豐峪礦架空乘人裝置鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)研究

高文軍

（霍州煤電集團豐峪煤業(yè)有限責任公司，山西 霍州031400）

架空人車可顯著降低作業(yè)人員到達作業(yè)點耗時，是礦井常用的一種行人運輸工具[1]。鋼絲繩作為架空人車的關(guān)鍵組件之一，長期處于潮濕環(huán)境中，表面容易被銹蝕，同時鋼絲繩長時間使用容易出現(xiàn)由于斷絲、磨耗等問題，當鋼絲繩斷絲到一定程度時若未能及時更換勢必會給架空人員運輸安全帶來威脅[2]。采用人工檢測方式不僅作業(yè)強度大而且缺陷發(fā)現(xiàn)率降低，采用常規(guī)的無損檢測方式也存在靈敏度、精準度受鋼絲繩抖動影響大、無法對固定抱索器位置鋼絲繩進行探測等問題[3]。因此，文中在根據(jù)以往研究成果[4～6]，結(jié)合磁平衡原理、股波定位方法設(shè)計一種鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需拆卸抱索器即可實現(xiàn)對鋼絲繩缺陷檢測，同時不受鋼絲繩運行速度影響，具有較強的實用價值。

1 探測系統(tǒng)探測原理

1.1 損失探測原理

架空撤人裝置鋼絲繩是多條鋼絲繩螺旋捻成股、多股螺旋捻成繩，鋼絲繩使用中會斷股、斷絲以及銹蝕等問題，給鋼絲繩使用安全帶來一定不利影響[7]。鋼絲繩出現(xiàn)斷股、斷絲以及銹蝕等問題均會導致磁阻改變，文中提出的鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)正是通過測定鋼絲繩磁阻變化來判定缺陷位置以及類型[8]。具體采用傳感器檢測采用的磁平衡原理見圖1，通電后A、B 線圈產(chǎn)生大小相等方向相反的磁力線，中間位置的檢測線圈無論鋼絲繩處于運移或波動電動勢均為0。處于完好狀態(tài)的鋼絲繩通過檢測裝置位置時，傳感器不會發(fā)出檢測信號；當鋼絲繩存在銹蝕、斷股、斷絲等缺陷時，鋼絲繩導磁性發(fā)生改變，從而使得A 或者B 線圈位置磁通量發(fā)生變化，原有的磁通量平衡狀態(tài)被打破，使得檢測線圈有一定的電動勢能輸出，發(fā)出檢測信號。由于檢測裝置通過磁平衡原理檢測鋼絲繩是否出現(xiàn)損傷，具備較高的靈敏度。檢測信號通過差分放大器、A/D 轉(zhuǎn)換模塊與微處理器連接，檢測結(jié)果不會受到鋼絲繩運移速度、傳感器輸出信號大小影響。

圖1 傳感器檢測原理

1.2 缺陷定位原理

文中提出采用股波定位法對運移中的鋼絲繩缺陷位置進行定位，鋼絲繩鄰近的股峰間距D 為一定值，鋼絲繩相對于速度傳感器運移時，傳感器探測鋼絲繩股峰會發(fā)出脈沖信號。如圖2 所示，股峰I、III 經(jīng)過速度傳感器時傳感器會發(fā)出脈沖信號，股谷II 通過傳感器時不發(fā)出脈沖信號。股峰I、III 通過傳感器時發(fā)出的脈沖信號時間間隔為T，由于可獲取鋼絲繩在此時間段的運行速度V，即為：

鋼絲繩運移距離S為：

式中：N為脈沖數(shù)。

圖2 鋼絲繩股峰、股谷示意圖

2 探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)見圖3，其中上位機由KWGK-1 工控機、KJJ200 傳輸接口構(gòu)成；下位機由KJ899-F 本安型分站以及GSC50 傳感器組構(gòu)成。

