礦用鋼絲繩在線監測教學實驗裝置關鍵技術

王紅堯，田 劼，張艷林，劉志宏，陳藝童

（1.中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院，北京100083；2.華北科技學院 河北省礦山安全監測重點實驗室，河北 廊坊065201；3.沈陽大學，遼寧 沈陽110044）

煤礦主、副井是礦山生產的“咽喉”。鋼絲繩是主、副井提升設備的關鍵承載構件之一[1]。由于受到復雜工作環境、動載荷與交變應力、機械彎曲及振動等多因素影響，鋼絲繩長期使用會出現斷絲、磨損、形變等病害而存在安全隱患，直接關乎下井人員、設備安全及生產的正常秩序[2]。我國《煤礦安全規程》規定，提升鋼絲繩必須每天進行檢測。因此，開展礦用鋼絲繩無損檢測與安全評價技術研究，為礦山安全生產保駕護航極其重要。

目前，現有礦用鋼絲繩探傷技術還存在不足，主要表現在：

1）鋼絲繩探傷傳感器設計主要包括勵磁裝置和磁通檢測裝置設計2大部分。在勵磁裝置設計方面，現有鋼絲繩探傷傳感器大多仍采用基于單、雙回路、磁橋路等的強場磁化模式[3-4]。實驗研究結果表明，該方法對較小直徑一般用途圓股結構鋼絲繩磁化檢測效果較好[5-7]。但對于特殊用途的較大直徑礦用鋼絲繩則難以達到預期均勻磁化效果。

2）傳統鋼絲繩漏磁檢測裝置多是檢測鋼絲繩軸向方向的磁場分量。實際應用測試中，較強的外部磁場會在儀器內部空間產生泄漏干擾磁場，其方向也恰是鋼絲繩軸向方向。這就使得較小損傷產生的微弱磁信號很容易被空間泄漏磁場噪聲淹沒。

設備無損檢測與安全評價是礦山機電和礦山安全與管理部門需要開展的重要工作，也是相關高校學生應該掌握的專業知識[8-9]。以礦井提升機鋼絲繩無損在線監測為例，設計了一種新型基于徑向多通路均勻輻射磁化的鋼絲繩在線監測實驗教學裝置。

1全向輻射均勻勵磁陣列結構模型

提出一種基于多回路平衡檢測原理的弱磁化磁路設計方法。新型檢測磁路結構如圖1。

圖1 新型檢測磁路結構Fig.1 A new type of detection magnetic structure

傳感器主要由環形多回路永磁陣列模塊、磁軛銜鐵、多維檢測元件陣列、彎月型軟聚磁薄板等組件構成。傳感器無需將鋼絲繩磁化至飽和狀態，代替的是通過多回路永磁陣列模塊、銜鐵、聚磁板等在鋼絲繩外圍形成一個平衡穩定的磁場，一旦鋼絲繩出現斷絲、磨損等損傷，將打破現有穩定磁場狀態，磁感線會產生畸變。基于多方位布設的檢測元件陣列可以全面無盲區檢測鋼絲繩損傷狀況。

為在鋼絲繩內、外部建立一個穩態平衡磁場，需要對環形永磁體進行充磁設計。目前可行的充磁方式主要有2種：一種是上下垂直充磁；另一種是徑向輻射充磁。垂直充磁方式簡單，工藝上易于實現，但從圖1可以看出，受圓拱形磁體結構影響，到達鋼絲繩內的磁場強度通常不均勻。徑向輻射充磁方法工藝實現上稍復雜，但容易使得通過鋼絲繩的磁場較為均勻統一，從而便于準確定量地識別出引起磁場畸變的損傷程度[10]。

為進一步比較2種充磁方式的勵磁檢測效果，通過電磁場數值模擬軟件搭建傳感器檢測模型，并模擬制作了1處損傷，不同充磁條件下的磁感應強度變化曲線如圖2。

圖2 不同充磁條件下的磁感應強度變化曲線Fig.2 Themagnetic induction intensity change curves under differentmagnetic charging conditions

從圖2可以看出，徑向輻射充磁后損傷處磁感應強度的變化程度更為明顯，從而更容易被磁電元件檢測和識別。徑向輻射充磁效果較好。

實際研制過程中，受充磁工裝和夾具技術的制約，難以實現對半環永磁體的一體均勻充磁。為此，提出將永磁體分割為多個1/M圓環進行充磁后拼接設計。分別將永磁體半環分割為2、3、4、5、6塊（M=2、3、4、5、6）圓環體進行徑向輻射充磁后陣列拼接。

通過有限元數值模擬對上述拼接充磁方式進行分析，得到的損傷處磁電變化信號如圖3。

圖3（a）是損傷產生的磁電模擬信號峰值波形。圖3（b）是不同陣列塊拼接條件下獲得的磁電信號波峰值的變化曲線。圖3（c）是峰值變化比例圖。從圖3（b）、圖3（c）中可以看出，隨著永磁體陣列數量增加，損傷磁電變化信號強度明顯增大。但陣列數達到一定量值后，信號峰值增加程度趨于平緩，增大比例大幅下降。研究發現，陣列數M≥6后，繼續增加M，對信號變化影響不大。而隨著M增加，增大了磁體切割及拼接安裝的難度與研制成本。綜合考慮，采用6塊陣列拼接組合模型。

