無線射頻識別技術(shù)在纖維繩索上的應(yīng)用探究*

王宇驊 程紅玉 馬超光 謝章婷 王亞南 王龍生

上海儀耐新材料科技有限公司，上海 201700

智能化概念的新興技術(shù)與相關(guān)研究成果已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域，這在海洋裝備和海洋工程領(lǐng)域也不例外。纖維繩索是一種古老的工具，也是最早運(yùn)用于遠(yuǎn)洋航海的重要工具之一。如今，智能化概念和技術(shù)也正逐步應(yīng)用于纖維繩索行業(yè)[1-2]。

目前，纖維繩索行業(yè)的智能化技術(shù)發(fā)展主要聚焦于傳感技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)方面，目的是提升各類傳感技術(shù)的適用性、準(zhǔn)確性和精確度，同時擴(kuò)展可收集信號的類別。目前可收集到的信號數(shù)據(jù)有纖維繩索自身數(shù)據(jù)及周邊使用環(huán)境數(shù)據(jù)[3-5]。對所有智能化概念而言，通過已知或收集到的數(shù)據(jù)了解并管理設(shè)備本身是最基本的功能，這類功能在電子行業(yè)已相當(dāng)成熟，在纖維繩索領(lǐng)域卻仍未實(shí)現(xiàn)，并且關(guān)于這方面的研究也甚少。

纖維繩索主要作為張力部件使用，結(jié)構(gòu)設(shè)計使得其在長度方向上具有一致并且連續(xù)的物理性能。但在實(shí)際使用中，由于使用環(huán)境復(fù)雜多變，同一根繩索上不同部位的工作模式和受到的環(huán)境影響可能大相徑庭：纖維繩索位于滑輪或絞盤上的部位會因周期性的彎曲和伸直而引發(fā)彎曲疲勞，導(dǎo)致強(qiáng)力下降[6]；一些部位會因受長時間的張力而產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，使得同張力下的長度逐漸增大，或?qū)е聦?shí)際張力減小[7-8]；另一些部位則會因周期性的舒張而發(fā)生拉拉疲勞[9-10]。此外，海洋行業(yè)中纖維繩索的生命周期受到多種因素的影響，除纖維繩索本身的性能外，復(fù)雜多變的工況也會極大地影響纖維繩索的實(shí)際使用壽命，如，意外的沖擊張力、海洋環(huán)境污染、干濕環(huán)境和日照強(qiáng)度等[11]?？梢哉f，纖維繩索是一種結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔，使用工況復(fù)雜的工具，一根纖維繩索可以視為由數(shù)段結(jié)構(gòu)相同但工作環(huán)境不同的短繩索相連而成的結(jié)構(gòu)體。這使得纖維繩索的全生命周期管理和安全管理尤為復(fù)雜。

現(xiàn)階段，常規(guī)的纖維繩索全生命周期管理是基于整根繩索進(jìn)行的，主要根據(jù)纖維繩索生產(chǎn)商提供的產(chǎn)品參數(shù)和使用者積累的安全經(jīng)驗(yàn)來判斷。當(dāng)檢查發(fā)現(xiàn)繩索的任意部位出現(xiàn)安全風(fēng)險時，即對整根繩索進(jìn)行更換。這是目前行業(yè)中普遍采用的做法，目的在于將纖維繩索意外斷裂的風(fēng)險降至最小。但更換整根繩索會造成繩索中未受損部位的浪費(fèi)，因?yàn)槔K索檢查時發(fā)現(xiàn)的安全風(fēng)險僅是針對繩索的某一部位而言的。大多數(shù)情況下，當(dāng)繩索某段因惡劣工況受損后無法滿足安全工作的要求時，繩索的其他部位因工況不同很可能并未受到損傷，可以繼續(xù)使用。這種情況下，僅需通過收放一定長度的繩索，將受損的部位移動到工況較好的位置，用沒有受損的部位來承擔(dān)較惡劣的工況，就無需更換整根繩索，延長纖維繩索的整體使用時長。這種纖維繩索全生命周期管理方式需按工況對繩索進(jìn)行區(qū)域劃分，并對各區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)管理，單獨(dú)收集、記錄和分析每一區(qū)域的使用情況和環(huán)境情況，同時進(jìn)行安全風(fēng)險分析和檢查。無線射頻識別(radio frequency identification，RFID)是一種在物流倉儲管理、權(quán)限控制和智能裝配中廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)，具有遠(yuǎn)程讀寫、唯一性和復(fù)寫性等特點(diǎn)[12]。RFID技術(shù)為纖維繩索的分段管理提供了可能性。

