（机械工程专业论文）md2钢丝绳探伤仪的设计与研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 揍要 嚣蔻钢丝绳被广泛遮瘦遵予愁会生产，钢丝缀瓣安全搜翅润麓瞧随之斑现，莠越来 越多地引起人们的关注。通过钢丝绳的无损探伤，可以判别在役钢丝绳的残余强度( 承 载麓力) ，掌握箕运行匏安全系数，最终决定更欹的嗣籁。 在钢丝绳检测的诸多方法中，人工目视挂纱法虽然简单，但受人为因索的影响大， 且不能检蠢钢丝绳内部。当钢丝绳表面存在油污时，检查困难，准确性、可靠性蓑，增 热了事故发生的枫率，磁捻测法是当今公认最可靠两且易于实现的检测方法。本论文根 擗钢丝绳磁检测原理，设计并研制了一台m d 一2 型钢丝绳探伤仪，本文主疆完成了以下 工终： 首先，在全面分析国内外钢丝绳无损检测现状的基础上，详细深入地分析了钢丝绳 磁硷溺原瀵、检测装置、镄丝筑僚号静穗经。 然后，考虑到目前钢魈绳检测系统存在的问题，对钢丝绳l f 和l m a 检测系统进行 了详细研究，并在此基础上以软硬件结合的方式滋行了m 论一2 墅搽伤仅静研制。该系统 以感应线圈l 乍为捻测元件，可同时检测钢丝绳”釉l m a 缺陷。 其次，由于钢丝绳检测现场和钢丝绳本身存谯着大量的干扰因素，本文还系统地研 究了提毫系统菰予捷毙力掰采取驰措藏，馒检测系绞具有更裹匏挠于拭熊龙。 最后，对整个检测系统作了大量的测试和实验，实验表明，所研制的m d 一2 型钢丝 筑搽伤纹哥滚满怒凌场硷溅鲸零要，信号分摄结激毽与钢丝绳实际祷嚣蘩零摇籍。 总之，采用磁检测技术，以线圈为检测元件所研制的m d 一2 烈钢丝绳探伤仪可以做 弼对钢丝绳缺陷避行方便瀚测试。勇步 ，零文的研究工作也为钢熬绳缺陷酌定量稔灞提 供了有效的分析途径，为相关领域的无损捡测技术提供了有益的参考。 关键词：凭擐检测钢丝绳搽伤仪线圈 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，w i r er o p e sa r c 、v i d e l yu s e di t lm es o c i a lp r o d u c t i o n t h c r e f o r e ，a l o n gw i m w i r er o p e sr e l ia _ b l ea p p l i c a t i o n ，i t ss a f e t yu s a g e 础a c t sm o r e 锄dm o r ea n e n t i o n t h r o u g h n o n d e s t m c t i v et e s t i n go fw i r em p e ，i ti sa v a i l a b l et od e t e m _ l i n e 廿l er e m a i ni i l t e n s i t y ( 1 0 a d i n g ， c 印a b i l 时) ，t og e tt h es m t yc o e m c i e n to f w i r er o p e s a 1 1 dt oc o n f - mt h ed a t ew h e nw i r er o p e s w i l lr c 时r c 1 nm a n ym e t h o d so f t e s t i n gt h ew i r er o p e ， o f t c ni n n u e n c e db yf a c t i t i o u sf a c t o r sa n dc a i l t m ev i s u a li n s p e c t i o ni st h es i i n p l e s t b u ti ti s d e t e c tt h ei 1 1 1 1 e ro f w i r er o p e w h e nt h e r ei s o i lo nt h es u r f a c eo f 谢r cr o p e ，t h ed e t e c t i o nu s u a l l yi sd i m c u h h e n c e ，a c c u m c y 趴d r e l i a b i l 埘i sp o o “w h i c hi n c r e a s e st h ca c c i d e n tp r o b a b i l i t y m a g n e t i cd e t e c t i o ni sm e m o s t r e l i a b l et e s t i n gm e t h o da i l dc a l lb ep u ti n t op r a c t i c ee a s i l y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f m e m a 龃e t i cd e t e c t i o n ，t h i sp 印e rd e s i g l l sam d 一2n d te q u i p m e n tf o r 谢r em p e s 。 