PL159867B1

PL159867B1 - Sposób kontroli lin stalowych i urzadzenie do kontroli lin stalowych PL PL PL

Info

Publication number: PL159867B1
Application number: PL1987264818A
Authority: PL
Priority date: 1986-03-25
Filing date: 1987-03-25
Publication date: 1993-01-29
Also published as: NO302321B1; US4827215A; EP0239537A2; FI871291A; ES2019111B3; BR8701345A; FI87020C; FI871291A0; NO871218L; JPS6311852A; AU588442B2; ATE59231T1; EP0239537A3; PL264818A1; ZA871964B; CA1276982C; FI87020B; NO871218D0; AU7056587A; DE3766734D1

Abstract

2. Urzadzenie do kontroli lin stalowych zawierajace elementy prowadzace line w kie- runku osiowym wzdluz toru, korzystnie li- niow ego, pierw sza pare m agnesów do ustalania pierwszego pola magnetycznego wzdluz pierwszej czesci toru, druga pare magnesów do ustalania pola magnetycznego wzdluz drugiej czesci toru, sasiedniej wzgle- dem pierwszej czesci toru, oraz czujnik do pomiaru strumienia magnetycznego umiesz- czony miedzy pierwsza i druga czescia toru, znamienne tym, ze pomiedzy pierwsza para magnesów (32, 34) a druga para magnesów (36,38), w poblizu czujnika (58) do pomiaru strumienia magnetycznego jest umieszczony nabiegunnik srodkow y (40), natom iast wzdluz przynajmniej jednej czesci toru sa umieszczone czujniki zmian strumienia mag- netycznego, korzystnie cewki kontrolne (56). PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontroli lin stalowych i urządzenia do kontroli lin stalowych.

Stalowe liny wyciągowe są bardzo ważnymi elementami stosowanymi w wielu dziedzinach, zwłaszcza w górnictwie. Liny mają wielkie znaczenie z punktu widzenia bezpieczeństwa, jest więc niezbędne, żeby były regularnie kontrolowane dla upt wnienia się, czy w dalszym ciągu odpowiadają wymaganiom norm roboczych. Stan liny zależy między innymi od powierzchni przekroju poprzecznego liny, styku między drutami wewnątrz liny i przerwań drutów liny.

Wytrzymałość liny zależy od powierzchni przekroju poprzecznego stali, która może zmniejszyć się na przykład wskutek normalnego zużycia i rozerwania drutów, korozji i tworzenia się przewężeń w słabych częściach. Lina jest wykonana ze skrętek z drutów ze stali węglowej, skręconych razem i stykających się ze sobą. Jeżeli lina jest uszkodzona, na przykład wskutek trwałego zagięcia, zmienia się rodzaj styku drutów. Duża liczba przerwanych drutów na małej długości liny poważnie wpływa na wytrzymałość liny. Przyczyn rozerwania drutów jest wiele, na przykład drgania powstające w linie podczas pracy. Poprzez wczesne wykrycie zmniejszenia się przekroju poprzecznego liny, zmian styku między drutami i przerwań drutów można zapobiec niebezpiecznemu uszkodzeniu liny.

Znane jest z opisu wynalazku ZSRR nr 696369 urządzenie do kontroli elektromagnetycznej własności mechanicznych przesuwającego się materiału ferromagnetycznego, na przykład liny

159 867 stalowej, które zawiera dwa solenoidy, wewnątrz których jest umieszczany badny materiał. Na wewnętrznej powierzchni jednego z solenoidów są usytuowane przetworniki pomiarowe. Solenoidy są zasilane z generatora impulsowego o regulowanej częstotliwości. Urządzenie działa w oparciu o magnesowanie przesuwającej się liny dwoma polami magnetycznymi skierowanymi przeciwnie. Suma sygnałów z przetworników pomiarowych zmienia się, gdy zostają zakłócone własności badanego materiału. Nie ma jednak możliwości rozróżnienia tych zakłóconych własności liny.

Znany jest także z opisu patentowego USA nr 4 495 465 sposób wykrywania defektów w materiale ferromagnetycznym przemieszczającym się w polu magnesów stałych wytwarzających strumień nasycający magnetycznie badany materiał. W sposobie tym przewód nasyca się magnetycznie i w torze powrotnym zewnętrznego strumienia magnetycznego indukuje się drugi strumień o przeciwnym kierunku w celu zmniejszenia strumienia w torze zewnętrznym do mierzalnego poziomu. Następnie zmiany strumienia w torze zewnętrznym, które są współmierne z niejednorodnością kabla, mierzy się w obszarze uzyskanego zmniejszonego strumienia. W urządzeniu opisanym w tym patencie drugi strumień magnetyczny jest wytwarzany jako przeciwny względem pierwszego strumienia magnetycznego, a jest to realizowane w torze powrotnym zewnętrznego strumienia magnetycznego.

Również z opisu patentowego USA nr 3 881 151 znany jest przetwornik prądów wirowych do badania materiału przemieszczającego się w polu magnesu stałego, przy czym detektor prądów wirowych jest usytuowany w miejscu o największym gradiencie pola. Cechą charakterystyczną tego przetwornika jest odpowiednio ukształtowany nabiegunnik, osadzony na badanym metalowym przewodzie, umożliwiający uzyskanie największego gradientu pola i osadzenie detektora prądów wirowych w miejscu o największym gradiencie pola.

