歐陽玉平 孫 晗 洪添勝 舒盛榮 陳洞濱 吳志強

(1.華東交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院， 南昌 330013； 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642)

0 引言

山地果園牽引式雙軌運輸機屬新式農(nóng)用運輸機械，其運載能力強、運行穩(wěn)定[1-4]。近年來，中國果樹種植業(yè)發(fā)展迅速，傳統(tǒng)果園運輸僅依靠人力，其勞動強度大，且效率低[5-6]，運輸機極大地提高了生產(chǎn)效率，加快了中國果園機械化進程。該類運輸機由鋼絲繩牽引載物滑車沿軌道運行，工作環(huán)境較為特殊，鋼絲繩的壽命會因滑輪、受力而產(chǎn)生交替變化[7-11]。目前，該運輸機用鋼絲繩的失效行為及失效規(guī)律尚不明確，鋼絲繩斷裂會引發(fā)嚴(yán)重的安全事故，因此研究運輸機用鋼絲繩的斷絲規(guī)律具有重大意義。

絕大多數(shù)金屬材料斷裂均由損傷累積至一定程度造成的，當(dāng)材料某部位存在裂紋時，裂紋尖端附近產(chǎn)生顯著應(yīng)力集中，使材料在遠(yuǎn)低于屈服應(yīng)力時發(fā)生斷裂[12-14]。對果園采集的服役鋼絲繩樣品進行觀察與解剖發(fā)現(xiàn)，造成運輸機用鋼絲繩失效的主要原因是表層斷絲、外層磨損和整繩變形。有學(xué)者認(rèn)為，磨損是鋼絲斷裂的主因[15-17]。由于存在多種外界因素的影響，已有斷裂力學(xué)理論不能完全解釋運輸機用鋼絲繩的實際斷裂過程，對斷裂處裂紋擴展過程的預(yù)測和仿真模擬也與實際結(jié)果存在極大差異，鋼絲繩在斷裂過程中伴隨材料的損耗，始終處于復(fù)雜交變的應(yīng)力作用下，其斷裂過程更為復(fù)雜[18-23]，難以通過理論分析得到運輸機鋼絲繩的斷絲規(guī)律。

本文通過鋼絲繩運動過程中的受力分析，建立運輸機運行時鋼絲繩的力學(xué)模型；搭建基于PLC的鋼絲繩繞卷試驗平臺，設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)和張緊力自動調(diào)節(jié)裝置，探究運輸機用鋼絲繩的斷絲規(guī)律；并進行鋼絲繩無損探傷儀斷絲與磨損檢測可靠性試驗，對探傷儀的可靠性進行分析。

1 接觸動力學(xué)模型

1.1 運動過程中鋼絲繩承載情況

運輸機運動參數(shù)對鋼絲繩損傷主要體現(xiàn)在對鋼絲張緊力影響。運輸機鋼絲繩牽引過程如圖1所示，可分為載物滑車啟動瞬間(A處)、上行過程(A-B段)及載物滑車停止瞬間(B處)3個牽引階段，C點為鋼絲繩由直轉(zhuǎn)彎過渡點，D點為由彎轉(zhuǎn)直過渡點。在過渡段，鋼絲繩中心軸線曲率由0突變?yōu)?/R(R為滑輪半徑)，使彎曲段附加了彎曲切應(yīng)力，導(dǎo)致該處最危險。

圖1 運輸機鋼絲繩工作原理示意圖Fig.1 Working principle diagram of transport wire rope

當(dāng)卷筒按順時針方向牽引載物滑車上行時，位于軌道上方的鋼絲繩長度不斷減少，整個牽引系統(tǒng)等效質(zhì)量和剛度隨之變化，牽引系統(tǒng)振動頻率和振幅不斷變化。選取卷筒C點為鋼絲繩與卷筒的切點，將鋼絲繩1/3的質(zhì)量計入載物滑車質(zhì)量。鋼絲繩在卷筒切點C處的張緊力F在加速啟動階段(T1)、勻速運行階段(T2)及減速制動階段(T3)3個牽引階段的微分方程可表示為[24]

(1)

(2)

(3)

