“探空飞梭”游艺机钢丝绳在线检测和评估的解决方案

许建芹，黄 凯，徐海慧，董信华

（1.江苏省特种设备安全监督检验研究院，南京 210003；2.上海且华虚拟仪器技术有限公司，上海 200032）

1 “探空飞梭”钢丝绳的基本情况

1.1 探空飞梭

“探空飞梭”是20世纪末新发展的将传统机械与电脑网络融为一体的直立式“过山车”，人们可以享受航天员升空和落地的感觉，目前世界上大约有200台“探空飞梭”，分布在全球各大城市的游艺机乐园（图1）。

图1 上海游艺机工程公司制造的“探空飞梭”

1.2 基本原理

“探空飞梭”的四周座舱的升空和落地是由四个直立气缸驱动，图2所示是一个气缸组合的原理框图。

图2 “探空飞梭”运行基本原理

当电脑迅速完成载客的称重和发射压力的计算后，压缩空气按计算值向上气缸充气，当气压达到额定值，环形座舱在3s内沿立架弹射到高空，然后按电脑设定程序，上气缸中的压缩空气有序释放，完成座舱的自由落体，震荡后缓缓下降。

1.3 受测钢丝绳

如图2所示，气缸中的活塞上下均系结直径22mm钢丝绳，并通过上下滑轮与环形座舱系结，整体形成四组钢丝绳的无极绳牵引。

为了保证游客的安全，座舱另有四组直径12mm的钢丝绳随动运行。

由于16根钢丝绳全部裸露于框型立架空间，露天承载并接受上下运动的冲击，而且天天蒙受日晒雨淋，钢丝绳不可避免地将发生内外部的断丝，磨损、锈蚀、松股、变形、跳丝和材质变化等缺陷。特别是雷雨季节，如果没有避雷装置或避雷装置发生故障，钢丝绳很可能遭受雷击，其材质将发生脆裂，即使选用的钢丝绳安全系数很大，在猛烈冲击下也将被崩断，其后果难以想象。日本就发生过类似事故。中国的个别索道因避雷装置失效，也曾遭受雷击。因此及时应用钢丝绳电脑探伤仪对钢丝绳进行在线检测，非常重要。

2 钢丝绳缺陷形成和事故发生的分析

2.1 缺陷形成

研究表明，通常情况钢丝绳断绳事故原因主要为材质缺陷和结构缺陷的累加。

材质缺陷是指钢丝绳遭遇雨水、露水、冰雹、空气中尘埃、雷击和机械运动、润滑失效的影响，而对应发生腐蚀生锈和应力集中引起的断丝（LF）［1］。

钢丝绳内部丝与丝之间在运动中的相互摩擦和钢丝绳与滑轮的摩擦，从而发生磨损、变形、松股引起的金属截面积变化（LMA）。

结构缺陷是指钢丝绳在刮风、地震等不可预见的外力作用下发生的各种变形、松股、跳丝等结构异化（SF）。

2.2 缺陷与强度

材质缺陷和结构缺陷的发生在钢丝绳的使用中均有一个临界点，它们达到临界点的时间有差异，但当使用时间超过其临界点时，两种缺陷的恶化程度共同加速发生，最后导致断绳（图3）。

图3 缺陷的发展

2.3 统计分析

美国研究人员对8 000多个钢丝绳的使用现场采样，并对各种信息资料进行统计分析，结果如图4。

图4 断丝事故起因

由此推断，在役钢丝绳存在12%的事故隐患，所以应用科学方法在线检测钢丝绳及时发现其中的各种缺陷，是从根本上避免发生断绳事故的有效方法。

3 钢丝绳在线安全检测的标准

3.1 中国国家标准

3.1.1 特种设备安全监察条例

根据中国国务院令执行的《特种设备安全监察条例》的第26条规定：特种设备使用单位必须建立定期检验和定期自行检查的安全技术档案；第34条规定：客运索道、大型游乐设施应当例行安全检查，并符合安全技术规范的要求；第83条规定：使用未经定期检验或者检验不合格的特种设备，由管理部门责令限期改正。

