機械廠起重設備鋼絲繩安全的技術探討

摘要：本文根據國家特殊設備安全監察案例的規定，通過多年來對機械廠起重設備鋼絲繩安全的調研，基于當代測控領域最先進的虛擬儀器技術，從技術研究的角度，提出保證鋼絲繩運行安全的解決方案。

關鍵詞：機械廠；起重設備；鋼絲繩；安全；技術探討

1機械廠起重設備鋼絲繩的不安全因素

近十年來，中國的機械工業飛速發展，機械廠的規模不斷擴展，數量逐年增多，每個機械廠又擁有各種型式的起重設備不計其數，根據國家特種設備安全監察條例和相關標準的規定，每二年起重機必須由國家法定檢測單位進行法定檢測，至于其中的鋼絲繩在法定檢測中只是應用傳統的目視，所以鋼絲繩的內部缺陷是無法實現的。

許多機械廠為了保證起重機命根子的鋼絲繩的安全，一是加強日檢、月檢，也就是由保養工應用眼看、手摸、尺量的方法，按鋼絲繩的報廢標準每天或每月進行一次人工檢查，二是依據檢修工長期積累的經驗，不管鋼絲繩狀態如何，定期報廢。

但是，鋼絲繩內部的斷絲、銹蝕等缺陷，人工方法是無法找到的，如果日檢和月檢的疏漏，斷繩事故就會不期而遇，安全的隱患很大。2007年4月18日，遼寧鐵嶺汾清河特鋼公司鋼絲繩接頭問題引起鋼包脫落，32人死亡；緊接著4月26日重慶建渝鋼鐵公司又發生同樣的鋼包脫落，車間主任遇難，這是公開報道的。最近，四川有家電機廠，連續發生行車鋼絲繩突然斷裂，經濟損失巨大，因沒有人死，新聞媒體也不知情。

再說到機械廠，特別是車間起重機，每天的工作頻率高，運行時間長，而且是露天作業，鋼絲繩承受著日曬、雨淋，還有雷擊的可能，因鋼絲繩內部斷絲引起的突然斷繩事故時有發生，這一重大的不安全因素始終困擾著機械廠的管理者。

2機械廠起重設備鋼絲繩狀態分析

材質缺陷是指鋼絲繩可預見的遭遇淋水、粉塵、含硫氣體和機械運動、潤滑失效的影響，而對應發生腐蝕生銹和應力集中，引起斷絲（LF）；鋼絲繩內部絲與絲之間在運動中的相互磨擦，外部絲與滑輪、滾筒、乃至地表的相互磨擦，從而發生磨損、變形、松股引起的金屬截面積變化（LMA）。

結構缺陷是指鋼絲繩在不可預見的外力作用下發生的各種變形、松股、跳絲等結構異化（SF）。

材質缺陷和結構缺陷的發生在鋼絲繩的使用中均有一個臨界點，它們達到臨界點的時間有差異，但當使用時間超過其臨界點時，兩種缺陷的惡化程度都加速發生，最后導致斷繩。

此外，美國研究人員對8000多個鋼絲繩使用現場采樣分析，大約10%其強度損耗超過15%，2%其強度損耗超過30%，而從已更換下來的鋼絲繩中70%以上僅有限少甚至沒有強度損耗；日本的統計結果是，一半以上的報廢鋼絲繩強度達到新品的90%。

3基于虛擬儀器技術的鋼絲繩電腦探傷儀

鋼絲繩是結構復雜、可看作無限不確定長的構件應用傳統儀器處理傳感器采集的缺陷信號，因其速度慢，信號又是模擬量，必然發生漏檢和誤檢，所以近百年來，鋼絲繩的在線檢測探傷問題，一直沒有很好的解決。

隨著計算機電腦技術的飛速發展，虛擬儀器概念的逐步形成，鋼絲繩探傷找到了有效的解決路徑。

3.1. 深度磁化達到飽和

如圖3所示，當受測鋼絲繩通過傳感器時，傳感器中的高磁積能稀土釹鐵硼永久磁鋼軸向、快速、深度磁化鋼絲繩，并達到磁飽和。

3.2. 信號采集數模轉換

鋼絲繩中的斷絲和銹蝕缺陷會產生向外泄露的漏磁場；環狀聚磁器將空間分布的強弱漏磁信號聚集，均化并將其引導到周向等方位布置的多個霍爾元件列組合的檢測回路中，定義為LF。如圖4。