本文對RFID技術(shù)在纖維繩索上的應(yīng)用可行性進(jìn)行探究，主要對RFID標(biāo)簽與纖維繩索的結(jié)合工藝進(jìn)行探討，測試兩者結(jié)合后纖維繩索的斷裂強(qiáng)力情況，以及裝配在纖維繩索上以后RFID標(biāo)簽的讀取性能，初步探討RFID技術(shù)在纖維繩索領(lǐng)域的可能應(yīng)用。

1 研究方法

在現(xiàn)實(shí)使用工況中，纖維繩索常規(guī)使用時所受的張力約為其最小斷裂強(qiáng)力(FMBL)的20%～40%。但繩索的實(shí)際斷裂強(qiáng)力可能會因疲勞、磨損等因素而下降，導(dǎo)致斷裂發(fā)生時纖維繩索所受的張力未達(dá)到最小斷裂強(qiáng)力值，而僅為最小斷裂強(qiáng)力的約20%～40%，即20%FMBL～40%FMBL。因此有必要研究裝配有RFID標(biāo)簽的纖維繩索在受20%FMBL～40%FMBL的張力時的斷裂發(fā)生情況。

本研究在臥式繩索拉力測試機(jī)上模擬纖維繩索受力并拉伸斷裂的情況，通過特殊的兩端固定方式，實(shí)現(xiàn)纖維繩索在受到20%FMBL～40%FMBL的張力時發(fā)生斷裂；通過與未裝配RFID標(biāo)簽空白試樣進(jìn)行對比，探討裝配RFID標(biāo)簽對纖維繩索斷裂強(qiáng)力的影響，并測試RFID標(biāo)簽在纖維繩索拉伸過程的信號讀取情況。

1.1 試樣制備

為確保裝配RFID標(biāo)簽后不會對纖維繩索的外觀造成影響，選擇皮芯復(fù)編結(jié)構(gòu)的纖維繩索試樣進(jìn)行測試。這種纖維繩索采用線密度為33.33 tex(300 D)的超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE)復(fù)絲制股后編織而成，其結(jié)構(gòu)為12股內(nèi)芯外包16編外護(hù)套，內(nèi)芯直徑為8 mm，含外護(hù)套的纖維繩索直徑為12 mm。RFID標(biāo)簽選用市售成熟的柔性被動標(biāo)簽(濕inlay標(biāo)簽)，這種標(biāo)簽體積小，結(jié)構(gòu)柔軟，可以很方便地貼合于繩索表面，基本不會對纖維繩索的外形和軟硬程度產(chǎn)生影響；同時標(biāo)簽本身也經(jīng)過塑封處理，裝配后其內(nèi)部電路和天線受纖維繩索或外部環(huán)境的影響不大。RFID標(biāo)簽的具體規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 RFID標(biāo)簽具體規(guī)格參數(shù)

裝配RFID標(biāo)簽的纖維繩索試樣的制備過程如下：首先編織纖維繩索內(nèi)芯，然后在纖維繩索的內(nèi)芯上裝配RFID標(biāo)簽，最后在纖維繩索內(nèi)芯外編織外護(hù)套。柔性被動標(biāo)簽的裝配方式為在纖維繩索內(nèi)芯的外表面環(huán)繞，并用膠水貼附固定。環(huán)繞時確保標(biāo)簽沿著短邊方向環(huán)繞，避免標(biāo)簽環(huán)繞后發(fā)生重疊，導(dǎo)致讀取性能下降。