3.1.2 架空索道用钢丝绳检验和报废规范

根据中国国家标准GB 9075—2000《架空索道用钢丝绳检验和规范》3.3.2.3节要求，可用无损探伤仪代替每月的目检。客运索道钢丝绳的第一次检查是在新绳开始使用后的18个月后，但必须应用无损探伤。

当断丝数和磨损量在6d（直径）长度范围内达到5%～10%必须报废。

3.1.3 游艺机和游乐设施安全

根据中国国家标准GB 8408—2000《游艺机和游乐设施安全》7.4节规定：使用单位对各种游艺机和游乐设施必须每季进行详细检查，每半年进行全面检查。该标准7.12节规定：钢丝绳检验应符合表1规定。

表1 钢丝绳磨损状态的允许值

3.2 香港地区标准

（1）香港从1978年就制订了架空缆车的安全条例，并于1995年颁布法律公告。其中操作及保养的第23条运载拖缆（钢丝绳）的检验中规定，始用的首50h时按规定使用钢缆探伤仪检验运载拖缆。

（2）香港对机动游戏机也专门制定安全操作和保养条例作为法律颁布，其中第18条定时检查机动游戏机，特别强调了检查的必要性。

（3）游戏机（大陆称游艺机）与客运索道相似，其中钢丝绳都是露天安装使用，检验时间和报废标准可以参照执行。根据香港的山顶缆车、海洋公园、昂坪360索道的规定和欧美发达国家多年积累的经验宜采取如下措施：

·钢丝绳定期检验必须使用科学仪器钢丝绳探伤仪。

·每三个月用仪器检测，并将检测结果记录存档。

· 钢丝绳报废标准确定为断丝和磨损为5%。

3.3 科学检测钢丝绳标准

目前中国各行业的钢丝绳报废标准还是依据传统方法人工目视、手摸、尺量的结果确定的。

世界上第一台钢丝绳电磁无损检测装置是由南非人于1906年发明的。多年来南非应用科学仪器对各行业的钢丝绳在线检测已经形成了一整套相当规范的体系。南非制定了检测人员可操作的标准。他们将钢丝绳各种各样的缺陷归纳为七条，十分细化地实现了定性、定量和定位诊断，明确告之受测钢丝绳是否可以继续使用。

这七条是：断丝、金属截面积、锈蚀、绳径、长度、松股、弯曲，其中前两项是应用仪器检测，后五项是应用目视、尺量、手摸的。

这七条结果都是量化的、可计算的，特别是对仪器检测的结果，将断丝量与金属截面积变化量综合考虑，检测人员出报告很方便。其报废依据DF值是：

式中Rw——仪器显示或人工检测的钢丝绳断丝量的百分比值；

Rpw——依据不同行业标准规定的断丝的允许百分比值，5%；

Rp——仪器显示或人工检测的钢丝绳金属截面积减少的百分比值；

Rpd——依据不同行业标准规定的金属截面积减少的允许百分比值，10%。

当DF≥1时则这根钢丝绳报废。

目前我国国内生产的MTC钢丝绳电脑探伤仪的检测结果是唯一兼容这一要求的，所以南非于2006年就采购了MTC产品。

4 仪器的选择

4.1 国外发达国家的钢丝绳探伤仪

（1）1906年南非发明了世界上第一台电磁方法的钢丝绳探伤仪至今已经100多年了，由于钢丝绳是长度不确定、结构复杂的受测对象，各国研发的仪器均没有从根本上解决问题，所以至今各行业的钢丝绳报废标准还是基于人工目测和手摸测量的鉴别方法。

另外各行业选用的钢丝绳安全系数特别大，而且钢丝绳的价格又不高，重要行业用几次就报废，所以市场难以推动钢丝绳探伤仪的进步和发展。

（2）目前国外仅有23家公司制造钢丝绳探伤仪，其中的传感器全部是应用磁原理，在信号处理上还是应用单片机处理的传统仪器。

进入中国市场的国外仪器主要有俄罗斯的、波兰的，但由于其操作复杂，几乎都没有在实践中使用，日本的仪器在中国市场主要是用于日本在中国的电梯公司，他们算是用得比较好的。

尽管如此，全部的国外仪器都存在一个信号处理的根本问题。因为单片机采样和处理速度慢，当传感器快速通过钢丝绳时，采集和处理信号均来不及，所以不可避免地发生漏检，造成误判。

