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      首頁 / 客戶評價 / 客戶評價 / 客戶評價 / 第五部分:TCK·W弱磁傳感技術研究與開發論文
      鋼絲繩(纜)全息定量無損檢測 -竇毓棠

        從20世紀初至今將近100年間,人們一直在研制鋼絲繩無損檢測裝置,到90年代,國內已有10余個單位研制此類裝置,現在國內外已發展到50余家,并不斷有新產品上市,產品一代比一代有所提高和完善。前期圍繞適合狀態檢測的鋼絲繩無損檢測裝置有10余種方法:聲光檢測法、機械檢測法、射線檢測法、電流檢測法、光學檢測法、電渦流檢測法、超聲波檢測法、振動檢測法、聲發射檢測法和磁檢測法。

        上述方法,大部分得到實際應用,有的方法由于不適用于礦山,有的笨重或檢測性能差,所以目前只有磁檢測法在檢測鋼絲繩缺陷(斷絲、磨損、銹蝕、變形、扭節、疲勞、單絲焊接點和斷面損耗等)方面效果較好。以下概略介紹幾種供參考。


        1 目前存在的幾種形式

        這是一種動態檢測法,速度在小范圍內變

        動,不影響檢測精度和靈敏度,檢測速度為零時,實時信號保持,捕捉信號較全面。但是交流勵磁,容易在鋼絲繩內部產生渦流,使鋼絲繩發熱,這對鋼絲繩有可能造成新的傷害。降低頻率,是減少渦流發熱的一項措施。因為變壓器鐵損和頻率成正比,不宜長時間停留在一點,且變壓變頻電源較重。

        永久磁鐵勵磁省了勵磁電源,增加了靈活性和實用性。傳感線圈靈敏度較高,傳感線圈與鋼絲繩表面間隙δ可適當加大,但傳感線圈的檢測精度和靈敏度受速度影響有所降低。線圈的感應信號電勢為e=- =- ,信號e的幅度隨速度V而變。要求檢測速度必須大于0.3m/s,否則丟漏信號,以上的穩定速度,以提取截面積損耗信號,因信號幅度雖速度的變化而改變,很不穩定,給定量檢測帶來困難,探頭重量較重。

        此原理擺脫了檢測精度和靈敏度受速度影響的困擾,檢測不要求保持0.3m/s以上的穩定速度,在提取截面積損耗信號方面,有突出優勢,美國稱之為LMA法(Loss of Metallical Area Method)。通過測量磁化回路中主磁通的變化獲得信息,主要檢測像磨損、銹蝕等引起的鋼絲繩橫斷面中金屬截面積總和變化的缺陷。不足之處是,其體積重量都大。其次是霍爾元件的靈敏度較低。主磁通特大而缺陷漏磁特小,易被淹沒,信嗓比不高。

        在局部缺陷檢測法(簡稱LF法)中采用了感應線圈,由于感應線圈的存在,檢測受速度影響是不可避免的,要求速度V不低于0.3m/s。有時在N、S極再加上霍爾元件,變成總和型,但重量較重。將若干個霍爾元件圍繞鋼絲繩裝成1圈或兩圈,安裝數量與鋼絲繩直徑大小有關,直徑大,則數量多,直徑小,則數量少。其優缺點與圖3相似。但比圖3有所改進。對鋼絲繩表面缺損如斷絲的檢測較靈 敏,且分辨率

        也較高。對鋼絲繩內部缺損檢測較困難,分辨率也較差。由于霍爾元件的靈敏度較低,所以在制造探頭時必須使霍爾元件盡量接近鋼絲繩,其間隙δ特小甚至在繩表面滑動,是一種接觸式。這里指的霍爾元件是集成霍爾元件,和運放元件集在一起,其靈敏度也僅為0.7V/T。如果無運放與其集成,單獨霍爾元件只有20V/T.

