Coefficiente di attrito nei limiti di pressione laterale di trazione del cavo

Descrizione qualitativa della pressione laterale

Nella definizione di attrito, la forza normale che determina la resistenza da attrito al movimento dipende dal peso dell’oggetto (il vettore opposto).  Quando si tira un cavo attraverso un condotto rettilineo, la forza normale è uguale al peso del cavo.  In un pendio, la forza normale è la forza gravitazionale vettoriale o peso.  Tuttavia, se nel percorso di trazione è presente una curva del condotto, la forza normale, talvolta chiamata “pressione laterale”, è maggiore del semplice peso del cavo.  Include la forza radiale del cavo che viene tirato nella curva o nell’ansa del condotto.  Questa forza è causata dalla tensione di trazione e aumenta con l’aumentare della tensione di trazione.

Perché preoccuparsi della pressione laterale?

La pressione laterale è una forza di schiacciamento sul cavo.  Questo tipo di forza può danneggiare il cavo. Nei cavi a media e alta tensione, è noto che una pressione eccessiva sulla parete laterale influisce sull’isolamento, accelerandone l’invecchiamento e riducendo così la durata del cavo.  La pressione esercitata sulla parete laterale può deformare le schermature metalliche e in lamina dei cavi.  Nei cavi da costruzione, l’elevata pressione esercitata sulla parete laterale attorno a una curva può strappare la guaina del cavo, esponendo il conduttore.  Anche nei cavi in fibra ottica è noto che la pressione laterale può schiacciare le fibre, provocando microfratture e perdita di segnale.

Definizione e limiti della pressione laterale

A causa di questo potenziale danno, i produttori di cavi stabiliscono per i loro prodotti dei limiti per la pressione laterale.  Questi limiti dipendono dal tipo e dalla costruzione del cavo.  Per ottenere le massime prestazioni e la massima durata del cavo è necessario rispettare i limiti.

Il concetto e il calcolo della pressione laterale si applicano principalmente nel settore elettrico.  A livello basilare, è la tensione di trazione che esce da una curva divisa per il raggio della curva stessa.  I limiti tipici della pressione laterale per i cavi elettrici sono compresi tra 300 e 1000 lb/ft (tra 4,4 e 14,6 kN/m).

Per alcuni tipi di cavi, tenere basso il raggio di curvatura è il modo più comune per limitare la pressione laterale.  I produttori di cavi in fibra ottica limitano il raggio di curvatura in base al diametro del cavo.  Le limitazioni tipiche nella posa dei cavi in fibra ottica sono un raggio di curvatura superiore a 20-40 volte il diametro esterno del cavo.  Sebbene la determinazione della pressione laterale non sia tipica dei cavi in fibra ottica, è interessante notare che con una tensione di trazione massima di 600 lb (2,7 kN), i limiti del raggio sopra indicati calcolano limiti di pressione laterale da 360 a 720 lb/ft (da 5,3 a 10,6 kN/m); lo stesso intervallo dei cavi elettrici!

I produttori di cavi in fibra ottica controllano la forza laterale raccomandando pulegge con raggio ampio.  Le raccomandazioni relative ai cavi di alimentazione includono i limiti di pressione laterale e un raggio minimo tipico della puleggia/del rullo di 1,25 in. (3,17 cm).

Misurazione e controllo della pressione laterale

Piccole differenze nel coefficiente di attrito hanno un impatto notevole sulla tensione attraverso le curve, come evidenziato nell’articolo 3 di questa serie. Poiché l’aumento dell’attrito aumenta la tensione, aumenta anche la pressione laterale. Diminuendo il raggio di curvatura aumenta anche la pressione laterale.  Le curvature con raggio ridotto possono rappresentare un vero problema quando si cerca di ridurre al minimo la pressione laterale.

La pressione laterale è direttamente proporzionale alla tensione che esce dalla curva e inversamente proporzionale al raggio della curva. Dipende anche dal numero di cavi tirati, dalla configurazione di tali cavi e dal fattore di correzione del peso risultante.

Si può vedere che la pressione laterale è calcolata dalla tensione di trazione in uscita dalla curva. Non contribuisce alla tensione di trazione, ma deriva dalla tensione di trazione. Non è aggiuntiva e la pressione laterale è in genere diversa per ogni curva. La pressione laterale può essere abbassata diminuendo la tensione di trazione o aumentando il raggio della curva.  La pressione laterale più elevata non sempre si verifica nell’ultima curva del condotto.  È molto importante gestire la pressione laterale per garantire la conformità ai limiti imposti dal produttore del cavo.

Pressione laterale e COF

Studi sull’attrito dei cavi dimostrano che pressioni laterali più elevate comportano un COF misurato più basso. Uno studio dell’EPRI (Electric Power Research Institute) del 1984 (riferimento bibliografico 1) suggerisce l’uso di due valori COF: un valore più alto per una pressione laterale inferiore a 150 lb/ft e un valore più basso per una pressione laterale superiore. La realtà è un po’ più complicata.

I nostri studi, specialmente a pressioni laterali più basse (<20 lb/ft), mostrano generalmente un abbassamento del COF all’aumentare della forza laterale. Per capirlo meglio, guarda il grafico qui sotto.

Questi dati vengono prodotti aumentando il carico di coda su un cavo tirato attraverso una serie di curve, misurando la tensione di trazione e quindi calcolando il COF utilizzando le equazioni di trazione.  Il grafico non implica che la tensione diminuisca all’aumentare del carico sulla coda.  Non è così.  Tuttavia, con un COF costante, la tensione non aumenta tanto quanto ci si aspetterebbe.

Questo non è un risultato intuitivo.  I nostri studi indicano inoltre che, a pressioni laterali superiori a 100 lb/ft, la curva è relativamente orizzontale e gli effetti COF evidenti con l’aumento della pressione laterale scompaiono.  I coefficienti di attrito con pressioni laterali elevate sono inferiori ai coefficienti di attrito misurati in tratti rettilinei, pertanto l’utilizzo di un coefficiente di attrito di un tratto rettilineo nei calcoli è opportunamente conservativo.

Possiamo anche misurare le differenze nelle prestazioni dei lubrificanti in condizioni di elevata pressione laterale.  I lubrificanti di alta qualità per la posa dei cavi sono formulati per rimanere umidi tra le superfici dei cavi e dei condotti anche in caso di elevata pressione laterale. La discussione sulla bagnatura e sul rivestimento del lubrificante sarà trattata in un post separato.

Hai qualche domanda?

Mandaci un’email

1) D. A. Silver, G.W. Semen, R. A. Bush, G. H. Matthews, “Maximum Safe Pulling Lengths for Solid Dielectric Insulated Cables,” Electric Power Research Institute EL-333, Vols 1 & 2, Final Report, Febbraio 1984.