4.2 中国国内生产钢丝绳探伤仪情况

20世纪60年代我国就开始研发钢丝绳的在线检测仪器，90年代诞生了多家公司生产钢丝绳检测仪，经过大浪淘沙，近20年来，坚持至今的唯有三家公司，见表2。

其中洛阳的TCK仪器，根据国家标准GB/T 21837—2008《铁磁性钢丝绳电磁检测方法》，指出这种剩磁类仪器，其有效性有待于进一步跟踪研究和应用验证，在操作上先要用励磁器磁化钢丝绳，然后再用探头检测，十分不便。

4.3 MTC钢丝绳电脑探伤仪技术原理

随着计算机技术的飞速发展，以软件逐步取代传统仪器的虚拟仪器出现，MTC钢丝绳电脑探伤终于找到了有效的解决路径［2］。

4.3.1 深度磁化达到饱和

如图5所示，当受测钢丝绳通过传感器时，传感器中的高磁积能、稀土钕铁硼、永久磁钢将快速深度磁化钢丝绳并使其达到磁饱和。

图5 钢丝绳探伤仪在线检测系统框图

4.3.2 信号采集

钢丝绳中的断丝和锈蚀缺陷会产生向外泄露的漏磁场；环状聚磁器将空间分布的强弱漏磁信号聚集，均化并将其引导到周向等方位布置的多个霍尔元件列组合的检测回路中，定义为LF，见图6。

图6 LF聚磁原理

钢丝绳中的锈蚀和磨损引起的金属截面积的变化使磁桥回路的平衡破坏，磁桥路的磁通量发生变化；由于霍尔元件置于磁桥路的平衡点，它能接受每一个磁能量微小变化的信号，定义为LMA，如图7所示。

图7 LMA磁桥回路

钢丝绳与传感器相对位移由等空间采样的光电编码器获取，定义为L。

上述连续密集的LF、LMA和L信号通过数模转换、压缩输入计算机。

4.3.3 数学模型分析处理

所谓虚拟仪器就是以软件取代传统仪器，对传感器采集的信号进行分析处理，其中最关键的就是必须建立有效的数学模型。

如图8所示，钢丝绳电脑探伤仪软件设计的数据模型是建立在LF（断丝锈蚀等）、LMA（磨损、金属截面积变化、变形、松股等）和L（传感器通过钢丝绳的距离位置）的三维空间之中，根据理论计算，大量的实验室试验数据的统计和各种不同现场使用的样本筛选，从而取得最小离散率的实时处理模型。

基于该模型，对从新的受测钢丝绳获得的内外部缺陷的数字信号进行反演计算，从而获得准确的钢丝绳中的全部缺陷的定性波形和定量数值。

表2 生产钢丝绳探伤仪的厂家

图8 有效数学模型的建立

最终检测报告可以明确告之，哪里断丝，断几根，哪是磨损、磨损多少，与标准规定一一对应，实现了定性定量定位的检测，避免了漏检和误判。

5 MTC钢丝绳电脑探伤仪基本情况

5.1 依据标准

中国国标GB 21837—2008《铁磁性钢丝绳电磁检测方法》；美国标准ASTME 1571—2006《电磁方法检测铁磁性钢丝绳标准条例》；上海市企业标准Q/NYAT01—2001《MTC钢丝绳安全检测仪》；中国国家标准GB/T 5972—2006/ISO 4309—1990《起重机用钢丝绳检验和报废实用规范》；国标GB 9075—1988《架空索道用钢丝绳检验和报废规范》；国标GB 8918—2006《重要用途钢丝绳》；国标GB/T 26832—2011《无损检测仪器钢丝绳电磁检测技术条件》；南非共和国国家标准局SABS 0293—1996“Condition assessment of steel wire ropes on mine winders”；香港机动游戏机（安全）条例及机动游戏机（安全）操作及保养。