式中E——鋼絲繩彈性模量，MPa

A1——鋼絲繩截面積，mm2

g——重力加速度，取9.8 m/s2

β——軌道傾角，(°)

a1——啟動階段加速度，m/s2

a2——停止階段減速度，m/s2

Q1——載物滑車質(zhì)量，kg

Q2——載物滑車所載物資質(zhì)量，kg

ρ——鋼絲繩質(zhì)量，kg/m

Li(t)——第i牽引階段鋼絲繩有效長度，m

t2——勻速運行階段(T3)結(jié)束時間，s

t——牽引時間，s

v——最大牽引速度，m/s

1.2 鋼絲繩動力學(xué)模型

鋼絲繩在承受軸向拉力時表現(xiàn)為復(fù)雜的力學(xué)特性，主要體現(xiàn)在以下方面：鋼絲繩承受拉力時，即使緩慢加載，拉力與變形間關(guān)系亦不服從胡克定律，即應(yīng)力應(yīng)變呈非線性力學(xué)特性；鋼絲繩在拉伸過程中有明顯滯后現(xiàn)象；當(dāng)鋼絲繩承受恒拉力時，鋼絲繩變形逐漸增加，鋼絲繩的應(yīng)變與應(yīng)力具有不同規(guī)律，呈蠕變特性；鋼絲繩拉力作用下變形不僅與拉力大小和拉力作用時間有關(guān)，還與拉力變化頻率有關(guān)，具有顯著的動態(tài)特性。

鋼絲繩受軸向拉伸時應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律與諸多因素有關(guān)，單純從理論角度，應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系需在無限緩慢的加載工況下測得，實際無法實現(xiàn)，再加上運輸機鋼絲繩實際工況為動態(tài)受力等原因，因此鋼絲繩模型必須從動態(tài)角度考慮。將鋼絲繩劃分為n段，形成n個集中質(zhì)量相同的有限單元，設(shè)單元i質(zhì)量、作用于單元間的剛度及阻尼系數(shù)分別為m、k和c，建立圖2所示鋼絲繩單元力學(xué)模型，依據(jù)各單元間Vogit模型[25]，可得鋼絲繩單元i質(zhì)量的動力學(xué)方程為[26]

圖2 鋼絲繩單元力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of wire rope element

fi(t)=mis″i+ki(si-si-1)+ki+1(si-si+1)+
ci(s′i-s′i-1)+ci+1(s′i-s′i+1)

(4)

若考慮鋼絲繩單元質(zhì)量是變化的，可將鋼絲繩進行離散處理，離散后鋼絲繩單元的微分動力學(xué)方程為

(5)

1.3 鋼絲繩拉緊裝置動力學(xué)模型

運輸機為實現(xiàn)農(nóng)資的有效運載，避免鋼絲繩與卷筒及其他構(gòu)件產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，必須保證鋼絲繩具備足夠的張緊力。鋼絲繩拉緊力主要來源于載物滑車及所載物資沿軌道傾斜方向分力，動力學(xué)模型如圖3所示，動力學(xué)方程為

圖3 載物滑車自重拉緊裝置動力學(xué)模型Fig.3 Dynamics model of vehicle self-weight tension device

Ft=k′0x+c′0x+k2x+c2x+mix″i+ki(xi-xi-1)+
ki+1(xi-xi+1)+ci(x′i-x′i-1)+
ci+1(x′i-x′i+1)+kx2+cx2+F

(6)

式中k′0——驅(qū)動裝置前后移動時彈簧剛度，N/m

c′0——驅(qū)動裝置前后移動時彈簧阻尼系數(shù)，N/m

x——驅(qū)動裝置位移，m

x2——載物滑車位移，m

c2——載物滑車移動時阻尼系數(shù)，N/m

1.4 鋼絲繩接觸力學(xué)模型

鋼絲繩與運輸機構(gòu)件接觸主要體現(xiàn)在鋼絲繩之間、鋼絲繩與驅(qū)動卷筒、滑輪及約束輪之間。將鋼絲繩視為彈性圓柱體，其他可視為剛性圓柱座，兩接觸體在變形前半徑分別為R1、R2，兩接觸體接觸點為O；以兩接觸體公切面為xy平面，z軸為其公法線，建立直角坐標(biāo)系；兩接觸體表面上距離公法線r的點為M1、M2，點M1、M2與公切面距離為Z1、Z2，建立鋼絲繩與圓柱構(gòu)件間的接觸模型，如圖4所示。

