（机械电子工程专业论文）钢丝绳探伤理论探讨及开发研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文对钢丝绳断丝损伤无损检测系统的结构和信号检测与处理电路 作了系统地分析与研究。 首先阐述了无损检测技术的现状，介绍了钢丝绳的基本知识，详细叙 述了电磁无损检测技术的原理、磁化方法与检测元件。 在此基础上设计了励磁系统、断丝检测传感器与信号采集电路，并对 其中的信号采集芯片作了详细介绍，同时对钢丝绳断丝检测传感器、信号 传输通道、p c b 板的抗干扰与采样数据的预处理等作了详细地论述。 最后基于w i n d o w s 操作系统的特点，利用v b 作为软件开发平台，结 合a c c e s s 数据库软件，编制信号处理与实时监测软件。 研究的重点是励磁系统的改进和检测元件的布覆方案的设计，系统地 应用抗干扰技术来提高断丝信号的可靠性，可靠性分析软件减少了人为分 析的误差。 关键词：钢丝绳、无损检测、霍尔元件、断丝、信号处理、人机界面 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es t r u c t u r ea n dt h es i g n a lt e s t i n ga n dp r o c e s s i n g sc i r c u i to ft h ew i r e r o p e sb r o k e nw i r e sn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gs y s t e mw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h en o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g yw a s d i s c u s s e d ，s od i d t h e b a s i ck n o w l e d g eo fw i r e r o p e t h ep r i n c i p l e o f e l e c t r o m a g n e t i cn o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n o l o g y ，m a g n e t i z a t i o nm e t h o d a n dd e t e c t i n ge l e m e n t sw e r ee x p l a i n e di nd e t a i l d e s i g n i n gt h ee x c i t a t i o ns y s t e m ，b r o k e nw i r e s d e t e c t i o n s e n s o ra n d s i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t ，a n di n t r o d u c i n g t h e s i g n a la c q u i s i t i o nc h i p ， m e a n w h i l ed i s c u s s i n gt h ea n t i j a m m i n go ft h eb r o k e nw i r e s d e t e c t i o ns e n s o r ， t h es i g n a lt r a n s m i s s i o nc h a n n e l a n dt h ep c b ，a n da l s od i s c u s s i n gt h es a m p l e d d a t a sp r e t r e a t m e n t ，a n ds oo n ，i nd e t a i l f i n a l l y ，b a s e do nt h et r a i to fw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m ，u s i n gv ba s s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，c o m b i n i n gt h ed a t ab a s es o , w a r eo fa c c e s s ， a n dt h e nc o m p i l i n gt h es o f t w a r eo ft h es i g n a lp r o c e s s i n ga n dt h er e a lt i m e m o n i t o r i n g t h er e s e a r c he m p h a s i si st h ei m p r o v e m e n to ft h ee x c i t a t i o ns y s t e m ，t h e d e s i g no ft h es e n s o r sl a y o u ts c h e m e ，t h ea p p l i c a t