钢丝绳无损检测技术研究综述

张兰娣 宋明星 倪笑宇 张东辉 戴美魁

摘要：本文主要通过介绍世界各国对钢丝绳无损检测技术的研究，以此探讨钢丝绳所具备的缺陷以及无损检测技术、发展历程及现状等，提出了在无损检测钢丝绳中所存在的主要问题。

关键词：钢丝绳 技术研究 发展现状

钢丝绳在各类起重机、索道、电梯等设备中广泛使用，作为承载构件，工作中也会发生疲劳、锈蚀以及磨损甚至出现骤断的现象。而钢丝绳受损就会影响到设备和人身的安全，造成因为绳破断引发的事故时有发生。我们通过各种方法对钢丝绳的缺陷进行了检测，目的就是为了能够延长钢丝绳的使用寿命以及钢丝绳破断之前能够及时的更换。但是因为钢丝绳结构的复杂性以及使用环境的恶劣性，导致出现缺陷的原因也是多种多样的，再加上检测方法的局限性，这些都为钢丝绳的检测增加了技术难度。现在常常使用人工目视检查法和定期强制更换钢丝绳法两种。定期强制更换不但报废了仍有使用价值的钢丝绳，以此造成很大的浪费，在一定程度上如果不及时更换因种种因素造成损伤严重的钢丝绳；人工目视检查现在很难满足对钢丝绳检测的要求，因而对钢丝绳的无损检测技术研究的需要是十分迫切的。

1 钢丝绳缺陷

钢丝绳的缺陷一般分为两大类：一类是局部缺陷型，即局部有损伤，主要是内部和外部断丝有锈蚀斑点以及局部形状异常等。第二类是金属截面积损失型，磨损、锈蚀、绳径缩细等造成钢丝绳横截面上金属截面积损耗。

2 无损检测技术

无损检测技术主要是在钢丝绳不被破坏的前提下，然后检测钢丝绳的机械性质、内部结构和工作状态是否完好，我们根据检查结果然后对照相应的标准来评估钢丝绳的工作状态。钢丝绳的无损检测方法有很多种，如电磁法、声发射法、超声波法、光学法、X射线法和电涡流法等，但是有些方法因为技术限制难以在工程上使用，仅限于用于实验研究。

3 无损检测技术的发展历程

最早的钢丝绳的无损检测研究主要起源时间为上个世纪，是南非人CEMc.cann和R.Colson共同研制出第一台适用于测量钢丝绳界面损伤的电磁无损检测仪。这种仪器所采用的就是交流螺线管磁化钢丝绳，其中钢丝绳作为电感铁芯。如果钢丝绳的截面积发生变化，那么励磁线圈与检测线圈之间的耦合阻抗也会发生相应的变化，这样我们就可以对钢丝绳截面积变化引起的缺陷进行检测。因集肤效应，该法测量的精度较差，仪器容易发热，并且每次测量都要把线圈缠绕在钢丝绳上。因此，很难在工程使用上进行推广。

上世纪20-40年代，德国科学家采用的差动检测圈测量漏磁场，并发现了钢丝绳的局部损伤缺陷。但是该方法直到1937年由R.Wornle和H.Müllur发明分离式径向感应线圈后，才得以有效应用。但是直流励磁结构的庞大，装置的笨重以及操作复杂性，线圈的安装困难、信号的信噪比差等，都使得检测结果的可靠性较低。

上世纪60-80年代中期，很多学者广泛深入的研究了钢丝绳检测中存在的问题，取得了很大进展。这个阶段主要进行的研究就是如何的稳定、可靠和明显的钢丝绳缺陷信号，再对信号进行模拟分析、笔式记录或磁带记录。但这些都要依靠人工解释检测信号，所以结论受工作人员自身素质影响很大，再加上仪器的精度和智能化程度都较低，使得仪器的推广使用受到限制。

