激光強(qiáng)磁鋼絲繩在線探傷系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

韓泰然

1中國(guó)平煤神馬集團(tuán)煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南平頂山 467099

2中國(guó)平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院 河南平頂山 467099

鋼絲繩作為物料搬運(yùn)設(shè)備中的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于采礦和運(yùn)輸作業(yè)，尤其是礦井提升和旅游索道[1]。在鋼絲繩的使用中，其完好程度直接關(guān)系到人員和設(shè)備的安全。近幾十年來(lái)，由于鋼絲繩斷裂事故時(shí)有發(fā)生，使企業(yè)生產(chǎn)和工人安全受到嚴(yán)重威脅[2-3]。

造成鋼絲繩損壞的主要原因是疲勞和磨損。金屬面積突然變化造成鋼絲繩斷絲、斷裂和局部銹蝕，稱為“局部損壞”，而大面積的腐蝕和磨損造成金屬面積的“較均勻”的變化，稱為截面損失。因?yàn)椤熬植繐p害”和“截面損失”不同，它們的檢測(cè)方法也不同[4-5]。鐵磁鋼絲繩的早期檢測(cè)方法包括眼觀察、手觸和卡尺測(cè)量。20 世紀(jì) 90 年代，便攜式鋼絲繩探傷測(cè)器的出現(xiàn)逐漸取代了人工檢測(cè)，檢測(cè)效率明顯提高。隨后弱磁探傷儀進(jìn)入市場(chǎng)，但弱磁探傷儀信號(hào)弱、穩(wěn)定性以及抗干擾能力差，對(duì)鋼絲繩斷絲與截面積的磨損檢測(cè)往往達(dá)不到應(yīng)有效果。

礦山企業(yè)每年更換鋼絲繩的成本較高，而浪費(fèi)鋼絲繩的現(xiàn)象十分嚴(yán)重。研究表明，若能加強(qiáng)鋼絲繩狀態(tài)檢測(cè)和適時(shí)報(bào)廢，每年至少可節(jié)省 12%～ 30% 的鋼絲繩消耗[6]。因此，研制先進(jìn)的鋼絲繩無(wú)損探傷檢測(cè)儀器是非常必要的。

1 系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)組成

檢測(cè)設(shè)備主要由檢測(cè)主機(jī)、信息分析站、數(shù)據(jù)采集處理器和計(jì)算機(jī)分析處理軟件 4 個(gè)部分組成。檢測(cè)主機(jī)主要包括磁通量泄漏檢測(cè)與永磁干擾檢測(cè)相結(jié)合的復(fù)合檢測(cè)探頭及輔助系統(tǒng)、激光及輔助系統(tǒng)，缺陷及經(jīng)傳導(dǎo)獲取的損傷信息通過(guò)數(shù)據(jù)處理技術(shù)處理。信息分析站對(duì)缺陷鋼絲繩進(jìn)行直徑自動(dòng)掃描、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，最終輸入計(jì)算機(jī)，通過(guò)分析軟件進(jìn)行后處理分析，并進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、打印和報(bào)警。

1.2 特點(diǎn)

由于檢測(cè)設(shè)備采用了高強(qiáng)度磁性磁化技術(shù)，克服了穩(wěn)定性差、容易被擾動(dòng)等弱點(diǎn)，大大提高了檢測(cè)精度和可靠性。首先，在高強(qiáng)度磁檢測(cè)的基礎(chǔ)上，激光檢測(cè)鋼絲繩直徑收縮，并進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，檢測(cè)速度快，理論上不受鋼絲繩運(yùn)動(dòng)速度的影響；其次，檢測(cè)精度高，達(dá)到微米級(jí)；第三，實(shí)現(xiàn)非接觸式在線檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便，不受油污影響，檢測(cè)精度和可靠性得到有效保證。