本文中纖維繩索試樣的制備過程與常規(guī)皮芯復(fù)編結(jié)構(gòu)繩索的生產(chǎn)工藝類似，且選用的柔性RFID標(biāo)簽的外形尺寸與繩索主體直徑、外護(hù)套厚度相比可忽略不計，因此幾乎不會對繩索的強(qiáng)度造成影響。裝配好RFID標(biāo)簽的纖維繩索試樣，其外觀與普通未裝配RFID標(biāo)簽的纖維繩索的外觀基本相同(圖1)，RFID標(biāo)簽也不會對纖維繩索的柔軟性造成影響。RFID標(biāo)簽的位置可以通過RFID讀取器確定。

圖1 裝配了RFID標(biāo)簽的纖維繩索試樣

為測試試樣制備工藝的穩(wěn)定性，制備了2根裝配有RFID標(biāo)簽的皮芯復(fù)編繩索(柔性1和柔性2)和2根未裝配RFID標(biāo)簽的常規(guī)皮芯復(fù)編繩索(空白1和空白2)。

1.2 纖維繩索斷裂強(qiáng)力測試

使用50 T臥式繩索拉力測試機(jī)(浙江四兄繩業(yè)有限公司)對未裝配RFID標(biāo)簽的纖維繩索空白對照樣(空白1和空白2)進(jìn)行斷裂強(qiáng)力測試。

為實(shí)現(xiàn)纖維繩索在受到20%FMBL～40%FMBL的張力時即發(fā)生斷裂，本文沒有采用GB/T 8834—2016《纖維繩索 有關(guān)物理和機(jī)械性能的測定》中要求的銷柱和眼環(huán)來固定纖維繩索，而是將纖維繩索以“自鎖纏繞”的特殊方式固定在拉力測試機(jī)的銷柱上(圖2)。

圖2 纖維繩索的“自鎖纏繞”固定方式

這種特殊的固定方式使纖維繩索試樣產(chǎn)生了自鎖作用：隨著拉伸作用的進(jìn)行，纏繞在銷柱上的繩圈越來越小，緊壓自由端，避免自由端滑移。同時，“自鎖纏繞”方式在繩索拉伸端的位置形成U型環(huán)繞，對拉伸部分的纖維繩索產(chǎn)生應(yīng)力集中作用。

繩索斷裂強(qiáng)力測試時，首先將未裝配RFID標(biāo)簽的纖維繩索空白對照樣(空白1和空白2)的兩端按“自鎖纏繞”的方式固定在拉力機(jī)兩端的銷柱上，以200 mm/min的拉伸速度勻速將試樣從預(yù)加張力為0.18 kN拉伸至完全斷裂，記錄內(nèi)芯和外護(hù)套斷裂時的張力。以未裝配RFID標(biāo)簽的纖維繩索內(nèi)芯斷裂強(qiáng)力(Fcore)作為后續(xù)RFID標(biāo)簽信號讀取和纖維繩索伸長率測試中3次預(yù)拉伸循環(huán)張力計算的基數(shù)。

1.3 RFID標(biāo)簽信號讀取和纖維繩索伸長率測試

RFID標(biāo)簽信號和纖維繩索伸長率測試過程參考GB/T 8834—2016《纖維繩索 有關(guān)物理和機(jī)械性能的測定》中的伸長率測試要求進(jìn)行。

測試時，先將纖維繩索兩端按“自鎖纏繞”方式固定在拉力機(jī)兩端的銷柱上，在預(yù)加張力為0.18 kN下，在纖維繩索的有效長度部分做標(biāo)記，標(biāo)記段的長度為50.0 cm，并確定RFID標(biāo)簽位置。然后進(jìn)行預(yù)拉伸，拉力機(jī)以200 mm/min的速度將纖維繩索在預(yù)定的張力范圍內(nèi)(10%Fcore～50%Fcore)循環(huán)拉伸3次。預(yù)拉過程中，分別在纖維繩索張力為10%Fcore、20%Fcore、30%Fcore、40%Fcore和50%Fcore時，保持拉力測試機(jī)的動端靜止30 s，期間采用手持式RFID讀取器(萬科智能科技，VH-83型)讀取RFID標(biāo)簽的電子產(chǎn)品編碼(EPC碼)并記錄能否讀取，同時測量標(biāo)記段纖維繩索的長度變化。最后，拉力機(jī)以200 mm/min的速度將纖維繩索勻速拉伸至斷裂，分別記錄內(nèi)芯和外護(hù)套斷裂時的張力。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 繩索斷裂強(qiáng)力測試結(jié)果與分析

