豐峪礦架空乘人裝置鋼絲繩缺陷檢測系統研究

高文軍

（霍州煤電集團豐峪煤業有限責任公司，山西 霍州031400）

架空人車可顯著降低作業人員到達作業點耗時，是礦井常用的一種行人運輸工具[1]。鋼絲繩作為架空人車的關鍵組件之一，長期處于潮濕環境中，表面容易被銹蝕，同時鋼絲繩長時間使用容易出現由于斷絲、磨耗等問題，當鋼絲繩斷絲到一定程度時若未能及時更換勢必會給架空人員運輸安全帶來威脅[2]。采用人工檢測方式不僅作業強度大而且缺陷發現率降低，采用常規的無損檢測方式也存在靈敏度、精準度受鋼絲繩抖動影響大、無法對固定抱索器位置鋼絲繩進行探測等問題[3]。因此，文中在根據以往研究成果[4～6]，結合磁平衡原理、股波定位方法設計一種鋼絲繩缺陷檢測系統，該系統無需拆卸抱索器即可實現對鋼絲繩缺陷檢測，同時不受鋼絲繩運行速度影響，具有較強的實用價值。

1 探測系統探測原理

1.1 損失探測原理

架空撤人裝置鋼絲繩是多條鋼絲繩螺旋捻成股、多股螺旋捻成繩，鋼絲繩使用中會斷股、斷絲以及銹蝕等問題，給鋼絲繩使用安全帶來一定不利影響[7]。鋼絲繩出現斷股、斷絲以及銹蝕等問題均會導致磁阻改變，文中提出的鋼絲繩缺陷檢測系統正是通過測定鋼絲繩磁阻變化來判定缺陷位置以及類型[8]。具體采用傳感器檢測采用的磁平衡原理見圖1，通電后A、B 線圈產生大小相等方向相反的磁力線，中間位置的檢測線圈無論鋼絲繩處于運移或波動電動勢均為0。處于完好狀態的鋼絲繩通過檢測裝置位置時，傳感器不會發出檢測信號；當鋼絲繩存在銹蝕、斷股、斷絲等缺陷時，鋼絲繩導磁性發生改變，從而使得A 或者B 線圈位置磁通量發生變化，原有的磁通量平衡狀態被打破，使得檢測線圈有一定的電動勢能輸出，發出檢測信號。由于檢測裝置通過磁平衡原理檢測鋼絲繩是否出現損傷，具備較高的靈敏度。檢測信號通過差分放大器、A/D 轉換模塊與微處理器連接，檢測結果不會受到鋼絲繩運移速度、傳感器輸出信號大小影響。

圖1 傳感器檢測原理

1.2 缺陷定位原理

文中提出采用股波定位法對運移中的鋼絲繩缺陷位置進行定位，鋼絲繩鄰近的股峰間距D 為一定值，鋼絲繩相對于速度傳感器運移時，傳感器探測鋼絲繩股峰會發出脈沖信號。如圖2 所示，股峰I、III 經過速度傳感器時傳感器會發出脈沖信號，股谷II 通過傳感器時不發出脈沖信號。股峰I、III 通過傳感器時發出的脈沖信號時間間隔為T，由于可獲取鋼絲繩在此時間段的運行速度V，即為：

