CN102115991B - 一种钢丝绳及其断裂预警装置和预警方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钢丝绳及其断裂预警装置和预警方法。所述钢丝绳，包括细钢丝，还包括至少一根带有绝缘层的导线，将所述导线与所述细钢丝拧绕在一起，使导线与细钢丝可以同步伸缩。所述钢丝绳断裂预警装置，包括报警器，它还包括前述的钢丝绳、信号检测器和控制器；所述钢丝绳两端的导线与所述信号检测器的信号输入端电连接；该信号检测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接，该控制器的控制信号输出端与报警器电连接。本发明的钢丝绳最突出的特是：方便电连接，可以提高钢丝绳拉力实时检测的智能化程度，尽量避免人为因素。
Description
技术领域
本发明涉及一种钢丝绳，尤其是用所述钢丝绳控制的钢丝绳断裂预警装置和预警方法。
背景技术
钢丝绳是工程中应用广泛的一种挠性构件，具有强度高、自重轻、弹性好、工作平稳可靠，承受动载和过载能力强以及在高速工作条件下运行和卷绕无噪声等优点，在建筑、矿产、冶金、交通、旅游等国民经济各主要行业和部门得到广泛的应用。钢丝绳在使用过程中会发生疲劳、腐蚀、磨损，甚至断裂等现象，钢丝绳的破断可能带来严重后果，如 1990 年前苏联第比利斯等山索道钢丝绳断裂，造成 55 人伤亡； 1990 年武昌造船厂一大型浮吊船系泊钢丝绳断裂而失控，下漂撞至武汉长江大桥 4 号墩，造成大桥局部损伤的长期隐患。之所以造成这样的事故，其中一方面是由于目前缺乏可靠的钢丝绳状态检测手段的评价标准，另一方面是现有检测仪器的准确性和可靠性不足，即使采用仪器检测的钢丝绳在使用中，其断绳的事故仍然发生。因此钢丝绳在使用中的实时检测是十分必要的。在现代桥梁建设、高层建筑施工、工程设备吊装等过程中，对吊装能力的要求不断提高。准确地测量出钢丝绳的拉力及钢丝绳自身所能承受的最大拉力，才能满足工程技术要求，确保安全施工。多年来，人们一直探索检测钢丝绳缺陷的各种方法，努力使钢丝绳尽可能延长使用寿命，又要确保在钢丝绳发生破断之前及时的更换下来。但由于钢丝绳结构的复杂性，工作环境的多样性，检测方法的局限性，使得钢丝绳检测非常困难。原来的测试手段是截取小段的钢丝作力学特性试验，对于整长钢丝绳的实际承载力检测，国内尚无有效的检测手段。传统钢丝绳管理和使用方法是：
1、定期更换法，在设计过程中，通常都按照一定的安全系数来选择钢丝绳，在使用过程中不可避免地会产生疲劳以及磨损、锈蚀、变形、断裂等缺陷，导致钢丝绳的强度下降，甚至突然破坏。为了保证设备和人身安全，确保生产的顺利进行，往往采取定期更换的方法使用和管理钢丝绳。这种方法主要依据钢丝绳的额定使用寿命来确定其更换周期，忽视了钢丝绳的实际状况，有些被更换下来的钢丝绳性能与新钢丝绳的性能基本没有多大变化。
2、人工目测法，该方法由专业人员定期对使用中的钢丝绳进行外观检查，采用卡尺测量绳径、手摸或肉眼寻找缺陷，根据钢丝绳断丝报废标准判断是否更换钢丝绳，或者根据钢丝绳表面磨损或腐蚀折算系数判断是否更换钢丝绳。人工目测检查只能发现钢丝绳露在外面的缺陷，其内部因环境污染与水的渗透造成腐蚀以及应力和弯曲造成钢丝绳劣化就不得而知，况且人工检测受人为因素的影响较大，误检率高，往往造成有缺陷的钢丝绳得不到及时更换，从而导致事故发生。据研究资料表明，利用传统方法对钢丝绳进行管理和使用，造成在使用的钢丝绳中大约有 10 ％其强度损耗超过额定强度的15％, 2 ％以上其强度损耗超过额定强度的 30 ％。