i o no ft h ea n t i ja m m i n g t e c h n i q u et oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h eb r o k e nw i r e s s i g n a l ，t h ef r i e n d l y m a n m a c h i n ei n t e r f a c ee n h a n c e dt h em a n - - m a c h i n ei n t e r a c t i o na n dt h es i g n a l p r o c e s s i n g sa b i l i t y k e y w o r d s ：s t e e lw i r er o p e ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，h a l ls e n s o r ， b r o k e nw i r e s ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，m a n m a c h i n ei n t e r f a c e 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果：本论文对钢丝绳探伤仪励磁回路理论 进行了深入研究、对检测元件的布置方案进行了改进设计并对检 测系统进行了系统地抗干扰分析、最终开发出一种能够实现对被 测钢丝绳进行可靠性分析的分析软件。 尽我所知，到目前为止国内外文献未见与本研究结论相同的 报道。 作者：逐釜噩= 日期： 2 0 0 5 1 1 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 绪论 1 1课题概述 1 1 1课题的提出 钢丝绳作为最重要的绕性构件之一，因其具有抗拉强度和抗疲劳强度 高、白重轻、弹性好、工作平稳可靠、承受动载和过载能力强以及在高速 工作条件下运行和卷绕无噪声等许多优点，在矿产、冶金、交通、建筑、 旅游等国民经济主要行业和部门的提升、运输及牵引等设备中得到广泛的 应用，如各类起重机、货运客运索道、电梯、矿井提升机等都大量地使用 钢丝绳。然而，钢丝绳作为一种工程承载构件，它在使用过程中，由于种 种原因必然会发生疲劳、锈蚀、磨损甚至骤断等现象，其操作程序及承载 能力直接关系到设备及人身安全。为了防患于未然，许多国家早就针对钢 丝绳的使用问题制订了相应的行业安全规程和国家检测标准【卜3 1 。但是近 几十年来因钢丝绳破断而造成的事故仍然时有发生，如1 9 9 0 年前苏联第 比利斯登山索道钢丝绳断裂，造成5 5 人伤亡：1 9 9 0 年武昌造船厂一大型 浮吊船因系泊钢丝绳断裂而失控，下漂撞至武汉长江大桥4 号墩，造成大 桥局部损伤的长期隐患；2 0 0 4 年5 月1 4 日，山东曲阜天幕工程有限公司 施工的洛阳市凯瑞君临广场幕墙及钢结构装饰工程发生的吊篮钢丝绳断 裂事故，造成3 人死亡；2 0 0 4 年1 2 月8 日，在山东省烟台市莱州县海庙 镇莱州海庙港船停泊码头吊装扇贝作业过程中，吊臂的变幅钢丝绳突然断 裂，导致吊臂坠落，砸中船上4 人，导致3 人当场死亡，1 人重伤，经抢 救无效后死亡。之所以造成这样的事故，其中一方面是由于目前尚缺乏可 靠的钢丝绳状态检测手段和评价标准，另一方面是由于现有检测仪器的准 确性和可靠性不足，即使采用仪器检测的钢丝绳使用部门，其断绳等事故 仍然时有发生。目前，我国一般采用人工目视检查和定期强制更换钢丝绳 的办法来保证安全生产。这种方法不仅不能及时更换掉由于各种偶然因素 而造成严重损伤的钢丝绳，而且很多时候还报废了仍有使用价值的钢丝绳 而造成巨大的浪费。生产现场调查显示，约有2 0 的钢丝绳，其强度下降 3 0 却仍在使用，约有7 0 的钢丝绳，其强度损失很少甚至没有损失却被 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 强制更换。因而研制先进的钢丝绳无损探伤检测仪器具有重大的经济效益 和社会效益。 多年来，人们一直在探索检测钢丝绳缺陷的各种方法，努力使钢丝绳 尽可能延长使用寿命，又要确保在钢丝绳发生破断之前及时地更换下来。 但由于钢丝绳结构的复杂性，工作环境的多样性，检测方法的局限性，使 得钢丝绳缺陷检测非常困难，到目前为止，几乎没有一种检测方法或仪器 装置完全满足实际检测的使用要求。近年来，随着人们对钢丝绳结构型式、 制造工艺和材料的深入研究，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，增加了损 伤检测的技术难度。 另一方面，随着社会经济的高速发展，港口、矿山、建筑及其它行业 的起重牵引设备日趋大型化，钢丝绳越来越长，直径不断增大。人工日视 检查法已难以满足现代化设备与设施对钢丝绳检测诊断的工作要求，而目 前己有的钢丝绳无损检测存在的主要问题是检测的可靠性低，智能化程度 低，人为因素的影响大，检测结果缺少客观性，而且提供的钢丝绳断丝损 伤信息不完全，无法对钢丝绳的断丝损伤做出完整地估计。因此，需要在 现有探伤仪的基础上研制出高性能、高可靠性的智能化检测仪器来适应检 测的要求。 