（机械设计及理论专业论文）钢丝绳损伤的电磁检测技术与系统的研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 钢丝绳作为牵引、承载的关键构件被广泛应用于矿山、冶金、高层建筑提升、 交通运输、港口、旅游等国民经济建设的各个领域，并发挥着重要的作用。钢丝 绳在工作过程中，不可避免地会产生诸如断丝、磨损、锈蚀等各种损伤，从而导 致其强度降低，甚至突然破坏。一旦发生断绳事故，经济损失惨重，社会影响巨 大。因此，钢丝绳损伤检测已被世界各国高度重视，成为世界性的，既有理论意 义又有实用价值的重要研究课题。 对钢丝绳进行饱和励磁是能够准确检测到钢丝绳损伤信号的前提。本文基于 磁路和磁场理论，建立了钢丝绳损伤的磁路计算模型，对影响励磁器性能的各种 因素进行了分析，设计制作了直流励磁器。在此基础上，采用了高性能的集成霍 尔元件a h 3 5 0 3 对钢丝绳损伤漏磁场进行检测，设计出了信号预处理电路，通过 对信号的傅立叶分析和小波分析，确定了抗混滤波电路的有关参数，开发出了磁 检测器、预处理电路和以a t 8 9 c 5 1 为核心的串行通讯的数据采集( 下位机) 系统。 基于虚拟仪器技术开发了以l a b v i e w 软件为平台的钢丝绳损伤检测虚拟仪器 ( 上位机) 系统。该系统采用了自上而下的模块化程序设计思想，用户可以在上 位机实现对钢丝绳损伤检测过程的操作与控制，包括损伤信号的采集、分析处理 以及结果存取显示的操作。虚拟仪器的具体模块包括：主界面、数据采集控制、 通道测试、数字滤波、时域分析、频域分析等，实现了在不增加硬件设备的情况 下，同样可以实现对钢丝绳损伤信号进行采集、分析和处理的目的。 本论文所研发的检测系统具有稳定可靠、界面友好直观、操作方便、设计灵 活、自动化程度高的特点。用户可以通过计算机轻松的控制整个检测过程，并可 根据钢丝绳检测的需要，进行系统的扩展和修改。 关键词钢丝绳；霍尔元件；a t 8 9 c 5 1 ；数据采集；l a b v i e w 童坌堡三奎耋三耋堡圭耋堡墼圣 a b s t r a c t a sak e yp a r to f h o i s ta n dt m n s p o r t i o ne q u i p m e n t s ，t h es t e e lw i r ei sw i d e l yu s e di n s u c hal o to fp r o j e c tp r a c t i c e sa sm i n e ，m e t a l l u r g y , h o i s t ，t r a n s p o r t a t i o n , p o r t ，t o u r i s m a n d p l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l e d u r i n gr u n n i n g , t h e r ea l em a n yd a n m i f i c a t i o n ss u c ha s b r o k e nw i r e s ，a b r a t i o na n de r o s i o np r o d u c e di ns t e e lw i r e s ，f o rt h eu n c e r t a i n t yo f l o a d i t c a l k q e sl o w e r i n gi t si n t e n s i t yo re v e nc a u s e s s u d d e n l yc r a s h , f l ot h ee c o n o m yh a s s u f f e r e dh u g el o s s e s ，a n dat r e m e n d o u si m p a c to nt h ec o m m u n i t y t h e r e f o r e ，s t e e l w i r e sd a m a g ed e t e c t i o nh a sb e e na t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et ot h ec o u n t r i e si nt h e w o r l d , t ob e c o m eaw o r l d - w i d ep h e n o m e n o n , b o lt h e o r e t i c a la sw e l la sp r a c t i c a lv a l u e o f t h ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c s a t u r a t e de x c i t a t i o nt os t e e lw i r e si sap r e m i s eo fa c c u r a t l yd e t e c t i n gt h es i g n a lo f s t e e lw i r e s d a m a g e