一种基于光纤通信的重载钢丝绳的制作方法

本发明涉及重载工况下的有线通信技术领域，尤其涉及一种基于光纤通信的重载钢丝绳。

背景技术：

钢丝绳因其结构简单、抗拉强度高、承载能力强、工作稳定可靠、韧性好等众多优点，被广泛应用于矿山、石油、电力、运输、冶金、机械等关系国计民生的重要领域。随着国民经济的高速发展，各行各业对钢丝绳的结构、种类、性能、用途等的要求也愈来愈高。并且，在一些特殊工况重载作业的同时，例如深立井重载提升、远距离竖直逃生孔载人提升救援、负荷在线监测等，还需要进行实时通讯与大数据传输。然而，现阶段因无线通信带宽限制、抗干扰较弱、传输速度慢、传输距离短，以及传统电缆通信信号有衰减、受环境影响较大等缺点，无法满足特殊工况及地质条件下的工程高效作业和安全、快速救援。光纤是利用光的全反射原理实现数据的高效传输，能很好克服以上缺点。目前，在有通信需求的工程作业及应急救援提升中，通常利用钢丝绳起下重物，利用光缆进行通信，钢丝绳和光缆分别操作和缠绕，但有如下缺点：

需独立设计光纤缠绕机构，且占空间、增重量和设计制造成本；

光纤的材质为玻璃或塑料，具有弹性差、易损坏等缺点；且当钢丝绳与光纤缠绕时，易因缠绕速度不同步而光纤断裂时，导致通信中断。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于光纤通信的重载钢丝绳，即经过特殊结构设计的钢丝绳可达到同时具备内置光纤通信和承载双重作用的目的，从而保障了特殊工况作业与应急救援的实时性与高效性。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光纤通信的重载钢丝绳，于芯位设置光纤组件；

螺旋绞覆在所述的光纤组件外设置多个加强包覆组件；

所述的加强包覆组件至少设置加强芯，围绕加强芯设置多个加强层；

由内到外，加强层的厚度依次增大。

可选的，每个所述的加强层均由多个均匀围设的丝状部件组成；

由内到外，加强层中的丝状部件直径依次增大。

可选的，所述的加强包覆组件设置加强芯，围绕加强芯由内到外包覆设置第一加强层、第二加强层和第三加强层；

第一加强层、第二加强层和第三加强层的层厚依次增大。

可选的，第一加强层、第二加强层和第三加强层均由多个均匀围设的丝状部件组成；

第一加强层、第二加强层和第三加强层中的丝状部件的直径依次增大。

可选的，加强包覆组件的直径为加强芯直径的2～3倍；

第一加强层中的丝状部件直径、第二加强层中的丝状部件直径和第三加强层中的丝状部件直径比为：1:1.5～2:2～3。

可选的，所述的光纤组件芯位设置光纤及包围光纤的光纤膏柱；

围绕光纤膏柱，由内到外依次设置防护层、粘性胶层和第二加强包覆管。

可选的，光纤组件直径为光纤膏柱直径的1.3～2倍；

防护层、粘性胶层和第二加强包覆管的厚度比为：(1～1.25):(2～2.5):(1.5～2)。

可选的，所述的防护层为丁腈橡胶层或硅氟橡胶层，粘性胶层为填充于防护层外表面与第二加强包覆管内表面之间的热硫化型粘合剂层，第二加强包覆管由冷轧碳素钢钢带层及耐磨层组成，耐磨层的厚度为20～50μm。

可选的，在所述的光纤组件外还包设第一加强包覆管；

由内到外，第一加强包覆管由耐磨层、冷轧弹簧钢钢带层和合金层组成，耐磨层的厚度为20～50μm；

光纤组件收缩螺旋设置在第一加强包覆管内。

可选的，基于光纤通信的重载钢丝绳直径d1为第一加强包覆管外径的4～5倍；第一加强包覆管内径d2大于光纤组件外径d3。

一种基于光纤通信的重载钢丝绳的制备方法，包括：

加工制备第一加强包覆管和第二加强包覆管所需的冷轧钢钢带层，并在其相应表面设置合金层和耐磨层；光纤表面涂覆光纤膏，并将涂覆光纤膏的多根光纤向心排布，一次性通过挤出机包裹防护层，并与包裹防护层同步向多根光纤与防护层之间填充光纤膏挤压成型，同时形成光纤膏柱，随后在成型后的防护层外表面包裹粘性胶层，并对粘性胶层进行冷却，最后在粘性胶层外包裹第二加强包覆管，从而制成光纤组件；将通过拉拔工艺得到的加强层的多根丝状部件进行精确配丝，配合适的芳纶丝绳芯捻制形成加强包覆组件；将光纤组件装入第一加强包覆管，然后将第一加强包覆管卡在四股加强包覆组件中间进行合绳。

本发明的基于光纤通信的重载钢丝绳，内设有传输信号的光纤装置，具有结构紧凑、破断拉力高、耐磨性好、不旋转以及光纤通信等特点。不仅能够承受重载，而且可实现信号的同步实时、稳定、快速传输，特别适宜于超远距离、重载、狭小空间等复杂工况下的特种作业以及应急救援。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1为本发明的基于光纤通信的重载钢丝绳结构示意图；