        由此得知,從霍爾元件算起要放大幾萬倍,這將給檢測儀表帶來零點漂移和溫度漂移,加上霍爾元件距鋼絲繩表面間隙δ很小,又經常處于振動和晃動的工作環境下工作,所以會出現較大的噪聲、野點和股波噪聲。消除這些缺點,需要增加一些新環節。

        由于磁路是山字型,兩端是同級性,鋼絲繩磁化區較短,檢測到鋼絲繩端頭時,死區較小,鋼絲裂紋檢不出,檢測鋼絲繩斷絲的斷口必須大于1mm才能檢出。靈敏度、精度和分辨率較低,信號波形不大規范。有的在檢測線圈處安裝霍爾元件,可以不受速度影響,但靈敏度稍低。

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        2 TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀

        TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀與TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀兩者基本一樣,原理相同。本檢測儀直流線圈磁化,高靈敏磁傳感器檢測。圖7 磁場矢量綜合原理示意圖,圖7中鋼絲繩被磁化之后,在鋼絲繩內部

        產生的主磁 在鋼絲繩表面以外的空間包圍著鋼絲繩,產生一個反向磁場,形成閉環。從空間返回的磁場為主漏磁場6,用 表示, 矢量與缺陷矢量 恰好相反,在模擬運算綜合過程中,削減信號矢量 ,所以還要有補償矢量 ,來抵消主漏磁場 。其優點為:(1)探頭靈敏度為50V/mT,并還可再提高;(2)信噪比大于1000;(3)對于精度,單項精度大于95%,多項混合缺陷大于90%;(4)無振動、晃動和股波噪聲;(5)鋼絲繩局部缺陷的損耗面積與損耗場強 呈線性關系;(6)所提取缺陷信號曲線的形狀和幅度與速度無關,即0-8m/s完全一樣;(7)傳感器到鋼絲繩外徑之間的間隙δ較大,如:實測上海南浦大橋鋼索時(鋼纜),由于塑料保護層厚薄不均,厚的地方>20mm,在在用鋼纜上檢測,未發現有缺陷,因不能將在用鋼纜解剖,檢測準確與否無法證實,暫依工人按大橋拉索預制的帶人為缺陷的6m鋼纜為依據進行檢測,檢測結果準確率達100%。百次重復率亦達100%。1998年,上海大橋局、上海交大檢測中心和洛陽礦冶機電研究所(現為洛陽威爾若普檢測技術有限公司)3家聯合開發研制檢測直徑為125mm鋼纜的無損探傷儀,在上海市科委主持下進行鑒定,這是國內首家用鋼絲繩無損檢測儀對直徑為125mm的大橋斜拉鋼纜進行檢測并取得成功。


        3 數學模型的建立

        通過鋼絲繩檢測環上某點傳感線圈捕捉到的磁場矢量,應該是鋼絲繩各種軸向磁場矢量的總和,即圖8是一只傳感器的矢量合成和信號電壓轉換圖。最后實現某點的缺陷電壓是缺陷\矢量的函數 。如果調零矢量Ho不為零,則缺陷信號U不等于零,調整偏移矢量-,或補償矢量使之為零。然后各矢量綜合平衡以滿足U=F( )外特性曲線的運算。

        上面經推導和實驗已建立了在S范圍捕捉缺陷信息或稱斷面損耗以及信息的數學模型公式(1)。計算鋼絲繩某點斷面上的總損耗S。應從計算環形面積入手,將圖7從中間橫向面積切斷獲得圖9環的面積So為

        將上式變成模擬運算電路近似的求S的積分,即把環的面積So看作是各個電磁傳感器S的總和。

        實驗證明,完全正確,運算速度也較快。

        我國煤炭安全規程規定,鋼絲繩在一個捻距內,損傷點的損耗面積的總和超過5%,則換繩。這個數學模型的建立,積分一個捻距內的損耗斷面So就可以了,即

        這個數學模型的建立對斷絲之類的缺陷已經能夠完全滿足了。銹蝕、磨損、疲勞和變形等在捻距中測出后如何解釋,國家尚無規定。因為一個捻距內的斷絲點的計算比較明確,而對銹蝕、磨損和疲勞等的連續面積損耗量,是否只取一次,商待研究。

