基于无损检测结果的钢丝绳状态评价的研究初探
2021-12-17*李磊
*李 磊
(南通市产品质量监督检验所 江苏 226011)
对于钢丝绳安全评测来说无损检测作为重要环节,同时也是在钢丝绳内、外部损伤探测的重要手段,国内外针对钢丝绳维护和管理提出明确要求。比如由新西兰提出的客运索道应用规范,我国提出的架空索道用钢丝绳检验及报废规范,可以说钢丝绳无损检测目前已经成为旅游、矿产等多个领域中的重要构成。在目前钢丝绳无损检测方法中,磁性无损检测方法应用较广,该方法是通过粒子系统能够针对钢丝绳进行励磁,使其磁化饱和之后测量钢丝绳缺陷导致磁场变化情况,基于此来判断钢丝绳的缺陷程度及性质、位置等。本研究从钢丝绳检测实际情况出发,并以钢丝绳金属截面积损失为例,分析钢丝绳无损检测仪器检测结果以及状态评价。
1.钢丝绳缺陷描述
图1为典型钢丝绳的结构示意图。
图1
其是由绳芯、绳股、钢丝层共同构成的,其中绳芯能够起到储存油,润滑和支撑作用,包括天然纤维芯、金属芯、合成纤维芯等,绳股是钢丝绳构成的重要构成结构,其涉及三角股、圆股、椭圆股等形式,是钢丝绳的重要承载结构。钢丝绳本身的结构对于电磁检测产生的影响体现于磁化作用,由于钢丝绳结构不同,即金属填充系数不同,因此在磁化过程中对于励磁磁化能力的要求也会不同。通常8股高于6股绳,三角股绳一般高于圆股绳,金属芯绳一般高于非金属芯绳。从其结构上来看,对于电磁检测产生的影响体现于信号复杂度上,比如对于交互捻的绳来说,钢丝在绳股旋向和绳股在钢丝绳整体旋向不同,在检测过程中断丝形成的漏磁场较强,检测信噪比高,同向捻的绳来说,钢丝在绳股旋向以及绳股在钢丝绳整体旋向会形成一定夹角,因此在检测时断丝形成的漏磁场较弱产生,信噪比低,部分钢丝绳存在不同直径配丝,漏磁信号强度相比普通丝来说会更低,并且会增加断丝量化和识别难度。对于钢丝绳来说,由于结构不同导致的缺陷,数量类型也会存在差异,因此检测难度也不同,比如对于面接触钢丝绳来说一般为连续面磨损,对于线接触钢丝绳来说一般为连续线磨损,对于点接触方式上来说一般为不连续点磨损。此外,对于钢丝绳结构来说,在检测目标上对电磁检测产生的影响也会在差异,比如金属芯钢丝绳断丝可发生于内部或外部,而对于纤维绳芯钢丝绳来说断丝主要为外部,单层股钢丝绳断丝在外部,而多层股钢丝绳断丝在内部,点接触钢丝绳存在较多断丝,面接触钢丝绳磨损较多。对于电磁检测法来说,钢丝绳存在两种类型,缺陷包括IF缺陷以及IMA缺陷,其中lF缺陷表现为断丝,包括锈蚀、断丝、磨损、过载、疲劳短丝等。IF缺陷利用电磁检测是表现为突变漏磁场,一般漏磁场的强弱是与钢丝绳缺陷尺寸,分布性质具有一定联系的,检测难度通常是与钢丝绳缺陷形式和数量具有一定联系。对于IMA缺陷来说体现于较大缺陷影响区,一般位于轴向方向,尺寸长,相对来说IMA钢丝绳缺陷检测较为容易,但其轴向定位精度和分辨率较低。
2.钢丝绳状态评价基础
(1)失效模型
对于钢丝绳破坏原因来说可采取分为三种,包括磨损、腐蚀和疲劳,通常钢丝绳失效一般是多种因素共同作用导致的,钢丝绳失效除突发意外之外,一般表现为直径缩小、断丝或断股,会降低钢丝绳强度,使其达到强度极限值,而导致钢丝绳破坏。通常钢丝绳悬挂之后再使用一段时间,由于捻制结构限制,导致钢丝绳结构紧密,钢丝绳载荷分布均匀受力,钢丝彼此的应力抵消会从一定程度上使钢丝绳破断拉力增加,之后钢丝绳强度受到损失会使钢丝绳破断拉力强度降低,达到一定程度之后会突然断裂。结合钢丝绳实际情况,如图2所示为钢丝绳失效模型示意图。
图2
图2中纵坐标分别为钢丝绳强度和钢丝绳截面积,可采用100作为钢丝绳强度和截面积基准,用于表示在使用钢丝绳整个过程的具体变化。在使用钢丝绳时结合研究发现,绳失效表明在选择钢丝绳时倾向于选择系数法,需考虑钢丝绳抗弯曲,疲劳强度,抗冲击载荷强度等相关因素的影响。进一步分析钢丝绳破坏主要由于其抗拉强度,随使用周期增加,使其抗拉强度降低,在使用钢丝绳时其强度可表示钢丝绳整绳破断拉力。结合钢丝绳强度标准,如下公式所示为钢丝绳的整绳破断拉力。
