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物联网-智慧传输-基于磁阻传感器的钢丝绳断丝信号的提取及处理.pdf
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物联网-智慧传输-基于磁阻传感器的钢丝绳断丝信号的提取及处理.pdf
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signal, and the perfect signal of broken ropes is obtained fully with the method of
smoothness processing. At the last, the absolute peak value and peak-peak value of the
processed signal are selected as the input of BP neural network, and are used to recognize
quantitatively the broken wires of wire ropes.
keywords : wire ropes, magnetic testing, magnetoresistive senor, magnetic leakage flux,
finite element method, wavelet transform
1
1
绪
论
1.1
引言
钢丝绳是工程中应用极为广泛的一种挠性构件 由于它具有强度高 自重轻 弹
性好 工作平稳可靠 承受动载和过载能力强以及在高速工作条件下运行和卷绕无噪
音等许多优点 在国民经济各部门得到了广泛应用 例如 煤炭 冶金 石油 动力
机械制造 交通运输 林业 港口等等 近几年来 在建筑 旅游行业中的应用特点
也越来越引人注目 矿井提升设备 货运客运索道 高层建筑用电梯 斜拉桥 悬吊
屋顶 大型船泊的固定 各种起重机械是钢丝绳应用的典型实例
在使用中 钢丝绳往往是设备的关键部件 甚至是命根子 因此 人们总是希望
它安全 可靠 正常地工作 并能充分发挥其功能 虽然在使用上钢丝绳具有许多优
点 但是 在使用过程中 它会产生一些不尽人意的不足 主要表现在这样几个方面
(1) 使用的安全性 设备中使用的钢丝绳 虽然在设计过程中给以一定的安全系
数 并以此来选择钢丝绳的规格结构
[1,2]
但是 在使用过程中 由于受到疲劳 腐蚀
磨损 冲击等因素的影响 钢丝绳不可避免地会产生各种缺陷 从而导致强度的降低
甚至突然破坏 钢丝绳在使用中发生破坏事故 其后果往往是严重的 轻者导致设备
的损坏 重者引起人员伤亡 近几年来 公开报道的典型事例就有很多,例如 1987
年 停泊于我国上海的一外轮因固定钢丝绳断裂而失控 撞毁宝钢输料桥 造成高炉
停产长达 1 个月之久 引起巨大的经济损失 1990 年 前苏联第比利斯登山索道钢丝
绳断裂 造成 55 人伤亡 2001 年 我国四川宜宾咽喉要道 南门长江大桥悬索及桥
面断裂 造成四人伤亡 交通中断 3 个月之久 这些事例数不胜数 它涉及到几乎所
有的钢丝绳使用部门 因此 使用过程中的钢丝绳的安全性受到人们的高度重视
为了防患于未然 许多国家早就针对钢丝绳的使用问题制定了相应的行业安全规
程或国家检测标准
[2 6]
但是 为什么因钢丝绳破坏而造成的事故仍然时有发生 防
不胜防呢 一个重要的原因就是目前尚缺乏可靠的钢丝绳状态检测手段 在国外 虽
然近几年来形成产品的钢丝绳检测仪器已有多种 但是由于性能等方面不能满足现场
