礦用鋼絲繩在線檢測技術及其實踐應用研究

張 銘

（山西潞安檢測檢驗中心有限責任公司，山西 襄垣 046200）

引言

鋼絲繩具有質量輕、性能好、環境適應性強等眾多優勢，在很多工業領域有廣泛的應用，其中就包括煤礦領域[1]。采煤機械裝備中很多地方都會使用鋼絲繩，其在提升、運輸及牽引過程中發揮著非常重要的作用[2]。礦井工作環境復雜，鋼絲繩在長時間使用時容易受到環境對其造成的腐蝕、沖擊、磨損、擠壓等影響，導致鋼絲繩的性能下降，使用壽命降低，對煤礦開采安全構成了一定程度的威脅[3-4]。為保障煤礦安全，有必要采取措施實時掌握鋼絲繩的運行狀態。基于此，針對礦用鋼絲繩的在線檢測技術應運而生，其作用是對煤礦中使用的各類鋼絲繩進行實時檢測，以便及時發現鋼絲繩存在的問題并及時解決，排除鋼絲繩的安全隱患[5-6]。本文主要介紹了一種鋼絲繩在線檢測技術及其在煤礦工程實踐中的應用效果。

1 鋼絲繩常見損傷形式及特征

煤礦中使用的鋼絲繩受到環境因素的影響，在工作時比較容易出現損傷情況。根據鋼絲繩的損傷特點，可以將其劃分成為兩大類型，分別為局部缺陷損傷和截面積損耗損傷。前者是指在鋼絲繩軸向方向上很短長度范圍內出現的損傷，其中斷絲最為常見；后者主要是指在鋼絲繩軸向方向很長范圍內出現截面面積逐漸變小的一種缺陷形式，比較少見。已有的理論和實踐經驗表明，鋼絲繩斷絲缺陷對其性能影響最為嚴重，會威脅鋼絲繩的運行可靠性與安全性。造成鋼絲繩發生斷絲缺陷的原因是多方面的，其中最常見的損傷形式及特征主要包含以下六種類型，見圖1。

圖1 鋼絲繩常見斷絲形式及斷口特征

2 鋼絲繩缺陷檢測基本原理

2.1 鋼絲繩的磁化特征

目前煤礦中使用的鋼絲繩普遍通過碳鋼來加工制作，內部包含有很多碳元素，其磁導能力相對較強，可以利用電磁檢測技術對鋼絲繩中存在的缺陷問題進行在線檢測。當利用外部裝置對鋼絲繩施加磁場時，鋼絲繩的磁導率會先隨外部磁場強度的增加而逐漸增加，達到峰值后再呈現出逐漸降低的趨勢，最后基本保持穩定。鋼絲繩的內部磁場強度隨著外部磁場強度的增加，先呈現出逐漸增大的趨勢，當鋼絲繩磁場強度達到一定程度時，也基本保持穩定，即鋼絲繩內部磁場強度達到了飽和狀態。

2.2 檢測原理

當利用外部磁場激發裝置對鋼絲繩軸向方向施加磁場并確保鋼絲繩內部磁場達到飽和狀態時，正常情況下內部磁場比較均勻。如果鋼絲繩內部存在斷絲等缺陷問題，那么在缺陷位置的磁阻會明顯增大，進而影響鋼絲繩在該位置的磁導率。由于所有部位的磁場已經達到了飽和狀態，缺陷位置磁導率的增加會導致該部位的磁場發生扭曲，下頁圖2 所示為鋼絲繩斷絲部位的磁場特點示意圖。基于以上原理可以看出，利用電磁檢測技術對鋼絲繩斷絲等缺陷問題進行檢測時，必須確保鋼絲繩內部的磁場達到飽和狀態。

