Канаты

Г.Д. Трифанов, А.П. Кошкин, А.А. Князев, М.С. Озорнин

Прочность стального каната, в основном, обуславливается площадью металла в его поперечном сечении и временным сопротивлением разрыву металла проволок. В процессе эксплуатации каната на шахтном подъеме происходит усталостный обрыв отдельных проволок, и потеря сечения металла проволок вследствие их коррозии и механического износа. При этом канат теряет свою прочность и механические свойства.

Оборванные проволоки каната не всегда выходят наружу. Коррозионный износ проявляется внутри каната. Поэтому визуальный осмотр каната не позволяет точно оценить его остаточную прочность. Применяемый в настоящее время разрушающий контроль образцов каната, вырезанных над коушем, позволяет судить о состоянии каната только на этом участке. На подъемных установках со шкивами трения этот метод контроля неприемлем.

В настоящее время в практику эксплуатации канатов внедряются неразрушающие методы контроля. На рудниках ОАО «Сильвинит» применяется магнитно-индукционный дефектоскоп, позволяющий выявлять обрывы проволок.

Схема магнитной системы дефектоскопа показана на рис. 1.

Рис. 1. Магнитная система дефектоскопа
1 - исследуемый канат; 2 - постоянный магнит; 3 - магнитопровод; 4 - измерительные полукатушки; 5 - концентраторы; А, Б, В - места размещения датчиков Холла.

Контролируемая часть каната 1 намагничивается постоянным полем магнита 2. При этом силовые линии магнитного поля замыкаются через, проходя через канат 1 в осевом направлении, магнитопровод 3 и магнит 2. Результирующий магнитный поток зависит от МДС магнита и магнитного сопротивления. Это сопротивление складывается из сопротивления воздушного зазора между магнитопроводом 3 и канатом 1 и сопротивления участка каната. Если в канате имеется какая либо неоднородность, например обрыв проволоки, ржавчина или износ, то изменяется магнитное сопротивление участка каната, и в этой зоне образуется поле рассеяния. Для определения этого поля вокруг каната между магнитными полюсами устанавливаются две измерительные полукатушки 4. В них силовые линии поля рассеяния при прохождении каната через намагниченную зону индуцируют электрические сигналы, которые после усиления, поступают на регистрирующий прибор или ЭВМ. Скорость прохождения каната лежит в пределах от 0,3 до 3,0 м/с. Наиболее оптимальной является скорость в 1 м/с.

Для определения мест повреждения полукатушки 4 расположены таким образом, что охватывают канат почти на 180° каждая. Если, например, имеется повреждение в середине каната, то на обеих диаграммах S1 и S2 будет всплеск, если ближе к одной из полукатушек - всплеск проявится только на одной диаграмме (рис. 2). Различия форм диаграмм S1 и S2 позволяет отличить наружные и внутренние обрывы проволок.

Рис. 2. Фрагмент канатограммы каната № Q17656/2:
S1, S2 - канатограммы обрывов проволок; S3 - канатограммы потери сечения.

Для исключения влияния скорости каната на амплитуду всплесков сигналы с измерительных катушек усиливаются в функции скорости. Для этого прибор оснащен подпружиненным датчиком положения (скорости) с фрикционным приводом (на рис. 1 не показан). Сигналы с датчика положения управляют протяжкой диаграммной бумаги пропорционально пройденной длине каната.

Кроме двух полукатушек в приборе предусмотрена возможность намотки вокруг каната индукционной катушки, которая охватывает весь магнитный поток. Магнитный поток в этой катушке примерно равен магнитному потоку постоянного магнита и зависит от количества ферромагнитного материала в зазоре магнитной системы. Пока это количество постоянно, поток также остается постоянным м в суммирующей катушке не индуцируется электрическое напряжение. При изменении количества ферромагнитного материала в зазоре магнитной системы, вследствие изменения потока, в катушке индуцируется электрическое напряжение. При суммировании во времени текущего значения напряжения на интеграционном (суммирующем) усилителе на выход поступает мгновенные значения количества находящейся между полюсами магнитной системы стали. А поскольку длина активного воздушного зазора постоянна, можно получить среднее значение поперечного сечения измеряемого каната. Таким образом прибор позволяет определять отклонение поперечного сечения каната относительно базового, то есть дает только качественные значения и не имеется возможности количественной оценки потери сечения каната.