裝配RFID標(biāo)簽前后纖維繩索試樣的內(nèi)芯和外護(hù)套斷裂強(qiáng)力測試結(jié)果如表2所示。由表 2可以看出，未裝配RFID標(biāo)簽的纖維繩索內(nèi)芯斷裂強(qiáng)力(Fcore)的平均值為18.83 kN。參考GB/T 30668—2014《超高分子量聚乙烯纖維8股、12股編繩和復(fù)編繩索》，可計算得直徑為12 mm的復(fù)編繩(C型)的最低斷裂強(qiáng)力約為79.20 kN(高強(qiáng)級)或87.80 kN(超高強(qiáng)級)。本研究中試樣的Fcore約為標(biāo)準(zhǔn)要求的23.78%(相對于高強(qiáng)級UHMWPE復(fù)編繩索)或21.45%(相對于超高強(qiáng)級UHMWPE復(fù)編繩索)，滿足測試?yán)K索在20%FMBL～40%FMBL的張力下即發(fā)生斷裂的設(shè)計要求。

根據(jù)Fcore=18.83 kN可計算得10%Fcore=1.88 kN；20%Fcore=3.77 kN；30%Fcore=5.65 kN；40%Fcore=7.53 kN；50%Fcore=9.42 kN。

從表 2還可以看出，裝配了柔性RFID標(biāo)簽后，纖維繩索的內(nèi)芯斷裂強(qiáng)力和外護(hù)套斷裂強(qiáng)力與未裝配柔性RFID標(biāo)簽的空白對照樣相當(dāng)。斷裂強(qiáng)力測試值出現(xiàn)波動的情況，是由于試樣兩端采用了“自鎖纏繞”方式固定導(dǎo)致的。

表2 裝配RFID標(biāo)簽前后纖維繩索試樣的內(nèi)芯和外護(hù)套斷裂強(qiáng)力測試結(jié)果

圖3和圖4為未裝配RFID標(biāo)簽的纖維繩索空白對照樣與裝配有柔性RFID標(biāo)簽的纖維繩索試樣的斷裂強(qiáng)力測試結(jié)果。由圖3和圖4可以看出，所有的纖維繩索試樣都經(jīng)歷了2次斷裂，第一次為內(nèi)芯斷裂，第二次為外護(hù)套斷裂。由拉伸曲線可以看出，所有的纖維繩索試樣在受到拉伸時，均先由內(nèi)芯承擔(dān)大部分張力。內(nèi)芯承受的張力達(dá)到峰值并斷裂后，纖維繩索的張力大幅下降。內(nèi)芯斷裂后，張力轉(zhuǎn)由外護(hù)套承擔(dān)，且張力隨著拉力測試機(jī)的繼續(xù)拉伸而升高，直至外護(hù)套發(fā)生斷裂。

圖3 未裝配RFID標(biāo)簽的纖維繩索空白對照樣斷裂強(qiáng)力測試結(jié)果

圖4 裝配了RFID標(biāo)簽的纖維繩索試樣斷裂強(qiáng)力測試結(jié)果

從圖 4可以清楚地看到，柔性1和柔性2試樣經(jīng)歷了3次預(yù)拉伸循環(huán)，并在10%Fcore(1.88 kN)、20%Fcore(3.77 kN)、30%Fcore(5.65 kN)、40%Fcore(7.53 kN)和50%Fcore(9.42 kN)張力下出現(xiàn)張力小幅下降的情況，這是由于繩索編織結(jié)構(gòu)上的形變導(dǎo)致了遲滯現(xiàn)象的出現(xiàn)，即便拉力測試機(jī)的動端已經(jīng)靜止，試樣仍會發(fā)生些許結(jié)構(gòu)伸長，造成張力下降，屬正?，F(xiàn)象。

