КАНАТ И СПОСОБ ЕГО ДЕФЕКТОСКОПИИ
ROPE AND METHOD FOR ITS FLAW DETECTION

Изобретение относится к подъемно-транспортному машиностроению, а именно к конструкциям канатов, обладающих дополнительными техническими характеристиками по записи, хранению, считыванию и переносу в пространстве и времени информации, а также проводить его дефектоскопию.
Известна конструкция стального каната (SU 1806486 А1, от 23.03.93, бюл. №11), имеющая сердечник, выполненный в виде капсул, заполненных ферромагнитной жидкостью, и эластичного магнитного материала, заполняющего зазоры между капсулами и прядями, при этом длина капсул равна шагу свивки прядей.
Данная конструкция каната позволяет увеличить долговечность каната и надежность его работы, но не предназначена для записи, хранения, считывания и переноса в пространстве и времени информации.
Известны конструкции стальных канатов фирмы «Pfaifer» (http://pfeifer-rossia.ru) с полимерным сердечником (DRAKO 8×19 - SFC) и с полимерным материалом между слоями прядей (DIEPA D1315 CZP, DIEPA P825.DIEPA PZ 371).
Из теории строительной механики стального каната известно, что у конструкций прядевых канатов (6-ти, 8-ми прядями и т.д.) существует только контакт с нижележащими слоями прядей, а между прядями в одном слое существует зазор. При изгибе каната на блоках (шкивах) пряди, опираясь в нижележащие слои, перекатываются по ним, сохраняя в одном слое зазор. Работа прядей каната в одном слое идентична работе подшипника качения с сепаратором. Нормальная работа каната происходит до тех пор, пока существует зазор в одном слое между прядями. В процессе эксплуатации зазор в одном слое уменьшается и, как следствие, пряди начинают соприкасаться между собой в одном слое, возникает контакт и, в том числе за счет сил трения, в канате происходит процесс зарождения и накапливания во времени дефектов. Например, в процессе упругопластического циклического деформирования, который характеризует деградационный процесс потери прочности последнего: внутренний износ; смятие; волнистость каната; изменения угла свивки; остаточное удлинение каната и др.
Известна конструкция стального каната фирмы «Pfaifer» с полимерным сердечником (DRAKO 8×19 - SFC) и с полимерным материалом между слоями прядей (DIEPA D1315 CZP, DIEPA P825, DIEPA PZ 371) (взятая за прототип), реализующий на практике теоретические закономерности строительной механики стального каната, а именно: зазор между прядями в одном слое заполняют полимерным материалом, тем самым предотвращая соприкосновение прядей при упругопластическом циклическом деформировании.
Предложенные фирмой «Pfaifer» конструкции стальных канатов с полимерным сердечником и с полимерным материалом между слоями прядей обладают рядом преимуществ, повышающим качество по сохранению стабильных во времени технических характеристик стального каната, однако, так же как и предыдущие конструкции, не предназначены для записи, хранения, считывания и переноса в пространстве и времени информации.
Известна конструкция стального каната, содержащая нанесенные на броню кабеля магнитные метки через одинаковые отрезки длины (патент RU №2398106, Е21В 47/04, опуб. 27.08.2010). Магнитные метки используются для измерения глубины каботажа путем подсчета их количества по длине каната. Одновременно подсчитывают наружные повивы брони кабеля и сравнивают их количество с соответствующими ранее запомненными значениями.
Недостатками является низкая помехоустойчивость от магнитных полей в скважине и, как следствие, низкая точность измеряемых параметров. К недостаткам магнитных меток, как информационного сигнала, следует отнести его дискретность по месту нанесения и протяженность по длине, недостаточная устойчивость во времени, зависимость от материала, из которого изготовлен канат, а также незначительный объем информации («да», «нет»), хранящейся на магнитной метке.
Известна конструкция стального каната, измерение длины которого определяется с использованием магнитных меток, наносимых в процессе изготовления непосредственно в технологической линии его производства, описанная в статье «Влияние скорости движения на результат измерения длины ферромагнитных изделий методом магнитных меток» авторов Гольдштейн А.Г., Уразбеков Е.И. (Известия Томского политехнического университета. 2006. Т. 309. №5. С.148-151).