        如徐州礦務局某礦上的管道繩突然斷掉,停產數日,直接經濟損失數十萬元。值得一提的是,據每天檢查鋼絲繩的安檢人員反映:“表面無斷絲,很光亮,用卡尺量直徑時,不但不細,直徑略有加大”,主觀認為平安無事,實際上從斷口看過去,內部的鋼絲繩銹蝕的面積損耗將超過1/2。如果有一臺TCK.W型鋼絲繩無損探傷儀,對該繩進行檢測,則問題早已發現,可提前采取措施,對該繩進行檢測,則問題早已發現,可提前采取措施,不致造成損失,經驗告訴我們,只靠肉眼觀察和卡尺測量是不能解決鋼絲繩內部問題的。


        4 數學模型與圖像曲線

        通過推導與實驗已建立了3個數學模型,缺陷信號的實時、提取、數據運算和畫圈,都發揮著非常重要的作用。圖10a描述8路信號分別由8路傳感器各按式(1)運算處理,獲得如圖10a中的8路曲線信號。

        圖10b為圍繞鋼絲繩的8路傳感器,在鋼絲繩某點截面上所檢測到的缺陷的總和,即將8路信號在按公式(2)求和,即的圖10b。

        圖10c是把鋼絲繩各斷面的缺陷損耗面積So,即圖10b內的各個缺陷波形,按鋼絲繩捻距長度,用式(3)求和,得圖10c。尋找最危險和缺陷最大的捻距,滿足“國家煤炭工業規程”的規定,設1捻距=25cm,

        Sn3 Sn1Sn2 ,見圖10a,10b,10c 。

        損耗斷面采用百分數或斷絲當量,橫坐標采用空域采樣,采樣頻率可達1kHz,微機完全響應。

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        5 關于自動調零和標定

        Hn是環境磁場產生的矢量,如地磁,附近有強磁鐵和大電機等,給檢測儀帶來一定影響,但本儀器在檢測之前可自動消除這種影響。Hn矢量與鋼絲繩的軸向沒有定向,但

        它在被測鋼絲繩上的投影,可能是正矢量,也可能是負矢量。還可能是零(+,—,0)。是0對缺陷矢量 無任何關系,如果是+值或—值,直接影響 ,干擾矢量與 疊加將使檢測結果失真。關于自動調零和標定的操作法參照圖8,類似使用萬用表,只是用前必須調零,先把探頭卡在被測鋼絲繩的無缺陷和無損傷的位置,按一下探頭前端掌上電腦的指令鍵,則電腦自動計數,見圖11。由0點升到1點,同時電腦的一號信號燈亮,然后停3S到2點后,再有2點降到3點的同時1號燈又滅,電腦在1號燈滅時,自動再減1個數,到4點自動停。所減的數,是經驗數據,或稱之為抗干擾門限。此數值可設定或修改。為了標定準確,多定幾個認為完好無損點,取平均數更好。有時在標定數正好遇上表面斷一絲的量。在此情況下,即在段一絲的地方標一絲的量。注意:在斷一絲處的內部,再無其他損傷。如果有,那么標一絲就錯了。一般標新繩很容易,舊繩難,因為舊繩內缺陷因素多,除了表面斷絲還有磨損、銹蝕、疲勞、變形和扭結等。碰上這種情況就要除了標一絲之外,還要憑經驗將估計數加入。當然,如果新鋼絲繩在開始使用前就已有探傷儀的初始檢測數據,直到鋼絲繩使用到儀器提醒我們“應該換繩啦!”為止。在這種情況下,有了前后數據對比,對鋼絲繩的狀態檢測就真正實現了,且儀器的準確性和可靠性可進一步的提高。

