韓泰然

1中國平煤神馬集團(tuán)煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室 河南平頂山 467099

2中國平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院 河南平頂山 467099

鋼絲繩作為物料搬運設(shè)備中的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于采礦和運輸作業(yè)，尤其是礦井提升和旅游索道[1]。在鋼絲繩的使用中，其完好程度直接關(guān)系到人員和設(shè)備的安全。近幾十年來，由于鋼絲繩斷裂事故時有發(fā)生，使企業(yè)生產(chǎn)和工人安全受到嚴(yán)重威脅[2-3]。

造成鋼絲繩損壞的主要原因是疲勞和磨損。金屬面積突然變化造成鋼絲繩斷絲、斷裂和局部銹蝕，稱為“局部損壞”，而大面積的腐蝕和磨損造成金屬面積的“較均勻”的變化，稱為截面損失。因為“局部損害”和“截面損失”不同，它們的檢測方法也不同[4-5]。鐵磁鋼絲繩的早期檢測方法包括眼觀察、手觸和卡尺測量。20 世紀(jì) 90 年代，便攜式鋼絲繩探傷測器的出現(xiàn)逐漸取代了人工檢測，檢測效率明顯提高。隨后弱磁探傷儀進(jìn)入市場，但弱磁探傷儀信號弱、穩(wěn)定性以及抗干擾能力差，對鋼絲繩斷絲與截面積的磨損檢測往往達(dá)不到應(yīng)有效果。

礦山企業(yè)每年更換鋼絲繩的成本較高，而浪費鋼絲繩的現(xiàn)象十分嚴(yán)重。研究表明，若能加強(qiáng)鋼絲繩狀態(tài)檢測和適時報廢，每年至少可節(jié)省 12%～ 30% 的鋼絲繩消耗[6]。因此，研制先進(jìn)的鋼絲繩無損探傷檢測儀器是非常必要的。

1 系統(tǒng)的組成及特點

1.1 系統(tǒng)組成

檢測設(shè)備主要由檢測主機(jī)、信息分析站、數(shù)據(jù)采集處理器和計算機(jī)分析處理軟件 4 個部分組成。檢測主機(jī)主要包括磁通量泄漏檢測與永磁干擾檢測相結(jié)合的復(fù)合檢測探頭及輔助系統(tǒng)、激光及輔助系統(tǒng)，缺陷及經(jīng)傳導(dǎo)獲取的損傷信息通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)處理。信息分析站對缺陷鋼絲繩進(jìn)行直徑自動掃描、數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，最終輸入計算機(jī)，通過分析軟件進(jìn)行后處理分析，并進(jìn)行存儲、顯示、打印和報警。

1.2 特點

由于檢測設(shè)備采用了高強(qiáng)度磁性磁化技術(shù)，克服了穩(wěn)定性差、容易被擾動等弱點，大大提高了檢測精度和可靠性。首先，在高強(qiáng)度磁檢測的基礎(chǔ)上，激光檢測鋼絲繩直徑收縮，并進(jìn)一步提高檢測精度，檢測速度快，理論上不受鋼絲繩運動速度的影響；其次，檢測精度高，達(dá)到微米級；第三，實現(xiàn)非接觸式在線檢測，檢測過程簡便，不受油污影響，檢測精度和可靠性得到有效保證。

與光學(xué)檢測測定法相比，該檢測方法容易受到外界環(huán)境磁場的干擾 (如外界帶磁性的材料)，影響其準(zhǔn)確性，檢測時，應(yīng)選擇鋼絲繩運行中周圍無磁性材質(zhì)的一段；不受油污影響；針對鋼絲繩的工況 (如振動、扭曲、斷絲、銹蝕等，該方法受磁場磁通量影響明顯。光學(xué)檢測測定法適合鋼絲繩均勻磨損狀況，且對有油污的鋼絲繩檢測效果不明顯。

2 技術(shù)指標(biāo)

為了實現(xiàn)鋼絲繩直徑收縮和斷絲的高精度、高效率、防火和固有安全類型檢測，提高勞動效率和安全效益，需要實現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)如表 1 所列。

3 技術(shù)路線

采用 2 項研究方法，且每種研究采取兩步法，即先集中研究和實際應(yīng)用高強(qiáng)度磁性理論和激光探測技術(shù)，后集中研究和實際應(yīng)用數(shù)據(jù)處理。2 項研究同時進(jìn)行，且各有重點，整個理論的重點是后期激光探測標(biāo)定的研究。

以往許多煤礦采用弱磁檢測設(shè)備試驗，但效果不佳，所以研究的第一步是將強(qiáng)磁理論應(yīng)用于實際檢測環(huán)節(jié)。結(jié)合實際工作條件與數(shù)據(jù)記錄相比較，確保早期檢測精度達(dá)到 80% 以上。

