（电机与电器专业论文）电子—电气—机械一体化钢丝绳无损探伤及养护设备的研究.pdf

沈m t 业大学项 ：学位论文 s t u d y o ne l e c t r o n i c - e l e c t r i c - m e c h a n i c a l i n t e g r a t e de q u i p m e n t o f s t e e lw i r e r o p e n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g a n dm a i n t e n a n c e a b s t r a c t s t e e lw i r e sa r et h e k e yp a r to f l i f t i n g ，t r a n s p o r t a t i o na n db e a t i n g t h e w e i g h t i nt h e e q u i p m e n t a n da r ew i d e l y a p p l i e d t oal o to f e n g i n e e r i n g p r a c t i c e s t h ed a m a g ec o n d i t i o n sa n d l o a d - b e a t i n g sc a p a b i l i t yo f t h e s t e e lw i r er o p ea l er e l a t e dt ot h e e q u i p m e n t s a n d h u m a n - b o d y s a f e t ye v e r ym o m e n t a t t h e p r e s e n tt i m e ，w eg u a r a n t e et h ep r o d u c t i v es a f e t yb yt w om e a n s ， w h i c ha r em a n u a lv i s u a l c h e c ka n d t e r m l y f o r c i b l er e p l a c e m e n t t h e s em e a n sn o t o n l yp r o d u c e t r e m e n d o u sw a s t ed u et od i s c a r d i n gt h es t e e lw i r e r o p e sw h i c h a r es t i l lu s a b l e ，b u ta l s oi n f l i c t t h eh i d d e nt r o u b l e so f a c c i d e n tm s u l t e df r o mn o t t i m e l yr e p l a c i n gs t e e lw i r e sd a m a g e ds e v e r a l l y f o rc e r t a i ni n c i d e n t a lf a c t o m a sa r e s u l t , r e s e a r c ht od e v e l o pa n dm a n u f a c t u r ea d v a n c e ds t e e l w i r e r o p en d t i n s l r u m e n t ，i nr e s p e c to f b o t he c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t s ，i s c o n s i d e r a b l e t h e s u b j e c ts t u d ys o m ep r o b l e m s a b o u td e t e c t i o no f s t e e lw i r e sd a m a g e ，i ti n c l u d e s m o s t l y t h e a n a l y z e o f d e t e c t i o n p r i n c i p l e ，t h e d e s i g n o f s e n s o r , p r o c e s s i n g m e t h o d o f d e t e c t i o n s i g n a la n df e a t u r e sa n dv a r i a t i o n a ll a wo f d e t e c t i o ns i g n a li nd i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e so f t h es t e e l w i r e r o p ei n j u r y t h i si n s t r u m e n t c a r lp r e f e r a b l ys o l v et