鋼絲繩無損探傷儀研究

1.引言

鋼絲繩作為煤礦工程提升、起重、運輸設備中的“高度危險構件”，被視為該領域中的“生命線”[1]。由于所處的工況環(huán)境十分惡劣，隨著使用次數(shù)的增加，鋼絲繩在使用過程中會發(fā)生斷絲、磨損甚至驟斷。由于缺少科學可靠的檢測設備，鋼絲繩的使用安全一直是重大設備管理中的“盲點”或“危險源”。目前鋼絲繩檢測大多采用人工檢測或定期更換的方法[2]。

人工檢測大部分情況下僅能處理常見的鋼絲繩折斷、波浪形、籠狀畸形、繩股擠出、鋼絲擠出、繩徑局部變大或縮小、鋼絲繩被壓扁、扭結、彎折等故障，而定期更換造成資源浪費，增加企業(yè)生產成本的同時卻并不能有效確保鋼絲繩的使用安全[3][4]。許多斷繩事故就發(fā)生在換繩之前，甚至有些新繩剛使用就發(fā)生了斷繩事故[5]。上述兩類方法對于處理鋼絲繩內部斷絲、磨損、銹蝕等問題效果不好，尤其是斷絲和金屬截面積損失兩種故障根本無法察覺[6]。

圖1 探傷儀系統(tǒng)框圖

圖2 傳感器磁場設計

圖3 傳感器和定位裝置實物圖

另外，隨著經濟的高速發(fā)展，礦企所用的鋼絲繩數(shù)量及種類越來越多，傳統(tǒng)的定期換繩和人工目測檢查已遠不能滿足現(xiàn)代化礦企生產工作的要求，迫切需要一種高精度、高可靠性的智能化鋼絲繩檢測系統(tǒng)。

本文通過使用電磁檢測技術，針對工礦企業(yè)研制了一款簡單、便攜、可靠的鋼絲繩無損探傷儀，可以有效的實現(xiàn)鋼絲繩LF(局部損失)和LMA(橫截面積損失)故障監(jiān)測，判別鋼絲繩故障性質，定量分析斷絲位置、斷絲數(shù)量以及對磨損性質、磨損位置和磨損程度進行分析。極大地提高了鋼絲繩故障檢測的準確性，確保了鋼絲繩的正?？煽窟\行。

圖4 數(shù)據(jù)采集裝置框圖

圖5 軟件流程圖

2.鋼絲繩無損探傷儀工作原理

鋼絲繩無損探傷儀是利用電磁檢測原理，通過LF檢測法和LMA檢測法來對鋼絲繩故障進行檢測和定量分析的。首先，使用永久磁鐵作為勵磁源，產生一個強大的勵磁磁場，當鋼絲繩通過這一磁場時，磁場將沿鋼絲繩軸向磁化鋼絲繩段，使其達到磁飽和，然后利用霍爾元件檢測鋼絲繩內部磁通量和漏磁場，通過對兩者進行分析，可以確定鋼絲繩剩余橫截面積和斷絲的情況，進而可以確定鋼絲繩的故障情況，從而達到鋼絲繩無損檢測的目的。

3.無損探傷儀硬件設計

本文設計的鋼絲繩無損探傷儀主要由探傷傳感器、鋼絲繩故障定位裝置、數(shù)據(jù)采集傳輸報警裝置組成，如圖1所示。探傷傳感器檢測磁場信號，轉換成電壓信號輸出后經過放大、濾波等處理后由數(shù)據(jù)采集傳輸報警裝置采集和處理，從而定量檢測鋼絲繩中的斷絲和磨損狀況，根據(jù)安全規(guī)程的要求評估鋼絲繩的安全性和剩余使用壽命。鋼絲繩運行的位置由光電編碼器編碼后進入數(shù)據(jù)采集傳輸報警裝置，通過計算處理后得到精確位置，從而可以記錄故障點的位置。數(shù)據(jù)采集傳輸報警裝 置提供的以太網口也可以把數(shù)據(jù)上傳至計算機進行處理。

3.1 傳感器設計

傳感器部分采用釹鐵硼作為磁化元件，其磁鐵位置設計和磁場情況如圖2所示。設計既保證磁場強度又減輕了傳感器探頭的重量，增強了檢測儀的易用性和便攜性。

考慮到功能實現(xiàn)和攜帶方便性，傳感器和定位裝置設計為一體化結構，設計實物圖如圖3所示。整個探傷儀外側為低導磁率的鑄鐵結構，可以隔離磁場向外泄露，中間部分是永久磁鐵和霍爾元件，永久磁鐵形成均勻磁場，沿軸向磁化鋼絲繩段，霍爾元件檢測磁場信號。內側為幾乎完全導磁的銅套，保護中間的永久磁鐵和霍爾元件不受磨損。外側鑄鐵和內側銅套，很好的保證了磁場的穩(wěn)定性。