圖4 鋼絲繩與圓柱體接觸模型Fig.4 Contact model between wire rope and cylinder

由于運輸機運行過程中鋼絲繩承受軸向拉力過程中復(fù)雜的力學(xué)特性，僅依靠理論分析難以得出鋼絲繩斷絲規(guī)律，因此將建立鋼絲繩損傷模擬試驗平臺,并驗證其可靠性。

2 損傷模擬試驗平臺

2.1 自動往返試驗平臺搭建

運輸機各部件與鋼絲繩接觸的部件主要包括滑輪、約束輪、托輥和卷筒等，影響鋼絲繩損傷的運行參數(shù)包括張緊力和運行速度。為此，結(jié)合上述仿真結(jié)果設(shè)計一套鋼絲繩自動往返試驗平臺，圖5為鋼絲繩-滑輪架損傷試驗裝置，由卷揚機、鋼絲繩自動張緊裝置、線性導(dǎo)軌、滑輪組支架、試驗臺支撐架及限位裝置等構(gòu)成，用于模擬鋼絲繩與滑輪的循環(huán)接觸，滑輪架由7個滑輪及滑輪固定架構(gòu)成。圖6為鋼絲繩-約束輪架損傷試驗裝置，由卷揚機、鋼絲繩自動張緊裝置、線性導(dǎo)軌、約束輪組支架、試驗臺支撐架及限位裝置等構(gòu)成，用于模擬鋼絲繩與約束輪的循環(huán)接觸；試驗臺支撐架與地面通過膨脹螺絲緊固。

圖5 鋼絲繩-滑輪組支架損傷試驗裝置Fig.5 Damage test device between wire rope and pulley group bracket 1.三相異步交流電動機 2.直流電機 3.張緊器 4.卷揚機支架 5.滾珠絲桿 6.電磁制動器 7.減速箱 8.卷筒 9.試驗臺支架 10、15、18、22.鋼絲繩 11.接近開關(guān) 12、19、20、23.滑輪 13.推拉力計傳感器 14.鋼絲繩支撐柱 16.線性導(dǎo)軌 17.導(dǎo)軌支座 21.滑輪組支架 24.磁鐵 25.膨脹螺絲

圖6 鋼絲繩-約束輪組支架損傷試驗裝置Fig.6 Damage test device between wire rope and constraint wheel group bracket1.三相異步交流電動機 2.直流電機 3、19、20、27.鋼絲繩 4.張緊器 5.鋼絲繩支撐柱 6.卷揚機支架 7.滾珠絲桿 8.推拉力計傳感器 9.電磁制動器 10.減速箱 11.卷筒 12.導(dǎo)軌支座 13.試驗臺支架 14.第一約束輪 15.第二約束輪位 16.第三約束輪位 17.第四約束輪位 18.第五約束輪位 21、26.約束輪 22.約束輪固定座 23.滑輪組支架 24.線性導(dǎo)軌 25.膨脹螺絲 27.鋼絲繩 28、29.滑輪 30.接近開關(guān) 31.圓形磁鐵

安裝時，鋼絲繩從卷筒的下方繞出，經(jīng)滑輪組或約束輪組后從卷筒上方繞進，鋼絲繩通過張緊裝置實現(xiàn)有效張緊。卷筒轉(zhuǎn)動時，鋼絲繩與卷筒、滑輪組及約束輪組緊密接觸運行，當(dāng)鋼絲繩繞卷長度達(dá)到設(shè)定距離時，試驗平臺停止設(shè)定時間后，立即開始反向卷繞，如此往復(fù)卷繞運行，直到達(dá)到設(shè)定的往返次數(shù)，電動機自動停止。

