＊李 磊

（南通市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 江蘇 226011）

對(duì)于鋼絲繩安全評(píng)測(cè)來(lái)說無(wú)損檢測(cè)作為重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是在鋼絲繩內(nèi)、外部損傷探測(cè)的重要手段，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋼絲繩維護(hù)和管理提出明確要求。比如由新西蘭提出的客運(yùn)索道應(yīng)用規(guī)范，我國(guó)提出的架空索道用鋼絲繩檢驗(yàn)及報(bào)廢規(guī)范，可以說鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)目前已經(jīng)成為旅游、礦產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域中的重要構(gòu)成。在目前鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)方法中，磁性無(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)用較廣，該方法是通過粒子系統(tǒng)能夠針對(duì)鋼絲繩進(jìn)行勵(lì)磁，使其磁化飽和之后測(cè)量鋼絲繩缺陷導(dǎo)致磁場(chǎng)變化情況，基于此來(lái)判斷鋼絲繩的缺陷程度及性質(zhì)、位置等。本研究從鋼絲繩檢測(cè)實(shí)際情況出發(fā)，并以鋼絲繩金屬截面積損失為例，分析鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)儀器檢測(cè)結(jié)果以及狀態(tài)評(píng)價(jià)。

1.鋼絲繩缺陷描述

圖1為典型鋼絲繩的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1

其是由繩芯、繩股、鋼絲層共同構(gòu)成的，其中繩芯能夠起到儲(chǔ)存油，潤(rùn)滑和支撐作用，包括天然纖維芯、金屬芯、合成纖維芯等，繩股是鋼絲繩構(gòu)成的重要構(gòu)成結(jié)構(gòu)，其涉及三角股、圓股、橢圓股等形式，是鋼絲繩的重要承載結(jié)構(gòu)。鋼絲繩本身的結(jié)構(gòu)對(duì)于電磁檢測(cè)產(chǎn)生的影響體現(xiàn)于磁化作用，由于鋼絲繩結(jié)構(gòu)不同，即金屬填充系數(shù)不同，因此在磁化過程中對(duì)于勵(lì)磁磁化能力的要求也會(huì)不同。通常8股高于6股繩，三角股繩一般高于圓股繩，金屬芯繩一般高于非金屬芯繩。從其結(jié)構(gòu)上來(lái)看，對(duì)于電磁檢測(cè)產(chǎn)生的影響體現(xiàn)于信號(hào)復(fù)雜度上，比如對(duì)于交互捻的繩來(lái)說，鋼絲在繩股旋向和繩股在鋼絲繩整體旋向不同，在檢測(cè)過程中斷絲形成的漏磁場(chǎng)較強(qiáng)，檢測(cè)信噪比高，同向捻的繩來(lái)說，鋼絲在繩股旋向以及繩股在鋼絲繩整體旋向會(huì)形成一定夾角，因此在檢測(cè)時(shí)斷絲形成的漏磁場(chǎng)較弱產(chǎn)生，信噪比低，部分鋼絲繩存在不同直徑配絲，漏磁信號(hào)強(qiáng)度相比普通絲來(lái)說會(huì)更低，并且會(huì)增加斷絲量化和識(shí)別難度。對(duì)于鋼絲繩來(lái)說，由于結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的缺陷，數(shù)量類型也會(huì)存在差異，因此檢測(cè)難度也不同，比如對(duì)于面接觸鋼絲繩來(lái)說一般為連續(xù)面磨損，對(duì)于線接觸鋼絲繩來(lái)說一般為連續(xù)線磨損，對(duì)于點(diǎn)接觸方式上來(lái)說一般為不連續(xù)點(diǎn)磨損。此外，對(duì)于鋼絲繩結(jié)構(gòu)來(lái)說，在檢測(cè)目標(biāo)上對(duì)電磁檢測(cè)產(chǎn)生的影響也會(huì)在差異，比如金屬芯鋼絲繩斷絲可發(fā)生于內(nèi)部或外部，而對(duì)于纖維繩芯鋼絲繩來(lái)說斷絲主要為外部，單層股鋼絲繩斷絲在外部，而多層股鋼絲繩斷絲在內(nèi)部，點(diǎn)接觸鋼絲繩存在較多斷絲，面接觸鋼絲繩磨損較多。對(duì)于電磁檢測(cè)法來(lái)說，鋼絲繩存在兩種類型，缺陷包括IF缺陷以及IMA缺陷，其中l(wèi)F缺陷表現(xiàn)為斷絲，包括銹蝕、斷絲、磨損、過載、疲勞短絲等。IF缺陷利用電磁檢測(cè)是表現(xiàn)為突變漏磁場(chǎng)，一般漏磁場(chǎng)的強(qiáng)弱是與鋼絲繩缺陷尺寸，分布性質(zhì)具有一定聯(lián)系的，檢測(cè)難度通常是與鋼絲繩缺陷形式和數(shù)量具有一定聯(lián)系。對(duì)于IMA缺陷來(lái)說體現(xiàn)于較大缺陷影響區(qū)，一般位于軸向方向，尺寸長(zhǎng)，相對(duì)來(lái)說IMA鋼絲繩缺陷檢測(cè)較為容易，但其軸向定位精度和分辨率較低。