Znane jest ponadto z książki pt. „Defektoskopia lin stalowych, Z. Kawecki, J. Stachurski, wyd. Śląsk 1969, strona 140, urządzenie do magnetycznego badania liny. W urządzeniu tym lina jest magnesowana polem stałym wytwarzanym przez uzwojenie zasilane prądem stałym ze źródła zasilania. W środku magnesowanego odcinka znajduje się obejmująca linę cewka pomiarowa, której uzwojenie jest połączone ze wzmacniaczem oraz rejestratorem rejestrującym wartość siły elektromotorycznej indukowanej w cewce. W urządzeniu tym dokonuje się pomiaru składowej radialnej magnetycznego pola rozproszenia występującego w miejscu uszkodzenia liny. Także w tej książce na stronie 190 i 196 są przedstawione inne urządzenia do magnetycznych badań lin, w których cewki pomiarowe są umieszczone wokół badanej liny między lub w pobliżu elektromagnesów do magnesowania badanej liny.

W starszych urządzeniach do badania lin były wykorzystywane elektromagnesy do magnesowania materiału liny. Później zaczęto stosować magnesy trwałe nie wymagające zasilania prądem stałym. Elektromagnesy mogą być wykonane w postaci solenoidów, przez których oś przechodzi badana lina i które zajmują stosunkowo mało miejsca, są symetryczne względem liny i wytwarzają bardzo jednorodne pole magnesujące linę. Natomiast magnesy ferrytowe są lżejsze i korzystniejsze do usytuowania, nie wymagają zasilania prądem stałym i zapewniają idealną stałość natężenia pola magnetycznego.

Nie ma w stanie techniki jednak wzmianki na temat sposobu kontroli lin stalowych równocześnie pod względem powierzchni przekroju poprzecznego, styku między drutami liny i przerwań drutów liny, za pomocą jednego i tego samego urządzenia.

Sposób według wynalazku polega na tym, że równocześnie wykrywa się zmiany powierzchni przekroju poprzecznego liny i przerwane przewody w linie przez kontrolę zmian strumienia magnetycznego w linie w miejscu, w którym indukcja magnetyczna jest bliska lub równa indukcji nasycenia, oraz wykrywa się zmiany w układzie styków drutów w linie przez kontrolę zmian całkowitego strumienia magnetycznego wywołanego przez prądy wirowe indukowane w linie w miejscu, w którym gradient indukcji magnetycznej w linie jest równy zero, korzystnie indukcja magnetyczna jest równa zero.

W urządzeniu według wynalazku pomiędzy pierwszą parą magnesów a drugą parą magnesów, w pobliżu czujnika do pomiaru strumienia magnetycznego jest umieszczony nabiegunnik środkowy, natomiast wzdłuż przynajmniej jednej części toru są umieszczone czujniki zmian strumienia

159 867 magnetycznego, korzystnie cewki kontrolne. Pierwsza para magnesów i druga para magnesów mają taką samą długość w kierunku przesuwu liny.

Zmiany indukcji wywołane z jednej strony zamianami powierzchni przekroju poprzecznego liny a z drugiej strony przerwanymi drutami w linie są rozróżnianie na drodze przetwarzania danych i przy zastosowaniu znanych technik przetwarzania danych, ponieważ zmiany powierzchni przekroju poprzecznego są bezpośrednio związane ze zmianami strumienia, są one łatwo wykrywalne. Istnienie przerwanych drutów może być wykryte za pomocą dwóch czujników umieszczonych w ustalonej odległości od siebie wzdłuż osi liny. W przypadku istnienia w linie przerwanych drutów wytwarzane są określone sygnały, które są wykrywane przez czujniki i są przetwarzane w znany sposób tak, że stanowią wskazanie przerwanych drutów.

Zmiany rodzaju styku między drutami w linie są wykrywane poprzez pomiar zmian całkowitego strumienia prądów wirowych, które są indukowane w linie podczas jej przesuwania się przez przeciwnie skierowane pola magnetyczne. Strumień magnetyczny wywołany przez prądy wirowe, określający styk między drutami w linie, jest mierzony celem wykrycia zmian spowodowanych zmianami rodzaju styku między sąsiednimi drutami w linie. Na pomiar strumienia magnetycznego wywołanego przez prądy wirowe nie wpływają czynniki zależne od strumienia magnetycznego. Jeżeli zmienia się rodzaj styku między drutami w linie, wówczas zmienia się strumień magnetyczny wywołany przez prądy wirowe, co jest wykrywane.

Strumień magnetyczny w linie może być mierzony za pomocą przetworników takich, jak hallotrony, cewki kontrolne lub podobne elementy, które · reagują na zmiany strumienia magnetycznego. Sposoby, w jaki sygnały wytwarzane przez te elementy są przetwarzane dla otrzymania potrzebnej informacji, są znane i dlatego nie są omawiane w opisie.

