田 劼，朱樸凡，孟國營，宋 姍，胡耀松

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083)

在礦山生產(chǎn)中，鋼絲繩處于不可或缺的地位，并且由于工作環(huán)境的多樣性與特殊性，其安全性能備受各方關(guān)注，鋼絲繩在線無損探傷技術(shù)及其配套設(shè)備的設(shè)計(jì)研究也就處于十分重要的地位[1，2]。國外開發(fā)的鋼絲繩無損探傷原理及其配套實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有英國Taylor和Caesy的聲發(fā)射檢測(cè)、德國威斯特伐利亞采礦聯(lián)合會(huì)運(yùn)輸工程和材料技術(shù)研究所的光學(xué)檢測(cè)、美國Kwun和Burkhardt的振動(dòng)檢測(cè)、日本的超聲波檢測(cè)等，但是在國內(nèi)卻缺乏可靠的探傷技術(shù)與配套設(shè)備。目前公認(rèn)最為有效的方法是電磁檢測(cè)法，特別是基于霍爾元件的聚磁檢測(cè)[3，4]。目前國內(nèi)對(duì)其開發(fā)的相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有北京工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的鋼絲繩故障檢測(cè)平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、易于操作；百克特公司開發(fā)的礦用鋼絲繩無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，該平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單、低速運(yùn)轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)性較好。

為使設(shè)計(jì)方案能夠滿足設(shè)計(jì)要求，本文通過利用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊對(duì)多個(gè)設(shè)計(jì)方案模擬多種實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，從而得到一系列速度、力矩等實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，對(duì)方案本身及其仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行后期綜合對(duì)比分析，并進(jìn)行一系列改進(jìn)，在保證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、適應(yīng)性的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化整體平臺(tái)，使其具備更好的操作性與適用性。

1 礦用鋼絲繩在線無損探傷實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

無損探傷實(shí)驗(yàn)采用徑向多回路勵(lì)磁檢測(cè)法，通過永磁體對(duì)工作狀態(tài)下的鋼絲繩進(jìn)行磁化，之后通過檢測(cè)元件實(shí)時(shí)檢測(cè)鋼絲繩磁場(chǎng)變化，繼而分辨鋼絲繩的損傷類型與損傷程度[5-8]。為保證實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^為真實(shí)的模擬實(shí)際鋼絲繩工作環(huán)境，并且能夠提供較高的穩(wěn)定性與適用性，提出以下三點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：

1)尺寸要求：長度不超過3600mm，高度大約1800mm，寬度不超過1500mm。

2)穩(wěn)定性要求：為保證能夠較為真實(shí)的模擬實(shí)際礦用鋼絲繩工作環(huán)境，要求鋼絲繩能夠張緊并且平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3)速度可調(diào)要求：鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)速度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為0～10m/s。

1.2 鋼絲繩探傷實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)鋼絲繩探傷實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 初步設(shè)計(jì)方案

分析初步設(shè)計(jì)方案，總結(jié)其特點(diǎn)：①簡化了構(gòu)件數(shù)量，便于安裝使用；②保證了機(jī)輪處與鋼絲繩之間有較大包角，提高了可靠性與穩(wěn)定性；③進(jìn)一步簡化了張緊裝置，使安裝固定更加方便簡單；④底部滑輪與機(jī)輪距離較大，實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)抖動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)精度；⑤探傷儀擺放位置單一，檢測(cè)位置單一，探傷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠全面。

針對(duì)初步設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)提出鋼絲繩探傷實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

整體機(jī)架采用鋁合金材料制造加工，機(jī)輪、滑輪和輪軸均采用鋼材料，選用三相異步電動(dòng)機(jī)配合調(diào)速器作為動(dòng)力源，整體長度確定為3600mm、高度1800mm、寬度1300mm，機(jī)輪直徑500mm，滑輪直徑300mm，厚度均為80mm，進(jìn)一步完善了其適應(yīng)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，有以下優(yōu)點(diǎn)：①進(jìn)一步簡化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將張緊輪減少至一個(gè)，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)張緊；②創(chuàng)新式的加入三個(gè)探傷平臺(tái)，可以模擬多種探傷工況：水平探傷、豎直探傷和傾斜探傷(水平無極牽引、豎井提升和斜井提升等實(shí)際工作場(chǎng)合)[9，10]；③底部增添鋼制底座，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)過程的穩(wěn)定性。

