Факторы, влияющие на техническое состояние и диагностирование канатов лифтовых установок

УДК 621.86

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ДИАГНОСТИРОВАНИЕ КАНАТОВ ЛИФТОВЫХ УСТАНОВОК

В.И. Сероштан, П.В. Витчук

Рассмотрены факторы, влияющие на техническое состояние и диагностирование канатов лифтов. Приведены типовые отказы стальных канатов и способы их обнаружения.

Ключевые слова: диагностирование, канат, канатоведущий шкив, лифт, отказ.

Лифты относятся к техническим объектам повышенной опасности, одной из основных элементов конструкции которых является канатноблочная система. Безопасность эксплуатации лифтов во многом определяется техническим состоянием канатов. Стальные канаты в лифтах используются в качестве тяговых и уравновешивающих элементов, а также для приведения в действие ограничителя скорости лифта.

Выбор стальных канатов канатно-блочных систем лифтовых установок, а также их контроль и выбраковка должны производиться в соответствии с требованиями действующих контрольных документов [1, 2]. Важность контроля технического состояния канатов обусловлена результатами многочисленных их испытаний, проведенных в лабораторных и производственных условиях. Из более 8000 подвергавшихся замене канатов около 10 % имели потерю прочности более 15 %, примерно 2 % канатов потеряли более 30 % номинальной прочности. С другой стороны более 70 % снятых с эксплуатации канатов имели незначительные дефекты, и их можно было еще использовать [3].

В процессе эксплуатации лифтов, при их транспортировке и монтаже происходят следующие неисправности канатно-блочных систем [4, 5]: обрывы проволок, прядей и каната в целом; перетирание канатов и их выпадение из ручьев блока; заедание каната на блоках; износ ручьев и реборд блоков и их разрушение; ослабление крепления каната механизма включения ловителей и др.

Обрывы проволок, прядей и каната в целом могут быть вызваны естественным износом каната, преждевременным износом из-за отсутствия смазки каната, перегрузкой лифта, повреждением каната при перевозке, монтаже, неправильной эксплуатации или при производстве ремонтных работ. Перетирание каната происходит при неправильной его запасовке в случаях касания канатом металлоконструкции лифта или другого каната при небольшом расстоянии разводки канатов. Заедание каната на блоке происходит вследствие заедания самого блока на оси, либо вследствие задевания каната за ограждающие элементы конструкции. Заедание блока

приводит к интенсивному износу каната и ручья блока. Выпадение каната из ручья блока происходит из-за неправильной запасовки каната, при его ослаблении, при отсутствии или недостаточной прочности устройств, препятствующих сходу каната с блока.

Причинами преждевременного износа канатов, ручьев блока, втулок и осей являются затиры, вызываемые недостаточным поступлением смазочного материала, работой в абразивной среде или большими удельными давлениями. Поломка блоков (отколы реборд, трещины в корпусе блока) чаще всего возникает при транспортировке, монтаже и демонтаже. Ослабление крепления каната для привода ловителей лифтов приводит к ложному их срабатыванию, что опасно.

Основными причинами интенсивного изнашивания и повреждения канатов являются следующие: неправильный выбор конструкции каната, типа и направления свивки; соотношения диаметра каната и диаметров барабана, канатоведущего шкива и направляющих блоков; отсутствие или нерегулярное смазывание канатов, загрязнение канатной смазки; наличие абразивных частиц на поверхности трения канатов; проскальзывание каната на блоке при его огибании, заедание каната в ручьях блока и при затрудненном вращении блока; неудовлетворительное состояние ручья блока, огибаемого канатом; неупорядоченная навивка каната на барабане; коррозия отдельных проволочек каната; повышение нагрузки на канат, например, при перегрузке кабины.

При эксплуатации лифта на канаты действуют статические и динамические, растягивающие и изгибающие механические нагрузки. В результате абразивного износа, уменьшается площадь сечения каната и происходит накопление усталости металла проволок, что вызывает изменение структурного состояния металла проволок, образование обрывов проволок каната и, как следствие, ухудшение их механических характеристик. Все это приводит к снижению запаса прочности каната и возможному его разрушению при воздействии на него внешних нагрузок.

Правилами безопасности определены критерии и нормы браковки канатов из-за поверхностного и внутреннего абразивного износа, коррозии, количества обрывов наружных и внутренних проволок на длине шага свивки каната. Помимо количественных критериев браковки канатов следует учитывать и качественные: деформации разных типов, повреждения в результате температурного воздействия или электрического дугового разряда. Так, основной причиной обрыва тяговых канатов и каната ограничителя скорости лифта Останкинской башни во время пожара 27 августа 2000 года было воздействие высокой температуры [6].