即在使用中的钢丝绳大约 10 ％工作在具有潜在危险的状态，还有 2 ％以上工作在相当危险的状态；另一方面，所更换的钢丝绳有 70 ％以上甚至没有损坏。另有资料表明：更换下来的钢丝绳中，有一半以上的强度达到新品强度的 90 ％以上。从钢丝绳使用的经济性、安全性考虑，传统的检测方法存在较大缺陷。从钢丝绳的维护方面而言，传统的人工目视检查法要求钢丝绳的运行速度不能太快，一次检查所需时间长，检查人员容易疲劳，劳动强度大，效率低，影响劳动生产率的提高；另一方面，对操作人员的要求也较高，需要经验丰富的老工人或训练有素的技术人员，该检测方法只能对肉眼能够看到的钢丝绳段进行检查，钢丝绳内部缺陷则难以检测，不能实行钢丝绳全程和全面检查，降低了其检测的可信度。目前，国内、外的钢丝绳无损检测基本是采用电磁原理，由于受电磁检测方法的局限，断丝数还难以定量检测，一些缺陷还需借助人来分析、判断，才能确定钢丝绳损伤的程度。上述各方法检测钢丝绳的局限性其主要原因是：钢丝绳很长，不容易对其进行整体实时的检测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可方便电连接和实时检测的钢丝绳，尤其是用所述钢丝绳控制的钢丝绳断裂预警装置和预警方法。
一种钢丝绳断裂预警装置，包括报警器、钢丝绳、信号检测器和控制器；所述的钢丝绳包括细钢丝，所述钢丝绳还包括至少一根带有绝缘层的导线，将所述导线与所述细钢丝拧绕在一起，使导线与细钢丝同步伸缩，所述的细钢丝与所述导线拧绕在一起形成绳股，所述绳股为多根，将多根所述的绳股拧绕在一起，所述的多根绳股拧绕在一起，是以一根绳股为芯股，其它绳股围绕该芯股拧绕；所述芯股由带有绝缘层的导线拧绕而成，其中以一根导线作为该芯股的股芯；其它绳股由细钢丝拧绕而成，其中以一根细钢丝作为该绳股的股芯；所述绝缘层是耐摩擦高弹性抗压绝缘层；所述导线的两端与所述信号检测器的信号输入端电连接；该信号检测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接；该控制器的控制信号输出端与所述报警器电连接，所述信号检测器是一个通断检测器，所述钢丝绳中的导线的强度小于所述细钢丝的强度，所述导线是用细钢丝制成，其直径小于所述其它细钢丝的直径，所述钢丝绳的两端设置有卡箍；所述作为导线的细钢丝直径与钢绳上的其他细钢丝的直径之比为9/10-3/5。
上述钢丝绳，所述导线为一根导线，以所述一根导线为芯线，所述细钢丝围绕该芯线拧绕。
上述钢丝绳，所述的细钢丝与所述导线拧绕在一起形成绳股，所述绳股为多根，将多根所述的绳股拧绕在一起。
上述钢丝绳，所述的多根绳股拧绕在一起，是以一根绳股为芯股，其它绳股围绕该芯股拧绕；所述芯股由带有绝缘层的导线拧绕而成，其中以一根导线作为该芯股的股芯；所述其它绳股由细钢丝拧绕而成，其中以一根细钢丝作为该绳股的股芯。
所述钢丝绳的两端设置有卡箍；所述绝缘层是耐摩擦高弹性抗压绝缘层；所述导线的强度小于所述细钢丝的强度。
所述导线是用所述细钢丝制成，其直径略小于所述其它细钢丝的直径。
一种钢丝绳断裂预警装置，包括报警器，它还包括权利要求1至6之一所述的钢丝绳、信号检测器和控制器；所述导线的两端与所述信号检测器的信号输入端电连接；该信号检测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接；该控制器的控制信号输出端与所述报警器电连接。
所述信号检测器是一个通断检测器。
