起重機(jī)鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探討
作者： admin 編輯： admin 來(lái)源：admin 發(fā)布日期：2022-07-19 14:40
信息摘要：
引言 人們對(duì)鋼絲繩的安全運(yùn)行日益重視，對(duì)鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)研究迅速發(fā)展。鋼絲繩缺陷有兩大類：一是以斷絲為主的局部缺陷型；二是鋼絲的截面積損失型。后者主要是指鋼絲由于疲
引言
人們對(duì)鋼絲繩的安全運(yùn)行日益重視，對(duì)鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)研究迅速發(fā)展。鋼絲繩缺陷有兩大類：一是以斷絲為主的局部缺陷型；二是鋼絲的截面積損失型。后者主要是指鋼絲由于疲勞磨損、擠壓、腐蝕、劃傷等原因造成的鋼絲截面積縮小，引起鋼絲繩承載能力降低，甚至出現(xiàn)鋼絲繩斷裂，發(fā)生事故。在起重機(jī)械和提升設(shè)備中使用的鋼絲繩，根據(jù)與滑輪配套使用情況和鋼絲繩的疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要缺陷是斷絲。因此我們研究的重點(diǎn)是以斷絲為主的無(wú)損檢測(cè)。
1無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀
1.1鋼絲繩局部缺陷的定量檢測(cè)
局部缺陷的定量檢測(cè)主要是對(duì)鋼絲繩斷絲的根數(shù)進(jìn)行判斷的。目前，檢測(cè)斷絲主要是利用漏磁通法，測(cè)量鋼絲繩斷絲后斷口向外擴(kuò)散的漏磁通大小。單根斷絲漏磁通的大小與斷絲在截面中的位置、斷口長(zhǎng)度、磁化的飽和程度、鋼絲直徑大小以及受力狀態(tài)等很多不確定因素有一定關(guān)系。在被檢區(qū)域內(nèi)，如果只有分布在外表面的極少量斷絲，那么判斷起來(lái)較為簡(jiǎn)單。若是在同一截面，內(nèi)外都出現(xiàn)很多根的斷絲，且斷絲在截面隨機(jī)的分布，那么所檢測(cè)到的斷絲漏磁通峰———峰值不隨斷絲根數(shù)呈線性變化或其它形式的確定性變化，這給定量檢測(cè)斷絲缺陷帶來(lái)較大誤差。
1.2 鋼絲繩截面積損失的定量檢測(cè)局部缺陷的定量
檢測(cè)相對(duì)的困難，其中美國(guó)、加拿大的學(xué)者們把注意力主要都集中在截面積損失的定量檢測(cè)中。因此，采用積分檢測(cè)線圈和基于霍爾元件的主磁通檢測(cè)法可以定量測(cè)量截面積的損失，同時(shí)還可以通過(guò)基于霍爾元件的漏磁通法進(jìn)行間接測(cè)量。其中，檢測(cè)探頭分辨率的高低是非常關(guān)鍵的性能指標(biāo)，因此應(yīng)深入研究的是怎樣提高探頭的截面積損失的軸向定量檢測(cè)分辨率。
1.3 鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)裝置的研究在鋼絲繩電磁檢測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域中，加拿大的能源技術(shù)中心和美國(guó)的NDT 公司以及國(guó)內(nèi)的華中科技大學(xué)處于領(lǐng)先的地位。1996 年加拿大能源中心的研究小組完成了鋼絲繩缺陷檢測(cè)系統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。此系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，操作提示多，但是智能化程度相對(duì)較低，檢測(cè)曲線仍需要操作人員解釋。為了改變這一現(xiàn)狀，美國(guó)的NDT 公司研究出基于永久磁鐵和積分線圈的鋼絲繩截面積損失檢測(cè)系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)只能檢測(cè)斷絲缺陷。
