礦用提升機鋼絲繩損傷檢測裝置的設計

靳志強

（山西中能華信礦業技術有限公司，山西 太原 030032）

引言

鋼絲繩具有抗拉強度和抗疲勞強度高、彈性好、重量輕、性能穩定等特點，被廣泛應用于交通運輸、煤礦、港口等行業。煤礦用提升機運行時，鋼絲繩為關鍵部件，在使用過程中承受載荷沖擊、疲勞應變、腐蝕、磨損等，會出現磨損、銹蝕以及斷絲等損傷現象，影響提升機正常工作，危及礦工生命安全。因此，對鋼絲繩進行損傷檢測成為煤礦安全檢測的重要組成部分[1-2]。傳統的鋼絲繩損傷檢測方法有人工目測、手摸檢查等，該方法費時費力，檢測效果較差，容易造成鋼絲繩提前報廢，浪費資源的問題[3-4]。隨著檢測技術的不斷發展，鋼絲繩損傷檢測逐漸向智能化、信息化方向發展，將超聲波檢測、射線檢測、光學檢測、渦流檢測、聲發射檢測、光纖光柵檢測、電磁檢測等方法應用于鋼絲繩的損傷檢測中。在實際應用中發現，上述檢測方法或存在受外界干擾影響過大、檢測精度較低、實現復雜等因素，未得到廣泛應用。因此，設計一套適用性強、智能化程度高的礦用提升機鋼絲繩損傷檢測裝置，以保證煤礦生產順利進行。

1 損傷檢測原理分析

礦井提升機鋼絲繩的損傷種類主要有兩種，即局部缺陷型LF 和截面積損耗型LMA。LF 損傷是指鋼絲繩出現局部斷絲、形狀異常以及銹蝕等，在軸線方向發生快速縮減。LMA 損傷是指鋼絲繩橫截金屬面積總和減少，如銹蝕、磨損、直徑減小等，在軸線方向變化緩慢。LF型斷絲損傷最為常見，危害性也最大，疲勞、磨損、銹蝕、剪切等都是斷絲損傷的誘因。長時間使用礦井鋼絲繩時會發生磨損，致使繩徑變細，如外部均勻磨損、變形磨損、擠壓磨損等都是磨損損傷的誘因。銹蝕主要是由于加注的潤滑油與水、油泥等物質長時間包裹誘發并加劇鋼絲繩的腐蝕。最為常用和有效的鋼絲繩損傷檢測方法為霍爾漏磁檢測方法[5-7]，其原理是通過霍爾元件測量鋼絲繩外環多點三周方向的磁場，構成霍爾傳感環形空間陣列，實現周向無漏檢掃描檢測，建立鋼絲繩漏磁場空間矢量關系，從磁場方向、相位、周期、幅值等特征值綜合分析鋼絲繩損傷處。霍爾檢測基本原理電壓信號計算公式如式（1）：

式中：KH為霍爾元件系數，為定值；I 為流經鋼絲繩的電流，A；Bcosθ 為霍爾元件檢測表面的垂直磁場分量，T。從式（1）可知，當KH、I 一定時，被測鋼絲繩的電壓信號隨Bcosθ 線性變化，與霍爾傳感器的速度無關。

2 損傷檢測裝置硬件設計

2.1 總體方案設計

基于鋼絲繩損傷處漏磁場特征，應用霍爾傳感器分析被檢測鋼絲繩軸向、周向以及徑向三軸磁場。設計的檢測裝置需滿足：可獨立檢測外環任意一定三軸磁場，霍爾傳感器需小巧、時延小、精度高；信號調理電路轉換的電壓等級需靈活可變，可滿量程采集；數據處理能力需強大且有濾波等處理算法[8]。為滿足上述要求，鋼絲繩損傷檢測裝置總體設計方案如下頁圖1 所示，由DSP 數字信號處理單元和空間漏磁信號采集單元兩部分組成。空間漏磁信號采集單元中的信號調理與采集模塊有三個，成120°角均勻分布；8 個霍爾漏磁傳感器間隔45°角均勻分布，構成漏磁環形空間陣列；1 個16 位AD 采集芯片對傳感器信號實時高精度采樣，并將數據經TCP/IP 傳輸至DSP 數字信號處理單元。DSP 數字信號處理單元中的DSP 模塊對接收到的數據進行分析、處理后，經CAN 通信或者RS232 通信傳送至上位機進行顯示和存儲。

