張 銘

（山西潞安檢測(cè)檢驗(yàn)中心有限責(zé)任公司，山西 襄垣 046200）

引言

鋼絲繩具有質(zhì)量輕、性能好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等眾多優(yōu)勢(shì)，在很多工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，其中就包括煤礦領(lǐng)域[1]。采煤機(jī)械裝備中很多地方都會(huì)使用鋼絲繩，其在提升、運(yùn)輸及牽引過程中發(fā)揮著非常重要的作用[2]。礦井工作環(huán)境復(fù)雜，鋼絲繩在長時(shí)間使用時(shí)容易受到環(huán)境對(duì)其造成的腐蝕、沖擊、磨損、擠壓等影響，導(dǎo)致鋼絲繩的性能下降，使用壽命降低，對(duì)煤礦開采安全構(gòu)成了一定程度的威脅[3-4]。為保障煤礦安全，有必要采取措施實(shí)時(shí)掌握鋼絲繩的運(yùn)行狀態(tài)?；诖?，針對(duì)礦用鋼絲繩的在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其作用是對(duì)煤礦中使用的各類鋼絲繩進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩存在的問題并及時(shí)解決，排除鋼絲繩的安全隱患[5-6]。本文主要介紹了一種鋼絲繩在線檢測(cè)技術(shù)及其在煤礦工程實(shí)踐中的應(yīng)用效果。

1 鋼絲繩常見損傷形式及特征

煤礦中使用的鋼絲繩受到環(huán)境因素的影響，在工作時(shí)比較容易出現(xiàn)損傷情況。根據(jù)鋼絲繩的損傷特點(diǎn)，可以將其劃分成為兩大類型，分別為局部缺陷損傷和截面積損耗損傷。前者是指在鋼絲繩軸向方向上很短長度范圍內(nèi)出現(xiàn)的損傷，其中斷絲最為常見；后者主要是指在鋼絲繩軸向方向很長范圍內(nèi)出現(xiàn)截面面積逐漸變小的一種缺陷形式，比較少見。已有的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，鋼絲繩斷絲缺陷對(duì)其性能影響最為嚴(yán)重，會(huì)威脅鋼絲繩的運(yùn)行可靠性與安全性。造成鋼絲繩發(fā)生斷絲缺陷的原因是多方面的，其中最常見的損傷形式及特征主要包含以下六種類型，見圖1。

圖1 鋼絲繩常見斷絲形式及斷口特征

2 鋼絲繩缺陷檢測(cè)基本原理

2.1 鋼絲繩的磁化特征

目前煤礦中使用的鋼絲繩普遍通過碳鋼來加工制作，內(nèi)部包含有很多碳元素，其磁導(dǎo)能力相對(duì)較強(qiáng)，可以利用電磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼絲繩中存在的缺陷問題進(jìn)行在線檢測(cè)。當(dāng)利用外部裝置對(duì)鋼絲繩施加磁場(chǎng)時(shí)，鋼絲繩的磁導(dǎo)率會(huì)先隨外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而逐漸增加，達(dá)到峰值后再呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，最后基本保持穩(wěn)定。鋼絲繩的內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，先呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，當(dāng)鋼絲繩磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，也基本保持穩(wěn)定，即鋼絲繩內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到了飽和狀態(tài)。

2.2 檢測(cè)原理

當(dāng)利用外部磁場(chǎng)激發(fā)裝置對(duì)鋼絲繩軸向方向施加磁場(chǎng)并確保鋼絲繩內(nèi)部磁場(chǎng)達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，正常情況下內(nèi)部磁場(chǎng)比較均勻。如果鋼絲繩內(nèi)部存在斷絲等缺陷問題，那么在缺陷位置的磁阻會(huì)明顯增大，進(jìn)而影響鋼絲繩在該位置的磁導(dǎo)率。由于所有部位的磁場(chǎng)已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)，缺陷位置磁導(dǎo)率的增加會(huì)導(dǎo)致該部位的磁場(chǎng)發(fā)生扭曲，下頁圖2 所示為鋼絲繩斷絲部位的磁場(chǎng)特點(diǎn)示意圖。基于以上原理可以看出，利用電磁檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋼絲繩斷絲等缺陷問題進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必須確保鋼絲繩內(nèi)部的磁場(chǎng)達(dá)到飽和狀態(tài)。

