王紅堯，田 劼，張艷林，劉志宏，陳藝童

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京100083；2.華北科技學(xué)院 河北省礦山安全監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 廊坊065201；3.沈陽大學(xué)，遼寧 沈陽110044）

煤礦主、副井是礦山生產(chǎn)的“咽喉”。鋼絲繩是主、副井提升設(shè)備的關(guān)鍵承載構(gòu)件之一[1]。由于受到復(fù)雜工作環(huán)境、動(dòng)載荷與交變應(yīng)力、機(jī)械彎曲及振動(dòng)等多因素影響，鋼絲繩長期使用會(huì)出現(xiàn)斷絲、磨損、形變等病害而存在安全隱患，直接關(guān)乎下井人員、設(shè)備安全及生產(chǎn)的正常秩序[2]。我國《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，提升鋼絲繩必須每天進(jìn)行檢測。因此，開展礦用鋼絲繩無損檢測與安全評(píng)價(jià)技術(shù)研究，為礦山安全生產(chǎn)保駕護(hù)航極其重要。

目前，現(xiàn)有礦用鋼絲繩探傷技術(shù)還存在不足，主要表現(xiàn)在：

1）鋼絲繩探傷傳感器設(shè)計(jì)主要包括勵(lì)磁裝置和磁通檢測裝置設(shè)計(jì)2大部分。在勵(lì)磁裝置設(shè)計(jì)方面，現(xiàn)有鋼絲繩探傷傳感器大多仍采用基于單、雙回路、磁橋路等的強(qiáng)場磁化模式[3-4]。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該方法對(duì)較小直徑一般用途圓股結(jié)構(gòu)鋼絲繩磁化檢測效果較好[5-7]。但對(duì)于特殊用途的較大直徑礦用鋼絲繩則難以達(dá)到預(yù)期均勻磁化效果。

2）傳統(tǒng)鋼絲繩漏磁檢測裝置多是檢測鋼絲繩軸向方向的磁場分量。實(shí)際應(yīng)用測試中，較強(qiáng)的外部磁場會(huì)在儀器內(nèi)部空間產(chǎn)生泄漏干擾磁場，其方向也恰是鋼絲繩軸向方向。這就使得較小損傷產(chǎn)生的微弱磁信號(hào)很容易被空間泄漏磁場噪聲淹沒。

設(shè)備無損檢測與安全評(píng)價(jià)是礦山機(jī)電和礦山安全與管理部門需要開展的重要工作，也是相關(guān)高校學(xué)生應(yīng)該掌握的專業(yè)知識(shí)[8-9]。以礦井提升機(jī)鋼絲繩無損在線監(jiān)測為例，設(shè)計(jì)了一種新型基于徑向多通路均勻輻射磁化的鋼絲繩在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置。

1全向輻射均勻勵(lì)磁陣列結(jié)構(gòu)模型

提出一種基于多回路平衡檢測原理的弱磁化磁路設(shè)計(jì)方法。新型檢測磁路結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 新型檢測磁路結(jié)構(gòu)Fig.1 A new type of detection magnetic structure

傳感器主要由環(huán)形多回路永磁陣列模塊、磁軛銜鐵、多維檢測元件陣列、彎月型軟聚磁薄板等組件構(gòu)成。傳感器無需將鋼絲繩磁化至飽和狀態(tài)，代替的是通過多回路永磁陣列模塊、銜鐵、聚磁板等在鋼絲繩外圍形成一個(gè)平衡穩(wěn)定的磁場，一旦鋼絲繩出現(xiàn)斷絲、磨損等損傷，將打破現(xiàn)有穩(wěn)定磁場狀態(tài)，磁感線會(huì)產(chǎn)生畸變?；诙喾轿徊荚O(shè)的檢測元件陣列可以全面無盲區(qū)檢測鋼絲繩損傷狀況。

為在鋼絲繩內(nèi)、外部建立一個(gè)穩(wěn)態(tài)平衡磁場，需要對(duì)環(huán)形永磁體進(jìn)行充磁設(shè)計(jì)。目前可行的充磁方式主要有2種：一種是上下垂直充磁；另一種是徑向輻射充磁。垂直充磁方式簡單，工藝上易于實(shí)現(xiàn)，但從圖1可以看出，受圓拱形磁體結(jié)構(gòu)影響，到達(dá)鋼絲繩內(nèi)的磁場強(qiáng)度通常不均勻。徑向輻射充磁方法工藝實(shí)現(xiàn)上稍復(fù)雜，但容易使得通過鋼絲繩的磁場較為均勻統(tǒng)一，從而便于準(zhǔn)確定量地識(shí)別出引起磁場畸變的損傷程度[10]。

為進(jìn)一步比較2種充磁方式的勵(lì)磁檢測效果，通過電磁場數(shù)值模擬軟件搭建傳感器檢測模型，并模擬制作了1處損傷，不同充磁條件下的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線如圖2。