c o n c r c t e w o r ka sf o l l o w s ： f i r s t ， o nt 1 1 eb a s i so fa 1 1 a l y z i n gt 1 1 e p r e s e n t r e s e a r c hs i t l l a t i o no f w i r er o p e s n o n - d e s 咖c t i v et e s t i n gmt h ed o l c s t i ca n di n t e m a t i o n a l ，t l l ep a p e rd i s c u s s e sm ep r i n c i p l eo f c l e c 订o m 雄皿e t i cm s p e c t i o n ，t h ei n s p e c t i o nd e v i c e sa n d 也es i 鲈a 1 c h a r a c t e ro fw i r er o p ei n d c t a i l s e c o n d ，c o n s i d e r i n gt h ep r e s e n tp r o b l e m se x i s t i n gi 1 1t h e 谢r er o p en o n - d e s t n l c 石v e t e s t i n gs y s t e m ，廿l ep 印e rs p e c i f i c a l l yr c s e a r c h e s 血el fa 1 1 dl m at e s t i n gs y s t e m ，m c n d e s i g n sam d - 2n d te q l l i p m e n tf o rw i r em p e sb ym e a n so fc o m b i n i n gt l l eh a r d w a r ew i t h s o f t w a r e t h ee 叫p m e n tu s e si n d u c e dc o i la sd e t e c t i n gp a r t ，w h i c hc a i ld e t e c td e f 抽h so f b o t h l fa i l d l m a 埘r er o p e t h i r d ，b e c a l l s em e r ea r el a r g eq u 孤t i t i e so fi n t e r f e r e n c ef 砬t o r se x i 妯n gi nm et e s t i n g s p o ta i l dw 确m p ei t s e l c t h ea n t 姐m i l l gm e a s u r e sa r ed i s c u s s e ds y s t e m a 廿c a l l yt oi i l c r e a s e t h ea n t i - j 龇n m i n ga b i l i t yo f t h ed e t e c t i o ns y s t e m l a s t ，l o t so fe x p e r i m e m sa r ed o i l et ot e s tt h es y s t e m sp e r f o n l l a n c e t h er e s u h so f i i 华中科技大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t sp r o v et h a tm em d 一2d e t e c t o rc a nm e e tm ed e m a n do f t c s t i n g ，a n dt h er e s u l t so f s i g i l a la 1 1 a l y s i sa l s oa r ci na c c o r d a n c ew i t ht h ef a c tb a s i c a l l y i na 、o r d ， a d o p d n gm a g n e t i cd e t e c t i n gt e c l l l l o l o g ya n du s i n gi n d u c e dc o i la sd e t e c t i n g p a n ，t 1 1 em d - 2n d t 埘r em p e se q u i p m e m c a l ld e t e c tt h ed e f 撕1 t so fb o 廿1l fa j l dl m a 埘r e m p ee x p e d i e n t l y i na d d i t i o n ，t 1 1 er e s e a r c h e sa b o v ep r o v i d ea i le 髓c t i v ea n a 王y s i sa p p r o a c ht o t e s tm ed e f h m t so f w i r er o p eq u a n t i t a t i v e l y ， a n dp r o v i d ea h e l p m lr e f e r e n c et oo t h e rr e l a _ t i v e n o n d e s m l c t i v et e s 石n gf i e l d s k e yw o f d s ： n o n - d e s t m c t i v et e s t i n g ( n d t ) ；w i r er o p c s ： d e t e c t o r ； c o i l i i i 独创性声蹰 本人声明所呈绽的学 i j = 论文魁貔个人在导师n q 桁导一卜 进行的研究：l ：作及取 褥的硬究成果。