提升机钢丝绳断丝检测方法的研究
-----GXT-1型断丝在线检测装置
洛阳涧西矿冶机电研究所 窦毓棠
解放军外语学院计算中心 刘作伦
（摘要）提升机钢丝绳的无损探伤，一般采用霍尔效应或磁感应法。本文提出的新型方法既避免了此两种方法的缺点，又兼顾了两者的优点。利用此法制作的无损探伤装置，采用微处理器芯片进行数据实时处理，实现了优良的检测技术性能，又兼顾了对提升机的控制。
（主题词）提升钢丝绳 无损探伤
( Abstract ) The harmless crack detection of the Cables of a friction hoist is commonly realized by means of HALL Effect or Magnetic Indrction Effect. Here a new device is introduced that not only avoids the shortcomings of the above two method,but also retains their advantages,The method used in the new device is to adopt microprocessor to do the real-time operation.this not only inhences a good technical performance but also gives consideration to the control of the friction hoist.
( Key words )The Cables of a friction hoist,The harmless crack detection
一、前言
牵引钢丝绳断丝信号的实时在线监测，一向是国内外关注的课题，它关系到安全生产，且具有极大的经济意义，经过一年多的工作，做出了实验样机。实验结果表明：（1）本装置传感信号强，信噪比高，有较高的精度；（2）在规定的工作速度范围内，信号的幅度和频率不受钢丝绳运行速度的影响，信号稳定可靠，抗干扰能力强；（3）不破坏钢丝绳中原有的自控信号，可与控制信号相容；（4）与国内外同类型的钢丝绳断裂预测装置相比，精度高，体积小，重量轻，使用方便。钢丝绳探伤仪
二、现状
牵引钢丝绳已被广泛应用于矿山、冶金、航运、旅游和建筑等行业，在使用过程中，其损伤程度和承载能力，时刻关系到设备及人身的安全，钢丝绳断丝固然有许多因素，但是，经验证明，钢丝绳工作疲劳是其主要原因。准确可靠的监视牵引钢丝绳断丝状况和承载能力具有十分重要的意义。安全规程规定：提升机钢丝绳在一个捻距内断丝比数不得超过1%，当超过1%时，钢丝绳必须更换。由于钢丝绳断丝不易被发现又没有有效的办法检测，于是又规定，钢丝绳使用一定的时间后，不管坏与不坏，必须更换。对此问题，世界各国也十分重视，不少国家对此也做了类似的规定。
检测钢丝绳断丝，过去多采用静态感应的方法和利用霍尔效应的方法寻找牵引钢丝的断丝处，具有一定的进展，但尚不够理想，其主要问题表现在：（1）静态感应不稳定，受钢丝绳运行速度影响大，设感应信号为e,则有e正比于v，当v接近零时，则e趋于0，所以说信号不稳；（2）霍尔效应型传感器信号非常弱，信噪比不易提高；（3）以上两种方法又存有一个共同的问题，即与牵引钢丝绳上的自动控制信号不相容。在线检测断丝信号时，由于两种传感器探头上都装有电磁铁或永久磁铁，所以，将钢丝绳中的自控信号给冲消了，这是因为，这些年来，为了提高安全生产效率，在钢丝绳上记录着一定数量的磁信号，如架空索道。矿井提升机等钢丝绳中都记录了不少磁信号，这样，就出现了断丝信号的检测和生产自动化之间的矛盾。苏联在一条钢丝绳上磁信号的密度为4D，即4倍钢丝绳的直径，我国在钢丝绳上记录磁信号情况也比较普遍，据初步统计，只在矿井上就有500多台提升机的钢丝绳上记录了磁信号，鉴于目前的检测装置精度不高，体积笨重，操作复杂，所以，基本上还是停留在依靠减压人员用手摸和眼睛观察的方法。采用手工的方法，虽然可以发现一些问题，但是钢绳内部的断丝不易发现，且劳动量大，劳动条件差，受人员主观条件的限制大。钢丝绳探伤仪
