способ измерения износа стальных проволочных канатов грузоподъемных машин

Формула изобретения

Способ измерения износа стальных канатов, включающий продольное намагничивание участков навески контролируемого каната до состояния, близкого к насыщению, измерение текущих параметров магнитного поля в межполюсном пространстве у поверхности контролируемого каната с помощью датчиков контроля магнитного поля, сопоставление текущих значений сигналов датчиков контроля магнитного поля с эталонными значениями сигналов датчиков контроля магнитного поля, по результатам которого судят об относительной потере сечения каната, отличающийся тем, что после навешивания каната дополнительно измеряют величину его линейного удлинения L и сравнивают ее с расчетной величиной упругого удлинения Lp каната, а об относительной потере сечения каната, связанной с его износом, судят с момента наступления соотношения 0,98 L/Lp 1,02 с учетом относительной потери сечения на этот момент.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области неразрушающего магнитного контроля изделий и предназначено для контроля износа стальных проволочных канатов грузоподъемных кранов, лифтов и других грузоподъемных машин.

Уровень техники в области неразрушающего магнитного контроля подобных объектов может быть представлен следующими известными решениями.

Известен способ измерения износа стальных канатов (см. патент СССР 1575109 A1, МПК G 01 N 27/82), при котором непрерывно продольно намагничивают канат постоянным магнитным полем, измеряют величину I_и индукции магнитного поля вокруг каната, измеряют интенсивность I_б скачков Баркгаузена вокруг каната, составляют из участка намагниченного каната и магнитопровода с катушкой замкнутую магнитную цепь и измеряют сопротивление катушки I_к на высокой частоте, непрерывно намагничивают канат низкочастотным магнитным полем с помощью электромагнита и измеряют индуктивность I_э катушки электромагнита, предварительно для образцового каната каждую из физических величин I_и; I_б; I _к; I_э измеряют многократно при одних и тех же изменениях мешающих параметров, по полученным массивам данных рассчитывают дисперсии G_и, G_б, G_к , G_э каждой из четырех физических величин, по которым получают коэффициенты К_и, К_б, К_к , К_э, где К_и= , К_б= , К_к= , К_э= , предварительно для n сечений каната, где n>2, при различных значениях мешающих параметров определяют средние градуировочные значения каждой из четырех физических величин I_иi; I_бi; I_кi; I_эi , где i=1,2,3,...n, а сечение S каната определяют из соотношения:

где А - градуировочный коэффициент, который равен величине корня квадратного из подкоренного выражения, вычисленного при значениях приращений сигналов, вызванных изменением сечения каната на единицу измеряемой величины.

Недостатками данного способа измерения износа стальных канатов являются большая сложность, трудоемкость и невысокая точность вычисления сечения каната.

Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ неразрушающего контроля площади поперечного сечения и обнаружения локальных дефектов протяженных ферромагнитных объектов, прежде всего канатов из стальной проволоки» (см. патент России: RU 2204129 С2 по МПК G 01 N 27/82).

Согласно этому способу участок контролируемого каната продольно намагничивают до состояния, близкого к насыщению, с помощью намагничивающего узла с полюсами, обращенными к контролируемому канату, и измеряют параметры магнитного поля в межполюсном пространстве у поверхности контролируемого каната, причем указанное измерение производят, по крайней мере, в одной паре точек, лежащих на линии, параллельной оси объекта. Сигналы о параметре магнитного поля в этих точках вычитают друг из друга и по полученной первой разности сигналов судят о наличии локальных дефектов, а для получения информации о площади поперечного сечения результаты этих измерений суммируют. При этом измерение параметра магнитного поля производят в точках, симметричных относительно середины межполюсного пространства намагничивающего узла и дополнительно измеряют параметр магнитного поля, по крайней мере, под одним из полюсов намагничивающего узла и определяют вторую разность - между суммой сигналов о параметре магнитного поля в упомянутой паре точек и результатом измерения параметра магнитного поля, по крайней мере, под одним из полюсов намагничивающего узла, умноженным на весовой коэффициент, значение которого постоянно для данного номинального значения площади поперечного сечения контролируемого каната.

Измеренные с помощью датчиков контроля магнитного поля текущие параметры магнитного поля в межполюсном пространстве у поверхности каната сравнивают с эталонными значениями контрольного образца каната или бездефектной его части в навеске и по результатам сравнения судят о дефектах каната.