尽我所知，除文中爨标睨号l 恁憋走客岁 ，本论文不镪含经犍其缝 人绒集体已经发表绒撰写过的研究成果。对本文的研究做h = 贡献的个人和集体， 搀懑在文孛淡明确方式蠢暌。本入宠全意谈戮本声明弱法镣臻栗赉本人承糖。 - 学位论文作者签名：凑南如 日期：砒z 年中月以日 学位论文版权使用授权书 筠。揪燃：形修 学健论文作者签名癌高幽 指导教师娩够一哆 日期：伽z 年争月以日日期：，叼6 年中月白日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 绪论 1 1 1 课题的提出 钢丝绳是工程中应用的一种挠性构件，具有强度高、自重轻、弹性好、工作平稳可 靠等许多优点，在煤矿、冶金、交通、运输、建筑和旅游等国民经济各主要行业和部门 得到了广泛的应用。钢丝绳在使用过程中会发生疲劳、锈蚀、磨损甚至断裂等现象，从 而造成整绳的损伤或破断，影响设备可靠工作，威胁人身和设备安全。目前，大约有1 0 的钢丝绳的强度损失了1 5 ，其中2 0 的钢丝绳的强度损失了3 0 ，而这些处于极其危险 状态中的钢丝绳仍在使用。相反，约有7 0 的钢丝绳强度损失很小或几乎没有损失，却 被强制更换“1 。因此无论从安全性或经济性的角度考虑，对钢丝绳的运行状况( 如断丝、 锈蚀和磨损等) 进行检测是非常重要的。我国煤炭和冶金部门等行业安全规程中都制定 了钢丝绳的检验制度，一般均要求实行定期和重点检查，但是，目前对钢丝绳的检查大 多数单位仍然以人工目测检查为主要手段。由于人工检查钢丝绳不能太快( 一般要求在 o 3 米以下) ，而现场使用的钢丝绳长度一般有几百米至几千米，一次检测时间长，劳 动强度大，绳检人员容易疲劳，效率低，漏检率高：另一方面人工目测检查受钢丝绳内 外部条件( 如油污、内部缺陷等) 影响，以及绳检人员工作态度和技术素质的影响，都 会降低检测的准确性和可靠性。3 。因此这就迫切需要检查人员掌握一种可靠的无损检测 方法和仪器，既能确保设备安全运行，又能估计钢丝绳剩余破断拉力，决定更换日期。 基于上述原因，本课题选定“m d 一2 型钢丝绳探伤仪”作为研究方向。 1 1 2 课题研究的意义 在煤矿、冶金、交通、运输、建筑和旅游等国民经济备主要行业和部门，钢丝绳的 用量是非常巨大的。钢丝绳在使用过程中可能会发生各种缺陷，如疲劳、断丝、锈蚀、 磨损甚至断裂等，钢丝绳一旦破断，往往会带来严重的后果。他的状态好坏时刻关系到 人身和设备安全。近一个世纪以来，人们一直在探索检测钢丝绳缺陷的各种方法，努力 华中科技大学硕士学位论文 使钢丝绳尽可能延长使用寿命，又要确保在钢丝绳破断之前及时地更换下来。但是由于 钢结构的复杂性，工作环境的多样性，检测方法的局限性，使得钢丝绳缺陷检测变得非 常困难，到目前为止，从发表的文献来看能够完全满足实际使用要求的检测方法或者仪 器装置还不多”“4 。近几十年来，由于钢丝绳制造水平的提高，极大地拓展了它的使 用范围，这又对钢丝绳缺陷检测提出了更高的要求。 钢丝绳结构的变化加大了缺陷检测的难度。随着人们对钢丝绳使用寿命的深入研 究，钢丝绳的结构变得越来越复杂，性能越来越好，制造工艺越来越先进，缺陷状态也 表现为多样性和复杂性，影响到检测精度。钢丝绳中的钢丝也有过去的单一直径发展到 多种直径。绳股也由单层发展到多层，圆形发展到三角形、椭圆形。在这种钢丝绳中， 不同直径的钢丝断裂对钢丝绳破断拉力的影响也不同，这就给钢丝绳缺陷检测系统的定 量分析带来困难。在这种情况下，就需要对钢丝绳缺陷检测系统作更深入的研究。 在常用的缠绕式提升机中，钢丝绳缺陷更多地表现为外部的弯曲疲劳断丝。而在新 型摩擦式提升系统中，钢丝绳缺陷更多地表现为有效截面积磨损。尼龙型滑轮的使用也 使得钢丝绳内部出现更多的断丝和磨损“1 。这就要求钢丝绳检测系统既能检测内外部断 丝，又能检测有效截面积的损失大小。 现代化生产要求更高的钢丝绳检测效率。随着经济的高速发展，煤矿、冶金、交通、 运输、建筑和旅游等行业的起重运输设备越来越大型化，所需的钢丝绳越来越长，直径 也不断增大。人工目测法满足不了现代化的工作要求，迫切需要研制一种高精度高可靠 性的智能化检测仪器。 1 2 文献综述 1 2 1 钢丝绳无损检测技术的发展简史 根据钢丝绳缺陷的不同形式，钢丝绳缺陷可分为两大类型：局部缺陷型 ( l o c a l i z e df a u l t ，简称l f 型) ，是指钢丝绳局部位置上产生的损伤，主要包括内 外部断丝、锈蚀斑点、局部形状异常等。金属截面积损失型( l o s so fm e t a l l i c c r o s s s e c t i o n a la r e a ，简称l m a 型) ，是指造成钢丝绳横截面上金属截面积减小的损 华中科技大学硕士学位论文 伤，主要包括磨损、锈蚀、绳径缩细等。 