图2为本发明的基于光纤通信的重载钢丝绳组装状态示意图；

图3为光纤组件截面示意图；

图4为光纤组件在第一加强包覆管内布置情况；

图中各标号表示为：

1-加强包覆组件、11-加强芯、12-第一加强层、13-第二加强层、14-第三加强层；

2-第一加强包覆管；

3-光纤组件、31-光纤、32-光纤膏柱、33-防护层、34-粘性胶层、35-第二加强包覆管；

d1-基于光纤通信的重载钢丝绳直径、d2-第一加强包覆管内径、d3-光纤组件外径。

具体实施方式

以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，并非全部实施例，也并未对本发明做任何形式上的限制，凡是利用本实施例的技术方案，包括对本实施例做了简单的变化，均属于本发明保护的范围。

本发明描述中，术语“包括”、“包含”和“具有”意在包括性。另外，也应当理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位关系为基于附图所示方位关系，并非理解为对本发明的限制。

本发明的基于光纤通信的重载钢丝绳，传统钢丝绳只具备承载拉力特性，经过特殊设计的钢丝绳结构可以同时具备内置电缆通信和承载双重作用，但随电缆长度和电阻率影响，信号传输带宽限制，信号传输速度和质量都不能满足控制系统要求。然而，随着钢丝绳用途的扩展，地面基站和移动物体之间进行高清晰度音频和视频，大数据传输的需求越来越多，由于重载工况安全性要求高，检测和控制功能多，因此重载工况下的大数据传输需求更多。光纤通信基于光传输介质，正好能够满足上述大数据传输要求，但是如何解决重载钢丝绳内部的光纤布置问题是重大难题，本发明介绍了一种基于光纤通信的重载钢丝绳及制作方法，对立井提升、载人提升救援、重载钢丝绳在线监测都具有重要意义。即将用于通信的光纤和用于承受承载重荷的钢丝绳设计为集成式结构。

结合图1-4，本发明的基于光纤通信的重载钢丝绳，于芯位设置光纤组件3；螺旋绞覆在光纤组件3外设置多个加强包覆组件1；加强包覆组件1至少设置加强芯11，围绕加强芯11设置多个加强层；由内到外，加强层的厚度依次增大。如图1中，设置了四股加强包覆组件1，四股加强包覆组件1缠绕形成的芯部位置为放置光纤组件3提供了空间。通过上述结构设置，该钢丝绳具有破断拉力高、耐磨性好、不旋转、长远距离光纤通信和承载等优点，且光纤组件3外侧的四股加强包覆组件1和光纤组件3本身的多层保护层共同防止内部光纤不因物理和化学因素而损坏，确保了信号传输的有效性。

在本公开的实施例中，每个加强层由多个均匀围设的丝状部件组成；由内到外，加强层中的丝状部件的直径依次增大。通过丝状部件形成的加强层，具有对空间进行有效填充、增强外层股的刚性及增大破断力等优点，同时通过丝状部件本身直径的变化，形成由内到外，加强层的厚度依次增大的呈现效果，进一步的增强多个加强层之间的有效填充、刚性及增大破断力的效果。

在本公开的实施例中，加强包覆组件1设置加强芯11，围绕加强芯11由内到外包覆设置第一加强层12、第二加强层13和第三加强层14；第一加强12层、第二加强层13和第三加强层14的层厚依次增大，这样设置可减少旋转、均衡承重、且在平稳运行时不易造成断丝等，即在本实施例中，如图1所示的结构，一种比较优选的方案是，由内到外设置三层的加强层，通过实验效果证明，这样的层数设置即为用料最少而防护效果最好的方案，当然，在实际的应用中，还可以根据不同的应用环境，来自由的增加或减少加强层的层数。

在本公开的实施例中，加强包覆组件1的直径为加强芯11直径的2～3倍；第一加强层12中的丝状部件直径、第二加强层13中的丝状部件直径和第三加强层14中的丝状部件直径比为：1:1.5～2:2～3，比如在本发明中采用的最优比为1:1.7:2.5。加强芯11为具有强度高、质轻、耐腐蚀等优良性能的芳纶丝组成的绳芯，其作用是增加钢丝绳弹性和韧性，储油润滑，延长钢丝绳使用寿命。此结构属于弱旋转钢丝绳结构，对单绳载人提升作业有很好的适应性。

在本公开的实施例中，光纤组件3芯位设置光纤31及包围光纤31的光纤膏柱32；围绕光纤膏柱32，由内到外依次设置防护层33、粘性胶层34和第二加强包覆管35。光纤组件3为内部多根光纤31和外层光纤保护装置结构，其由内而外依次为光纤31、光纤膏柱32、防护层33、粘性胶层34和第二加强包覆管35。

