煤礦鋼絲繩在線無損檢測平臺的模擬設(shè)計及實驗研究

田 劼，朱樸凡，孟國營，宋 姍，胡耀松

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

在礦山生產(chǎn)中，鋼絲繩處于不可或缺的地位，并且由于工作環(huán)境的多樣性與特殊性，其安全性能備受各方關(guān)注，鋼絲繩在線無損探傷技術(shù)及其配套設(shè)備的設(shè)計研究也就處于十分重要的地位[1，2]。國外開發(fā)的鋼絲繩無損探傷原理及其配套實驗平臺有英國Taylor和Caesy的聲發(fā)射檢測、德國威斯特伐利亞采礦聯(lián)合會運輸工程和材料技術(shù)研究所的光學(xué)檢測、美國Kwun和Burkhardt的振動檢測、日本的超聲波檢測等，但是在國內(nèi)卻缺乏可靠的探傷技術(shù)與配套設(shè)備。目前公認最為有效的方法是電磁檢測法，特別是基于霍爾元件的聚磁檢測[3，4]。目前國內(nèi)對其開發(fā)的相應(yīng)的實驗平臺有北京工業(yè)大學(xué)設(shè)計的鋼絲繩故障檢測平臺，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、易于操作；百克特公司開發(fā)的礦用鋼絲繩無損檢測實驗臺，該平臺結(jié)構(gòu)簡單、低速運轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)性較好。

為使設(shè)計方案能夠滿足設(shè)計要求，本文通過利用ADAMS運動學(xué)仿真模塊對多個設(shè)計方案模擬多種實際工作環(huán)境進行運動學(xué)仿真，從而得到一系列速度、力矩等實時變化數(shù)據(jù)，對方案本身及其仿真數(shù)據(jù)進行后期綜合對比分析，并進行一系列改進，在保證實驗平臺的穩(wěn)定性、準確性、適應(yīng)性的前提下，進一步優(yōu)化整體平臺，使其具備更好的操作性與適用性。

1 礦用鋼絲繩在線無損探傷實驗臺設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

無損探傷實驗采用徑向多回路勵磁檢測法，通過永磁體對工作狀態(tài)下的鋼絲繩進行磁化，之后通過檢測元件實時檢測鋼絲繩磁場變化，繼而分辨鋼絲繩的損傷類型與損傷程度[5-8]。為保證實驗?zāi)軌蜉^為真實的模擬實際鋼絲繩工作環(huán)境，并且能夠提供較高的穩(wěn)定性與適用性，提出以下三點設(shè)計要求：

1)尺寸要求：長度不超過3600mm，高度大約1800mm，寬度不超過1500mm。

2)穩(wěn)定性要求：為保證能夠較為真實的模擬實際礦用鋼絲繩工作環(huán)境，要求鋼絲繩能夠張緊并且平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

3)速度可調(diào)要求：鋼絲繩運轉(zhuǎn)速度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為0～10m/s。

1.2 鋼絲繩探傷實驗臺設(shè)計

對鋼絲繩探傷實驗臺進行初步設(shè)計如圖1所示。

圖1 初步設(shè)計方案

分析初步設(shè)計方案，總結(jié)其特點：①簡化了構(gòu)件數(shù)量，便于安裝使用；②保證了機輪處與鋼絲繩之間有較大包角，提高了可靠性與穩(wěn)定性；③進一步簡化了張緊裝置，使安裝固定更加方便簡單；④底部滑輪與機輪距離較大，實驗可能出現(xiàn)抖動，影響實驗精度；⑤探傷儀擺放位置單一，檢測位置單一，探傷實驗數(shù)據(jù)不夠全面。

針對初步設(shè)計方案特點提出鋼絲繩探傷實驗臺改進設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 改進設(shè)計方案

整體機架采用鋁合金材料制造加工，機輪、滑輪和輪軸均采用鋼材料，選用三相異步電動機配合調(diào)速器作為動力源，整體長度確定為3600mm、高度1800mm、寬度1300mm，機輪直徑500mm，滑輪直徑300mm，厚度均為80mm，進一步完善了其適應(yīng)性、穩(wěn)定性和準確性，有以下優(yōu)點：①進一步簡化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將張緊輪減少至一個，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)軌實現(xiàn)張緊；②創(chuàng)新式的加入三個探傷平臺，可以模擬多種探傷工況：水平探傷、豎直探傷和傾斜探傷(水平無極牽引、豎井提升和斜井提升等實際工作場合)[9，10]；③底部增添鋼制底座，加強實驗過程的穩(wěn)定性。

