麥曉俊，潘燦威，戴建芯

（廣東省特種設(shè)備檢測研究院佛山檢測院，廣東 佛山 52800）

起重機(jī)械鋼絲繩在吊載時，受到鋼絲之間及鋼絲與繩槽或筒壁之間的磨擦、擠壓而產(chǎn)生的交變應(yīng)力，致使鋼絲繩疲勞、彎折甚至破斷。鋼絲繩在這復(fù)雜交變應(yīng)力作用下發(fā)生的缺陷不可控制和不可預(yù)測，而這些缺陷時刻關(guān)系著設(shè)備的安全使用，因此，起重機(jī)械鋼絲繩需要定期檢驗和日常檢驗。常使用的方法主要有人工目視檢測和磁檢測法，這兩種方法難以達(dá)到實時性和全面性的工作需求。為了更科學(xué)地檢測出鋼絲繩缺陷，更合理使用鋼絲繩，本文在研究起重機(jī)械鋼絲繩缺陷理論的基礎(chǔ)上分析相應(yīng)的檢測方法。

1 起重機(jī)械鋼絲繩缺陷理論

1.1 起重機(jī)械鋼絲繩結(jié)構(gòu)與特性

鋼絲繩是起重機(jī)械的垂直承重部件，普遍用于起重機(jī)械的起升、變幅、旋轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)。鋼絲繩的結(jié)構(gòu)由鋼絲、股芯、繩芯三大部件組成，首先，將若干結(jié)構(gòu)相同鋼絲和股芯捻制成股，再將一定數(shù)量的繩股緊緊纏繞繩芯捻制而成。相比其他索鏈，具有強(qiáng)度高、柔性好、重量輕、操作平穩(wěn)、突然斷裂少的優(yōu)勢。考慮鋼絲繩表面特征，根據(jù)股中相鄰兩層鋼絲的接觸狀態(tài)將鋼絲繩分為點接觸型、線接觸型和面接觸型。起重機(jī)械鋼絲繩應(yīng)優(yōu)先采用線接觸型鋼絲繩，因為其鋼絲間接觸應(yīng)力小，使磨損減小，延長鋼絲繩的壽命，鋼絲間易于滑動，提高鋼絲繩的撓性。為達(dá)到面填充率高、承重能力好，生產(chǎn)線接觸型鋼絲繩時使用粗、細(xì)兩種鋼絲。所以表現(xiàn)出的鋼絲繩表面的特征為每層鋼絲的節(jié)距相同，內(nèi)外鋼絲的接觸形成一條螺旋線。

1.2 起重機(jī)械鋼絲繩缺陷類型和缺陷位置

鋼絲繩無損檢測研究主要基于鋼絲繩損傷的兩大類：第一類簡稱LF（Localized Fault）局部缺陷，主要通過整體角度宏觀分析，再集中到特定的區(qū)域研究，主要的特點是鋼絲繩的斷絲，斷絲的另一種表現(xiàn)形式為局部集中斷絲，即斷絲集中分布在一窄段鋼絲繩內(nèi)。第二類損傷簡稱LMA（Loss of metal cross-sectional area）型缺陷，是鋼絲繩鋼絲受到疲勞、腐蝕、劃傷，擠壓而造成。這種缺陷最顯著的特征是鋼絲繩的直徑變化，承載能力降低，最終鋼絲繩斷絲破裂。

起重機(jī)械鋼絲繩最容易損傷的位置是發(fā)生在鋼絲繩受到交變應(yīng)力最復(fù)雜的地方，找出其位置對鋼絲繩檢測至關(guān)重要。起重機(jī)械鋼絲繩損傷位置常見以下幾個區(qū)段：交叉重疊區(qū)和發(fā)生最嚴(yán)重干涉的區(qū)段；載荷吊起時鋼絲繩進(jìn)入頂部滑輪的區(qū)段；載荷吊起時鋼絲繩進(jìn)人下部滑輪組的區(qū)段。

綜上分析，鋼絲繩的安全狀態(tài)檢測時，必須時刻監(jiān)測這兩個特征，這也是鋼絲繩無損檢測的鋼絲繩理論基礎(chǔ)。

2 起重機(jī)械鋼絲繩檢測方法分析

起重機(jī)械鋼絲繩檢測目前常用的方法有兩種：傳統(tǒng)的人工檢測和磁檢測。傳統(tǒng)方法主要通過目測和游標(biāo)卡尺測量鋼絲繩繩徑檢測LMA型缺陷，通過在鋼絲繩表面包裹一層布檢測LF型缺陷。這種方法效率低、效果差，受人主觀因素影響較大，尤其對高空作業(yè)的起重機(jī)械鋼絲繩無能為力。針對鋼絲繩不同的缺陷，磁檢測法的原理有所不同。對于LF型缺陷，通過傳感器探測鋼絲繩斷絲處泄漏的磁場來判斷缺陷信息，對于LMA型缺陷，通過對比鋼絲繩內(nèi)部穿過磁通量的變化檢測鋼絲繩金屬截面變化情況。根據(jù)磁化方式可分為三種：交流磁化、直流磁化、永磁磁化。交流磁化會造成傳感器發(fā)熱，精度不足，直流磁化的設(shè)備龐大，操作麻煩，所以這兩種方法已經(jīng)被永磁替代。永磁磁化裝置攜帶方便，測量精度高，已廣泛在工業(yè)場所使用。傳感器中常見的有兩種：感應(yīng)線圈和霍爾元件。在起重機(jī)械鋼絲繩檢測過程中，傳感器要沿著鋼絲繩移動，感應(yīng)線圈傳感器容易受到移動速度的影響，造成無信號或者檢測位置不準(zhǔn)確，霍爾傳感器而不受移動速度影響。鋼絲繩鋼絲繩電磁檢測儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼絲繩電磁檢測儀結(jié)構(gòu)