h ep r o b l e m o f b r e a k i n go f t h e s t e e lw i r e r o p e t or e l i e v eg r e a t l yw o r k e m w o r k l o a da n d w o r k i n gs t r e n g t h , a n dp r o l o n ge f f e c t i v e l y o p e r a t i n g l i f eo f t h es t e e lw i r e r o p e s t h i sp r o d u c t h a sm a r k e t p r o s p e d a n dv a l u ef o r s p r e a d t h e s u b j e c t i se n t r u s t e d b y t h el i a o n i n ge l e c t r i cp o w e rl i m i t e d c o m p a n y t os o l v et h e t e c h n i c a l p r o b l e m so f d e t e c t i o na n dm a i n t e n a n c eo f t h ew e a v i n ga n ds t e e lw i r ei nt h e e n g i n e e r i n go f s e n d i n ge l e c t r i c i t y b a s e do ng e n e r a l l ya n a l y z i n ga n dd i s c u s s i n gt h ed o m e s t i c a n di n t e m a t i o n a la d v a n c e dd e t e c t i o n t e c h n i q u eo f s t e e l 惋t h e t h e s i sg e n e r a l i z e s i n d u c e sa n d c o m p a r e s v a r i o u sm e t h o d si nt h e o r y m o r e o v e r , i td i s c u s s e st h ed o m e s t i ca n d i n t e m a t i o n a l d e v i c e s e x i s t i n gf o rs t e e lw i r er o p ed e t e c t i o n t h et h e s i ss t u d i e st h o r o u g h l ye l e c t r o - m a g n e t i c d e t e c t i o n p r i n c i p l e 、e l e c w o - m a g n e t i cd e t e c t i o nd e v i c ea n dd e f e c ts i g n a lo f s t e e lw i r e , a n da i m a tt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h e w e a v i n g s t e e lw i r e ，d e v e l o pn d t d e v i c eo f s t e e lw i r e r o p e sa p p l i e d t oe l e c t r i cp o w e r s y s t e m f o r r a c k i n g w i r e s i nt h i sd e v i c e ，m a g n e t i cr e s i s t a n c ep r i n c i p l eb a s e d - 2 沈t j hi i 业大学硕1 一学位论文 m a i nf l u x ，t h et e c h n i q u eo f d i f f e r e n t i a lt r a n s f o m la n dt h en e wm e t h o da n dd e v i c ea r ea d o p t e d ， a tt h es a m et i m et h ew h o l e s y s t e m i sa d m i n i s t e r e d b yc o m p u t e r s a n d d e t a i l e d l yc a l c u l a t e di n t h e o r ya n dd e b u g g e di ne x p e r h n e n t sr e p e a t e d l y ，t oi m p l e m e n to n l i n e 、r e a l - t i m en d t s y s t e m c o n t r o l l e db yt h e