在本公开的实施例中，光纤组件3直径为光纤膏柱32直径的1.3～2倍，比如在本发明中，光纤组件3直径为光纤膏柱32直径的1.5倍；防护层33、粘性胶层34和第二加强包覆管35的厚度比为：(1～1.25):(2～2.5):(1.5～2)，比如在本发明中防护层33、粘性胶层34和第二加强包覆管35的厚度比为：1.2:2.5:1.5；很好满足了在芯位有限空间布置光纤多层保护层，起到保护内部光纤不因外界物理和化学因素的影响而损坏的作用。

在本公开的实施例中，光纤膏柱32采用型号syt-35的填充油膏填充于光纤31与防护层33内表面之间，用于防水、隔潮和机械缓冲。防护层33制备材料为丁腈橡胶或硅氟橡胶，用于隔热、防水、防光照等。粘性胶层34填充于防护层33外表面与第二加强包覆管35内表面之间，由于粘性胶层34为具有较强粘接性的热硫化型粘合剂，是一种由聚合物、有机化合物和矿物填料在有机溶剂体系内溶解或分散形成的混合物，比如可以采用橡胶热硫化粘合剂；粘性胶层34可将防护层33与第二加强包覆管35牢牢粘接在一起，防止第二加强包覆管35与防护层33间的相对运动，避免出现因相对运动而造成防护层33与光纤31磨损的现象，并且增强了光纤组件3整体柔性和强度，进一步保护了内部光纤31，保障了光纤通信的可靠性。第二加强包覆管35由冷轧碳素钢钢带缠绕而成，绕制时，钢带呈螺旋状依次紧密排布，且在外表面设置一层厚度在20～50μm的陶瓷复合材料的耐磨层，使得光纤组件3与第二加强包覆管35相对运动时，避免粘性胶层34以及防护层33磨损破坏，进而保护内部通信光纤，延长使用寿命。

在本公开的实施例中，在光纤组件3外还包设第一加强包覆管2，且光纤组件3收缩螺旋设置在第一加强包覆管2内。第一加强包覆管2由冷轧弹簧钢钢带呈螺旋状依次紧密缠绕制备而成，柔性好，刚性强，可承受较大周向挤压应力，并可在周向向受压而轴向伸长时仍能依靠其内部空腔保护内部结构不被处于重载负荷下的外层股多根钢丝的挤压损坏。在与第三加强层14接触的第一加强包覆管2的冷轧弹簧钢钢带表面设置高硬度的粗糙化合金层(比如高锰合金(zgmn13cr2more))，以增加与第三加强层14丝状部件间摩擦力，进而提升加强包覆组件1与第一加强包覆管2的同步运动性能，并在第一加强包覆管2的冷轧弹簧钢钢带另一表面设置一层厚度在20～50μm的陶瓷纳米复合材料的耐磨层，以提高光纤组件3与第一加强包覆管2发生相对运动时对其外层的第二加强包覆管35的耐磨性，进而加强了对粘性胶层34以及防护层33的防护，提高使用寿命。

在本公开的实施例中，基于光纤通信的重载钢丝绳直径d1为第一加强包覆管2外径的4～5倍，第一加强包覆管2内径d2大于光纤组件3外径d3，目的在于将光纤组件3呈大螺旋状内置于第一加强包覆管2内，为光纤组件3预留伸长量，当基于光纤通信的重载钢丝绳在长距离重载负荷被拉伸时，预留伸长量的光纤组件3随钢丝绳延伸，且不与外部加强层同步受拉变形，从而保护内部光纤31不被强制拉断，进而避免内部用于信号传输的光纤受损。

一种基于光纤通信的重载钢丝绳的制备方法，包括光纤组件3制备、加强包覆组件1制备以及合绳等步骤，具体如下：(如无特殊说明，本发明的重载钢丝绳的制作材料均采用市售的常见材料)

(参照相关国标进行制作)加工制备第一加强包覆管2和第二加强包覆管35所需的冷轧钢钢带，并在其相应表面设置高硬度的粗糙化合金层和耐磨层；

每根光纤31表面涂覆光纤膏，并将涂覆光纤膏的多根光纤31向心排布，一次性通过挤出机包裹防护层33，并与包裹防护层33同步向多根光纤31与防护层33之间填充光纤膏挤压成型，同时形成光纤膏柱34，随后在成型后的防护层33外表面包裹粘性胶层34，并对粘性胶层34进行冷却，最后在粘性胶层34外包裹第二加强包覆管35，从而制成光纤组件3；

将通过拉拔工艺得到的加强层的多根丝状部件进行精确配丝，配合适的芳纶丝绳芯捻制形成股绳，即得到加强包覆组件1；将光纤组件3装入第一加强包覆管2，然后将第一加强包覆管2卡在四股股绳中间进行合绳(合绳工艺参照相关国标进行制作)。

此方法集成度高，有效保障了制备效率和质量。

本发明的基于光纤通信的重载钢丝绳，在远、超远距离及重载、狭小空间等特殊工况下，具有结构紧凑、破断拉力高、耐磨性好、不旋转以及光纤通信等特点，既能承受重载，又能同步实现稳定通信，从而保障了特殊工况作业与应急救援的实时性与高效性。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。