本论文所以选定“钢丝绳探伤理论探讨及开发研究”作为研究的主要 方向，正是基于上述技术现状与发展的需求。 1 1 2 课题的目的和意义 本课题的目的有以下两个方面： ( 1 ) 在理论方面，针对目前钢丝绳缺陷检测技术在原理上存在的问题， 特别针对矿用及港口用钢丝绳进行深入地理论分析和研究，并以此为基 础，开发和完善钢丝绳缺陷检测的应用技术，提高钢丝绳缺陷检测的智能 化程度，尽量避免人为因素的影响。 ( 2 ) 在实践方面，针对目前钢丝绳缺陷检测技术在实际应用中所存在 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 的一些问题，结合我院现有的实验设备，做大量的实验，对钢丝绳的断丝 损伤作出比较全面地估计，设计并开发出钢丝绳定量检测的仪器。 本课题的意义在于以下几个方面： ( 1 ) 在理论上本课题的研究是建立在以钢丝绳现有探伤仪为基础，多 学科相互渗透的研究策略之上的，为交叉学科地发展起着重要的作用。本 研究将对信号处理、数学算法和分析理论在设备诊断领域中应用和发展做 出贡献。 ( 2 ) 本课题的研究成果直接面向工程应用，对于开发与研制铜丝绳缺 陷定量检测装置或仪器具有重要的指导作用，促进了钢丝绳缺陷检测技术 与仪器的发展与完善，有助于各钢丝绳使用部门执行的行业安全觌程与国 家检测标准的技术配套和正确实施，从而使钢丝绳的管理更加科学。 ( 3 ) 对防止钢丝绳在使用中被破坏而造成事故有着积极的作用，同时 对于减轻钢丝绳检测人员的劳动强度也有重要的作用，减少人员伤亡和设 备的损伤，从而产生显著的社会效益。 ( 4 ) 研究成果的推广，可减少不合理更换钢丝绳而造成的大量资源浪 费，提高检测钢丝绳的准确性和速度，提高劳动生产率，从而降低设备营 运成本，提高设备的经济效益。 1 2 文献阅读综述 根据钢丝绳缺陷的不同形式，钢丝绳缺陷可分为两大类型：( 1 ) 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。( 2 ) 金属截面积损失型 ( l o s so f m e t a l l i cc r o s s 二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伤，主要包括磨损、锈蚀、绳径缩细等 4 - 6 1 。 1 2 1钢丝绳无损检测技术的分类 传统的钢丝绳检测方法是人工目视挂纱检查断丝，用卡尺测量直径。 当钢丝绳表面发生断丝时，由于应力的作用使它向外发散，从而使断丝露 出绳外，这样，最明显、也是最原始的方法人工目视检查法( 国外称之 辽宁工程技术大学硕士学位论文 为r a g a n d v i s u a l ) 应运而生。人工目视检查是这样进行的：检测人员站在 钢丝绳旁，手抓棉纱并捋摸钢丝绳，钢丝绳以检测速度运行，若出现挂纱， 则疑为断丝并将钢丝绳停止在该位置仔细观察。这种方法只能检查外部断 丝，且断丝须向外翘起，同时速度还不能太快，但又不可太慢，因为太慢 将会影响工作效率，另外工作人员还需精神高度集中，劳动强度较大。因 此这种方法有许多不足之处。尽管这种方法对现代工艺制造的钢丝绳检查 效果越来越不理想，但目前许多钢丝绳用户仍然沿用此方法。 随着钢丝绳生产工艺和材料的发展，钢丝绳的结构越来越复杂，钢丝 绳的缺陷状态也越来越表现为多样性和复杂性，缺陷检测的难度不断增 大；另一方面，钢丝绳的润滑使得其表面形成较厚的油泥，这些均给人工 目视检查带来了困难。在这种情况下，人工目视检查只得对钢丝绳逐段清 洗后仔细观察，虽然如此，钢丝绳内部缺陷仍无法发现，这就要求研究其 它的钢丝绳检测方法。 钢丝绳无损检测技术正是在不破坏钢丝绳结构的情况下，应用一定的 检测方法对钢丝绳的机械性能、内部结构、工作状态进行检测，并依据检 测结果和一定的准则对钢丝绳技术状态做出评估。钢丝绳无损检测技术的 方法和原理有十几种之多，表l 一1 列出了一些主要方法。有些检测方法由 于原理上或技术上的限制很难在工程中应用，现在还仅处于实验室研究 中。目前，能在工程中推广使用的主要是电磁检测法。 1 2 2钢丝绳无损检测技术的发展简史 在2 0 世纪初钢丝绳无损检测技术已经有了初步的应用，1 9 0 6 年南非 人c e m e c a n n 和r c o l s o n 共同研制了第一台钢丝绳电磁无损检测仪，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，则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，就可以按顺 序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。由于集肤效应，这种方法测量精度很差，钢丝绳检 测仪器容易发热，而且每次测量都要把线圈缠绕在钢丝绳上，所以很难在 工程中推广使用。