Предложенная конструкция с использованием магнитных меток предназначена только для измерения длины феромагнитных изделий, в частности стальных канатов. Недостатком конструкции являются низкая точность измерения, вызванная деформацией магнитных меток, и их смещение в продольном направлении непосредственно в технологической линии его производства при изменении скорости движения.
Конструкция такого стального каната не предназначена для записи, хранения и переноса цифровой информации в пространстве и времени в процессе эксплуатации.
Известна конструкция линейного стального изделия, преимущественно из стальных труб, содержащая электронный маркер, такой как пассивная радиочастотная микросхема с антенной (патент RU №2295140, G01V 3/12, опуб. 10.04.2005). Конструкция линейного стального изделия используется в способе идентификации и слежения за имуществом. Антенна электрически соединена с реагирующим прибором-ответчиком, таким как радиочастотное идентификационное устройство, способным присоединяться к внешней и/или внутренней поверхности трубы. Приемопередатчик может перемещаться снаружи или внутри трубы, в том числе и на большом расстоянии от трубы. При этом обеспечивается связь между приемопередатчиком и реагирующим прибором безотносительно к ориентации трубы. Радиочастотное идентификационное устройство с антенной могут располагаться внутри желоба, выполненного вокруг всей внешней поверхности трубы.
Данная конструкция линейного стального изделия, используемая в способе идентификации и слежения за трубами в подземных скважинах, позволяет записывать, хранить, считывать и передавать цифровую информацию на расстоянии для идентификации и слежения, в том числе облегчает точный ввод данных об объекте в базу данных. Однако электронный маркер, такой как пассивная радиочастотная микросхема с антенной, не может быть механически вмонтированы в канат, тем более на канате нет возможности сделать какой-либо желоб на его поверхности, к тому же канат в процессе эксплуатации испытывает упругопластические циклические деформации.
Известно, что канаты являются невосстанавливаемыми изделиями, требующие замены при снижении прочности до критического состояния, когда невозможна их дальнейшая эксплуатация в результате появления дефектов, выявленных методами и средствами диагностирования.
Оценку безопасности при эксплуатации стальных канатов принято проводить на основе диагностических параметров. К последним относятся: изменение геометрии P1(t), коррозия и износ P2(t), обрывы проволок (усталость) P3(t), температурное воздействие P4(t) и пр. Здесь t - текущее время эксплуатации каната. Под диагностическими параметрами понимают величину Pi(t), представленную в виде: Pi(t)=Pio+Pi'(t), где Pio - склеромная часть, т.е. независимая от t и связанная с однократным приложением нагрузок; Pi'(t) - реономная часть, которая накапливается во времени, например в процессе упругопластического циклического деформирования.
Общий подход при дефектоскопии каната в период его эксплуатации, отражающий деградационный процесс потери прочности последнего, состоит в численной оценке хотя бы одного из показателей дефектов: не превысят ли браковочные показатели допустимые (предельные) значения, т.е. Pi(t)≤[Pi], где i=1÷4.
Известен способ дефектоскопии стальных канатов (Методические указания по магнитной дефектоскопии стальных канатов. РД 03-348-00. Утверждены постановлением Госгортехнадзора России от 30.03.2000 №11), заключающийся в периодическом замере магнитного потока по его каната, создаваемого измерительной катушкой. При использовании переменного магнитного поля магнитный поток вдоль продольной оси участка контролируемого каната создают посредством возбуждающей индуктивной катушки с переменным током, охватывающей канат. Измерительная катушка индуцирует электродвижущую силу (э.д.с.), зависящую от площади поперечного сечения каната. Метод переменного магнитного поля используют, как правило, только для измерения потери металлической площади сечения канатов.