2
推广应用的要求 只有少数重要部门将其作为辅助检测工具 对钢丝绳进行管理和维
护 更多的钢丝绳使用部门仍采用人工检测和定期更换的方法 由于现有检测仪器的
准确性和可靠性不足 即使采用仪器检测的钢丝绳使用部门 其断丝等事故仍然时有
发生
[7]
在国内 目前绝大多数钢丝绳使用部门采用的是人工目视检查和定期更换的
方法管理与使用钢丝绳 准确率较低 因而事故频繁
(2) 使用的经济性 钢丝绳在使用过程中 因构成钢丝绳截面的单线截面小 在
微量表面磨耗状态下 表面单丝对此磨耗产生较大影响 以至于折损 表面水能很快
沿毛细管渗透到内部的间隙里 渗入的水又不易干掉 容易腐蚀内部 因钢丝绳的弯
曲和拉直 立体交叉在钢丝绳内的单丝不断出现压痕 磨损 即使经常加润滑油 也
不可避免出现随着使用时间加长而产生的劣化 这类损伤导致应力集中到单线上 从
而造成其断裂 同时断开的单线破损面对于邻近的单线造成严重压迫 使外力集中到
邻近线上 产生集中断丝
传统的人工目视检查钢丝绳的基本方法是由专职检测人员定时对使用中的钢丝绳
进行观察 并采用卡尺测量直径 手摸或肉眼辨识缺陷等方法估计其损伤程度和残余
承载能力 而广泛采用的定期更换钢丝绳的基本方法则是依据钢丝绳的额定使用寿命
确定其更换周期 到期不论钢丝绳状态如何均实行更换
[8]
人工目视检测受检测人员
思想集中程度和经验的限制 存在不可靠性和局限性 另一方面 因钢丝绳使用环境
使用条件的变化 钢丝绳中断丝和没有前例的集中腐蚀等问题的出现比预料的要多得
多 严重时 内部已经正在裂化的钢丝绳从外表根本看不出来 这样 定期更换就存
在着盲目性 其结果 不仅会因检测结果的不可靠而潜伏着发生钢丝绳破坏等事故的
危险 而且会因不合理的更换而造成因钢丝绳报废带来的巨大浪费 1984 年美国曾对
8000 多个从钢丝绳实验室和应用现场获取的记录进行统计分析 结果表明
[9]
正在使
用的钢丝绳中 大约有 10 其强度损耗超过 15 其中 20 以上强度损耗超过额定
强度的 30 换句话说 工作中的钢丝绳中大约 10 工作在具有潜在危险的状态 其
中 2 以上工作在相当危险的状态 另一方面 已被更换下来的钢丝绳中 70 以上
仅有甚至没有强度损耗 日本的统计结果也表明
[10]
更换下来的钢丝绳中 50 以上
其强度达新品的 90 以上 还有不少接近 100 也即它们还使用在磨合期 我国的
3
统计结果给出了这样的数字 如果采用仪器对钢丝绳状态进行监测 使用合理的油脂
润滑 减轻锈蚀影响和适时报废 每年至少可节约钢丝绳用量 12 20
(3) 钢丝绳的保养与维护 在钢丝绳除了需经常注加润滑油外 最主要 最繁重
的工作 则是对钢丝绳的检查 为确保钢丝绳的安全运行 各钢丝绳使用单位均按照
相应的行业安全规程和国家检测标准制定了严格的钢丝绳检验制度 一般均要求实行
班检 日检 周检 月检 季检 年检以及适时的重点检修制度 就我国目前而言
这些制度的实施 均以人工目视检查为主要手段 由于人工目视检查以观察为主 检
查过程中钢丝绳的运行速度不能太快 一般要求在 0.3 米/秒以下 而现场使用的钢丝
绳长度一般均在几百米 甚至上千米 因此 一次检查所需时间较长 且检查人员容
易疲劳 劳动强度大 效率低 这将浪费很多宝贵的钢丝绳工作运行时间 影响劳动
生产力的提高 另一方面 人工目视检查对操作人员的要求也较高 通常需要有丰富
经验的老工人 或者训练有素的技术人员 而培训一位这样的需要相当长一段时间
更主要的是 这一检测方法只能对人眼能够目视到的钢丝绳段进行检查 而一些目及
不到的钢丝绳段 通常是缺陷频繁出现的区域 这样 人工目视检查因其不能实行全