5.2 功能特点

（1）传感功能：导套浮动定心可变径，聚磁环密集设置，磁敏元件阵列组合，一套传感单元可覆盖老产品多个探头的信号采集和放大等功能。

（2）转换功能：直接选用美国原装进口模块，模数转换、小波变换、噪声剔除等功能更加强大。

（3）信号传输：全数字传输，根据用户要求还可配置无线遥测（距离＞1 600m）。

（4）电脑平台：Windows界面，任何品牌的电脑可以安装使用。

（5）软件操作：鼠标点击。

（6）分析处理方法：人机对话＋自动分析。

（7）操作简单：人性化操作（只要会开电视机的人，培训20min就能操作使用）。

（8）报警特点：在线检测，当缺陷按设定超标时，立即实时声光报警。

（9）在线显示：如同心电图，以波形递进方式实时显示钢丝绳的状态。

（10）检测结果：直接显示钢丝绳内外哪里断丝，断几根；哪里磨损，磨损的百分比；哪里损伤，损伤的性质等缺陷，然后根据不同行业标准的要求出具检测报告，最后自动进入word文档。

5.3 性能特点

（1）受测钢丝绳直径1.5～300mm（根据用户需求配置不同规格的传感器）。

（2）传感器与钢丝绳相对速度为0～30.0m/s（最佳：2.0m/s）。

（3）断丝缺陷（LF）检测：

定性：单处集中断丝定性检测准确率99.99%。

定量：单处集中断丝根数允许有一根或一当量根误判，单处集中断丝根数无误差定量检测100次以上准确率≥95%。

（4）金属截面积定量变化率（LMA）检测能力：

检测灵敏度重复性允许误差±0.055%，检测精度示值允许误差±0.2%。

（5）位置（L）检测能力：检测长度示值百分比误差±0.3%。

（6）连续检测长度≤30 000m。

（7）电源由电池供电5V，环境温度为－20℃～＋50℃，大气压力为86～206kPa，相对湿度为20%～98%。

5.4 技术核心

5.4.1 虚拟仪器［2］

钢丝绳无限不确定长。唯有应用虚拟仪器技术，以软件取代传统仪器，由电脑直接采样处理，才能保证不漏检、不误判，如同看电影，对钢丝绳进行全程扫描，结果准确无误，重复性好。

5.4.2 三定仪器

不同行业钢丝绳报废的国家标准规定，该产品应用电磁原理，定性、定量、定位在线无损检测钢丝绳的内外部断丝、锈蚀、磨损、金属截面积变化、松股、跳丝、变形、材质异常等缺陷。

5.4.3 合法仪器

根据国家计量法和安全生产法，每台仪器可由国家法定计量机构，按中国GB/T 21837—2008国家标准、美国ASTM E1571行业标准和上海市Q/NYNAY01企业标准作为第三方进行检验，并出具检测报告，获得法定资质。

6 MTC在“探空飞梭”钢丝绳检测应用

6.1 检测现场

2005年上海锦江乐园就开始应用MTC钢丝绳电脑探伤仪定期检测钢丝绳，确保“探空飞梭”（图9）安全运行。该飞梭总高度56m，气缸行程43m，上升加速度4g，下降加速度1g，载客16人/次，运行时间3min，装机功率100kW。

图9 上海锦江乐园“探空飞梭”

当检测气缸下端钢丝绳，只要用柔性安全索系住传感器，信号线接到塔外，由电脑直接采样处理。

6.2 无线遥控

应用无线遥控的MTC钢丝绳电脑探伤仪检测气缸上端钢丝绳时不必将电脑带到塔顶，仅需将传感器安装在气缸上部，电脑在塔底即可。

6.3 软件处理界面

当钢丝绳缺陷超标时，立即声光报警，有断丝点则在电脑显示右下角显示断丝位置（图10）。

图10 在线检测实时显示波形

若发现重大缺陷则可从此界面将断丝和磨损进行比照，并可根据需要将波形放大分析（图11）。

图12（a）中上为LF曲线，下为LMA曲线。LF曲线突变处为断丝聚集处，对应LMA曲线为向下减少，图12（b）为对应的实物图。

图13所示是LF断丝波形图，可以对断丝点进行自动确认提出报告，并从该波形可以定性判断钢丝绳的松股、跳丝、变形、材质变化等其他缺陷。

图13 在线LF检测断丝波形图

图14 为LMA金属截面积变化即磨损的波形，左行数据代表钢丝绳的距离，右行数据则是1.5m长内钢丝绳磨损的百分数。

图14 在线检测磨损波形图

根据图13，14界面显示的，紧接着软件即可直接分别显示受测钢丝绳的断丝（LF）和磨损（LMA）的数量报告，实现钢丝绳的定性、定量、定位检测要求。检测人员根据这两份报告依据标准确定受测钢丝绳的健康状态，确定是否继续使用还是报废。