m i c r o c o m p u t e r t h e p a p e r s t u d i e ss o m e p r o b l e m s o f s t e e lw i r e d a m a g e ，i ti n c l u d e st h ea n a l y s eo f d e t e c t i o n p r i n c i p l e ，t h ed e s i g no f s e n s o r ，a n a l y s em e t h o d o f s i g n a la n d t h ec h a r a c t e r i s t i ca n do f t h ev a r i e d r u l eo f d e t e c t i o n s i g n a l t h ed e v i c ec a ns o l v et h e p r o b l e mo f w e a v i n g s t e e lw i r eb r o k e n sd e t e c t i o n ，r e l i e v e st h e w o r k l o a da n d w o r k i n gs t r e n g t ho f w o r k e r sa n d i n c r e a s e st h eo p e r a t i n gl i f eo f s t e e lw i r e s ot h i s p r o d u c t o w n s g o o d m a r k e t f o r e g r o u n da n dp r o m o t i o n v a l u e 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 e t e s t i n g , m a i n t e n a n c e ，e l e c t r o n i c - e l e c t r i c m e c h a n i c a l i n t e g r a t e d 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：至垣i 整日期：竺垒羔! 多 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：互风雌， 导师签名：i 簋监趸复日期：遭鲤：! i ! ! 三 j 沈阳t 业大学卿! 士学位论史 l 绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题的提出 随着十五计划实施及西电东送开展，国家对电力行业提出了更高的要求。为了满足 礼会的需要，电力行业最近加大了基础设施建设。在野外架线施工中需使用一种特殊的 钢丝绳一编织式钢丝绳，使用现场如图1 1 所示。该类钢丝绳不同于其它类钢丝绳，普 通钢丝绳经常处于张紧状态，例如矿井提升机、电梯、索道等设备中使用的钢丝绳k 时 间处于负载状态，钢丝绳一直处于绷紧状态，不存在扭曲、打结、缠绕等现象，其主要 损伤为断丝和截面损失。而编织式防扭钢丝绳主要用于牵引电缆跨越各种障碍物，并不 是以提升负载为目的，所以，钢丝绳经常处于松盘状态，特殊的作业条件要求牵引钢丝 绳自身不旋转、不结扣、不扭结，所以普遍采用的是编织式防扭钢丝绳，可以有效的防 i 上产生扭曲、结扣等不良现象出现；编织式防扭钢丝绳作为一种工程承载构件，它在使 用过程中必然会发生疲劳、锈蚀、磨损甚至骤断现象，钢丝绳的损伤情况，时刻关系到 设备和人身安全，如在江河中发生骤断将会严重影响交通运输，在跨越高压电网时如果 发生断裂则会给生产和人身安全带来极大的损失，所以说，如何及时发现断丝并对钢丝 绳进行有效保养是非常重要的。 多年来，人们一直在探索检测编织式防扭钢丝绳缺陷的方法，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断裂之前及时的更换下来。但由于编织式防扭钢 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。 以往采用人工目测方法来检测钢丝绳的破损程度，这样不仅工作量大，而且效率 低、偶然因素大，检测结果缺少客观性，而且提供的钢丝绳损伤信息不完全，无法刈钢 丝绳的损伤程度作出完整的评估。另外，编织式防扭钢丝绳在使用过程中经常沾满大量 沈阳工业大学硕+ 学位论文 的泥沙，如不及时清除和养护，不仅会给检测带来小便，还会极大影响使用寿命，因此 及时的养护也是非常关键的。因此，迫切需要研制高性能高可靠性的智能化探伤与养护 设备。 图1 1 编织式防扭钢丝绳使用现场 本论文所以选定“电子一电气一机械一体化钢丝绳无损探伤及养护设备的研 究”作为课题的主要方向，砸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： 解决困扰辽宁电力送变电有限公司公司多年的编织式防扭钢丝绳探伤和养护问 题，能及时发现钢丝绳断丝，并有效的的延长钢丝绳的使用寿命。 