t h i sp a p e re s t a b l i s h ss t e e lw i r e s m a g n e t i cd e t e c t i o nm o d e lw h i c h i sb a s e do nt h em a g n e t i cc i r c u i ta n dt h em a g n e t i cf i e l dt h e o r y , a n a l y s e st h ev a r i o u s f a c t o r sw h i c hi m p a c to i lt h ep e r f o r m a n c eo f e x c i t a t i o nd e v i c e ，d e s i g n sa n dp r o d u c e st h e d ce x c i t a t i o nd e v i c e o nt h i sb a s i s , u s i n gt h eh i g h - p e r f o r m a n c ei n t e g r a t e dh a l le l e m e n t a h 3 5 0 3t od e t e c ts t e e lw i l e s l e a k i n gm a g n e t i cf i e l d ，a n dd e s i g ns i g n a lp r e p r o c e s s i n g c i r c u i t b yf o u r i e ra n a l y s i so ft h es i g n a la n dw a v e l e ta n a l y s i s ，t h ea n t i f i l t e rc u t o f f f r e q u e n c yi sd e r t e r m i n e d , t h em a g n e t i cd e t e c t o r , t h ep r e t r c a t m e n tc i r c u i ta n dt h ed a t a a c q u i s i t i o n ( c r e w ) s y s t e mb a s e do ns e r i a lc o m m u n i c a t i o n sa n da t 8 9 c 51 a r ea l s o d e v e l o p e d w i t hc o m p u t e ra n ds o f t w a r e t e c h n o l o g y sd e v e l o p m e n t , v i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g yi sg r a d u a l l yb e c o m i n gt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft e s ta r e a si nt h ef u t u r e , b e c a u s eo fi t sp o w e r f u lc a l c u l a t i o nc a p a b i l i t i e s ，v i s u a l i z a t i o n , f l e x i b i l i t ya n dt h e c h a r a c t e ro f ”s o f t w a r et h a ti st h ee q u i p m e n t ”t h i sp a p e rd e v e l o p sas t e e lw i r e s d a m a g e d e t e c t i o n ( p c ) s y s t e mw h i c ht a k e sl a b v i e ws o f t w a r ea sap l a t f o r m t h es y s t e mu s e sa t o p - d o w n ，m o d u l a rd e s i g np r o c e s s u s e r sc a n8 i c h i e v et h eo p e r a t i o ns u c ha ss i g n a l a c q u i s i t i o n , p r o c e s s i n ga n da n a l y s i so ft h er e s u l t si np c i t ss p e c i f i cm o d u l e si n c l u d e ： t h em a i ni n t e r f a c e , d a t aa c q u i s i t i o n , t e s ta c c e s s ，c u g i t a lf i l t e r i n g ，t i m e - d o m a i na n a l y s i s a n df i - e q u e u c yd o m a i na n a l y