Zaletą wynalazku jest równoczesne i niezależne dokonywanie pomiaru zmian powierzchni przekroju poprzecznego liny stalowej, nieregularności styku między drutami w linie oraz występowania przerwań drutów w linie. Wynalazek umożliwia rozróżnienie różnych uszkodzeń liny, w szczególności powierzchni przekroju poprzecznego liny oraz przerwanych drutów. Została też zwiększona prostota, efektywność i niezawodność nieniszczących badań liny.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia część liny, w której są indukowane prądy wirowe, fig. 2 - skrętkę liny, składającą się z dziewiętnastu drutów, w przekroju poprzecznym, z zaznaczeniem prądów wirowych indukowanych w skrętce, fig. 3 - urządzenie kontrolne w przekroju podłużnym, fig. 4 - wykres idealizowanego rozkładu indukcji magnetycznej wzdłuż liny przechodzącej przez urządzenie z fig. 3, fig. 5 -urządzenie z fig. 3 w przekroju poprzecznym wzdłuż linii 5-5, fig. 6 - konstrukcję urządzenia w praktycznym wykonaniu, fig. 7a - rozkład gradientu indukcji magnetycznej wzdłuż liny kontrolowanej przez urządzenie z fig. 6, fig. 7b - rzeczywisty rozkład indukcji magnetycznej B wzdłuż liny kontrolowanej przez urządzenie z fig. 6, fig. 8 - charakterystykę magnesowania materiału liny kontrolowanej przez urządzenie z fig. 3, fig. 9a - rozkład gradientu indukcji magnetycznej wzdłuż liny dla innego przykładu wykonania urządzenia oraz fig. 9b - rzeczywisty rozkład indukcji magnetycznej wzdłuż liny dla przykładu wykonania z fig. 9a.

Figura 1 przedstawia część okrągłej liny stalowej 10 o średnicy d, w której są indukowane prądy wirowe podczas przesuwania się liny przez urządzenie kontrolne wytwarzające w niej indukcję magnetyczną B wzdłuż długości 1. Na przekroju poprzecznym liny zaznaczono przyrostowy pierścień o promieniu r i o grubości dr, w którym jest indukowany prąd wirowy i.

Figura 2 przedstawia sytuację, gdzie idealna wiązka 12 dziewiętnastu skręconych przewodów 10 stykających się ze sobą znajduje się w zmiennym polu magnetycznym, które indukuje prądy wirowe w tej wiązce przewodów.

Prądy wirowe 14 oznaczone kółkami ze strzałką· są indukowane w każdym przewodzie. Są to tak zwane przekrojowe prądy wirowe, z których każdy wywołuje strumień 0_a określony równaniem (12).

Każda trójka sąsiednich przewodów stykających się ze sobą powoduje wytworzenie prądów wirowych 16 oznaczonych kółkami ze strzałką, tak zwanych lokalnych stykowych prądów wirowych. W przedstawionym przykładzie istnieją dwadzieścia cztery takie obwody stykowych prądów wirowych. Amplituda każdego takiego prądu wirowego zależy od dB/dt, od powierzchni ograni159 867 czonej każdym z kół, od przewodności każdego z obwodów kołowych i od trzech przewodności stykowych w miejscach zetknięcia się przewodów. W każdym punkcie stykowym dwa równe prądy wirowe są skierowane przeciwnie względem siebie, więc całkowity efekt lokalnych prądów wirowych 16 jest równy zeru.

Wytwarzane są również obwody prądów wirowych 18 oznaczonych większymi kółkami ze strzałką (ogółem sześć), które obejmują znacznie więcej materiału magnetycznego niż obwody prądów wirowych 16 i mają sześć punktów stykowych. Istnieje również sześć punktów stykowych w wiązce, gdzie prądy wirowe 18 są skierowane przeciwnie, więc całkowity efekt tych prądów wirowych jest również równy zeru.

Pojedynczy obwód prądu wirowego 20 oznaczonego kółkiem ze strzałką powstaje w miejscach, w których sześć przewodów warstwy wewnętrznej styka się ze sobą, tworząc okrąg mający środek geometryczny pokrywający się ze środkiem wiązki. W tym przypadku prąd wirowy nie jest zrównoważony. Drugi taki obwód niezrównoważonego prądu wirowego 22 oznaczonego kółkiem ze strzałką .powstaje w miejscach, w których stykają się ze sobą każde dwa sąsiednie przewody spośród dwunastu przewodów tworzących warstwę zewnętrzną wiązki. Trzecim niezrównoważonym prądem wirowym jest prąd wirowy 23 przepływający przez obwód usytuowany między obwodami prądów wirowych 20 i 22.

W idealnym przypadku, przedstawionym na fig. 2, całkowite prądy wirowe są wywoływane przez przekrojowe prądy wirowe 14 oraz stykowe prądy wirowe 20, 22 i 23 oznaczone przez koncentryczne okręgi. Jeżeli styk między dowolnymi dwoma lub większą liczbą przewodów w wiązce zostaje przerwany lub zmieniony, wówczas momenty magnetyczne przekrojowych prądów wirowych 14 pozostają bez zmian, momenty magnetyczne stykowych prądów wirowych 16 il8, które były równe zeru, pozostają równe zeru. Momenty magnetyczne stykowych prądów wirowych 20,22 i 23 zmieniają się znacznie, jeżeli zostaje przerwany styk między sąsiednimi przewodami w tej samej warstwie przewodów, jednak niekoniecznie w takim stopniu jak w przypadku, gdy zostaje naruszony styk między sąsiednimi przewodami w różnych warstwach.

