Reibungskoeffizient beim Einziehen von Kabeln – Teil 2
Hier definieren wir den Reibungskoeffizienten, präsentieren Kabelzug-Gleichungen und messen den Reibungskoeffizienten sowie die Auswirkungen von Schmiermitteln.
Der Reibungskoeffizient ist ein Maß für den Reibungswiderstand bei einer Bewegung. In einem früheren Artikel wurden die wissenschaftliche Grundlagen des Reibungskoeffizienten vorgestellt und die Faktoren besprochen, die diesen Wert beeinflussen können.
In Abbildung 1 wird zur Klarstellung die offizielle Definition von „Reibungskoeffizient“ gezeigt.
Abbildung 1
Wobei:
N (Vektor) = Normalkraft, senkrecht zum horizontalen Tisch
G (Vektor) = Schwerkraft auf Block der Masse m
P (Vektor) = Zugkraft, die auf den Block einwirkt, damit er horizontal gleitet
F (Vektor) = Reibkraft, die gegen die Bewegung wirkt
Im Beispiel befindet sich ein Block auf einem horizontalen Tisch. Die Schwerkraft G (Vektor) (= mg) wirkt auf den Block ein. Der Block fällt nicht, weil eine gleiche und entgegengesetzte Kraft vom Tisch nach oben vorhanden ist, die wir als Normalkraft (N (Vektor)) bezeichnen.
Wenn wir eine weitere Kraft (P (Vektor)) im rechten Winkel zur Normalkraft einwirken lassen, stellen wir fest, dass eine Mindestkraft erforderlich ist, bevor der Block zu gleiten beginnt. Diese Zugkraft muss den Reibungswiderstand gegen die Bewegung oder die Reibkraft (F (Vektor)) überwinden, damit sich der Block bewegen kann. Der Reibungskoeffizient ist definiert als das Verhältnis der Kraft, die erforderlich ist, um den Block zu bewegen, zur Normalkraft (Gewicht des Blocks).
Wenn μ der Reibungskoeffizient ist, gilt also: μ = P(Vektor)/F(Vektor) (Gleichung 1)
Zur Veranschaulichung nehmen wir an, dass der Block aus Holz ist (5 kg). Um den Block über einen horizontalen Stahltisch zu ziehen, ist eine Kraft von 2 kg erforderlich. Der Reibungskoeffizient für Holz auf Stahl ist das Verhältnis der „Zugkraft“ (2 kg) zur Normalkraft (Gewicht von 5 kg). Der Reibungskoeffizient beträgt also 0,4. Bitte beachten Sie, dass der Reibungskoeffizient eine dimensionslose Zahl ist, da es sich dabei um das Größenverhältnis der zwei Kräfte handelt.
Erfahrungsgemäß ist, wenn wir den Holzblock durch einen 5 kg schweren Gummiblock ersetzen, eine noch größere Kraft erforderlich, um eine Bewegung zu erzeugen (z. B. eine Kraft von 6 kg). Der gemessene Reibungskoeffizient von Gummi auf Stahl wäre somit 1,2.
Diese Beispiele verdeutlichen, dass sich je nach dem reibenden Material ein unterschiedlicher Reibungskoeffizient ergeben kann.
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Kabelzug-Gleichungen
Wenn man den Block durch ein Kabel und den Tisch durch ein Rohr ersetzt, sind wir beim Einziehen von Kabeln. Der Schätzwert für die Spannung beim Einziehen von Kabeln basiert auf den physikalischen Grundsätzen von Gleichung 1. Die Zugspannung wird anhand einer Reihe von Kabelzug-Gleichungen bestimmt, in denen das Gewicht und die Reibung als Eingangsgrößen verwendet werden.
Bei Kabelzug-Gleichungen für gerade Rohrabschnitte wird die Eingangsspannung von der Kabeltrommel oder dem vorhergehenden Abschnitt des Kabelzugs hinzugefügt. Die Formel für gerade Rohrabschnitte lautet wie folgt:
Gerader Rohrabschnitt Tout = Tin + LWμ (Gleichung 2)
Wobei:
Tout = Spannung am Ende des geraden Rohrabschnitts
Tin = Spannung am Anfang des geraden Rohrabschnitts
L = Länge des geraden Rohrabschnitts
W = Gewicht des Kabels (pro Länge)
μ = Reibungskoeffizient
Die zusätzliche Reibung ist also das Gesamtgewicht des Kabels, das mit dem Reibungskoeffizienten multipliziert wird. Damit wir diese Formel für die Schätzung der Spannung verwenden können, müssen wir die Reibungskoeffizienten für typische Kabel, Rohre und Schmiermittel kennen.
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Messung des Reibungskoeffizienten von Kabeln und Rohren
Zur Messung des Reibungskoeffizienten für eine Reihe von Kabelmantel- und Rohrmaterialien hat Polywater den im obigen Foto gezeigten Reibungstisch entwickelt. Die Vorrichtung übt einen bemessenen, nach unten gerichteten Druck auf eine Kabel-/Rohrprobe aus und misst dann die Kraft, die erforderlich ist, um das Kabel senkrecht zu dieser Normalkraft zu ziehen. Der Reibungskoeffizient ist hier wieder das Verhältnis dieser Kräfte zueinander.
Wir können auch das Kabel und die Berührungsstelle im Rohr schmieren und die Auswirkung eines Schmiermittels auf den Reibungskoeffizienten bestimmen. Mit Hilfe der Daten, die wir bei Tausenden von Prüfungen über mehrere Jahrzehnte gesammelt haben, konnten wir die Formulierung und Auswahl von Schmiermitteln optimieren. Wenn Kabelhersteller Kabelmäntel mit neuen Eigenschaften wie Belastbarkeit und Feuerwiderstand entwickeln, können wir Messungen durchführen und über das Reibungsverhalten der neuen Materialien berichten.
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Die Wirkung von Schmiermitteln
Bei Kabelmantelmaterialien gibt es große Unterschiede in Bezug auf das Reibungsverhalten. Normalerweise werden diese jedoch aus anderen Gründen als „einfaches Einziehen“ entwickelt. Wenn ein effektives Kabelschmiermittel die Reibungswerte ohne Auswirkungen auf die anderen Eigenschaften des Kabelmantels verringern kann, können Probleme bei der Installation auf ein Mindestmaß reduziert werden.
Nach den Daten ist genau das der Fall. Wirksame Kabelschmiermittel können den Reibungskoeffizienten erheblich verringern. In Abbildung 2 wird die erhebliche Verringerung der Reibung durch die Verwendung eines Schmiermittels gezeigt.
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Das Einziehen von Kabeln ist jedoch etwas komplizierter
Mit dem Reibungstisch wird ein breites Spektrum von Materialien geprüft, die für Kabel und Kabelkanäle verwendet werden. In der Praxis sind Kabelzüge jedoch komplizierter. Kabelzüge sind nicht immer gerade und an Rohrkrümmungen treten andere Kräfte als die Schwerkraft auf.