整體技術(shù)路線分為 4 個方面：①全面構(gòu)建了激光強(qiáng)磁檢測鋼絲繩斷裂的研究方案；② 根據(jù)實際需要進(jìn)行理論分析，包括激光的選擇、激光光程設(shè)計、激光發(fā)射和接收電路、接收信號處理電路等，以及激光強(qiáng)磁檢測系統(tǒng)在軟硬件上的集成；③確定激光檢測鋼絲繩直徑收縮的試驗研究方案；④ 在試驗研究成功的基礎(chǔ)上試制產(chǎn)品，重點研究激光探測與高強(qiáng)度磁探測系統(tǒng)的融合問題。技術(shù)路線圖如圖 1 所示。

圖1 樣機(jī)研制路線Fig.1 Prototype development process

4 激光強(qiáng)磁探傷系統(tǒng)原理及分析

4.1 鋼絲繩恒磁激勵檢測原理

嚴(yán)格按照能量和材料信息守恒的一般物理規(guī)律，通過電磁能量激發(fā)得到載體信息，從而對激發(fā)體的異常波形信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào) (見圖 2)。

圖2 恒磁激勵信號機(jī)制Fig.2 Mechanism of constant-intensity magnetic exciting signal

采用最新的局部瞬時恒磁刺激檢測鋼絲繩 (無磁效應(yīng))，激勵獲得詳細(xì)信息，輸出鋼絲繩損傷狀況，完成使用壽命預(yù)測和安全性評估，并實現(xiàn)了和諧礦井提升系統(tǒng)的建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會建設(shè)等安全生產(chǎn)環(huán)境 (定期更換繩索支出除外) 的雙重保險 (見圖 3)。

圖3 鋼絲繩恒磁激勵檢測原理Fig.3 Wire rope detection principle by constant-intensity magnetic excitation

傳感器檢測主要檢測 2 個指標(biāo)，LMA (徑向截面損失) 和 LF (局部損傷)。其中 LMA 是通過檢測主磁通的變化得到截面磨損的情況；LF 則是通過檢測局部漏磁量的變化得到局部損傷的結(jié)果。當(dāng)鋼絲繩通過探頭時，探頭中的強(qiáng)磁場會瞬間將鋼絲繩磁化，鋼絲繩截面與磁性感應(yīng)強(qiáng)度成正比；當(dāng)鋼絲繩截面不變時，探頭接收到的磁場變化不大[7-9]。當(dāng)鋼絲繩斷裂時，由于截面處的磁泄漏，磁場會發(fā)生變化；當(dāng)鋼絲繩收縮時，主磁通量發(fā)生變化。在 2 個異常狀態(tài)下，探頭收集的磁場信息變化較大，轉(zhuǎn)化為電信號，成為信號輸入的來源 (見圖 4)。

4.2 磁信號處理部分結(jié)構(gòu)

磁信號處理過程如圖 5 所示。上位機(jī)通過 TCP/IP 協(xié)議發(fā)布指令，控制運動部分，即氣動組件動作(包括氣缸推動小車、探頭伸縮和開合動作)，使探頭處在與鋼絲繩合適的位置，完成探頭的初始化定位。采集開始時，探頭上的傳感器組采集到磁信號，轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)線交由前置放大器進(jìn)行放大；經(jīng)數(shù)據(jù)采集預(yù)處理模塊處理后反饋給上位機(jī)進(jìn)行結(jié)果存儲和顯示，通過不同編碼器實時獲取當(dāng)前鋼絲繩的位置信息，判斷可能存在缺陷的部位；然后通過數(shù)據(jù)預(yù)處理部分完成對采集信號的前期比較和打包處理，經(jīng)過打包處理，模擬信號被封裝成數(shù)據(jù)包，通過 TCP/IP 協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。其中數(shù)據(jù)預(yù)處理部分的結(jié)構(gòu)框架如圖 6 所示。

圖4 有無缺陷時鋼絲繩內(nèi)外磁場分布對比Fig.4 Comparison of internal and external magnetic field of wire rope with flaw and without flaw

圖5 磁信號處理過程Fig.5 Magnetic signal processing course

圖6 數(shù)據(jù)預(yù)處理的模塊框架Fig.6 Frame of data pre-processing module

對采集到的信號進(jìn)行有效的處理，并完成網(wǎng)絡(luò)傳輸，是數(shù)據(jù)預(yù)處理的核心。因此，MCU 對主要的頻率和網(wǎng)絡(luò)通信功能有著很高的要求。

4.3 激光檢測鋼絲繩徑縮原理

激光具有均勻性好、相干性好、方向性好、亮度高等重要特點。在鋼絲繩直徑收縮的檢測中，主要利用激光單色率和指向性。普通光源發(fā)射的光子頻率不同，因此含有多種顏色。激光發(fā)射相同頻率的光子，因此激光是最好的單色光源。激光束的散射角很小，幾乎是平行的光線[10-11]。利用激光的這 2 種特性來檢測鋼絲繩直徑，在接收端設(shè)有光敏電阻接收電路，檢測到的鋼絲直徑收縮變化就是光通量的變化，然后通過光敏電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，即通過一次信號轉(zhuǎn)換實現(xiàn)目標(biāo)，檢測信號進(jìn)入下一級電路 (信號處理電路)，信號檢測由信號處理電路轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。