        標定還要準備一條6m長的和在用繩同樣規格的繩頭,作為樣板繩,在樣板繩的中段,人為制造3點損傷,最多不超過4個點。兩端各留1.5m不做損傷點。因為端部磁極效應關系,檢測出的數據必須加以矯正,太繁瑣。值得注意的是模擬制造斷絲,大多數用戶都模擬不準。就拿斷一絲來說,如果被拉斷,在被拉斷點處必定細,斷口兩端更細,且更細的地方內部組織改變,增加磁阻。隨著磁阻的增加,就增加漏磁。漏磁的增加量。從鋼絲繩外部容易測到,如圖12。

        鋼絲繩制造廠在鋼絲繩捻制過程中,鋼絲不夠長采用焊接,其焊接接頭如圖13所示。

        從圖13可知,雖然未斷開,可檢測結果和斷開一樣。這是因為焊點4和焊點兩邊的被加熱區3的金相組織改變,增加了磁阻,所以如圖12、13檢測結果相似,因此模擬圖12和13人為制造一根斷絲時,不能簡單鋸斷一根絲,應先將局部敲細,然后再用扁鏟剁開。模擬制造裂紋,同樣在裂紋的兩邊要考慮怎樣做疲勞層。

        TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀是檢測損耗面積的儀器,是真正的LMA型,亦可稱“全息”型。它不僅對斷絲、銹蝕、磨損和刮傷敏感。因為都能引起鋼絲繩內部金屬組織的變化,使其增加磁阻。而增加磁阻,則增加缺陷(損傷)矢量 ,所以檢測儀能把他們一起檢測出來。實驗和實踐證明完全正確。這就是“全息型鋼絲繩無損檢測儀”的理論根據。

        信息的處理與辨識,是一個比較復雜的問題,是密碼的破密與模式識別技術,目前僅對一些單純的信息、兩種以下的典型混合信息和3種以下典型信息交織在一起的,電腦可以處理,并打印表格明確數值。對于多種缺陷,如六七種混在一起的要靠波形和圖像識別,

        應注意的是:各個大小圖像的幅度代表該點的面積總損耗。有了這個數值則沒有必要再分各種缺陷所占的比例了。如果一定要分清,還要繼續不斷地研究,根據其缺陷特征曲線和波形的形狀可認出是哪種類型的缺陷,缺陷多少,目前根據波形特征由探頭上的微電腦顯示和微型打印機打印消耗面積的同時亦將缺陷的種類顯示、打印出來,如斷絲、銹蝕、磨損和疲勞等。

        在左右旋的鋼絲繩內部,左旋股和右旋股的接觸層處,一部分絲磨成圖14的樣子。

        單絲磨損情況一般未斷,大約為絲直徑的1/2,并處于鋼絲繩的內部,磨口距離很近,不易分辨,只能出現漏磁平均波。如果能測出面積的平均損耗量,就已經很好了。


        6 多種缺陷在被測點同時出現的辨識

        國際上許多專家認為,鋼絲繩的疲勞檢測問題至今尚未解決。我國專家也提到了上述難解決的問題。。

        經調查分析,有些礦井提升機在半天的時間里,就在卷筒上卷起放開300余次,造成彎曲疲勞。加速、抱閘、起動和停車造成拉伸疲勞。久而久之引起鋼絲繩內部組織變異,機械性能脆硬。因其物理特性改變,導磁率降低,則磁阻增加,從而增加漏磁場矢量 ,于是產生出疲勞信號。它和扭結損傷差別很大,在礦山實測當中發現扭結圖形的波長都在1.5-4.5m,而提升機鋼絲繩疲勞圖形的波長幾乎等于井深,即200-1000m,兩端

        除了不受彎曲、拉伸的段,其余部分都有可能疲勞。圖15a是新繩檢測結果。除了有點小毛刺無其他任何波形信號,毛刺是鋼絲繩內鋼絲焊接點,b是同規格的舊繩的檢測結果。

        從圖15可明顯看出各種缺陷特征。疲勞在提升機的鋼絲繩的工作段,看上去接近短形波,其波幅不高,其波寬特寬(長)。磨損、銹蝕和斷絲是人工制造的,其波幅和波寬預先知道,斷絲時的波寬特別窄。將圖15b的缺陷分界線取消,得圖16檢測波形。從圖16可知A點最大損耗面積為