與光學(xué)檢測(cè)測(cè)定法相比，該檢測(cè)方法容易受到外界環(huán)境磁場(chǎng)的干擾 (如外界帶磁性的材料)，影響其準(zhǔn)確性，檢測(cè)時(shí)，應(yīng)選擇鋼絲繩運(yùn)行中周圍無(wú)磁性材質(zhì)的一段；不受油污影響；針對(duì)鋼絲繩的工況 (如振動(dòng)、扭曲、斷絲、銹蝕等，該方法受磁場(chǎng)磁通量影響明顯。光學(xué)檢測(cè)測(cè)定法適合鋼絲繩均勻磨損狀況，且對(duì)有油污的鋼絲繩檢測(cè)效果不明顯。

2 技術(shù)指標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)鋼絲繩直徑收縮和斷絲的高精度、高效率、防火和固有安全類型檢測(cè)，提高勞動(dòng)效率和安全效益，需要實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如表 1 所列。

3 技術(shù)路線

采用 2 項(xiàng)研究方法，且每種研究采取兩步法，即先集中研究和實(shí)際應(yīng)用高強(qiáng)度磁性理論和激光探測(cè)技術(shù)，后集中研究和實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)處理。2 項(xiàng)研究同時(shí)進(jìn)行，且各有重點(diǎn)，整個(gè)理論的重點(diǎn)是后期激光探測(cè)標(biāo)定的研究。

以往許多煤礦采用弱磁檢測(cè)設(shè)備試驗(yàn)，但效果不佳，所以研究的第一步是將強(qiáng)磁理論應(yīng)用于實(shí)際檢測(cè)環(huán)節(jié)。結(jié)合實(shí)際工作條件與數(shù)據(jù)記錄相比較，確保早期檢測(cè)精度達(dá)到 80% 以上。

整體技術(shù)路線分為 4 個(gè)方面：①全面構(gòu)建了激光強(qiáng)磁檢測(cè)鋼絲繩斷裂的研究方案；② 根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行理論分析，包括激光的選擇、激光光程設(shè)計(jì)、激光發(fā)射和接收電路、接收信號(hào)處理電路等，以及激光強(qiáng)磁檢測(cè)系統(tǒng)在軟硬件上的集成；③確定激光檢測(cè)鋼絲繩直徑收縮的試驗(yàn)研究方案；④ 在試驗(yàn)研究成功的基礎(chǔ)上試制產(chǎn)品，重點(diǎn)研究激光探測(cè)與高強(qiáng)度磁探測(cè)系統(tǒng)的融合問(wèn)題。技術(shù)路線圖如圖 1 所示。

圖1 樣機(jī)研制路線Fig.1 Prototype development process

4 激光強(qiáng)磁探傷系統(tǒng)原理及分析

4.1 鋼絲繩恒磁激勵(lì)檢測(cè)原理

嚴(yán)格按照能量和材料信息守恒的一般物理規(guī)律，通過(guò)電磁能量激發(fā)得到載體信息，從而對(duì)激發(fā)體的異常波形信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào) (見(jiàn)圖 2)。

圖2 恒磁激勵(lì)信號(hào)機(jī)制Fig.2 Mechanism of constant-intensity magnetic exciting signal

采用最新的局部瞬時(shí)恒磁刺激檢測(cè)鋼絲繩 (無(wú)磁效應(yīng))，激勵(lì)獲得詳細(xì)信息，輸出鋼絲繩損傷狀況，完成使用壽命預(yù)測(cè)和安全性評(píng)估，并實(shí)現(xiàn)了和諧礦井提升系統(tǒng)的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)等安全生產(chǎn)環(huán)境 (定期更換繩索支出除外) 的雙重保險(xiǎn) (見(jiàn)圖 3)。

圖3 鋼絲繩恒磁激勵(lì)檢測(cè)原理Fig.3 Wire rope detection principle by constant-intensity magnetic excitation

傳感器檢測(cè)主要檢測(cè) 2 個(gè)指標(biāo)，LMA (徑向截面損失) 和 LF (局部損傷)。其中 LMA 是通過(guò)檢測(cè)主磁通的變化得到截面磨損的情況；LF 則是通過(guò)檢測(cè)局部漏磁量的變化得到局部損傷的結(jié)果。當(dāng)鋼絲繩通過(guò)探頭時(shí)，探頭中的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)瞬間將鋼絲繩磁化，鋼絲繩截面與磁性感應(yīng)強(qiáng)度成正比；當(dāng)鋼絲繩截面不變時(shí)，探頭接收到的磁場(chǎng)變化不大[7-9]。當(dāng)鋼絲繩斷裂時(shí)，由于截面處的磁泄漏，磁場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)鋼絲繩收縮時(shí)，主磁通量發(fā)生變化。在 2 個(gè)異常狀態(tài)下，探頭收集的磁場(chǎng)信息變化較大，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，成為信號(hào)輸入的來(lái)源 (見(jiàn)圖 4)。