5 關(guān)鍵技術(shù)

該檢測方案結(jié)合了高強(qiáng)度磁檢測和激光檢測鋼絲繩直徑變化的理論[12-13]。采用高強(qiáng)度的磁檢方法找出磁信號變化較大的部件，即存在斷絲可能性較大的部位。同時，采用激光檢測的方法測量鋼絲繩直徑的變化，從而全面獲得鋼絲繩的使用狀態(tài)。這 2 種方法互為補(bǔ)充。整體檢測流程如圖 7 所示。

圖7 檢測流程Fig.7 Detection process

(1) 高強(qiáng)度磁性缺陷檢測通過磁信號的變化檢測鋼絲繩的 2 個主要指標(biāo)：LMA (直徑收縮) 和 IF (斷絲)[13-14]。由于不需要人工干預(yù)，節(jié)省了人力，提高了檢測效率。此外，它還反映了繩索內(nèi)部磁性信號的變化。

(2) 通過鋼絲繩對激光的屏蔽，實現(xiàn)鋼絲繩直徑收縮由光信號向電信號的轉(zhuǎn)換[15]。首先用前置放大器對得到的模擬信號進(jìn)行放大，然后用信號處理電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號發(fā)送到計算機(jī)進(jìn)行程序處理，從而得到導(dǎo)線的直徑縮小值。通過程序可以調(diào)整檢測位置點，從而得到不同位置點的直徑，并以曲線變化的視覺形式顯示在顯示器上。通過軟件對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并給出分析報告，如遇特殊情況，系統(tǒng)自動報警。

(3) 結(jié)合這 2 種方法，既能節(jié)省人工檢查的工作量，又能避免人為因素的干擾，是目前較為理想的檢測方法。

(4) 在現(xiàn)場觀察、理論分析和實驗室試驗的基礎(chǔ)上，對激光強(qiáng)磁鋼絲繩試驗設(shè)備進(jìn)行硬件設(shè)計，然后按照設(shè)計方案進(jìn)行試驗，激光光路設(shè)計為封閉結(jié)構(gòu)，避免了外界光線的干擾。

(5) 軟件設(shè)計應(yīng)考慮如何將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的觀測值，還應(yīng)注意系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的接口設(shè)計，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和遠(yuǎn)程測控。

6 工程實例

平煤股份十三礦副井提升繩長為 776 m，2 人以0.2 m/s 速度檢測一根繩的時間需要 1 h 以上，需 8 人同時進(jìn)行檢測。用鋼絲繩在線自動化檢測系統(tǒng)按 0.5～ 2.0 m/s 速度檢測，加上操作、判斷、出報表，大約10 min 即可將 4 根繩檢測完畢。檢繩不留死角，同時影像隨時可以回放供檢測人員查找斷絲及麻坑。人工目視檢測時間長，檢測時眼睛過累會出現(xiàn)重影且不能在鋼絲繩移動中目視 360°的缺陷。該井每小時提升原煤 675 t，按每噸 450 元計算，每次檢繩節(jié)約的時間可增加效益約 30 萬元，不僅帶來很好的安全效益，而且?guī)砹溯^大的經(jīng)濟(jì)效益。鋼絲繩使用時間由平均18 個月延長至約 24 個月，該礦主井 4 根繩每次換繩和人工費約 140 萬元，該井按照 20 a 的采煤期，每年可直接增加經(jīng)濟(jì)效益約 300 余萬元。

7 創(chuàng)新點

(1) 激光探測鋼絲繩直徑可獲得較高的精度，并大大提高探測效率，探測誤差小于 1%。改進(jìn)現(xiàn)有的高強(qiáng)度磁場檢測鋼絲繩絲技術(shù)，提高了檢測精度。

(2) 棄用了鋼絲繩檢測中常用的光電旋轉(zhuǎn)編碼器定位技術(shù)，并采用激光脈沖計數(shù)定位技術(shù)，將徑縮與斷絲位置定位誤差由原來的最大幾十米縮小到幾分米。

8 結(jié)語

針對目前多種檢測鋼絲繩技術(shù)自動化程度低、勞動強(qiáng)度大、檢測精度低的問題，提出了激光強(qiáng)磁鋼絲繩在線探傷技術(shù)的研究，依靠精準(zhǔn)、高效的檢測技術(shù)與設(shè)備，及時獲得鋼絲繩徑縮與斷絲數(shù)據(jù)，依此判斷鋼絲繩是否應(yīng)及時更換，避免安全事故的發(fā)生，提高了鋼絲繩使用的經(jīng)濟(jì)性與安全性。

系統(tǒng)投入使用后，完善了現(xiàn)有的安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測礦用鋼絲繩的運行情況，實現(xiàn)動態(tài)安全管理，使管理者準(zhǔn)確、及時掌握安全數(shù)據(jù)，減少決策失誤，顯著提高煤礦現(xiàn)代化生產(chǎn)效率，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。