圖2 不同充磁條件下的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線Fig.2 Themagnetic induction intensity change curves under differentmagnetic charging conditions

從圖2可以看出，徑向輻射充磁后損傷處磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化程度更為明顯，從而更容易被磁電元件檢測和識(shí)別。徑向輻射充磁效果較好。

實(shí)際研制過程中，受充磁工裝和夾具技術(shù)的制約，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)半環(huán)永磁體的一體均勻充磁。為此，提出將永磁體分割為多個(gè)1/M圓環(huán)進(jìn)行充磁后拼接設(shè)計(jì)。分別將永磁體半環(huán)分割為2、3、4、5、6塊（M=2、3、4、5、6）圓環(huán)體進(jìn)行徑向輻射充磁后陣列拼接。

通過有限元數(shù)值模擬對(duì)上述拼接充磁方式進(jìn)行分析，得到的損傷處磁電變化信號(hào)如圖3。

圖3（a）是損傷產(chǎn)生的磁電模擬信號(hào)峰值波形。圖3（b）是不同陣列塊拼接條件下獲得的磁電信號(hào)波峰值的變化曲線。圖3（c）是峰值變化比例圖。從圖3（b）、圖3（c）中可以看出，隨著永磁體陣列數(shù)量增加，損傷磁電變化信號(hào)強(qiáng)度明顯增大。但陣列數(shù)達(dá)到一定量值后，信號(hào)峰值增加程度趨于平緩，增大比例大幅下降。研究發(fā)現(xiàn)，陣列數(shù)M≥6后，繼續(xù)增加M，對(duì)信號(hào)變化影響不大。而隨著M增加，增大了磁體切割及拼接安裝的難度與研制成本。綜合考慮，采用6塊陣列拼接組合模型。

圖3 損傷處的磁電變化信號(hào)波形及數(shù)值Fig.3 The waveform and value of themagnetic and electrical signal at the damage

而磁體拼接粘合過程會(huì)產(chǎn)生縫隙，可能會(huì)對(duì)鋼絲繩磁化效果產(chǎn)生影響。由此，針對(duì)永磁體中的縫隙是否會(huì)對(duì)鋼絲繩磁化產(chǎn)生影響，進(jìn)行了進(jìn)一步仿真研究。為簡化計(jì)算量，鋼絲繩暫用鋼棒等效。將永磁體設(shè)置為N38，剩磁為1.25 T。首先將永磁體切割縫隙設(shè)置為0 mm，即無縫狀態(tài)，磁密方向符合實(shí)際需求，鋼絲繩中間位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值為1.36 T。

縫隙間距為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm時(shí)，中心點(diǎn)位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度值均基本保持在1.36 T左右，可以將鋼絲繩磁化至飽和狀態(tài)。但是1個(gè)點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度還并不能反映整體情況，于是在鋼絲繩內(nèi)部設(shè)置1條直線，長度約300 mm，且穿過鋼絲繩中心點(diǎn)處，將縫隙大小增大步長為0.1 mm，最后增大至1 mm時(shí)，直線上磁感應(yīng)強(qiáng)度值變化不大，由此說明，將永磁體切割后在縫隙小于1 mm情況下，并沒有對(duì)鋼絲繩磁化結(jié)果產(chǎn)生較大影響，拼接方法可行。

2 空間全磁參量信息陣列聚磁檢測技術(shù)

提出一種空間全磁參量信息陣列聚磁復(fù)合檢測方法。通過綜合鋼絲繩軸向、徑向等多方位復(fù)合磁場聚磁檢測技術(shù)，全面對(duì)比分析鋼絲繩外圍磁場變化狀況，為準(zhǔn)確定量識(shí)別損傷奠定基礎(chǔ)。

根據(jù)霍爾磁效應(yīng)可知，測量軸向磁場變化需將元件感應(yīng)面垂直于磁場方向布置。因此，設(shè)計(jì)軸向磁場分量測量傳感元件陣列，環(huán)繞鋼絲繩布設(shè)4個(gè)傳感元件，一方面能保證每個(gè)元件檢測到周向90°的角度范圍。另一方面，通過多個(gè)傳感元件的復(fù)合運(yùn)算可以減弱鋼絲繩股間隙產(chǎn)生的漏磁干擾。軸向磁場測量如圖4。

為進(jìn)一步削弱背景磁場噪聲對(duì)檢測效果的影響，提出采用徑向磁場測量補(bǔ)償相結(jié)合的方法。從檢測原理可知，背景磁場噪聲主要平行于鋼絲繩軸向方向。而測量徑向磁場變化需將元件感應(yīng)面垂直于鋼絲繩截面徑向、平行于軸向方向布置。因此，徑向傳感元件輸出信號(hào)中將基本不含背景噪聲。