2 仿真及數(shù)據(jù)分析

2.1 Adams軟件仿真

探傷實驗是通過電機帶動機輪轉(zhuǎn)動，繼而使得鋼絲繩以一定的速度運轉(zhuǎn)，然后通過位于探傷平臺上的探傷儀完成檢測工作。由于要求能夠獲得多種隨著實驗進行不斷變化的實時參數(shù)(不同段速度、受力和扭矩等)，并且要對各個實時參數(shù)進行橫向?qū)Ρ群途C合分析對比，普通力學(xué)仿真分析所得到的數(shù)據(jù)無法滿足需求，所以選取偏向于運動學(xué)分析的Adams軟件進行仿真分析。

通過SolidWorks軟件建模后導(dǎo)入Adams軟件仿真[11-13]。導(dǎo)入后通過添加繩索模塊模擬鋼絲繩纏繞狀態(tài)(鋼絲繩選取6×19，直徑30mm的礦用鋼絲繩)，根據(jù)實際狀況設(shè)置滑輪與鋼絲繩接觸面參數(shù)以及附加鋼制材料實際參數(shù)(楊氏模量206GPa、泊松比0.31、密度7.85g/m3)，設(shè)置機架底面與地面的固定副聯(lián)接、添加各個構(gòu)件之間實際連接狀態(tài)(螺絲螺母固定、三腳架固定等)以及附加鋁合金材料實際參數(shù)(楊氏模量72GPa、泊松比0.33、密度2.81g/m3)，對鋼絲繩施加100N的初始負載模擬鋼絲繩張緊工作狀態(tài)，并施加標(biāo)準重力9.8m/s2模擬真實工作環(huán)境，最后在機輪軸處添加2293d/min(鋼絲繩運轉(zhuǎn)速度10m/s)的轉(zhuǎn)動動力進行5s模擬仿真[14，15]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)前期分析對比，對初步方案和改進方案進行仿真數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，并對其結(jié)果進行處理分析[16-20]。

2.2.1 初步方案仿真數(shù)據(jù)處理

由于在機輪與滑輪的轉(zhuǎn)動過程中主要受力點在于各個輪軸上，所以對于受力主要分析輪軸點的實時受力變化如圖3所示；鋼絲繩間的實時受力變化如圖4所示；機輪處所受實時扭矩變化如圖5所示。

圖3 初步方案輪軸受力

鋼絲繩初始受力均為附加的張緊力100N，在0.1s時一號減小至2.8009N、二號減小至37.0452N、三號減小至71.4427N、四號增加至105.8412N、五號增加至140.0905N、六號增加至174.4253N；0.1—0.8s基本保持不變；在2.3s時回歸穩(wěn)態(tài)100.002N。機輪軸處附加2293d/min轉(zhuǎn)動動力，輪軸受力數(shù)據(jù)處理見表1。

圖4 初步方案鋼絲繩受力

圖5 初步方案主軸扭矩

表1 初步方案輪軸受力數(shù)據(jù)

2.2.2 改進方案仿真數(shù)據(jù)處理

改進方案主軸處的實時受力變化如圖6所示；鋼絲繩間的實時受力變化如圖7所示；機輪處所受實時扭矩變化如圖8所示。

圖6 改進方案輪軸受力

圖7 改進方案鋼絲繩受力

鋼絲繩初始受力均為附加的張緊力100N，在0.1s時一號減小至6.8943N、二號減小至25.2357N、三號減小至66.9352N、四號增加至190.8188N、五號增加至314.665N；0.1—0.5s時基本維持不變；0.5—1.4s逐漸回歸穩(wěn)態(tài)；在1.7s時到達穩(wěn)態(tài)100.001N。機輪軸處附加2293d/min轉(zhuǎn)動動力，輪軸受力數(shù)據(jù)處理見表2。

表2 改進方案輪軸受力數(shù)據(jù)

