麥曉俊，潘燦威，戴建芯

（廣東省特種設(shè)備檢測(cè)研究院佛山檢測(cè)院，廣東 佛山 52800）

起重機(jī)械鋼絲繩在吊載時(shí)，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(cè)，而這些缺陷時(shí)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(yàn)和日常檢驗(yàn)。常使用的方法主要有人工目視檢測(cè)和磁檢測(cè)法，這兩種方法難以達(dá)到實(shí)時(shí)性和全面性的工作需求。為了更科學(xué)地檢測(cè)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(cè)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(shì)?？紤]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(diǎn)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?yàn)槠滗摻z間接觸應(yīng)力小，使磨損減小，延長(zhǎng)鋼絲繩的壽命，鋼絲間易于滑動(dòng)，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(shí)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(wú)損檢測(cè)研究主要基于鋼絲繩損傷的兩大類：第一類簡(jiǎn)稱LF（Localized Fault）局部缺陷，主要通過(guò)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(diǎn)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(jiǎn)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(duì)鋼絲繩檢測(cè)至關(guān)重要。起重機(jī)械鋼絲繩損傷位置常見(jiàn)以下幾個(gè)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(shí)鋼絲繩進(jìn)入頂部滑輪的區(qū)段；載荷吊起時(shí)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(cè)時(shí)，必須時(shí)刻監(jiān)測(cè)這兩個(gè)特征，這也是鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)的鋼絲繩理論基礎(chǔ)。

2 起重機(jī)械鋼絲繩檢測(cè)方法分析

起重機(jī)械鋼絲繩檢測(cè)目前常用的方法有兩種：傳統(tǒng)的人工檢測(cè)和磁檢測(cè)。傳統(tǒng)方法主要通過(guò)目測(cè)和游標(biāo)卡尺測(cè)量鋼絲繩繩徑檢測(cè)LMA型缺陷，通過(guò)在鋼絲繩表面包裹一層布檢測(cè)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(duì)高空作業(yè)的起重機(jī)械鋼絲繩無(wú)能為力。針對(duì)鋼絲繩不同的缺陷，磁檢測(cè)法的原理有所不同。對(duì)于LF型缺陷，通過(guò)傳感器探測(cè)鋼絲繩斷絲處泄漏的磁場(chǎng)來(lái)判斷缺陷信息，對(duì)于LMA型缺陷，通過(guò)對(duì)比鋼絲繩內(nèi)部穿過(guò)磁通量的變化檢測(cè)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(huì)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(cè)量精度高，已廣泛在工業(yè)場(chǎng)所使用。傳感器中常見(jiàn)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(cè)過(guò)程中，傳感器要沿著鋼絲繩移動(dòng)，感應(yīng)線圈傳感器容易受到移動(dòng)速度的影響，造成無(wú)信號(hào)或者檢測(cè)位置不準(zhǔn)確，霍爾傳感器而不受移動(dòng)速度影響。鋼絲繩鋼絲繩電磁檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼絲繩電磁檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)

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

（1）鋼絲繩結(jié)構(gòu)對(duì)檢測(cè)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(duì)鋼絲繩檢測(cè)時(shí)，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(hào)較為相似，這兩種缺陷難以分辨識(shí)別。在缺陷的位置上，磁檢測(cè)儀的空間分辨率也較低，尤其是兩個(gè)缺陷距離比較接近時(shí)，更難判斷。

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

（3）檢測(cè)儀智能程度低：普遍使用的磁檢測(cè)儀檢測(cè)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，因此，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度和可靠度低。

鑒于現(xiàn)有人工目視檢測(cè)法和磁檢測(cè)法的不足，本文提出基于圖像檢測(cè)的方法對(duì)起重機(jī)械鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)，豐富起重機(jī)械鋼絲繩的檢驗(yàn)方法。以數(shù)字圖像處理的理論基礎(chǔ)為背景對(duì)鋼絲繩進(jìn)行全面的斷絲缺陷識(shí)別與定位判斷。圖像檢測(cè)是指對(duì)圖像感興趣的區(qū)域進(jìn)行提取分割，然后智能識(shí)別的過(guò)程，包括圖像特征提取、歸納，最終通過(guò)相應(yīng)算法分離出來(lái)。圖像檢測(cè)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(shí)別判斷。

圖像分割指根據(jù)圖像目標(biāo)和背景的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)識(shí)、定位，然后將目標(biāo)從背景中分離出來(lái)。常見(jiàn)的分割方法有閥值分割、邊緣檢測(cè)、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(cè)處理。圖像特征可分為顏色、紋理、形狀、表面等，其中紋理用來(lái)表征圖像中局部的不規(guī)則而整體有規(guī)律的特性，通過(guò)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(jì)法是基于像素與鄰域間的灰度一階、二階或者高階統(tǒng)計(jì)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(jì)模型的參數(shù)提取，信號(hào)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(lái)提取。

圖像缺陷分類識(shí)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(jì)的基礎(chǔ)上，將最小化期望風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化成最小化經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)。訓(xùn)練樣本數(shù)越大，兩種風(fēng)險(xiǎn)間的偏差就越小，但在實(shí)際的應(yīng)用中，訓(xùn)練樣本數(shù)越大工作越難實(shí)現(xiàn)。另一方面，這些傳統(tǒng)方法需要先驗(yàn)知識(shí)和模型結(jié)構(gòu)，在實(shí)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(kāi)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(diǎn)，在實(shí)際工作中得到很好的應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著GB/T 28264-2017《起重機(jī)械安全監(jiān)控管理系統(tǒng)》的實(shí)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(diǎn)、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(cè)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(wú)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(cè)法將成為新的趨勢(shì)。