試驗臺基本參數(shù)如表1所示。試驗臺鋼絲繩繞卷過程中，驅(qū)動力由三相交流電動機提供，模擬負(fù)載由鋼絲繩自動張緊裝置提供。鋼絲繩與滑輪或約束輪支架纏繞后，鋼絲繩兩斷口通過鋼絲繩扣鎖緊；自動張緊裝置可將鋼絲繩張緊力調(diào)節(jié)至待設(shè)值；控制系統(tǒng)中的限位功能，可將試驗所需有效段鋼絲繩設(shè)定在指定區(qū)域。

表1 鋼絲繩損傷行為試驗平臺基本參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of wire rope damage behavior test platform

2.2 基于PLC的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

PLC使用集中采樣、集中輸出的方式運行，可減少外界的干擾對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，且模塊簡單，運行速度較快。在添加各種模塊后，可編程邏輯控制器完全適用于本試驗所需求。本文在前期研究的基礎(chǔ)上，改進和增加部分模塊，設(shè)計適合本次試驗的PLC系統(tǒng)[27-31]。

將控制系統(tǒng)設(shè)計為主控、輸入控制、信號輸入、輸出控制、警示以及顯示6個模塊。主控模塊以PLC為主控制器，執(zhí)行控制命令的接收及輸出等任務(wù)。輸入控制模塊包括手動控制、遙控、限位設(shè)置及安全保護裝置，分別執(zhí)行控制命令輸入、有效段鋼絲繩首尾端限位設(shè)定、故障保護等功能。信號輸入模塊包括接近開關(guān)等，實現(xiàn)卷筒或滑輪轉(zhuǎn)動角位移信號輸入。輸出控制模塊包括變頻器、交流接觸器及電動機3部分，實現(xiàn)電動機正、反轉(zhuǎn)、停止以及調(diào)速等功能。警示模塊包括警報燈及蜂鳴器，當(dāng)出現(xiàn)過壓、欠壓以及電流超出額度電流一定范圍等異常情況，警報燈立即工作，提示操作者系統(tǒng)出現(xiàn)異常。顯示模塊以觸摸顯示屏為主，執(zhí)行電機啟停和變頻器頻率調(diào)節(jié)，上下限位置和往返次數(shù)設(shè)置，當(dāng)前運行參數(shù)顯示等功能。PLC控制電路接線如圖7所示，控制系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖7 試驗臺PLC控制電路接線圖Fig.7 Control circuit wiring diagram of PLC test platform1.上行按鈕 2.停止按鈕 3.下行按鈕 4.遙控上行 5.遙控停止 6.遙控下行 7.相序保護 8.電機過載保護 9.位置校正開關(guān) 10.下限置位按鈕 11.上限置位按鈕 12.電機上行按鈕 13.電機下行按鈕 14.剎車線圈按鈕 15.警示燈 16.蜂鳴器 17.接近開關(guān)

圖8 試驗臺控制系統(tǒng)原理圖Fig.8 Control system principle diagram of test platform

2.2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計

選用臺達(dá)DVP-ES2型控制系統(tǒng)PLC，16個輸入點，8個輸出點；選用臺達(dá)DOP-B07S411系列觸摸屏，支持自動通訊偵測，高速DVP Q-LINK通信協(xié)議。選用臺達(dá)VFD-M型變頻器，功率為5 kW，與PLC通信采用RS485協(xié)議。選用歐姆龍E2E-X10ME1型接近開關(guān)讀取轉(zhuǎn)動脈沖，有效檢測距離為10 mm以內(nèi)，工作溫度-20～60℃，在本試驗臺中采集部位為鋼絲繩有效段首末端停止位置對應(yīng)的滑輪角位移信號，以數(shù)字信號傳輸至PLC，PLC據(jù)首末端位置對應(yīng)數(shù)字信號，比較鋼絲繩有效段在運行時接近開關(guān)實時采集的角位移信號，實現(xiàn)鋼絲繩有效段始終在設(shè)定的范圍內(nèi)運行，到達(dá)自動定位停止目的，試驗臺硬件控制流程如圖9所示。