最早的钢丝绳无损检测可追溯到2 0 世纪初，南非的c m c c a n 和r c o l s o n 共同研制了 世界上第一台钢丝绳电磁无损检测装置用于测量钢丝绳的截面损失。该装置采用交流螺 线管对钢丝绳进行磁化，当作为电感铁芯的钢丝绳截面发生变化时，励磁线圈与检测线 圈之间的耦合阻抗将随之改变，记录检测线圈中的感应电动势的变化，就可以对导致钢 丝绳截面变化的缺陷进行测量。这种方法采用了交流( a c ) 励磁，故称为a c 方法。但是 由于集肤效应，这种方法测量精度很差，钢丝绳仪器容易发热，而且每次测量都要把线 圈绕在钢丝绳上，所以很难在工程应用中推广使用。 2 0 世纪2 0 一4 0 年代，德国科学家研制成另一种钢丝绳无损检测装置。采用直流线圈 对钢丝绳励磁，利用差动检测线圈测量磁场，可检测钢丝绳的局部损伤。这种方法直到 1 9 3 7 年由r w o r n l e 和h m u l l e r 研制成分体式差动线圈才被有效应用。由于采用的是直流 ( d c ) 励磁，故称为d c 方法。直流励磁结构庞大，仪器笨重，操作复杂，线圈安装有困 难，检测信号信噪比低，检测结果可靠性差，因而阻碍了它在实际中的推广应用。这一 时期形成的钢丝绳无损检测技术和仪器均不是很成熟，研究工作仍处于钢丝绳无损检测 技术的探索阶段。 2 0 世纪6 0 一8 0 年代中期，各国学者针对钢丝绳检测在原理和实践中存在的问题进行 广泛而深入的研究，取得了较大进展，从而使钢丝绳检测技术进入一个新的阶段。日本、 加拿大、波兰等国的学者对钢丝绳的励磁装置、检测装置、钢丝绳缺陷特征进行了全面 的研究，取得了一系列成果。集中表现在：励磁装置改用强永磁铁，检测装置既用线圈， 也用霍尔元件、磁通门等。 7 0 年代初，我国研制出第一代t g s 型探伤仪。这一时期的研究重点主要放在如何得 到稳定、可靠、明显的钢丝绳缺陷信息的检测方法及装置上。测得的信号主要进行模拟 信号分析，记录方式是笔式记录或磁带记录。检测信号的解释主要依靠人工进行，检测 的结论受检测人员的自身素质影响较大。所研制的仪器都有一些缺点，精度和智能化程 度都不高，限制了它们的推广应用。 8 0 年代后期至9 0 年代中后期，在材料科学、计算机及电子集成电路的快速发展带 动下，钢丝绳检测技术又提高了一大步。励磁装置采用稀土永久磁铁，信号处理装置向 华中科技大学硕士学位论文 集成化、数字化方向发展，整个仪器体积减小，重量减轻，功能增强。美国n d t 公司的 h r w e i s c h e d e l ”“”博士深入研究了钢丝绳各种检测装置，对检测线圈又做了进一步的 改进，增加了积分电路，如图卜1 所示。这种检测装置可定量检测钢丝绳截面损失，定 性分析断丝等局部缺陷。加拿大矿业能源技术中心的e k a l w a “”博士重点研究了应用 霍尔组件检测钢丝绳漏磁通和主磁通的方法( 如图卜2 所示) ，通过大量的实验，深入 分析了钢丝绳局部缺陷与检测信号的定量关系，找出了部分缺陷定量特征与检测信号之 间的一些关系。 、_ 。一 、 铜 壹圭 绳 - - 。一 囊1 鬟 霍尔元件一 图卜1 积分线圈检测l m a 图卜2 霍尔元件检测漏磁场 我国在这一时期也取得了一系列成果。“”“”1 。华中科技大学的杨叔子、康宜华 等学者从8 0 年代开始研究钢丝绳断丝检测技术。他们采用稀土永久磁铁作为励磁装置， 用霍尔元件和聚磁技术测量钢丝绳周围的漏磁场，用编码器实现等距离采样，在计算机 上开发了g d j y ， l t c 等系列钢丝绳缺陷检测仪，并在实际推广运用中取得了较好的效 果，为我国钢丝绳检测技术的发展作出了很大的贡献“”1 。哈尔滨工业大学和抚顺煤矿 分院从英国b e c o r i t 公司引进了l m a 2 5 0 型钢丝绳，在消化其关键技术的基础上，利用 单片机系统研制成功g s t 型钢丝绳探伤仪， 他单位也做了钢丝绳缺陷检测的探索工作， 该仪器可同时进行l m a 和l f 检测。我国其 河南洛阳涧西矿业机电研究所研究成功g x t 型断丝在线检测装置。该仪器主要检测局部损伤，所采用的方法较为独特，检测前钢丝 华中科技大学硕士学位论文 绳先经过直流励磁，再用动态感应线圈检测。9 0 年代中后期，上海海运学院在实验室实 现磁通门检测钢丝绳缺陷漏磁场“5 ”3 。抚顺石油学院做了基于微机与线圈的钢丝绳缺陷 检测研究“7 2 。但这些单位的工作仅限于实验室研究，在原理和应用方面没有大的突破。 在8 0 年代后期至9 0 年代中后期，除了在钢丝绳电磁检测技术方面取得系列成果外， 各国学者积极探讨新的钢丝绳缺陷检测方法“。”。1 9 7 6 年，法国的a m a i l l a r d 采 用电涡流方法检测钢丝绳断丝获得成功。1 9 8 4 年，英国j l t a y l o r 与n f c a s e y 通过 大量的实验深入研究了声发射技术检测钢丝绳缺陷的原理，该方法对于特殊环境中( 如 水中) 的钢丝绳状态检测有应用价值。1 9 8 7 年，德国采用激光扫描方法测量钢丝绳的直 径，用激光束沿着钢丝绳轴向连续扫描来测量钢丝绳相邻绳股尺寸在径向上的变化，进 而计算出不同部位的钢丝绳直径。