Figura 3 i fig. 5 przedstawiają urządzenie kontrolne 30 w przekrojach wzdłużnym i poprzecznym. Urządzenie kontrolne 30 zawiera pierwszą parę magnesów trwałych 32 i 34 ustawionych równolegle, oraz drugą parę magnesów trwałych 36 i 38 ustawionych również równolegle w konstrukcji magnetycznej. Zespoły magnesów 32,34 i 36,38 mają wspólny nabiegunnik środkowy 40 stanowiący biegun północny oraz nabiegunniki zewnętrzne 42, 44 stanowiące bieguny południowe. Lina stalowa 46 może przechodzić swobodnie przez otwory 48 wykonane współosiowo w nabiegunnikach 40,42 i 44. Urządzenie kontrolne 30 magnesuje linę 46 na odcinku, który znajduje się w polu magnetycznym wytwarzanym przez to urządzenie, w dwóch przeciwnych kierunkach.

Figura 4 przedstawia wykres idealizowanego rozkładu indukcji magnetycznej w linie 46 z fig. 3. Lina ma indukjję magnetyczną B⁺rem*o wartości i przemieszcza się z lewej strony na prawą poprzez urządzenie kontrolne. W punkcie a lina wchodzi w pole lewego bieguna południowego, w punkcie b indukcja magnetyczna zaczyna wzrastać, osiągając w punkcie c największą wartość odpowiadającą indukcji nasycenia B⁺sat jaką można osiągnąć w przypadku tych magnesów trwałych. Indukcja nasycenia B⁺3at jest utrzymywana na stałym poziomie aż do osiągnięcia punktu d, gdzie zaczyna oddziaływać pole magnetyczne o kierunku przeciwnym i indukcja magnetyczna zaczyna zmniejszać się, przechodząc przez zero w punkcie e i osiągając w punkcie f największą wartość odpowiadającą indukcji nasycenia B”sat w przeciwnym kierunku. Indukcja nasycenia B”sat jest utrzymywana na stałym poziomie aż do punktu g, następnie indukcja magnetyczna zaczyna zmniejszać się, osiągając w punkcie poza prawym biegunem południowym wartość resztkową indukcji magnetycznej B~_rem, utrzymywaną po opuszczeniu urządzenia kontrolnego 30.

Figura 6 przedstawia konstrukcję urządzenia kontrolnego w praktycznym wykonaniu. Oznaczenia elementów tego urządzenia odpowiadają oznaczeniom takich samych elementów z fig. 3 i 5.

Każdy z magnesów trwałych 32, 34 i 36, 38 stanowi zespół dziewięciu płaskich magnesów wykonanych z anizotropowego ferrytu strontowego. Grubość każdego magnesu jest równa 1,27 cm. Każdy magnes ma kształt kwadratu o długości boku równej 9 cm, a w środku magnesu wykonany jest otwór o średnicy równej 4,7 cm. Magnesy są zmontowane na rdzeniu 50, który przechodzi przez otwory środkowe. Każdy zespół magnesów ma długość równą 11,5 cm,

159 867 co oznacza, że odległość między przeciwległymi powierzchniami nabiegunników 42 i 40 oraz nabiegunników 40 i 44 wynosi 11,5 cm. Nabiegunniki 42 i 44 mają grubość równą 2 cm i szerokość równą 10 cm. Powierzchnia nabiegunników przy szczelinie powietrznej wynosi 25 cm². Nabiegunnik środkowy 40 ma grubość 4,4 cm i szerokość 10 cm.

Rolki prowadzące 52 umieszczone z każdej strony urządzenia kontrolnego prowadzą linę 46, która przechodzi w tulei 54 usytuowanej w środku urządzenia kontrolnego i zapewniają centryczne usytuowanie liny. Na tulei 54 są osadzone cewki kontrolne 56, które umożliwiają pomiar zmian strumienia magnetycznego. Jeżeli urządzenie kontrolne jest zainstalowane na stałe, cewki 56 mogą być spiralne. Jeżeli natomiast urządzenie kontrolne jest przenośne, cewki 56 mogą być typu siodłowego. Zamiast cewek kontrolnych 56 mogą być zastosowane inne czujniki do pomiaru strumienia magnetycznego, na przykład hallotrony. Czujnik 58 do pomiaru strumienia magnetycznego jest również umieszczony w nabiegunniku środkowym.

Kontrolowana lina 46 ma średnicę 38 mm i jest liną wielowarstwową, nie skręconą, o powierzchni przekroju poprzecznego 'stali równej 716 mm2. Przewodność elektryczna liny wynosi 4,7 X 10⁶ simensa na metr. Jej pętla histerezy B-H, i przenikalność magnetyczna μ' są przedstawione na fig. 8.

Figura 7a i 7b przedstawiają wykresy dB/dl i indukcji B w funkcji długości liny umieszczonej w polu megnetycznym urządzenia kontrolnego 30, którego połowa jest również przedstawiona na tym rysunku.

Pomiary zmian przekroju poprzecznego stali liny i wykrywanie przerwanych przewodów liny są przeprowadzane w punkcie ji lub w punkcie j2, w których dB/dl = 0. W tych punktach indukcja nasycenia wynosi około 1,7 Tesli. W praktyce punkt ji znajduje się w odległości 62 mm od środka nabiegunnika prawego 44.