2 仿真及數(shù)據(jù)分析

2.1 Adams軟件仿真

探傷實(shí)驗(yàn)是通過電機(jī)帶動(dòng)機(jī)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而使得鋼絲繩以一定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過位于探傷平臺(tái)上的探傷儀完成檢測(cè)工作。由于要求能夠獲得多種隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行不斷變化的實(shí)時(shí)參數(shù)(不同段速度、受力和扭矩等)，并且要對(duì)各個(gè)實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ群途C合分析對(duì)比，普通力學(xué)仿真分析所得到的數(shù)據(jù)無法滿足需求，所以選取偏向于運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的Adams軟件進(jìn)行仿真分析。

通過SolidWorks軟件建模后導(dǎo)入Adams軟件仿真[11-13]。導(dǎo)入后通過添加繩索模塊模擬鋼絲繩纏繞狀態(tài)(鋼絲繩選取6×19，直徑30mm的礦用鋼絲繩)，根據(jù)實(shí)際狀況設(shè)置滑輪與鋼絲繩接觸面參數(shù)以及附加鋼制材料實(shí)際參數(shù)(楊氏模量206GPa、泊松比0.31、密度7.85g/m3)，設(shè)置機(jī)架底面與地面的固定副聯(lián)接、添加各個(gè)構(gòu)件之間實(shí)際連接狀態(tài)(螺絲螺母固定、三腳架固定等)以及附加鋁合金材料實(shí)際參數(shù)(楊氏模量72GPa、泊松比0.33、密度2.81g/m3)，對(duì)鋼絲繩施加100N的初始負(fù)載模擬鋼絲繩張緊工作狀態(tài)，并施加標(biāo)準(zhǔn)重力9.8m/s2模擬真實(shí)工作環(huán)境，最后在機(jī)輪軸處添加2293d/min(鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)速度10m/s)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力進(jìn)行5s模擬仿真[14，15]。

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)前期分析對(duì)比，對(duì)初步方案和改進(jìn)方案進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)橫向?qū)Ρ?，并?duì)其結(jié)果進(jìn)行處理分析[16-20]。

2.2.1 初步方案仿真數(shù)據(jù)處理

由于在機(jī)輪與滑輪的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中主要受力點(diǎn)在于各個(gè)輪軸上，所以對(duì)于受力主要分析輪軸點(diǎn)的實(shí)時(shí)受力變化如圖3所示；鋼絲繩間的實(shí)時(shí)受力變化如圖4所示；機(jī)輪處所受實(shí)時(shí)扭矩變化如圖5所示。

圖3 初步方案輪軸受力

鋼絲繩初始受力均為附加的張緊力100N，在0.1s時(shí)一號(hào)減小至2.8009N、二號(hào)減小至37.0452N、三號(hào)減小至71.4427N、四號(hào)增加至105.8412N、五號(hào)增加至140.0905N、六號(hào)增加至174.4253N；0.1—0.8s基本保持不變；在2.3s時(shí)回歸穩(wěn)態(tài)100.002N。機(jī)輪軸處附加2293d/min轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，輪軸受力數(shù)據(jù)處理見表1。

圖4 初步方案鋼絲繩受力

圖5 初步方案主軸扭矩

表1 初步方案輪軸受力數(shù)據(jù)

2.2.2 改進(jìn)方案仿真數(shù)據(jù)處理

改進(jìn)方案主軸處的實(shí)時(shí)受力變化如圖6所示；鋼絲繩間的實(shí)時(shí)受力變化如圖7所示；機(jī)輪處所受實(shí)時(shí)扭矩變化如圖8所示。

圖6 改進(jìn)方案輪軸受力

圖7 改進(jìn)方案鋼絲繩受力

鋼絲繩初始受力均為附加的張緊力100N，在0.1s時(shí)一號(hào)減小至6.8943N、二號(hào)減小至25.2357N、三號(hào)減小至66.9352N、四號(hào)增加至190.8188N、五號(hào)增加至314.665N；0.1—0.5s時(shí)基本維持不變；0.5—1.4s逐漸回歸穩(wěn)態(tài)；在1.7s時(shí)到達(dá)穩(wěn)態(tài)100.001N。機(jī)輪軸處附加2293d/min轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力，輪軸受力數(shù)據(jù)處理見表2。

表2 改進(jìn)方案輪軸受力數(shù)據(jù)

圖8 改進(jìn)方案主軸扭矩

在調(diào)節(jié)張緊力的過程中鋼絲繩與機(jī)輪的包角可以始終保持在200°左右、與一號(hào)滑輪包角在100°左右、與二號(hào)滑輪包角在90°左右、與三號(hào)滑輪包角在100°左右、與四號(hào)滑輪包角在180°左右，可以保證在傳動(dòng)過程中不會(huì)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

