钢丝绳无损探伤仪研究
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【摘要】为了保证钢丝绳的安全运行和最大化利用，针对目前钢丝绳在线无损检测难度大、检测设备精度低、使用不方便、检测结果容易受到钢丝绳运动速度影响等缺限，本文设计了一种基于磁通和漏磁检测原理的便携式钢丝绳无损探伤仪，详细介绍了其检测原理、硬件设计以及软件设计方案。现场应用结果表明：该便携式钢丝绳无损探伤仪具有使用方便、检测精度高、对钢丝绳运动速度不敏感等优点。
【关键词】钢丝绳；探伤仪；LF；LMA；LPC1768
1.引言
钢丝绳作为煤矿工程提升、起重、运输设备中的“高度危险构件”，被视为该领域中的“生命线”[1]。由于所处的工况环境十分恶劣，随着使用次数的增加，钢丝绳在使用过程中会发生断丝、磨损甚至骤断。由于缺少科学可靠的检测设备，钢丝绳的使用安全一直是重大设备管理中的“盲点”或“危险源”。目前钢丝绳检测大多采用人工检测或定期更换的方法[2]。
人工检测大部分情况下仅能处理常见的钢丝绳折断、波浪形、笼状畸形、绳股挤出、钢丝挤出、绳径局部变大或缩小、钢丝绳被压扁、扭结、弯折等故障，而定期更换造成资源浪费，增加企业生产成本的同时却并不能有效确保钢丝绳的使用安全[3][4]。许多断绳事故就发生在换绳之前，甚至有些新绳刚使用就发生了断绳事故[5]。上述两类方法对于处理钢丝绳内部断丝、磨损、锈蚀等问题效果不好，尤其是断丝和金属截面积损失两种故障根本无法察觉[6]。
另外，随着经济的高速发展，矿企所用的钢丝绳数量及种类越来越多，传统的定期换绳和人工目测检查已远不能满足现代化矿企生产工作的要求，迫切需要一种高精度、高可靠性的智能化钢丝绳检测系统。
本文通过使用电磁检测技术，针对工矿企业研制了一款简单、便携、可靠的钢丝绳无损探伤仪，可以有效的实现钢丝绳LF（局部损失）和LMA（横截面积损失）故障监测，判别钢丝绳故障性质，定量分析断丝位置、断丝数量以及对磨损性质、磨损位置和磨损程度进行分析。极大地提高了钢丝绳故障检测的准确性，确保了钢丝绳的正常可靠运行。
2.钢丝绳无损探伤仪工作原理
钢丝绳无损探伤仪是利用电磁检测原理，通过LF检测法和LMA检测法来对钢丝绳故障进行检测和定量分析的。首先，使用永久磁铁作为励磁源，产生一个强大的励磁磁场，当钢丝绳通过这一磁场时，磁场将沿钢丝绳轴向磁化钢丝绳段，使其达到磁饱和，然后利用霍尔元件检测钢丝绳内部磁通量和漏磁场，通过对两者进行分析，可以确定钢丝绳剩余横截面积和断丝的情况，进而可以确定钢丝绳的故障情况，从而达到钢丝绳无损检测的目的。
3.无损探伤仪硬件设计
本文设计的钢丝绳无损探伤仪主要由探伤传感器、钢丝绳故障定位装置、数据采集传输报警装置组成，如图1所示。探伤传感器检测磁场信号，转换成电压信号输出后经过放大、滤波等处理后由数据采集传输报警装置采集和处理，从而定量检测钢丝绳中的断丝和磨损状况，根据安全规程的要求评估钢丝绳的安全性和剩余使用寿命。钢丝绳运行的位置由光电编码器编码后进入数据采集传输报警装置，通过计算处理后得到精确位置，从而可以记录故障点的位置。数据采集传输报警装置提供的以太网口也可以把数据上传至计算机进行处理。
3.1 传感器设计
传感器部分采用钕铁硼作为磁化元件，其磁铁位置设计和磁场情况如图2所示。设计既保证磁场强度又减轻了传感器探头的重量，增强了检测仪的易用性和便携性。