钢丝绳无损探伤的方法虽然目前有７－８种，但比较有效的方法是先将钢丝绳进行磁化，依靠断丝处的漏磁特征，通过霍尔效应或感应的方法来捕捉断丝信号。本文介绍的方法是动态感应法。此法既有霍尔效应法不受钢绳运行速度影响的优点，又可以捕捉到大信噪比信号，该方法与其他方法的比较见表。钢丝绳探伤仪
三、钢丝绳断丝检测仪的工作原理
ＧＸＴ－１型断丝检测仪的工作原理如图１所示，该装置从钢丝绳中提取信号以解
决以下三个问题：（１）提取信号检索牵引钢丝绳的断丝情况，确定钢丝绳是否需要更换；（２）提取行程信号，为提升机提供准确的控制指令，并可代替数字深度指示器；（３）提取钢丝绳信号，显示钢丝绳上的动态拉力。本文着重阐述第（１）个问题，第（２）个与第（３）个问题以后介绍。
作者利用高导磁材料研制出（动态感应式）传感器，并设计了新型磁化工艺对钢绳进行磁化。由图1可知，时钟发出的方波，分别输入到6个传感器中，经微分电路微分后，输入到两个感应线圈。传感器的两个感应线圈工作在临界饱和状态，靠外部磁场作用，将饱和点推移到深饱和区，使其减少阻扰，增大信号电流。然后经方向鉴别环节将两路信号相加。外部磁场如果是正向，输出为+4V；反之，如果外磁场是负向则方向相反，输出为-4V。外部无漏磁，则输出为零。然后，将信号送到单元信号综合环节，至此，单元信号到11V共6路数字脉冲信号（实验证明，由于磁力线有倾向磁性传感器的特性，检测角度宽），6路单元脉冲信号经逻辑综合，得到一个“综合信号”，它与6路单元脉冲信号一起送入微机控制系统。行程信号发生器作用主要用来标定断丝位置，它也同时送往微机系统。
四、钢丝绳的磁化工艺
牵引钢丝绳为炭钢，含炭量越高其矫顽力越大，因此，一旦被磁化则不易消失。英国和苏联文献记载，为自动化而写入钢丝绳中的磁信号（充磁点），一般保持10年以上不消失。我所首先研制了ZCX-2型直流充、消磁机、对直径5-80mm范围内的钢丝绳进行充、消磁都非常有效。目前，不但把它用于提升机钢丝绳减速信号的擦写（充、消磁），并有效用于GXT-1型钢丝绳断丝检测仪。在提升机、架空索道中，以2m/s左右的速度对钢丝绳进行全程磁化，然后在钢丝绳上记录所需要的控制信号，在检测断丝时，不需再给钢丝绳重新磁化，直接用探头提取就可以，在探头上无需再安装电磁铁或永久磁钢，和已生产的GXT-12型钢丝绳感应减速信号装置使用方法相仿，于是探头的重量可大大减轻。通过这种办法可以解决检测钢丝绳断丝和提取减速信号及其它行程信号的相容问题，传感器的摆放方式可以是轴向的，也可以是径向的。径向场强为径向放置的传感器垂直钢丝绳，作用于它的磁通，是漏磁的径向磁通分量，为式（3）的表达式，其感应电流也是正弦波（实际上接近正弦波）。为了分析方便，不采用其它超越方程来进行描述，实验证明，这样做是符合实际的。径向放置的传感器其工作规律为公式（4），作用于它的磁通是轴向磁通分量。从两个数学表达式和传感器放置的空间位置说明，传感器有很强的方向性。为了说明问题，局部断丝漏磁状况进行了扩大，轴向信号和径向信号的空间位置相差900。实验证明，轴向摆放传感器时，探头的外径可以做的很小，重量更轻（比日本和联邦德国提供给我国的MSEA12S10体积小5倍，重量轻13倍），且使用方便，可以用手拿着检测，也可以悬挂在钢丝绳绳上，装卡只需2s,且在运行中如被阻挡，则可自动开脱，和手工检测方法相比，不增加什么技术困难，且不费力。
