礦井提升機鋼絲繩在線無損檢測系統的設計及應用

張曦曦

（山西科林礦山檢測技術有限責任公司，山西陽泉 045000）

0 引言

礦井提升機類似于電梯，主要用于實現礦井中人和物的運輸[1-2]。然而，發揮帶動傳送作用的鋼絲繩內部結構容易發生損傷，導致提升能力超出張力范圍，一旦發生災難性事故，后果不堪設想[3]。在重物運輸過程中，由于磨損、機械劃傷、環境腐蝕和疲勞等作用，鋼絲繩的損傷行為多種多樣。而目前工程上主要采用人工目視檢測的方法，耗時費力，效率不高，且許多內部損傷的鋼絲繩無法被準備地檢測到[4-5]。為了提高礦井生產的安全性，保證礦工的生命健康安全及設備的平穩運行，有必要提出一整套主動性強、檢測效率和正確率高的礦井提升機鋼絲繩損傷檢測方法[6]，為礦井提升機鋼絲繩的安全狀況準確評估提供有效的技術支撐。

當材料內部存在損傷時，磁場作用下的材料結構不完善處的磁導率會發生突變。借助這一物理特性，可以根據工件的磁感應強度對材料的結構完善狀態進行有效的評估。該方法不僅能夠檢測鐵磁性材料的完整性，還能對非鐵磁材料進行有效的檢測。弱磁技術具有檢測效率高、檢測精度高和檢測成本低等優勢，已成功應用于航天、鐵路、建筑等多個工業領域。本文將基于漏磁檢測理論構建一套鋼絲繩在線無損檢測系統，該系統主要包括軟件模塊和硬件模塊兩部分，最后通過現場應用說明了該檢測系統的合理性。

1 鋼絲繩在線無損檢測系統的功能要求分析

1.1 主要功能

（1）安裝在礦井提升機鋼絲繩上的損傷檢測裝置，通過霍爾傳感環形空間陣列裝置完成鋼絲繩檢測，無需接觸鋼絲繩，精密監測鋼絲繩的結構健康狀態。

（2）為了較好地實現在線實時檢測的效果，系統必須具有良好的信號采集和A/D轉換的功能。

（3）檢測系統必須能夠對接受到的原始信號進行及時主動的分析、識別和處理，一旦檢測發現到鋼絲繩存在異常情況時，啟動聲光報警器進行報警。

（4）對鋼絲繩的檢測速率要符合現場生產要求。

1.2 技術指標

霍爾傳感環形空間陣列由多個霍爾傳感器組成，霍爾傳感器用于將磁信號轉化為電信號輸出。霍爾傳感器分辨率和測量誤差為0，1 V和0.001 V，使用溫度為-40～80℃，防爆等級為PTBEExiaIlCT6，信號傳遞采用二線制4～20 mA，使用濕度≤90%RH。

1.3 使用要求

考慮到礦井的空氣環境介質具有腐蝕性、同時可能含有危險可燃氣體，會對測量傳輸裝置造成影響，因此要求設備具備耐腐蝕、防火防爆的特性。安裝過程中一定要保證設備的完好性，做好防腐、防水和防潮工作，保持探測器探測部位干凈、清潔和通暢，定期對系統和探測器進行校驗。

1.4 經濟要求

考慮到企業預算方面的要求，整個傳感測量系統應當盡可能低價、低成本，高昂的費用會影響用戶的可接受度和市場的推廣度。但傳感裝置必須在低成本的同時，還能夠滿足現場使用的基本技術需求。

1.5 操作性要求

礦井中作業設備類型繁多，空間密集，為了方便安裝維護，通常用戶要求傳感裝置盡可能緊湊，但仍要能提供高度精確的讀數。

2 總體設計方案

2.1 系統組成框圖

本監控系統包括數據采集裝置、信息傳輸轉換裝置和終端控制裝置，數據采集裝置對漏磁傳感器收集的電信號進行檢測，信號傳輸轉換裝置對數據進行信號轉換后，傳遞給與其連接的軟件顯示端。該監控系統能夠實現對含結構缺陷的鋼絲繩安全狀態進行檢測和評估，設計框圖如圖1所示。