Z pętli histerezy przedstawionej na fig. 8 widać, że wartość natężenia pola magnetycznego Hs potrzebna dla uzyskania w linie indukcji nasycenia rzędu 1,7 Tesli (punkt e) wynosi 7,5 X H)3A/m. Przenikalność magnetyczna μ'₃ wynosi 4 X 10⁵ Tesli m/A i jest zasadniczo wielkością stałą.

Zmiany rodzaju styku między przewodami w linie są sygnalizowane jako anomalie obwodów prądów wirowych, które są mierzone w punkcie k na fig. 7b. W punkcie k indukcja magnetyczna w linie jest równa zeru a dB/dl = 46,6Tesli/m.

Koercyjność H_r na pętli histerezy dla B = O w punkcie d, na fig. 8 wynosi 1,45 X 10³ A/m, natomiast przenikalność magnetyczna μ' = dB/dH = 3 X 103 Tesli m/A.

Punkt k nie jest usytuowany w środku nabiegunnika środkowego 40, lecz jest nieco przesunięty w prawo na odległość, która w przypadku symetrycznego urządzenia kontrolnego 30 jest prawie równa Hc/H X w/2, gdzie Hc jest koercyjnością liny, H - jest natężeniem pola magnetycznego wytworzonego przez urządzenie kontrolne 30 oraz w jest szerokością nabiegunnika środkowego 40. To przesunięcie najlepiej jest określić poprzez pomiar, przy czym w przypadku przedstawionego przykładu wykonania wynalazku przesunięcie wynosi 3 mm. Prędkość liny wynosi przy tym 1 m/s.

Przy przechodzeniu liny przez urządzenie kontrolne 30, jej przemieszczenie można prześledzić na pętli histerezy od punktu a poprzez punkty b, c, d, e, f, g i aż do punktu h. Odcinki toru od a do b i od g do h, znajdują się na zewnątrz lewego i prawego bieguna południowego zespołów magnesów urządzenia kontrolnego, gdzie działają rozproszone strumienie magnetyczne.

Niezależnie od warunków magnetycznych w linie przed lub po kontroli obwód magnesowania, który rozciąga się od punktu c do punktu e, to znaczy między poziomami nasycenia w każdym kierunku, jest zawsze taki sam, co zapewnia powtarzalność kontroli.

Symetryczny układ identycznych zespołów magnesów trwałych, pokazanych na fig. 6, jest zalecany przy konstruowaniu urządzenia kontrolnego według wynalazku. Jednak takie niesymetryczne urządzenie kontrolne może nadawać się do różnych zastosowań. Fig. 9a i 9b są podobne do fig. 7a i 7b i pokazują również połowę niesymetrycznego urządzenia kontrolnego 70, które jest podobne do urządzenia kontrolnego z fig. 6, z wyjątkiem tego, że prawa para zespołu magnesów trwałych 62 zawiera po 15 magnesów, a lewa para zespołu magnesów trwałych 62 zawiera po

159 867 magnesy. Niesymetryczne urządzenie kontrolne ma więc taką samą długość i masę, jak symetryczne urządzenie kontrolne z fig. 6. Na fig. 9a i 9b przemieszczenie liny zachodzi z prawej strony na lewą, z prędkością liny równą 0,6 m/s.

Pomiary zmian powierzchni przekroju poprzecznego stali i wykrywanie przerwanych przewodów liny są przeprowadzane w punkcie p, który znajduje się w odległości 91 mm od środka nabiegunnika prawego 64, oraz w którym indukcja magnetyczna jest równa 2 Tesle i pozostaje zasadniczo stałą.

Nieregularność styków jest mierzona w punkcie q, który znajduje się w odległości 7 mm od środka nabiegunnika środkowego 66 i który jest przesunięty w kierunku nabiegunnika lewego 68. W tym punkcie strumień magnetyczny jest równy zeru, a dB/dl = 50 Tesli na metr.

Możliwe są do zrealizowania także inne konstrukcje urządzenia kontrolnego, z większą lub mniejszą liczbą magnesów po każdej stronie nabiegunnika środkowego 66.

Dla urządzenia kontrolnego według wynalazku układ silniejszych magnesów trwałych zapewnia powtarzalne warunki indukcji nasycenia przed rozmagnesowaniem liny, mającym miejsce na skutek oddziaływania pola magnetycznego. Odpowiednia część krzywej histerezy z fig. 8 jest powtarzalna od punkcu c, to znaczy od poziomu indukcji nasycenia, poprzez punkt d, w którym indukcja jest równa zeru i następnie do punktu między punktami d i e.

Z powodu przesunięcia punktu, w którym indukcja w linie jest równa zeru, zalecane jest jednokierunkowe badania liny. Jednak w przypadku symetrycznego urządzenia z dostatecznie silnym polem magnesującym to przesunięcie jest na tyle małe, że można go nie uwzględniać. Wówczas można stosować badanie dwukierunkowe. W urządzeniach niesymetrycznych, w których pole magnetyczne jest małe, ze względu na koniczność minimalizacji kosztów możliwe jest dopuszczenie tylko badania jednokierunkowego.