在所述信号检测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端之间设置一个无线传输装置，该无线传输装置由发射器和接收器组成，所述无线传输装置的发射器与所述信号检测器的信号输出端电连接，所述无线传输装置的接收器与所述控制器的信号输入端电连接；所述信号检测器包括桥式电位平衡器和模数转换电路，所述钢丝绳中的导线接入桥式电位平衡器的一个臂，桥式电位平衡器的输出端与模数转换电路的输入端电连接，模数转换电路的输出端与所述控制器信号输入端电连接。
一种钢丝绳断裂预警的方法，所述方法使用的装置是：所述的钢丝绳断裂预警装置，所述方法的步骤如下：
Ａ、控制器中将钢丝绳在载荷的作用下达到许用强度时导线的电阻阻值设为标准值；
B、在钢丝绳处于加载状态时，采集钢丝绳内导线的电阻阻值变化的信号，如果经判断该信号小于或等于所述预设的标准值时，控制器不动作；
C、采集钢丝绳内导线的电阻阻值变化的信号，如果经判断该信号大于所述预设的标准值时，则控制器发出控制信号启动报警器报警；
D、当空载或轻载时报警器报警，需更换钢丝绳。
本发明的技术方案与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的钢丝绳最突出的特点是：方便电连接，可以提高钢丝绳拉力实时检测的智能化程度，尽量避免人为因素。
二、可以对钢丝绳所受拉力进行整体的、全面的、深入的信号分析，提高钢丝绳拉力检测精度和检测信号的自动识别能力。
三、对防止钢丝绳在使用中被破坏而造成事故有着积极的作用，同时对于减轻钢丝绳检测人员的劳动强度也有重要的作用，减少人员伤亡和设备的损伤，从而产生显著的社会效益。
四、可减少不合理更换钢丝绳而造成的大量资源浪费，提高检测钢丝绳的准确性和速度，提高劳动生产率，从而降低设备营运成本，提高设备的经济效益。
五、本发明所述的钢丝绳，其中的导线可以是用所述细钢丝制成，故制造本发明所述的钢丝绳几乎不增加成本。
六、本发明的钢丝绳断裂预警装置，可以在钢丝绳断裂之前进行报警，使工作人员有充分的时间处理突出事件，可以避免和减少事故的发生。
附图说明：
图1是本发明实施例1钢丝绳横截面的示意图；
图2是本发明实施例2钢丝绳横截面的示意图；
图3是本发明实施例3钢丝绳横截面的示意图；
图4是本发明实施例4钢丝绳横截面的示意图；
图5是本发明实施例5钢丝绳的示意图；
图6是本发明环型钢丝绳断裂预警装置的示意图；
图7是本发明线型钢丝绳断裂预警装置的示意图；
图8是本发明钢丝绳断裂预警装置的信号转换器和控制器原理图；
图9是本发明钢丝绳断裂预警装置加装放大器后的原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种钢丝绳，包括细钢丝1，还包括至少一根带有绝缘层3的导线2，将所述导线与所述细钢丝拧绕在一起，使导线与细钢丝可以同步伸缩。所述导线可以是最常用的铜、铁、铝等任何一种金属材料或其合金制成。
实施例2
本实施例是实施例1的改进，是实施例拧绕结构的优化。如图2所示，上述钢丝绳，可以以所述导线为芯线，所述细钢丝围绕该导线拧绕。拧绕的方式可以是左拧绕或右拧绕。
实施例3
本实施例是实施例1或实施例2的进一步扩展，是实施例关于拧绕结构的细化。如图3所示，一种钢丝绳，以实施例1或实施例2所述钢丝绳为股，拧绕在一起。拧绕的方式可以是右交互拧绕、左交互拧绕、右同向拧绕和左同向拧绕。
实施例4
本实施例是实施例3的改进，是实施例拧绕结构的优化。如图4所示，上述钢丝绳，可以以一股为芯股，该芯股还可以由带有绝缘层的导线拧绕制成，其它股围绕该芯股拧绕。所述其它股还可以是由细钢丝拧绕制成。拧绕的方式可以是右交互拧绕、左交互拧绕、右同向拧绕和左同向拧绕。由于芯股是由带有绝缘层的导线拧绕制成的，这样制成的钢丝绳在一定程度上可以提搞钢丝绳的挠度。