圖8 改進方案主軸扭矩

在調(diào)節(jié)張緊力的過程中鋼絲繩與機輪的包角可以始終保持在200°左右、與一號滑輪包角在100°左右、與二號滑輪包角在90°左右、與三號滑輪包角在100°左右、與四號滑輪包角在180°左右，可以保證在傳動過程中不會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

3 方案對比與數(shù)據(jù)分析

3.1 方案對比

從受力、扭矩等方面對初步方案與改進方案的仿真數(shù)據(jù)進行對比：

1)輪軸受力：初步方案中各個輪軸受力變化不論增大還是減小均為突變，而且從初始到穩(wěn)態(tài)的時間較長。相比初步方案，改進方案輪軸受力變化大部分為漸變，并且從初始到穩(wěn)態(tài)的時間較短。

2)鋼絲繩受力：相比初步方案，改進方案大部分受力變化較為緩和。

3)主軸扭矩：由于動力源于機輪主軸，所以主軸受扭矩影響較大。初步方案主軸扭矩變化頻繁、抖動幅度較大、抖動時間持續(xù)整個仿真過程，并且隨著仿真時間增加，抖動幅度也越來越大。改進方案中機輪主軸整體所受扭矩較為穩(wěn)定，僅在0.5—1.4s處發(fā)生較大變化并迅速恢復(fù)平穩(wěn)。

4)對于初步方案的第一段鋼絲繩受力來說，變化階段最小拉力處僅為2.8009N，拉力過小有可能導(dǎo)致第一段鋼絲繩在這段時間內(nèi)過于松弛，使得鋼絲繩在實驗中容易出現(xiàn)抖動不穩(wěn)定。

綜上所述，通過受力、扭矩等參數(shù)對比分析發(fā)現(xiàn)：相比初步方案，改進方案受力均勻、受力變化幅度較小、所受扭矩較為穩(wěn)定，有利于輪軸壽命和實驗臺的穩(wěn)定性與準確性。

3.2 改進方案數(shù)據(jù)分析

根據(jù)模擬仿真所得數(shù)據(jù)，各輪軸和各段鋼絲繩均在前期均出現(xiàn)不同的變化，并且變化時間與機輪速度變化時間相對應(yīng)，是因為在轉(zhuǎn)動初始，由于機輪、滑輪和鋼絲繩之間的速度差較大，機輪、滑輪與鋼絲繩之間的摩擦力就會逐漸增大，輪軸受扭矩逐漸增大；當(dāng)鋼絲繩達到一定速度之后，機輪、滑輪與鋼絲繩之間的摩擦力便會逐漸減小，并且輪軸扭矩也會逐漸減小；當(dāng)鋼絲繩到達穩(wěn)態(tài)速度時，機輪、滑輪與鋼絲繩速度基本持平，摩擦力接近零，輪軸受力到達穩(wěn)態(tài)，扭矩變化也接近平穩(wěn)。對于二號輪軸和三號輪軸來說，之所以會產(chǎn)生小幅震動，是因為二號輪軸和三號輪軸距離動力源較遠，受到來自相鄰滑輪傳遞的力的變化較小，所以出現(xiàn)小幅震動并且最終在相同的時間到達穩(wěn)態(tài)。

對仿真各段鋼絲繩受力情況進行分析，當(dāng)機輪順時針轉(zhuǎn)動時，對于一號繩左端相當(dāng)于減少張緊力，所以受力減小；對于二號繩在上端放松張緊力，在下端受到拉力，但是由于位置原因，上端對其受力影響較大，所以受力減小，且幅度比一號繩?。粚τ谌柪K在右端放松張緊力，在左端受拉力，但右端對其受力影響較大，所以受力減小，且幅度比二號繩??；對于四號繩在上端受拉力，在下端放松張緊力，但上端對其受力影響較大，所以受力增大；對于五號繩左端靠近機輪，相當(dāng)于增加拉力，所以受力增大，并且幅度比四號繩大。

4 實驗臺搭建與實驗結(jié)果

根據(jù)改進方案進行鋼絲繩無損探傷實驗臺實物搭建，連接處采用三角鐵與螺母配合固定，為便于安裝搭建，均采用標(biāo)準件安裝，搭建完成后進行一系列探傷實驗考察實驗過程的實際情況。如圖9所示。