鋼絲繩運移距離S為：

式中：N為脈沖數。

圖2 鋼絲繩股峰、股谷示意圖

2 探測系統結構組成

2.1 系統硬件結構

鋼絲繩缺陷檢測系統見圖3，其中上位機由KWGK-1 工控機、KJJ200 傳輸接口構成；下位機由KJ899-F 本安型分站以及GSC50 傳感器組構成。

圖3 鋼絲繩缺陷檢測系統結構組成

KWGK-1 工控機內嵌有數據處理軟件可以將傳感器組獲取到的鋼絲繩檢測信號以圖形形式直觀表達；KJJ200 傳輸接口由CAN 數據轉換接口、本安電源構成，將CAN 信號轉換成工控機可識別的USB 接口信號，完成數據傳輸；KJ899-F 本安型分站包括數據采集通信模塊、伺服單片機、本班電源，伺服電機依據上位機指令通過主供電源實現對鋼絲繩運移開啟、關閉控制，數據數據采集通信模塊將傳感器組輸出的檢查信號打包發送至上位機；GSC50 傳感器組防護等級為IP54，傳感器組集成探傷傳感器、數據采集單片機、速度傳感器等，基于磁通平衡原理對鋼絲繩損傷進行探測，速度傳感器通過拾取鋼絲繩股峰信號完成損傷點定位，傳感器模擬信號通過數據采集單片機處理后將有用信號通過CAN 總線傳輸至KJ899-F 本安型分站。

2.2 系統軟件

具體檢測系統軟件結構見圖4，系統軟件通過協調各功能模塊運行，實現對傳感器采集數據顯示以及人機交互控制功能。軟件系統可檢測實時數據進行顯示、存儲，根據預先設定參數值提供檢測信號、檢測報告以及預警信息。

圖4 檢測系統軟件結構

3 現場應用分析

豐峪礦井下布置的架空人車鋼絲繩繩徑22mm、繩長1 600m，運行速度1.2m/s，布置133 抱索器，鋼絲繩全長范圍內有8 個接頭（接頭長度約42m），接頭采用差對接法，從而使得兩個對接鋼絲紋路吻合。將鋼絲繩損傷檢測系統上位機布置與地面監控中心，傳感器組布置位置應滿足鋼絲繩抖動小、不影響工作人員上下猴車要求，綜合分析選擇將傳感器組布置在架空驅動輪出繩位置，具體現場布置情況見圖5。

圖5 傳感器組現場安裝圖

圖6 為鋼絲繩損傷檢局部探測數據，從圖中看出，3 組不同探傷傳感器輸出的波形幅值變化較為穩定，不同組數據曲線重復率達到98%以上。

圖7 為接頭位置檢測波形圖，從圖中清晰看出鋼絲繩接頭位置波形變化情況，獲取到的波形顯示的叉接繩頭、插接長度以現場實際情況高度吻合，表明系統獲取到的數據可真實反映鋼絲繩接頭情況。從檢測結果看出，鋼絲繩接頭位置整體質量較好、編結較為規范，接頭處鋼絲繩處于完好狀態，未有外部隆起、細微斷絲等缺陷。

圖6 鋼絲繩局部位置損傷檢測曲線

圖7 接頭位置鋼絲繩損傷檢檢測曲線

圖8 為采用的抱索器獲取到的檢測波形，從檢測數據看出，抱索器位置波形幅值穩定，定位精準。檢測過程中發現13 號抱索器波形有畸變，檢測到該位置鋼絲繩斷繩率達到14%，經過停機現場人工檢測發現該位置斷絲數達到5 根以上，表明檢測數據較為準確。

圖8 抱索器位置鋼絲繩損傷檢檢測曲線

4 總 結

1）文中采用磁平衡原理設計了一種架空人車鋼絲繩損傷檢測系統，該系統不需要拆卸抱繩器即可實現無接觸、無損對鋼絲繩內部存在的缺陷進行探測、定位，探測結果不受鋼絲繩運行速度影響，靈敏度較高；

2）缺陷檢測系統將傳感器組集成于不銹鋼殼體內，通過殼體保護傳感器。檢測系統可對鋼絲繩繩徑變化2mm 和斷線1 絲以上進行識別，檢測數據可真實反映鋼絲繩接頭、抱索器及附近位置鋼絲繩內缺陷情況，并可判定缺陷位置。

3）將傳感器組布置在架空驅動輪出繩位置可降低鋼絲繩抖動影響，現場檢測表明，提出的鋼絲繩缺陷檢測系統缺陷檢出率達98%，檢測數據重復率及接頭重復率分別為98%、99%。鋼絲繩損傷檢測系統檢測結果可以為架空人車鋼絲繩質量判定、更換提供一定參考。