Urządzenie kontrolne przedstawione na fig. 6 może być wykonane w różnych postaciach, przy zastosowaniu znanych przetworników, cewek kontrolnych i przyrządów do rejestracji. Większe dokładności osiąga się w przypadku urządzeń kontrolnych według wynalazku, w których stosuje się silniejsze pole magnetyczne. W przykładach wykonania wynalazku, przedstawionych na fig. 6 i fig. 9, są zastosowane anizotropowe ferrytowo-strontowe magnesy trwałe, jednakże można zastosować silniejsze magnesy, na przykład samorowo-kobaltowe lub neodymowo-żelazowo-borowe, które umożliwiają badanie przy większych prędkościach lub przy takich samych natężeniach pola magnesującego umożliwiają zaprojektowanie urządzenia o mniejszych wymiarach.

Zostanie teraz opisana zasada działania wynalazku w odniesieniu do powierzchni przekroju poprzecznego liny.

Jeżeli lina wykonana z drutów jest magnesowana w kierunku wzdłużnym, wówczas strumień magnetyczny 0 w linie może być określony wzorem:

= BA /1/ który może być przekształcony do postaci:

= //HA /2/ gdzie: B - indukcja magnetyczna w linie; A - powierzchnia przekroju poprzecznego stali w linie; μ przenikalność magnetyczna stali; H - natężenie pola magnetycznego.

Zmiany strumienia magnetycznego wzdłuż jej długości 1 są określone równaniem:

2^=μΗ^+μΑίΕ+-ΗΑ /3/ dl dl dl dl czyli:

^5. = Β^Ϊ+μΑ^ί. + Η A ^dfJdl dl dl dl /4/

Zachodzi konieczność oddzielenia zmian strumienia magnetycznego, które są powodowane zmianami powierzchni przekroju poprzecznego stali liny. Zmianom tym odpowiada pierwszy człon w równaniu /4/.

Zakładając, że wpływy drugiego i trzeciego członu są pomijalne, indukcja B powinna być stała, żeby zmiany strumienia były zależne liniowo od zmian powierzchni przekroju. Innymi słowy powinien być spełniony warunek:

dB dl /5/

159 867

Równanie /5/ może być zeralizowane przy zastosowaniu takiego urządzenia magnesującego, poprzez które przemieszcza się lina i które wytwarza takie pole magnetyczne, że indukcja w linie osiąga wartość maksymalną lub stałą co najmniej w jednym punkcie. Na przykład, jeżeli indukcja B zbliża się do wartości indukcji nasycenia Bs, wówczas dB/dl zbliża się do zera. W takich warunkach zmiany strumienia są określone równaniem:

— = B^{s dA} /6/ dl dl a strumień nasycenia 0s może być określony równaniem:

0_S = A B_s /7/

Drugi i trzeci człon w równaniu /4/ są traktowane następująco. Człon dH/dl jest parametrem urządzenia magnesującego, to znaczy urządzenia kontrolnego i jeżeli natężenie pola magnetycznego jest stałe w obszarze kontrolnym, to znaczy niezależne od długości liny, wówczas dH/dl = 0.

Przenikalność magnetyczna μ nie jest stała, lecz jest zależna od indukcji B. Jednak gdy natężenie pola magnetycznego H zwiększa się, przenikalność magnetyczna μ dąży asymptotycznie do wartości stałej, która jest charakterystyczna dla danego materiału liny. Ta wartość graniczna nigdy nie jest osiągana, jednak im większe jest natężenie pola magnetycznego H, tym bliższa stałej indukcji Bs i tym bliższa stałej jest przenikalność magnetyczna μ. Z tego wynika, że urządzenie magnetyzujące powinno wytwarzać w linie pole magnetyczne o jak największej możliwej indukcji i w idealnym przypadku co najmniej jeden punkt liny powinien być całkowicie magnetycznie nasycony, gdy lina przechodzi przez urządzenie kontrolne. Indukcja magnetyczna powinna być jak najbardziej stała na tym odcinku liny, na którym przeprowadza się pomiary zmian strumienia magnetycznego (patrz równanie /6/^.

Zostanie teraz opisana zasada działania wynalazku w odniesieniu do przerwanych drutów w linie.

Jeżeli lina jest magnesowana w kierunku wzdłużnym i jeżeli w linie występuje przerwany lub przełamany drut, wówczas wskutek przerwania drutu zostaje wytworzony dipol magnetyczny, którego moment magnetyczny może być wyrażony równaniem:

Md = Bal /8/ gdzie: B - indukcja magnetyczna; a - powierzchnia przekroju poprzecznego drutu przerwanego lub przełamanego; 1 - odległość w kierunku wzdłużnym między końcami przerwanego drutu lub długością w kierunku wzdłużnym przełamania.

W tym celu, aby moment magnetyczny Md dipola był proporcjonalny tylko do iloczymu „a · 1“, to znaczy do wielkości nieregularności, indukcja magnetyczna B = μΗ powinna być stała.

W celu wykrywania przerwanych drutów, urządzenie magnesujące powinno wytwarzać w linie indukcję magnetyczną jak najbardziej zbliżoną do indukcji magnetycznej nasycenia, kiedy to przenikalność magnetyczna μ zbliża się asymtotycznie do wartości granicznej, oraz możliwie stałą na odcinku liny wymaganym do wykrycia przejścia wytworzonego dipola magnetycznego z szybkością, z jaką lina przechodzi przez urządzenie kontrolne.

W tych warunkach

0d = Ml = Bsa /9/

Zostanie teraz opisana zasada działania wynalazku w odniesieniu do nieregularności styku przewodów.