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表1 1 钢丝绳无损检测技术 8 - 1 3 1 方法测量原理表现方式优点缺点 固体声测在断丝发生瞬信号波形能连续自动记成本高，仅用于 法间记录纵向脉录断丝试验室 冲分量 光学法c c d 摄像头检缺陷图像检测精度高设备费用高，且 测钢丝绳表面受油泥影响 声学检测敲击钢丝绳直接分析结一种简易方法测量片面，表达 法果力差 电磁检测测量漏磁场的信号波形能测量断丝、磨损、断丝难以 法磁场强度锈蚀等同时检测 测量主磁场的信号波形能测量钢丝绳不宜用于检测断 磁通量磨损丝 x 射线用强x 或y 射拍摄照片能确知断丝成本高，不能连 线垂直于绳轴续测量 照射 磁致伸缩磁致伸缩效应信号波形检测效率高分辨率不够 法 电涡流法电涡流效应信号波形可检测断丝、集肤效应使得信 锈蚀噪比低 振动法振动波在绳中信号波形可检测出金属对缺陷的分辨率 传播截面积变化不够 超声波法超声波在介质回波图线分测量断丝操作复杂，信噪 中传播析比低 人工目测人工观察极低无记录，直简单，能确定费时、费事，人 法速度运行的钢接分析表面损伤为因素影响大 缆绳表面 2 0 世纪2 0 4 0 年代，德国科学家研制出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漏磁场，可以发现钢 丝绳上的局部损伤缺陷。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 u r 发 明了分离式径向感应线圈之后，才被有效应用。由于采用的是直流( d c ) 励 辽宁工程技术大学硕士学位论文 磁，故称为d c 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，因而也阻碍了它在实际 应用中的推广。这一时期形成的钢丝绳无损检测技术和仪器均很不成熟， 研究工作处于钢丝绳无损检测技术的探索阶段。 2 0 世纪6 0 8 0 年代中期，各国学者针对钢丝绳检测在原理和实践中 存在的问题进行了广泛而深入地研究，取得了较大的进展，从而使钢丝绳 检测技术进入了一个新的阶段。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地研究，取得了一系 列成果。集中表现在：励磁装置改用强永久磁铁，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 型钢丝绳探伤 仪。这一时期的研究重点放在如何得到稳定的、可靠的、明显的铜丝绳缺 陷信息的检测方法和装置上。测得的信号主要进行模拟信号分析，记录方 式是笔式记录仪或磁带记录。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。同时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。 磁铁 图1 1积分线圈检测l m a 2 0 世纪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 成电路快速发展地带动下，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，信号处理装置向集成化、数字化方向发展，整个检测仪 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 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【1 4 18 1 深入研究了钢丝绳的各种检测装置，对检测线圈又做了进一步地改 进，增加了积分电路，如图1 1 所示。 这种检测装置可定量检测钢丝绳截面积损失，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 19 2 4 1 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1 2 、图1 3 所示，他通过大 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。 磁铁 聚磁环蓑尔嚣件 图1 2霍尔组件检测漏磁通 磁铁 尔元件 铜丝绳 图1 3霍尔组件检测主磁通 我国在这一时期，也取得了一系列的成果。华中科技大学杨叔子、康 宜华等学者 2 5 2 8 1 从8 0 年代开始研究钢丝绳断丝检测技术。他们采用稀土 辽宁工程技术大学硕士学位论文 永久磁铁作为励磁装置，用集成霍尔组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，在计算机中采用差分门限法识别断丝信 号。在广泛研究的成果之上开发了g d j y 、m 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做 出了贡献。同期，辽宁工程技术大学朴承风、熊永超、谭继文等学者研制 出了g d t 型钢丝绳定量探伤仪。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 型钢丝绳探伤仪，在消化其关键技术的基础之 上，利用单片机系统研制成功了g s t 型钢丝绳探伤仪，该仪器可同时进行 l m a 和l f 检测。我国其它一些单位也做了钢丝绳缺陷检测的探索工作， 河南洛阳涧西矿业机电研究所研究成功了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【2 9 】【30 1 。