激光強磁鋼絲繩在線探傷系統的研究與應用

韓泰然

1中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室 河南平頂山 467099

2中國平煤神馬集團能源化工研究院 河南平頂山 467099

鋼絲繩作為物料搬運設備中的關鍵部件，廣泛應用于采礦和運輸作業，尤其是礦井提升和旅游索道[1]。在鋼絲繩的使用中，其完好程度直接關系到人員和設備的安全。近幾十年來，由于鋼絲繩斷裂事故時有發生，使企業生產和工人安全受到嚴重威脅[2-3]。

造成鋼絲繩損壞的主要原因是疲勞和磨損。金屬面積突然變化造成鋼絲繩斷絲、斷裂和局部銹蝕，稱為“局部損壞”，而大面積的腐蝕和磨損造成金屬面積的“較均勻”的變化，稱為截面損失。因為“局部損害”和“截面損失”不同，它們的檢測方法也不同[4-5]。鐵磁鋼絲繩的早期檢測方法包括眼觀察、手觸和卡尺測量。20 世紀 90 年代，便攜式鋼絲繩探傷測器的出現逐漸取代了人工檢測，檢測效率明顯提高。隨后弱磁探傷儀進入市場，但弱磁探傷儀信號弱、穩定性以及抗干擾能力差，對鋼絲繩斷絲與截面積的磨損檢測往往達不到應有效果。

礦山企業每年更換鋼絲繩的成本較高，而浪費鋼絲繩的現象十分嚴重。研究表明，若能加強鋼絲繩狀態檢測和適時報廢，每年至少可節省 12%～ 30% 的鋼絲繩消耗[6]。因此，研制先進的鋼絲繩無損探傷檢測儀器是非常必要的。

1 系統的組成及特點

1.1 系統組成

檢測設備主要由檢測主機、信息分析站、數據采集處理器和計算機分析處理軟件 4 個部分組成。檢測主機主要包括磁通量泄漏檢測與永磁干擾檢測相結合的復合檢測探頭及輔助系統、激光及輔助系統，缺陷及經傳導獲取的損傷信息通過數據處理技術處理。信息分析站對缺陷鋼絲繩進行直徑自動掃描、數據采集和預處理，最終輸入計算機，通過分析軟件進行后處理分析，并進行存儲、顯示、打印和報警。

1.2 特點

由于檢測設備采用了高強度磁性磁化技術，克服了穩定性差、容易被擾動等弱點，大大提高了檢測精度和可靠性。首先，在高強度磁檢測的基礎上，激光檢測鋼絲繩直徑收縮，并進一步提高檢測精度，檢測速度快，理論上不受鋼絲繩運動速度的影響；其次，檢測精度高，達到微米級；第三，實現非接觸式在線檢測，檢測過程簡便，不受油污影響，檢測精度和可靠性得到有效保證。

與光學檢測測定法相比，該檢測方法容易受到外界環境磁場的干擾 (如外界帶磁性的材料)，影響其準確性，檢測時，應選擇鋼絲繩運行中周圍無磁性材質的一段；不受油污影響；針對鋼絲繩的工況 (如振動、扭曲、斷絲、銹蝕等，該方法受磁場磁通量影響明顯。光學檢測測定法適合鋼絲繩均勻磨損狀況，且對有油污的鋼絲繩檢測效果不明顯。

2 技術指標

為了實現鋼絲繩直徑收縮和斷絲的高精度、高效率、防火和固有安全類型檢測，提高勞動效率和安全效益，需要實現的技術指標如表 1 所列。

3 技術路線

采用 2 項研究方法，且每種研究采取兩步法，即先集中研究和實際應用高強度磁性理論和激光探測技術，后集中研究和實際應用數據處理。2 項研究同時進行，且各有重點，整個理論的重點是后期激光探測標定的研究。

以往許多煤礦采用弱磁檢測設備試驗，但效果不佳，所以研究的第一步是將強磁理論應用于實際檢測環節。結合實際工作條件與數據記錄相比較，確保早期檢測精度達到 80% 以上。