圖3 損傷處的磁電變化信號波形及數值Fig.3 The waveform and value of themagnetic and electrical signal at the damage

而磁體拼接粘合過程會產生縫隙，可能會對鋼絲繩磁化效果產生影響。由此，針對永磁體中的縫隙是否會對鋼絲繩磁化產生影響，進行了進一步仿真研究。為簡化計算量，鋼絲繩暫用鋼棒等效。將永磁體設置為N38，剩磁為1.25 T。首先將永磁體切割縫隙設置為0 mm，即無縫狀態，磁密方向符合實際需求，鋼絲繩中間位置處的磁感應強度值為1.36 T。

縫隙間距為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm時，中心點位置處的磁感應強度值均基本保持在1.36 T左右，可以將鋼絲繩磁化至飽和狀態。但是1個點處的磁感應強度還并不能反映整體情況，于是在鋼絲繩內部設置1條直線，長度約300 mm，且穿過鋼絲繩中心點處，將縫隙大小增大步長為0.1 mm，最后增大至1 mm時，直線上磁感應強度值變化不大，由此說明，將永磁體切割后在縫隙小于1 mm情況下，并沒有對鋼絲繩磁化結果產生較大影響，拼接方法可行。

2 空間全磁參量信息陣列聚磁檢測技術

提出一種空間全磁參量信息陣列聚磁復合檢測方法。通過綜合鋼絲繩軸向、徑向等多方位復合磁場聚磁檢測技術，全面對比分析鋼絲繩外圍磁場變化狀況，為準確定量識別損傷奠定基礎。

根據霍爾磁效應可知，測量軸向磁場變化需將元件感應面垂直于磁場方向布置。因此，設計軸向磁場分量測量傳感元件陣列，環繞鋼絲繩布設4個傳感元件，一方面能保證每個元件檢測到周向90°的角度范圍。另一方面，通過多個傳感元件的復合運算可以減弱鋼絲繩股間隙產生的漏磁干擾。軸向磁場測量如圖4。

為進一步削弱背景磁場噪聲對檢測效果的影響，提出采用徑向磁場測量補償相結合的方法。從檢測原理可知，背景磁場噪聲主要平行于鋼絲繩軸向方向。而測量徑向磁場變化需將元件感應面垂直于鋼絲繩截面徑向、平行于軸向方向布置。因此，徑向傳感元件輸出信號中將基本不含背景噪聲。

因單個傳感元件的周向檢測范圍有限。可以沿鋼絲繩周向布設傳感元件陣列實現檢測的全覆蓋。為此，設計徑向磁場測量傳感元件陣列，陣列元件安裝在塑料內襯上，根據鋼絲繩直徑不同可沿周向布設2m（m=1、2、3、4、…）個傳感元件。同理，通過元件陣列的混合運算可以減弱繩股漏磁干擾信號影響。徑向磁場測量傳感元件陣列如圖5。

為更大程度增加元件感應面采集的磁感應強度均值，提高檢測信號信噪比，針對周向元件陣列設計了匹配聚磁通路。有無聚磁通路的磁場云圖對比如圖6。從圖中明顯可以看出，有聚磁通路條件下檢測元件感應處的磁感應強度高于無聚磁通路時的磁感應強度。

圖6 有無聚磁通路的磁場云圖對比Fig.6 A comparison ofmagnetic field clouds w ith or w ithout polymagnetic paths

為更準確地對比2種磁路條件下的檢測效果，依次在鋼絲繩上仿真制作若干處斷絲、截面積磨損等損傷。傳感元件采集的磁感應強度均值見表1，從表中可以看出，在較適合的聚磁通路條件下，各傳感元件采集的磁感應強度值平均可以提高約35.22%。

表1 傳感元件采集的磁感應強度均值Table 1 Themean magnetic induction strength collected by the sensing element

3 在線監測干擾信號預處理方法

礦用鋼絲繩運行過程中會產生抖動、晃動改變檢測提離值，繼而引起檢測信號發生漂移。同時工頻干擾、其他電磁干擾等噪聲也會耦合到有用信號中，影響信號準確定量識別。均值濾波是一種基于排隊統計理論的的噪聲抑制及非線性信號平滑處理技術。為此，提出采用基于均值卡爾曼濾波的信號預處理方法。

鋼絲繩檢測數字信號序列可表示為xn（n=1、2、3、…、L），L為信號序列長度。定義1個寬度為2N+1的窗口（N為正整數）。則某一時刻，窗口內的信號樣本為x（i-N）、…、x（i）、…、x（i+N），其中x（i）為位于窗口中心的信號樣本值。對該2N+1個信號樣本值按從小到大的順序排列后，其均值便定義為均值濾波的輸出值y（i）為：