减少操作人员的劳动强度，有效降低生产成本，并提高生产效率和经济效益。 本课题的意义在于以下四个方面： 在理论上本课题主要研究钢丝绳断丝信息的采集和处理的基本原理。由于钢丝绳 结构的复杂性，损伤程度的多样性，以及损伤点的随机性，使得其探伤和养护问题涉及 沈阳工业大学硕十学位论文 到电气工程学科、仪器仪表与检测学科、信息工程等多种学科。因此本课题从理论和实 际上涉及到多个学科知识。 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断丝定量检测装置 和仪器具有参考价值，对钢丝绳断丝检测技术与仪器的发展和完善起到了补充，有助于 各钢丝绳使用部门执行安全规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。 对防止编织式防扭钢丝绳在使用中由于断丝而造成事故有着积极的作用，并能延 长钢丝绳的使用寿命；另外，对于减轻钢丝绳检测人员的劳动强度也有很大的改善。 研究成果的推广，可减少电力系统由于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 钢丝绳无损检测技术的综述 根据钢丝绳缺陷的不同形式，钢丝绳缺陷大体上可分为两大类型i l 】：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 f m e t a l l i ca r e a , 简称 l m a 型) ，是指造成钢丝绳横截面积在轴向逐渐减小的损伤，主要包括磨损、锈蚀、 绳径缩细等。 对于本课题所研究的编织式防扭钢丝绳来说，其主要损伤为l f 型，其中以断丝检 测为主。 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1 2 ，用卡尺测量直径。该种方法不 仅劳动强度大，而且检测效率也非常低。这种方法只能检查外部断丝，并且断丝需向外 翘起。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，但目前仍是钢丝 绳用户的一种常用检查方法。 钢丝绳无损检测技术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 绳的机械性质、内部结构、工作状态进行检测，并根据检验结果和一定的准则对钢丝绳 沈阳工业大学硕士学位论文 状态作出评估。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，仅限于实 验室研究。日前，能在工程中推广使用的主要是电磁检测法。 表1 1 钢丝绳无损检测技术 物理方法测量原理分析方式优点缺点 电磁法( 1 )测量漏磁通 电磁法( 2 )测最主磁通 电磁法( 3 )磁性威像 测量钢丝绳结构变 卢发射法 化时的弹性波 电涡流法电涡流效应 测定固定钢丝绳的 电流法 电阻 超声波在介质中传 超声波法 播 强x 射线垂直于 x 射线 绳轴照射 c c d 摄像检测钢 光学法 丝绳表面 传感器设计简单、适 图线分析用丁大多数钢丝绳， 对断丝较为敏感 传感器没计简单、励 数据分析 磁简单 图线分析能确定断丝、锈蚀 振铃计数、事件 测量断丝、变形 计数 图线分析可检测断丝、锈蚀 图线、数据分析能测定断面状况 同波圈线分析测量断丝 拍摄照片能确定断丝 图像检测精度高 信噪比低、后期 信号处理较复 杂、对锈蚀检测 幽难 测量范围较窄 结构复杂、图像 解释不唯一 仪器费片| 高、信 噪比低 对断丝、锈蚀等 缺陷分辨率低 对移动钢丝绳检 测困难大 操作复杂，信噪 比低 不能连续测量， 射线防护费用高 设备费用高，油 泥影响检测精度 。 人下观察极低速度无记录、直接分简单，能确定表面损费时费力人为因 人工目测法 。7 一一 运行的钢丝绳析 伤 素影响大 1 2 2 钢丝绳无损检测技术的发展简史 ( 1 ) 国外钢丝绳无损检测技术的起源、发展及现状【2 】 一4 沈阳工业人学硕士学位论文 自从1 9 世纪卜- 半叶以来人们就丌始了钢丝绳无损检测装置的研究工作，其问研究 人员借鉴了许多应用于其它领域的检测技术和方法，但由于钢丝绳结构的特殊和复杂 性，只有电磁方法得到了实际应用。钢丝绳探伤装置的发展经历了以下三个阶段。 1 ) 定性检测l m a 或l f 因素的检测装置阶段 最早的钢丝绳无损检测装置出现在1 9 0 6 年，由南非人cm c c a n n 和rc o l s o n 发明 f 原理如图1 2 ) ，用于测量钢丝绳截面损失。这种检测方法采用了交流励磁，故称为a c 方法。但由于这种方法测量精度很差，而且每次测量都要花费大量的时间把线圈缠绕在 钢丝绳上，所以很难投入实际应用。 图1 2 测量l m a 交流方法一 2 0 年代发展起来的漏磁通法用于检测局部损伤，由于采用直流( i ) c ) 将钢丝绳沿轴向 励磁至饱和，测量损伤处的泄漏磁通来判断损伤情况，故称为d c 方法。