基于金屬磁記憶檢測鋼絲繩缺陷的裝置應(yīng)用研究

王 銳

（山西潞安檢測檢驗中心有限責(zé)任公司， 山西 長治 046204）

引言

鋼絲繩是礦井提升機、運輸帶等機構(gòu)的重要部件，主要承受載荷作用的拉應(yīng)力，通過不同截面細(xì)微鋼絲的組成形式不同分為多種類型，以適用于煤礦生產(chǎn)的高速傳輸物料工況。鋼絲繩主要損傷形式為斷絲。如果不立即進行處置，容易造成安全生產(chǎn)事故的發(fā)生[1]。鋼絲繩斷繩是由于長期以來反復(fù)循環(huán)的載荷作用出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，如果斷絲未能及時處置，有可能造成斷繩事故。目前常采用將鋼絲繩磁化后進行漏磁檢測，該類檢測技術(shù)的檢測結(jié)果誤差較大，而金屬磁記憶檢測技術(shù)可以避免漏磁檢測技術(shù)上的短板。由于金屬磁記憶檢測技術(shù)輸出信號較弱，為確保數(shù)據(jù)輸出的準(zhǔn)確性，設(shè)計出可靠的檢測裝置方案尤為重要[2]。裝置系統(tǒng)選取的傳感器、檢測電路應(yīng)符合實際要求且滿足檢測精度要求?？煽窟m用的金屬磁記憶檢測裝置可以推進金屬磁記憶檢測技術(shù)在鋼絲繩缺陷檢測方面的廣泛應(yīng)用，提高檢測效率，及時處置安全隱患，確保煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)[3]。

1 鋼絲繩缺陷的分析

1.1 鋼絲繩結(jié)構(gòu)缺陷

鋼絲繩在作業(yè)過程中會受到各種形式的載荷作用，主要承受拉伸作用力，同時也會受到機器振動載荷、彎曲載荷，在長期工作載荷狀態(tài)下會造成疲勞損傷。由于鋼絲繩是由許多細(xì)微鋼絲黏合而成，細(xì)鋼絲的表面在作用力形成下，會造成細(xì)微裂紋，形成初始裂紋。細(xì)鋼絲在反復(fù)循環(huán)作用力下，會形成塑性變形作用，長時間就會造成裂紋斷裂，細(xì)鋼絲斷裂大多數(shù)情況下出現(xiàn)在表層鋼絲上，如果不及時處理，就會滲透到鋼絲繩內(nèi)部，造成安全隱患，具體結(jié)構(gòu)由圖1所示。

圖1 鋼絲繩組成結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鋼絲繩缺陷的檢測

通過查閱相關(guān)資料，可總結(jié)出鋼絲繩缺陷檢測存在檢測靈敏度較低、容易受到外界信號干擾。通過小波濾波技術(shù)的降噪會造成檢測輸出結(jié)果信噪比低、斷絲位置的辨識能力差、檢測過程容易受到檢測人員技術(shù)水平的影響、檢測成本較高等問題，上述各類檢測問題主要受到鋼絲繩損傷缺陷種類繁多的影響。鋼絲繩損傷類型主要包括磨損破壞、疲勞、扭斷、腐蝕、剪斷和過載破壞。鋼絲繩所面臨的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境會對其造成突發(fā)性的沖擊負(fù)荷，容易造成斷絲破壞，具有較強的隱蔽性，難以第一時間發(fā)現(xiàn)，選用及時高效的檢測技術(shù)尤為重要[4]。

2 金屬磁記憶檢測原理

2.1 檢測機理

針對金屬損傷探測進行金屬磁記憶檢測分析時，分析機理主要來源于金屬磁性物體之間的相互機械作用力，而不涉及其他力學(xué)領(lǐng)域?？赏ㄟ^磁偶極子模型的分析方法對上述問題進行解釋，磁偶極子模型可對鋼絲繩斷絲損傷區(qū)域的信號分布進行快速處理計算[5]。金屬磁記憶解釋模型可以由金屬磁性號變化特征研究的模型進行推理，金屬鐵磁材料信號研究模型如下頁圖2所示。

如圖2所示，金屬磁記憶檢測信號發(fā)生變化的根本原因是金屬晶格變化，磁場強度與應(yīng)力集中位置的改變、材料微觀結(jié)構(gòu)的改變有很大的關(guān)系，鋼絲繩在受到拉伸作用力后產(chǎn)生的拉應(yīng)力會造成金屬原子間的晶格呈倍數(shù)增長，從而導(dǎo)致了金屬磁記憶信號的增加，然而壓應(yīng)力的效果與上述相反。通過上述分析得出了鐵磁材料在長時間反復(fù)循環(huán)作用力下，超過其承受能力后就會產(chǎn)生裂紋。