2 斷絲為主的局部缺陷
較常見(jiàn)的一種鋼絲繩缺陷是斷絲，斷絲有如下幾種：①疲勞斷絲：鋼絲繩繞過(guò)滑輪或卷筒時(shí)會(huì)承受一定的應(yīng)力作用，經(jīng)過(guò)多次反復(fù)彎曲后，鋼絲就會(huì)疲勞造成斷絲。鋼絲繩在日積月累的使用中實(shí)際上承受的都是疲勞荷載，再加上每根鋼絲繞經(jīng)滑輪或卷筒時(shí)，都會(huì)受到交變應(yīng)力的作用。疲勞斷絲出現(xiàn)在繩股彎曲程度最嚴(yán)重的一側(cè)外層，若出現(xiàn)該種斷絲，表示鋼絲繩已接近使用期限，應(yīng)該高度注意并加強(qiáng)檢查。②磨損斷絲：這種缺陷一般是在鋼絲磨損非常嚴(yán)重的情況下形成的。繩股之間是相互捻緊的關(guān)系，當(dāng)受到軸向力的作用時(shí)，每根鋼絲幾乎會(huì)發(fā)生一樣的變形，但繩股之間卻存在著微小的相互錯(cuò)動(dòng)，即微動(dòng)。所以磨損斷絲其實(shí)就是因?yàn)檫@種微動(dòng)的環(huán)境下造成的微動(dòng)磨損疲勞破壞。③銹蝕斷絲：主要呈現(xiàn)針尖狀，斷絲形狀不整齊，這種缺陷一般出現(xiàn)在銹蝕嚴(yán)重的鋼絲繩的使用后期。④剪切斷絲：這種缺陷一般呈現(xiàn)剪切狀，通常是由于在某一拐角處鋼絲被硬性拉斷造成的。
⑤過(guò)載斷絲：該缺陷由于鋼絲繩承受過(guò)載負(fù)荷或沖擊力過(guò)大引起的，一般在正常使用中極少出現(xiàn)。⑥扭結(jié)斷絲：該缺陷在鋼絲繩因?yàn)槌霈F(xiàn)松弛導(dǎo)致扭結(jié)后才出現(xiàn)，在一般正常使用中不出現(xiàn)，斷口平整、光滑似鏡面。⑦氫脆斷絲：出現(xiàn)這種缺陷很危險(xiǎn)。鋼絲繩常在腐蝕性使用環(huán)境下工作，因此鋼絲常常遇到各種腐蝕介質(zhì)的影響，產(chǎn)生氫脆斷絲現(xiàn)象，斷口不規(guī)則。
3 鋼絲繩的磁化
在勵(lì)磁效果相同的情況下，針對(duì)中小直徑的鋼絲繩，選擇永久磁鐵勵(lì)磁比選用直流有源勵(lì)磁在很多方面都更加有優(yōu)勢(shì)，比如體積、使用方便、檢測(cè)成本和重量等。特別是近年來(lái)新型永磁材料取得了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，永久磁鐵勵(lì)磁正在日益取代直流有源勵(lì)磁方法。因而在鋼絲繩斷絲探傷檢測(cè)選用勵(lì)磁裝置時(shí)，我們選則永久磁鐵做勵(lì)磁源。
磁化鋼絲繩的勵(lì)磁回路包括永久磁鐵、磁軛、鋼絲繩、氣隙共四部分。勵(lì)磁回路不僅要滿足鋼絲繩中的磁場(chǎng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，還要做到成本最低、體積最小、重量最輕、性能最優(yōu)。為了有效的達(dá)到這個(gè)要求，在選擇材料時(shí)一般都會(huì)選擇高剩磁、高矯頑力和高磁能積的永磁材料。然而永磁材料的種類有很多，其性能也是不一樣的，結(jié)合鋼絲繩探傷檢測(cè)的實(shí)際情況，稀土永磁材料是其中比較理想的選擇。該材料矯頑力Hc較大，并且剩磁Br也較大，符合鋼絲繩磁化飽和的要求，且最大磁能積和磁穩(wěn)定性都非常優(yōu)良，溫度系數(shù)低。在大溫度范圍時(shí)，能夠穩(wěn)定工作。
磁軛是勵(lì)磁回路中形成磁力線通路所必需的組成部分，它在勵(lì)磁回路中的主要功能是用以改變磁力線方向、減小回路系統(tǒng)的磁阻、增大關(guān)鍵部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度和聚集磁場(chǎng)等。磁軛一般選用磁導(dǎo)率和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度都較大的材料，如工業(yè)磁鐵等。