Метод постоянного магнитного поля используют как для измерения потери площади сечения каната, так и для обнаружения локальных дефектов. Постоянный магнитный поток вдоль продольной оси участка контролируемого каната создают постоянными магнитами или электромагнитами постоянного тока. Общий магнитный поток (или часть этого потока) измеряют датчиками Холла, либо другими датчиками, пригодными для измерения абсолютного значения магнитного потока или изменений этого потока. Сигнал датчиков зависит от магнитного потока через участок контролируемого каната и, следовательно, от площади металлического сечения этого участка. Локальные дефекты каната, например обрывы проволок, создают поблизости магнитные потоки рассеяния, регистрируемые датчиками Холла, катушками или другими магниточувствительными элементами. Сигналы датчиков зависят не только от размеров локальных дефектов, но и от их типа и положения. Поэтому определить количественно параметры дефектов обычно затруднительно. Качественный анализ полученной информации о локальных дефектах выполняют по дефектограммам на основании накопленного опыта.
Метод дефектоскопии предназначен только для стальных канатов при оценке потери его металлического сечения и обрывов проволок. Оценивать другие параметры, например величину зазора между прядями стального каната, данный метод дефектоскопии не предназначен. Метод также не может быть применен для канатов, изготовленных из неферромагнитного материала.
Известен способ браковки каната описанный в патенте RU №2299939, С2, опуб. 27.05.2007, бюл. №15 (взятый за прототип), содержащий в наружном слое ограниченное число индикаторных проволок, форма которых аналогична основным проволокам стального каната. Индикаторные проволоки изготовлены полыми по всей длине из материала с температурой плавления не более 300°С. Полости индикаторных проволок заполнены красящим веществом. Количество индикаторных проволок в стальном канате не больше браковочного показателя по числу обрывов наружных проволок для данной конструкции стального каната, направления свивки и группы классификации механизма, где эксплуатируется стальной канат. Способ дефектоскопии стального каната заключается в обнаружении следов красящего вещества на поверхности каната, образовавшихся в результате разгерметизации полости индикаторной проволоки. Однако описанный способ невозможно применить при дефектоскопии величины зазора между прядями каната в одном слое.
Изобретение направлено на создание конструкции каната, обладающего дополнительными техническими характеристиками, а именно записи, хранения, считывания и передачи информации в пространстве и времени, а также дефектоскопии канатов по наличию зазоров между прядями в одном слое.
Информация, записанная, хранящаяся, переносимая в пространстве и времени канатом, необходима при эксплуатации в системах управления на подвесных канатных дорогах, кабель-кранах, шагающих экскаваторах, для глубокого бурения нефтяных и газовых скважин, грузоподъемных кранах, шахтных установок, талей, скиповых подъемников, судовых подъемных устройств в качестве несущих, тяговых и вантов. Информация, хранящаяся в канате, в процессе эксплуатации может быть использована для определения провеса, длины, расстояния, положения прикрепленных изделий и пр., а также для функциональной дефектоскопии каната при эксплуатации.
Для достижения поставленной задачи предлагается конструкция каната, содержащая органический сердечник с дискретно интегрированными в его структуру электронными маркерами - RFID транспондерами с количеством антенн не менее числа зазоров между прядями в одном слое, а их размер в поперечном сечении обеспечивает размещение антенн в зазорах между прядями в одном слое. Антенны выполнены из немагнитного материала, покрыты изоляционным слоем и уложены в зазоры между прядями в одном слое, причем зазоры заполнены полимерным материалом.
Способ дефектоскопии каната, заключающийся в разрушении интегрированных в его структуру индикаторных элементов. В качестве индикаторного элемента используют антенны из немагнитного материала, покрытые изоляционным слоем электронных маркеров - RFID транспондеров, и выявляют дефекты по потере сигнала от дискретно интегрированных электронных маркеров - RFID транспондеров, в результате разрушения изоляционного слоя или самого немагнитного материала антенны из-за уменьшения зазора между прядями в одном слое каната. Этот факт свидетельствует о наличии дефекта в виде отсутствия зазора между прядями в одном слое в месте расположения электронного маркера - RFID транспондера.
На фиг.1 представлен канат в разрезе.
Канат, содержащий навитые пряди 1 свитые из проволок 2, имеющий органический сердечник 3, с интегрированными по его длине электронными маркерами - RFID транспондерами 4, с антеннами 5 из немагнитного материала, покрытых изоляционным слоем и уложенных в зазоры между прядями 1 каната в одном слое.