圖2 金屬鐵磁材料磁信號研究模型

2.2 損傷區(qū)的識別

2.2.1 損傷區(qū)域的識別原理

鐵磁材料的裂紋是在長期載荷作用力下不斷堆積形成，在局部形成了錯位滑移。當(dāng)金屬晶格運動受到限制的時候，形成了應(yīng)力集中區(qū)域，達到材料破壞強度的時候，鐵磁材料將產(chǎn)生裂紋[6]。圖3為鋼絲繩斷絲分布與相應(yīng)的磁荷分布對比圖，可以看出斷絲錯位分布位置與磁荷變化分布位置較為一致，因此金屬磁記憶技術(shù)通過上述原理測檢鋼絲繩表面磁荷變化以判斷是否有斷絲情況發(fā)生。

圖3 斷絲處位錯分布與對應(yīng)的磁荷分布

2.2.2 損傷區(qū)的識別方法

鋼絲繩損傷區(qū)域的識別方法可以分為法向分量法、法向分量梯度法、利薩如圖形法。法向分量法測量過程簡單方便，測量信號數(shù)據(jù)變化明顯，數(shù)據(jù)可靠性較高；法向分量梯度法主要用于科研研究，但該種檢測方法適用于后期的數(shù)據(jù)處理分析上。金屬磁記憶技術(shù)檢測輸出數(shù)據(jù)的法向分量和切向分量合成利薩如圖形，利薩如圖形法通常只在實驗室環(huán)境下使用，在實際應(yīng)用當(dāng)中不多見。上述三種方法都是可用于檢測鋼絲繩損傷程度的方法。

3 檢測裝置的設(shè)計

3.1 測量裝置的設(shè)計

為避免現(xiàn)有漏磁檢測技術(shù)缺陷，設(shè)計出一種不磁化鋼絲繩、抗干擾能力強的檢測傳感裝置并對其檢測電路進行設(shè)計。

金屬磁記憶檢測鐵磁材料的信號會隨著提離值變化而產(chǎn)生變化，通過分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)提離值超過5個單位的時候，各分量的信號有效性將下降。為提高檢測的可靠性，提離值不得超過5個，設(shè)計出陣列傳感器采用平衡差動的方式對鋼絲繩斷絲缺陷檢測的示意圖如圖4所示，陣列傳感器周向排列為2×6個HMC1021Z。

圖4 差分傳感器裝置三維圖

3.2 測量電路的設(shè)計

3.2.1 傳感器節(jié)點

如圖5所示為鋼絲繩測量信號從輸入到輸出的整個過程圖，每一個模塊節(jié)點均使用了HMC1021Z弱磁傳感器，提高整個電路的抗干擾特性，組成了傳感器信息采集的電路。最終傳感器將采集到的信號輸入至控制芯片MCU進行圖像顯示。

圖5 采集過程的節(jié)點框圖

3.2.2 放大、濾波電路

金屬磁記憶信號受地磁場及外界干擾較小，可通常以數(shù)據(jù)的法向分量對鋼絲繩的損傷情況進行判斷。傳感器輸出電壓存在正壓和負(fù)壓，應(yīng)選用AC特性較好的運算放大器并設(shè)計出傳感器電路圖，如下頁圖6所示。

為了得到輸出信號明顯的波形變化，使檢測人員方便觀察波形幅值程度，應(yīng)設(shè)計出濾波電路。通過對常用濾波電路Sallen-Key二階濾波器、普通的二階濾波器、二階壓控低通濾波電路進行對比分析，分析因素包括品質(zhì)因素、截止頻率、放大倍數(shù)。最終選取了二階壓控低通濾波電路，該電路由RC濾波電路和壓控電壓源電路組成，該電路有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點，適用于金屬磁記憶檢測技術(shù)對鋼絲繩缺陷檢測的電路當(dāng)中。

3.2.3 傳感器差分方式

為確保檢測結(jié)果的精確性，消除外界干擾，最重要的手段是采用差分的方式。一般鋼絲繩為標(biāo)準(zhǔn)6股，沿鋼絲繩母線方向設(shè)置兩個磁阻傳感器進行測量。為消除工作電磁干擾并降低兩個傳感器之間的相互影響，兩個差分傳感器之間的間距應(yīng)由股數(shù)確定。例如6股鋼絲繩的間距應(yīng)設(shè)為（n+6）/6個鋼絲繩捻距（為了控制間距，n取值0～4）。傳感器列陣結(jié)構(gòu)可以對外界的磁場干擾進行消除，保障檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 傳感器電路圖

4 試驗結(jié)果分析

依照前文對金屬磁記憶檢測裝置的設(shè)計，開展現(xiàn)場的鋼絲繩缺陷檢測，采用HMC1021Z弱磁傳感器與AVR單片機聯(lián)合組成檢測模塊，檢測信號輸出曲線圖如圖7所示，其中檢測點40～60之間的磁場信號幅度達到7 000 A/m2以上，說明該處檢測點出現(xiàn)了斷絲缺陷情況。檢測結(jié)果與現(xiàn)場查勘鋼絲繩損傷位置相符，表明金屬磁記憶檢測技術(shù)滿足對鋼絲繩的缺陷檢測工作要求，檢測結(jié)果準(zhǔn)確性高，可直接用于鋼絲繩的缺陷檢測工作中。

圖7 磁記憶信號曲線圖