Недостатком рассмотренного способа неразрушающего контроля площади поперечного сечения и обнаружения локальных дефектов протяженных ферромагнитных объектов является невысокая точность измерения величины износа сечения металла каната за время эксплуатации, по предельной величине которого производится замена каната. Это связано с неопределенностью начала учета износа сечения металла вновь навешенного каната. Новый навешенный канат в начале эксплуатации в течение 1-3 месяцев подвергается конструктивной вытяжке и соответствующему утонению. Утонение каната происходит вследствие смятия органического сердечника, пластической деформации соседних слоев проволок и прядей. Утонение каната при осуществлении описываемого способа неразрушающего контроля будет показывать (означать) износ площади поперечного сечения каната. Это связано с тем, что при уменьшении поперечного сечения каната имеет место увеличение радиальных зазоров под полюсами намагничивающего устройства, что вызывает уменьшение магнитной индукции в канате и переход материала каната в ненасыщенное состояние. Это ведет к нарушению линейной связи между площадью поперечного сечения каната и магнитной индукцией в зоне ее измерения дополнительными датчиками, что приводит к увеличению погрешности измерения площади поперечного сечения. Чем больше погрешность измерения, тем раньше выводится из эксплуатации канат.

Практика показывает, что утонение каната составляет величину 1-3% от его номинального диаметра и не учет этого приводит к большим погрешностям в измерении износа поперечного сечения каната. Например, для каната диаметром 42 мм утонение приводит к уменьшению диаметра на 0,42-1,26 мм. Это приводит к увеличению зазоров под полюсами намагничивающего устройства на 0,21-0,63 мм, что на 42-126% больше по сравнению с величиной нормативных зазоров. Увеличение зазоров происходит постепенно от некоторой начальной величины до величины максимальной, определяемой наступлением момента, когда канат считается обтянутым, т.е. когда в процессе эксплуатации отсутствует остаточное упругое удлинение. Такой процесс воспринимается по данному способу как процесс уменьшения сечения металла каната. Возникающая, в связи с этим погрешность точности измерения сечения металла каната, когда в процессе эксплуатации канат не изнашивается, а утоняется, приводит к уменьшению срока эксплуатации каната.

Задача настоящего изобретения - увеличение срока эксплуатации каната.

Технический результат, получаемый настоящим изобретением, состоит в повышении точности измерения величины износа сечения металла каната.

Для решения этой технической задачи в предлагаемом способе, как и в известном, измерение износа стальных канатов включает продольное намагничивание участков навески контролируемого каната до состояния, близкого к насыщению, измерение текущих параметров магнитного поля в межполюсном пространстве у поверхности контролируемого каната с помощью датчиков контроля магнитного поля и сопоставление текущих значений сигналов датчиков контроля магнитного поля с эталонными значениями сигналов датчиков контроля магнитного поля, по результатам которого судят об относительной потере сечения каната.

В отличие от прототипа после навешивания каната дополнительно измеряют величину его линейного удлинения L и сравнивают ее с расчетной величиной упругого удлинения Lp каната, а об относительной потере сечения каната, связанной с его износом, судят с момента наступления соотношения 0,98 L/Lp 1,02 с учетом относительной потери сечения на этот момент.

Измерение величины линейного удлинения L каната после его навешивания необходимо для определения такого момента, когда под действием собственного веса и веса транспортируемого груза прекратится удлинение каната, т.е. канат становится обтянутым и это будет свидетельствовать о стабилизации диаметра каната.

Инструментальное определение момента такой стабилизации диаметра каната будет способствовать практическому определению начала отсчета потери сечения каната от его износа.

Вычисление (расчетное определение) величины упругого удлинения Lp необходимо для определения теоретического значения максимального удлинения каната, которое будет достигнуто с момента его навески в процессе эксплуатации под действием собственного веса и веса транспортируемого груза. При этом значении канат становится обтянутым и можно считать, что произойдет стабилизация его диаметра.

Сравнивание величины линейного удлинения L каната с расчетной величиной упругого удлинения Lp каната необходимо для определения состояния стабильности диаметра каната с момента его навески.

Суждение о начале износа каната по достижению соотношения 0,98 L/Lp 1,02 необходимо для инструментального контроля технического состояния каната с целью увеличения его срока эксплуатации.