2.2 RFID標(biāo)簽信號和繩索伸長率測試結(jié)果與分析

在柔性1和柔性2的預(yù)拉伸過程中，嘗試讀取裝配在纖維繩索上RFID標(biāo)簽的EPC碼，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明，在纖維繩索被拉伸至50%Fcore的預(yù)拉伸循環(huán)中，均可以順利讀取RFID標(biāo)簽信號。并且現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)芯完全斷裂前，RFID標(biāo)簽信號均可讀?。欢坏﹥?nèi)芯完全斷裂，RFID標(biāo)簽信號即消失。

表3 RFID標(biāo)簽信號讀取與伸長率測試結(jié)果

將斷裂后的柔性1和柔性2分別打開并找出RFID標(biāo)簽后發(fā)現(xiàn)，RFID標(biāo)簽均已成熔融狀態(tài)。尤其是柔性1試樣，由于斷裂位置接近RFID標(biāo)簽，RFID標(biāo)簽幾乎完全損毀，已失去了原有的外觀和功能(圖5)。原因是柔性RFID標(biāo)簽的植入方式為貼合在內(nèi)芯表面，內(nèi)芯發(fā)生斷裂時，產(chǎn)生劇烈的回彈并釋放出大量的能量(主要形式為機(jī)械能和熱能)，這將損毀柔性RFID標(biāo)簽，使其失去了原有的外觀和功能，并導(dǎo)致RFID信號喪失。

圖5 裝配有RFID標(biāo)簽的纖維繩索試樣斷裂后的標(biāo)簽形態(tài)

纖維繩索試樣在10%Fcore～50%Fcore拉伸張力下的伸長率E通過式(1)計算：

(1)

其中，ln%為n%Fcore下標(biāo)記段的長度，mm；l2為預(yù)加張力下標(biāo)記段的長度，mm。

從表 3可以看到，柔性1和柔性2的伸長率相近，符合市售常規(guī)UHMWPE皮芯復(fù)編繩索的伸長率標(biāo)準(zhǔn)，說明裝配RFID標(biāo)簽對皮芯復(fù)編繩索的伸長率沒有明顯影響。

3 RFID技術(shù)在纖維繩索上的可能應(yīng)用

通過試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了將RFID技術(shù)與纖維繩索結(jié)合的生產(chǎn)工藝的可行性，并且由試驗(yàn)結(jié)果可知，貼合于繩索內(nèi)芯的柔性RFID標(biāo)簽可以承受繩索正常的安全工作張力，在RFID標(biāo)簽載體發(fā)生完全斷裂前不會喪失功能，這使RFID技術(shù)可以很好地滿足復(fù)雜工況下纖維繩索的分段、分部位管理。

RFID技術(shù)在纖維繩索領(lǐng)域的具體應(yīng)用，一方面，可以在一根皮芯復(fù)編纖維繩索中，每隔一段距離裝配一枚柔性RFID標(biāo)簽，每枚RFID標(biāo)簽存儲的EPC碼不同。同時在絞車、彎曲點(diǎn)、關(guān)鍵工況和惡劣工況的位置分別設(shè)置RFID信號讀取器，讀取并記錄這些位置出現(xiàn)過的RFID標(biāo)簽的EPC碼，據(jù)此判斷哪些RFID標(biāo)簽在這些位置出現(xiàn)過、出現(xiàn)了多久、往復(fù)了幾次。再通過RFID標(biāo)簽在纖維繩索中的對應(yīng)位置了解這根纖維繩索中的哪些部位可能受到較大的損傷，哪些部位工作強(qiáng)度較低。最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)室對纖維繩索在這些環(huán)境下的研究數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，合理安排纖維繩索的更換計劃。甚至可以通過絞車收放繩索，將受損較嚴(yán)重的繩索部位移動至工況合適的位置或收回絞車內(nèi)，避免對整根繩索的提前更換，延長其使用壽命。這種應(yīng)用方式要求同時對多個RFID標(biāo)簽進(jìn)行綜合管理，并合理規(guī)劃繩索全程的工作狀況。另一方面，可以根據(jù)RFID標(biāo)簽會因纖維繩索載體的斷裂而損壞失效的特性，遠(yuǎn)程無損地檢測皮芯復(fù)編繩索的內(nèi)芯斷裂情況。當(dāng)繩索內(nèi)芯發(fā)生斷裂而外護(hù)套未斷裂時，當(dāng)前的檢測主要依靠現(xiàn)場檢測人員的經(jīng)驗(yàn)，無法準(zhǔn)確判斷內(nèi)芯的受損程度。而RFID標(biāo)簽在內(nèi)芯斷裂后會喪失信號，可以根據(jù)能否讀取RFID標(biāo)簽EPC碼來確定內(nèi)芯是否斷裂，從而降低對現(xiàn)場檢測人員的要求，提高現(xiàn)場安全程度。