s i s 重鱼矍三奎耋三兰堡圭耋堡堡圣 t h ed e t e c t i o ns y s t e mw h i c hd e v e l o p e di nt h i sp a p e ri ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，h a s f r i e n d l ya n di n t u i t i v ei n t e r f a c e ，i so p e r a t e de a s i l y ，d e s i g n sf l e x i b i l i t y ，a n dh a sh i g h d e g r e eo fa u t o m a t i o n u s e r sc a ne a s i l yc o n t r o lt h ee n t i r et e s t i n gp r o c e s sb yc o m p u t e r , a l s oc a ne x t e n da n dm o d i f yt h es y s t e ma c c o r d i n gt od e t e c t i o n sr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：w i r er o p e s ，h a l ls e l l s o r , a t 8 9 c 5 1 ，d a t aa c q u i s i t i o n , l a b v i e w i l l 重皇堡三奎耋三量堡圭主堡堡圣 第1 章绪论 1 1 本课题的来源 本学位论文的研究来源于国家自然科学基金资助项目“钢丝绳安全检测新原 理与新技术研究”( 项耳编号：5 0 4 7 5 1 6 6 ) 1 2 课题的提出 钢丝绳是工程中应用极为广泛的一种绕性构件。它具有强度高、自重轻、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，在矿山、冶金、交通、建筑、旅游等国民经济各行业和部门 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，在使用的过程中必然会发生 疲劳、断丝、锈蚀、磨损甚至骤断现象，它的损伤情况和承载能力时刻关系到设 备和人身安全。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1 】【2 】。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 2 年陕西榆林金牛煤 矿的罐笼提升钢丝绳突然断裂，造成四名矿工当场死亡。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。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。这种方法不仅报废了仍有使用价 值的钢丝绳而造成巨大的浪费，而且不能及时更换由于各种偶然因素严重损伤的 钢丝绳，形成事故隐患。因此，研究钢丝绳安全检测技术，开发实用的钢丝绳无 损检测仪器，其理论意义重大，经济效益和社会效益可观。 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，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使用要求。 本论文之所以选定“钢丝绳损伤的电磁检测技术与系统的研究”作为研究的 童墅堡三奎童三耋堡圭耋堡垒塞 主要方向，正是基于上述技术现状与发展的需求。 1 3 本课题的目的 本课题研究的目的有以下两个方面： ( 1 ) 在理论方面，针对目前钢丝绳损伤检测技术在原理上存在的问题，特 别针对矿山用钢丝绳损伤进行深入地分析和研究，并以此为基础，进一步完善钢 丝绳损伤检测的理论和应用技术，提高钢丝绳损伤检测的智能化程度。 ( 2 ) 在实践方面，针对目前钢丝绳损伤检测技术在实际应用中所存在的一 些问题，通过实验研究，对钢丝绳的断丝损伤作出比较全面地估计。 1 4 本课题研究的意义 ( 1 ) 在理论上本课题的研究是建立在多学科相互渗透的研究基础之上的， 为交叉学科的发展起着重要的作用。本研究将对信号处理、信号分析理论在设备 诊断领域中应用和发展作出贡献。 ( 2 ) 本课题的研究成果直接面向工程应用，对于开发与研制钢丝绳损伤定 量检测装置和仪器具有重要指导作用，并能够促进钢丝绳缺陷检测技术与仪器的 发展与完善，从而使钢丝绳的使用和管理更加科学。 ( 3 ) 对防止钢丝绳在使用中因损伤破坏而造成事故，减少人员伤亡和设备 损坏有着积极的作用，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，社会效益明显。 ( 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，降低设备营运成本，提高 经济效益。 