1 9 1 9 年，r l s a n d f o r d 和w bk o u v e n 山o v e n 研制成功了世界上第一个采用漏磁通法原理的无损检测装 置，他们对两种检测线圈，即一种单一多匝线圈和另一种两个相同的且相距很近的多爪 线圈取差动信号( 图1 3 ) 。差动线圈的抗干扰能力强，得到的结果比较可靠，但由于要 花费大量的时间把线圈缠绕在钢丝绳上，所以无法实际应用。1 9 3 7 年，w o r n e l 和h m u l1e r 取得了分体式差动线圈的专利，解决了这个问题，如图1 3 c 所示，它和图2 b 的差 动线圈是等效的。随后w o r n l e 利用他们的发明首先实现了钢丝绳的在线检测。 沈阳工业大学硕士学位论文 ( a ) 单一线圈 ( b ) 差动线圈 ( c ) 分体式差动线圈 图1 3 漏磁场检测线圈结构 2 ) l m a 定量检测和l f 检测一体化的电子仪器阶段 由于交流方法测量钢丝绳截面损失存在严重的不足，人们一直在寻找新的测量截面 损失的方法。7 0 年代问世的m a g n o r a p h 钢丝绳无损检测仪首次采用直流方法( 原理如图 i 4 ) 定量测量截面损失，称为全磁通方法( t o t a l f l u xm a g n e t i cm e t h o d ) 。该仪器使 用永久磁铁将钢丝绳沿轴向直流励磁至饱和，则钢丝绳的磁通量与钢丝绳的横截面积成 正比，以霍尔元件测量磁轭与钢丝绳间的磁感应强度，就可以计算出钢丝绳中的磁通 量，它还能同时进行局部损伤的检测。随后又出现使用相同原理而采用磁通门探头的 r o t e s c o g r a p h 型钢丝绳探伤仪。 永磁铁 钢丝绳 图1 4 测罱i 撇直流方法一 无件 1 9 8 7 年h rw e i s c h e d e l 发明了另一种测量钢丝绳中磁通量的方法( 原理如图1 5 ) ，将 套在钢丝绳上的线圈相对于钢丝绳轴向移动，对线圈的感应电势积分，则得到线圈所在 沈阳工业大学硕士学位论文 位置钢丝绳中磁通量与起始位置钢丝绳中磁通量的差值，即截面损失。为避免每次测晕 都要缠绕线圈，他还发明了一种分体式线圈，在定量检测截面损失的同时，它还可兼作 测量局部损伤的差动线圈。美国、英国和德国也相继研制成功了基于上述原理的探伤 仪，女u n b tt e c h n 1 n c 于8 0 年代末生产的i m a 2 5 0 系列钢丝绳无损探伤仪。 图1 5 测量i m a 直流方法二 3 ) t c m a l m a 定量检测和l f 检测一体化智能检测装置阶段 由于上述产品均属电子仪器，使用前需人工标定或调节，而且数据记录极为不便。 9 0 年代中期，计算机技术和集成电路的迅猛发展也给钢丝绳探伤仅带来了发展的契机。 】9 9 5 年加拿大在原有的检测原理基础上推出了基于计算机的m a g n o g r a p hi 型钢丝绳探伤 仪的原理样机，其中重要的突破是提供了t c m a l m a 选项，所谓t c m a “o t a lc h a n g ei n m e t a l l i ca r e a ) 截面积总变化，它是钢丝绳的金属截面积相对于出厂时的改变，是绝刺 量，它基于一个不变的基准。这一点不同于l m a ，需要人为地选取某钢丝绳作完好的 基准，是相对量。m a g n o g r a p hi i 型钢丝绳探伤仪为消除人为因素在钢丝绳检测中的影 响迈出了一大步。 磁检测法是目前公认为最可靠的钢丝绳检测方法。该方法长期受到人们的重视， 也是目前最为成熟的检测方法。当然除了电磁法外，各国的科研人员也在积极探索其它 的无损检测方法，如电涡流法、声发射法、激光扫描法、超声波法和振动波法等。 ( 2 ) 我国钢丝绳无损检测技术发展及现状【2 】 3 1 沈阳q e x l k 大学硕十学位论文 我因钢丝绳无损检测技术起步较晚，6 0 年代初才丌始了研究。国内白行开发研制的 钢丝绳探伤仪一股是单一因素( 主要针对断丝) 的检测装置。 华中理工大学杨叔子等在8 0 年代就开始了钢丝绳断丝在线检测的研究，研究重点是 断丝的定量检测。他们也采用漏磁通法，以永久磁铁对钢丝绳励磁，用集成霍尔元件测 量钢丝绳周同各个方向上的磁场信号，用码盘控制采样的问距，用计算机对数据进行处 理，并对钢丝绳的励磁磁路、信号处理等进行了大量研究，酋先研制成功了m t c _ 9 4 型 钢丝绳探伤仪，定性地检测钢丝绳的局部异常缺陷。在8 0 年代末，采用便携机为检测平 台研制了g u y 系列钢丝绳断丝定量检测仪，1 9 9 2 年底g d j y - _ l 型钢丝绳断丝定量检测仪 通过技术鉴定，该仪器在探伤传感器上采用“聚磁”技术检测漏磁场，这是漏磁探伤榆 测技术上的突破。由于采用计算机提高了仪器的智能化水平，实现了钢丝绳检测信号的 等距离采样，对于断丝信号特征的提取、断丝检测信号定量识别进行了有效的探索，实 现了断丝的定量检测，该项技术已处于国际领先水平。 8 0 年代末，河南洛阳涧西矿冶机电研究所，研制成功了g x t 型断丝在线检测装置， 该仪器主要检测局部损伤，它所采用的方法严格地说不属于漏磁通法，只要检测前钢丝 绳经过直流励磁就可以了。它所采用的测量元件是自行研制的动态感应线圈，该仪器在 国内较有影响。 