3 方案對(duì)比與數(shù)據(jù)分析

3.1 方案對(duì)比

從受力、扭矩等方面對(duì)初步方案與改進(jìn)方案的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比：

1)輪軸受力：初步方案中各個(gè)輪軸受力變化不論增大還是減小均為突變，而且從初始到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較長。相比初步方案，改進(jìn)方案輪軸受力變化大部分為漸變，并且從初始到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間較短。

2)鋼絲繩受力：相比初步方案，改進(jìn)方案大部分受力變化較為緩和。

3)主軸扭矩：由于動(dòng)力源于機(jī)輪主軸，所以主軸受扭矩影響較大。初步方案主軸扭矩變化頻繁、抖動(dòng)幅度較大、抖動(dòng)時(shí)間持續(xù)整個(gè)仿真過程，并且隨著仿真時(shí)間增加，抖動(dòng)幅度也越來越大。改進(jìn)方案中機(jī)輪主軸整體所受扭矩較為穩(wěn)定，僅在0.5—1.4s處發(fā)生較大變化并迅速恢復(fù)平穩(wěn)。

4)對(duì)于初步方案的第一段鋼絲繩受力來說，變化階段最小拉力處僅為2.8009N，拉力過小有可能導(dǎo)致第一段鋼絲繩在這段時(shí)間內(nèi)過于松弛，使得鋼絲繩在實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)抖動(dòng)不穩(wěn)定。

綜上所述，通過受力、扭矩等參數(shù)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：相比初步方案，改進(jìn)方案受力均勻、受力變化幅度較小、所受扭矩較為穩(wěn)定，有利于輪軸壽命和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。

3.2 改進(jìn)方案數(shù)據(jù)分析

根據(jù)模擬仿真所得數(shù)據(jù)，各輪軸和各段鋼絲繩均在前期均出現(xiàn)不同的變化，并且變化時(shí)間與機(jī)輪速度變化時(shí)間相對(duì)應(yīng)，是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)動(dòng)初始，由于機(jī)輪、滑輪和鋼絲繩之間的速度差較大，機(jī)輪、滑輪與鋼絲繩之間的摩擦力就會(huì)逐漸增大，輪軸受扭矩逐漸增大；當(dāng)鋼絲繩達(dá)到一定速度之后，機(jī)輪、滑輪與鋼絲繩之間的摩擦力便會(huì)逐漸減小，并且輪軸扭矩也會(huì)逐漸減?。划?dāng)鋼絲繩到達(dá)穩(wěn)態(tài)速度時(shí)，機(jī)輪、滑輪與鋼絲繩速度基本持平，摩擦力接近零，輪軸受力到達(dá)穩(wěn)態(tài)，扭矩變化也接近平穩(wěn)。對(duì)于二號(hào)輪軸和三號(hào)輪軸來說，之所以會(huì)產(chǎn)生小幅震動(dòng)，是因?yàn)槎?hào)輪軸和三號(hào)輪軸距離動(dòng)力源較遠(yuǎn)，受到來自相鄰滑輪傳遞的力的變化較小，所以出現(xiàn)小幅震動(dòng)并且最終在相同的時(shí)間到達(dá)穩(wěn)態(tài)。

對(duì)仿真各段鋼絲繩受力情況進(jìn)行分析，當(dāng)機(jī)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于一號(hào)繩左端相當(dāng)于減少張緊力，所以受力減?。粚?duì)于二號(hào)繩在上端放松張緊力，在下端受到拉力，但是由于位置原因，上端對(duì)其受力影響較大，所以受力減小，且幅度比一號(hào)繩?。粚?duì)于三號(hào)繩在右端放松張緊力，在左端受拉力，但右端對(duì)其受力影響較大，所以受力減小，且幅度比二號(hào)繩小；對(duì)于四號(hào)繩在上端受拉力，在下端放松張緊力，但上端對(duì)其受力影響較大，所以受力增大；對(duì)于五號(hào)繩左端靠近機(jī)輪，相當(dāng)于增加拉力，所以受力增大，并且幅度比四號(hào)繩大。

4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)改進(jìn)方案進(jìn)行鋼絲繩無損探傷實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物搭建，連接處采用三角鐵與螺母配合固定，為便于安裝搭建，均采用標(biāo)準(zhǔn)件安裝，搭建完成后進(jìn)行一系列探傷實(shí)驗(yàn)考察實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)際情況。如圖9所示。