圖1 鋼絲繩損傷檢測總體設計方案框圖

2.2 DSP 數字信號處理單元設計

DSP 數字信號處理單元包括供電模塊以及DSP處理器及其外圍擴展兩部分，其功能是讀取信號采集單元傳感器數據，根據不同的參數配置，實現不同的數據處理算法。電源模塊芯片選用TI的LM2596-ADJ，具有輸出線性好、帶負載能力強、功耗小、效率高的特點。電源模塊電路包括款輸入開關電源一次降壓、線性LDO 二次穩壓以及DSP 雙電源供電電路，即達到保護DSP 處理器性能、防止干擾，又達到低功耗的目的[9]。DSP 處理器選用TI 公司的TMS320F28335 32 位數字信號處理器，運行頻率位150 MHz，同時外擴8 M的存儲器。通過SP3232 芯片將DSP 芯片的SCI 接口TTL 電平轉換位RS232電平接口，實現全雙工數據收發[10-11]。DSP 外擴CAN驅動器組建CAN 網絡，選用的芯片為TI的TIA1050，實現數據的優先級仲裁和安全收發。設計參數掉電保存電路，通過操作MB85RS256 鐵電存儲器實現數據掉電不丟失。

2.3 空間漏磁信號采集單元設計

空間漏磁信號采集單元包括模數轉換電源模塊、霍爾傳感環形空間陣列、信號調理模塊以及AD信號采集模塊四部分，其功能是采集鋼絲繩損傷處漏磁場信號，并保證采集到的信號精度準確。

3 損傷檢測裝置軟件設計

礦井提升機鋼絲繩損傷檢測裝置軟件設計包括DSP 漏磁場信號采集程序、數據處理算法程序兩部分，采用C 語言編寫。漏磁場信號采集程序基于Target Configuration File 配置文件，建立仿真器類型、目標DSP 芯片種類、CAN 通信/RS232 通信參數等的可配置模塊，通過Test Connection 實現數據采集測試。測試成功后，通過InitSysCtrl()函數配置系統的外設時鐘SYSCLK 為150 MHz，HSPCLK 為75 MHz，LSPCLK 為37.5 MHz[12]。鐵電存儲器中預設有數據采集參數配置如濾波窗口、濾波算法等。系統讀取參數配置信息后即可進入主循環程序，依次進行AD信號采集、數據處理、數據上傳。

由3 組AD7606 芯片實時采集漏磁霍爾數據信號，該芯片9、10 引腳為CONVST，用于模擬輸入通道啟動、停止的轉換；11 引腳為RESET，用于施加RESET 脈沖，實現該器件的復位；12 引腳為SCLK，是串行數據時鐘輸入信號；24、25 引腳為DOUT，用于數據輸出。DOUT 輸出通道分為DOUTA、DOUTB兩個通道，負責4 組16 位數據的采集，詳細流程圖見圖2。發送完CONVST 轉換脈沖后依次讀取4 通道數據，對每一組通道中的16 位數據逐次左移讀取和存儲。

圖2 漏磁場信號數據采集處理流程

數據處理算法程序設計了去極值平均濾波、滑動窗口平均濾波以及基于去峰值的滑動窗口均值濾波三種算法，以改善采集到的數據信號中的突發型毛刺雜質噪聲、雜散噪聲以及隨機噪聲，準確獲取鋼絲繩損傷處磁場信息。

4 試驗分析

應用設計并實現的鋼絲繩損傷檢測裝置進行外部斷絲、內部斷絲試驗，分析并驗證該檢測裝置的有效性和正確性。檢測裝置對采集的8 個霍爾環形空間陣列傳感器數據值進行統計、分析，如表1 所示，分別對鋼絲繩外部斷絲處軸向、周向、徑向漏磁場，以及軸向與周向矢量合成，軸向、周向、徑向矢量合成的平均值、最大值、最小值、峰峰值以及差值百分比進行記錄，發現徑向漏磁場信號特征最為明顯，變化幅值最大，最有價值。

表1 鋼絲繩外部斷絲處漏磁場定量測量值 T

5 結論

基于TMS320F28335型DSP 設計并實現的礦用提升機鋼絲繩損傷檢測裝置，利用霍爾傳感環形陣列檢測損傷鋼絲繩的外部、內部斷絲處的漏磁場基本特征，完成對鋼絲繩的損傷檢測，可準確識別4 根及以上0.7 mm 絲徑損傷，對保障礦井提升機的安全、連續、穩定運行具有重要的實踐意義。