圖9 試驗臺硬件控制流程圖Fig.9 Hardware control flow chart of test platform

鋼絲繩線速度是試驗平臺的關(guān)鍵運行參數(shù)，試驗平臺鋼絲繩的線速度通過安裝在滑輪軸上的接近開關(guān)及相應(yīng)PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)，接近開關(guān)安裝如圖10所示，接近開關(guān)將轉(zhuǎn)動的脈沖信號送入PLC，鋼絲繩線速度計算式為

圖10 試驗臺接近開關(guān)安裝現(xiàn)場圖Fig.10 Proximity switch installation site of test platform

v1=πDn/t1

(7)

第n次采集線速度下鋼絲繩總行程為

Sn=NπD

(8)

式中v1——鋼絲繩線速度，m/s

D——滑輪直徑，m

n——運行時間內(nèi)的脈沖數(shù)

t1——運行時間，s

N——脈沖總數(shù)

遙控接收裝置控制電路如圖11a所示，主要由PT2272(普城公司，中國臺灣)無線接收模塊、繼電器以及二極管、三極管等元件組成。當(dāng)PT2272模塊接收到控制信號，給三極管8050一高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈吸合，控制端口導(dǎo)通，以開關(guān)量信號給PLC發(fā)送控制命令。遙控發(fā)射裝置電路圖如圖11b所示，由PT2262(普城公司，中國臺灣)無線發(fā)射模塊以及按鍵組成，當(dāng)上行、下行、停止對應(yīng)的按鍵被觸發(fā)時，PT2262無線發(fā)射模塊根據(jù)對應(yīng)的觸發(fā)信號給PT2272模塊發(fā)射控制指令。實際應(yīng)用時，PT2262/PT2272的載波頻率為315 MHz，工作電壓為5 V，調(diào)制方式為ASK，通過焊接地址編碼引腳使兩個模塊具有相同的地址碼。

圖11 遙控接收及發(fā)射裝置控制電路圖Fig.11 Remote control receiving and transmitting circuit diagrams

控制系統(tǒng)輸入電壓為220 V，在遙控接收裝置內(nèi)部需加入電源轉(zhuǎn)換電路，將交流220 V的電壓轉(zhuǎn)換為直流5 V電壓，通過降壓變壓器T1降壓，然后經(jīng)過整流以及濾波電路，將交流變成直流，最后通過LM2596芯片將電壓穩(wěn)壓為5 V，電源轉(zhuǎn)換電路如圖12所示。

圖12 遙控電源轉(zhuǎn)換電路圖Fig.12 Remote power conversion circuit diagram

2.2.2軟件設(shè)計

數(shù)字量信號輸出部分為變頻器通信端口D+、D-以及對應(yīng)控制輸出的端口等?？刂葡到y(tǒng)軟件程序在WPL Soft 2.30中編寫，主控制流程如圖13所示。系統(tǒng)啟動初始化后，PLC首先判斷是否成功接收控制信號，若有，變頻器及電動機進入啟用模式；電動機運行時，PLC實時比較接近開關(guān)脈沖信號與設(shè)置信號，若輸入脈沖數(shù)介于上、下限位置脈沖數(shù)之間，變頻器和電動機繼續(xù)運行；若輸入脈沖數(shù)與下限位置脈沖數(shù)相等，變頻器及電動機停止，停止預(yù)設(shè)時間后，變頻器重新啟動，電動機反轉(zhuǎn)運行；若輸入脈沖數(shù)等于上限位置脈沖數(shù)，變頻器及電動機停止運行，計數(shù)器加1；若計數(shù)器所計的實時數(shù)值小于設(shè)置往返次數(shù)，變頻器啟動，電動機反轉(zhuǎn)運行；若計數(shù)器所計實時數(shù)值等于設(shè)置往返次數(shù)，則程序運行結(jié)束并停機。

圖13 試驗臺控制系統(tǒng)主程序流程圖Fig.13 Main control system flow chart of test platform

3 張緊力自動調(diào)節(jié)裝置設(shè)計與試驗

3.1 張緊力自動調(diào)節(jié)裝置設(shè)計

鋼絲繩具有較大的彈塑性，使用過程中長度實時變化，若僅依靠張緊器無法實時將鋼繩的張緊力維持在試驗所需張緊力水平，需在張緊器粗調(diào)基礎(chǔ)上進行精確自動調(diào)節(jié)，為此設(shè)計鋼絲繩張緊力自動調(diào)節(jié)控制裝置。