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 3 1 】【32 1 。但这些单位的工作限于实验室研究， 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 得一系列成果外，各国学者积极探讨新的钢丝绳缺陷检测方法。在此之前 的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。 19 8 4 年，英国j l t a y l o r 与n f c a s e y 通过大量的试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( 如水里) 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直径，用 一激光束沿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gl 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作了实验研究。1 9 9 4 年h k u w n 又对 基于磁致伸缩效应检测钢丝绳缺陷的原理作了深入研究，取得了一定的进 展 3 3 - 3 6 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试验 研究。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 1 2 3钢丝绳电磁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技术状态 进行评估等问题。 ( 1 ) 关于钢丝绳l f 缺陷定量检测虽然l f 缺陷包括：断丝、点蚀、 局部变形等较短尺度的缺陷，但l f 定量检测主要是指钢丝绳断丝的根数 判别。目前对断丝的检测主要是基于霍尔元件的漏磁通法。其原理是测量 钢丝绳断丝后断口向外扩散的漏磁通大小，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、霍尔元件的性能及布置情况、 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，则比较容易判别。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，所检测到的断丝漏磁通峰一峰值大小并不随断丝根数呈 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，华中科技大学研制的m t c 型钢丝绳缺陷检测仪被认为是国内较好 的一种断丝检测仪，所采用的断丝判别方法是一种基于模型化的统计判别 法。即先取得检测钢丝绳某一根断丝的漏磁通峰一峰值的门限值，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。从以上看，这种方法的误差是显而易见的：门 限值确定的本身就存在人为因素，断丝在不同位置或断口尺寸不同，漏磁 通的大小不会一样。这样，门限值的确定就存在随意性。当然，在一定误 差范围内，通过采取一些措旌，还是可以提高断丝检测精度的。如对不同 直径、不同结构的钢丝绳，使用断丝磁检测探头，做大量的各种断丝模式 和其它缺陷模式的实验，对检测曲线深入分析，研究各种缺陷模式与磁信 号之间的复杂关系，建立检测模型，制定合理的缺陷判别方法等。从目前 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 发表的文献看，钢丝绳单根钢丝断丝磁信号研究得较多，而集中断丝磁信 号特征的研究文献尚不多见。 ( 2 ) 关于钢丝绳金属截面积损失l m a 定量检测由于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，同时可以通过基于霍尔元件的漏磁通法间接测量l m a 18 儿2 0 儿2 4 】f 3 扪。检 测l m a 的主要问题是定量检测分辨率问题，即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整根钢丝绳的强度。检测探头分辨率的高低是 极为关键的性能指标。如何提高探头的l m a 轴向定量检测分辨率，是一 个应该深入研究的问题。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 。基准值选取的 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一段钢丝绳。 ( 3 ) 关于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 机的检测仪器又过分依赖于 p c 机，不利于做成便携式仪器在现场检测，而且，检测结果受人为检测 速度的影响较大。另外，钢丝绳缺陷数据采集系统的可更新性较差，当研 制更先进的数据采集系统时，必须切从头开始研制，浪费了大量的时间 和经费，开发周期较长。 