2.鋼絲繩狀態(tài)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)

(1)失效模型

對(duì)于鋼絲繩破壞原因來(lái)說可采取分為三種，包括磨損、腐蝕和疲勞，通常鋼絲繩失效一般是多種因素共同作用導(dǎo)致的，鋼絲繩失效除突發(fā)意外之外，一般表現(xiàn)為直徑縮小、斷絲或斷股，會(huì)降低鋼絲繩強(qiáng)度，使其達(dá)到強(qiáng)度極限值，而導(dǎo)致鋼絲繩破壞。通常鋼絲繩懸掛之后再使用一段時(shí)間，由于捻制結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)致鋼絲繩結(jié)構(gòu)緊密，鋼絲繩載荷分布均勻受力，鋼絲彼此的應(yīng)力抵消會(huì)從一定程度上使鋼絲繩破斷拉力增加，之后鋼絲繩強(qiáng)度受到損失會(huì)使鋼絲繩破斷拉力強(qiáng)度降低，達(dá)到一定程度之后會(huì)突然斷裂。結(jié)合鋼絲繩實(shí)際情況，如圖2所示為鋼絲繩失效模型示意圖。

圖2

圖2中縱坐標(biāo)分別為鋼絲繩強(qiáng)度和鋼絲繩截面積，可采用100作為鋼絲繩強(qiáng)度和截面積基準(zhǔn)，用于表示在使用鋼絲繩整個(gè)過程的具體變化。在使用鋼絲繩時(shí)結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)，繩失效表明在選擇鋼絲繩時(shí)傾向于選擇系數(shù)法，需考慮鋼絲繩抗彎曲，疲勞強(qiáng)度，抗沖擊載荷強(qiáng)度等相關(guān)因素的影響。進(jìn)一步分析鋼絲繩破壞主要由于其抗拉強(qiáng)度，隨使用周期增加，使其抗拉強(qiáng)度降低，在使用鋼絲繩時(shí)其強(qiáng)度可表示鋼絲繩整繩破斷拉力。結(jié)合鋼絲繩強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，如下公式所示為鋼絲繩的整繩破斷拉力。

式（1）中，鋼絲繩所有鋼絲破斷拉力和為Sa，也被稱為是集中破斷拉力，鋼絲繩系數(shù)為K，K值與鋼絲繩結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑和受力情況具有一定聯(lián)系。

對(duì)于鋼絲繩鋼絲之間接觸應(yīng)力能夠根據(jù)赫茲公式分析，對(duì)于鋼絲繩在未承受載荷作用力之前，如圖3所示為鋼絲間接觸關(guān)系。