4.2 磁信號(hào)處理部分結(jié)構(gòu)

磁信號(hào)處理過(guò)程如圖 5 所示。上位機(jī)通過(guò) TCP/IP 協(xié)議發(fā)布指令，控制運(yùn)動(dòng)部分，即氣動(dòng)組件動(dòng)作(包括氣缸推動(dòng)小車、探頭伸縮和開(kāi)合動(dòng)作)，使探頭處在與鋼絲繩合適的位置，完成探頭的初始化定位。采集開(kāi)始時(shí)，探頭上的傳感器組采集到磁信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)線交由前置放大器進(jìn)行放大；經(jīng)數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊處理后反饋給上位機(jī)進(jìn)行結(jié)果存儲(chǔ)和顯示，通過(guò)不同編碼器實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前鋼絲繩的位置信息，判斷可能存在缺陷的部位；然后通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理部分完成對(duì)采集信號(hào)的前期比較和打包處理，經(jīng)過(guò)打包處理，模擬信號(hào)被封裝成數(shù)據(jù)包，通過(guò) TCP/IP 協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理部分的結(jié)構(gòu)框架如圖 6 所示。

圖4 有無(wú)缺陷時(shí)鋼絲繩內(nèi)外磁場(chǎng)分布對(duì)比Fig.4 Comparison of internal and external magnetic field of wire rope with flaw and without flaw

圖5 磁信號(hào)處理過(guò)程Fig.5 Magnetic signal processing course

圖6 數(shù)據(jù)預(yù)處理的模塊框架Fig.6 Frame of data pre-processing module

對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行有效的處理，并完成網(wǎng)絡(luò)傳輸，是數(shù)據(jù)預(yù)處理的核心。因此，MCU 對(duì)主要的頻率和網(wǎng)絡(luò)通信功能有著很高的要求。

4.3 激光檢測(cè)鋼絲繩徑縮原理

激光具有均勻性好、相干性好、方向性好、亮度高等重要特點(diǎn)。在鋼絲繩直徑收縮的檢測(cè)中，主要利用激光單色率和指向性。普通光源發(fā)射的光子頻率不同，因此含有多種顏色。激光發(fā)射相同頻率的光子，因此激光是最好的單色光源。激光束的散射角很小，幾乎是平行的光線[10-11]。利用激光的這 2 種特性來(lái)檢測(cè)鋼絲繩直徑，在接收端設(shè)有光敏電阻接收電路，檢測(cè)到的鋼絲直徑收縮變化就是光通量的變化，然后通過(guò)光敏電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，即通過(guò)一次信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，檢測(cè)信號(hào)進(jìn)入下一級(jí)電路 (信號(hào)處理電路)，信號(hào)檢測(cè)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

5 關(guān)鍵技術(shù)

該檢測(cè)方案結(jié)合了高強(qiáng)度磁檢測(cè)和激光檢測(cè)鋼絲繩直徑變化的理論[12-13]。采用高強(qiáng)度的磁檢方法找出磁信號(hào)變化較大的部件，即存在斷絲可能性較大的部位。同時(shí)，采用激光檢測(cè)的方法測(cè)量鋼絲繩直徑的變化，從而全面獲得鋼絲繩的使用狀態(tài)。這 2 種方法互為補(bǔ)充。整體檢測(cè)流程如圖 7 所示。

圖7 檢測(cè)流程Fig.7 Detection process

(1) 高強(qiáng)度磁性缺陷檢測(cè)通過(guò)磁信號(hào)的變化檢測(cè)鋼絲繩的 2 個(gè)主要指標(biāo)：LMA (直徑收縮) 和 IF (斷絲)[13-14]。由于不需要人工干預(yù)，節(jié)省了人力，提高了檢測(cè)效率。此外，它還反映了繩索內(nèi)部磁性信號(hào)的變化。

