Анатолий Анатольевич Котесов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Эксплуатация транспортных систем и логистика»
344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Scopus ID: 57219283753
ResearcherIDAAL-7299-2020
Anatoly A. Kotesov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Operation of Transport Systems and Logistics
1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003
Scopus ID: 57219283753
ResearcherIDAAL-7299-2020
Введение. Обеспечение безопасности грузоподъемных машин тесно связано с надежностью стальных канатов, работающих под переменными нагрузками и в агрессивных средах. Рост сложности конструкций, высокая интенсивность эксплуатации и увеличение грузоподъемности машин приводят к росту техногенных рисков и экономическим потерям. Традиционные методы — статические коэффициенты запаса и визуальный контроль — неэффективны при цифровизации и росте интенсивности эксплуатации. По данным надзорных органов, 20 % аварий на подъемных сооружениях вызваны дефектами канатов, а ежегодно фиксируется свыше 5000 инцидентов с травматизмом. В литературе описаны статистический анализ дефектов, трибологические модели износа проволок с учетом трения и деградации смазки, иерархическое моделирование каната как системы. Однако сохраняются серьёзные системные проблемы: модели слабо интегрированы в практику, теория отделена от инженерных методов и предиктивные модели не предусматривают комплексного анализа динамики эксплуатационных факторов. Поэтому целью данной работы явилась разработка предиктивной модели оценки надежности стального каната на этапе проектирования с учетом нормативных требований для исключения внезапных отказов и оптимизации эксплуатации.
Материалы и методы. В основе исследования — предложенная иерархическая декомпозиция надежности каната по уровням деградации, позволившая алгоритмизировать принцип «слабого звена» для последовательных систем. Объект моделирования — стальной канат 6×36 ЛК‑РО по ГОСТ 7668‑80 в составе механизмов портального крана. Адаптация норм РД РОСЭК 012‑97 к задачам проектирования выполнена методом полиномиальной аппроксимации дискретных критериев в непрерывные функции предельных состояний. Для оценки безотказности на различных уровнях иерархии использован комплекс моделей Кельвина–Фойгта, Арчарда, Веллера, а также распределения Вейбулла, Пуассона и нормальный закон. Математическая обработка данных и расчеты вероятностных показателей реализованы в средах MS Excel и Mathcad. Верификация модели проведена сопоставлением прогнозных кривых с расчетным ресурсом по методике ISO 16625 для режимов М5 и М6.
Результаты исследования. На основе норм браковки РД РОСЭК 012–97 определены обобщённые предельные состояния каната 6×36 ЛК‑РО (ГОСТ 7668). Получены аналитические зависимости допустимого числа обрывов от износа и коррозии, а также функции связи потери площади сечения с накопленными дефектами для режимов М1–М8. Разработана комплексная предиктивная модель надежности, объединяющая вероятностные процессы накопления обрывов проволок, кинетику износа и реологическую деградацию сердечника в единую вычислительную схему.
Обсуждение. Предложенный подход сокращает разрыв между теорией и практикой эксплуатации за счёт учета синергии механизмов деградации. Противоречие между параллельным развитием дефектов и последовательной «моделью слабого звена» разрешено через принцип критичности каждого предельного состояния. В отличие от аддитивных методов реализована концепция динамически зависимых параметров — реологические изменения сердечника трансформируют условия контакта проволок и тем самым ускоряют накопление усталостных повреждений. Применение разработанного аппарата в проектировании повышает точность прогноза. В то же время гетерогенность используемых моделей диктует необходимость создания специфического критерия достоверности для оценки суммарной погрешности.
Заключение. Модель предназначена для применения на этапе проектирования грузоподъёмных машин с целью предиктивной оценки безотказности и минимизации рисков внезапных отказов канатов по ГОСТ 7668–80. Модель позволяет учесть нормативные требования и обеспечивает на 37 % более консервативный прогноз по сравнению с ISO 16625. Дальнейшее развитие предполагает распространение модели на другие конструктивные группы канатов и внедрение в инженерную практику.
Introduction. Ensuring the safety of lifting equipment is closely linked to the reliability of steel ropes operating under variable loads and in aggressive environments. Increased design complexity, higher operational intensity, and larger machine lifting capacities lead to increased human-made risks and economic losses. Traditional methods, such as static safety factors and visual inspections, are ineffective in the face of digitalization and increased operational intensity. According to regulatory authorities, 20% of accidents involving lifting equipment are caused by rope defects, with more than 5,000 injury incidents recorded annually. The literature describes statistical defect analysis, tribological models of wire wear that take into account friction and lubricant degradation, and hierarchical modeling of rope as a system. However, there are still some serious systemic problems: models are not fully integrated into practice, theoretical knowledge is not always applied in engineering methods, and predictive models do not allow for a comprehensive analysis of operational factors. To address these issues, the aim of this work is to develop a predictive model for assessing the reliability of steel ropes at the design stage. This model takes into account regulatory requirements in order to prevent sudden failures and optimize operations.
Materials and Methods. The study was based on the proposed hierarchical decomposition of rope reliability by degradation levels, which allowed for the algorithmic implementation of the “weakest link” principle for sequential systems. The modeling object was a 6×36 WS FC (two lay rope type) steel rope according to GOST 7668–80 used in gantry crane mechanisms. RD ROSEK 012–97 standards were adapted to the design tasks using a polynomial approximation method of discrete criteria into continuous limit state functions. To assess reliability at various hierarchical levels, a combination of Kelvin-Voigt, Archard, and Weller models, as well as the Weibull, Poisson, and normal distributions, was applied. Mathematical data processing and probability calculations were implemented in MS Excel and Mathcad. The model was verified by comparing predicted curves with the estimated service life according to the ISO 16625 methodology for M5 and M6 modes.
Results. Based on the RD ROSEK 012–97 rejection standards, generalized limit states for 6×36 WS FC rope (GOST 7668) were determined. Analytical functions were derived for the relationship between the permissible number of breaks, wear, and corrosion, as well as the dependence of cross-sectional area loss on accumulated defects for M1–M8 modes. A comprehensive predictive reliability model was developed that integrates probabilistic processes of wire breakage accumulation, wear kinetics, and rheological degradation of the core into a single calculation model.
Discussion. The proposed approach aims to bridge the gap between theoretical knowledge and operational practice, by considering the synergy of degradation mechanisms. It resolves the contradiction between the parallel development of defects and the sequential approach (“weakest link model”), using the principle of criticality in any limit state. Unlike additive methods, this approach incorporates the concept of dynamically dependent parameters. The rheology of the material alters the contact conditions between wires, accelerating fatigue damage accumulation. Using this approach as an analytical tool during design ensures high accuracy in predictions. However, due to the heterogeneity of models, it is necessary to develop a specific criterion for assessing overall error.
Conclusion. The model is designed to be used during the design phase of lifting equipment to predictively assess reliability and minimize the risk of sudden rope failure in accordance with GOST 7668–80. It takes into account regulatory requirements and provides a 37% more conservative forecast compared to ISO 16625. Future development plans include extending the model to other rope design groups and integrating it into engineering practice.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.