圖3 鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

KWGK-1 工控機內(nèi)嵌有數(shù)據(jù)處理軟件可以將傳感器組獲取到的鋼絲繩檢測信號以圖形形式直觀表達；KJJ200 傳輸接口由CAN 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口、本安電源構(gòu)成，將CAN 信號轉(zhuǎn)換成工控機可識別的USB 接口信號，完成數(shù)據(jù)傳輸；KJ899-F 本安型分站包括數(shù)據(jù)采集通信模塊、伺服單片機、本班電源，伺服電機依據(jù)上位機指令通過主供電源實現(xiàn)對鋼絲繩運移開啟、關(guān)閉控制，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集通信模塊將傳感器組輸出的檢查信號打包發(fā)送至上位機；GSC50 傳感器組防護等級為IP54，傳感器組集成探傷傳感器、數(shù)據(jù)采集單片機、速度傳感器等，基于磁通平衡原理對鋼絲繩損傷進行探測，速度傳感器通過拾取鋼絲繩股峰信號完成損傷點定位，傳感器模擬信號通過數(shù)據(jù)采集單片機處理后將有用信號通過CAN 總線傳輸至KJ899-F 本安型分站。

2.2 系統(tǒng)軟件

具體檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)見圖4，系統(tǒng)軟件通過協(xié)調(diào)各功能模塊運行，實現(xiàn)對傳感器采集數(shù)據(jù)顯示以及人機交互控制功能。軟件系統(tǒng)可檢測實時數(shù)據(jù)進行顯示、存儲，根據(jù)預先設(shè)定參數(shù)值提供檢測信號、檢測報告以及預警信息。

圖4 檢測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

豐峪礦井下布置的架空人車鋼絲繩繩徑22mm、繩長1 600m，運行速度1.2m/s，布置133 抱索器，鋼絲繩全長范圍內(nèi)有8 個接頭（接頭長度約42m），接頭采用差對接法，從而使得兩個對接鋼絲紋路吻合。將鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)上位機布置與地面監(jiān)控中心，傳感器組布置位置應(yīng)滿足鋼絲繩抖動小、不影響工作人員上下猴車要求，綜合分析選擇將傳感器組布置在架空驅(qū)動輪出繩位置，具體現(xiàn)場布置情況見圖5。

圖5 傳感器組現(xiàn)場安裝圖

圖6 為鋼絲繩損傷檢局部探測數(shù)據(jù)，從圖中看出，3 組不同探傷傳感器輸出的波形幅值變化較為穩(wěn)定，不同組數(shù)據(jù)曲線重復率達到98%以上。

圖7 為接頭位置檢測波形圖，從圖中清晰看出鋼絲繩接頭位置波形變化情況，獲取到的波形顯示的叉接繩頭、插接長度以現(xiàn)場實際情況高度吻合，表明系統(tǒng)獲取到的數(shù)據(jù)可真實反映鋼絲繩接頭情況。從檢測結(jié)果看出，鋼絲繩接頭位置整體質(zhì)量較好、編結(jié)較為規(guī)范，接頭處鋼絲繩處于完好狀態(tài)，未有外部隆起、細微斷絲等缺陷。

圖6 鋼絲繩局部位置損傷檢測曲線

圖7 接頭位置鋼絲繩損傷檢檢測曲線

圖8 為采用的抱索器獲取到的檢測波形，從檢測數(shù)據(jù)看出，抱索器位置波形幅值穩(wěn)定，定位精準。檢測過程中發(fā)現(xiàn)13 號抱索器波形有畸變，檢測到該位置鋼絲繩斷繩率達到14%，經(jīng)過停機現(xiàn)場人工檢測發(fā)現(xiàn)該位置斷絲數(shù)達到5 根以上，表明檢測數(shù)據(jù)較為準確。

圖8 抱索器位置鋼絲繩損傷檢檢測曲線

4 總 結(jié)

1）文中采用磁平衡原理設(shè)計了一種架空人車鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要拆卸抱繩器即可實現(xiàn)無接觸、無損對鋼絲繩內(nèi)部存在的缺陷進行探測、定位，探測結(jié)果不受鋼絲繩運行速度影響，靈敏度較高；

2）缺陷檢測系統(tǒng)將傳感器組集成于不銹鋼殼體內(nèi)，通過殼體保護傳感器。檢測系統(tǒng)可對鋼絲繩繩徑變化2mm 和斷線1 絲以上進行識別，檢測數(shù)據(jù)可真實反映鋼絲繩接頭、抱索器及附近位置鋼絲繩內(nèi)缺陷情況，并可判定缺陷位置。

3）將傳感器組布置在架空驅(qū)動輪出繩位置可降低鋼絲繩抖動影響，現(xiàn)場檢測表明，提出的鋼絲繩缺陷檢測系統(tǒng)缺陷檢出率達98%，檢測數(shù)據(jù)重復率及接頭重復率分別為98%、99%。鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果可以為架空人車鋼絲繩質(zhì)量判定、更換提供一定參考。