張緊力自動調(diào)節(jié)控制裝置由直流電機、線性導(dǎo)軌、滾珠絲桿和數(shù)顯推拉力計組成。鋼絲繩張緊力自動調(diào)節(jié)機構(gòu)控制單元采用24 V直流電源進行供電，控制單元采用STC89C52單片機，實時采集數(shù)顯推拉力計輸出的拉力信號通過RS232串口輸入至微控制器。微控制器經(jīng)運算，輸出PWM控制信號至光電耦合器。光電耦合器控制H橋電路正反向?qū)ǎ_(dá)到控制直流電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向目的。直流電機旋轉(zhuǎn)帶動滾珠螺桿旋轉(zhuǎn)，進而拖動卷揚機沿滾珠絲桿軸向移動，實現(xiàn)鋼繩張緊力調(diào)節(jié)。鋼繩張緊力自動調(diào)節(jié)裝置如圖14所示。

圖14 鋼繩張緊力自動調(diào)節(jié)裝置示意圖Fig.14 Sketch of wire rope tension automatic adjustment device1.LCD1602 2.光耦模塊 3.驅(qū)動模塊 4.串口模塊 5.STC89C52單片機 6.獨立按鍵

工作時，推拉力計與控制系統(tǒng)通過RS232串口進行通信，當(dāng)串口接收到數(shù)據(jù)后，進入中斷。在中斷服務(wù)程序中，將握手信號序列與接收數(shù)據(jù)序列進行比較。若序列相同，則計算拉力并存儲；若序列不相同，則退出中斷，繼續(xù)等待下一次數(shù)據(jù)。

3.2 拉力傳感器標(biāo)定試驗

首先對推拉力計進行動態(tài)標(biāo)定試驗，將傳感器與懸垂放置水桶連接，試驗前水桶為空載，然后向桶內(nèi)倒入定量水，待傳感器數(shù)值穩(wěn)定后讀取拉力，累計倒入14次，記錄每次注水質(zhì)量與拉力傳感器的拉力。

將記錄的數(shù)值繪制推拉力計的動態(tài)標(biāo)定方程，由圖15可知，推拉力計的拉力輸出值與注水質(zhì)量呈線性關(guān)系，可滿足試驗臺采集鋼繩張緊力的實時運行變化需求。

圖15 推拉力計動態(tài)標(biāo)定曲線Fig.15 Push pull meter dynamic calibration curve

3.3 張緊力自動調(diào)節(jié)性能測試試驗

將鋼繩張力目標(biāo)值設(shè)為2 000 N，運行距離設(shè)為4.5 m，通過改變鋼繩運行速度，測試鋼繩在有無自動張緊系統(tǒng)下張力的實時變化情況，依次設(shè)置電機的工作頻率為30、40、50 Hz。鋼繩張緊力的變化情況如圖16所示，鋼繩有比例控制條件的實時張緊力基本控制在1 900～2 100 N范圍，且變化趨勢趨于直線，顯然有比例控制較無控制系統(tǒng)更優(yōu)。

圖16 鋼繩在有無比例控制下張緊力波動變化曲線Fig.16 Tension fluctuation curves of wire rope under no control and proportional control

張緊力控制偏差隨時間的變化曲線如圖17所示。由圖17可知，系統(tǒng)的最大跟蹤誤差為276 N，平均誤差為40.073 N；鋼繩往返運行時，其張緊力存在明顯的周期性控制偏差振蕩，且主要發(fā)生在周期轉(zhuǎn)換瞬間。多次試驗得到目標(biāo)控制浮動范圍-130～85 N，可滿足試驗需求。

圖17 鋼繩張緊力控制偏差跟蹤結(jié)果Fig.17 Tension force control deviation tracking results of wire rope