1 5 钢丝绳无损检测的历史和现状 1 5 1 钢丝绳无损检测技术的分类钉刚 所谓钢丝绳无损检测，就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，并按一定准则对其评价的 过程。 最原始、最简单的无损检测方法是人工目测检测法。人工目测检测法( v i s u a l i n s p e c t i o n ) 是这样进行的：检测人员站在钢丝绳旁，手抓面纱并捋摸钢丝绳， 钢丝绳以检测速度运行，若出现挂纱，则被疑为断丝并将钢丝绳停止在该位置仔 细观察。由于该方法非常简单，故至今仍被广泛应用。然而，随着钢丝绳生产工 艺和材料的发展，制绳用的钢丝经过了预应力处理，使得钢丝断1 3 具有收敛性而 不外翘：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 视检测带来困难。在这种情况下，人工目测法只得对钢丝绳逐段仔细检查，虽然 如此，钢丝绳内部缺陷仍然无法发现，这就要求研究其他的钢丝绳检测方法。 由于人工目测检测法检测钢丝绳损伤时可靠性较差，国内外学者研究并提出 了多种钢丝绳状态检测的无损检测方法，其中具有代表性的方法列于表l 一1 中。 表1 l 几种常用的检测方法对比 检测方法测量原理 优点缺点 l 漏磁通法测量漏磁通判断短丝、点蚀等局部各种缺陷同时存在 缺陷难区分 2 主磁通法测量主磁通 测定金属截面积变化对测量时绳速敏感 3声发射法 测量钢丝绳结构测量断丝和变形仪器费用高，信噪比 变化时的弹性波 低 4 超声波法超声波在介质中测量断丝操作复杂，信噪比低 的传播 5 电蜗流法电蜗流效应可测量断丝，锈蚀 存在集效应，内部损 伤难以检测 6 电流法测量固定钢丝绳 能测定断面状况对移动钢丝绳的检 的电阻 测难度大 7x 射线法 强x 射线垂直于能确定断丝不能连续测量，测量 绳轴照射 防护费用高 s光学法c c d 摄像检测钢 检测精度高设备费用高，油泥影 丝绳表面 测量绳径变化响检测精度 在上述方法中，后面六种或因检测信号易受干扰，或因检测结果难以记录， 或因设备成本太高，或因检测性能太差，至今也没有能够走出实验室。丽电磁检 测法，是目前公认的最可靠的钢丝绳检测方法，又因该方法长期受到重视，它也 重星堡三奎耋三茎堡圭茎堡堡圣 是最为成熟的一种方法。钢丝绳大都采用导磁性能良好的高碳钢制成，很适合于 利用电磁检测法进行检测：同时，电磁检测法还具有成本低，易于实现等优点， 故而目前实用的钢丝绳检测技术和方法几乎都采用电磁检测法。 1 5 2 钢丝绳无损检测的技术发展史 最早的钢丝绳无损检测可追溯到2 0 世纪初。南非人c e m e c a n n 和1 l c o l 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。 2 0 世纪4 0 年代，德国科学家研制成另一种钢丝绳无损检测装置【5 】。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 m l e 和h m i i 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段。 2 0 世纪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，取得了较大的进展，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，取得了一系列成果嘲【刀。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。这一时期的研究重点放 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。测取的信 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。所研制的仪器庞 大、笨重，精度和智能化程度都不高，限制了它们的推广和应用。 8 0 年代至9 0 年代中后期，随着材料科学、计算机及电子集成电路的快速发 4 展，钢丝绳检测技术也有了新的发展。美国n d t 公司的h r w e i s e 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隅l ，增加了积分 电路，如图l l 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。 图i 一1 积分线圈检测l m a 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1 2 、图1 3 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。 图1 2 霍尔元件检测漏磁通 图i 一3 霍尔元件检测主磁通 重星垄三查耋三耋堡圭耋堡连圣 我国直到上个世纪六十年代才开始对钢丝绳无损检测技术的研究，目前国内 开发的钢丝绳探伤仪主要是断丝检测装置。华中理工大学的杨叔子院士等人从 8 0 年代开始重点研究了钢丝绳断丝的定量检测。