整體技術路線分為 4 個方面：①全面構建了激光強磁檢測鋼絲繩斷裂的研究方案；② 根據實際需要進行理論分析，包括激光的選擇、激光光程設計、激光發射和接收電路、接收信號處理電路等，以及激光強磁檢測系統在軟硬件上的集成；③確定激光檢測鋼絲繩直徑收縮的試驗研究方案；④ 在試驗研究成功的基礎上試制產品，重點研究激光探測與高強度磁探測系統的融合問題。技術路線圖如圖 1 所示。

圖1 樣機研制路線Fig.1 Prototype development process

4 激光強磁探傷系統原理及分析

4.1 鋼絲繩恒磁激勵檢測原理

嚴格按照能量和材料信息守恒的一般物理規律，通過電磁能量激發得到載體信息，從而對激發體的異常波形信號進行調制解調 (見圖 2)。

圖2 恒磁激勵信號機制Fig.2 Mechanism of constant-intensity magnetic exciting signal

采用最新的局部瞬時恒磁刺激檢測鋼絲繩 (無磁效應)，激勵獲得詳細信息，輸出鋼絲繩損傷狀況，完成使用壽命預測和安全性評估，并實現了和諧礦井提升系統的建設和經濟社會建設等安全生產環境 (定期更換繩索支出除外) 的雙重保險 (見圖 3)。

圖3 鋼絲繩恒磁激勵檢測原理Fig.3 Wire rope detection principle by constant-intensity magnetic excitation

傳感器檢測主要檢測 2 個指標，LMA (徑向截面損失) 和 LF (局部損傷)。其中 LMA 是通過檢測主磁通的變化得到截面磨損的情況；LF 則是通過檢測局部漏磁量的變化得到局部損傷的結果。當鋼絲繩通過探頭時，探頭中的強磁場會瞬間將鋼絲繩磁化，鋼絲繩截面與磁性感應強度成正比；當鋼絲繩截面不變時，探頭接收到的磁場變化不大[7-9]。當鋼絲繩斷裂時，由于截面處的磁泄漏，磁場會發生變化；當鋼絲繩收縮時，主磁通量發生變化。在 2 個異常狀態下，探頭收集的磁場信息變化較大，轉化為電信號，成為信號輸入的來源 (見圖 4)。

4.2 磁信號處理部分結構

磁信號處理過程如圖 5 所示。上位機通過 TCP/IP 協議發布指令，控制運動部分，即氣動組件動作(包括氣缸推動小車、探頭伸縮和開合動作)，使探頭處在與鋼絲繩合適的位置，完成探頭的初始化定位。采集開始時，探頭上的傳感器組采集到磁信號，轉換為電信號，經過數據線交由前置放大器進行放大；經數據采集預處理模塊處理后反饋給上位機進行結果存儲和顯示，通過不同編碼器實時獲取當前鋼絲繩的位置信息，判斷可能存在缺陷的部位；然后通過數據預處理部分完成對采集信號的前期比較和打包處理，經過打包處理，模擬信號被封裝成數據包，通過 TCP/IP 協議與上位機進行通信。其中數據預處理部分的結構框架如圖 6 所示。

圖4 有無缺陷時鋼絲繩內外磁場分布對比Fig.4 Comparison of internal and external magnetic field of wire rope with flaw and without flaw

圖5 磁信號處理過程Fig.5 Magnetic signal processing course

圖6 數據預處理的模塊框架Fig.6 Frame of data pre-processing module

對采集到的信號進行有效的處理，并完成網絡傳輸，是數據預處理的核心。因此，MCU 對主要的頻率和網絡通信功能有著很高的要求。

4.3 激光檢測鋼絲繩徑縮原理

激光具有均勻性好、相干性好、方向性好、亮度高等重要特點。在鋼絲繩直徑收縮的檢測中，主要利用激光單色率和指向性。普通光源發射的光子頻率不同，因此含有多種顏色。激光發射相同頻率的光子，因此激光是最好的單色光源。激光束的散射角很小，幾乎是平行的光線[10-11]。利用激光的這 2 種特性來檢測鋼絲繩直徑，在接收端設有光敏電阻接收電路，檢測到的鋼絲直徑收縮變化就是光通量的變化，然后通過光敏電阻轉變為電流，即通過一次信號轉換實現目標，檢測信號進入下一級電路 (信號處理電路)，信號檢測由信號處理電路轉變為數字信號。