4 鋼絲繩檢測可靠性試驗

4.1 鋼絲繩無損探傷儀

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5972—2009《起重機 鋼絲繩 保養(yǎng)、維護、安裝、檢驗和報廢》，鋼絲繩損傷包括以下方面：局部損傷，即鋼絲繩中鋼絲不連續(xù)，如斷絲、鋼絲蝕坑、深度磨損等；金屬橫截面積缺失，即鋼絲繩在軸向較長范圍內(nèi)有效金屬截面積的緩慢減少，如磨損、長時間銹蝕、繩徑縮短等，特點是鋼絲繩金屬截面積在較長范圍內(nèi)普遍減少。

果園雙軌運輸機試驗示范應(yīng)用效果表明，斷絲、磨損、銹蝕與腐蝕是鋼絲繩損傷的主要表現(xiàn)形式，其中斷絲最明顯。傳統(tǒng)的鋼絲繩損傷檢測是依靠人工目視檢測，由專職檢測人員定期對服役鋼絲繩通過手摸或肉眼尋找斷絲，該方式只能發(fā)現(xiàn)鋼絲繩表層鋼絲的斷絲或較嚴(yán)重的磨損，對于內(nèi)部損傷則只能通過解剖的方式進行觀測，受人為因素影響較大，報告可信度低。鋼絲繩無損檢測是目前用于檢測鋼絲繩損傷的主要方式，克服了人為檢測誤差，且無需解剖鋼絲繩即可對鋼絲繩的內(nèi)外鋼絲的損傷情況進行判斷[32-35]。經(jīng)過綜合對比，選用測定漏磁法作為本試驗鋼絲繩無損檢測方式。

選用上海且華虛擬儀器有限公司生產(chǎn)的MTC鋼絲繩探傷儀作為試驗臺鋼絲繩損傷無損檢測設(shè)備，其硬件部分應(yīng)用MTC磁傳感器與自主研發(fā)的采集模塊，通過R232總線驅(qū)動，可將檢測數(shù)據(jù)存儲至計算機；軟件部分是基于小波變換原理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示與存儲，連續(xù)動態(tài)檢測并輸出檢測結(jié)果和發(fā)出斷絲報警信號等功能。MTC鋼絲繩探傷儀實物及探傷原理如圖18、19所示。

圖18 MTC鋼絲繩探傷儀Fig.18 MTC wire rope flaw detector

圖19 MTC鋼絲繩探傷儀檢測原理Fig.19 Detection principle of MTC wire rope flaw detector

鋼絲繩快速通過傳感器，傳感器中的永久磁快速且深度磁化鋼絲繩至飽和狀態(tài)。斷絲、磨損等缺陷使鋼絲繩產(chǎn)生漏磁場和磁通變化，向空間擴散的磁信號經(jīng)聚磁環(huán)集聚后，由陣列廣角霍爾元件組轉(zhuǎn)換成電壓變化值，通過AD接口，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號壓縮后輸入計算機，判斷有無斷絲?；谌S數(shù)學(xué)模型的軟件實時解壓處理，以明確的定量數(shù)值顯示鋼絲繩內(nèi)外斷絲、銹蝕、磨損、金屬截面積變化，并通過光電編碼器確定相應(yīng)損傷的位置，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)生成鋼絲繩安全性和使用壽命的診斷評估報告。

根據(jù)測量條件設(shè)置第一和第二門限。第一門限指獲取局部損傷引起信號異常的定性閾值，是檢測鋼絲繩損傷的關(guān)鍵參數(shù)，數(shù)值應(yīng)設(shè)置略小于單根鋼絲漏磁信號的輸出值，將第一門限設(shè)置為VPP兩峰值中較小值的85%左右，經(jīng)前期試驗將第一門限值設(shè)置為21；第二門限是判定局部缺陷程度的定量設(shè)定閾值，系統(tǒng)將根據(jù)該閾值量化缺陷，如斷絲值完全取決于該閾值。第二門限值取為第一門限值的80%左右為宜，經(jīng)過前期試驗將第二門限值設(shè)置為16。