Оптимальным будет соотношение L/Lp=1, что свидетельствует о том, что канат можно считать обтянутым, у него в процессе дальнейшей эксплуатации отсутствует остаточное упругое удлинение, а следовательно, и утонение - уменьшение диаметра под нагрузками. При таком соотношении наступает момент начала износа сечения каната.

Соотношение L/Lp 1 свидетельствует о том, что величина линейного удлинения каната стала больше величины теоретически возможного упругого удлинения каната. Такое возможно при аварийном состоянии каната, характеризующемся потерей его прочности из-за порывов проволок, прядей или сердечника. В то же время незначительное превышение единицы может быть вызвано погрешностью измерений. Если принять широко используемую в технике величину погрешности измерения (например: канатов, приборов и средств контроля) в 2%, то максимальное соотношение будет: L/Lp 1,02.

Соотношение L/Lp 1 свидетельствует о том, что еще не наступил момент, когда измерения относительной потери сечения металла контролируемого каната следует учитывать. С учетом принятой выше величины погрешности измерений в 2% минимальное соотношение будет:

L/Lp 0,98.

Итогом определения оптимального соотношения линейного удлинения L и расчетной величины упругого удлинения Lp каната будет соотношение: 0,98 L/Lp 1,02.

Вышеперечисленные существенные отличительные признаки нам были неизвестны из патентной и научно-технической информации и соответствуют критерию «Новизна», т.е. существенные отличительные признаки являются «Новыми».

Учитывая, что вышеприведенные существенные отличительные признаки являются неочевидными для среднего специалиста в этой области знаний, то мы считаем, что изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень». Изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость», т.к. его реализация не представляет технических трудностей и может быть осуществлена с помощью существующих средств измерения длины, массы и характеристик канатов, приведенных в соответствующих ГОСТах и ТУ на канаты.

Изобретение поясняется представленной на чертеже схемой реализации способа.

Предлагаемый способ измерения износа стальных проволочных канатов грузоподъемных машин осуществляется следующим образом. Участок навески контролируемого каната 1 (см. чертеж) намагничивают до состояния, близкого к насыщению, для чего создают магнитный поток с помощью намагничивающего узла 2 с полюсами, охватывающими контролируемый канат. С помощью датчиков 3 контроля магнитного поля в межполюсном пространстве намагничивающего узла 2 у поверхности контролируемого каната 1 измеряют текущие параметры магнитного поля, сигналы которых поступают в блок обработки сигналов 4 (процессор). В блоке обработки сигналов 4 текущие значения сигналов датчиков 3 контроля магнитного поля сопоставляются с эталонными значениями, которые получают следующим образом. Намагничивающий узел 2 с датчиками 3 устанавливают на контрольном образце каната, являющегося отрезком контролируемого каната, с номинальным значением сечения металла каната, что соответствует нулевому значению потери сечения. С помощью регулятора в блоке обработки сигналов 4 устанавливают на регистрирующем узле и фиксируют в памяти нулевое значение потери сечения металла каната. Затем намагничивающий узел 2 с датчиками 3 устанавливают на контрольном образце каната с известным, искусственно созданным значением потери сечения и с помощью регулятора в блоке обработки сигналов 4 устанавливают это значение на его регистрирующем узле и фиксируют в его памяти. В качестве значения потери сечения можно использовать 100%-ную потерю сечения, что соответствует отсутствию каната в намагничивающем узле 2 с датчиками 3 контроля магнитного поля. Создание в памяти блока обработки сигналов 4 эталонных значений сигналов датчиков 3 контроля поля, т.е. формирование алгоритма или функциональной зависимости сигналов датчиков контроля магнитного поля от величины потери сечения металла каната по двум точкам, позволяет получить достаточную точность измерения, т.к. зависимость сигналов при использовании датчиков Холла от потери сечения близка к линейной. При нелинейной зависимости для повышения точности измерения необходимо использовать большее количество известных значений потери сечения.

По результатам сопоставления величин текущих и эталонных значений сигналов датчиков 3 контроля магнитного поля блок обработки сигналов 4 на регистрирующем узле отображает относительную величину потери сечения металла каната. Регистрацию и накопительный учет относительной потери сечения металла каната, связанной с его износом в данный момент, осуществляют при наступлении соотношения измеренной величины линейного удлинения каната L и ее с расчетной величиной упругого удлинения Lp каната:

0,98 L/Lp 1,02.