式(1)中,钢丝绳所有钢丝破断拉力和为Sa,也被称为是集中破断拉力,钢丝绳系数为K,K值与钢丝绳结构润滑和受力情况具有一定联系。
对于钢丝绳钢丝之间接触应力能够根据赫兹公式分析,对于钢丝绳在未承受载荷作用力之前,如图3所示为钢丝间接触关系。
其接触面积为0。在钢丝受到压力后接触部位会出现变形如图3b所示,接触线为矩形,接触面接触点为椭圆形,接触面接触面各点对应变形量会按照规律产生接触应力。结合弹性力学研究表明,如果钢丝无磨损,这种情况下两钢丝间接触应力增加应力轴向分力反作用于钢丝绳轴向拉力中,最终钢丝绳整绳破断拉力低于钢丝所有的破断拉力总和,在钢丝上出现磨损时,接触面积增加,接触应力减小,接触应力的减小从一定程度上能够弥补钢丝绳磨损减小强度。根据公式,在整个钢丝绳有效使用过程中钢丝绳整绳破断拉力变化较小,但在后期使用过程中,由于赫兹应力减小为0,并且钢丝绳系数为固定值,钢丝磨损减小强度逐渐减小,减小接触应力无法抵消所增加的强度损失,会使钢丝绳失效,由于钢丝绳拉应力和弯曲应力具有复杂性,无法估计其对于钢丝绳强度产生的影响,因此无法利用无损检测法来判断钢丝绳整绳破断拉力。结合上述研究,钢丝绳破断强度无法表示其使用安全性,因此需验证钢丝绳的安全性能。
图3
(2)强度损失指标评价
假如P为钢丝绳的承载载荷,P能够在最大值范围内进行变化,钢丝绳整绳破断拉力为Sb,在Dbmin范围内如式(2)所示。
这种情况下表明钢丝绳能够实现安全使用。结合上述研究,如果钢丝绳为新绳,这种情况下钢丝绳润滑较好且未受损,因此k值最小,假设新钢丝绳整绳破断拉力为Sbnew,其中破断拉力为Sanew,那么钢丝绳整绳的破断拉力损失如式(3)所示。
钢丝绳最大破断拉力损失是钢丝绳强度的重要评价指标,其与钢丝绳破断拉力有一定差别,在钢丝绳使用时需要定期从钢丝绳中截取一段进行实验,由于操作方便性及可能性,因此研究学者所截取的钢丝绳无法确保其为钢丝绳的脆弱段,利用该数据进行钢丝绳强度判断是比较危险的,根据公式虽然能够基于钢丝绳破断拉力角度出发,以判断其使用情况,但只有求出多次检测钢丝绳强度损失最大数值,才能够评价钢丝绳状态。结合上述公式,钢丝绳最大强度损失主要是由于钢丝绳钢丝破断拉力的整体损失,从检测方面上来看,该公式能够排除无法测量的数值及钢丝绳系数,如果能够掌握钢丝绳每根钢丝破断拉力,则可获取钢丝绳状态。结合相关指标,利用有效检测仪器了解截面钢丝绳钢丝损伤情况,以及被检测钢丝全程损伤处分布情况,结合集中程度,能够判断钢丝绳全长最弱位置,有效截面积和强度降低量。
3.无损检测中钢丝绳状态评价分析
如图4所示为利用漏磁法进行钢丝绳断丝检测的原理。
图4
整个励磁回路是由空气隙、磁钢、衔体、钢丝绳共同构成的,磁钢能够为励磁回路提供磁化能量,进而使钢丝绳去饱和磁化作为铁磁性物质,钢丝绳断丝能够使部分磁阻发生明显变化,并且在附近空气中形成了励磁场。磁场元件可捕获漏磁场进行分析,进而掌握钢丝绳断丝情况。如图5所示为密封钢丝绳断丝检测探头的结构示意图。
图5
利用永磁磁化的方式作为传感器漏磁场,可通过或器件进行测量,无损检测仪器断丝检测精度是与钢丝绳磁化断丝和结构具有一定联系的,由于钢丝绳结构具有复杂性,并且电磁场具备非线性,因此断磁检测难度是比较大的。研究学者利用模糊数学小波分析,神经网络等多种方法进行断丝量化识别并获得一定成果,然而对于钢丝绳断丝量化检测精度仍会受到一定程度的限制。通过研究发现,影响钢丝绳断丝量化精确度的因素包括信号处理能力,磁场测量方法,磁化能力和信号识别算法。断丝形成的磁场包括钢丝内部磁场和钢丝外部漏磁场。目前可利用数值法表示公式内部磁场研究,该方法能够模拟多种实验条件,修改参数,以制作各种类型的缺陷,基于有限元分析法,利用有限元分析软件,并仿真钢丝内外部磁场利用数据分析平台,即matlab软件进行分析。
(1)断丝检测结果评价