Одним из видов повреждений являются вмятины проволок канатов в местах контакта прядей между собой или (при наличии металлического сердечника) в местах контакта проволок сердечника с проволоками основного слоя прядей. Глубина вмятин проволок может достигать 1/3 части их

диаметра. При этом проволоки (за исключением вмятин) могут сохранять свой первоначальный вид. Другим характерным видом повреждений канатов является истирание наружных проволок, приводящее, как и вмятины, к утонению проволок наружного слоя каната. При длительной эксплуатации канатов появляется третий вид их повреждений - это разрушение металла проволок.

Наиболее характерным видом повреждения канатов являются обрывы их проволок, возникающие вследствие значительного утонения из-за истирания и коррозии, а также вследствие усталости металла под действием повторно-переменных напряжений. При этом обрывы проволок носят явно выраженный усталостный характер при отсутствии пластической деформации, а разрушение напоминает гильотинный срез.

Весьма опасным видом усталостного разрушения канатных проволок лифтовых установок является коррозионная усталость [3]. Существенной причиной выбраковки канатов лифтовых установок является абразивный износ наружных проволок. Известно, что при уменьшении диаметра каната в результате поверхностного износа или коррозии на 7 % или уменьшении первичного диаметра внешних проволок на 40 % канат подлежит браковке. На рисунке приведена графическая иллюстрация параметров, определяющих степень абразивного износа внешних проволок стального каната, а в таблице указаны их значения [7].

Параметры, определяющие степень абразивного износа внешних проволок стального каната

Особую опасность представляет скрытый внутренний износ каната, складывающийся из абразивного и коррозионного износов проволок внутри каната. Абразивный износ происходит из-за смещения проволок и прядей друг относительно друга при огибании канатом канатоведущего шкива (или барабана) и отводных блоков с изменением поперечной формы каната при укладке его в ручей блока или барабана. Интенсивность абразивного износа зависит от степени попадания внутрь каната абразивной пыли и примесей, находящихся в окружающей среде. Попавшие внутрь каната примеси загрязняют канатную смазку, из-за чего она становится абразивной и интенсифицирует износ.

Любое повреждение поверхности ручьев барабана, блоков и роликов в месте контакта с канатом приводит к увеличению скорости износа поверхности ручья блока. Запредельный износ ручья блока приводит к интенсивному истиранию наружной части каната. Канат при этом теряет форму, деформируется, размочаливается, вбирает в себя продукты износа и истирается внутри сечения.

Уменьшение диаметра проволоки в зависимости от ширины __________и длины лыски изношенной поверхности__________

№ п/п Отношение ширины лыски к диаметру проволоки, ЬМ Отношение длины лыски к диаметру проволоки, l/d Уменьшение диаметра проволоки,%

1 0 0 0

2 0,6 4,9 10

3 0,7 5,8 15

4 0,8 6,6 20

5 0,86 7,1 25

6 0,93 7,8 30

7 0,98 8,0 40

Помимо рассмотренных видов повреждений канатов в виде вмятин, абразивного и усталостного износов, а также обрывов проволок заслуживают внимания также остаточные деформации каната или потеря формы его сечения. Это раздавливание каната, лежащего на барабане в первом (нижнем) слое при многослойной навивке каната на барабан, а также потеря формы витками каната, зажатыми между боковой поверхностью барабана и другими витками.

При контроле технического состояния стальных канатов используют визуальный и инструментальный методы контроля. Визуально определяют деформации и нарушения конструкции каната, наличие наружных обрывов проволок, видимых следов температурных воздействий, коррозии и абразивного износа наружных проволок. Очевидно, что визуальный метод контроля субъективен и позволяет определить состояние каната только относительно качественных критериев. Количественные критерии применяют при инструментальных методах контроля. Так, диаметр канатов и отдельных проволок определяют с помощью инструментов для линейных измерений (штангенциркуль, микрометр).

Диаметр круглого каната проверяют, измеряя штангенциркулем, на расстоянии не менее 5 м от конца свивки каната в ненагруженном состоянии как среднее значение двух измерений 0,5(С1 + ^) по взаимно перпендикулярным осям сечений каната. Степень абразивного износа внешних проволок каната определяется измерением параметров, приведенных на рисунке и в таблице.

Для определения шага свивки каната на его поверхность наносят метку и отсчитывают вдоль центральной оси каната число прядей, имеющихся в его сечении, и на следующую после окончания отсчета прядь наносят вторую метку. Расстояние, измеренное между метками, равно шагу свивки каната.