圖2 鋼絲繩斷絲部位的磁場(chǎng)特點(diǎn)示意圖

3 鋼絲繩在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

下頁圖3 所示為結(jié)合煤礦工程實(shí)踐設(shè)計(jì)的鋼絲繩在線檢測(cè)平臺(tái)實(shí)物圖。整個(gè)結(jié)構(gòu)主要由磁場(chǎng)探頭、上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)以及整體支架等部分構(gòu)成。支架上方設(shè)計(jì)有兩個(gè)相互平行的導(dǎo)軌，作用是實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)探頭在直線方向上的移動(dòng)。磁場(chǎng)探頭通過步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，其運(yùn)行速度可以在0～3 m/s 范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。磁場(chǎng)探頭是整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)中最為關(guān)鍵和重要的構(gòu)成部分，主要作用是對(duì)鋼絲繩內(nèi)部的磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。具體檢測(cè)元件為磁敏電阻，為了提升磁場(chǎng)探頭的有效檢測(cè)空間及其檢測(cè)精度，探頭內(nèi)部設(shè)置了兩排磁敏電阻元件，且呈現(xiàn)360°環(huán)向布置。為了防止檢測(cè)得到的信號(hào)在傳輸過程中發(fā)生衰減，探頭內(nèi)部設(shè)置有放大電路，可以將檢測(cè)得到的信號(hào)進(jìn)行放大處理，防止發(fā)生信號(hào)衰減最終導(dǎo)致檢測(cè)誤差增大的問題。

圖3 鋼絲繩在線檢測(cè)平臺(tái)實(shí)物圖

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4 所示為礦用鋼絲繩在線檢測(cè)系統(tǒng)的整體框圖。由圖可知，系統(tǒng)整體上主要由磁場(chǎng)探頭、編碼器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)檢測(cè)軟件等部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部還包含有信號(hào)處理電路。探頭內(nèi)部不僅包含有磁場(chǎng)檢測(cè)部分，同時(shí)還包含勵(lì)磁部分，作用是確保鋼絲繩內(nèi)部磁場(chǎng)全部達(dá)到飽和狀態(tài)。磁場(chǎng)探頭檢測(cè)得到的鋼絲繩內(nèi)部磁場(chǎng)信號(hào)通過放大器處理后輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行初步分析后，上傳到上位機(jī)檢測(cè)軟件中進(jìn)行深入分析，判斷鋼絲繩內(nèi)部是否存在缺陷問題。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和上位機(jī)之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的相互交換。系統(tǒng)中還設(shè)置有編碼器，主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集頻率的控制。采集頻率對(duì)檢測(cè)結(jié)果精度有一定程度的影響，通常采集頻率越高則精度也越高，但是會(huì)增加檢測(cè)成本。

圖4 在線檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖

4 在線檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用分析

某礦井年生產(chǎn)任務(wù)為140 萬t，礦井提升裝置中使用的鋼絲繩型號(hào)為6×39-40，該型號(hào)鋼絲繩的直徑大小為40 mm。整個(gè)提升裝置共有4 根鋼絲繩同時(shí)工作，鋼絲繩的整體長度為750 m。提升裝置工作時(shí)的最大運(yùn)行速度為7.8 m/s，每根鋼絲繩的運(yùn)行速度為0.5 m/s。利用設(shè)計(jì)的鋼絲繩在線檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)上述提升裝置的4 根鋼絲繩的斷絲缺陷問題進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)得到的提升裝置4 根鋼絲繩磁場(chǎng)信號(hào)圖見圖5。需要說明的是，對(duì)提升裝置鋼絲繩進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其運(yùn)行速度控制在2 m/s。

圖5 提升裝置鋼絲繩的檢測(cè)信號(hào)圖

利用在線檢測(cè)系統(tǒng)中的上位機(jī)檢測(cè)軟件對(duì)采集得到的磁場(chǎng)波形圖進(jìn)行詳細(xì)的分析研究，最終判斷4 根鋼絲繩的斷絲信息如表1 所示。由表中數(shù)據(jù)可知，4 根鋼絲繩存在的缺陷數(shù)量分別為1、4、7 和12，且表中給出了所有缺陷的具體位置。將該檢測(cè)結(jié)果與鋼絲繩的日常維護(hù)保養(yǎng)記錄進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)所有檢測(cè)結(jié)果均與鋼絲繩的實(shí)際情況比較吻合，缺陷位置的誤差控制在了5%范圍以內(nèi)?；谝陨戏治隹梢钥闯?，設(shè)計(jì)的鋼絲繩在線檢測(cè)系統(tǒng)可以達(dá)到很高的精度，通過該系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲繩中存在的缺陷問題，并及時(shí)處理，有效保障礦井安全。

表1 提升裝置鋼絲繩缺陷檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

將檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到礦井提升裝置中取得了很好的應(yīng)用效果，可以準(zhǔn)確有效地檢測(cè)鋼絲繩中存在的缺陷數(shù)量及具體位置。鋼絲繩在線檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用，顯著提升了礦井的生產(chǎn)安全程度，取得了很好的安全效益。