более высокие здания в таких городах, как Нью-Йорк и Чикаго, вес длинных железных канатов стал механической нагрузкой на двигательные системы. Промышленности требовался более прочный и легкий материал.

Переход к высокоуглеродистой стали (конец XIX века)

Внедрение бессемеровского процесса и последующие достижения в металлургии позволили производителям эффективно производить высокоуглеродистую сталь. К концу 19 - началу 20 веков стальной канат лифта полностью заменил луженое железо.

Инженеры разработали процесс холодной вытяжки стальной проволоки. Протягивая стальные стержни через все меньшие по размеру матрицы при комнатной температуре, они выровняли структуру металлических зерен, значительно увеличив прочность проволоки на разрыв. Это позволило создать гораздо более прочный, но более тонкий и гибкий стальной трос для лифтов. С помощью этих высокопрочных лифтовых тросов архитекторы наконец освободились от прежних вертикальных ограничений, что привело непосредственно к буму строительства небоскребов 20-го века.

Современное производство и основные технологии (от 20 века до наших дней)

Поскольку высота зданий и скорость лифтов продолжали увеличиваться на протяжении всего 20-го века, требования, предъявляемые к лифтовой системе со стальным тросом, возросли. Канаты должны были выдерживать экстремальную высокочастотную усталость при изгибе на тяговых шкивах на высоких скоростях.

Чтобы решить эту проблему, производители усовершенствовали внутреннюю геометрию канатов. Они представили специальные конструкции прядей, такие как Seale и Warrington, в которых смешивались проволоки разных диаметров, чтобы сбалансировать стойкость к истиранию и гибкость. Кроме того, современная металлургия представила конфигурации проволоки «двойного растяжения». Сегодня в канатных лифтовых системах часто используются канаты, внешние тросы которых немного мягче, чтобы предотвратить износ чугунного шкива двигателя, а внутренние тросы обладают сверхвысокой прочностью на разрыв, чтобы выдерживать вертикальную нагрузку.

Кроме того, изменились основные материалы. В то время как сердечники из натуральных волокон сизаля оставались стандартными для зданий средней этажности из-за их способности хранить и выделять смазку, сердечник Independent Wire Rope Core (IWRC) был разработан для экстремально высоких зданий. IWRC представляет собой стальной трос меньшего размера, помещенный внутрь основного каната, что полностью исключает структурное растяжение, которое возникает в сверхдлинных тросах для лифтов.

Заключение

В заключение краткой истории канатов для лифтов отметим, что развитие вертикальной транспортировки напрямую связано с достижениями металлургии. От первых железных горнодобывающих кабелей Вильгельма Альберта до высокотехнологичных узлов из холоднотянутой стали, используемых в современных мегавысоких небоскребах, постоянное улучшение прочности на разрыв и усталостной прочности определило отрасль. Сегодня лифтовые тросы представляют собой компоненты, изготовленные с высокой точностью и соответствующие строгим международным нормам безопасности, гарантирующие, что миллиарды пассажиров путешествуют безопасно каждый день.