五、微机控制系统 钢丝绳探伤仪
微机控制系统用来完成信息的采集统计、存储、辨别等数据处理和钢丝绳运行速度的实时监视与控制。
该系统选用了MCS-51系列单片机8031芯片，74LS139为双译码器。它为系统各芯片提供信号。74LS373用来所存地址码A7-A0.2764为8KROM芯片，它固化了工作程序。6264为8KRAM芯片，采集到有关钢丝绳的断丝信息就储存在这里。DA0832用来将测得的钢绳运行速度数据变为模拟信息，输往升机的速度控制放大器。8155芯片扩充了3个8位口。
数显部分，实时显示行程和每米中断丝数目，即断丝密度。
键盘部分，用来预置数据和改变工作方式。
2.工作原理
速度制动信号即减速刹车信号，由外部中断INTO输入，当INTO有信号输入时，发生最高级中断，输出速度控制信息。
断丝传感器信号从外部中断INTI输入，5输入一个断丝信号则就发生一次中断，累计每米深度的断丝信号个数，同时将各路信号采集、输入、存储到6464RAM芯片内，供事后处理，以辨别断丝的轻重程度。
8031芯片的CTCI工作于计数状态，对行程信号计数，每到1m则发生一次中断，中断服务程序完成了对断丝信号的处理，即存储、码制变换和显示等，8031芯片的CTCO工作于定时中断状态，根据行程的变化量，计量出即时速度，并与预制速度相比较，发出速度控制信息。
行程实时数据的断丝信号密度（每米中的断丝个数），分别由四位七段数码管显示，并且模拟显示出见键笼所在位置。
3.程序流程
本程序采用模块结构，由主程序和4个中断服务程序组成，其程序流程图如图3所示。
(1)主程序 主要完成对CTC/8155芯片、中断参量、特征单元数据等初始化，然后轮流调用显示。键盘扫面子程序，等待中断申请。为了提高检测速度，在键扫描完成预量任务后，可不再执行。
(2)断丝处理中断服务程序 该程序的任务是，在单位行程内完成对断丝信号的累计，并采集探头的各路信号，保存到RAM区内，供事后打印处理，如图4所示。
（3）行程中断服务程序 完成行程计数，为行程实时显示变换为十进制数据以及为断丝信号发生的位置给于标定。参见图5.
（4）速度中断服务程序 该程序完成实施的速度计算，并与给定速度相比较，发出速度控制信息。同时对行程数据进行相应的处理。
（图6）。
（5）速度制动中断处理服务程序 当速度制动信号到来时，由当时速度分散剂减速，控制速度为0，使提升机急刹车（图7）。
GXT-1型钢丝绳断丝检测装置利用动态感应原理解决了霍尔效应型钢丝绳探伤仪的信号微弱、信噪比不高以及稳定性不足等问题。利用这种检测新工艺解决了两种信号的相容问题，提取一种信号不影响第二种信号在钢丝绳中的存在。采用了计算机技术对信号进行处理，不但可以观测到行程、速度、断丝密度的即时值，而且可打印记录，便于存档，对合理更换钢丝绳起到了非常有效的作用。随着模式识别技术的不断提高，对钢丝绳断丝检测的定量分析和各种各样的内外断丝信号的形状和辨别，逐步可以达到理想的境地。另外，这种装置体积小，重量轻，操作也较方便。 钢丝绳探伤仪
参考文献
1 杨在波等，矿井提升机钢丝绳的断绳预测研究，山东煤炭科技，1988（3）
2 李劲松等，钢丝绳断丝传感器的研制，华中理工大学学报。1988（3）
3 窦毓棠，摩擦式提升机控制指令的准确性问题，国际提升会议论文集。1988(6)
4 窦毓棠等，钢丝绳感应信号发生器的实验研究及理论分析，煤矿自动化1982（3）
5 窦毓棠等，动态提升机钢丝绳信号发送装置的试验研究，煤矿自动化。1983(4)
客服1