Nieregularności w linie stalowej powodowane zmianami rodzaju styku między drutami powodują zmiany strumienia magnetycznego wytwarzanego w linie przez prądy wirowe. Prądy wirowe występują w postaci prądów wirowych wytwarzanych w poszczególnych drutach, tak zwanych przekrojowych prądów wirowych, oraz w postaci prądów wirowych przepływających między drutami, od jednego drutu do drugiego, tak zwanych stykowych prądów wirowych.

159 867

Zjawisko przekrojowych prądów wirowych w odniesieniu do wynalazku zostanie opisane w oparciu o fig. 1 dla przypadku idealnej liny stalowej. Całkowity prąd wirowy I w przewodzie jest określony równaniem:

= g^ld2 = _dB dt /10/ gdzie: g - przewodność elektryczna właściwa stali w simensach na metr; 1 - długość przewodu w kierunku wzdłużnym w metrach, d - średnica przewodu w metrach;

^dk - sz^ybko^ść zmⁱan in^duk:cji ma^gnetycznej wz^dłu^{ż p}rzewo^du w Teslac^h na se^kund^ę.

dt

Z prawa Ampere'a wynika, że prąd przepływający w zamkniętym obwodzie jest równoważny dipolowi, którego moment magnetyczny jest iloczynem amplitudy prądu, powierzchni pętli i przenikalności magnetycznej materiału wewnątrz pętli. Równoważny moment magnetyczny Ma całkowitego prądu wirowego I jest określony równaniem:

Ma = μ · gid⁴ _ίί?_ /11/

128 dt gdzie μ - jest przenikalnością magnetyczną przewodu przy wartości indukcji magnetycznej B w punkcie.

Liny stalowe mają budowę o wiele bardziej skomplikowaną niż pojedynczy przewód i dokładna analiza matematyczna liny nie jest możliwa. Jednak w przypadku wiązki, składającej się z identycznych okrągłych przewodów, które nie stykają się ze sobą, całkowity strumień magnetyczny 0a, wytwarzany przez prądy wirowe w poszczególnych przewodach, tak zwany przekrojowy strumień magnetyczny wywołany prądami wirowymi, może być określony z równania /11/ i dany równaniem:

0_a= _L ^μ · gA²v ί! 1 ^12/ n7r8 dl gdzie: v - prędkość przemieszczenia liny; A - całkowita powierzchnia przekroju stali n przewodów.

Strumień 0_a jest skierowany przeciwnie względem głównego strumienia magnetycznego, który jest wytworzony w linie przez urządzenie magnesujące. Jest spełniony warunek: 0a = O, jeżeli:

=0.

dl

Jeżeli n przewodów w wiązce styka się ze sobą, to w każdym przewodzie przepływa przekrojowy prąd wirowy a ponadto jest wytwarzany strumień 0a określony równaniem /12/.

Zjawisko stykowych prądów wirowych w odniesieniu do wynalazku zostało opisane przy omawianiu fig. 2.

W przypadku przedstawionej na fig. 2 idealnej wiązki, która składa się z dowolnej liczby przewodów, dla każdego obwodu x, w którym przepływa prąd wirowy 20, 22, 23 i gdy wszystkie obszary stykowe między przewodami są takie same, strumień magnetyczny w linie wywołany prądem wirowym w obwodzie x jest określony równaniem:

0_Cx = μν __/Ax/²r'x dl

2πτχ __ 1 __ __ 1

8*1 gxm /13/ gdzie: g - przewodność stali liny w simensach na metr; Ax - powierzchnia ferromagnetyka zawartego w obwodzie x prądu wirowego; rx - promień obwodu x; r'x - promieniowa odległość styku

159 867 przewodów; m - liczba punktów stykowych w obwodzie x; gxi--gxm - poszczególne przewodności stykowe w simensach na metr kwadratowy dla każdego z m punktów stykowych w obwodzie x.

Jeżeli n-ty styk między dowolnymi dwoma lub większą liczbą sąsiednich przewodów zostaje przerwany, wówczas gxn = 0, a 0_Cx = 0, bez względu na jakikolwiek inny parametr w równaniu /13/.

Zmiany rodzaju styku między sąsiednimi przewodami w linie powodują zmiany 0cx. Wymaganiem, jakie powinno spełniać urządzenie magnesujące i jakie wynika z równania/13/, jest to że zmiany indukcji magnetycznej w momencie pomiaru powinny zachodzić z określoną szybkością, to znaczy człon v i człon dB/dl w równaniu /13/ nie powinny być równe zeru.

Całkowity strumień magnetyczny 0ct, wywołany stykowymi prądami wirowymi w linie, jest otrzymywany przez sumowanie strumieni magnetycznych wywołanych przez wszystkie obwody prądowe x i jest określony równaniem:

0ct = Σ/0 cx/ dla wszystkich x /14/

Całkowity strumień 0e wywołany prądami wirowymi w linie, który jest skierowany przeciwnie do głównego strumienia magnetycznego, jest określony równaniem:

0e = 0a + 0c7 /15/

Wykorzystując równania /12/, /13/ i /14/, otrzymujemy:

d0ⁱ = //^{v dB} F /16/ dl gdzie:

F = '..^gA + Σ/Αχ/²γ'χ_ί_ /17/ n87T 27rrx _ l __ _ l g gxl gxm dla wszystkich x.