Хорошо известно, что визуально обнаруживаются только поверхностные дефекты каната, а это совершенно недостаточно для правильного определения его состояния. К тому же визуальный контроль создает возможности для недобросовестного выполнения инспекционных функций. Трудно и почти невозможно тщательно осмотреть канат со всех сторон, покрытый смазкой и грязью [8]. Наилучшим способом обнаружения и оценки наиболее опасного скрытого износа внутренних проволок каната является их дефектоскопия по всей длине методами неразрушающего контроля. Известны попытки установить корреляцию между показателями дефектоскопа (например, амплитудой фоновых шумов) и условной потерей прочности каната, определяемой суммарной прочностью разорвавшихся проволок при растяжении их на разрывной машине. Значения условной прочности, полученные в лабораторных условиях на разрывной машине, оказались неэквивалентными фактической прочности каната в условиях эксплуатации.

Одним из факторов, определяющих трудность оценки снижения прочности канатов в процессе эксплуатации, является ее возрастание в начальный период из-за обтяжки канатов. Существует мнение о невозможности достоверной количественной оценки даже с помощью дефектоскопов достоверной потери прочности канатов, подверженных коррозии или (и) имеющих другие внешние и внутренние дефекты.

Тем не менее, для определения технического состояния каната по всей длине с учетом внешних и внутренних дефектов по количественным критериям получил распространение метод магнитной дефектоскопии. Оценку технического состояния и остаточный ресурс каната при этом производят по относительной потере сечения каната по металлу и количеству локальных дефектов на длине свивки каната. Потерю сечения определяют как уменьшение площади поперечного металлического сечения распределенной по длине каната относительно номинального значения, вызванное истиранием, коррозией и другими причинами. К локальным дефектам относятся обрывы наружных и внутренних проволок каната, а также локальная коррозия проволок [6].

Локальные дефекты стальных канатов обнаруживаются на основе следующих критериев [9]:

- характера и числа обрывов проволок на фиксированной длине;

- наличия мест сосредоточения обрывов проволоки прядей;

- поверхностного и внутреннего износов;

- поверхностной и внутренней коррозии;

- разрыва одной или нескольких прядей;

- местного уменьшения диаметра каната, включая разрыв сердечника;

- уменьшения площади поперечного металлического сечения проволок каната (потери внутреннего сечения);

- места нахождения дефектов по длине каната, и их и идентификация (распознавание).

Магнитная дефектоскопия может проводиться с использованием переменного либо постоянного магнитного поля. При намагничивании каната переменным магнитным полем используют ингромагнитный датчик, который представляет собой магнитную систему с возбуждающей и измерительной катушками. Канат является элементом магнитной системы. Возбуждающая катушка питается переменным током низкой частоты (10...50 Гц). Измерительная катушка охватывает канат и регистрирует его магнитные характеристики. Локальные дефекты могут выявляться при перемещении магнитного датчика относительно каната, а также в неподвижном состоянии.

При намагничивании каната постоянным магнитным полем магнитный датчик реализуется на основе электромагнита постоянного тока или постоянных магнитов. Для регистрации локальных дефектов используется эффект выпучивания (рассеяния) магнитного поля в месте дефекта. Потоки рассеяния регистрируются матрицей магниточувствительных элементов или измерительной катушкой. Для определения процента потери сечения в измерительном датчике используют зависимость магнитного потока от магнитного сопротивления участка цепи «канат - воздушный зазор - полюс магнитопровода намагничивающего устройства». Уменьшение металлического сечения каната приводит к увеличению магнитного сопротивления указанного участка цепи и соответственно к пропорциональному уменьшению магнитного потока в магнитопроводе. Изменение магнитного потока регистрируется магниточувствительными элементами.

Для определения координат магнитного датчика на канате производится измерение его текущей длины. При измерении текущей длины канатов прядевой конструкции может использоваться бесконтактный способ, заключающийся в подсчете шагов свивки. Сигналы шагов свивки формируются магниточувствительными элементами или магнитоуправляемыми микросхемами. Для канатов закрытой конструкции длина определяется устройством на основе ролика, вращающегося при движении магнитного датчика по канату. Вращение ролика вызывает формирование сигналов длины каната, фиксируемых соответствующим магниточувствительным элементом.

Для дефектоскопии канатов по всей их длине с представлением отчета применяется магнитный дефектоскоп «Интрон», выпускаемый ООО «Интрон Плюс» [10, 11]. «Интрон» обеспечивает достоверность заключения о техническом состоянии каната. Он состоит из универсального электронного блока и набора магнитных головок для контроля канатов различных конструкций и размеров.