4 漏磁通檢測(cè)
一旦一定的電流通過(guò)垂直于磁場(chǎng)的元件時(shí)，在垂直電流和磁場(chǎng)的方向上會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)，同時(shí)輸出電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)。該元件即霍爾元件，輸出的霍爾電壓為V=kiBcosα。影響靈敏度系數(shù)k的因素有很多，比如霍爾元件的材質(zhì)、工作溫度和尺寸等。如果工作溫度不變，那么k是常數(shù)；確定好霍爾元件安裝位置后，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與霍爾元件平面法線的夾角α不變；霍爾元件還有定向響應(yīng)特性，就是如果霍爾元件供電時(shí)使用的是恒流源，那么電流i為定值，并且磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾電壓之間是正比的關(guān)系。所以要想知道鋼絲繩的斷絲損傷信號(hào)，只需要檢測(cè)出霍爾元件的輸出電壓V即可。所以霍爾元件的輸出電壓V反映了鋼絲繩的表面漏磁情況。
由于鋼絲繩出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象并沒(méi)有什么規(guī)律，任何地方都有可能出現(xiàn)斷絲，但是使用一個(gè)霍爾元件得到的檢測(cè)信息是有限的。實(shí)驗(yàn)表明，霍爾元件在沿鋼絲繩周向±45°范圍內(nèi)輸出最大，因而沿周向布置四個(gè)霍爾元件，就能夠滿足完全檢測(cè)鋼絲繩表面的漏磁場(chǎng)變化情況。斷絲產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)有一定擴(kuò)散范圍和分辨力。對(duì)于斷絲定量檢測(cè)來(lái)說(shuō)，軸向分辨力和定量檢測(cè)的精度之間成正比關(guān)系。影響霍爾元件的軸向分辨力因素有很多種，比如鋼絲繩的結(jié)構(gòu)、單根鋼絲的直徑、霍爾元件的周向尺寸、規(guī)格尺寸等。
因?yàn)殇摻z繩外表面的軸向母線是波浪線，鋼絲繩的繩股之間在局部勵(lì)磁鋼絲繩后會(huì)沿軸線方向產(chǎn)生較大的漏磁通，而且會(huì)逐漸的增加。在沿軸線方向檢測(cè)霍爾元件時(shí)，繩股之間的漏磁通信號(hào)與正弦波類似，稱為“股波”。在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，“股波”信號(hào)是無(wú)用信號(hào)，有用信號(hào)是斷絲信號(hào)，股波信號(hào)的混入降低了斷絲檢測(cè)信號(hào)的信噪比。但繩股之間沿周向產(chǎn)生的漏磁通有相互消除的現(xiàn)象，而霍爾元件沿周向檢測(cè)時(shí)，“股波”信號(hào)相對(duì)降低了對(duì)斷絲信號(hào)的干擾，提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比。
5 結(jié)論
起重機(jī)鋼絲繩的斷絲缺陷特征直接與檢測(cè)信號(hào)的處理方法有關(guān)，無(wú)損磁檢測(cè)原理為檢測(cè)鋼絲繩斷絲缺陷提供了理論依據(jù)。鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究對(duì)研發(fā)相應(yīng)的檢測(cè)儀器具有重要的指導(dǎo)意義。
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