以上所述的钢丝绳可以是线接触或面接触钢丝绳。股断面形状可以是：圆股和异形股（如三角股、椭圆股和扇形股等）钢丝绳。
在此强调一下，以上所述钢丝绳内的导线分布只是一些典型的示例，无必要穷举。
实施例5
本实施例是实施例4的改进，是实施例关于导线加固及导线绝缘层的优化、并赋予导线新的功能。如图5所示，上述钢丝绳的两端设置有卡箍4，以防止导线两端因拉力的作用下缩进钢丝绳两端内。所述绝缘层是耐摩擦高弹性抗压绝缘层。该绝缘层可以由橡胶、塑料等制成，其中可以掺入高强度纤维，如涤纶纤维、锦纶纤维等，或者由这些纤维制成的纱或线，以增强绝缘层的耐磨性、弹性和抗压性。所述导线的强度略小于所述细钢丝的强度。可以选用比细钢丝强度略低的金属材料制成，如用比制造所述细钢丝的钢强度略低的钢制造导线，又如用铝、铝合金等材料制成的导线都可达到同样的目的。
实施例6
本实施例是对实施例5的改进，是实施例关于导线的细化。所述导线是用所述细钢丝制成，其直径略小于其它细钢丝的直径，通常为细钢丝的9/10－3/5之间，以达到其强度略小于其它细钢丝的强度。这样的导线可以在细钢丝疲劳前先疲劳，在细钢丝断裂前（此断裂是指纯粹的拉伸断裂）先断裂，导线的断裂预示了钢丝绳到了该更换的时候了。制作本实施例所述的钢丝绳几乎不增加成本。
实施例7
如图6所示，一种钢丝绳断裂预警装置，包括报警器5，它还包括上述实施例之一所述的钢丝绳A、信号检测器6、控制器7；所述导线2的两端分别与所述信号检器的信号输入端电连接；该信号检测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接；该控制器的控制信号输出端与所述报警器电连接。
所述信号检测器是一个通断检测器。
所述控制器可以是TTL反相器或CMOS反相器。
该装置通常用于钢丝绳两端相距较近的情形，如索道钢丝绳或捆绑钢丝绳。
反相器的特点是其信号输入端电位与其信号输出端的电位总是处于相反的状态。测量电路主要是生成适合所述反相器的输入信号。
该装置利用了导线的导电性能及机械性能对钢丝绳的寿命做出合理的判断。
当钢丝绳中的导线未断裂时，测量电路的信号输出端处于高电位，即反相器的信号输入端处于高电位，因而反相器的信号输出端处于低电位，使报警器处于关闭状态，故报警器不报警。
当钢丝绳中的导线断裂时，测量电路的信号输出端处于低电位，即反相器的信号输入端处于低电位，因而反相器的信号输出端处于高电位，使报警器处于开通状态，故报警器报警。
由于导线的强度略低于钢丝绳中细钢丝的强度，所以导线的断裂预示着钢丝绳即将失效，应及时更换钢丝绳，以避免事故的发生。
实施例8
本实施例是实施例7关于导线的另一种连接方式。如图7所示，所述钢丝绳内的二根导线，其一端直接电连接，其另一端与所述信号转换器的信号输入端电连接。
该装置通常用于钢丝绳两端相距较远的情形，如起重钢丝绳或牵引钢丝绳。
实施例9
本实施例是实施例7所述钢丝绳断裂预警装置的优化。如图8所示，所述信号检测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接可以通过无线传输装置8实现无线电连接，所述无线传输装置由信号发射器8－1和信号接收器8－2组成，所述信号转换器的信号输出端与所述信号发射器的信号输入端电连接，所述信号接收器的信号输出端与述控制器的信号输入端电连接。使用无线传输装置便于较远距离的信号传输。
所述信号检测器包括桥式电位平衡器6－1和模数转换电路6－2，所述钢丝绳中的导线接入桥式电位平衡器的一个臂，桥式电位平衡器的输出端与模数转换电路的输入端电连接，模数转换电路的输出端与所述控制器电连接。