圖9 無損探傷實驗臺

通過調(diào)節(jié)四號滑輪施加張緊力，啟動電機，鋼絲繩無打滑現(xiàn)象，運轉(zhuǎn)正常，達到穩(wěn)定探傷實驗速度時，實驗臺各部分受力較為穩(wěn)定，整體運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無明顯抖動、變形等不適用情況，鋼絲繩在水平段上下抖動誤差約2mm左右，在垂直段上下抖動誤差約2mm左右，在傾斜段上下抖動誤差約5mm左右，探傷儀輸送信號穩(wěn)定正常，輸送波形平穩(wěn)連續(xù)，達到實驗精度需求。

在鋼絲繩定點處加工一斷絲損傷，缺口長度約15mm、寬約5mm、深度約7mm、斷絲約7根，并且為模擬真實工作環(huán)境，在鋼絲繩上人為添加了煤屑、鐵屑、油污等雜質(zhì)，在水平段搭建探傷儀進行探傷實驗，并通過示波器進行初步數(shù)據(jù)樣本采集。

為避免由損傷位置以及其他噪音干擾造成的誤差影響實驗結(jié)論，故在鋼絲繩上下設(shè)置兩處檢測點，同時對斷絲處進行探傷，所得數(shù)據(jù)可在示波器上顯示。

對實驗數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，正常段鋼絲繩運轉(zhuǎn)過程中，示波器電壓值變化較小，示波器顯示波形較為平穩(wěn)，數(shù)值基本維持不變，電壓波形出現(xiàn)一定諧波，并且成周期性變化，數(shù)值基本維持不變。當(dāng)探傷儀檢測到損傷段時，電壓值出現(xiàn)驟變，變化幅度接近1V，電壓波形也出現(xiàn)抖動，諧波同樣成周期性變化。

綜合分析所得數(shù)據(jù)，在正常段探傷過程中電壓值出現(xiàn)小幅變化主要原因有：①鋼絲繩運轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)不可避免的小幅抖動；②鋼絲繩本身在制造過程中無法保證每單位鋼絲繩能夠完全相同；③在鋼絲繩上所添加的導(dǎo)磁金屬雜屑會引入一定噪音。

在損傷段，探頭檢測伏值發(fā)生突變，雙通路探傷時，兩探頭也在同一定點發(fā)生伏值突變，這是由于鋼絲繩結(jié)構(gòu)受損，在損傷處產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，通過霍爾元件引起電壓值驟變。雙通路檢測時兩探頭伏值變化之所以有差異，是應(yīng)為兩攤頭與損傷點的相對位置不同，故而所測磁場強度不同造成的。在實驗過程中所產(chǎn)生的諧波應(yīng)來源于實驗過程中所用恒流源、電路元件等，故而成周期性變化。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計加工的礦用鋼絲繩在線無損檢測平臺能夠提供較為穩(wěn)定的探傷實驗工作環(huán)境，能夠較為全面的模擬模擬礦用鋼絲繩真實工作環(huán)境，實驗所得數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確，并得出以下結(jié)論：

1)設(shè)計方案在初始時受力、速度、扭矩等參數(shù)變化較為頻繁，但是變化幅度不大，在2s之內(nèi)便會回歸基本穩(wěn)態(tài)，之后基本維持平穩(wěn)。

2)機輪與一號滑輪之間距離較遠，第一段鋼絲繩的長度較長，在轉(zhuǎn)動初始時第一段鋼絲繩所受張緊力較小，為不影響實驗的穩(wěn)定性與準確性，在實驗前施加的張緊力不應(yīng)過小。

3)改進方案結(jié)構(gòu)簡單，安裝、固定、使用方便有效，擁有較高的穩(wěn)定性與全面性，改進了現(xiàn)已開發(fā)實驗平臺的模擬實際探傷狀況單一、不適應(yīng)高速運轉(zhuǎn)等缺陷。

4)探傷實驗過程中，示波器顯示波形較為平穩(wěn)，能夠準確檢測出損傷段波形變化，重復(fù)實驗所得實驗結(jié)果接近相同，外部引入噪音影響較小。