均值濾波是基于“最小絕對誤差”準則的最優化濾波。實際中，隨著選用窗口長度的增加，尋求中值濾波的快速算法較為重要。通常可采用直方圖數據修正、樣本值二進制表示邏輯判斷等方法進行快速計算。

在Matlab中均值濾波器函數y=medfiltl（x，s），其中x表示原始信號，s為窗口大小。該函數將終點以外的信號考慮為0。輸出y與x有相同的長度。當s為奇數時，y（k）是x（k-（s-1）/2∶k+（s-1）/2）的中值。函數medfilt1對數列進行排序，將中間的值作為均值濾波輸出。根序列是描述評價均值濾波性能的重要依據。通過分析根序列結構，確定原信號序列中需要保留和抑制的成分，從而可調整優化均值濾波器窗口寬度。

卡爾曼濾波是一種最優化的自回歸數據處理算法[11]。模型的系統狀態方程是：

式中：x（k）為k時刻的系統狀態；u（k-1）為k-1時刻對系統的控制量；ω（k-1）為預測過程的噪聲；A為狀態轉移矩陣；B為將輸入轉換為狀態的矩陣。

該方程是依據前一時刻的狀態和控制變量來預測目前時刻的狀態。

系統的觀測方程為：

式中：z（k）為觀測值，是濾波輸入；v（k）為觀測的噪聲；H為狀態變量到觀測的轉換矩陣。

針對上述模型的濾波及迭代公式為：

1）推算預測狀態變量。

2）推算誤差協方差。

式中：p-（k）為k時刻的先驗估計協方差；p（k-1）為k-1時刻的后驗估計協方差；Q為過程激勵噪聲協方差。

3）計算濾波卡爾曼增益K（k）。

式中：R為測量噪聲協方差；H為狀態變量到觀測的轉換矩陣。

5）更新測量誤差p（k）。

鋼絲繩在線檢測信號的原始信號和基于該方法進行預處理后的信號對比如圖7。

圖7 信號預處理Fig.7 Signal pre-processing

從圖7可以明顯看出，該方法能較好的矯正信號漂移并有效濾除了大量空間耦合干擾噪聲，為信號準確定量識別奠定了基礎。

4 實驗模擬測試

搭建了鋼絲繩在線監測實驗仿真平臺，進行新型探傷裝置的實驗室測試。該平臺長3.6 m、高1.8 m、寬1.3 m。支架采用全鋁合金材質，質量輕，移動安裝便捷，適合在實驗室安放[12]。與其他平臺構造相比，該結構設計保留1個張緊輪，通過導軌中移動輪軸加螺絲固定即可完成換繩與緊繩，操作使用簡單。且平臺中設計了3處傳感器布設位置，可以多角度模擬豎井垂直段提升、水平段運轉、斜井提升等各種復雜工況。

為驗證新型探傷儀檢測效果的有效性。基于新方法研制了礦用鋼絲繩在線監測實驗樣機，并在鋼絲繩上制作了大量的斷絲、截面積損傷等實驗樣本進行測試。傳感器采用雙內襯結構，可以滿足不同直徑范圍鋼絲繩的檢測實驗。

依據礦用鋼絲繩常見損傷，制作斷絲數量分別為3、5、7、9、10、11、13、14、15、16、17、18、19根，斷口間距為3、5、7、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20 mm，截面磨損長度分別為3、5、7、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18 mm，磨損深度為5%、10%、14%、28%的典型損傷樣本。

通過傳感器采集的損傷處軸向磁場信號與徑向磁場信號對比可以看出，軸向信號中含有大量的背景噪聲，可視分辨性效果不佳，尤其是當損傷程度較小，僅有3 mm時，只從軸向信號中難以分辨出損傷存在。而從徑向信號中則可以明顯分辨出損傷的存在。傳感器徑向信號是軸向信號的有益補充。

從鋼絲繩斷絲檢測信號中可以看出，對同類斷絲型損傷，軸向磁場與徑向磁場信號檢測波形形態不同，但均為奇異信號，可以通過兩種奇異波形的相互驗證進行損傷的精準識別。從軸向磁場信號中可以發現，截面損傷信號形態與斷絲信號形態不同，隨著損傷面的增加信號的峰值有所降低，但信號的波寬增加，出現凹陷波峰。由此可見，新型探傷儀不但能檢測到小損傷產生的微弱信號，而且能從多視角給出損傷信號多維信息，為后續信號高質量分析奠定基礎。

5 結 語

介紹了礦用鋼絲繩健康無損在線監測的實驗室模擬裝置關鍵技術。與傳統鋼絲繩探傷傳感器相比，采用了多回路平衡檢測的弱磁磁化原理，通過檢測損傷引起的磁場畸變判別鋼絲繩損傷狀況；傳感器采用環形永磁體勵磁陣列結構設計，便于定量識別損傷程度；傳感器采用多維元件陣列布設+配套聚磁結構模式，通過綜合鋼絲繩軸向、徑向、周向多維磁場信號全面測量鋼絲繩健康狀態。實驗室測試結果表明，礦用鋼絲繩無損在線監測實驗室模擬裝置，能有效的分辨出不大于3 mm的微小損傷。