其接觸面積為0。在鋼絲受到壓力后接觸部位會(huì)出現(xiàn)變形如圖3b所示，接觸線為矩形，接觸面接觸點(diǎn)為橢圓形，接觸面接觸面各點(diǎn)對(duì)應(yīng)變形量會(huì)按照規(guī)律產(chǎn)生接觸應(yīng)力。結(jié)合彈性力學(xué)研究表明，如果鋼絲無(wú)磨損，這種情況下兩鋼絲間接觸應(yīng)力增加應(yīng)力軸向分力反作用于鋼絲繩軸向拉力中，最終鋼絲繩整繩破斷拉力低于鋼絲所有的破斷拉力總和，在鋼絲上出現(xiàn)磨損時(shí)，接觸面積增加，接觸應(yīng)力減小，接觸應(yīng)力的減小從一定程度上能夠彌補(bǔ)鋼絲繩磨損減小強(qiáng)度。根據(jù)公式，在整個(gè)鋼絲繩有效使用過程中鋼絲繩整繩破斷拉力變化較小，但在后期使用過程中，由于赫茲應(yīng)力減小為0，并且鋼絲繩系數(shù)為固定值，鋼絲磨損減小強(qiáng)度逐漸減小，減小接觸應(yīng)力無(wú)法抵消所增加的強(qiáng)度損失，會(huì)使鋼絲繩失效，由于鋼絲繩拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力具有復(fù)雜性，無(wú)法估計(jì)其對(duì)于鋼絲繩強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，因此無(wú)法利用無(wú)損檢測(cè)法來(lái)判斷鋼絲繩整繩破斷拉力。結(jié)合上述研究，鋼絲繩破斷強(qiáng)度無(wú)法表示其使用安全性，因此需驗(yàn)證鋼絲繩的安全性能。

圖3

(2)強(qiáng)度損失指標(biāo)評(píng)價(jià)

假如P為鋼絲繩的承載載荷，P能夠在最大值范圍內(nèi)進(jìn)行變化，鋼絲繩整繩破斷拉力為Sb，在Dbmin范圍內(nèi)如式（2）所示。

這種情況下表明鋼絲繩能夠?qū)崿F(xiàn)安全使用。結(jié)合上述研究，如果鋼絲繩為新繩，這種情況下鋼絲繩潤(rùn)滑較好且未受損，因此k值最小，假設(shè)新鋼絲繩整繩破斷拉力為Sbnew，其中破斷拉力為Sanew，那么鋼絲繩整繩的破斷拉力損失如式（3）所示。

鋼絲繩最大破斷拉力損失是鋼絲繩強(qiáng)度的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其與鋼絲繩破斷拉力有一定差別，在鋼絲繩使用時(shí)需要定期從鋼絲繩中截取一段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于操作方便性及可能性，因此研究學(xué)者所截取的鋼絲繩無(wú)法確保其為鋼絲繩的脆弱段，利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行鋼絲繩強(qiáng)度判斷是比較危險(xiǎn)的，根據(jù)公式雖然能夠基于鋼絲繩破斷拉力角度出發(fā)，以判斷其使用情況，但只有求出多次檢測(cè)鋼絲繩強(qiáng)度損失最大數(shù)值，才能夠評(píng)價(jià)鋼絲繩狀態(tài)。結(jié)合上述公式，鋼絲繩最大強(qiáng)度損失主要是由于鋼絲繩鋼絲破斷拉力的整體損失，從檢測(cè)方面上來(lái)看，該公式能夠排除無(wú)法測(cè)量的數(shù)值及鋼絲繩系數(shù)，如果能夠掌握鋼絲繩每根鋼絲破斷拉力，則可獲取鋼絲繩狀態(tài)。結(jié)合相關(guān)指標(biāo)，利用有效檢測(cè)儀器了解截面鋼絲繩鋼絲損傷情況，以及被檢測(cè)鋼絲全程損傷處分布情況，結(jié)合集中程度，能夠判斷鋼絲繩全長(zhǎng)最弱位置，有效截面積和強(qiáng)度降低量。

3.無(wú)損檢測(cè)中鋼絲繩狀態(tài)評(píng)價(jià)分析

如圖4所示為利用漏磁法進(jìn)行鋼絲繩斷絲檢測(cè)的原理。

圖4

整個(gè)勵(lì)磁回路是由空氣隙、磁鋼、銜體、鋼絲繩共同構(gòu)成的，磁鋼能夠?yàn)閯?lì)磁回路提供磁化能量，進(jìn)而使鋼絲繩去飽和磁化作為鐵磁性物質(zhì)，鋼絲繩斷絲能夠使部分磁阻發(fā)生明顯變化，并且在附近空氣中形成了勵(lì)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)元件可捕獲漏磁場(chǎng)進(jìn)行分析，進(jìn)而掌握鋼絲繩斷絲情況。如圖5所示為密封鋼絲繩斷絲檢測(cè)探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5