電磁檢測儀雖然在檢測起重機(jī)械鋼絲繩中具有眾多優(yōu)點，但起重機(jī)械使用的環(huán)境復(fù)雜，受高空、油污影響，在實際使用過程中存在以下不足。

（1）鋼絲繩結(jié)構(gòu)對檢測影響：起重機(jī)械使用的鋼絲繩多為線接觸的八股鋼絲繩，傳感器在對鋼絲繩檢測時，股與股之間產(chǎn)生磁泄漏，容易誤判為斷絲缺陷。銹蝕、磨損的鋼絲繩，磁傳感器輸出的信號較為相似，這兩種缺陷難以分辨識別。在缺陷的位置上，磁檢測儀的空間分辨率也較低，尤其是兩個缺陷距離比較接近時，更難判斷。

（2）檢測儀受使用環(huán)境影響：磁檢測儀在使用時，要在卷筒上方固定一點，方便傳感器爬升，對于臂架式或者電動單梁起重機(jī)幾乎是不能完成的。

（3）檢測儀智能程度低：普遍使用的磁檢測儀檢測后期需要人工輔助判斷缺陷類型和損傷程度，而這些需專業(yè)知識和經(jīng)驗技術(shù)，因此，檢測結(jié)果準(zhǔn)確度和可靠度低。

鑒于現(xiàn)有人工目視檢測法和磁檢測法的不足，本文提出基于圖像檢測的方法對起重機(jī)械鋼絲繩進(jìn)行檢測，豐富起重機(jī)械鋼絲繩的檢驗方法。以數(shù)字圖像處理的理論基礎(chǔ)為背景對鋼絲繩進(jìn)行全面的斷絲缺陷識別與定位判斷。圖像檢測是指對圖像感興趣的區(qū)域進(jìn)行提取分割，然后智能識別的過程，包括圖像特征提取、歸納，最終通過相應(yīng)算法分離出來。圖像檢測一般可分為四部分，即圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像特征提取以及識別判斷。

圖像分割指根據(jù)圖像目標(biāo)和背景的先驗知識，對其進(jìn)行標(biāo)識、定位，然后將目標(biāo)從背景中分離出來。常見的分割方法有閥值分割、邊緣檢測、區(qū)域提取。

圖像特征提取是指從圖像眾多特征中提取出最有效的特征，以達(dá)到降低空間維度的目的，方便檢測處理。圖像特征可分為顏色、紋理、形狀、表面等，其中紋理用來表征圖像中局部的不規(guī)則而整體有規(guī)律的特性，通過像素分布的方向性和位置獲取。特征提取的方法有以下四類：統(tǒng)計法是基于像素與鄰域間的灰度一階、二階或者高階統(tǒng)計特性提取，結(jié)構(gòu)法是基于圖像不同方向、不同類型的紋理基元提取，模型法是基于估計模型的參數(shù)提取，信號處理法是基于圖像的變換域提取。各種方法既有區(qū)別，又有聯(lián)系，具體需根據(jù)圖像特征來提取。

圖像缺陷分類識別傳統(tǒng)方法主要有Fisher準(zhǔn)則、貝葉斯方法、K-近鄰分類方法、線性分類法等。這些方法都是在統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，將最小化期望風(fēng)險轉(zhuǎn)化成最小化經(jīng)驗風(fēng)險。訓(xùn)練樣本數(shù)越大，兩種風(fēng)險間的偏差就越小，但在實際的應(yīng)用中，訓(xùn)練樣本數(shù)越大工作越難實現(xiàn)。另一方面，這些傳統(tǒng)方法需要先驗知識和模型結(jié)構(gòu)，在實際操作中，這些信息很難確定。所以傳統(tǒng)方法有較大的局限性。

隨著生物學(xué)理論的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法開始廣泛地運(yùn)用，例如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，適用于未知的系統(tǒng)。因此能在一定程度上避免傳統(tǒng)方法的缺點，在實際工作中得到很好的應(yīng)用。

3 結(jié)語

隨著GB/T 28264-2017《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的實施，其中要求大型起重設(shè)備安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控起重機(jī)械吊點、運(yùn)行的狀態(tài)，大量視頻、照相設(shè)備應(yīng)用到起重設(shè)備中。采集起重機(jī)械鋼絲繩圖像成本在降低和方便性方面在提高，為起重機(jī)械鋼絲繩圖像檢測提供了硬件基礎(chǔ)，再者起重機(jī)械使用環(huán)境惡劣復(fù)雜，基于起重機(jī)械鋼絲繩結(jié)構(gòu)特性和圖像的分析，發(fā)現(xiàn)無損鋼絲繩與存在缺陷鋼絲繩在圖像紋理特征中有差異，起重機(jī)械鋼絲繩圖像檢測法將成為新的趨勢。