圖2 鋼絲繩斷絲部位的磁場特點示意圖

3 鋼絲繩在線檢測系統的設計

3.1 檢測平臺設計

下頁圖3 所示為結合煤礦工程實踐設計的鋼絲繩在線檢測平臺實物圖。整個結構主要由磁場探頭、上位機、數據采集卡、步進電機以及整體支架等部分構成。支架上方設計有兩個相互平行的導軌，作用是實現磁場探頭在直線方向上的移動。磁場探頭通過步進電機進行控制，其運行速度可以在0～3 m/s 范圍內根據實際情況進行調整。磁場探頭是整個檢測平臺中最為關鍵和重要的構成部分，主要作用是對鋼絲繩內部的磁場分布情況進行實時檢測。具體檢測元件為磁敏電阻，為了提升磁場探頭的有效檢測空間及其檢測精度，探頭內部設置了兩排磁敏電阻元件，且呈現360°環向布置。為了防止檢測得到的信號在傳輸過程中發生衰減，探頭內部設置有放大電路，可以將檢測得到的信號進行放大處理，防止發生信號衰減最終導致檢測誤差增大的問題。

圖3 鋼絲繩在線檢測平臺實物圖

3.2 檢測系統設計

圖4 所示為礦用鋼絲繩在線檢測系統的整體框圖。由圖可知，系統整體上主要由磁場探頭、編碼器、數據采集系統、上位機檢測軟件等部分構成，其中數據采集系統內部還包含有信號處理電路。探頭內部不僅包含有磁場檢測部分，同時還包含勵磁部分，作用是確保鋼絲繩內部磁場全部達到飽和狀態。磁場探頭檢測得到的鋼絲繩內部磁場信號通過放大器處理后輸入到數據采集系統中，數據采集系統對收到的數據信息進行初步分析后，上傳到上位機檢測軟件中進行深入分析，判斷鋼絲繩內部是否存在缺陷問題。數據采集系統和上位機之間可以實現數據信息的相互交換。系統中還設置有編碼器，主要作用是實現數據采集系統采集頻率的控制。采集頻率對檢測結果精度有一定程度的影響，通常采集頻率越高則精度也越高，但是會增加檢測成本。

圖4 在線檢測系統整體框圖

4 在線檢測系統的實踐應用分析

某礦井年生產任務為140 萬t，礦井提升裝置中使用的鋼絲繩型號為6×39-40，該型號鋼絲繩的直徑大小為40 mm。整個提升裝置共有4 根鋼絲繩同時工作，鋼絲繩的整體長度為750 m。提升裝置工作時的最大運行速度為7.8 m/s，每根鋼絲繩的運行速度為0.5 m/s。利用設計的鋼絲繩在線檢測系統，對上述提升裝置的4 根鋼絲繩的斷絲缺陷問題進行檢測，檢測得到的提升裝置4 根鋼絲繩磁場信號圖見圖5。需要說明的是，對提升裝置鋼絲繩進行檢測時，其運行速度控制在2 m/s。

圖5 提升裝置鋼絲繩的檢測信號圖

利用在線檢測系統中的上位機檢測軟件對采集得到的磁場波形圖進行詳細的分析研究，最終判斷4 根鋼絲繩的斷絲信息如表1 所示。由表中數據可知，4 根鋼絲繩存在的缺陷數量分別為1、4、7 和12，且表中給出了所有缺陷的具體位置。將該檢測結果與鋼絲繩的日常維護保養記錄進行對比，發現所有檢測結果均與鋼絲繩的實際情況比較吻合，缺陷位置的誤差控制在了5%范圍以內。基于以上分析可以看出，設計的鋼絲繩在線檢測系統可以達到很高的精度，通過該系統的實踐應用，可及時發現鋼絲繩中存在的缺陷問題，并及時處理，有效保障礦井安全。

表1 提升裝置鋼絲繩缺陷檢測結果統計

5 結論

將檢測系統應用到礦井提升裝置中取得了很好的應用效果，可以準確有效地檢測鋼絲繩中存在的缺陷數量及具體位置。鋼絲繩在線檢測系統的實踐應用，顯著提升了礦井的生產安全程度，取得了很好的安全效益。