鋼絲繩中的銹蝕和磨損引起的金屬截面積的變化使磁橋回磁路的平衡破壞，磁橋路的磁通量發生變化；由于霍爾元件置于磁橋路的平衡點，它能接受每一個磁通量微小變化的信號，定義為LMA。如圖所示。

鋼絲繩與傳感器相對位移由等空間采樣的光電編碼器獲取，定義為L 。

上述連續密集的LF、LMA、和L信號通過數模轉換，并壓縮輸入計算機。

3.3. 數學模型分析處理

所謂虛擬儀器就是以軟件取代傳統儀器，對傳感器采集的信號進行分析處理，其中最關鍵的就是必須建立有效的數學模型。

如圖6所示，鋼絲繩電腦探傷儀軟件設計的數據模型是建立在LF（斷絲銹蝕等）、LMA（磨損、金屬截面積變化、變形、松股等）和L(傳感器通過鋼絲繩的距離位置)的三維空間之中，根據理論計算，大量的實驗室試驗數據的統計和各種不同現場使用的樣本篩選，從而取得最小離散率的實時處理模型。

基于這一模型對從新的受測鋼絲繩內外部缺陷的數字信號進行反演計算，從而獲得準確的鋼絲繩中的全部缺陷的定性波形和定量數值。

最終的檢測報告可以明確告之，哪里斷絲、斷幾根，哪是磨損、磨損多少，與標準規定一一對應，實現了定性定量定位的檢測，避免了漏檢和誤檢。

4 法定監測、專項檢測和保養檢測

根據GB6067《起重機安全規定》國家標準規定，機械廠起重機設備每二年接受一次法定檢測。但是，多年來由于沒有可用的儀器，對其中的鋼絲繩只是用人工方法一般檢查，難以排除鋼絲繩的隱患。近幾年，隨著科學技術的進步，鋼絲繩電腦探傷儀日趨成熟可靠，并列入各省市特種設備監督檢驗單位的必備儀器。特別是上海幾所大學和幾家研究單位共同研發的MTC產品已經被寶鋼、通用汽車、袞州煤業、洋山深水港等特大型企業接受；上海、北京、天津、重慶、珠海等全國幾百家法定檢測的單位也選定基于虛擬儀器技術的MTC產品。

由2003年開始，珠海和上海、蘇州、黑龍江等幾十家特檢院所將機械廠起重設備的鋼絲繩列入專項檢測，也就是在法定檢測中發現鋼絲繩重大疑似缺陷，則應用MTC鋼絲繩電腦探傷儀進行專項檢測，近幾年的實踐中每次消除了事故隱患，避免了事故發生。

機械廠的起重設備很多，各種規格的在役鋼絲繩很多，法定檢測和專項檢測是難以覆蓋，所以特檢單位常常推薦機械廠采購可用的監測探傷儀器進行保養檢測。

歐美發達國家要求設備使用風險趨于零，對于鋼絲繩是依據ISO4309《起重機械用鋼絲繩檢驗和報廢使用規范》，包括機械廠的各行業起重機械鋼絲繩由設備管理部門每月進行一次應用科學儀器的檢測，事故隱患極大減少而且鋼絲繩的使用周期也極大增加。

5 保證在役鋼絲繩安全的技術兌現

從近幾年來特檢院所對機械廠起重設備鋼絲繩安全的監察工作中發現，雖然電腦技術日益普及，但是從特檢人員到機械廠的維修保養工的技術水平參差不齊，即使如MTC鋼絲繩電腦探傷儀的操作十分簡單，目前要使他們快速掌握還是困難的。

檢測探傷儀器如同醫院中X光CT機一樣，醫院里的分工是，用CT機的人出報告，而病癥的判斷由臨床醫生實施，而檢測探傷儀，能用的不一定能很好的診斷，還需要許多臨床現場知識和經驗的不斷學習和積累，為保證機械廠在役鋼絲繩安全，應用科學儀器的技術兌現可操作的解決方案是：建立全廠起重設備鋼絲繩數據庫；選購可用的鋼絲繩檢測探傷儀器；指定專門的使用者；先行\"掃描\"，對全廠進行一次普檢；根據起重設備環境條件和重要性確定檢測同期；積累經驗，學習提高；與法定檢測的特檢院所連網。

以此方案，機械廠起重設備鋼絲繩的安全是可以保證的，風險是能趨于零的。

參考文獻

[1]王顯政《美國煤礦安全監察體系》，北京，煤炭工業出版社，2003