基于虛擬儀器大型軟件的吊車鋼絲繩安全檢測的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于虛擬儀器大型軟件的吊車鋼絲繩安全檢測新方法，本系統由虛擬儀器及其專用動態分析軟件與計算機，勵磁裝置和磁場的磁檢驗檢測弱磁傳感器及其實時數據傳輸系統三大單元組成。
【專利說明】基于虛擬儀器大型軟件的吊車鋼絲繩安全檢測
[0001]一種吊車鋼絲繩安全檢測虛擬儀器，其特征是，依靠“軟件就是儀器”的新觀念，本系統由虛擬儀器及其專用動態分析軟件與計算機，勵磁裝置和磁場的磁檢驗檢測弱磁傳感器及其實時數據傳輸系統，三大單元組成。
[0002]【技術領域】:本發明涉及虛擬儀器和勵磁與磁檢【技術領域】。
[0003]【技術領域】:本發明涉及虛擬儀器、勵磁和弱磁檢測【技術領域】。
【背景技術】:
[0004]1.起重設備是機械、冶金、建筑、港口、運輸、鐵路、水利、化工、石油、國防等領域普遍使用的一種重要設備。其主要任務是起吊重物和設備。起重設備均是由鋼絲繩提升和下放來起吊重物和設備。由此可見，鋼絲繩運行的安全與否，直接關系到起吊重物和設備的安全。因此為了保證鋼絲繩的安全運行，在我國的強制國家標準GB6067-85《起重機械安全規程》、GB5144-94 (代替GB5144-85)《塔式起重機安全規程》和GB5972-86《起重機用鋼絲繩檢驗和報廢實用規范》以及《電動葫蘆安全檢驗標準》中對鋼絲繩檢驗和報廢都做出了明確規定。以此來加強和保證鋼絲繩的安全使用。而目前起重機用鋼絲繩的檢驗主要還是靠人工檢查，為了確保安全，只能定期或提前報廢鋼絲繩。這給起重機用鋼絲繩安全使用帶來很大隱患，同時也給用戶造成很大浪費。而用儀器檢測起重機用鋼絲繩客觀、準確、效率高，因此應用儀器檢測是非常必要的。目前國內、外雖推出了一些不同的檢測儀器，但由于國外儀器昂貴，國內儀器又不能滿足用戶要求，因此給儀器在這一領域的應用帶來了很大的困難。
[0005]2.起重機用鋼絲繩的主要缺陷:
[0006]2.1 磨損
[0007]鋼絲繩在操作時與其它物體接觸并有相對運動，產生摩擦。在機械的、物理的和化學的作用下，鋼絲繩的表面不斷磨損。磨損是鋼絲繩最常見的損傷方式，一般分為外部磨損、變形磨損和內部磨損三種情況。磨損鋼絲的典型斷面形狀:
[0008]a)外部均勻磨損b)變形磨損c)內部磨損
[0009]2.1.1外部磨損
[0010]鋼絲繩在使用過程中其外周與滑輪槽、卷筒壁、鉤頭等物體表面接觸而引起的磨損屬于外部磨損。在外部磨損后繩徑將變細，外周表面的細鋼絲被磨平。鋼絲繩的外部磨損使承受載荷的鋼絲截面積減小，鋼絲繩的破斷載荷也相應降低。通過試驗得到單周磨損較全周磨損更惡劣，所以應盡可能使單周磨損的鋼絲改為全周均勻磨損。
[0011]2.1.2變形磨損
[0012]由于振動、碰撞造成的鋼絲繩表面撞損，叫做變形磨損，這是一種局部磨損現象。如卷筒表面的鋼絲繩受到其它物體的撞擊，起重機起升鋼絲繩相互打纏，或者由于滑輪與卷筒中心偏斜而產生的咬繩現象，都會使鋼絲繩產生變形磨損。這種變形磨損因局部擠壓而變形，其鋼絲橫斷面在擠壓處向兩旁伸展成翅形。從外表看，鋼絲寬度擴展，雖鋼絲繩截面積減小不多，但局部擠壓處的鋼絲表面材質硬化了，極易斷絲。
[0013]2.1.3內部磨損[0014]在使用過程中，鋼絲繩經過卷筒或滑輪時所承受的全部負荷壓在鋼絲繩的一側，各根細鋼絲的曲率半徑不可能完全相同。同時，由于鋼絲繩的彎曲，鋼絲繩內部各根細鋼絲就會相互產生作用力并且產生滑移，這時股與股之間接觸應力增大，使相鄰股間的鋼絲產生局部壓痕深凹。當反復循環拉伸彎曲時，在深凹處則產生應力集中而被折斷，構成了內部磨損。通常細鋼絲表面的壓力與鋼絲繩的壓力成正比，在張力相同情況下，由于受壓面積不同，單位面積承受的壓力也不同。從表面受壓磨損來看，采用線接觸鋼絲繩比采用點接觸鋼絲繩有利，采用面接觸鋼絲繩比采用線接觸鋼絲繩更有利。此外，鋼絲繩的彎曲程度、運動速度，對鋼絲繩的內部磨損均有影響。很明顯，選擇線接觸或者面接觸類型的鋼絲繩是減少內部磨損的有效途徑。