为了吸收和借鉴国外先进的钢丝绳无损检测技术，1 9 8 6 年抚顺煤矿分院从英国 b e c o r i t 公司引进了i m 2 5 0 型钢丝绳探伤仪，在消化其关键技术的基础上，与哈尔滨 工业大学合作采用单片机系统研制成功t g s t 型钢丝绳探伤仪，该仪器为国内首台可同 时进行l m a 和l f 检测的探伤仪，其各项性能指标已达到国际同类产品的水平。随后国内 出现了一些与之类似的定量检测l 姒和l f 检测一体化的钢丝绳检测装置。 1 2 3 钢丝绳无损检测技术的现状与发展趋势 钢丝绳检测的目的是根据检测的结果( 损伤状况t c m a ，l m a 和l f ) 推测在役钢丝绳的 强度损失( i 。b s ) ，得到钢丝绳残余强度即它的承载能力，由安全系数和使用规程最终决 定更换的同期。冈而用户实际需要的是钢丝绳强度检测仪，它的功能是把整条钢丝绳各 部位强度变化情况和最弱部位指示出来，但现有的技术水平还不能达到这一点。目自只 沈阳工业大学碗士学侥论文 能对影响钢丝绳强度损失的损伤( 如t c m a ，l m a 午 j l f ) 进行检测，如果能够完整定量地检 测m 钢丝绳损伤的状况，那么准确地掌握钢丝绳的强度损失也就成为可能。有关铡丝绳 损伤状况与其强度损失间的定量关系研究工作已经开始进行，相信基于这一研究基础上 修订的钢丝绳安全使用规程将有助于新型钢丝绳探伤仪的研制与使用。 从现有的技术水平看，国外己开发了以定量检测t c m a _ 1 为主，定性检测l f 为辅的 体化探伤仪，国内则开发成功了定量检测l f ( 主要是断丝) 的单一因素检测装置，并已 消化吸收了国外的一体化探伤技术。因而，钢丝绳探伤装置今后一个阶段的研究方向应 该是研制能同时定量检测t c m a m a 和l f 的一体化智能检测装置。当然，由于两种损伤 性质不同，检测原理存在差异，用一种方法定量检查两种损伤还存在困难。 目前钢丝绳无损检测技术存在的主要问题，一是检测的智能化程度低，人为因素的 影响大( 如现场标定和调节) ，检测结果缺少客观性；二是提供的钢丝绳损伤信息不完全 ( 如单一因素或定性检测装置) ，无法对钢丝绳的强度损失作出完整的估计。 由加拿大矿产及能源中心的矿业研究实验室针对电磁式钢丝绳探伤仪( 加拿大的 m a g n a g r a p h ，r o t e s c o g r a p h ，r o t e s c oa c ，美国的l m a 一2 5 0 及德国的w b k ) 进行评估，结 果也说明了这些问题。其结论是使用电磁式探伤仪得到的l m a 和l f 检测报告以及e hj - l 估 计的l b s 数据，认为大约3 0 有明显的错误是难以承认的：电磁性检测存在的主要问题 与人为因素有关，而不在于硬件相关的性能。另外，此项评估还认为，基于双功能装置 检测曲线对l f 的估计要优于单功能装置。所谓双功能装置是可以同时记录l m a 和i ，f 曲 线，而单功能装置只能记录其中一种损伤曲线。因此，国内外的钢丝绳探伤仪必需解决 自身的问题，才能满足工业现场的实际要求。这就必然要使钢丝绳检测技术朝智能化、 一体化的方向发展，由仪器逐步取代人。 近些年来，科学技术的高速发展为钢丝绳无损检测技术的进步提供了理论准备 和技术支持。从技术上看，复杂的钢丝绳无损检测技术对高速数据采集与显示、大 容量的存储、复杂计算的要求，在计算机的高速发展中得到解决。从理论上看，随 着计算机技术的发展，人工智能有了长足的发展，模式识别、神经元理论及专家系 统等f = | 趋成熟，小波分析理论的兴起，又为数字信号处理带来了新的曙光。这些理 沈阳工q k 大学硕1 学位论文 论通过计算机与工程实际的结合，也必将对钢丝绳无损榆测技术作出应有的贞献。 目前这方面的研究已经取得了一些成果，如何将这些研究成果有效地转化为实用技 术，运用于钢丝绳无损检测的实际中去成为目前从事钢丝绳无损检测工作的工程 技术人员面临的重要任务。 1 3 本论文的主要研究工作 整个设备的涉及面很广，其中有大量的工作需要做。由于精力与能力有限，不n j 能 对整个系统全面地加以研究，只对其中的主要部分无损探伤和养护来研究。 本课题在吸取前人研究的成果基础上，研究在钢丝绳缺陷处磁阻特性的变化引起整 个磁路的主磁通变化与断丝的大小、深度的关系，从而得出主磁通通过传感器产生的电 信号与缺陷大小的关系。从四个方面对编织式防扭钢丝绳无损探伤检测技术及仪器进行 了研究： 编织式防扭钢丝绳的检测原理：针对钢丝绳的特殊特点，比较各种检测方法选用 一种最有效的检测原理： 传感器设计原理：根据检测原理和信号特点，设计种能有效提取信号的传感 器： 断丝分析技术：根据输出信号特点和满足设备的整体要求，确定断丝分析方法； 电子一电气一机械一体化钢丝绳无损探伤及养护系统的设计方案：设计整个设备 的方案，具体电气部分的设计。 沈阳工业大学顾十学位论文 2 编织式防扭编织式钢丝绳检测原理 检测原理是传感器的设计的基础：钢丝绳不同于其它产品，第1 章所提到的许多方 法对检测防扭式钢丝绳并不太适用，本章针对编织式防扭钢丝绳的结构特点，比较各种 流行的钢丝绳电磁检测方法，确定所采用的检测原理基于主磁通原理的磁阻检测法。 