圖1 礦井提升機鋼絲繩在線無損檢測系統

2.2 系統硬件功能描述

礦井提升機鋼絲繩在線無損檢測系統中的數據采集裝置，包括檢測磁場信號信息的霍爾傳感環形空間陣變送器，將富含鋼絲繩內部缺陷信息的信號傳輸于信息傳輸轉換裝置。霍爾傳感環形空間陣變送器輸出的信號，經信號預處理、電流/電壓變換、A/D轉換后送入單片機模塊，單片機模塊對信息分析處理后，將信號傳送至監控平臺的屏幕上，在計算機屏幕上以數值的方式顯示檢測值的變化，同時根據預置報替參數給出視覺報替和聲音報警。

2.3 系統軟件功能描述

（1）采集數據顯示及告警顯示：主要是在主界面上顯示接收的監視信號數據。當監視現場的信號超過告警界限時，在主界面告警面板上顯示告警地點及告警內容。

（2）采集寫入漏磁場信號和濃度數據庫：根據由系統接受的信息，提取出時間、地點及采集信號，并分析上述數據的合法性，如果合法則存入數據庫。

（3）一旦判確認鋼絲繩內存在異常工況，系統會提供聲音報警和視覺報警，可隨時查看系統參數、當前鋼絲繩信號信息，并提供打印功能。

（4）具有強大的參數設置功能，如每個漏磁場信號報警的上、下限，數據采樣間隔，保存信息間隔等通用性強，適用于各種信號監測環境。

3 詳細設計

3.1 系統硬件設計

系統硬件部分主要是完成漏磁場信號的采集、A/D轉換、信號處理、數據的實時傳遞。為了獲得漏磁場信號，在每個泥漿池液面上方水平面共安裝了5個超聲波傳感器。A/D轉換器可以選用模擬設備公司的AD7705，該芯片為16位型雙極性A/D轉換器，采用串口通信，具有精度高、轉換快、功耗低等特點，主要完成A/D轉換和向單片機傳輸數據。單片機選用Intel公司的8051，主要完成在一個采樣周期內一次并儲存A/D轉換結果。

3.2 系統軟件設計

系統的軟件部分需實時存儲在最近采樣周期內的最終信號，方便以后查詢和繪制變化曲線。要記錄的信息包括以下幾個參數:繩索的位置、漏磁場信號、當前位置的信號是否超限、當前記錄的時間等。

4 現場應用

為了驗證該系統的可行性和可靠性，將本文設計的礦井提升機鋼絲繩在線無損檢測系統應用于某礦井的提升機中。現場實驗結果表明：該系統能夠高速率地診斷出鋼絲繩的健康狀態，免去人工檢測的繁瑣，提高傳統檢測手段的檢測準確率[7]。

5 總結

為了提高礦井生產的安全性，保證礦井提升機的安全平穩運行，有必要提出一整套主動性強、檢測效率和正確率高的礦井提升機鋼絲繩損傷檢測方法。為此，本文基于弱磁技術研發了一套礦井提升機鋼絲繩在線無損檢測系統，該系統包括硬件模塊和軟件模塊兩部分，能夠實現精密監測鋼絲繩的結構健康狀態，一旦檢測到鋼絲繩結存在缺陷，系統發出聲光報警提醒工作人員。工業應用案例證明了該系統的可靠性。本文設計的礦井提升機鋼絲繩損傷檢測方法可以為礦井提升機鋼絲繩的安全狀況準確評估提供有效的技術支撐。當然，本文監控系統需要經過現場測試[8]，檢測系統性能是否穩定，測量是否準確，實時性如何，功能是否完善，安裝維護是否方便。根據現場反饋結果對系統進一步升級和優化，使系統更好地服務于礦井的安全監測任務中。