他们采用电磁检测法，用永久 磁铁将钢丝绳磁化至饱和，用集成霍尔元件采集钢丝绳周围轴向的漏磁通信号， 用码盘控制采样的间距，用计算机或单片机处理数据，深入研究了励磁磁路、信 号处理的方法，并成功研制了m t c - 9 4 探伤仪，可以定性地检测钢丝绳的局部异 常缺陷。在此基础上，他们又研制了g d j y 系列钢丝绳断丝定量检测仪，并在传 感器上采用“磁聚”技术检测漏磁场，实现了漏磁探伤检测技术的突破，可以对 断丝进行定量检测。2 0 世纪8 0 年代末，洛阳涧西矿冶机电研究所成功研制了 g x t 型断丝检测装置，采用动态感应线圈检测断丝信号，主要用于检测局部损 伤。1 9 8 6 年，抚顺煤炭分院从英国引进l m a 2 5 0 型钢丝绳探伤仪并在消化其关 键技术的基础上，同哈尔滨工业大学合作，采用单片机系统，成功研制了g s t 型钢丝绳探伤仪，这是国内第一个可同时进行截面积损失( l m a ) 和局部损伤 ( l f ) 检测的探伤仅。后来，国内又陆续出现了相似类型的探伤仪。 综上所述，钢丝绳无损检测技术向着多功能、高精度、操作简单、智能化、 微控制器辅助检测的方向发展，并随着新技术的不断涌现而具备了一定的工程应 用价值，但仍不能准确的检测出钢丝绳的各种损伤，因此，世界各国相关领域的 学者都在对该课题进行不断深入的研究，这同时也为我们提供了研究方向。 1 6 本文的主要研究工作 本文主要进行了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 分析了钢丝绳的损伤形式及其相对应的漏磁场的分布，研究了饱和励 磁的实现方法，给出了励磁磁路的磁阻模型，设计出了基于直流有源励磁方式的 励磁器。 ( 2 ) 确定了以霍尔元件为磁敏元件的传感器设计方案，讨论了霍尔元件的 布置方式对钢丝绳损伤信号采集的影响，在此基础上设计并制作了钢丝绳损伤信 号采集卡。 ( 3 ) 选择了汇编语言作为编程语言，给出了钢丝绳损伤信号采集系统的下 位机程序。 ( 4 ) 研究了基于l a b v i e w 的钢丝绳损伤信号检测的虚拟仪器系统，确定了 6 童星堡三奎耋王耋堡圭茎堡堡墨 系统的软件设计方案，给出了上位机控制检测系统的整个过程。最后搭建了实 验装置，验证了测试系统的正确性和可行性。 第2 章钢丝绳结构及损伤形式分析 2 1 钢丝绳的结构和类型叫 钢丝绳是由多根直径较细的高强度的优质碳素钢丝捻制成股，再由多个绳股 围绕绳芯捻制成空间螺旋形的棒状柔性构件。由于钢丝绳中股数和捻向的不同以 及绳股中钢丝数目、直径、断面形状和排列方式的不同，钢丝绳有许多不同的类 型，图2 1 表示的是不同类型钢丝绳的断面结构。我国的国家标准钢丝绳标 记代号( g b 8 7 0 7 8 8 ) 从7 个方面规定了钢丝绳的结构、性能等参数： ( 1 ) 钢丝绳的横截面尺寸，对于圆形钢丝绳就是公称外接圆的直径。 ( 2 ) 钢丝的表面状态，有光面的和镀锌的。 ( 3 ) 结构型式，包括绳芯的类型、绳股的类型、捻向、钢丝接触情况等。 ( 4 ) 钢丝的抗拉强度r 0 ，以n r a m 2 作单位表示。 ( 5 ) 捻向，分别规定了钢丝绳的捻向和绳股的捻向。 ( 6 ) 钢丝绳的最小破断拉力f o ，以k n 作单位表示。 ( 7 ) 单位长度重量m ，以k g 1 0 0 m 作单位表示。 其中最主要的钢丝绳类型划分依据的就是钢丝绳的结构形式，下面将详细加 以介绍。 l 绳( 股) 芯 在由钢丝捻制成绳股时，一般有股芯，股芯可以由不同断面的钢丝组成。在 由绳股捻制成钢丝绳时中心有绳芯，绳芯支撑着各股，防止在正常负荷和弯曲作 用下股与股之间的挤压。绳( 股) 芯的类型和标记代号为： ( 1 ) 纤维芯( f c ) ：适于多种用途的钢丝绳，该种钢丝绳具有最大柔软性 和弹性。通常由较硬的纤维制造，有天然纤维芯( n f ) 和合成纤维芯( s f ) 两 种。天然纤维如棉芯或黄麻芯，易于储存油脂；合成纤维芯，如聚丙烯和尼龙。 ( 2 ) 金属丝绳芯( 1 w r ) ：一般为7 x 7 钢丝绳，适用于在卷筒上承受较大 压应力的场合，也适用于温度较高会损坏天然纤维和人造纤维的场合。它可提供 额外的拉力，具有较小的伸长。 ( 3 ) 金属丝股芯( 1 w s ) ：通常为7 、1 9 或3 7 根钢丝组成的股。一般用在 较小直径钢丝绳中，具有较大负载能力，较小伸长，受天气变化影响较小。 8 图2 1 不同类型的钢丝绳断面结构 2 捻次 钢丝绳可以按照钢丝在绳中的捻次分为一次捻、二次捻和三次捻。其中最常 见的形式是二次捻。 ( 1 ) 一次捻：由钢丝直接捻制成钢丝绳，而没有绳股。 ( 2 ) 二次捻：先由钢丝围绕一个股芯捻制成绳股，再由绳股围绕一个绳芯 捻制成钢丝绳。 ( 3 ) 三次捻：先由钢丝捻制成绳股，再由绳股捻制成绳，最后由细绳捻制 成粗绳。 3 捻向 按照绳股在钢丝绳中的捻向，可分为左捻绳和右捻绳。左捻绳为绳股在钢丝 绳中按左螺旋方向捻绕，右捻绳为绳股在钢丝绳中按右螺旋方向捻绕。按照钢丝 在绳股中和绳股在钢丝绳中捻向的关系，又可分为： 9 童墅堡三奎耋三誊堡圭茎堡连蚤 ( 1 ) 交叉捻( 逆捻) ：钢丝在绳股中和绳股在钢丝绳中的捻向相反。 ( 2 ) 同向捻( 顺捻) ：钢丝在绳股中和绳股在钢丝绳中的捻向相同。 