2 1 编织式防扭钢丝绳的结构和特点 2 1 1 钢丝绳的分类 1 根据钢丝绳捻绕的次数4 1j 双绕绳 ，单绕绳 【三绕绳 2 根据钢丝绳捻绕的方向川 交绕绳 ，顺绕绳 【混顺绕绳 ，点接触绳 i 3 根据钢丝绳各股接触状态【4 1i 线接触绳 i面接触绳 2 2 2 编织式防扭钢丝绳的构造和特点 编织式防扭钢丝绳是电力系统架线应用最广泛的牵引工具，它具有弹性好、承 载能力大、卷绕平稳、扭置后不发生折痕等优点，而且钢丝绳韧性好，一般不会发 生因为牵引发生整根钢丝绳断裂，故工作时比较可靠。 编织式钢丝绳的制作是把高碳钢钢丝按相同方向绞成绳股，绳股是构成绳的主 要单元；由于在使用时经常处于松盘状态，容易造成扭曲、打结，为了增加其防扭 性，在将绳股制成绳时，采用有别于其它制作方法，不是捻制而成，而是按一定规 律编织而成，它与普通钢丝绳最大的区别就是其截面近似为方形，而不是常见的蚓 沈5 几工q k 大学硕士学位论文 形，如图2 1 所示；另外其最大特点是其表面不像其它类钢丝绳光滑连续，而是按 一定规律呈起伏状态。 糕 编织式防扭钢丝绳普通钢丝绳 图2 1 两种钢丝绳横截面积的比较 在本课题中主要研究两种型号钢丝绳：庐1 3 和毋2 5 其数据如表2 1 所示 表2 1 函1 3 和妒2 5 详细数据 2 2 编织式防扭钢丝绳检测原理 在钢丝绳检测的原理中，漏磁检测和恒磁检测应用比较广泛。漏磁和恒 磁通其检测原理各不相同，适用于不同的被检材料，以下是从原理上来分别 分析。 2 2 1 漏磁检测原理 漏磁检测方法【1 【5 1 6 1 t 要是基于这样的特性进行的，铁磁材料的磁导率比 空气的磁导率至少大1 0 0 倍。当用一磁场集中到这一材料中时，一旦遇到材 料表面出现裂纹等缺陷时，由于材料局部的磁导率降低( 磁阻增加) ，一部 分磁场将从材料中泄漏出来，这一外泄的漏磁场( m a g n e t i cl e a k a g ef 1u x ) 将被传感器检测出来，如图2 2 所示： 沈阳工p 大学硕i ：学位论文 图2 2 漏磁通检测原理示意斟 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 3 所示是两种缺陷：外部断丝( e x t e m a l d e f e c t ) 和内部断丝( i n t e r n a ld e f e e t ) 漏磁信号特点。 - 八 八 x ( u 外部断丝内部断丝 图2 3 内外部缺陷产生的磁场分布及其检测信号 2 2 2 恒磁通检测原理 同漏磁法相对应的是匿磁通法，其主要原理是根据钢丝绳体内的恒磁通的变化而弓 起的电压变化，以此来评估钢丝绳的损伤情况，其主要是检测钢丝绳的截面损伤。 恒磁通的原理【7 】 8 1 9 】如图2 4 n 示。随着钢丝绳相对于检测线圈和励磁器的运动， 钢丝绳将被励磁器逐段磁化至饱和状态，若钢丝绳存在损伤，其内部磁通量( 与钢丝绳 的有效金属断面积成正比) 必然减少，于是就会使感应线圈产生电压输出、对感应线圈 输出的信号进行处理，即可评价钢丝绳的损伤程度。 沈阳工业人学硕上学位论文 图2 4 恒磁通检测原理图 当存在损伤的钢丝绳相对于感应线圈运动时，感应线圈将产生感应电动势 p ：一j v 坐：一堂鱼：一坐矿( 2 1 ) d tc kd t出 公式( 2 1 ) 中 为感应线圈匝数，掣为钢丝绳内部磁通量相对于钢丝绳位移柏变 积 化率，v 为钢丝绳相对于感应线圈的运动速度。 由公式( 2 1 ) 可知，当线圈匝数力与运动速度卜定时，感应线圈输出的电动势e 能 够反映出钢丝绳中磁通量沿绳轴向的变化，即钢丝绳有效金属断面积沿钢丝绳轴向的变 化。 2 2 3 基于主磁通的磁阻检测法( 简称磁阻法) 针对某些特殊结构的钢丝绳损伤，采用漏磁法和恒磁通法有时效果不是很明显，冈 此要考虑其它方法来解决这个问题。根据变压器的伴生效应之一，利用磁路中的磁阻变 化引起感应电势的变化来反应钢丝绳损伤状况，在这里称为基于主磁通的磁阻检测法。 由激励线圈产生，经过钢丝绳并与检测线圈相交链的磁通叫做主磁通，如图2 5 所示。 当采用交变磁场激励时，检测线圈可测量对应交变磁通量变化幅度的绝对量值。在这里 利用磁路中钢丝绳磁阻变化引起磁通量变化来检测钢丝绳的变化。其工作原理是随着钢 丝绳相对于检测线圈运动，钢丝绳将被激励线圈磁化，若钢丝绳存在断丝或磨损，则在 沈阳t 业大学硕士学位硷史 损伤处的磁阻发生变化，从而弓f 起主磁通量西的变化，于是就会使检测线圈输出电压发 生变化。对检测线圈输出的信号进行处理，即盯评价钢丝绳的损伤程度。 i 酬 自线睡 聋n 3 1 u 、 耄 i 。l 一： 盯 l ， 。 _ j ! j 、 。i j 、 l 图2 5 基于主磁通的磁阻检测原理示意图 其原理数学模型推导如下： 根据基尔霍夫磁路定律妒2 罢和法拉第电磁感应定律e = 一警 忽略匝间漏磁，整个磁路可由铁芯、气隙、钢丝绳三部分组成，其等效磁路如图 2 6 所示： 翩 图2 6 传感器等效磁路 沈阳工业大学硕+ 学位论文 当激励线圈通以正弦交流电，则 西： 型! ! ! ! 