80年代后期-90年代中后期，钢丝绳检测技术获得了很大提高。励磁装置用稀土永久磁铁，信号处理装置趋向于集成化和数字化，整个仪器的体积在减小，重量降低，就使得功能增强。美国的NDT公司的H.R.weischedel博士深入研究了各种钢丝绳检测装置，以此改进了检测线圈，增加了积分电路。该装置可对钢丝绳的截面积损失进行检测，然后分析断丝等局部缺陷。加拿大矿业能源技术中心的E.Kalwa博士用霍尔组件检测钢丝绳的漏磁通和主磁通，借助大量实验，然后对钢丝绳局部缺陷与检测信号的定量关系进行了深入的分析，发现部分缺陷的定量特征与检测信号之间的关系。钢丝绳虽然在电磁检测技术方面取得了一系列成果，但很多研究者仍在积极探索新的缺陷检测法。

1984年，英国J.L.Taylor与N.F.Casey通过很多试验，深入研究了声发射技术检测钢丝绳缺陷的原理，该方法对检测在特殊环境中工作的钢丝绳很有意义。1987年，德国学者采用激光束沿钢丝绳轴向连续扫描，测量相邻的绳股尺寸在径向上的改变，以此计算出钢丝绳不同部位的直径。1988年，日本的铃木纪生研究出了超声波检测钢丝绳断丝缺陷的方法，以此解决静态悬吊钢丝绳的检测问题。同年美国的科学家H.Kwun与GL.Burkhard也通过试验，研究出了基于横向激励振动波检测钢丝绳的缺陷。1994年H.Kuwn深入研究了利用磁致伸缩效应检测钢丝绳缺陷，取得了一定进展。

华中科技大学的杨叔子、康宜华等，从上世纪80年代开始研究钢丝绳断丝检测技术，采用稀土永久磁铁作为励磁装置，使用集成霍尔组件和聚磁技术测量钢丝绳周围的漏磁场，用编码器实现等距离采样，在计算机中采用差分门限法识别断丝信号，这种系列的钢丝绳缺陷检测仪，在推广应用中反响很好。

4 无损检测技术的现状

4.1 钢丝绳局部缺陷的定量检测 局部缺陷的定量检测主要是对钢丝绳断丝的根数进行判断的。目前，检测断丝主要是利用漏磁通法，测量钢丝绳断丝后断口向外扩散的漏磁通大小。单根断丝漏磁通的大小与断丝在截面中的位置、断口长度、磁化的饱和程度、钢丝直径大小以及受力状态等很多不确定因素有一定关系。在被检区域内，如果只有分布在外表面的极少量断丝，那么判断起来较为简单。若是在同一截面，内外都出现很多根的断丝，且断丝在截面随机的分布，那么所检测到的断丝漏磁通峰——峰值不随断丝根数呈线性变化或其它形式的确定性变化，这给定量检测断丝缺陷带来较大误差。

4.2 钢丝绳截面积损失的定量检测 局部缺陷的定量检测相对的困难，其中美国、加拿大的学者们把注意力主要都集中在截面积损失的定量检测中。因此，采用积分检测线圈和基于霍尔元件的主磁通检测法可以定量测量截面积的损失，同时还可以通过基于霍尔元件的漏磁通法进行间接测量。其中，检测探头分辨率的高低是非常关键的性能指标，因此应深入研究的是怎样提高探头的截面积损失的轴向定量检测分辨率。

4.3 钢丝绳无损检测装置的研究 在钢丝绳电磁检测技术领域中，加拿大的能源技术中心和美国的NDT公司以及国内的华中科技大学处于领先的地位。1996年加拿大能源中心的研究小组完成了钢丝绳缺陷检测系统的工业现场实验。此系统数据存储量大，操作提示多，但是智能化程度相对较低，检测曲线仍需要操作人员解释。为了改变这一现状，美国的NDT公司研究出基于永久磁铁和积分线圈的钢丝绳截面积损失检测系统，但是该系统只能检测断丝缺陷。

5 存在的问题

综上所述，目前已有的钢丝绳无损检测存在的主要问题，就是我们说的反映检测的智能化程度、主观因素的影响以及检测结果的客观性和钢丝绳断丝损伤信息所采集的不完整性，这样无法对钢丝绳的钢丝损失做出具体、完整、准确的评估。因此，就需要我们研制出性能高、可靠性强的智能化检测仪器。

参考文献：

[1]杨叔子，康宜华，等.钢丝绳断丝定量检测原理与技术[M].北京：国防工业出版社，1995，7.

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基金项目：河北建筑工程学院科学技术研究基金资助（项目批准号Y-201314）。