因單個(gè)傳感元件的周向檢測范圍有限?？梢匝劁摻z繩周向布設(shè)傳感元件陣列實(shí)現(xiàn)檢測的全覆蓋。為此，設(shè)計(jì)徑向磁場測量傳感元件陣列，陣列元件安裝在塑料內(nèi)襯上，根據(jù)鋼絲繩直徑不同可沿周向布設(shè)2m（m=1、2、3、4、…）個(gè)傳感元件。同理，通過元件陣列的混合運(yùn)算可以減弱繩股漏磁干擾信號(hào)影響。徑向磁場測量傳感元件陣列如圖5。

為更大程度增加元件感應(yīng)面采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度均值，提高檢測信號(hào)信噪比，針對(duì)周向元件陣列設(shè)計(jì)了匹配聚磁通路。有無聚磁通路的磁場云圖對(duì)比如圖6。從圖中明顯可以看出，有聚磁通路條件下檢測元件感應(yīng)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度高于無聚磁通路時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖6 有無聚磁通路的磁場云圖對(duì)比Fig.6 A comparison ofmagnetic field clouds w ith or w ithout polymagnetic paths

為更準(zhǔn)確地對(duì)比2種磁路條件下的檢測效果，依次在鋼絲繩上仿真制作若干處斷絲、截面積磨損等損傷。傳感元件采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度均值見表1，從表中可以看出，在較適合的聚磁通路條件下，各傳感元件采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度值平均可以提高約35.22%。

表1 傳感元件采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度均值Table 1 Themean magnetic induction strength collected by the sensing element

3 在線監(jiān)測干擾信號(hào)預(yù)處理方法

礦用鋼絲繩運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)、晃動(dòng)改變檢測提離值，繼而引起檢測信號(hào)發(fā)生漂移。同時(shí)工頻干擾、其他電磁干擾等噪聲也會(huì)耦合到有用信號(hào)中，影響信號(hào)準(zhǔn)確定量識(shí)別。均值濾波是一種基于排隊(duì)統(tǒng)計(jì)理論的的噪聲抑制及非線性信號(hào)平滑處理技術(shù)。為此，提出采用基于均值卡爾曼濾波的信號(hào)預(yù)處理方法。

鋼絲繩檢測數(shù)字信號(hào)序列可表示為xn（n=1、2、3、…、L），L為信號(hào)序列長度。定義1個(gè)寬度為2N+1的窗口（N為正整數(shù)）。則某一時(shí)刻，窗口內(nèi)的信號(hào)樣本為x（i-N）、…、x（i）、…、x（i+N），其中x（i）為位于窗口中心的信號(hào)樣本值。對(duì)該2N+1個(gè)信號(hào)樣本值按從小到大的順序排列后，其均值便定義為均值濾波的輸出值y（i）為：

均值濾波是基于“最小絕對(duì)誤差”準(zhǔn)則的最優(yōu)化濾波。實(shí)際中，隨著選用窗口長度的增加，尋求中值濾波的快速算法較為重要。通?？刹捎弥狈綀D數(shù)據(jù)修正、樣本值二進(jìn)制表示邏輯判斷等方法進(jìn)行快速計(jì)算。

在Matlab中均值濾波器函數(shù)y=medfiltl（x，s），其中x表示原始信號(hào)，s為窗口大小。該函數(shù)將終點(diǎn)以外的信號(hào)考慮為0。輸出y與x有相同的長度。當(dāng)s為奇數(shù)時(shí)，y（k）是x（k-（s-1）/2∶k+（s-1）/2）的中值。函數(shù)medfilt1對(duì)數(shù)列進(jìn)行排序，將中間的值作為均值濾波輸出。根序列是描述評(píng)價(jià)均值濾波性能的重要依據(jù)。通過分析根序列結(jié)構(gòu)，確定原信號(hào)序列中需要保留和抑制的成分，從而可調(diào)整優(yōu)化均值濾波器窗口寬度。

卡爾曼濾波是一種最優(yōu)化的自回歸數(shù)據(jù)處理算法[11]。模型的系統(tǒng)狀態(tài)方程是：

式中：x（k）為k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)；u（k-1）為k-1時(shí)刻對(duì)系統(tǒng)的控制量；ω（k-1）為預(yù)測過程的噪聲；A為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；B為將輸入轉(zhuǎn)換為狀態(tài)的矩陣。

該方程是依據(jù)前一時(shí)刻的狀態(tài)和控制變量來預(yù)測目前時(shí)刻的狀態(tài)。

系統(tǒng)的觀測方程為：

式中：z（k）為觀測值，是濾波輸入；v（k）為觀測的噪聲；H為狀態(tài)變量到觀測的轉(zhuǎn)換矩陣。

針對(duì)上述模型的濾波及迭代公式為：

1）推算預(yù)測狀態(tài)變量。

2）推算誤差協(xié)方差。

式中：p-（k）為k時(shí)刻的先驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差；p（k-1）為k-1時(shí)刻的后驗(yàn)估計(jì)協(xié)方差；Q為過程激勵(lì)噪聲協(xié)方差。