5 關鍵技術

該檢測方案結合了高強度磁檢測和激光檢測鋼絲繩直徑變化的理論[12-13]。采用高強度的磁檢方法找出磁信號變化較大的部件，即存在斷絲可能性較大的部位。同時，采用激光檢測的方法測量鋼絲繩直徑的變化，從而全面獲得鋼絲繩的使用狀態。這 2 種方法互為補充。整體檢測流程如圖 7 所示。

圖7 檢測流程Fig.7 Detection process

(1) 高強度磁性缺陷檢測通過磁信號的變化檢測鋼絲繩的 2 個主要指標：LMA (直徑收縮) 和 IF (斷絲)[13-14]。由于不需要人工干預，節省了人力，提高了檢測效率。此外，它還反映了繩索內部磁性信號的變化。

(2) 通過鋼絲繩對激光的屏蔽，實現鋼絲繩直徑收縮由光信號向電信號的轉換[15]。首先用前置放大器對得到的模擬信號進行放大，然后用信號處理電路進行轉換，將轉換后的數字信號發送到計算機進行程序處理，從而得到導線的直徑縮小值。通過程序可以調整檢測位置點，從而得到不同位置點的直徑，并以曲線變化的視覺形式顯示在顯示器上。通過軟件對獲得的數據進行分析和處理，并給出分析報告，如遇特殊情況，系統自動報警。

(3) 結合這 2 種方法，既能節省人工檢查的工作量，又能避免人為因素的干擾，是目前較為理想的檢測方法。

(4) 在現場觀察、理論分析和實驗室試驗的基礎上，對激光強磁鋼絲繩試驗設備進行硬件設計，然后按照設計方案進行試驗，激光光路設計為封閉結構，避免了外界光線的干擾。

(5) 軟件設計應考慮如何將收集到的數據轉換成相應的觀測值，還應注意系統與互聯網之間的接口設計，以實現數據共享和遠程測控。

6 工程實例

平煤股份十三礦副井提升繩長為 776 m，2 人以0.2 m/s 速度檢測一根繩的時間需要 1 h 以上，需 8 人同時進行檢測。用鋼絲繩在線自動化檢測系統按 0.5～ 2.0 m/s 速度檢測，加上操作、判斷、出報表，大約10 min 即可將 4 根繩檢測完畢。檢繩不留死角，同時影像隨時可以回放供檢測人員查找斷絲及麻坑。人工目視檢測時間長，檢測時眼睛過累會出現重影且不能在鋼絲繩移動中目視 360°的缺陷。該井每小時提升原煤 675 t，按每噸 450 元計算，每次檢繩節約的時間可增加效益約 30 萬元，不僅帶來很好的安全效益，而且帶來了較大的經濟效益。鋼絲繩使用時間由平均18 個月延長至約 24 個月，該礦主井 4 根繩每次換繩和人工費約 140 萬元，該井按照 20 a 的采煤期，每年可直接增加經濟效益約 300 余萬元。

7 創新點

(1) 激光探測鋼絲繩直徑可獲得較高的精度，并大大提高探測效率，探測誤差小于 1%。改進現有的高強度磁場檢測鋼絲繩絲技術，提高了檢測精度。

(2) 棄用了鋼絲繩檢測中常用的光電旋轉編碼器定位技術，并采用激光脈沖計數定位技術，將徑縮與斷絲位置定位誤差由原來的最大幾十米縮小到幾分米。

8 結語

針對目前多種檢測鋼絲繩技術自動化程度低、勞動強度大、檢測精度低的問題，提出了激光強磁鋼絲繩在線探傷技術的研究，依靠精準、高效的檢測技術與設備，及時獲得鋼絲繩徑縮與斷絲數據，依此判斷鋼絲繩是否應及時更換，避免安全事故的發生，提高了鋼絲繩使用的經濟性與安全性。

系統投入使用后，完善了現有的安全生產監測系統，可以實時監測礦用鋼絲繩的運行情況，實現動態安全管理，使管理者準確、及時掌握安全數據，減少決策失誤，顯著提高煤礦現代化生產效率，達到提高經濟效益的目的。