两种捻法相比，同向捻的绳比较柔软，表面较光滑，与绳轮的接触面积大， 弯曲应力小，故寿命较长，但这种绳有较大的恢复力，稳定性差，易打结。交叉 捻绳则与上述特点相反。 4 钢丝接触情况 按钢丝在股中互相接触的情况，可分为： ( 1 ) 点接触式：股中内外层钢丝绳以等捻角不等捻距捻绕，钢丝问呈点接 触状态，多以相同直径钢丝制造，存在应力集中和二次弯曲现象，易磨损； ( 2 ) 线接触式：股中内外层钢丝绳以等捻距不等捻角方式捻绕，钢丝间呈 线接触状态，多以不同直径钢丝捻制，无二次弯曲现象。寿命较高。具体的结构 形式有西鲁式：外层钢丝较粗，耐磨损性能好；瓦林吞式：外层钢丝粗细相等， 挠性较好；填充式：在两层钢丝之间的间隙处填充有较细的钢丝，挠性和耐磨损 性都较好； ( 3 ) 面接触式：是由线接触式发展而来的，它是将线接触式钢丝绳的绳股 经特殊挤压n i ，使钢丝产生塑性变形而呈面接触状态，然后再捻制成绳。面接 触式钢丝绳具有以下的性能：结构紧密、表面光滑，耐磨性和耐挤压性能好：股 内钢丝接触应力小，绳的寿命较长；钢丝绳金属断面系数( 所有钢丝断面积之和 与钢丝绳断面积之比) 大，在同样的绳径下具有较大的强度。 钢丝绳的结构型式决定了它具有以下优点：良好的弯曲性能和冲击吸收性 能、自重轻、承载能力大，结构多样，品种规格丰富。但是钢丝绳的复杂结构和 恶劣的工作环境也使得它的损伤情况多种多样，每根钢丝损伤情况的不同、损伤 点在空间上的排列组合和互相影响，增加了钢丝绳损伤定量检测的难度。 2 2 钢丝绳的缺陷 钢丝绳在使用过程中的损伤主要有断丝、磨损、锈蚀、变形等几种形式，而 且不同的损伤之间互相产生影响。下面将分别就损伤产生的原因、损伤特点等进 行分析。 1 断丝损伤 断丝是钢丝绳的主要损伤形式。一般可分为疲劳断丝、磨损断丝、锈蚀断丝、 1 0 童星堡三奎耋苫耋堡圭耋堡鎏圣 剪切断丝以及过载断丝、扭结断丝等，后两种断丝是属于事故状态下发生的。钢 丝绳出现断丝后强度降低，降低的量与断丝的多少和断丝的分布情况有关。 ( 1 ) 过载断丝该现象是钢丝绳承受过载负荷或过大的冲击力造成的，在 一般正常使用中很少出现。断口形状类似正常拉断，呈杯状塑性收缩，如图2 2 ( 1 ) 所示。 ( 2 ) 疲劳断丝钢丝绳通过滑轮或卷筒时，在许用应力下承受一定的反复 弯曲次数后，钢丝由于金属疲劳而断开。断口形状平整，象刀切的样子，疲劳断 丝出现在股的弯曲程度最严重的一侧外层钢丝中。疲劳断丝的出现意昧着钢丝绳 已接近使用后期，应特别需要加强检查，如图2 2 ( 2 ) 所示。 ( 3 ) 磨损断丝这种断丝是在钢丝绳磨损极其严重时才会出现，断口两侧 呈斜茬，断口扁平，如图2 2 ( 3 ) 所示。 ( 4 ) 锈蚀断丝锈蚀严重的钢丝绳使用后期会出现这种断丝，断口形状不 平整，呈针尖状，如图2 2 ( 4 ) 所示一 ( 5 ) 剪切断丝一般是钢丝绳在某一拐角上，钢丝被硬性拉断，断口形状 呈剪切状，如图2 2 ( 5 ) 所示。 ( 6 ) 扭结断丝这种现象一般在正常使用过程中不会出现，它是钢丝绳由 于出现钢丝松弛造成扭结现象后才出现的，断口形状平整光滑，类似镜面，如图 2 2 ( 6 ) 所示。 二二 c 二二二二二 二 ( 1 ) 过载( 2 ) 疲劳 = z ：盍岱五若夏 ( 3 ) 磨损( 4 ) 锈蚀 二二二 二二= 弋之二 ( 5 ) 剪切( 6 ) 扭结 图2 2 典型的钢丝断口形状 2 磨损 一般可分为外部的均匀磨损、变形磨损和内部磨损。 ( 1 ) 外部的均匀磨损钢丝绳在使用过程中，由于与滑轮、卷筒等构件接 触且有相对滑动而产生的钢丝磨损，这种情况下磨损是均匀分布的。 童星堡苫奎耋三童堡圭耋堡重塞 ( 2 ) 变形磨损变形磨损是指钢丝绳在某一段的局部磨损而言的，产生的 原因是钢丝绳与滑轮产生慢性移位，钢丝绳在滑轮上剧烈振动、冲击，或者由于 滑轮与卷筒中心偏斜而产生的咬绳现象所造成。其钢丝横断面由挤压处向两旁伸 展成翅形，从外观看钢丝宽度扩展，钢丝断面积并未显著减少，但钢丝局部材质 硬化，极易造成断丝。 ( 3 ) 内部磨损钢丝绳在使用过程中，经过卷筒或滑轮时，钢丝绳所承受 的负荷全部压在钢丝绳的某一侧，同时由于钢丝的弯曲，股中钢丝产生移动使相 邻股之问的钢丝产生局部深凹压痕。当反复循环拉伸弯曲时，在深凹处产生的应 力集中最终将造成断丝。 各种磨损情况的断面形状如图2 3 所示。 囫囝 外部均匀磨损 变形磨损内部磨损 图2 3 磨损后钢丝的断面形状 3 锈蚀 钢丝绳在使用过程中，由于长时间受到日晒和湿气、雨雪、海洋性气雾、酸 雾以及其他有害气体的侵蚀会遭到腐蚀破坏。所谓钢丝绳的锈蚀( 生锈、腐蚀) ， 是指钢丝的金属表面与周围介质发生化学或电化学反应而产生的破坏现象。锈蚀 损伤不是单独存在的，一般都伴随有磨损和断丝。应力可以加速锈蚀的破坏。钢 丝绳锈蚀后，力学性能随之降低，不仅使金属截面积减少，而且会导致绳芯腐烂， 使股与股之间的钢丝磨损加快、钢丝绳径变细。为了便于分析，现在通行的方法 是将钢丝绳的锈蚀程度分为三个等级，并粗略估计各等级锈蚀对机械性能的影 响，见表2 1 。 表2 1 锈蚀分级 等级特点强度损失 i 级钢丝失去光泽，有锈蚀黑点。 l o 级钢丝表面出现锈皮或有点蚀麻坑。