圖9 無損探傷實(shí)驗(yàn)臺(tái)

通過調(diào)節(jié)四號(hào)滑輪施加張緊力，啟動(dòng)電機(jī)，鋼絲繩無打滑現(xiàn)象，運(yùn)轉(zhuǎn)正常，達(dá)到穩(wěn)定探傷實(shí)驗(yàn)速度時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)各部分受力較為穩(wěn)定，整體運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無明顯抖動(dòng)、變形等不適用情況，鋼絲繩在水平段上下抖動(dòng)誤差約2mm左右，在垂直段上下抖動(dòng)誤差約2mm左右，在傾斜段上下抖動(dòng)誤差約5mm左右，探傷儀輸送信號(hào)穩(wěn)定正常，輸送波形平穩(wěn)連續(xù)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)精度需求。

在鋼絲繩定點(diǎn)處加工一斷絲損傷，缺口長度約15mm、寬約5mm、深度約7mm、斷絲約7根，并且為模擬真實(shí)工作環(huán)境，在鋼絲繩上人為添加了煤屑、鐵屑、油污等雜質(zhì)，在水平段搭建探傷儀進(jìn)行探傷實(shí)驗(yàn)，并通過示波器進(jìn)行初步數(shù)據(jù)樣本采集。

為避免由損傷位置以及其他噪音干擾造成的誤差影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論，故在鋼絲繩上下設(shè)置兩處檢測(cè)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)斷絲處進(jìn)行探傷，所得數(shù)據(jù)可在示波器上顯示。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理發(fā)現(xiàn)，正常段鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，示波器電壓值變化較小，示波器顯示波形較為平穩(wěn)，數(shù)值基本維持不變，電壓波形出現(xiàn)一定諧波，并且成周期性變化，數(shù)值基本維持不變。當(dāng)探傷儀檢測(cè)到損傷段時(shí)，電壓值出現(xiàn)驟變，變化幅度接近1V，電壓波形也出現(xiàn)抖動(dòng)，諧波同樣成周期性變化。

綜合分析所得數(shù)據(jù)，在正常段探傷過程中電壓值出現(xiàn)小幅變化主要原因有：①鋼絲繩運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)不可避免的小幅抖動(dòng)；②鋼絲繩本身在制造過程中無法保證每單位鋼絲繩能夠完全相同；③在鋼絲繩上所添加的導(dǎo)磁金屬雜屑會(huì)引入一定噪音。

在損傷段，探頭檢測(cè)伏值發(fā)生突變，雙通路探傷時(shí)，兩探頭也在同一定點(diǎn)發(fā)生伏值突變，這是由于鋼絲繩結(jié)構(gòu)受損，在損傷處產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，通過霍爾元件引起電壓值驟變。雙通路檢測(cè)時(shí)兩探頭伏值變化之所以有差異，是應(yīng)為兩攤頭與損傷點(diǎn)的相對(duì)位置不同，故而所測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度不同造成的。在實(shí)驗(yàn)過程中所產(chǎn)生的諧波應(yīng)來源于實(shí)驗(yàn)過程中所用恒流源、電路元件等，故而成周期性變化。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)加工的礦用鋼絲繩在線無損檢測(cè)平臺(tái)能夠提供較為穩(wěn)定的探傷實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境，能夠較為全面的模擬模擬礦用鋼絲繩真實(shí)工作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確，并得出以下結(jié)論：

1)設(shè)計(jì)方案在初始時(shí)受力、速度、扭矩等參數(shù)變化較為頻繁，但是變化幅度不大，在2s之內(nèi)便會(huì)回歸基本穩(wěn)態(tài)，之后基本維持平穩(wěn)。

2)機(jī)輪與一號(hào)滑輪之間距離較遠(yuǎn)，第一段鋼絲繩的長度較長，在轉(zhuǎn)動(dòng)初始時(shí)第一段鋼絲繩所受張緊力較小，為不影響實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)前施加的張緊力不應(yīng)過小。

3)改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)簡單，安裝、固定、使用方便有效，擁有較高的穩(wěn)定性與全面性，改進(jìn)了現(xiàn)已開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的模擬實(shí)際探傷狀況單一、不適應(yīng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)等缺陷。

4)探傷實(shí)驗(yàn)過程中，示波器顯示波形較為平穩(wěn)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出損傷段波形變化，重復(fù)實(shí)驗(yàn)所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近相同，外部引入噪音影響較小。