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 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1 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地 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组件的检测探 头做深入地机理研究，在实验室和工业现场做了大量实验，筹建钢丝绳检 测数据库，对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组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的基础上，近几年对基于永久磁铁和 霍尔组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。 综上所述，钢丝绳磁检测技术正向着多功能、高精度、操作简单、智 能化、计算机辅助检测方向发展 3 7 - 3s l 。 1 3 本论文的主要研究工作 本学位论文在吸取前人研究成果的基础上，从四个方面对钢丝绳断丝 损伤的智能化检测技术及仪器进行了研究：( 1 ) 钢丝绳的检测原理：( 2 ) 钢丝 绳断丝检测系统的硬件实现方法；( 3 ) 信号特征提取方法；( 4 ) 钢丝绳断丝检 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 测分析系统功能介绍及界面设计。 具体章节安排如下： ( 1 ) 第二章论述了钢丝绳结构及断丝缺陷特征，详细讨论了基于漏磁 原理的传感器检测技术，提出了福斯特模型，介绍了霍尔元件的定向响应 特性，为钢丝绳缺陷检测提供了理论依据。 ( 2 ) 第三章提出了钢丝绳断丝检测系统的硬件设计方案，并重点阐述 了励磁回路设计、检测元件的布置方案和数据处理系统中各功能模块的设 计思路、选型原则及功能实现原理。 ( 3 ) 第四章对钢丝绳检测系统的抗干扰技术作了详细地描述，对检测 传感器、信号传输通道、p c b 板与信号预处理的抗干扰技术分别进行了具 体介绍。 ( 4 ) 第五章利用v b 和a c c e s s 软件设计了钢丝绳断丝检测分析系统 的友好人机界面，实现了对被测钢丝绳的可靠性分析。 ( 5 ) 第六章针对本学位课题有关内容进行了总结，给出了本文研究的 主要结论。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 钢丝绳检测的基础知识与原理 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 组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 检测方法在钢丝绳检测中得到了有效使用。 随着钢丝绳的安全运行越来越被重视，铜丝绳运行状况r 包括断丝、磨 损、锈蚀等) 的无损检测研究得到迅速发展。在钢丝绳检测的许多方法中， 国内外公认的可靠且实用的方法是漏磁通检测方法。 2 1 钢丝绳结构 钢丝绳是将若干根钢丝按一定规贝 j 捻制成一个致密并具有强大抗拉 断力的柔软的螺旋状钢丝束。它先由钢丝捻成绳股，再由绳股捻制成绳。 因此，其结构主要由钢丝、绳股和绳芯组成【39 1 。 钢丝绳是起重机上应用最广泛的绕性构件，它具有卷绕性好、承载能 力大、卷绕平稳等优点，而且绳股钢丝断裂也是逐渐发生的，一般不会突 然发生整根钢丝绳断裂，故工作时比较可靠、稳定。 2 1 1钢丝绳的构造1 4 0 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 0 5 0 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 r a m 的高强度( 约为1 0 0 02 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相同拉伸强度的钢棒制作的构件高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l 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 多样，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绳股，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，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【4 。标准制品 的钢丝直径为0 1 5 r a m ，钢丝绳的直径范围为0 ，6 1 2 0 r a m ，对于特殊用 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 途的钢丝绳，如大型斜拉桥承载用钢丝绳，其绳径较大。 2 1 2钢丝绳的类型 根据钢丝绳捻绕的次数不同，可把钢丝绳分为单绕绳、双绕绳、三绕 绳。 ( 1 ) 单绕绳：由若干断面相同或不同的钢丝一次捻制而成。 ( 2 ) 双绕绳：先由钢丝绕成股，再用股绕成绳。 ( 3 ) 三绕绳：把双绕绳作为股，再用股绕成绳。 根据钢丝绳捻绕的方向分为：顺绕绳、交绕绳、混绕绳。 ( 1 ) 顺绕绳：由钢丝绕成股和由股绕成绳的绕向相同。 ( 2 ) 交绕绳：由钢丝绕成股和由股绕成绳的绕向相反。 ( 3 ) 混绕绳：由两种相反绕向的股绕成的绳。 另外，根据钢丝在股中的接触状态不同可分为点接触绳、线接触绳、 面接触绳及异型绳等四类39 1 。 2 2钢丝绳断丝缺陷及报废标准 起重机用钢丝绳的一般破坏过程及特征是：钢丝绳通过卷绕系统时要 反复弯曲和伸直，并与滑轮或卷筒槽摩擦，工作条件愈恶劣，工作愈频繁， 此现象就会愈严重。随着使用时问的持续，钢丝绳股内的钢丝不同程度的 发生弯曲疲劳与磨损，表层的钢丝逐渐折断；折断钢丝的数量越多，其他 未断钢丝的拉力越大，疲劳与磨损更加剧烈，断丝速度亦越快。当断丝发 展到一定程度，钢丝绳开始丧失承载的安全性，这时就应报废而更换新绳。 2 2 1钢丝绳断丝缺陷的分类及其特征1 4 2 1 钢丝绳断丝是一种较常见的钢丝绳缺陷。断丝一般可分为：疲劳断丝、 磨损断丝、锈蚀断丝、剪切断丝以及过载断丝和扭结断丝等，后两种断丝 是属于事故状态下发生的。 ( 1 ) 疲劳断丝：钢丝绳绕过滑轮或卷筒时，在允许应力作用下承受一 定反复弯曲次数后，钢丝由于金属疲劳而引起的断丝。卷绕钢丝绳在每一 个工作循环中实际承受的是疲劳载荷，并且钢丝绳中每根钢丝上绕经滑轮 或卷筒时的作用力实际上有交变应力的成分。疲劳断丝出现在股的弯曲程 度最厉害的一侧的外层钢丝上，如果出现这种断丝，意味着钢丝绳已经接 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 近使用后期，应特别注意加强检查。 ( 2 ) 磨损断丝：这种断丝是在钢丝磨损极其严重时才会出现。钢丝绳 中股与股之问是相互捻紧的，在受轴向力的作用下，股内钢丝的变形可以 看成同步的，但股与股之间却存在相互错动，其错动是微小的，为微动。 因此，钢丝绳中的钢丝实际上是出于微动磨损环境下产生微动磨损疲劳而 产生断裂的。 ( 3 ) 锈蚀断丝：锈蚀严重的钢丝绳在使用后期会出现这种断丝。这种 断丝形状不整齐，呈针尖状。 ( 4 ) 剪切断丝：一般是钢丝在某一拐角上被硬性拉断。断口形状呈剪 切状。如果是先断那一股中，这种断丝数量较多，就说明在某一角度上受 阻力较大。 ( 5 ) 过载断丝：是钢丝绳承受过载负荷或冲击力过大所造成的，这种 现象在一般正常使用过程中很少出现。单纯的过载钢丝破断部位分散，伴 有冲击、折弯又易集中在一股断。 ( 6 ) 扭结断丝：这种现象在一般正常使用过程中不会出现，它是在钢 丝绳由于出现松弛造成扭结后才出现。断口平整光滑类似镜面。 这种以断丝为主的钢丝绳局部缺陷英文简称l f ( l o c a l i z e df a u l t ) 。钢 丝绳缺陷除l f 模式外，还有l m a 模式( l o s so fm e t a l l i cc r o s s s e c t i o n a l a r e a ) ，即钢丝绳金属截面积损失，它是指钢丝由于疲劳磨损、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，甚至于出现钢丝绳的断裂，导致事故的发生。 目前在港口、矿山、车站、冶金、建筑、煤矿、机械制造等部门的各 类起重机械i 提升设备中主要应用6 股和8 股的钢丝绳，根据与钢质滑轮 配套使用的实际情况和钢丝绳疲劳实验结果，6 胶和8 股钢丝绳的断丝主 要发生在外表。基于以上原因，本论文将对l f ( 断丝为主1 的检测作为研究 的重点。 2 2 2 钢丝绳断丝数报废标准( 摘自g b 5 7 9 2 8 6 ) 钢丝绳断丝数报废标准主要有在规定绳长6 d 和3 0 d ( d 为钢丝绳直 径，r a m ) 范围内的断丝数决定。钢丝绳断丝数达到表2 1 所规定的数量， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 就必须予以报废。 表2 1 钢丝绳断丝数报废标准 起重机械中钢丝绳必须报废时与疲劳有关的断丝数 外层绳 钢丝绳 机构工件级别机构工作级别 股承载 结构 m 1 、m 2m 3 ，m 4 、m 5 ，m 6 、m 7 、m 8 的典型 交捻 顺捻交捻顺捻 钢丝数 例子 长度范围长度范围 6 d3 0 d6 d3 0 d6 d3 0 d6 d 3 0 d 5 06 7241248 24 5 1 7 56 9 w 362361 23 6 1 8 x 7 6 1 0 07 ( 1 2 外482481 54 8 股1 6 1 9 10 1 1 2 0 6 1 9 s 510251 01 951 0 6 1 9 w 1 2 l 1 4 06 v 2 1 6l l361 12 26 1 1 8 19 w 】4 1 1 6 0 61 3361 32 6613 8 1 9 s 6 v 3 0 1 6 l 1 8 0 71 447142 97 1 4 6 x 2 9 f i 18 1 2 0 08 2 5 f i 81 648163 281 6 2 0 1 2 2 081849183 89 l8 6 3 6 