以上僅為根據(jù)本研究的測試結(jié)果總結(jié)出的對RFID技術(shù)應(yīng)用于纖維繩索領(lǐng)域的初步設(shè)想，要想將RFID技術(shù)成熟、安全地實(shí)際應(yīng)用于海洋工程行業(yè)中，仍有非常多的因素有待考量和解決。

3.1 RFID標(biāo)簽的讀寫距離

RFID標(biāo)簽的讀寫距離與RFID標(biāo)簽中的天線大小與形狀直接相關(guān)，并且讀寫距離可能因纖維材料的阻隔而有所降低。本研究中，為使RFID標(biāo)簽更好地與纖維繩索結(jié)合，不直接影響纖維繩索的外觀和力學(xué)性能，選擇了柔性RFID標(biāo)簽，但這同時也犧牲了RFID標(biāo)簽的抗壓強(qiáng)度、讀寫距離等性能。實(shí)際RFID技術(shù)的應(yīng)用過程中，必須考慮到RFID標(biāo)簽的大小、讀寫器的收發(fā)功率及現(xiàn)場布置等多方面因素。

3.2 RFID標(biāo)簽的使用環(huán)境

在海洋工程環(huán)境下，RFID標(biāo)簽的信號在水中大幅衰減，標(biāo)簽還可能受到高濕、高鹽環(huán)境的腐蝕。水流環(huán)境使纖維繩索不僅受到張力，還可能受到彎曲、承壓、拉拉疲勞等影響，這些因素都會影響RFID標(biāo)簽的物理性能。因此需對RFID標(biāo)簽在這些使用環(huán)境下的信號讀取性能和物理性能開展進(jìn)一步的研究。

3.3 信息系統(tǒng)的建立

RFID技術(shù)可以為分段、分部位的纖維繩索全生命周期管理提供技術(shù)基礎(chǔ)，但只有對周邊環(huán)境(如溫濕度、水文條件等)和工作狀態(tài)(如拉伸、卷繞等)進(jìn)行同步收集、分析和共同管理，才能最大化利用這些信息，達(dá)成纖維繩索的全生命周期管理。因此有必要圍繞繩索周邊環(huán)境和工作狀態(tài)兩方面，建立信息系統(tǒng)，借助RFID技術(shù)對繩索進(jìn)行分段、分部位管理，再結(jié)合環(huán)境和工作狀態(tài)信息，綜合評估纖維繩索各部位的使用情況。

4 結(jié)語

本文探討了RFID技術(shù)在纖維繩索上應(yīng)用的可行性，通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證了將柔性RFID標(biāo)簽裝配于皮芯復(fù)編結(jié)構(gòu)纖維繩索上的可行性。研究表明，將柔性RFID標(biāo)簽裝配于皮芯復(fù)編結(jié)構(gòu)的纖維繩索上，不僅不會對纖維繩索的外觀、斷裂強(qiáng)力和伸長率造成影響，還能夠?qū)崿F(xiàn)纖維繩索的分段、分部位管理，同時可以遠(yuǎn)程無損地檢查纖維繩索的內(nèi)芯是否斷裂。就未來進(jìn)一步將RFID技術(shù)成熟、安全地應(yīng)用于纖維繩索領(lǐng)域，尤其是海洋工程行業(yè)用纖維繩索上，本文提出并探討了一些當(dāng)下需考慮和解決的問題。只有結(jié)合實(shí)際情況分析解決這些問題，才能使RFID技術(shù)真正成為纖維繩索全生命周期管理的有效技術(shù)手段之一。