Портативный микропроцессорный электронный блок массой не более 0,8 кг является накопителем данных с объемом памяти, обеспечивающего хранение данные контроля от 2 до 12 км каната одновременно по каналам потери сечения и наличия локальных дефектов. Этот блок используют также и в полевых условиях, для представления данных при контроле в реальном масштабе времени с интерпретацией данных собственным символьным светодиодным дисплеем, световым и звуковым сигналам или подключенным к блоку с самописцем. Загруженные данные в память электронного блока могут быть переданы в компьютер для последующей обработки.

Масштабы регистрации устанавливаются автоматически при калибровке прибора. Благодаря портативности и автономности питания электронный блок может быть закреплен на магнитной головке, что обеспечивает работу дефектоскопа в полностью независимом режиме. Для обработки данных контроля после их перегрузки в компьютер имеется программное многофункциональное обеспечение ЖПЫТЯО8, с помощью которого удобно отслеживать состояние каната в течение срока службы с возможностью уловить момент, когда скорость износа каната значительно возрастает, и необходимо сокращать интервалы времени между обследованиями каната или производить его замену. Накопленные данные контроля в электронном формате позволяют создавать базы данных для необходимого множества канатов.

Некоторые предприятия, имеющие магнитные дефектоскопы стальных канатов, «Интрон» (ИЦ «НЕТЭЭЛ», г. Москва; ИКЦ «Альтон», г. Ижевск; ООО НПФ «Сиблифтсервис», г. Красноярск; ООО «Интрон Плюс», г. Москва), провели выборочную проверку лифтовых канатов. Всего было обследовано 227 канатов на 68 лифтах. В результате контроля обнаружены недопустимые дефекты (обрывы проволок, условное число которых на шаге свивки превышает допустимую величину) на 21 канате (19 лифтов), т. е. требованиям правил безопасности не соответствовали 9 % канатов на 28 % обследованных лифтах.

Специалистами ИКЦ СЭКТ при ВКА им. А.Ф. Можайского был обследован ряд подъемных сооружений объектов инфраструктуры космодрома Байконур с целью определения возможности и условий их эксплуатации после истечения нормативного срока службы [12]. При

обследовании подъемных сооружений особое внимание было уделено элементам с высокой ценой отказа - канатно-блочным системам. При дефектоскопии канатов применялись визуально-измерительный метод контроля и магнитный метод с использованием дефектоскопа «Интрон».

Результаты обследования каната диаметром 13 мм грузопассажирского лифта (Финляндия) грузоподъемностью 1000 кг, выполненного ООО «Интрон Плюс» (г. Москва), позволили выявить скопление обрывов проволок в одной пряди, условное число которых превышало допустимое значение, что свидетельствовало о возможном скором обрыве пряди. При визуальном контроле этого отрезка каната удалось рассмотреть дефекты только после тщательной очистки каната от смазки, т.е. визуальный контроль целесообразен только вместе с инструментальным.

При контроле фиксировались только обрывы проволок, поскольку этого требуют действующие ПУБЭЛ [1]. При дефектоскопии автоматически определяется и потеря сечения каната по всей длине - один из основных критериев остаточной несущей способности каната. Результаты контроля показали, что канат необходимо было забраковать ранее, а перед этим обеспечить более частый контроль, так как потеря площади сечения на выявленном участке достигла 17,6 %.

Большую роль в распознавании рисков эксплуатации лифтов и прогнозировании их остаточного ресурса играют принятые в практике проектирования лифтов коэффициенты запаса прочности канатов. Существует мнение, что при больших коэффициентах запаса прочности канатов их дефектоскопия не обязательна, достаточно браковки канатов только по числу оборванных проволок на шаге свивки. Однако исследования показали, что около 10 % канатов обследованных лифтов не соответствует требованиям правил безопасности только по обрывам проволок, что исключает эксплуатацию канатов с недопустимым (или близким к этому) износу. Статистика выполненного обследования канатов показала, что эксплуатация более четверти всех проверенных лифтов недопустима по фактическому состоянию.

Позиция, согласно которой канат дешевле заменить, чем выполнять его дефектоскопию, не выдерживает критики. Ясно также, что замена каната по фактическому состоянию, а не по условному сроку службы, более адекватна. Помимо повышения достоверности данных о техническом состоянии канатов применение их дефектоскопии дисциплинирует персонал, отвечающий за контроль, согласно обязательному документированию результатов. Благодаря объективной, достоверной и документированной оценки фактического состояния канатов и своевременной замене недопустимо изношенных и поврежденных, магнитная дефектоскопия позволяет существенно повысить безопасность эксплуатации лифтов.