结合研究发现,对于钢丝磨损以及无锈蚀均会使钢丝绳抗拉强度不降低,根据多个研究结果表明,新钢丝绳与旧钢丝绳破断力基本无明显变化,主要由于多种因素存在或个别钢丝存在疲劳裂纹会导致钢丝绳破断力有一定程度较低,这种情况下钢丝拉断力降低,只能控制在5%的范围内。由于钢丝绳抗拉强度降低量较少,因此集中破断力降低是由于钢丝导致钢丝绳有效截面积减小,因此有效金属面积减少程度会使集中破断力也相应减少,而事实上钢丝绳断丝并不会在同一截面中形成。结合钢丝绳捻制断丝情况可判断钢丝绳强度损失情况,如果能够忽略钢丝抗拉强度的变化,可用下列公式来表示新钢丝绳与具备断丝的钢丝绳强度损失情况。
式中,金属截面积损失系数用f%进行,表示即捻距内钢丝断丝面积占所有钢丝断面积的比例。
(2)磨损检测结果评价
对于钢丝绳来说其磨损包括变形、内部和外部磨损这三种类型,典型外部磨损,包括圆周和单周磨损,这种类型的磨损均会导致钢丝绳有效金属截面积有一定程度减小,对于变形和内部磨损来说,通常与钢丝绳锈蚀同时发生,并且其对于钢丝绳金属截面积产生的影响较小。利用磁信号检测时特征不明显,因此研究学者提出对于钢丝绳内部磨损及磨损检测以及评价难度较高,需根据其他因素进行分析。
结合钢丝绳破断实验研究发现,沿着钢丝圆周磨损的基础上,如果钢丝磨损度较小,这种情况下断面积减小率是与钢丝绳强度降低率基本一致的,当钢丝绳磨损程度增加之后,钢丝绳强度降低上升加速,在处于局部磨损的基础上,钢丝破断之后,断面积减少率是与钢丝绳强度降低率基本一致的。通过分析磨损对钢丝绳强度产生的影响,结合公式对于钢丝绳磨损强度可分为两个方面。第一,利用钢丝绳直径测量仪,从多个方向对钢丝绳直径进行测量,如果在不同方向上钢丝绳直径变化基本一致,则为圆周磨损,在某两个方向上钢丝绳直径变化量相差较大,这种情况下可认为其属于单周磨损。如下公式所示为钢丝绳单周磨损时钢丝绳强度损失计算公式。
式中,单周磨损导致钢丝绳最大破断拉力损失为LBS%max,钢丝绳集中破断拉力损失为LAS%,钢丝绳截面积损失为LMA%。而相对钢丝绳圆周磨损情况来说需要综合考虑。公式(6)为钢丝绳圆周磨损导致钢丝绳强度损失计算公式。
(3)锈蚀检测结果评价
通过实践研究发现,钢丝绳锈蚀对于其强度产生影响较大,并且影响程度高于钢丝绳磨损和断丝产生的影响,由于当前实际生产需要矿井一般采用线接触结构或者异形股结构的钢丝绳,大多数矿井在换绳过程中断丝基本一致,由于钢丝锈蚀对其强度产生影响,相对钢丝磨损和断丝较为严重。目前对于钢丝锈蚀未找到合适的方法来进行度量化,结合实践经验,当钢丝绳发生轻微锈蚀或点蚀,这种情况下可通过局部截面积损失信号进行检测,如果钢丝绳出现严重锈蚀,这种情况下可利用截面积损失信号反应,结合该现象提出综合截面积损失检测信号以评价钢丝绳状态。第一,需要在钢丝绳中任意选取一段,并对该段信号标定确定截面积损失信号极限,如果钢丝绳出现锈蚀缺陷,这种情况下由于锈蚀不均匀,因此钢丝绳不同位置磁性能会发生变化,能够利用局部截面积信号进行表示,则表现为突变信号增加,在股波信号中所叠加的背景噪声频率增加,结合局部截面积信号可发现断丝根数较多,由于断丝信号实际状态并未表示出断丝,因此由于钢丝绳锈蚀缺陷,导致研究学者误判为钢丝绳断丝,可将其作为当量断丝,利用断丝定量识别软件,可识别对应的当量断丝面积。第二,钢丝绳会使磁化段中钢丝绳金属截面积降低,进而降低导磁性能,由于钢丝绳腐蚀具备复杂性,其对于钢丝绳机械性能产生的影响明显高于磨损和断丝影响,因此可通过圆周磨损强度公式来表示钢丝绳锈蚀导致的强度损失情况。
4.小结
无损检测的方法和仪器对于钢丝绳使用来说具有重要意义。对于无损检测的方法和仪器评估是十分重要的。本研究深入分析电磁无损检测方法,对于其缺陷表达和性能评估进行系统分析研究。除此之外,在该项研究提出了钢丝绳状态评价公式,该公式中含有多种经验因素,但可通过数学公式进行推导,该方法能够为钢丝绳维护人员获取检测结果,同时对于钢丝绳使用评价提供理论基础。