程钢丝绳检查 更加降低了其检测的可靠性
1.2
钢丝绳检测技术的产生和发展
早期的钢丝绳 由于钢丝没有经过预应力处理 当钢丝绳表面出现断丝时 应力的
作用使它向外发散 从而露出绳外 这样 最明显 也是最原始的方法 人工目视检
查法应运而生 人工目视检查是这样进行的 检测人员站在钢丝绳旁 手抓棉纱并持
摸钢丝绳 钢丝绳以检测速度运行 若出现挂纱 则疑为断丝并将钢丝绳停止在该位
置仔细观察 因此人工目视检查也称抹布 目视方法
[11]
然而 随着钢丝绳生产工艺
和材料的发展 制绳用的钢丝经过了预应力处理 从而使得断丝断口具有收敛性 不
向外翘出 另 方面 钢丝绳的润滑使得其表面形成较厚的油泥 这些均给人工目视
检查带来困难 在这种情况下人工目视检查只得对钢丝绳逐段清洗后仔细观察 虽然
如此 钢丝绳内部缺陷仍无法发现 这就要求研究其它的钢丝绳检测方法
1906 年 南非的 Cann C.和 Colson R.共同研制出了第一台钢丝绳电磁无损检测装
4
置 该装置采用交流螺线管对钢丝绳进行磁化 当作为电感铁芯的钢丝绳截面发生变
化时 则励磁线圈与检测线圈之间的耦合阻抗将随之改变 记录检测线圈中感应电动
势的变化 就可以按顺序对导致钢丝绳截面变化的缺陷进行测量 这种检测方法采用
交流(AC)励磁 故称为 AC 方法 国外的研究工作者在 1906 1938 年期间 进行了开
发与改进 形成了一些钢丝绳检测装置 由于 AC 方法对钢丝绳上存在的局部损伤不
敏感 1925 年 德国 Chappuzeau H.又首次提出了基于漏磁测量的钢丝绳电磁无损检
测装置 该装置采用直流线圈对钢丝绳进行磁化 当钢丝绳上存在局部损伤时 其附
近将产生空间扩散漏磁场 利用检测线圈测量这一漏磁场 则可以按顺序测量钢丝绳
的局部损伤缺陷 这种方法的关键在于漏磁场的检测 事实上 这种方法能够得到很
好的应用是在 1937 年 Wornle R.和 Muller H.发明了分离式径向感应线圈之后
[12]
由于
采用的是直流(DC)励磁 故称为 DC 方法
基于 AC 方法的仪器普遍存在集肤效应和涡流损失 检测渗透深度低 仪器及钢
丝绳发热剧烈等缺点 基于 DC 方法的仪器则因存在直流励磁与检测线圈安装方面的
困难 致使结构庞大 操作复杂 这些仪器的检测信号信噪比低 检测结果不可靠
因而阻碍了它们的推广应用 这一时期形成的钢丝绳无损检测技术和仪器均很不成熟
研究工作处于钢丝绳无损检测技术的探索阶段
从 60 年代开始 由于各国对钢丝绳检测问题的进一步重视 相应的检测技术的研
究也更加深入 针对原理和实践中存在的问题 许多学者从不同侧面进行了广泛而且
深入的研究 取得了大量成果
[13 17]
从而构成了钢丝绳检测技术研究的一个新阶段
系统研究阶段 这一阶段 比较典型的研究工作有
日本藤中雄三教授与小门纯一教授等通过对不同使用环境中各种结构类型的钢丝
绳进行大量检测实践 分析了现场中影响钢丝绳电磁无损检测结果准确性的特种因素
从而提出了利用电磁检测法进行钢丝绳检测时需要解决的问题及一些实用方法 例如
钢丝绳的直流有源磁化方法与装置 漏磁场的感应线圈和霍尔元件检测方法与装置
钢丝绳内部断丝检测特性等研究 这些研究对钢丝绳检测技术的开发和仪器的设计都
具有重要的指导作用和参考价值
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- Allan_YM2023-07-29感谢资源主分享的资源解决了我当下的问题,非常有用的资源。
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