[0015]2.2 疲勞
[0016]鋼絲繩在使用過程中主要承受彎曲疲勞和拉伸、扭曲、振動引起的疲勞。
[0017]2.2.1彎曲疲勞
[0018]鋼絲繩重復通過滑輪或卷筒中繞上繞下，無數次的彎曲，容易使鋼絲產生疲勞，韌性下降，最終導致斷絲。而疲勞斷絲出現在股的彎曲程度最厲害的一側外層鋼絲上。通常情況下，疲勞斷絲的出現意味著鋼絲繩已經接近使用后期。
[0019]試驗表明，鋼絲繩的彎曲疲勞壽命與D / d比值(即卷筒直徑D與鋼絲繩直徑d的比值)、安全系數和鋼絲繩結構均有密切的關系。
[0020]2.2.2拉伸、扭曲和振動引起的疲勞
[0021]起重機鋼絲繩在起動和制動的始末，捆扎鋼絲繩在承受載荷的前后，變化的拉伸應力會引起金屬疲勞。此外，鋼絲繩經常受到扭曲和振動也是產生疲勞的原因。
[0022]疲勞損傷的原理是在變應力的作用下，細鋼絲表面首先由于各種滑移形成初始裂紋，然后裂紋尖端在切應力的作用下反復塑性變形，使裂紋擴展直至斷裂。其疲勞引起的斷絲一般斷口平齊，多半出現在表層鋼絲上，它們很有規律。
[0023]2.2.3防止鋼絲繩疲勞損傷的途徑
[0024]I)在條件許可的情況下，應盡可能將卷筒和滑輪的直徑加大。
[0025]2)在安排滑輪布局時，應盡量避免將鋼絲繩反向彎曲。試驗數據表明，反向彎曲的破壞約為同向彎曲的2倍。
[0026]2.3 銹蝕
[0027]鋼絲繩一般在露天使用，日曬雨淋會使鋼絲繩腐蝕，尤其是在有害氣體與惡劣環境下使用的鋼絲繩，腐蝕造成的損傷就更嚴重。因腐蝕而受損的鋼絲繩表面存在氧親和性的差異，使表面的某一局部金屬成為陽極，另一鄰近的局部金屬成為陰極，形成了大量的小電池。在小電池的作用下，表面便形成很多圓形腐蝕坑，并逐步加深。這些坑就成了應力集中點、疲勞裂紋的源泉。與此同時，腐蝕使鋼絲繩的截面積減小、彈性和承受沖擊的能力降低。
[0028]防止鋼絲繩銹蝕損傷的方法有兩種，一種是勤涂油，對于經常處于運動狀態的鋼絲繩涂油是必不可少的。新鋼絲繩麻芯一般含有12%?15%的油脂，而報廢的鋼絲繩在損耗最大的部位僅含2.4%的油脂，在同一根鋼絲繩的繩端，即使沒有經過滑輪也仍含有
12.7%?14.5%的油脂。試驗表明，涂油鋼絲繩在試驗后期發生的斷絲約為不涂油的半數。一根鋼絲繩最初的含油量只能維持壽命的40%，其后如不加油則斷絲急劇增加。二是對使用環境惡劣、相對運動較少的鋼絲繩，可選擇鍍鋅、鍍鋁等特種鋼絲繩。這些鋼絲繩暴露在大氣中的鍍鋅或鍍鋁表面會形成氫氧化鋅和氧化鋁薄膜，能有效地防止鋼絲繩的腐蝕。
[0029]2.4 變形
[0030]很多斷繩事故是因為鋼絲繩事先受到過變形損傷而沒有引起人們的足夠重現，結果釀成大禍。變形的主要原因有以下幾種:
[0031]2.5 外傷
[0032]在操作過程中，鋼絲繩與其它設備不正常的接觸容易造成外傷。最明顯的外傷是鋼絲繩在滑輪里滑槽，在卷筒上跳出擋板，結果常常使幾十米乃至數百米的鋼絲繩因為局部軋壞而報廢。
[0033]防止鋼絲繩外傷的關鍵在于完善起重機設備。滑輪應設置可靠的防滑槽擋圈，擋圈與滑輪外圈的間隙不大于鋼絲繩直徑的I / 5。卷筒上的鋼絲繩不能松弛太多，以防繩圈跳出擋板在纏緊時軋壞。
[0034]2.6 壓潰
[0035]鋼絲繩在卷筒上卷亂后容易產生壓潰現象。鋼絲繩在卷筒上卷亂時，相互傾軋，在操作時會發出“嘎吱嘎吱”的聲響。由壓潰造成的鋼絲繩損傷會在局部迅速出現斷絲與壓扁的痕跡。