Z równania /16/ wynika, że jeżeli nie ma zmian indukcji wzdłuż długości liny, lub jeżeli lina jest nieruchoma, to znaczy v =0, wówczas prądy wirowe nie występują w linie i nie są możliwe pomiary stykowe.

Całkowity strumień magnetyczny 0a wywołany prądami wirowymi w linie jest proporcjonalny do przenikalności μ w momencie pomiaru. Zakłada się, że przenikalność μ' ma największą wartość w praktyce w optymalnym punkcie na krzywej histerezy liny przy pomiarze prądów wirowych. Mechaniczne uszkodzenie, na przykład silne uderzenie lub zagięcie liny z przekroczeniem granicy sprężystości wpływa na przenikalność stali w tych miejscach. Takie uszkodzenia wpływają na wartość przenikalności μ' i mierzonej wartości 0_e.

Pomimo, że powyższa analiza dotyczy idealnego przypadku, można zaprojektować urządzenie do kontroli lin stalowych w oparciu o rozumowanie i równania podane powyżej.

W punkcie e na fig. 4 indukcja magnetyczna w linie jest równa zeru i w tym przedstawionym idealnym przypadku nachylenie wykresu indukcji w funkcji długości liny jest określone równaniem:

dB _ 2Bsat /18/ dl Lp gdzie Lp jest szerokością nabiegunnika środkowego 40, oraz Bsat = B¹ sat — B sat·

W tym przypadku 0s według równania /7/ powinno być mierzone we właściwym punkcie między punktami c i d lub między punktami f i g, a 0e według równania /9/ powinno być mierzone również w tym samym punkcie. Między punktami c i d oraz między punktami f i g indukcja nasycenia jest utrzymywana na zasadniczo stałym poziomie i dB/dl = 0. Całkowity strumień magnetyczny 0e wywołany prądami wirowymi jest równy zeru.

Całkowity strumień magnetyczny 0e według równania /16/ powinien być mierzony w punkcie e, gdzie indukcja w linie jest równa zeru i zmiany powierzchni przekroju poprzecznego lub obecność przerwanych przewodów liny nie wpływają na wyniki pomiarów.

159 867

Punkt e nie jest środkowym punktem nabiegunnika 40, lecz jest nieco przesunięty w prawo, to znaczy w kierunku przemieszczenia się liny. Jest to wynikiem pozostałości magnetycznej w linie, spowodownej polem magnetycznym, które lina minęła. Ta pozostałość powinna być zneutralizowana przez pole magnetyczne, do którego lina wchodzi, o natężeniu równym koercyjności liny.

159 867 «I

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób kontroli lin stalowych, w którym wywołuje się ruch llny osiowo wzdłuż korzystnie liniowego toru, ustala się pierwsze pole magnetyczne wzdłuż pierwszej części toru, przy czym stosuje się pierwsze pole magnetyczne o natężeniu wystarczającym tak, że część liny umieszczona wzdłuż pierwszej części toru nasyca się magnetycznie w pierwszym kierunku osiowym, ustala się drugie pole magnetyczne wzdłuż drugiej części toru, sąsiedniej względem pierwszej części toru, przy czym stosuje się drugie pole magnetyczne o natężeniu wystarczającym tak, że część liny umieszczona wzdłuż drugiej części toru nasyca się magnetycznie w drugim kierunku osiowym, przeciwnym względem pierwszego kierunku osiowego, przez co uzyskuje się indukcję magnetyczną w linie, wynikającą z pierwszego i drugiego pola magnetycznego, o wartości równej zero w miejscu pomiędzy pierwszą i drugą częścią toru, a następnie kontroluje się pole magnetyczne wokół liny w miejscu, gdzie indukcja magnetyczna w linie jest równa zero, znamienny tym, że równocześnie wykrywa się zmiany powierzchni przekroju poprzecznego liny i przerwane przewody w linie przez kontrolę zmian strumienia magnetycznego w linie w miejscu, w którym indukcja magnetyczna jest bliska lub równa indukcji nasycenia, oraz wykrywa się zmiany w układzie styków drutów w linie przez kontrolę zmian całkowitego strumienia magnetycznego wywołanego przez prądy wirowe indukowane w linie w miejscu, w którym gradient indukcji magnetycznej w linie jest równy zero, korzystnie indukcja magnetyczna jest równa zero.
2. Urządzenie do kontroli lin stalowych zawierające elementy prowadzące linę w kierunku osiowym wzdłuż toru, korzystnie liniowego, pierwszą parę magnesów do ustalania pierwszego pola magnetycznego wzdłuż pierwszej części toru, drugą parę magnesów do ustalania pola magnetycznego wzdłuż drugiej części toru , sąsiedniej względem pierwszej części toru, oraz czujnik do pomiaru strumienia magnetycznego umieszczony między pierwszą i drugą częścią toru, znamienne tym, że pomiędzy pierwszą parą magnesów (32,34) a drugą parą magnesów (36, 38), w pobliżu czujnika (58) do pomiaru strumienia magnetycznego jest umieszczony nabiegunnik środkowy (40), natomiast wzdłuż przynajmniej jednej części toru są umieszczone czujniki zmian strumienia magnetycznego, korzystnie cewki kontrolne (56).
3. Urządzenie według zastrz . 2, znamienne tym, że pierwsza para magnesów (32, 34) i druga para magnesów (36, 38) mają taką samą długość w kierunku przesuwu liny (46).