1 9 8 8 年日本的铃木纪生在理论和实验上研究了超声波 检测钢丝绳缺陷( 主要是断丝) 的方法，主要解决静态悬吊钢丝绳检测问题。1 9 8 8 年美 国科学家h k w u n 与g l b u r k h a r d 对利用横向激励振动波检测钢丝绳缺陷做了实验研究。 1 9 9 4 年h k w u n 又对基于磁致伸缩效应检测钢丝绳缺陷的理论做了深入研究，取得了一 定的进展1 。我国东北大学于1 9 9 8 年对声发射技术检测钢丝绳断丝做了实验研究。 1 2 2 钢丝绳无损检测技术的现状与发展趋势 近几年，除了电磁检测技术外，其余钢丝绳缺陷检测技术依然限于实验室研究。各 国学者在实际中逐步推广应用电磁检测技术的同时，深入研究此门技术在工程应用中所 遇到的各种实际问题，寻找解决的办法。这些问题主要集中在缺陷定量检测精度问题， 仪器可靠性问题，仪器多功能问题，仪器操作简化及智能化问题，基于检测结果如何对 钢丝绳状态评估问题等。目前，在钢丝绳电磁检测技术领域中，国外处于领先地位的是 加拿大矿业能源技术中心和美国n d t 公司，国内处于领先地位的是华中科技大学。 1 9 8 6 年至1 9 9 6 年期间以加拿大矿业能源技术中心为主组成了一个研究小组， 实施 了一个钢丝绳缺陷电磁检测技术十年研究计划，由加拿大和美国的多个矿业公司、钢丝 绳制造公司参与。，1 9 8 6 年研究小组从调查各矿业公司使用钢丝绳电磁检测仪的情况着 手，对当时的电磁探头作了全面的评估，深入分析了各矿业公司在使用钢丝绳电磁检测 仪的同时仍然连续发生重大事故的深层原因。1 9 9 0 年开始对基于永久磁铁和霍尔元件的 华中科技大学硕士学位论文 检测探头做深入的机理研究，在实验室和工业现场做了大量实验，筹建钢丝绳检测的数 据库，埘换绳标准做了细致分析，制定了一套钢丝绳电磁检测仪操作规范”“。1 9 9 4 年前 后研制成一套双功能、计算机辅助钢丝绳缺陷检测系统。1 9 9 6 年完成此系统的工业现场 实验。此系统较以前的检测仪器有较大的改进，借助计算机增加了不少选择项目， 除 了检测l f 和l m a 缺陷外，还可检测t c m a ( 绝对金属截面积变化，即钢丝绳的金属截面积 相对于出厂时的改变) ，数据存储量大，操作提示多，人机界面友好。但是从发表的文 献看，此系统的智能化程度还不够，检测曲线仍然需要操作人员解释，也没有和科学的 换绳标准联系起来，整个系统体积较大，现场操作仍显麻烦。 在加拿大研究基于永久磁铁和霍尔元件钢丝绳检测探头的同时，美国无损检测技术 中心( n d t ) 又单独研究了以永久磁铁和积分线圈为基础的钢丝绳截面积损失检测系统 “，此系统可以定量检测钢丝绳截面积损失，但只能定性检测l f 缺陷。近几年，他们深 入研究这种探头检测l m a 的分辨率，在计算机上开发了一种检测信号处理程序，提高了 l m a 的分辨率，使l m a 的轴向分辨率明显小于探头长度。 在国内，华中科技大学的康宜华、武新军、杨叔子等人，在9 0 年代初对钢丝绳断丝 研究取得一系列成果基础上，近几年对基于永久磁铁和霍尔元件的钢丝绳缺陷检测探头 又进行了深入研究，探讨了磁桥路法和漏磁通法检测钢丝绳截面积损失的问题。 可以说，目前国内己基本掌握了钢丝绳无损检测的基本原理和关键技术，而且在这 一领域的某些方面具有独到之处。但是客观地讲，我国钢丝绳无损检测技术的成熟程度 与国外相比还有待提高。国产钢丝绳探伤仪在生产工艺、系列化程度和集成化程度上与 国外产品相比都还存在较大差距，这也为我们提出了研究的方向。 综上所述，在钢丝绳无损检测技术的发展过程中，人们借鉴了许多应用于其他领域 的检测技术，特别是管材的无损检测技术，包括x 光探伤、超声波检测、磁粉探伤等， 但只有电磁方法得到了实际应用。目前，钢丝绳磁检测技术正向着多功能、高精度、操 作简单、智能化、微控制器辅助检测技术发展。 1 2 3 目前钢丝绳磁检测技术中存在的问题 ( 1 ) 钢丝绳l f 缺陷定量检测问题。虽然l f 缺陷包括：断丝、点蚀、局部变形等较短 华中科技大学硕士学位论文 尺度的缺陷，但l f 定量检测主要是指钢丝绳断丝的根数判别。事实上， 断丝定量判别 是一件困难的事。目前对断丝的检测主要是基于漏磁通法。根本依据是钢丝绳断丝后断 口向外扩散的漏磁通峰峰值的大小。从物理效应上讲，所能检测到的单根断丝漏磁通的 大小取决于断丝在截面中的位置、断口的长度、磁化的饱和程度、钢丝直径大小、聚磁 器结构、检测元件的提离值、检测元件的性能、钢丝绳捻制结构及受力状态等诸多不确 定因素。如果在检测区段内只有极少量断丝且分布在外表面，则还容易判别。如果在同 一截面里外有多根断丝或不同截面的数根断丝断口相距很近或钢丝直径很细，加上断丝 在截面位置的随机性，所检测到的漏磁通峰峰值并不随断丝根数呈线性变化或其它形式 的确定性变化。这就给定量判别断丝带来较大误差。目前，大部分钢丝绳缺陷检测仪所 采用的断丝判别方法都是一种基于模型化的统计判别法。即先取得检测铜丝绳某一根断 丝的漏磁通门限值，再调整另一门限值，实测时将其它检测处的漏磁通与这两个门限值 一起作模型化计算，从而判断断丝根数。从目前发表的文献看，钢丝绳单根钢丝断丝磁 信号研究得较多，而多根集中断丝磁信号特征的研究文献尚彳i 多见。 ( 2 ) 钢丝绳截面积损失l m a 定量检测问题。