Список литературы

1. ПБ 10-558-03. Правила устройства и безопасной эксплуатации лифтов. Введ. 16.05.03. Москва, 2003. 176 с.

2. МР 10-72-04. Методические рекомендации по обследованию технического состояния и расчету остаточного ресурса с целью определения возможности продления срока безопасной эксплуатации лифтов. Введ. 19.03.04. Москва, 2004. 37 с.

3. Дворник А.П., Дакуко H.A., Микула С. Исследование несущей способности шахтных канатов и разработка методики расчета их предельного состояния // Горная механика. 1998. № 1. С. 3-7.

4. Анцев В.Ю., Витчук П.В. Расчет параметров канатоведущего шкива лифта в процессе износа // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2012. № 2-6 (292). С. 112-118.

5. Витчук П.В., Абрамов Д.Ю. К вопросу о долговечности канатно-

блочной системы лифта // Наука и образование: электронное научнотехническое издание. Инженерные науки. #11,

URL: http://technomag.edu.ru/doc/234034.html (дата обращения: 19.04.2013).

6. Цуканов В.В, Шпаков И.И. Дефектоскопия канатов - гарант безопасности эксплуатации лифтов // Лифт. 2006. №10. С. 2-4.

7. Иванов В.Н. Техническое диагностирование подъемнотранспортных машин: уч. пособие. Харьков: Изд-во «Форт». 2009. 272 с.

8. Комиссаров В.Я., Сухоруков В.В., Хомченко С.В. Роль дефектоскопии канатов в обеспечении безопасности лифтов // Безопасность труда в промышленности. 2004. №10. С. 33-35.

9. РД 03-348-00. Методические указания по магнитной дефектоскопии стальных канатов. Введ. 30.03.2000. Москва, 2000. 24 с.

10. Котельников В. С., Сухоруков В.В. Дефектоскопия канатов грузоподъемных машин // Безопасность труда в промышленности. 1998. №5. С. 34-38.

11. Короткий А. А., Павленко А.В., Шипулин А.В. О методике магнитной дефектоскопии канатов // Известия ТулГу. Сер. Подъемнотранспортные машины и оборудование. Вып. 2. Тула: Изд-во ТулГу, 1999. С.192-199.

12. Гузенко В.Л., Полупан А.В., Онопченко А.В. Опыт применения магнитной дефектоскопии стальных канатов подъемных сооружений космодрома Байконур // Безопасность труда в промышленности. 2004. №7.

С. 21-23.

Сероштан Владимир Иванович, канд. техн. наук, доц., Swi77@yandex.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»

Витчук Павел Владимирович, ст. преп., zzzVentor@yandex.ru, Россия, Калуга, Калужский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана»

FACTORS AFFECTING THE TECHNICAL CONDITION AND DIAGNOSIS

OF ELEVATOR CABLES

V.I. Seroshtan, P.V. Vitchuk

Considered factors affecting the technical condition and diagnosis of elevator cables. Given typical failures of steel cables and methods of their detecting.

Key words: diagnosis, cable, cable sheave, elevator, failure.

Seroshtan Vladimir Ivanovich, candidate of technical science, docent, SWI77@yandex.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University,

Vitchuk Pavel Vladimirovich, senior lecturer, zzzVentor@ya.ru, Russia, Kaluga, Kaluga Branch of Bauman Moscow State Technical University.

Получено 28.06.2013 г.

УДК 621.86

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ РАВНОВЕСНОЙ ШЕРОХОВАТОСТИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ РУЧЬЕВ ЛИФТОВЫХ КАНАТОВЕДУЩИХ ШКИВОВ

В.Ю. Анцев, П.В. Витчук

Рассмотрены существующие аналитические зависимости для определения величины равновесной шероховатости рабочей поверхности ручьев лифтовых канатоведущих шкивов. Проведена экспериментальная проверка их применимости.

Ключевые слова: изнашивание, канатоведущий шкив, лифт, равновесная шероховатость, ручей.

Подавляющее большинство находящихся в эксплуатации в России на сегодняшний день лифтов включают в свою конструкцию канатоведущий шкив. Усилие для подъема кабины таких лифтах создается на основе фрикционного взаимодействия между рабочими поверхностями тягового каната и ручья канатоведущего шкива. Это обуславливает изнашивание последних, что приводит к снижению точности позиционирования кабины на этажах, рывкам в процессе ее движения и к снижению долговечности канатоведущего шкива, и тяговых канатов [1, 2].