        值得一提的是疲勞信號已經獲得,是以面積當量的形式在電腦顯示,它和抗拉強度的關系還要長期驗證。提取疲勞信號,不是國內外現有的探傷儀均可實現的,因為有的檢測儀原理不適應,根本捕捉不到疲勞信號。

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        7 TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀的優勢

        TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀有兩個名稱,TCK.W是鋼絲繩信號實時提取與處理的意思,是國家自然科學基金委員會批準資助項目,批準號:6875002,新名叫TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀,是和注冊商標一致。TCK.W是檢測商標控制王的意思。

        TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀先后榮獲國家發明專利和實用新型專利,獲國家發明四等獎和中國發明協會頒發的金牌和金杯獎,獲煤炭工業專利技術及產品推薦項目證書和原煤炭部頒發的生產許可證書(全國同行只此家)。

        本儀器可定量檢測金屬截面積減小量(LMA)和損傷點定位。

        國家專利局進行了國內外檢索后通知“未發現有破壞本專利的新穎性和創造性的對比文件”。經專家鑒定為國際領先水平,其原理是獨創的一種“磁場矢量綜合放大法”??煞Q磁場矢量鉸鏈放大法,其性能獨特,又在集成霍爾元件基礎上,提高了萬倍靈敏度。達到5V/0.1mT(集成霍爾元件只有0.7V/T)。無晃動、振動和股波噪聲,傳感器距鋼絲繩(纜)的距離(或稱間隙δ)大。

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        8 儀器結構與系統框圖

        這是一種兩體方案,磁化和檢測做成兩體。如圖17所示。圖中上部分為磁化器,下半部為探頭。系統框圖如圖18所示。


        9 結論

        (1)TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀采用了“磁場矢量綜合”原理,以更換鋼絲繩的規程和實驗為依據,建立了數學模型。實驗證明,所建立的數學模型完全正確。

        (2)可準確判定鋼絲繩的更換時間,使鋼絲繩的使用壽命延長到確實失效限度。

        (3)在生產和使用過程中,可確保人身和

        財產安全,減輕安檢人員的勞動強度,提高工作效率。

        (4)由于采用了新原理,使得TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀增添了許多新功能,已形成了“全息定量無損檢測型”鋼絲繩(纜)無損檢測儀,除了能檢測普通形狀的不同規格的不同結構的鋼絲繩,還能檢測架空索道無極繩上的橄欖型接頭和斜拉橋的直徑125mm的鋼纜。在檢測缺陷種類方面,除了能檢測鋼絲繩內部和表面的斷絲、磨損和銹蝕之外,實驗已證明,還能將鋼絲繩硬脆的疲勞缺陷、

        扭結、變形、夾在鋼絲繩中的硬脆的鋼絲繩焊接點,以及鋼絲繩的裂紋。電焊飛渣的燒傷點等檢測出來。在靠近鋼絲繩端部的檢測,借助自動跟蹤補償也已實現。

        (5)實現了自動標定,通過微機自動搜索,尋找標定點。實現了全面智能化、操作簡單化和傻瓜化。

        (6)目前國內外有關專家認為對鋼絲繩缺陷中疲勞、扭結和硬脆點等類損傷尚無法檢測,實驗和實踐證明,TCK.W型鋼絲繩無損檢測儀已解決上述難題。

        作者:竇毓棠 著名自動化專家,原一機部洛陽礦山機械研究院總工程師,中國自動化學會副理事長,學部委員。生前為洛陽威爾若普檢測技術有限公司首席專家。


        參考文獻

        1.楊叔子,康宜華,鋼絲繩斷絲定量檢測原理與技術。北京:國防工業出版社,1995

        2.武新軍,康宜華,楊叔子,無損檢測在役鋼絲繩標準的研究,華中理工大學機械學院,2000

        3.竇毓棠,TCK.W型鋼絲繩在線無損探傷儀的試驗研究及其應用,全國設備診斷技術學術會討論文集,1993


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