[0036]防止的措施是應按設計規范選擇滑輪與卷筒的偏角，必要時可在起升機構中設置排繩器或者壓繩裝置，防止鋼絲繩出現卷亂現象。
[0037]2.7 扭結
[0038]鋼絲繩在局部扭曲后產生的永久變形叫做鋼絲繩扭結。扭曲的方向與鋼絲繩旋向一致的稱為正扭結，反之稱為負扭結。普通鋼絲繩帶有自轉性，如果繩股的端部不加捆扎便施加張力，則繩股會向倒捻方向旋轉，這是造成鋼絲繩扭結的內在因素。鋼絲繩在扭結后，經過多次起吊受載，也只有局部繩芯外露，一般沒有斷絲現象。但試驗表明，鋼絲繩在扭結損傷后強度將顯著降低。正扭結的強度只有原強度的60%?80%，負扭結的強度還不到原強度的50%。嚴重時強度將降低到只有原來的10%?20%。
[0039]防止鋼絲繩扭結可采取以下措施:
[0040]I)在重要的起重設備上選用不旋轉鋼絲繩。
[0041]2)在鋼絲繩的自由端設置轉子(也稱防轉裝置)。
[0042]3)加強操作人員工作責任心，發現扭結跡象立即停止操作，釋放還原。
[0043]2.8 咬繩
[0044]鋼絲繩咬繩損傷現象一般發生在多層卷繞的起重機卷筒上，有槽雙層卷繞的起重卷筒更甚。
[0045]2.9 過載
[0046]鋼絲繩隨著載荷的增加會有微量的伸長，當載荷超過彈性極限時，鋼絲繩就可能斷裂。通常把鋼絲繩承受的靜載荷控制在破斷載荷的I / 10?I / 5，叫做安全負荷。安全負荷表示的是鋼絲繩允許承受的額定靜負荷。但鋼絲繩實際上往往處于運動狀態，鋼絲繩在工作時除了要承受貨物、吊物、自重等靜載荷外，還要受到因加速度和沖擊引起的動載荷，因彎曲引起的附加載荷，因摩擦引起的阻力載荷等等。由此可見，當除了靜載荷以外的其它載荷增多時，實際的安全系數就降低了，鋼絲繩往往由此而引起過載。[0047]因過載而破斷的鋼絲繩，其斷口呈松散狀，6股的鋼絲繩斷口位置大多數不在一起，繩芯外露，這是鋼絲繩因過載而斷裂的特征。過載的鋼絲繩即使不發生斷裂事故，也會大大地縮短使用壽命。
[0048]本發明為了克服上述現有技術的不足，提供了 一種基于虛擬儀器大型軟件的吊車鋼絲繩安全高速檢測新方法。
[0049]五、本發明所采用的技術方案是:虛擬儀器和勵磁與磁檢技術的合理組合，與現有技術相比，可以更高速、更多點、更大范圍、更精確、人機對話更簡便可以無人值守自動檢測、自動報警、自動遠傳、自動打印符合行業標準的檢測報告。其核心是依靠大型豪華國際標準的虛擬儀器專用軟件來實現的。
[0050]鋼絲繩是無限不確定長、結構復雜的受測對象，采用傳統方法的模擬量儀器檢測結果曲線，如斷續顯示的PPT，唯有由計算機直接采樣和快速處理的虛擬儀器，才能如同連續顯示的電影。
[0051]電磁無損檢測法的技術發展已有數十年歷史，但傳統的檢測方法仍然廣泛地使用。近年由于在線檢測鋼絲繩的技術急劇發展，應用軟件取代傳統的虛擬技術，成功地研發了本發明的在線檢測鋼絲繩系統。
[0052]六、具體實施作法:
[0053]一、鋼絲繩漏磁法的傳感器檢測方法是，用以磁場沿鋼絲繩軸向磁化鋼絲繩，一旦鋼絲繩存在缺陷，當其通過這一磁化場時，則會在鋼絲繩表面產生漏磁場，或者引起鋼絲繩磁路中的磁通量變化，運用組合整磁聚磁元，將磁漏場與磁通量變化信號均化、聚集匯集和導向，磁敏元件就可以獲得理想的鋼絲繩缺陷信號。通過測量鋼絲繩表面局部區域中的漏磁場，就可以判斷鋼絲繩斷絲、銹蝕等引起的局部突變缺陷，成為局部缺陷檢測法。經過鋼絲繩漏磁法檢測后鋼絲繩是基本不會出現質量問題的！