Изготовление каната предложенной конструкции происходит следующим образом. На первом этапе из проволок 2 свивают пряди 1. Затем изготавливают органический сердечник 3. Связующие материалы органического сердечника - бакелит, эпоксидные смолы, резина или другие материалы, имеющие механические свойства аналогичные пластмассам или резинам. При изготовлении органического сердечника 3 в него с определенным шагом, зависящим от размеров каната и требования заказчика, интегрируют информационные элементы в виде электронных маркеров - RFID транспондеров 4 с количеством антенн 5 не менее числа зазоров между прядями 1 в одном слое, а их размер в поперечном сечении обеспечивает размещение антенн 5 в зазорах между прядями 1 в одном слое. Антенны 5 выполнены из немагнитного материала, покрыты изоляционным слоем и уложены в зазоры между прядями 1 в одном слое, причем зазоры заполнены полимерным материалом. Завершающим этапом при изготовлении каната предложенной конструкции является свивка прядей 1 вокруг органического сердечника 3, с интегрированными по его длине информационными элементами в виде электронных маркеров - RFID транспондеров 4 с антеннами 5 так, что антенны 5 укладываются в зазоры между прядями 1.
На интегрированные в органический сердечник 3 по его длине электронные маркеры - RFID транспондеры 4 записывается цифровая информация. Электронные маркеры - RFID транспондеры 4 переносят записанную информацию в пространстве и времени при движении каната, которую возможно считывать неподвижным приемником или считывают с неподвижного каната движущимся относительно него приемником.
Предложенный способ дефектоскопии позволяет для данной конструкции осуществлять, между прядями в одном слое каната. При работе каната существует зазор в одном слое между прядями 1, в котором уложена антенна 5 электронного маркера - RFID транспондера 4 передающая сигнал приемо-передатчику. В процессе эксплуатации каната вследствие упругопластических циклических деформирований зазор в одном слое между прядями 1 уменьшается (исчезает), что приводит к разрушению изоляционного слоя либо самих антенн 5 электронного маркера - RFID транспондера 4 уложенных в одном слое между прядями 1 и, как следствие, потери сигнала. Потеря сигнала свидетельствует о критическом износе каната и возможном появлении в нем дефектов.
Частным случаем конструкции является канат, содержащий навитые пряди 1, изготовленные из неферромагнитного материала, в качестве проволок использованы нити 2 из органического или неорганического материала, имеющий органический сердечник 3, с интегрированными по его длине электронными маркерами - RFID транспондерами 4, с антеннами 5 из немагнитного материала, покрытых изоляционным слоем и уложенных в зазоры между прядями 1 каната в одном слое.
Таким образом, предложенная конструкция каната обеспечивает стабильные технические характеристики по прочности, жесткости и гибкости и одновременно возможность записывать, хранить, считывать и передавать в пространстве и времени информацию с неподвижного или движущегося каната.
Использование информации, записанной, хранящейся, переносимой в пространстве и времени канатом предложенной конструкции, и ее передача на расстояние при эксплуатации в качестве несущих, тяговых и вантов, в системах управления подвесных канатных дорог, кабель-кранах, шагающих экскаваторах, строительстве различных инженерно-технических сооружений, для глубокого бурения нефтяных и газовых скважин, грузоподъемных кранов, лифтов, шахтных установок, талей, скриптовых подъемников, судовых подъемных устройств значительно расширяет функциональные возможности использования такого изделия.
Так, например, применение каната предложенной конструкции в системах управления вышеперечисленных машин позволяет идентифицировать марку и характеристики каната, что препятствует подделки изделия, контролировать провесы в пролетах, фиксировать наличие образовавшихся дефектов в самом канате, контролировать шаг установки отцепляемого подвижного состава, определять положение подвижного состава на трассе (в стволе, шахте лифта), глубину проходки скважин, расстояние до крюковой подвески, положение на блоках (шкивах) и прочие характеристики, фиксировать время эксплуатации каната.
Предложенная конструкция каната открывает новые возможности применения этого изделия в еще неосвоенных областях техники и технологии, а именно позволяет нести информацию об объекте, его свойствах, качестве, а также его положению в пространстве и времени.
На основании вышеизложенного и с учетом проведенного патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый нами «Стальной канат» может быть признан изобретением и защищен патентом.