1 0 1 5 级 严重腐蚀，麻坑发展成沟纹，外层钢丝松动。 2 5 4 0 可以看出，i 级属于轻度锈蚀，影响不大，可按其他规定报废；级锈蚀时 应考虑锈蚀对安全的影响；级是严重的锈蚀，此时钢丝绳已经不能再安全使用 了。 4 变形 钢丝绳在搬运和使用过程中，由于使用不当和受到突然的撞击或冲击，原有 结构会产生破坏而变形。变形不仅直接损坏了一部分钢丝，而且会产生拉应力再 分配等现象，加速磨损和断丝的产生。主要形式有压扁、股松弛、波浪形、扭结、 弯折、起壳、绳芯外露和捻距变化等。 2 3 钢丝绳损伤的磁场泄漏 ， 钢丝绳是强磁性体，若用励磁装置沿其轴向将其磁化至磁饱和状态，那么， 无论在其表面，还是在内部存在损伤时，损伤处都会产生漏泄于钢丝绳表面以外 的漏磁场。该漏磁场的强度和分布特征反映了钢丝绳的损伤程度和损伤类型。用 磁敏检测元件检测该漏磁场，经信号处理后，即可定量判断钢丝绳的损伤，进而 确定钢丝绳的安全性。 本课题的研究就是基于上述原理而进行的。 2 4 本章小结 本章根据钢丝绳的结构。详细的划分并说明了钢丝绳的类型，以及各种类型 钢丝绳的特点；钢丝绳在使用过程中所产生的损伤是多种多样的，主要有断丝、 磨损、锈蚀、变形等四种形式。其中，磨损、锈蚀和变形都能够引起断丝，而磨 损是由钢丝绳与滑轮、卷筒等构件相摩擦引起的，锈蚀是由于钢丝的金属表面与 周围介质发生化学或电化学反应而产生的，变形是因使用不当和受到突然的撞击 或冲击使原有结构产生破坏而造成的。 第3 章钢丝绳损伤漏磁场的分析及励磁器的设计 钢丝绳损伤的电磁检测法中，损伤信号的检测是由传感器捕获钢丝绳表面因 损伤而产生的漏磁场信号来实现的，因此对钢丝绳被检测段进行饱和励磁是成功 的实现电磁检测的前提与基础，而客观的分析不同的损伤情况所对应的不同的漏 磁场特征则成为本课题研究的关键。本章将通过理论分析与计算，对钢丝绳饱和 励磁的实现进行研究，并研制了直流励磁器。 3 1 磁场分析的基本理论 在漏磁检测中，漏磁场是稳恒磁场，根据麦克斯韦方程组【1 3 】，稳恒磁场所 满足的基本方程为： v b = 0( 3 一1 ) v h = j ( 3 - - 2 ) 式中v 一哈密尔顿算子，v = 昙+ 导+ 亳；o 。co vo z 曰漏磁场的磁感应强度； 日漏磁场磁场强度； ，电流密度，永久磁铁磁化时，t ，= o 。 磁场强度日和磁感应强度曰通过介质的磁导率联系： b = 日 ( 3 3 ) 因为磁感应强度的散度等于零，必然存在一个矢量磁位彳。使 b = v x 彳( 3 - - 4 ) 由式( 3 - 2 ) 、( 3 - - 3 ) 、( 3 - - 4 ) 得： 伊a = 0 ( 3 5 ) 式( 3 5 ) 称为矢量磁位的拉普拉斯方程。 由以上二式可得铁磁性材料与空气的边界条件： 法向磁感应强度相等： 蚤t 。= 园。 切向磁场强度相等： 1 4 矗u 2 h n 稳恒磁场的折射定理： 塑肇： ( 3 6 ) t a n 岛一 式中，岛、q 分别为空气和铁磁性材料中，磁感应强度和交界面法线的夹 角，t 。为空气的磁导率，t ，为铁磁性材料的磁导率。由于风 地，吼 妈时，即分母中s 的一次项系数大于零，电路才 能稳定工作，而不产生自激振荡，本设计取 如( s ) = 2 c 2 = c 1 = 0 1u f 重星堡三奎耋三誊堡圭耋堡鎏蚤 ，一l j o 一2 兀且c 联立上三式及( 4 8 ) 式，得 r l = r 2 = 3 2 k q 因在电路中，要求运算放大器的正向输入端和反向输入端对地的电阻要平 衡，即； r l + r 2 = r 3 r 4( 4 一1 0 ) 令r 3 = r 4 ，将r l = r 2 = 3 2 k q 带入上式，得 r 3 = r = 1 2 8 k q 4 5 4 采样保持电路 在对模拟信号进行模数变换时，从启动变换到变换结束的数字量输出，需要 一定的时间，即a d 转换器的孔径时间。当输入信号频率提高时，由于孔径时 间的存在，会造成较大的转换误差；要防止这种误差的产生，必须在a d 转换 的过程中将信号电平保持住，而在a d 转换结束后又能跟踪输入信号的变化， 即对输入信号处于采样状态。能完成这种功能的器件叫采样保持器，从上面分 析可知，采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。 采样保持由存储电容c ，模拟开关s 等组成，其原理如图4 2 4 所示。当 s 接通时，输出信号跟踪输入信号，称采样阶段。当s 断开时，电容c 二端一直 保持断开的电压，称保持阶段。由此构成一个简单采样保持器。 图4 2 4 采样保持原理 本系统采用美国n s ( n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ) 公司的集成采样保持器l f 3 9 8 ， 其价格低廉，在国内应用非常广泛。l f 3 9 8 的结构及外引脚如图4 2 5 所示。 l f 3 9 8 采用了双结型场效应管技术，具有许多优良的特性，如：工作电源范 围宽，可在供电电压5 v 1 8 v 下工作；电压跟随时间短( 1 0 旧；输出电压零 点可调；高精度的直流误差( o 0 1 ) ；抗干扰能力强；功耗低等。 