7 “探空飞梭”游艺机在线检测和评估的解决方案

7.1 检验和报废标准的确定

为了保证“探空飞梭”的绝对安全，达到风险为零，参照国内外及香港地区的各种标准应拟定科学的报废依据。

LF钢丝绳内外部断丝数允许值为单处集中断丝≤5%。

LFM钢丝绳内外部磨损量允许值为1.5m长度中面积减少≤10%。

式中Rw——仪器显示单处集中断丝的百分比；

Rp——仪器显示单处1.5m长度中金属截面积减少的百分比。

Rpw和Rpd的意义见式（1）注释。

当DF≥1钢丝绳报废。

当1＞DF≥0.5加强日检。

当DF＜0.5可继续按规定时间检测一次。

钢丝绳的其他缺陷则按GB/T 5972—2006/ISO 4309—1990《起重机用钢丝绳检验和报废实用规范》执行。

7.2 检测时间

参照目前世界上应用钢丝绳检测仪最好的南非共和国的国家标准局颁发的SABS0293《钢丝绳使用评估》6.2节的规定，当钢丝绳使用寿命达18个月以上的钢丝绳应每隔3个月检测一次。

参照中国国家标准GB 9075—2000《架空索道用钢丝绳检测和报废规范》中3.5.4节规定，当发现断丝率增加时应找出规律，缩短钢丝绳检测间隔时间；发现钢丝绳有5处以上断丝时，应每隔2个月检测一次。

参照香港海洋公园、山顶缆车和昂坪360索道的经验，根据香港机动游戏机（安全）条例及操作保养规则，遇到雷击、冲击或其他特殊意外情况时，应对钢丝绳进行应急检测。

由此可以确定每年检测的次数大约5次。

7.3 检测长度及检测设备

图9所示的“探空飞梭”游艺机高为56m，则φ22mm主牵引钢丝绳总长约100m，为避免盲区，分两段检测，每次50m左右，计8次，φ12mm副安全索总长度约100m，为避免盲区，也分两段检测，每次50m左右，共计8次。

传感器分别放在塔下和塔底各做8次即可。

为检测方便，“探空飞梭”游艺机的钢丝绳检测宜选用无线遥控的MTC钢丝绳电脑探伤仪。

7.4 检测资质

（1）受委托检测的单位必须具备经政府确认的资质。

（2）受委托检测的人员必须具有经政府确认的机关颁发的资格证书。

（3）使用的检测仪器必须经国家法定计量机构检验并出具报告，以后尚需每年对该仪器校核一次并出具报告。

7.5 风险评估

特种设备的年检如同人们一年一度的体检，风险评估则给出每一个具有风险的零部件的安全寿命，并给出平时维护观察重点、建议更换时间等，是一种长期的趋势性的预警。

ISO于2006年发布了ISO/TS 14798《电梯、自动扶梯和自动人行道风险评估和风险降低的方法》的标准，根据这一标准，上海、青岛、福建等省市的特检单位先后推进电梯的风险评估［3］。由于钢丝绳是电梯的“命根子”，也是风险评估的重点。通过实践，他们积累了电梯钢丝绳风险评估的丰富经验。

由于“探空飞梭”游艺机是冲击性的特种设备，其钢丝绳风险的概率远大于其它起重设备的钢丝绳［4］，所以说“探空飞梭”钢丝绳的在线检测和风险评估更加重要，为此应该尽快推进这一项目。

［1］吴泓启，刘荣本.客运架空索道安全技术［M］.北京：人民交通出版社，1996.

［2］董信华，康宜华.基于虚拟仪器技术的钢丝绳定性定量定位检测［J］.中国特种设备安全，2006，20（增刊）：31－33.

［3］姜燕，栾伟伟.上海市质检局推出电梯安全风险评估体系 确保“高龄”电梯上下安全［N/OL］.新民晚报，2009.3.17焦点版.

［4］张春宇.龙滩水电工程大型起重设备钢丝绳在线检测［J］.红水河，2006，25（4）：109－111.