考虑到功能实现和携带方便性，传感器和定位装置设计为一体化结构，设计实物图如图3所示。整个探伤仪外侧为低导磁率的铸铁结构，可以隔离磁场向外泄露，中间部分是永久磁铁和霍尔元件，永久磁铁形成均匀磁场，沿轴向磁化钢丝绳段，霍尔元件检测磁场信号。内侧为几乎完全导磁的铜套，保护中间的永久磁铁和霍尔元件不受磨损。外侧铸铁和内侧铜套，很好的保证了磁场的稳定性。
3.2 数据采集装置设计
在前端传感器把采集到的磁场信号转成电压信号以后，传输给数据采集报警装置进行处理。数据采集传输报警装置是探伤仪的核心部分，其原理框图如图4所示。
数据采集报警装置核心处理器采用基于ARM-Cortex M0内核的LPC1768芯片，设计有USB口，以太网口和RS485接口，以及扩展的存储FLASH设备。前端传感器信号经过信号滤波、放大后进入处理器进行A/D转换，采集装置以脉冲编码器的输出脉冲信号作为CPU对探伤传感器进行采样的触发信号，在采集数据的同时对数据进行实时分析处理，当分析发现故障信号时立即给出故障的类型、故障程度以及所处位置等信息，并且将所有检测信息存入计算机，实现了钢丝绳的实时在线探伤监测。
4.无损探伤仪软件设计
探伤仪软件部分主要是数据采集传输报警装置的软件设计。为了实现钢丝绳故障的实时在线分析，底层的嵌入式软件采用了KEIL MDK开发平台，采用C语言进行开发，由于数据采集装置的硬件接口较多，为了增加可靠性和降低软件开发的难度，软件采用ucos2操作系统平台。程序的任务设计和流程图如图5所示。
数据采集传输报警装置软件设计以ucos2为操作系统平台，采用模块化设计，通过优化的任务优先级设计，即可以保证处理器资源的有效利用，又保证了系统的实时性，从而可以很好的实现系统的功能。
5.无损探伤仪性能特点
经过测试和分析，本文所设计的钢丝绳无损探伤仪的性能特点为：
采用稀土钕铁硼永久磁铁作为励磁源；
检测信号的抗干扰能力强，检测结果稳定可靠；
检测时钢丝绳的最大速度：10m/s；
最佳使用速度0.5 m/s～3 m/s；
故障检测定位误差：±0.3%；
LMA金属截面积损失检测精确度：±0.05%；
LMA金属截面积损失检测不确定度：±0.2%；
局部缺陷的定性检测准确率：98%；
断丝定性检测准确率：100%；
断丝定量检测准确率：≥95%；
受测钢丝绳的直径最大值：60mm；
检测设备的特性体积小、重量轻、现场使用方便；
绳径范围：20～60mm；探头重量：约1～15kg；
工作温度：-10℃～50℃，相对湿度：≤90%RH；
外壳防护等级：IP54。
6.结语
本文设计了一种基于磁通和漏磁检测原理的便携式钢丝绳无损探伤仪，详细介绍了其检测原理、硬件设计以及软件设计方案，并对其性能特点进了介绍，煤矿提升机、井下绞车等现场应用结果表明：该便携式钢丝绳无损探伤仪具有使用方便、检测精度高、对钢丝绳运动速度不敏感等优点，该系统的投入，可以大大提高钢丝绳运行的安全性，同时减少了不必要的更换，带来了很好的经济效益，具有很好的推广应用前景。
参考文献
[1]姚小娟.钢丝绳无损检测技术的现状及对经济发展的影响[J].现代经济信息，2012（10）：263.
[2]李国勇.钢丝绳实时在线检测系统研发[D].北京邮电大学，2010.
[3]丁钰沣.基于电磁检测法的钢丝绳检测研究[D].北京邮电大学，2011.
[4]武新军，王峻峰，杨叔子.钢丝绳无损检测技术的研究现状[J].煤炭科学技术，2000（11）：22-24，49.
[5]贾社民，王治庭，石清印.在役钢丝绳无损检测[J].矿山机械，1999（06）：39-40.
[6]钟小勇，张小红.矿用钢丝绳探伤传感器的优化设计[J].煤矿机械，2012（08）：7-9.
本文为天地（常州）自动化股份有限公司钢丝绳在线监测系统项目（12SY016）。