由于l f 的定量检测很难，所以美国、加 拿大的研究学者把注意力集中到l m a 定量检测上来。用积分检测线圈和基于霍尔元件的 主磁通检测可以做到l m a 定量测量，也可以通过基于霍尔元件的漏磁通法间接测量l m a “ ”。检测l m a 的主要问题是定量检测分辨率问题：检测探头能够准确检测出钢丝绳 截面积变化的最短长度。由于钢丝绳是链式构件，某一较短长度的局部最薄弱环节的强 度就是钢丝绳整个的强度。检测探头分辨率的高低是极为关键的性能指标。现在检测探 头的l m a 分辨率一般都大于探头长度。如何提高探头的l 姒轴向定量检测分辨率，是一个 应该仔细研究的问题。l m a 定量检测是一种相对检测，先取待检钢丝绳被认为是状态和 初始一样好的一段进行检测，所得检测值为基准值，再将其它部分检测值与基准值比较， 得出变化的百分比即l m a 。基准值选取得正不正确，是l m a 定量检测的关键。存在的问 题是：使用了较长时间的钢丝绳很难确定状态和初始一样好的部位。目前，加拿大研究 学者制造的g n o g r a p hi i 型钢丝绳缺陷检测仪提供了t c m a l m a 选项。积分线圈检测 l m a 遇到的问题是如何定量评价钢丝绳的l f 缺陷。 ( 3 ) 钢丝绳强度损失的评估问题。人们检测钢丝绳，根本目的在于根据检测的结果 7 华中科技大学硕士学位论文 评估在用钢丝绳的强度损失，掌握钢丝绳各部位强度的变化和最薄弱位置，计算它的承 载能力，从而决定换绳时间。目前，l f 和l m a 缺陷和钢丝绳破断强度损失( l b s ) 之间关 系并不是十分清楚，也没有相关算法沟通。因此，有待于进一步研究l f 和l m a 信号和钢 丝绳强度损失之间的关系。 ( 4 ) 钢丝绳各种缺陷模式的磁信号特征研究问题。虽然人们把钢丝绳缺陷大致分为 l f 和l m a 缺陷，但是不同的缺陷模式，如严重锈蚀、点蚀、局部磨损、较长绳段磨损、 夹渣、断丝的复杂分布、绳股变形、绳股松弛等等，在磁信号中的表现特征尚有待深入 研究。 ( 5 ) 钢丝绳检测原理和磁化理论的深入研究。钢丝绳漏磁场空间如何分布，如何做 到钢丝绳均匀一致的饱和磁化，如何选择最优的磁场强度，检测原理如何实现，都需要 深入研究。 ( 6 ) 钢丝绳无损检测系统的抗干扰研究。即使有屏蔽，探头磁场仍然分布在探头周 围数米内。检测时探头的移动或者附近铁磁性金属的移动，对磁场分布都有影响，从而 造成干扰。目前发表的有关钢丝绳无损检测系统抗干扰的文献较少，从文献上看国内也 有科研单位对钢丝绳检测装置进行了可靠性设计”“3 “，但仅仅考虑到了检测装置的可靠 性，而没有考虑到检测电路、信号传输、软件等方面，从而使检测信号中混杂着许多干 扰信号。 ( 7 ) 钢丝绳无损检测装置的研究。目前钢丝绳缺陷数据采集系统的自动化程度不高， 基本上是机器与人工相结合的方式来完成数据的采集工作，不能与p c 机通信，从而不能 充分发挥p c 机的强大浮点数据处理能力来研究钢丝绳的缺陷分析算法，而基于p c 机的检 测仪器有过份依赖于p c 机，不利于做成便携式仪器在现场检测，而且，检测结果受人为 因素影响较大。另外，钢丝绳缺陷数据采集系统的可更新性较差，在研制更先进的数据 采集系统的时候，必须一切从头开始研制，浪费了大量的时间和经费，开发周期较长。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文主要研究内容如下： 1 、查阅国内外相关的文献资料，了解当前这一领域的发展状况与趋势。 华中科技大学硕士学位论文 2 、从论述钢丝绳的一般结构特性入手，然后对钢丝绳无损检测的各种方法进行分 析比较，重点分析磁检测法的原理。其次分析以福斯特理论为基础的磁检测原 理和l m a 原理，最后简单介绍m d 一2 型钢丝绳探伤仪系统。 3 、介绍m d 一2 探伤仪探头的工作原理、钢丝绳磁化方式，对钢丝绳表面漏磁场进行 分析。讨论励磁结构和励磁材料的选择和聚磁检测技术的优点。设计出用于 m d 一2 探伤仪探头的总体结构及其磁路布置、衬套、聚磁环、导磁环、测距装置 等核心部件。 4 、介绍m d 一2 钢丝绳探伤仪系统，研制利用l a b v i e w 平台研制的m d 一2 钢丝绳探伤 软件系统，为钢丝绳缺陷的定量检测提供了良好的人机交互界面。最后考虑到 钢丝绳使用现场存在着许多电磁干扰，系统地对整个探伤仪检测系统抗干扰方 面作了的一些阐述。 5 、介绍m d 一2 钢丝绳探伤仪检测系统的工作原理、结构、功能、技术指标及使用， 探讨对检测有影响的几个因素，对整个探伤仪系统进行了各种试验( 如样绳试 验、e m c 电磁兼容性试验和振动试验) 以及实际应用。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 钢丝绳结构及检测原理 钢丝绳是由优质高碳钢经过多次冷拔制成的钢丝，再经过多重捻制而成的复杂空间 螺旋结构的铁磁性构件，具有良好的导磁能力，而且磁化后具有一定的剩余磁感应强度 和矫顽力。钢丝绳的这些特性使得电磁无损检测方法得到了有效使用。 