利用永磁磁化的方式作為傳感器漏磁場(chǎng)，可通過或器件進(jìn)行測(cè)量，無(wú)損檢測(cè)儀器斷絲檢測(cè)精度是與鋼絲繩磁化斷絲和結(jié)構(gòu)具有一定聯(lián)系的，由于鋼絲繩結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，并且電磁場(chǎng)具備非線性，因此斷磁檢測(cè)難度是比較大的。研究學(xué)者利用模糊數(shù)學(xué)小波分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種方法進(jìn)行斷絲量化識(shí)別并獲得一定成果，然而對(duì)于鋼絲繩斷絲量化檢測(cè)精度仍會(huì)受到一定程度的限制。通過研究發(fā)現(xiàn)，影響鋼絲繩斷絲量化精確度的因素包括信號(hào)處理能力，磁場(chǎng)測(cè)量方法，磁化能力和信號(hào)識(shí)別算法。斷絲形成的磁場(chǎng)包括鋼絲內(nèi)部磁場(chǎng)和鋼絲外部漏磁場(chǎng)。目前可利用數(shù)值法表示公式內(nèi)部磁場(chǎng)研究，該方法能夠模擬多種實(shí)驗(yàn)條件，修改參數(shù)，以制作各種類型的缺陷，基于有限元分析法，利用有限元分析軟件，并仿真鋼絲內(nèi)外部磁場(chǎng)利用數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，即matlab軟件進(jìn)行分析。

(1)斷絲檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鋼絲磨損以及無(wú)銹蝕均會(huì)使鋼絲繩抗拉強(qiáng)度不降低，根據(jù)多個(gè)研究結(jié)果表明，新鋼絲繩與舊鋼絲繩破斷力基本無(wú)明顯變化，主要由于多種因素存在或個(gè)別鋼絲存在疲勞裂紋會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩破斷力有一定程度較低，這種情況下鋼絲拉斷力降低，只能控制在5%的范圍內(nèi)。由于鋼絲繩抗拉強(qiáng)度降低量較少，因此集中破斷力降低是由于鋼絲導(dǎo)致鋼絲繩有效截面積減小，因此有效金屬面積減少程度會(huì)使集中破斷力也相應(yīng)減少，而事實(shí)上鋼絲繩斷絲并不會(huì)在同一截面中形成。結(jié)合鋼絲繩捻制斷絲情況可判斷鋼絲繩強(qiáng)度損失情況，如果能夠忽略鋼絲抗拉強(qiáng)度的變化，可用下列公式來(lái)表示新鋼絲繩與具備斷絲的鋼絲繩強(qiáng)度損失情況。

式中，金屬截面積損失系數(shù)用f%進(jìn)行，表示即捻距內(nèi)鋼絲斷絲面積占所有鋼絲斷面積的比例。

(2)磨損檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

對(duì)于鋼絲繩來(lái)說其磨損包括變形、內(nèi)部和外部磨損這三種類型，典型外部磨損，包括圓周和單周磨損，這種類型的磨損均會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩有效金屬截面積有一定程度減小，對(duì)于變形和內(nèi)部磨損來(lái)說，通常與鋼絲繩銹蝕同時(shí)發(fā)生，并且其對(duì)于鋼絲繩金屬截面積產(chǎn)生的影響較小。利用磁信號(hào)檢測(cè)時(shí)特征不明顯，因此研究學(xué)者提出對(duì)于鋼絲繩內(nèi)部磨損及磨損檢測(cè)以及評(píng)價(jià)難度較高，需根據(jù)其他因素進(jìn)行分析。

結(jié)合鋼絲繩破斷實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，沿著鋼絲圓周磨損的基礎(chǔ)上，如果鋼絲磨損度較小，這種情況下斷面積減小率是與鋼絲繩強(qiáng)度降低率基本一致的，當(dāng)鋼絲繩磨損程度增加之后，鋼絲繩強(qiáng)度降低上升加速，在處于局部磨損的基礎(chǔ)上，鋼絲破斷之后，斷面積減少率是與鋼絲繩強(qiáng)度降低率基本一致的。通過分析磨損對(duì)鋼絲繩強(qiáng)度產(chǎn)生的影響，結(jié)合公式對(duì)于鋼絲繩磨損強(qiáng)度可分為兩個(gè)方面。第一，利用鋼絲繩直徑測(cè)量?jī)x，從多個(gè)方向?qū)︿摻z繩直徑進(jìn)行測(cè)量，如果在不同方向上鋼絲繩直徑變化基本一致，則為圓周磨損，在某兩個(gè)方向上鋼絲繩直徑變化量相差較大，這種情況下可認(rèn)為其屬于單周磨損。如下公式所示為鋼絲繩單周磨損時(shí)鋼絲繩強(qiáng)度損失計(jì)算公式。