[0054]通過鋼絲繩磁化回路中主磁通的變化情況，鋼絲繩漏磁法檢測方法就可以判斷腐蝕銹蝕等引起鋼絲繩橫截面重金屬界面總合變化的缺陷和不足的地方，就叫做截面損耗性檢測法。鋼絲繩漏磁法檢測方法檢驗裝置是由兩大部分組成，第一個是勵磁裝置和磁場的磁檢驗裝置。勵磁裝置對鋼絲繩磁化的程度直接關系到缺陷能否被檢查出以及探傷傳感器的體積和重量，一般均采用將鋼絲繩磁化接近飽和的程度。第二是由磁檢測裝置是探傷傳感器的關鍵部分，關系著缺陷的空間位置分辨率、程度分辨率、信噪比以及靈敏度等多種參數！微型鋼絲繩探傷檢測傳感器體重量僅為1.8kg，為傳統探傷設備的I / 6-1 / 25 ;傳感器靈敏度最高可達5v / G，比傳統探傷儀靈敏度高7-25萬倍；傳感器與被測物體距離20-30mm，實現了非接觸式寬距檢測，不受鋼絲繩油垢、一般翹絲和運行速度影響，檢測通過能力極強；獨特的自解鎖功能，確保設備在檢測過程中安全；
[0055]二、由傳感器傳遞的模擬量，經虛擬儀器高速A/D轉換成數字量，通過大型豪華國際標準的虛擬儀器專用軟件實時分析處理，可以實現自動報警、自動遠傳、自動打印符合行業標準的檢測報告。百兆高頻的虛擬儀器可以同時管理百余個同類傳感器。
[0056]這樣就可準確預測鋼絲繩使用壽命，有效預防鋼絲繩斷繩事故發生，成倍減少鋼絲繩檢測時間，檢繩時不影響正常生產。
[0057]某煤礦主井鋼絲繩提升時檢測現場
[0058]圖1為磁化鋼絲繩勵磁裝置和磁場的磁檢驗裝置；[0059]圖2為現場用的虛擬儀器；
[0060]圖3為虛擬儀器屏現的軟件。
[0061]磁檢測應用于鋼絲繩斷絲損傷檢測，最關鍵的技術是對漏磁信號的采集、分析處理及定量識別。在對電磁檢測技術、信號分析處理技術和虛擬儀器技術研究基礎上，利用LabVIEW完成鋼絲繩損傷檢測系統的軟件設計，包括檢測信號的采集，基于小波理論的濾波處理，特征值提取，基于BP神經網絡的損傷定量識別四部分。最后，通過實驗驗證了此檢測系統的有效性，為鋼絲繩電磁檢測提供了新思路。能在線檢測電梯、起重機鋼絲繩內外部斷絲、磨損、銹蝕、變形、松股、跳絲、材質變化等各種缺陷功能。能檢測局部損傷(LF)和金屬橫截面積變多根同時檢測型的傳感器可根據鋼絲繩的直徑和間距，均能做相應的調整，適合檢測條件。對多根并列的電梯鋼絲繩能單根或多根一次性檢測出每根鋼絲繩的各類缺陷，并能分別自動存儲每根鋼絲繩的檢測數據。
[0062]可達到的技術指標:
[0063].檢測鋼絲繩直徑范圍:Φ 1.5-300mm
[0064]?傳感器與鋼絲繩相對速度:0.0-6.0m / s最佳:1.0m/ S。
[0065].斷絲缺陷(LF)檢測能力:定性:單位集中斷絲定性檢測準確率99.99%。定量:單處集中斷絲根數允許有一根或一當量根誤判，單處集中斷絲根數無誤差定量檢測100次以上準確率≥95%。
[0066].金屬截面積變化(LMA)檢測定最變化檢測能力:檢測靈敏度重復性允許誤差:±0.05%。檢測精度示值允許誤差:±0.2%。
[0067].位置(L)檢測能力:檢測長度示值百分比誤差:±0.3%。
[0068].環境溫度:-l(TC ~4(TC。
【權利要求】
1. 一種具有4個獨到特征，超小型的磁化鋼絲繩勵磁裝置和磁場的磁檢驗裝置。
2.依靠大型豪華國際標準的虛擬儀器專用軟件實時分析處理。
3.百兆高頻的虛擬儀器可以同時管理百余個同類傳感器，這樣就可準確預測鋼絲繩使用壽命，有效預防鋼絲繩斷繩事故發生，成倍減少鋼絲繩檢測時間，實現了多點遠程實時同步遙測。
4.為吊車鋼絲繩安全檢測提供了更安全、更高速、更可靠的保障、操作更簡單，較此前的傳統方案更經濟實用。
【文檔編號】G01N27/83GK103487499SQ201310436444
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月24日 優先權日:2013年9月24日
【發明者】戴景民, 王慧民, 程紹艷, 萬福治 申請人:王慧民