本章从论述钢丝绳的一般结构特性入手来讨论钢丝绳的无损磁检测原理 2 1 钢丝绳的结构特性 2 1 1 钢丝绳的结构啪1 在近代工业中所应用的钢丝绳是采用高强度优质碳素钢( 含碳量o 5 o 8 ，含硫 量不大于0 3 ) ，由直径约为6 m m 的圆钢，经过多次冷拔，热处理得到0 1 5 f 1 1 i n 的高 强度( 约为1 0 0 0 2 1 0 0 n m m 2 ) 的钢丝制作而成。这种钢丝绳的易弯性比用同样拉伸强 度的钢棒制作的钢丝绳高4 0 0 1 2 0 0 倍，可以绕成卷，方便运输；另一方面，其弹性系 数约为钢的1 3 ，具有吸收冲击的特性。为适应各种用途的需要，钢丝绳的结构形式有 多种，且强度和粗细规格也很多。 钢丝绳的制作是把高碳钢钢丝绞在芯线上做成子线，在多次集结予线的同时上劲， 绞制成钢丝绳，标准制品的钢丝直径为o 1 5 m m ，钢丝绳的直径范围为o 6 1 2 0 m m ， 对于特殊用途的钢丝绳，如大型斜拉桥承载用钢丝绳，其绳径较大。 在钢丝绳中，绳股是构成绳的主要单元，钢丝绳由股绕成绳时，绳的中央加绳芯， 以充填中央断面并增加钢丝绳的挠性，保持钢丝绳形状稳定。绳芯是钢丝绳不可缺少的 组成部分，根据需要，绳芯种类有：有机芯、石棉芯、金属芯三种类型。 2 1 2 钢丝绳的类型 根据钢丝绳捻制的不同，可把钢丝绳分为单绕绳、双绕绳、三绕绳。 单绕绳：由若干断面相同或不同的钢丝一次捻制而成。 双绕绳：先由钢丝绕成绳股，再用绳股绕成绳。 华中科技大学硕士学位论文 三绕绳：把双绕绳作为股，再用股绕成绳。 另外，根据钢丝绳捻制的方向分为：顺绕绳、交绕绳、混绕绳，根据钢丝绳中的相 互接触状态分为点接触绳、线接触绳和面接触绳三类。 2 1 3 钢丝绳的缺陷 由于钢丝绳的结构特点，决定了其缺陷产生的特殊性，随着使用时间的延长，钢丝 绳将会出现各种损伤，例如，由于钢丝绳磨损和锈蚀而引起的钢丝绳断面积减少；由于 疲劳、表面硬化和锈蚀引起的钢丝绳内部性能的变化等。当钢丝绳中某一处出现严重缺 陷后，就会导致整根钢丝绳报废。因此，钢丝绳一旦出现缺陷，从电磁无损检测的角度 看都将是不可修复的。 1 ) l f ( 1 0 c a l i z e df a u l t )钢丝绳的断丝一般可分为：疲劳断丝、锈蚀断丝、 剪切断丝以及过载断丝等，断丝的另一种表现形式为局部集中断丝，即断丝 集中分布在一窄段钢丝绳内，这也是目前钢丝绳断丝检测中定量检测的难点。 这种以断丝为主的局部缺陷英文简称l f 。 2 ) l m a ( 1 0 s so fm e t a lli cc r o s s s e c t i o na r e a )金属截面积损失是指钢丝 绳由于疲劳磨损、腐蚀、挤压、划伤等原因造成的钢丝绳的钢丝截面积的缩 小，最终结果导致钢丝绳承载能力的下降，甚至出现钢丝绳的断裂，导致事 故的发生。因此，金属横截面积损失也是目前钢丝绳无损检测技术中的重要 研究内容之一。金属横截面积损失英文简称为l m a 。 3 )除以上两种需要用仪器检测的缺陷外，用人工的方法即可观察出的常见钢丝 绳缺陷有：绳股折断、波浪形、笼状畸形、绳股挤出、钢丝挤出、绳径局部 变大或者减小、钢丝绳被压扁、扭结、弯折等。 2 2 钢丝绳无损检测的分类 前己述及，由于钢丝绳具有强度高、白重轻、弹性好、工作平稳可靠等优点，在社 会生产中得到广泛的应用：一旦钢丝绳发生疲劳、锈蚀、磨损甚至断裂也将给社会带来 巨大的损失：于是，钢丝绳的无损检测也随钢丝绳的出现而发展。钢丝绳无损检测和评 华中科技大学硕士学位论文 价，是在不破坏钢丝绳使用状态的情况下，应用一定的检测技术和分析方法，对钢丝绳 的状态特性加以测定，并按一定的准则对其评价的过程，它起始于本世纪初，发展于本 世纪6 0 年代，目前己探讨和实施的无损检测方法及其特点如下”1 ： 1 、人工目测法 人工观察以极低速度运行的钢丝绳表面，直接对钢丝绳进行分析，无记录。此法用 来检测钢丝绳简单，但是只能确定表面损伤，且速度低( 一般要求在o 3 米以下) ，而 现场使用的钢丝绳长度一般有几百米至几千米，一次检测时间长，劳动强度大，绳检人 员容易疲劳，效率低，漏检率高；绳检人员工作态度和技术素质的影响，都会降低检测 的准确性和可靠性。人工目测法是种被逐渐淘汰的落后的检测方法。 2 、声发射检测法 通过测量钢丝绳结构变化时的弹性波，来确定钢丝绳的损伤程度，主要用于测量断 丝和钢丝绳的变形。基于声发射的钢丝绳探伤仪结构复杂，费用高，信噪比低；而且， 声发射技术主要应用于连续介质，而对于像钢丝绳这样的非连续介质，应用极为有限。 以往技术用于钢丝绳的主要目的是评估其结构的完整性，测试过程从简单的拉伸到疲劳 失效等。目前，该方法的使用己进行了大量的研究，尽管在对桥梁支撑钢丝绳的断裂钢 丝检验方面己取得可喜结果，但在移动的钢丝绳方面还没进行过切实可行的运用。 3 、超声波检测法 该方法应用在端头附近区域，即钢丝绳的端头与运输或支撑结构的连接点。钢丝绳 的端头处由于疲劳有可能产生钢丝断裂，而恰恰在这个区域内单靠目测方法是观察不到 的。此方法通过分析钢丝绳中超声波回波的图像来确定钢丝绳断丝数量，操作比较复杂， 且信噪比低。到目前为止，己在多种应用中成功地开发了可靠探测出端头部分钢丝的超 声波检测方法，如应用于拉索和矿井导向系统中的绳子。 4 、电涡流检测法 利用电涡流效应可检测钢丝绳断丝和锈蚀，但检测断丝和锈蚀分辨率低。