s w 6 3 7 2 2 1 2 4 0 + 1 01 951 0193 8918 6 3 7 s 2 4 1 2 6 01 02 151 02 l4 21 0 2 1 2 6 l 2 8 0 1 12 261 12 24 51 12 2 2 8 l 3 0 01 22 46l22 44 81 2 2 4 18 1 9 3 0 00 0 4 no 0 8 no 0 2 n0 0 4 r lo 0 8 n0 0 1 6 n0 0 4 n o 0 8 n 18 x 1 9 w 注：d 一钢丝绳直径：填充钢丝不能看作承载钢丝，因此要从检验数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 中扣除；多层钢丝绳仅考虑可见的外层绳股；带钢芯的钢丝绳，其绳芯看 作内部绳股而不予考虑。 此外，当钢丝绳有1 根绳股破断或外层钢丝磨损达到其直径的4 0 ， 或当钢丝绳直径相对于公称直径减小7 以上时，应予以报废。 2 3 无损电磁检测原理【4 3 】 铁磁性材料的磁导率比空气的磁导率至少丈1 0 0 倍，磁检测( m a g n e t i c t e s t i n g ) 原理正是基于这样的特性进行的。当用一定的励磁装置将被检测的 铁磁材料磁化到临界饱和状态，一旦铁磁材料表面和内部出现缺陷时，由 于铁磁材料局部磁导率降低( 磁阻增加) ，一部分磁场将会从铁磁材料中外 泄出来，这一外泄的漏磁场( m a g n e t i cl e a k a g ef l u x ) 将被传感器检测出来， 如图2 一l 所示。 s 一传感器 玲一漏磁场 图2 1漏磁检测原理 当材料中的磁力线遇到外面或内部缺陷产生的材料间断时，磁力线将 会发生聚集( 畸变) 从而引起可被检测的漏磁变化。如图2 - 2 所示是两种缺 陷：外部缺陷( e x t e r n a ld e f e e t ) 茅g 内部缺陷( i n t e r n a ld e f e c t ) ；精磁检测信号的 特征。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 el 门八 u s 汹 一 一 篷鱼釜、惚季闲 丘苗划翱 图2 - 2内、外部缺陷产生的磁场分布及其检测信号 铁磁性材料的磁化特性曲线如图2 3 所示。其中a b e d 为磁化特性曲线， d e f 为退磁曲线，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 e d 曲线和d e f 曲线。 嚣一 澍磁 一线， 厂 fj 建 j h c 少酸一 g 一 图2 - 3 铁磁材料的磁特性曲线 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 从曲线图可以看出，磁化力h 从a 点( o 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( 瑞利区) ，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。此时有两个过程同时发生， 即那些与h 成较大夹角排列的磁畴重新趋向于与h 方向更接近的排列，并 且那些与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 b 量的增长越来越小。现在，这第二个机制，即磁畴生长机制，处于磁化 过程的支配地位。在此直至d 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。d 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) ，这就是剩磁，即h = 0 时的磁通密度。剩磁对晶体结构、材料应力和缺陷密度程度非常敏感，这 些因素都有使磁通趋向于磁饱和的倾向。当h 缓慢倒向时，最初存在h 为 负而b 为正的局面。铁磁材料可以维持这种退磁状态，直至它不能再维持 磁通为止，此时外加的磁场有足够能量去克服维持磁通的力。当这种情况 发生时，h 的微小增量就能使磁通倒向并几乎达到反向饱和。将磁通密度 降至零所需的h 值称为矫顽磁力h c 。 b h 的比值定义为材料的磁导率。在国际单位制中，它被描述为： n 鲁= 胁( 2 - 1 ) 门 式中风自由空间磁导率 相对磁导率 材料的磁导率本身没有意义，但在特定的h 或b 值下，其数值却是有 意义的。在磁性无损检测中不连续的附近局部地区的b 和h 的数值可能改 变，这样可通过漏磁通检测方法来评定材料的缺陷尺寸。在作剩磁场检查 时，必须确知被检测对象已被充分磁化，可在缺陷处产生漏磁场。 福斯特模型是漏磁通检测技术的理论基础。如图2 - 4 所示，在气隙中 的磁场强度h 。是均匀的，磁场强度或漏磁通随着距狭缝口的距离增大而 减小。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 y 皿出 气辕 图2 - 4 福斯特理论示意图 在被检测对象上方的泄漏磁通可由下式给出： 致= ( 等 ( 寿) 也仞 和 马_ ( 等 ( 南) 陋s ， 式中日。气隙中的磁场强度 三。气隙宽度 在气隙正上方的漏磁场大小可由式(