3）計(jì)算濾波卡爾曼增益K（k）。

式中：R為測量噪聲協(xié)方差；H為狀態(tài)變量到觀測的轉(zhuǎn)換矩陣。

5）更新測量誤差p（k）。

鋼絲繩在線檢測信號(hào)的原始信號(hào)和基于該方法進(jìn)行預(yù)處理后的信號(hào)對(duì)比如圖7。

圖7 信號(hào)預(yù)處理Fig.7 Signal pre-processing

從圖7可以明顯看出，該方法能較好的矯正信號(hào)漂移并有效濾除了大量空間耦合干擾噪聲，為信號(hào)準(zhǔn)確定量識(shí)別奠定了基礎(chǔ)。

4 實(shí)驗(yàn)?zāi)M測試

搭建了鋼絲繩在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，進(jìn)行新型探傷裝置的實(shí)驗(yàn)室測試。該平臺(tái)長3.6 m、高1.8 m、寬1.3 m。支架采用全鋁合金材質(zhì)，質(zhì)量輕，移動(dòng)安裝便捷，適合在實(shí)驗(yàn)室安放[12]。與其他平臺(tái)構(gòu)造相比，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保留1個(gè)張緊輪，通過導(dǎo)軌中移動(dòng)輪軸加螺絲固定即可完成換繩與緊繩，操作使用簡單。且平臺(tái)中設(shè)計(jì)了3處傳感器布設(shè)位置，可以多角度模擬豎井垂直段提升、水平段運(yùn)轉(zhuǎn)、斜井提升等各種復(fù)雜工況。

為驗(yàn)證新型探傷儀檢測效果的有效性?；谛路椒ㄑ兄屏说V用鋼絲繩在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并在鋼絲繩上制作了大量的斷絲、截面積損傷等實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行測試。傳感器采用雙內(nèi)襯結(jié)構(gòu)，可以滿足不同直徑范圍鋼絲繩的檢測實(shí)驗(yàn)。

依據(jù)礦用鋼絲繩常見損傷，制作斷絲數(shù)量分別為3、5、7、9、10、11、13、14、15、16、17、18、19根，斷口間距為3、5、7、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20 mm，截面磨損長度分別為3、5、7、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18 mm，磨損深度為5%、10%、14%、28%的典型損傷樣本。

通過傳感器采集的損傷處軸向磁場信號(hào)與徑向磁場信號(hào)對(duì)比可以看出，軸向信號(hào)中含有大量的背景噪聲，可視分辨性效果不佳，尤其是當(dāng)損傷程度較小，僅有3 mm時(shí)，只從軸向信號(hào)中難以分辨出損傷存在。而從徑向信號(hào)中則可以明顯分辨出損傷的存在。傳感器徑向信號(hào)是軸向信號(hào)的有益補(bǔ)充。

從鋼絲繩斷絲檢測信號(hào)中可以看出，對(duì)同類斷絲型損傷，軸向磁場與徑向磁場信號(hào)檢測波形形態(tài)不同，但均為奇異信號(hào)，可以通過兩種奇異波形的相互驗(yàn)證進(jìn)行損傷的精準(zhǔn)識(shí)別。從軸向磁場信號(hào)中可以發(fā)現(xiàn)，截面損傷信號(hào)形態(tài)與斷絲信號(hào)形態(tài)不同，隨著損傷面的增加信號(hào)的峰值有所降低，但信號(hào)的波寬增加，出現(xiàn)凹陷波峰。由此可見，新型探傷儀不但能檢測到小損傷產(chǎn)生的微弱信號(hào)，而且能從多視角給出損傷信號(hào)多維信息，為后續(xù)信號(hào)高質(zhì)量分析奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

介紹了礦用鋼絲繩健康無損在線監(jiān)測的實(shí)驗(yàn)室模擬裝置關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)鋼絲繩探傷傳感器相比，采用了多回路平衡檢測的弱磁磁化原理，通過檢測損傷引起的磁場畸變判別鋼絲繩損傷狀況；傳感器采用環(huán)形永磁體勵(lì)磁陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于定量識(shí)別損傷程度；傳感器采用多維元件陣列布設(shè)+配套聚磁結(jié)構(gòu)模式，通過綜合鋼絲繩軸向、徑向、周向多維磁場信號(hào)全面測量鋼絲繩健康狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明，礦用鋼絲繩無損在線監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室模擬裝置，能有效的分辨出不大于3 mm的微小損傷。