基于金屬磁記憶檢測鋼絲繩缺陷的裝置應(yīng)用研究

王 銳

（山西潞安檢測檢驗(yàn)中心有限責(zé)任公司， 山西 長治 046204）

引言

鋼絲繩是礦井提升機(jī)、運(yùn)輸帶等機(jī)構(gòu)的重要部件，主要承受載荷作用的拉應(yīng)力，通過不同截面細(xì)微鋼絲的組成形式不同分為多種類型，以適用于煤礦生產(chǎn)的高速傳輸物料工況。鋼絲繩主要損傷形式為斷絲。如果不立即進(jìn)行處置，容易造成安全生產(chǎn)事故的發(fā)生[1]。鋼絲繩斷繩是由于長期以來反復(fù)循環(huán)的載荷作用出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象，如果斷絲未能及時(shí)處置，有可能造成斷繩事故。目前常采用將鋼絲繩磁化后進(jìn)行漏磁檢測，該類檢測技術(shù)的檢測結(jié)果誤差較大，而金屬磁記憶檢測技術(shù)可以避免漏磁檢測技術(shù)上的短板。由于金屬磁記憶檢測技術(shù)輸出信號(hào)較弱，為確保數(shù)據(jù)輸出的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)出可靠的檢測裝置方案尤為重要[2]。裝置系統(tǒng)選取的傳感器、檢測電路應(yīng)符合實(shí)際要求且滿足檢測精度要求。可靠適用的金屬磁記憶檢測裝置可以推進(jìn)金屬磁記憶檢測技術(shù)在鋼絲繩缺陷檢測方面的廣泛應(yīng)用，提高檢測效率，及時(shí)處置安全隱患，確保煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)[3]。

1 鋼絲繩缺陷的分析

1.1 鋼絲繩結(jié)構(gòu)缺陷

鋼絲繩在作業(yè)過程中會(huì)受到各種形式的載荷作用，主要承受拉伸作用力，同時(shí)也會(huì)受到機(jī)器振動(dòng)載荷、彎曲載荷，在長期工作載荷狀態(tài)下會(huì)造成疲勞損傷。由于鋼絲繩是由許多細(xì)微鋼絲黏合而成，細(xì)鋼絲的表面在作用力形成下，會(huì)造成細(xì)微裂紋，形成初始裂紋。細(xì)鋼絲在反復(fù)循環(huán)作用力下，會(huì)形成塑性變形作用，長時(shí)間就會(huì)造成裂紋斷裂，細(xì)鋼絲斷裂大多數(shù)情況下出現(xiàn)在表層鋼絲上，如果不及時(shí)處理，就會(huì)滲透到鋼絲繩內(nèi)部，造成安全隱患，具體結(jié)構(gòu)由圖1所示。

圖1 鋼絲繩組成結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 鋼絲繩缺陷的檢測

通過查閱相關(guān)資料，可總結(jié)出鋼絲繩缺陷檢測存在檢測靈敏度較低、容易受到外界信號(hào)干擾。通過小波濾波技術(shù)的降噪會(huì)造成檢測輸出結(jié)果信噪比低、斷絲位置的辨識(shí)能力差、檢測過程容易受到檢測人員技術(shù)水平的影響、檢測成本較高等問題，上述各類檢測問題主要受到鋼絲繩損傷缺陷種類繁多的影響。鋼絲繩損傷類型主要包括磨損破壞、疲勞、扭斷、腐蝕、剪斷和過載破壞。鋼絲繩所面臨的復(fù)雜作業(yè)環(huán)境會(huì)對(duì)其造成突發(fā)性的沖擊負(fù)荷，容易造成斷絲破壞，具有較強(qiáng)的隱蔽性，難以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，選用及時(shí)高效的檢測技術(shù)尤為重要[4]。

2 金屬磁記憶檢測原理

2.1 檢測機(jī)理

針對(duì)金屬損傷探測進(jìn)行金屬磁記憶檢測分析時(shí)，分析機(jī)理主要來源于金屬磁性物體之間的相互機(jī)械作用力，而不涉及其他力學(xué)領(lǐng)域。可通過磁偶極子模型的分析方法對(duì)上述問題進(jìn)行解釋，磁偶極子模型可對(duì)鋼絲繩斷絲損傷區(qū)域的信號(hào)分布進(jìn)行快速處理計(jì)算[5]。金屬磁記憶解釋模型可以由金屬磁性號(hào)變化特征研究的模型進(jìn)行推理，金屬鐵磁材料信號(hào)研究模型如下頁圖2所示。

如圖2所示，金屬磁記憶檢測信號(hào)發(fā)生變化的根本原因是金屬晶格變化，磁場強(qiáng)度與應(yīng)力集中位置的改變、材料微觀結(jié)構(gòu)的改變有很大的關(guān)系，鋼絲繩在受到拉伸作用力后產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)造成金屬原子間的晶格呈倍數(shù)增長，從而導(dǎo)致了金屬磁記憶信號(hào)的增加，然而壓應(yīng)力的效果與上述相反。通過上述分析得出了鐵磁材料在長時(shí)間反復(fù)循環(huán)作用力下，超過其承受能力后就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