Однако, однородные изменения сечения по всей длине или медленно изменяющие-ся сечение этим способом не регистрируются. Кроме того, такой способ чувствителен к дрейфу нуля усилителя или его не полной компенсации, что приводит, в конечном итоге, к насыщению усилителя и прекращению регистрации сигнала. Это явление и было обнаружено при эксплуатации дефектоскопа.

Перечисленные недостатки потребовали доработки прибора с целью получения информации о потере сечения металла каната путем регистрации датчиками Холла изме-нения магнитной индукции.

При этом возможны два решения: либо измерять магнитную индукцию в магнитопроводе, либо магнитную индукцию поля рассеяния.

При измерении магнитной индукции в зазоре между магнитопроводом и канатом (точка А на рис. 1) существует сильная зависимость магнитной индукции от перемещения каната. Это связано с тем, что датчик Холла близко расположен к поверхности каната и канатная свивка сильно изменяет величину магнитной индукции. Исследования показали, что среднее значение магнитной индукции в зазоре на не дефектном участке равно 0,102 Тл, на дефектном с потерей сечения на 15%; 0,870 Тл, при этом изменение магнитной индукции от свивки каната происходило в диапазоне 0,870 - 0,110 Тл. Таким образом, систематическая погрешность, связанная со свивкой, даже превышает измеряемую величину, что является неприемлемым.

В точке Б (рис. 1) за счет усреднения магнитного потока в магнитопроводе эффект свивки не проявляет себя, но для эффективной работы датчика необходимо в этот зазор разместить клин из ферромагнетика, а так как магнитная система должна быть симметричной, поэтому такой же клин надо разместить с другой стороной. Причем симметрия должна быть выполнена очень точно, в противном случае из-за гистерезисных явлений в канате возникает разница в магнитной индукции при смене направления движения магнитной системы по канату.

При размещении датчика в точке С (рис. 1) измеряется поле рассеяния, причем ве-личина магнитной индукции этого поля увеличивается при уменьшении сечения каната. Для увеличения чувствительности датчика здесь необходимо установка концентраторов магнитного поля (чувствительность увеличивается в 4 раза). Исследования на образцах канатов показала, что ослабление намагничивающего поля из-за установки концентраторов незначительно. Эффект несимметричности также проявляется слабее чем в схеме Б. Таким образом размещение датчиков Холла по этой схеме наиболее рационально.

Для усреднения магнитной индукции при смещении каната от оси симметрии при его движении, было установлено четыре датчика Холла, расположенных под углом 900.

Тарировка прибора осуществлялась на контрольных образцах канатов длиной 5,5 м и натянутых с усилием 5 кН с искусственно созданной потерей сечения путем постепенного удаления отдельных проволок из участка длиной 1,0±0,1 м средней части образцов.

Для сравнения показаний осуществлена запись информации с дефектоскопа одновременно с сигналом (рис. 2). Датчики приборов располагались на расстоянии 4,2 м друг от друга.

Сравнительные промышленные испытания, проведенные на 20 канатах различной конструкции диаметрами 42 - 63 мм, модернизированного дефектоскопа с прибором показали идентичность показаний потери сечения каната. Отклонения показаний потери сечения не превышает 2% и находится в пределах допустимых ошибок приборов.

Возможность одновременного контроля обрывов проволок и потери сечения металла позволило оценивать состояния канатов комплексно.

Для упрощения расшифровки (оценки) результатов комплексного контроля канатов разработаны компьютерные программы, позволяющие:

• выводить канатограммы на экран монитора в процессе дефектоскопии в реальном масштабе времени с привязкой по длине каната при его прямом и обратном перемещении;
• сохранять выводимую информацию на жестком диске компьютера;
• распечатывать канатограммы и их фрагменты на бумаге в различных масштабах по длине каната и амплитуде сигналов;
• проводить дополнительную обработку канатограмм - сравнивать с предыдущими, производить их сложение и вычитание.

Промышленное использование дефектоскопа для комплексного инструментального контроля обрывов проволок и потери сечения металла позволяет более точно оценить состояние канатов и довести срок их службы до полной выработки ресурса без снижения безопасности.