截面基準(zhǔn)值為新鋼絲繩截面積實際值，經(jīng)重復(fù)測試取平均值，將該值設(shè)為14 896。截面靈敏度為橫梁傳感器的性能參數(shù)，需要人為經(jīng)過多次重復(fù)試驗獲取，使檢測信號最穩(wěn)定，經(jīng)測試設(shè)為10。波形放大率用于評估局部缺陷時，放大或縮小檢測信號波形的幅度比例，對真實數(shù)據(jù)分析無影響，該值為實數(shù)值，可任意輸入，越大表示波形幅度越大，反之則越小。

4.2 斷絲可靠性檢測試驗

截取3段長度為1.5 m、直徑為8 mm鋼絲繩，用尖嘴鉗和剪刀制造斷絲，斷絲數(shù)依次為10、20、30根，模擬鋼絲繩的斷絲狀況，并記錄斷絲的實際位置和斷絲位置的斷絲數(shù)；用MTC探傷儀依次檢測試驗繩，每組試驗進行10次檢測，獲取探傷儀斷絲測試值與實際誤差。試驗結(jié)果表明每根試驗繩10次重復(fù)試驗檢測的斷絲數(shù)與實際值一樣，證明MTC探傷儀對鋼絲繩斷絲損傷檢測的數(shù)據(jù)可靠，且具備良好的重復(fù)性。3組重復(fù)驗證試驗結(jié)果如表2所示。

表2 驗證試驗斷絲位置Tab.2 Broken root wires repeated test result

斷絲波形圖如圖20所示，波形出現(xiàn)紅點代表該處有斷絲，紅點處波形幅度代表斷絲數(shù)量，幅度越大表示斷絲數(shù)量越多。

圖20 鋼絲繩斷絲驗證試驗波形圖Fig.20 Verification test waveforms of broken wires

4.3 磨損可靠性檢測試驗

截取1條長度為1.5 m、直徑為8 mm鋼絲繩，用角磨機在中部區(qū)域制造1處磨損，模擬鋼絲繩的磨損狀況，最后將試驗繩依次通過MTC探傷儀，試驗重復(fù)10次，獲取探傷儀磨損量。

10組重復(fù)驗證試驗的最大磨損結(jié)果如圖21所示。由圖可知，10次重復(fù)試驗?zāi)p量檢測值與平均值相比，每次檢測的偏差均較大，且偏差不穩(wěn)定。

圖21 鋼絲繩磨損驗證試驗結(jié)果Fig.21 Wear testing results of wire rope

5 結(jié)論

(1)對山地果園運輸機用鋼絲繩結(jié)構(gòu)和運行時的受力進行分析，建立了鋼絲繩的動力學(xué)模型和接觸力學(xué)模型，由于鋼絲繩受力復(fù)雜，僅依靠理論分析不能很好地解釋鋼絲繩的損傷機理。

(2)搭建了一套山地果園運輸機用鋼絲繩損傷行為模擬試驗平臺，有效實現(xiàn)了鋼絲繩自動往返，以及運行時間、運行速度、運行距離、往返次數(shù)等參數(shù)的實時監(jiān)控，滑輪組架用于模擬鋼絲繩與滑輪接觸，約束輪組架用于模擬鋼絲繩與約束輪接觸。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了平臺變頻調(diào)速與無線遙控系統(tǒng)，進行了硬件及控制系統(tǒng)設(shè)計。

(3)建立了張緊力自動調(diào)節(jié)裝置，該裝置可對作用在鋼絲繩上的張緊力精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。進行了拉力傳感器標(biāo)定及性能測試試驗，拉力計得到的拉力輸出值與注水質(zhì)量呈線性關(guān)系，有比例控制可以將拉力限定在更小的范圍，且偏差在-130～85 N之間，結(jié)果表明設(shè)計的張緊力自動調(diào)節(jié)裝置滿足試驗需求。

(4)基于已完成的模擬試驗平臺，搭建了一套基于漏磁法的MTC鋼繩斷絲檢測平臺，并進行了斷絲檢測試驗。在斷絲數(shù)分別為10、20、30根的情況下，試驗繩10次重復(fù)試驗檢測的斷絲數(shù)與實際值相同，驗證試驗表明，檢測平臺可準(zhǔn)確檢測鋼絲繩斷絲數(shù)及斷絲精確位置。但在磨損可靠性試驗中，檢測的磨損量與實際值偏差較大。