尽管电涡 流传感器体积小、结构紧凑、耐腐蚀、耐湿热，但其自身也有不可克服的缺陷。普通的 电涡流传感器有效量程小，而且传感器的探头与放大器之间的电缆长度不能随意变化， 否则性能大大降低，这些缺点限制了电涡流检测法的推广应用。 华中科技大学硕士学位论文 5 、电流检测法 电流检测法的原理为测定固定钢丝绳的电阻，并对测量结果进行图线、数据分析， 以此来确定钢丝绳的损伤程度。此法可测定钢丝绳断面状况，对移动钢丝绳的检测困难 大。因其检测局限性太大，电流检测法未能得到推广。 6 、光学检测法 光学检测法利用c c d 摄像检测钢丝绳表面，通过分析检测得到的图像确定钢丝绳缺 陷。光学检测法精度高，但设备费用高，且检测结果受钢丝绳表面油泥影响严重，推广 应用有一定的难度。 7 、x 一射线检测法 原理为用强x 射线垂直于绳轴照射，拍摄照片，并据此判断钢丝绳损伤。此法主要 用来测量断丝，但是不能连续测量，而且射线防护费用高。该方法在工程行业己应用多 年，然而，在应用于钢丝绳的检验时却无成效。因为它虽可用来检测钢丝绳内部，但由 于钢丝绳结构复杂，它只适用于给出钢丝绳近表面的清楚图象，而且它只适用于一次检 验一小段钢丝绳，此法还未证明可以作为使用的常规工具，并且只限于科研之中。 8 、磁检测法 钢丝绳的磁检测方法安全、经济，是目前公认的应用最广也最为成熟的钢丝绳无损 检测方法。钢丝绳所用的材料一般是优质碳合金钢，容易被磁化。当钢丝绳被磁化至饱 和后，由于缺陷处的物质磁导率和无缺陷处的物质磁导率不同，因此在缺陷处出现了漏 磁场。通过测量钢绳表面局部区域中的漏磁场可判别钢绳断丝、锈蚀等引起的局部突变 缺陷，称作局部缺陷检测l f 法；通过钢绳磁化回路磁通变化，判别磨损、锈蚀等引起 钢丝绳金属截面总和变化缺陷，称作截面积损耗型检测l m a 法。磁检测装置主要由两部 分组成，一是磁化钢丝绳的励磁装置，二是检测磁场变化的磁检测装置。励磁装置分为 交流励磁、直流励磁和永磁励磁3 种。而交流励磁和直流励磁，由于体积和重量远大于 永磁励磁，且需要外部电源，使用不便，可靠性低。目前多采用永磁励磁。磁检测装置， 按使用传感器的不同分为霍尔元件检测法、磁通门检测法和线圈检测法等。本文讨论的 m d 一2 型钢丝绳探伤仪采用了线圈检测法。 上述方法中，前7 种或因检测信号易受干扰，或因检测结果难以记录，或因设备费 华中科技大学硕士学位论文 用太高，或因检测局限性太大等原因，至今都未推广应用。钢丝绳采用磁导性能良好的 高碳钢制成，易于磁化，很适合利用磁检测法进行检测。同时，磁检测法具有成本低、 易于实现等优点。而其他方法由于受钢丝绳结构和环境影响，以及成本和仪器复杂程度 等诸多因素的影响很难实用化。 2 3 钢丝绳无损检测的原理 本文中的m d 一2 型钢丝绳无损探伤仪采用磁检测法，下面分析磁检测原理及m d 一2 型 钢丝绳探伤仪的原理。 2 3 1 磁检测机理 铁磁材料的磁导率远远大于空气的磁导率( 约高出l o o 倍) ，因此，铁磁材料中的 磁场一旦遇到材料表面或内部出现裂纹、腐蚀等缺陷时，部分磁场将从材料中外泄出 来，这一外泄磁场称为漏磁场( m a g n e t i cl e a k a g ef l u x ) ，漏磁场的大小与材料的间 断有关，故通过检测漏磁场的大小可以检测材料的状态。从另一方面讲，材料中的磁力 线遇到外部或内部缺陷产生的材料间断时会发生畸变，从而引起被检测的漏磁场的变 化，图2 1 所示为材料外部缺陷( e x t e r n a ld e f e c t ) 和内部缺陷( i n t e r n a ld e f e c t ) 处的磁力线及漏磁检测信号。 因此，要进行磁检测首先要对被检测材料进行磁化。铁磁体可以认为是称为“磁畴” 的微小磁体构成的，当铁磁体处于原始状态或退磁中性状态时，磁畴的磁化矢量方向各 不相同，所以对外不显示磁性，对铁磁体磁化的过程就是加外磁场，使得铁磁体中的磁 畴磁化矢量方向相同，从而铁磁体宏观上显示磁性。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 t i l i a、 淤 v s 7 ；= 墨= = 嚣黜 ：_鎏喜 图21 内外部缺陷处的磁场分布及其检测信号 b j f 厂 d 形。 i i 娃c h g 二 华中科技大学硕士学位论文 d e f g h k d 回路构成磁滞回复曲线，根据材料在不同曲线上随磁场变化的特性，可以得到 一些特殊的检测方法，而在磁检测中，主要应用的是a b c d 曲线和d e f 曲线。从曲线图 可以看出，磁场强度h 从a 点增至b 点，磁通密度b 和h 都呈非线性增大。从a 点到b 点区域，构成材料的磁畴从显示零磁通密度的网状取向变成相对趋向h 方向的排列，但 其形状还未改变。当h 从b 点向c 点增加时，磁通b 显著增大。此时与h 成较大夹角排 列的磁畴重新趋向与h 方向更接近的排列，与h 取向接近的磁畴通过合并邻近磁畴逐渐 长大从c 点到d 点，在较多磁畴改变为h 取向的同时，磁畴的数量进一步减少，其结果 是磁通密度b 的增长越来越小。此时，磁畴生长机制处于磁化过程的支配地位。在此直 至e 的区域，所有的磁畴方向基本排列整齐，而磁化仅随h 缓缓增大，e 点称为磁饱和 点。在磁饱和后去除外磁场，磁化密度回到b r ( e 点) ，b r