(2) 通過(guò)鋼絲繩對(duì)激光的屏蔽，實(shí)現(xiàn)鋼絲繩直徑收縮由光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換[15]。首先用前置放大器對(duì)得到的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，然后用信號(hào)處理電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序處理，從而得到導(dǎo)線的直徑縮小值。通過(guò)程序可以調(diào)整檢測(cè)位置點(diǎn)，從而得到不同位置點(diǎn)的直徑，并以曲線變化的視覺(jué)形式顯示在顯示器上。通過(guò)軟件對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并給出分析報(bào)告，如遇特殊情況，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

(3) 結(jié)合這 2 種方法，既能節(jié)省人工檢查的工作量，又能避免人為因素的干擾，是目前較為理想的檢測(cè)方法。

(4) 在現(xiàn)場(chǎng)觀察、理論分析和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)激光強(qiáng)磁鋼絲繩試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，然后按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)，激光光路設(shè)計(jì)為封閉結(jié)構(gòu)，避免了外界光線的干擾。

(5) 軟件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮如何將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的觀測(cè)值，還應(yīng)注意系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的接口設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程測(cè)控。

6 工程實(shí)例

平煤股份十三礦副井提升繩長(zhǎng)為 776 m，2 人以0.2 m/s 速度檢測(cè)一根繩的時(shí)間需要 1 h 以上，需 8 人同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。用鋼絲繩在線自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)按 0.5～ 2.0 m/s 速度檢測(cè)，加上操作、判斷、出報(bào)表，大約10 min 即可將 4 根繩檢測(cè)完畢。檢繩不留死角，同時(shí)影像隨時(shí)可以回放供檢測(cè)人員查找斷絲及麻坑。人工目視檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)時(shí)眼睛過(guò)累會(huì)出現(xiàn)重影且不能在鋼絲繩移動(dòng)中目視 360°的缺陷。該井每小時(shí)提升原煤 675 t，按每噸 450 元計(jì)算，每次檢繩節(jié)約的時(shí)間可增加效益約 30 萬(wàn)元，不僅帶來(lái)很好的安全效益，而且?guī)?lái)了較大的經(jīng)濟(jì)效益。鋼絲繩使用時(shí)間由平均18 個(gè)月延長(zhǎng)至約 24 個(gè)月，該礦主井 4 根繩每次換繩和人工費(fèi)約 140 萬(wàn)元，該井按照 20 a 的采煤期，每年可直接增加經(jīng)濟(jì)效益約 300 余萬(wàn)元。

7 創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 激光探測(cè)鋼絲繩直徑可獲得較高的精度，并大大提高探測(cè)效率，探測(cè)誤差小于 1%。改進(jìn)現(xiàn)有的高強(qiáng)度磁場(chǎng)檢測(cè)鋼絲繩絲技術(shù)，提高了檢測(cè)精度。

(2) 棄用了鋼絲繩檢測(cè)中常用的光電旋轉(zhuǎn)編碼器定位技術(shù)，并采用激光脈沖計(jì)數(shù)定位技術(shù)，將徑縮與斷絲位置定位誤差由原來(lái)的最大幾十米縮小到幾分米。

8 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前多種檢測(cè)鋼絲繩技術(shù)自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、檢測(cè)精度低的問(wèn)題，提出了激光強(qiáng)磁鋼絲繩在線探傷技術(shù)的研究，依靠精準(zhǔn)、高效的檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備，及時(shí)獲得鋼絲繩徑縮與斷絲數(shù)據(jù)，依此判斷鋼絲繩是否應(yīng)及時(shí)更換，避免安全事故的發(fā)生，提高了鋼絲繩使用的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

系統(tǒng)投入使用后，完善了現(xiàn)有的安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦用鋼絲繩的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)安全管理，使管理者準(zhǔn)確、及時(shí)掌握安全數(shù)據(jù)，減少?zèng)Q策失誤，顯著提高煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)效率，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。