3.2 數(shù)據(jù)采集裝置設計

在前端傳感器把采集到的磁場信號轉成電壓信號以后，傳輸給數(shù)據(jù)采集報警裝置進行處理。數(shù)據(jù)采集傳輸報警裝置是探傷儀的核心部分，其原理框圖如圖4所示。

數(shù)據(jù)采集報警裝置核心處理器采用基于ARM-Cortex M0內核的LPC1768芯片，外圍設計有USB口，以太網口和RS485接口，以及擴展的存儲FLASH設備。前端傳感器信號經過信號濾波、放大后進入處理器進行A/D轉換，采集裝置以脈沖編碼器的輸出脈沖信號作為CPU對探傷傳感器進行采樣的觸發(fā)信號，在采集數(shù)據(jù)的同時對數(shù)據(jù)進行實時分析處理，當分析發(fā)現(xiàn)故障信號時立即給出故障的類型、故障程度以及所處位置等信息，并且將所有檢測信息存入計算機，實現(xiàn)了鋼絲繩的實時在線探傷監(jiān)測。

4.無損探傷儀軟件設計

探傷儀軟件部分主要是數(shù)據(jù)采集傳輸報警裝置的軟件設計。為了實現(xiàn)鋼絲繩故障的實時在線分析，底層的嵌入式軟件采用了KEIL MDK開發(fā)平臺，采用C語言進行開發(fā)，由于數(shù)據(jù)采集裝置的硬件接口較多，為了增加可靠性和降低軟件開發(fā)的難度，軟件采用ucos2操作系統(tǒng)平臺。程序的任務設計和流程圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)采集傳輸報警裝置軟件設計以ucos2為操作系統(tǒng)平臺，采用模塊化設計，通過優(yōu)化的任務優(yōu)先級設計，即可以保證處理器資源的有效利用，又保證了系統(tǒng)的實時性，從而可以很好的實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

5.無損探傷儀性能特點

經過測試和分析，本文所設計的鋼絲繩無損探傷儀的性能特點為：

采用稀土釹鐵硼永久磁鐵作為勵磁源；

檢測信號的抗干擾能力強，檢測結果穩(wěn)定可靠；

檢測時鋼絲繩的最大速度：10m/s；

最佳使用速度0. 5 m/s～3 m/s；

故障檢測定位誤差：±0.3%；

LMA金屬截面積損失檢測精確度：±0.05%；

LMA金屬截面積損失檢測不確定度：±0.2%；

局部 缺陷的定性檢測準確率：98%；

斷絲定性檢測準確率：100%；

斷絲定 量檢測準確率：≥95%；

受測鋼絲繩的直徑最大值：60mm；

檢測設備的特性體積小、重量輕、現(xiàn)場 使用方便；

繩徑范圍：20～60mm；探頭重量：約1～15kg；

工作溫度：-10℃～50℃，相對濕度：≤90%RH；

外殼防護等級：IP54。

6.結語

本文設計了一種基于磁通和漏磁檢測原理的便攜式鋼絲繩無損探傷儀，詳細介紹了其檢測原理、硬件設計以及軟件設計方案，并對其性能特點進了介紹，煤礦提升機、井下絞車等現(xiàn)場應用結果表明：該便攜式鋼絲繩無損探傷儀具有使用方便、檢測精度高、對鋼絲繩運動速度不敏感等優(yōu)點，該系統(tǒng)的投入，可以大大提高鋼絲繩運行的安全性，同時減少了不必要的更換，帶來了很好的經濟效益，具有很好的推廣應用前景。

[1]姚小娟.鋼絲繩無損檢測技術的現(xiàn)狀及對經濟發(fā)展的影響[J].現(xiàn)代經濟信息,2012(10):263.

[2]李國勇.鋼絲繩實時在線檢測系統(tǒng)研發(fā)[D].北京郵電大學,2010.

[3]丁鈺灃.基于電磁檢測法的鋼絲繩檢測研究[D].北京郵電大學,2011.

[4]武新軍,王峻峰,楊叔子.鋼絲繩無損檢測技術的研究現(xiàn)狀[J].煤炭科學技術,2000(11):22-24,49.

[5]賈社民,王治庭,石清印.在役鋼絲繩無損檢測[J].礦山機械,1999(06):39-40.

[6]鐘小勇,張小紅.礦用鋼絲繩探傷傳感器的優(yōu)化設計[J].煤礦機械,2012(08):7-9.