、一 l 27 3 6 45 图4 2 5l f 3 9 8 的结构图及引脚图 l f 3 9 8 在电路中的硬件连接如图4 2 6 所示，它的第八引脚为逻辑控制端， 为高电平时l f 3 9 8 为采样，为低电平时l f 3 9 8 为保持，保持时间可以通过调整 电容c 来调节。单片机8 9 c 5 1 的p 1 4 引脚以一定的频率输出高低电平，以控制 l f 3 9 8 采样，保持，l f 3 9 8 通过引脚5 与a d 0 8 0 9 连接，a d 0 8 0 9 将采样后的模拟 信号转换为数字信号。 图4 2 6l f 3 9 8 的硬件连接 4 5 5 微处理器的选择 微处理器是微机的核心部件，它的结构、特性对所研制微机化测控系统的性 能有很大影响，所以要成功地研制一套钢丝绳损伤检测系统，首先要选择合适的 微处理器。在选择微处理器时应考虑如下主要特性： ( 1 ) 用途微处理器是一种通用器件，如果给以足够的外部支持电路和处理 时间，它可以完成多种任务。在本研究中，通过m c u 控制采样保持电路l f 3 9 8 薹星堡三奎耋苫耄堡圭耋堡鎏苫 和a d 转换元a d c 0 8 0 9 ，将钢丝绳模拟损伤信号转换为数字信号并读入m c u ； 通过m a x 2 3 2 进行电平转换，与上位机建立通讯。 ( 2 ) 字长微处理器的字长取决于并行数据总线的数目。通常使用4 位、8 位或1 6 位的微处理器来研制微机化测控系统。4 位字长的微处理器一般设计成 简单的控制器。8 位微处理器则既可用于数据处理设计，也可用于控制设计。1 6 位微处理器大多用于复杂的数据处理和控制。 ( 3 ) 执行速度微处理器的执行速度可用时钟周期数或机器周期数来表示， 不能单从时钟速率来衡量微处理器的执行速度，因为大多数微处理器要多个乃至 十多个时钟周期才能执行一条指令，不同微处理器以不同的方法执行指令，有些 微处理器采用高速时钟和许多微操作，完成同样功能，指令运行时间是不一样的。 例如：8 9 系列m c u ，其全静态工作为0 h z 2 4 m h z l 3 ”，对于处理时间要求不一 样的应用场合，可采用不同的晶振来完成不同的测量。 ( 4 ) 硬、软件支持选择微处理器时，应考虑该器件是否有足够的软硬件支 持。从硬件来说，构成一个微机化测控系统要有足够的l s i 外围芯片，例如，串 行接口、并行接口、定时计数器、a d 和d a 转换器等。本文中所用的计测系 统主要是由m c u 和外围电路组成，并要求把采集的数据上传至上位机进行处理， 这就还需要利用串行通信来实现数据传送，因此就要扩充串行接口以及相应的接 口电路。 基于以上讨论，本系统的微处理器选用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 。a t 8 9 c 5 1 微处理与8 0 3 2 一样均属于m c s 5 1 系列单片机，指令系统与引脚均相同。c 5 1 系列单片机丰富的资料及由a t 8 9 c 5 1 组成的系统不需扩展程序存储器使其得到 广泛使用。a t 8 9 c 5 1 可以说是一个比较完整的小型计算机，非常适合于测量和 控制系统中使用。其主要性能有如下几点 3 2 1 ： ( 1 ) 4 k b 的f l a s h 存储器； ( 2 ) 1 2 8 字节内部r a m ； ( 3 ) 3 2 条可编程i o 线； ( 4 ) 2 个1 6 位定时器计数器； ( 5 ) 6 个中断源； ( 6 ) 可编程串行接口，4 个8 位的并行i o 口； 4 0 童墅堡三奎耋三茎堡圭主磐鲨吕 ( 7 ) 片内时钟振荡器。 微处理器a t 9 9 c 5 1 是本检测系统的数据采集和数据控制中心，它负责系统工 作方式的选择、数据的采集、与上位机进行数据通信等。同时它也是整个硬件系 统的核心，所有外围接口电路的配置都必须围绕它来展开。下面给出系统所用到 的a t 8 9 c 51 的引脚配置。系统所占用a t 8 9 c 5 1 芯片的主要引脚配置如下所示： p 0 o p 0 7 ( 3 2 3 9 号引脚) ：系统数据总线，与a d 转换器的数据连接线； i n t 0 ( 1 2 号引脚1 ：a d c 0 8 0 9 转换结束的中断信号； p 1 4 ( 5 号引脚) ：采样保持器l f3 9 8 的控制信号线； a l e ( 3 0 号引脚) ：产生脉冲信号，连接到a d c 0 8 0 9 的c l k 引脚，作为 a d c 0 8 0 9 的时钟信号； x 1 、x 2 ( 1 8 、1 9 号引脚) ：外接晶振电路； r d 、w r ( 1 6 、1 7 号引脚) ：系统读写控制线； r x d 、t x d ( 1 0 、1 1 号引脚) ：系统串口通信控制线； r e s e t ( 9 号引脚) ：系统复位信号输入线，接复位电路。 4 5 6a d 转换电路 要使用微处理器系统对钢丝绳损伤信号进行采集，必须把模拟信号可靠地转 换为数字信号，因此系统需要有高精度的a d 转换器。如果a d 转换不能保证 精度和可靠性，那么单片机接收到的数据就是不准确的，系统也就不可能做出正 确的判断。所以