竺 ：型! 生! ! ! 型： ( 2 2 ) 枷m 枷“枷一等 公式( 2 2 ) 中 1 为激励线圈匝数； 如l 为铁芯磁阻； 月。2 为气隙磁阻； r 莉为钢丝绳磁阻； 口为钢丝绳磁导率。 卜为钢丝绳在检测线圈中的有效长度 譬一为钢丝绳横截面积。 同时检测线圈的感应电势为： 一睁：蝰 = 2 删i n 2 l m s i n 耐( r m l + r l , z ) s + u l 公式( 2 3 ) 中飓为检测线圈匝数。 令i 删n ：，= a ，则 e ： 生兰 ( r 。l + r 。2 ) s + ( 2 _ 3 ) ( 2 4 ) 型型s 一 m裂 沈| 5 r | t 业大学顾仁学位论文 钢丝绳是由n 股钢丝编制而成，设每根钢丝绳横截面积为一，则s = n ，将其代入公式 ( 2 5 ) 从公式( 2 5 ) 中可以看出当钢丝绳完好无损时，e 为有效值是固定的；当出现断丝 时，断丝处n 的数量减少，则检测线圈e 的值也降低。 另外从公式( 2 6 ) 中可以看出如果传感器支架外罩采用高磁导率的材料，则如l e 2 l 。在上述两种情况下， 输出电压协的相位差1 8 0 。，其幅值随断丝处位置距离的改变而变化，如图3 2 所示 衔铁 尸 1 产 j s ? 图3 2 差动变压器原理图 图3 6 中虚线为理想输出电压特性，实际上由于二次侧两边线圈不可能一切参数都 完全相同，制作上不可能完全对称，钢丝绳的磁化曲线也难免有非线性，多种原因导致 口 沈阳t 业大学硕十学位论文 钢丝绳断丝处位于中间位置时，不等于零，u o = u z ，u z 称为零点残余电压，所以实 际输出电压如图3 3 中实线所示。 图3 3 差动变压器输出电压幅值特性 零点残余电压是由于在缠制过程中产生的检测线圈两边没有对称，引起磁回路磁阻 的不对称，零点残余电压的存在，使传感器输出电压特性在零点附近的范围内不灵敏， 并且可能使传感器后接的放大器提前饱和，堵塞有用信号通过，所以在制作差动变压器 时要保证二次侧两边的线圈尽量对称。 3 2 2 差动变压器的等效电路分析 如不考虑传感器的涡流损耗、铁损和寄生电容等因素，理想差动变压器的等效电 路： 图3 4 差动变压器等效电路 图3 4 中阢初级线圈激励电压 沈阳工业大学硕士学位沦文 工t 初级线圈电感； r r 一初级线圈电阻； e 2 1 ，e 2 2 两个次级线圈的感应电动势； 上2 1 ，岛厂两个次级线圈的电感； 也l ，圪广两个次级线圈电阻； u 2 输出电压； m ， 正初级线圈分别与两个次级线圈的互感系数； 由于输出端接高阻抗放大电路，所以电流值非常小，在这里忽略其对原边的影响。 由图3 7u t 见，当次级线圈开路时，初级线圈的交流电流为： 式( 3 1 ) 中u 为激励电压的角频率。次级线圈的感应电动势为 应i = 一j c o m l i j忘2 = 一j c o m 2 ， 差动变压器的输出电压为： 蜘巾( ”蚴告 输出电压的有效值为 u ，：o ( ；m ：i ：- ：m ：2 一) u 2 2 + ( 越。) 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 沈阳丁业大学硕十学位论文 可见输出电压于互感有关，当断丝在巾间位置时，蚴= m 2 ，所以u 2 = o 。其输出阻 抗为z = ( _ 1 + f 2 2 ) + j c o ( l 2 l + l 2 2 ) ，复阻抗的模为蚓= ( ，2 i + r 2 2 ) 2 + ( 越2 l + c o l 2 2 ) 2 ， 这样从输出端看进去，差动变压器可等效为电压和复阻抗z 相串联的电压源。 3 2 3 差动变压器应用于钢丝绳检测原理 一般将差动变压器作为位移传感器，在本课题中将钢丝绳作为衔铁，利用钢丝绳断 丝处引起磁路中磁阻变化，在传感器轴线上移动引起两个次级感应线圈的感应电势的变 化，产生输出电压。而普通差动变压器是利用衔铁与铁芯之间的气隙变化引起两个次级 回路磁阻的变化，所体现的是衔铁位移的变化；另外对于普通的差动变压器来说，次级 线圈的两个互感系数蚴、尬是随着衔铁的位置变化而变化的，但是将其用在检测钢丝 绳上时是利用其磁阻变化而引起的互感系数m 、m 2 变化，其信号输出变化特点有所不 同的。 根据公式( 2 6 ) 可得： 卟旷铲瓦m 疆$ r 啊 3 3 传感器电磁分析 为了便于结构设计现对传感器磁路进行电磁分析1 3 【，为简化问题取传感器一半 进行分析。 v 、j 、r 、j h 、毡 曲1 因因 i l l ； 一i 广，= ) 一l ，： ，乡r 图3 5 差动变压器等效磁路 专 沈阳工业人学硕士学位论文 根据基尔霍夫磁路定律：h ：，：= m ，即： n i d = h 1 l l + h 2 ，2 + 峨，3 ( 3 6 ) l 为激磁电流；为激励线圈匝数；硒、1 4 2 、马分别是铁罩、钢丝绳、气隙的磁 场强度；f ，、易、b 分别是主磁通经过铁罩、钢丝绳、气隙的有效路径。 又因为h ：上，则 i 1 0 1 ， 帆：生+ 鱼，：+ 墅， 。p o