式中，單周磨損導(dǎo)致鋼絲繩最大破斷拉力損失為L(zhǎng)BS%max，鋼絲繩集中破斷拉力損失為L(zhǎng)AS%，鋼絲繩截面積損失為L(zhǎng)MA%。而相對(duì)鋼絲繩圓周磨損情況來(lái)說需要綜合考慮。公式（6）為鋼絲繩圓周磨損導(dǎo)致鋼絲繩強(qiáng)度損失計(jì)算公式。

(3)銹蝕檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

通過實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩銹蝕對(duì)于其強(qiáng)度產(chǎn)生影響較大，并且影響程度高于鋼絲繩磨損和斷絲產(chǎn)生的影響，由于當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)需要礦井一般采用線接觸結(jié)構(gòu)或者異形股結(jié)構(gòu)的鋼絲繩，大多數(shù)礦井在換繩過程中斷絲基本一致，由于鋼絲銹蝕對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生影響，相對(duì)鋼絲磨損和斷絲較為嚴(yán)重。目前對(duì)于鋼絲銹蝕未找到合適的方法來(lái)進(jìn)行度量化，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)鋼絲繩發(fā)生輕微銹蝕或點(diǎn)蝕，這種情況下可通過局部截面積損失信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如果鋼絲繩出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，這種情況下可利用截面積損失信號(hào)反應(yīng)，結(jié)合該現(xiàn)象提出綜合截面積損失檢測(cè)信號(hào)以評(píng)價(jià)鋼絲繩狀態(tài)。第一，需要在鋼絲繩中任意選取一段，并對(duì)該段信號(hào)標(biāo)定確定截面積損失信號(hào)極限，如果鋼絲繩出現(xiàn)銹蝕缺陷，這種情況下由于銹蝕不均勻，因此鋼絲繩不同位置磁性能會(huì)發(fā)生變化，能夠利用局部截面積信號(hào)進(jìn)行表示，則表現(xiàn)為突變信號(hào)增加，在股波信號(hào)中所疊加的背景噪聲頻率增加，結(jié)合局部截面積信號(hào)可發(fā)現(xiàn)斷絲根數(shù)較多，由于斷絲信號(hào)實(shí)際狀態(tài)并未表示出斷絲，因此由于鋼絲繩銹蝕缺陷，導(dǎo)致研究學(xué)者誤判為鋼絲繩斷絲，可將其作為當(dāng)量斷絲，利用斷絲定量識(shí)別軟件，可識(shí)別對(duì)應(yīng)的當(dāng)量斷絲面積。第二，鋼絲繩會(huì)使磁化段中鋼絲繩金屬截面積降低，進(jìn)而降低導(dǎo)磁性能，由于鋼絲繩腐蝕具備復(fù)雜性，其對(duì)于鋼絲繩機(jī)械性能產(chǎn)生的影響明顯高于磨損和斷絲影響，因此可通過圓周磨損強(qiáng)度公式來(lái)表示鋼絲繩銹蝕導(dǎo)致的強(qiáng)度損失情況。

4.小結(jié)

無(wú)損檢測(cè)的方法和儀器對(duì)于鋼絲繩使用來(lái)說具有重要意義。對(duì)于無(wú)損檢測(cè)的方法和儀器評(píng)估是十分重要的。本研究深入分析電磁無(wú)損檢測(cè)方法，對(duì)于其缺陷表達(dá)和性能評(píng)估進(jìn)行系統(tǒng)分析研究。除此之外，在該項(xiàng)研究提出了鋼絲繩狀態(tài)評(píng)價(jià)公式，該公式中含有多種經(jīng)驗(yàn)因素，但可通過數(shù)學(xué)公式進(jìn)行推導(dǎo)，該方法能夠?yàn)殇摻z繩維護(hù)人員獲取檢測(cè)結(jié)果，同時(shí)對(duì)于鋼絲繩使用評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。