圖2 金屬鐵磁材料磁信號(hào)研究模型

2.2 損傷區(qū)的識(shí)別

2.2.1 損傷區(qū)域的識(shí)別原理

鐵磁材料的裂紋是在長期載荷作用力下不斷堆積形成，在局部形成了錯(cuò)位滑移。當(dāng)金屬晶格運(yùn)動(dòng)受到限制的時(shí)候，形成了應(yīng)力集中區(qū)域，達(dá)到材料破壞強(qiáng)度的時(shí)候，鐵磁材料將產(chǎn)生裂紋[6]。圖3為鋼絲繩斷絲分布與相應(yīng)的磁荷分布對(duì)比圖，可以看出斷絲錯(cuò)位分布位置與磁荷變化分布位置較為一致，因此金屬磁記憶技術(shù)通過上述原理測檢鋼絲繩表面磁荷變化以判斷是否有斷絲情況發(fā)生。

圖3 斷絲處位錯(cuò)分布與對(duì)應(yīng)的磁荷分布

2.2.2 損傷區(qū)的識(shí)別方法

鋼絲繩損傷區(qū)域的識(shí)別方法可以分為法向分量法、法向分量梯度法、利薩如圖形法。法向分量法測量過程簡單方便，測量信號(hào)數(shù)據(jù)變化明顯，數(shù)據(jù)可靠性較高；法向分量梯度法主要用于科研研究，但該種檢測方法適用于后期的數(shù)據(jù)處理分析上。金屬磁記憶技術(shù)檢測輸出數(shù)據(jù)的法向分量和切向分量合成利薩如圖形，利薩如圖形法通常只在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下使用，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中不多見。上述三種方法都是可用于檢測鋼絲繩損傷程度的方法。

3 檢測裝置的設(shè)計(jì)

3.1 測量裝置的設(shè)計(jì)

為避免現(xiàn)有漏磁檢測技術(shù)缺陷，設(shè)計(jì)出一種不磁化鋼絲繩、抗干擾能力強(qiáng)的檢測傳感裝置并對(duì)其檢測電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

金屬磁記憶檢測鐵磁材料的信號(hào)會(huì)隨著提離值變化而產(chǎn)生變化，通過分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)提離值超過5個(gè)單位的時(shí)候，各分量的信號(hào)有效性將下降。為提高檢測的可靠性，提離值不得超過5個(gè)，設(shè)計(jì)出陣列傳感器采用平衡差動(dòng)的方式對(duì)鋼絲繩斷絲缺陷檢測的示意圖如圖4所示，陣列傳感器周向排列為2×6個(gè)HMC1021Z。

圖4 差分傳感器裝置三維圖

3.2 測量電路的設(shè)計(jì)

3.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

如圖5所示為鋼絲繩測量信號(hào)從輸入到輸出的整個(gè)過程圖，每一個(gè)模塊節(jié)點(diǎn)均使用了HMC1021Z弱磁傳感器，提高整個(gè)電路的抗干擾特性，組成了傳感器信息采集的電路。最終傳感器將采集到的信號(hào)輸入至控制芯片MCU進(jìn)行圖像顯示。

圖5 采集過程的節(jié)點(diǎn)框圖

3.2.2 放大、濾波電路

金屬磁記憶信號(hào)受地磁場及外界干擾較小，可通常以數(shù)據(jù)的法向分量對(duì)鋼絲繩的損傷情況進(jìn)行判斷。傳感器輸出電壓存在正壓和負(fù)壓，應(yīng)選用AC特性較好的運(yùn)算放大器并設(shè)計(jì)出傳感器電路圖，如下頁圖6所示。

為了得到輸出信號(hào)明顯的波形變化，使檢測人員方便觀察波形幅值程度，應(yīng)設(shè)計(jì)出濾波電路。通過對(duì)常用濾波電路Sallen-Key二階濾波器、普通的二階濾波器、二階壓控低通濾波電路進(jìn)行對(duì)比分析，分析因素包括品質(zhì)因素、截止頻率、放大倍數(shù)。最終選取了二階壓控低通濾波電路，該電路由RC濾波電路和壓控電壓源電路組成，該電路有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)，適用于金屬磁記憶檢測技術(shù)對(duì)鋼絲繩缺陷檢測的電路當(dāng)中。

3.2.3 傳感器差分方式

為確保檢測結(jié)果的精確性，消除外界干擾，最重要的手段是采用差分的方式。一般鋼絲繩為標(biāo)準(zhǔn)6股，沿鋼絲繩母線方向設(shè)置兩個(gè)磁阻傳感器進(jìn)行測量。為消除工作電磁干擾并降低兩個(gè)傳感器之間的相互影響，兩個(gè)差分傳感器之間的間距應(yīng)由股數(shù)確定。例如6股鋼絲繩的間距應(yīng)設(shè)為（n+6）/6個(gè)鋼絲繩捻距（為了控制間距，n取值0～4）。傳感器列陣結(jié)構(gòu)可以對(duì)外界的磁場干擾進(jìn)行消除，保障檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖6 傳感器電路圖

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

依照前文對(duì)金屬磁記憶檢測裝置的設(shè)計(jì)，開展現(xiàn)場的鋼絲繩缺陷檢測，采用HMC1021Z弱磁傳感器與AVR單片機(jī)聯(lián)合組成檢測模塊，檢測信號(hào)輸出曲線圖如圖7所示，其中檢測點(diǎn)40～60之間的磁場信號(hào)幅度達(dá)到7 000 A/m2以上，說明該處檢測點(diǎn)出現(xiàn)了斷絲缺陷情況。檢測結(jié)果與現(xiàn)場查勘鋼絲繩損傷位置相符，表明金屬磁記憶檢測技術(shù)滿足對(duì)鋼絲繩的缺陷檢測工作要求，檢測結(jié)果準(zhǔn)確性高，可直接用于鋼絲繩的缺陷檢測工作中。

圖7 磁記憶信號(hào)曲線圖