所述控制器可以选择DSP数字信号处理器、CPLD 可编程逻辑器件、FPGA现场可编程门阵列等芯片与外围电路组成。主要是对控制芯片进行编程，将一些阈值和参数以及控制逻辑烧写进去，作为电脑控制整个电路。
控制器中将钢丝绳在载荷的作用下达到许用强度时导线的电阻阻值设为标准值，控制器将导线的电阻阻值信号与预先设定的所述标准值进行比较，如果经判断该信号小于或等于所述标准值时，控制器不动作；如果经判断该信号大于所述的标准值时，则控制器发出控制信号启动报警器报警。
该钢丝绳断裂预警装置的工作原理是：利用设置在钢丝绳中的导线在载荷的作用下，随钢丝绳同步产生机械形变，使导线的阻值随机械形变发生变化的现象，俗称为电阻应变效应。导线的电阻值可用下式表示：
式中：ρ——导线的电阻率（Ω·cm2/m） S——导线的截面积（cm2） L——导线的长度（m） 当钢丝绳受载荷作用时，导线的长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如导线受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当钢丝绳空载时，导线随钢丝绳恢复原长，其电阻值则恢复到原阻值（在钢丝绳的弹性范围内）。只要测出导线电阻的变化（通常是测量导线两端的电压），即可获得导线的应变情况，进而获得钢丝绳的应变情况，最后获得钢丝绳的受力情况。
此外还可以在控制器和报警器之间加一个放大器9（如图9所示），该放大器由运算放大器芯片和外围电路组成。其功能主要是将控制芯片输出的信号进行合理的放大和必要的滤波，使信号能直接驱动报警器发出报警声音。
所述报警器还可用蜂鸣器代替。
所述钢丝绳断裂预警装置所需的电源可根据实际情况选择共用一个电源的方式或者选择多电源分别供电的方式。
实施例10
一种钢丝绳断裂预警的方法，所述方法使用的装置是：如权利要求9所述的钢丝绳断裂预警装置，其特征在于所述方法的步骤如下：
Ａ、控制器中将钢丝绳在载荷的作用下达到许用强度时导线的电阻阻值设为标准值；
B、在钢丝绳处于加载状态时，采集钢丝绳内导线的电阻阻值变化的信号，如果经判断该信号小于或等于所述预设的标准值时，控制器不动作；
C、采集钢丝绳内导线的电阻阻值变化的信号，如果经判断该信号大于所述预设的标准值时，则控制器发出控制信号启动报警器报警；
D、当空载或轻载时报警器报警，需更换钢丝绳。此时报警器报警说明导线已断裂，钢丝绳即将失效，故应及时更换钢丝绳。
Claims (1)
1.一种钢丝绳断裂预警装置，包括报警器、钢丝绳、信号检测器和控制器；所述的钢丝绳包括细钢丝，所述钢丝绳还包括至少一根带有绝缘层的导线，将所述导线与所述细钢丝拧绕在一起，使导线与细钢丝同步伸缩，所述的细钢丝与所述导线拧绕在一起形成绳股，所述绳股为多根，将多根所述的绳股拧绕在一起，所述的多根绳股拧绕在一起，是以一根绳股为芯股，其它绳股围绕该芯股拧绕；所述绝缘层是耐摩擦高弹性抗压绝缘层；所述导线的两端与所述信号检测器的信号输入端电连接；该信号检测器的信号输出端与所述控制器的信号输入端电连接；该控制器的控制信号输出端与所述报警器电连接，其特征在于，所述信号检测器是一个通断检测器，所述钢丝绳中的导线的强度小于所述细钢丝的强度，所述导线是用细钢丝制成，其直径小于所述其它细钢丝的直径，所述钢丝绳的两端设置有卡箍；所述作为导线的细钢丝直径与钢绳上的其他细钢丝的直径之比为9/10-3/5。
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