丰峪矿架空乘人装置钢丝绳缺陷检测系统研究

高文军

（霍州煤电集团丰峪煤业有限责任公司，山西 霍州031400）

架空人车可显著降低作业人员到达作业点耗时，是矿井常用的一种行人运输工具[1]。钢丝绳作为架空人车的关键组件之一，长期处于潮湿环境中，表面容易被锈蚀，同时钢丝绳长时间使用容易出现由于断丝、磨耗等问题，当钢丝绳断丝到一定程度时若未能及时更换势必会给架空人员运输安全带来威胁[2]。采用人工检测方式不仅作业强度大而且缺陷发现率降低，采用常规的无损检测方式也存在灵敏度、精准度受钢丝绳抖动影响大、无法对固定抱索器位置钢丝绳进行探测等问题[3]。因此，文中在根据以往研究成果[4～6]，结合磁平衡原理、股波定位方法设计一种钢丝绳缺陷检测系统，该系统无需拆卸抱索器即可实现对钢丝绳缺陷检测，同时不受钢丝绳运行速度影响，具有较强的实用价值。

1 探测系统探测原理

1.1 损失探测原理

架空撤人装置钢丝绳是多条钢丝绳螺旋捻成股、多股螺旋捻成绳，钢丝绳使用中会断股、断丝以及锈蚀等问题，给钢丝绳使用安全带来一定不利影响[7]。钢丝绳出现断股、断丝以及锈蚀等问题均会导致磁阻改变，文中提出的钢丝绳缺陷检测系统正是通过测定钢丝绳磁阻变化来判定缺陷位置以及类型[8]。具体采用传感器检测采用的磁平衡原理见图1，通电后A、B 线圈产生大小相等方向相反的磁力线，中间位置的检测线圈无论钢丝绳处于运移或波动电动势均为0。处于完好状态的钢丝绳通过检测装置位置时，传感器不会发出检测信号；当钢丝绳存在锈蚀、断股、断丝等缺陷时，钢丝绳导磁性发生改变，从而使得A 或者B 线圈位置磁通量发生变化，原有的磁通量平衡状态被打破，使得检测线圈有一定的电动势能输出，发出检测信号。由于检测装置通过磁平衡原理检测钢丝绳是否出现损伤，具备较高的灵敏度。检测信号通过差分放大器、A/D 转换模块与微处理器连接，检测结果不会受到钢丝绳运移速度、传感器输出信号大小影响。

图1 传感器检测原理

1.2 缺陷定位原理

文中提出采用股波定位法对运移中的钢丝绳缺陷位置进行定位，钢丝绳邻近的股峰间距D 为一定值，钢丝绳相对于速度传感器运移时，传感器探测钢丝绳股峰会发出脉冲信号。如图2 所示，股峰I、III 经过速度传感器时传感器会发出脉冲信号，股谷II 通过传感器时不发出脉冲信号。股峰I、III 通过传感器时发出的脉冲信号时间间隔为T，由于可获取钢丝绳在此时间段的运行速度V，即为：

钢丝绳运移距离S为：

式中：N为脉冲数。

图2 钢丝绳股峰、股谷示意图

2 探测系统结构组成

2.1 系统硬件结构

钢丝绳缺陷检测系统见图3，其中上位机由KWGK-1 工控机、KJJ200 传输接口构成；下位机由KJ899-F 本安型分站以及GSC50 传感器组构成。

图3 钢丝绳缺陷检测系统结构组成

KWGK-1 工控机内嵌有数据处理软件可以将传感器组获取到的钢丝绳检测信号以图形形式直观表达；KJJ200 传输接口由CAN 数据转换接口、本安电源构成，将CAN 信号转换成工控机可识别的USB 接口信号，完成数据传输；KJ899-F 本安型分站包括数据采集通信模块、伺服单片机、本班电源，伺服电机依据上位机指令通过主供电源实现对钢丝绳运移开启、关闭控制，数据数据采集通信模块将传感器组输出的检查信号打包发送至上位机；GSC50 传感器组防护等级为IP54，传感器组集成探伤传感器、数据采集单片机、速度传感器等，基于磁通平衡原理对钢丝绳损伤进行探测，速度传感器通过拾取钢丝绳股峰信号完成损伤点定位，传感器模拟信号通过数据采集单片机处理后将有用信号通过CAN 总线传输至KJ899-F 本安型分站。

2.2 系统软件

具体检测系统软件结构见图4，系统软件通过协调各功能模块运行，实现对传感器采集数据显示以及人机交互控制功能。软件系统可检测实时数据进行显示、存储，根据预先设定参数值提供检测信号、检测报告以及预警信息。

图4 检测系统软件结构

3 现场应用分析

丰峪矿井下布置的架空人车钢丝绳绳径22mm、绳长1 600m，运行速度1.2m/s，布置133 抱索器，钢丝绳全长范围内有8 个接头（接头长度约42m），接头采用差对接法，从而使得两个对接钢丝纹路吻合。将钢丝绳损伤检测系统上位机布置与地面监控中心，传感器组布置位置应满足钢丝绳抖动小、不影响工作人员上下猴车要求，综合分析选择将传感器组布置在架空驱动轮出绳位置，具体现场布置情况见图5。

图5 传感器组现场安装图

图6 为钢丝绳损伤检局部探测数据，从图中看出，3 组不同探伤传感器输出的波形幅值变化较为稳定，不同组数据曲线重复率达到98%以上。

图7 为接头位置检测波形图，从图中清晰看出钢丝绳接头位置波形变化情况，获取到的波形显示的叉接绳头、插接长度以现场实际情况高度吻合，表明系统获取到的数据可真实反映钢丝绳接头情况。从检测结果看出，钢丝绳接头位置整体质量较好、编结较为规范，接头处钢丝绳处于完好状态，未有外部隆起、细微断丝等缺陷。

图6 钢丝绳局部位置损伤检测曲线

图7 接头位置钢丝绳损伤检检测曲线

图8 为采用的抱索器获取到的检测波形，从检测数据看出，抱索器位置波形幅值稳定，定位精准。检测过程中发现13 号抱索器波形有畸变，检测到该位置钢丝绳断绳率达到14%，经过停机现场人工检测发现该位置断丝数达到5 根以上，表明检测数据较为准确。

图8 抱索器位置钢丝绳损伤检检测曲线

4 总 结

1）文中采用磁平衡原理设计了一种架空人车钢丝绳损伤检测系统，该系统不需要拆卸抱绳器即可实现无接触、无损对钢丝绳内部存在的缺陷进行探测、定位，探测结果不受钢丝绳运行速度影响，灵敏度较高；

2）缺陷检测系统将传感器组集成于不锈钢壳体内，通过壳体保护传感器。检测系统可对钢丝绳绳径变化2mm 和断线1 丝以上进行识别，检测数据可真实反映钢丝绳接头、抱索器及附近位置钢丝绳内缺陷情况，并可判定缺陷位置。

3）将传感器组布置在架空驱动轮出绳位置可降低钢丝绳抖动影响，现场检测表明，提出的钢丝绳缺陷检测系统缺陷检出率达98%，检测数据重复率及接头重复率分别为98%、99%。钢丝绳损伤检测系统检测结果可以为架空人车钢丝绳质量判定、更换提供一定参考。