При навеске необтянутых канатов упругое удлинение канатов под действием собственного веса и груза вычисляют по формуле (см. стр.53 «Инструкции по эксплуатации стальных канатов в шахтных стволах» (РД 03-439-02. Серия 03. Выпуск 13/ Колл. авт. - М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России, 2002)):

Lp=L(0,05Мк+0,02q L)/e d Qc, (мм),

где: L - полная длина отвеса каната, м;

Мк - масса концевого груза, кг;

q - линейная масса каната, кг/м;

d - диаметр каната, мм;

Qc - расчетный параметр, Qc=F/d (стр.20, там же);

F - суммарная площадь сечения всех проволок каната, мм²;

е - коэффициент, учитывающий уменьшение продольной жесткости каната по сравнению со сплошным стальным стержнем, площадь которого равна суммарной площади всех проволок каната:

е=0,51 для необтянутых круглопрядных канатов с органическим сердечником;

е=0,544 для необтянутых трехграннопрядных канатов и круглопрядных канатов с металлическим сердечником;

е=0,5865 для необтянутых закрытых подъемных канатов.

Подставляя значение Qc, преобразовываем формулу к виду:

Lp=L(0,05Мк+0,02q L)/e F, (мм).

Пример реализации способа.

В вертикальном шахтном подъеме навешивали канат по ГОСТ 2688-80 диаметром d=42 мм, полная длина отвеса каната L=680 метров, масса концевого груза каната Мк=10000 кг. Контроль потери сечения металла каната выполняли прибором «Интрон Плюс».

После навески каната в периоды технического осмотра производили замеры его длины, которая постоянно увеличивалась и через 76 суток составила 681158 мм, т.е. относительное удлинение:

L=681158-680000=1158 (мм)

Рассчитывали упругое удлинение каната под действием собственного веса и концевого груза по формуле:

Lp=L _к(0,05Мк+0,02q L_к)/e F, (мм).

Для определения F воспользовались формулой:

F=3,14vd²/4, (см. стр.19 «Инструкции по эксплуатации стальных канатов в шахтных стволах» (РД 03-439-02)).

v=0,485 (табл.3 для ГОСТ 2688-80 «Инструкции по эксплуатации стальных канатов в шахтных стволах» (РД 03-439-02)).

F=3,14×0,485×42×42/4=671,6 (мм²)

Для определения q воспользовались формулой:

q= F/10⁶, (см. стр.20 «Инструкции по эксплуатации стальных канатов в шахтных стволах» (РД 03-439-02)).

=9766 (табл.3 для ГОСТ 2688-80 «Инструкции по эксплуатации стальных канатов в шахтных стволах» (РД 03-439-02)).

q=9766×671,6/10 ⁶=6,559 (кг/м²)

Тогда:

Lp=L _к(0,05Mк+0,02q L_к)/eF=680(0,05×10000+0,02×6,559×680)/0,51× 671,6=1169,75 мм.

Вычисляли соотношение

L/Lp=1158/1169,75=0,989.

Следовательно, в процессе эксплуатации каната соотношение L/Lp=0,989 достигалось через 76 суток с момента навески каната. За это время прибором «Интрон Плюс» проводились инструментальные замеры сечения каната и фиксировалось постепенное увеличение относительной потери сечения металла каната до 5%, что фактически было связано с постепенным обжатием каната.

Согласно пункту 3.5.11 «Инструкции по эксплуатации стальных канатов в шахтных стволах» (РД 03-439-02) «Канаты должны быть сняты и заменены (при инструментальном контроле) новыми при относительной потере площади сечения стали, достигающей» для различных видов канатов от 10 до 24%. Поэтому величина в 5% по отношению к регламентируемым 10-24% составляла значительную величину, учет которой позволил объективно, по техническому состоянию каната, увеличить срок его эксплуатации на 76 суток.

Таким образом, благодаря предложенному способу измерения износа стальных проволочных канатов грузоподъемных машин достигнуто повышение точности измерения величины износа сечения металла каната.

Определение начала отсчета величины износа сечения каната позволяет наиболее полно выработать канату в режиме безаварийной эксплуатации нормативный срок службы, определяемый по нормативному проценту относительного износа сечения металла каната, и, тем самым, продлить срок его эксплуатации.

Изобретение может быть использовано во всех областях, связанных инструментальным контролем технического состояния канатов грузоподъемных машин и где применяют для этой цели соответствующие специализированные устройства (например: «Интрон Плюс», «ИИСК-4», «ИИСК-5» и др.).