礦用提升機(jī)鋼絲繩損傷檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

靳志強(qiáng)

（山西中能華信礦業(yè)技術(shù)有限公司，山西 太原 030032）

引言

鋼絲繩具有抗拉強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度高、彈性好、重量輕、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、煤礦、港口等行業(yè)。煤礦用提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，鋼絲繩為關(guān)鍵部件，在使用過(guò)程中承受載荷沖擊、疲勞應(yīng)變、腐蝕、磨損等，會(huì)出現(xiàn)磨損、銹蝕以及斷絲等損傷現(xiàn)象，影響提升機(jī)正常工作，危及礦工生命安全。因此，對(duì)鋼絲繩進(jìn)行損傷檢測(cè)成為煤礦安全檢測(cè)的重要組成部分[1-2]。傳統(tǒng)的鋼絲繩損傷檢測(cè)方法有人工目測(cè)、手摸檢查等，該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，檢測(cè)效果較差，容易造成鋼絲繩提前報(bào)廢，浪費(fèi)資源的問(wèn)題[3-4]。隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼絲繩損傷檢測(cè)逐漸向智能化、信息化方向發(fā)展，將超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、光學(xué)檢測(cè)、渦流檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、光纖光柵檢測(cè)、電磁檢測(cè)等方法應(yīng)用于鋼絲繩的損傷檢測(cè)中。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，上述檢測(cè)方法或存在受外界干擾影響過(guò)大、檢測(cè)精度較低、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等因素，未得到廣泛應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)一套適用性強(qiáng)、智能化程度高的礦用提升機(jī)鋼絲繩損傷檢測(cè)裝置，以保證煤礦生產(chǎn)順利進(jìn)行。

1 損傷檢測(cè)原理分析

礦井提升機(jī)鋼絲繩的損傷種類(lèi)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(xiàn)局部斷絲、形狀異常以及銹蝕等，在軸線方向發(fā)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(jiàn)，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(zhǎng)時(shí)間使用礦井鋼絲繩時(shí)會(huì)發(fā)生磨損，致使繩徑變細(xì)，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(rùn)滑油與水、油泥等物質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間包裹誘發(fā)并加劇鋼絲繩的腐蝕。最為常用和有效的鋼絲繩損傷檢測(cè)方法為霍爾漏磁檢測(cè)方法[5-7]，其原理是通過(guò)霍爾元件測(cè)量鋼絲繩外環(huán)多點(diǎn)三周方向的磁場(chǎng)，構(gòu)成霍爾傳感環(huán)形空間陣列，實(shí)現(xiàn)周向無(wú)漏檢掃描檢測(cè)，建立鋼絲繩漏磁場(chǎng)空間矢量關(guān)系，從磁場(chǎng)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(cè)基本原理電壓信號(hào)計(jì)算公式如式（1）：

式中：KH為霍爾元件系數(shù)，為定值；I 為流經(jīng)鋼絲繩的電流，A；Bcosθ 為霍爾元件檢測(cè)表面的垂直磁場(chǎng)分量，T。從式（1）可知，當(dāng)KH、I 一定時(shí)，被測(cè)鋼絲繩的電壓信號(hào)隨Bcosθ 線性變化，與霍爾傳感器的速度無(wú)關(guān)。

2 損傷檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

基于鋼絲繩損傷處漏磁場(chǎng)特征，應(yīng)用霍爾傳感器分析被檢測(cè)鋼絲繩軸向、周向以及徑向三軸磁場(chǎng)。設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置需滿足：可獨(dú)立檢測(cè)外環(huán)任意一定三軸磁場(chǎng)，霍爾傳感器需小巧、時(shí)延小、精度高；信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換的電壓等級(jí)需靈活可變，可滿量程采集；數(shù)據(jù)處理能力需強(qiáng)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(cè)裝置總體設(shè)計(jì)方案如下頁(yè)圖1 所示，由DSP 數(shù)字信號(hào)處理單元和空間漏磁信號(hào)采集單元兩部分組成。空間漏磁信號(hào)采集單元中的信號(hào)調(diào)理與采集模塊有三個(gè)，成120°角均勻分布；8 個(gè)霍爾漏磁傳感器間隔45°角均勻分布，構(gòu)成漏磁環(huán)形空間陣列；1 個(gè)16 位AD 采集芯片對(duì)傳感器信號(hào)實(shí)時(shí)高精度采樣，并將數(shù)據(jù)經(jīng)TCP/IP 傳輸至DSP 數(shù)字信號(hào)處理單元。DSP 數(shù)字信號(hào)處理單元中的DSP 模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后，經(jīng)CAN 通信或者RS232 通信傳送至上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

圖1 鋼絲繩損傷檢測(cè)總體設(shè)計(jì)方案框圖

2.2 DSP 數(shù)字信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)

DSP 數(shù)字信號(hào)處理單元包括供電模塊以及DSP處理器及其外圍擴(kuò)展兩部分，其功能是讀取信號(hào)采集單元傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的參數(shù)配置，實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)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(fù)載能力強(qiáng)、功耗小、效率高的特點(diǎn)。電源模塊電路包括款輸入開(kāi)關(guān)電源一次降壓、線性LDO 二次穩(wěn)壓以及DSP 雙電源供電電路，即達(dá)到保護(hù)DSP 處理器性能、防止干擾，又達(dá)到低功耗的目的[9]。DSP 處理器選用TI 公司的TMS320F28335 32 位數(shù)字信號(hào)處理器，運(yùn)行頻率位150 MHz，同時(shí)外擴(kuò)8 M的存儲(chǔ)器。通過(guò)SP3232 芯片將DSP 芯片的SCI 接口TTL 電平轉(zhuǎn)換位RS232電平接口，實(shí)現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)收發(fā)[10-11]。DSP 外擴(kuò)CAN驅(qū)動(dòng)器組建CAN 網(wǎng)絡(luò)，選用的芯片為T(mén)I的TIA1050，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)仲裁和安全收發(fā)。設(shè)計(jì)參數(shù)掉電保存電路，通過(guò)操作MB85RS256 鐵電存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電不丟失。

2.3 空間漏磁信號(hào)采集單元設(shè)計(jì)

空間漏磁信號(hào)采集單元包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電源模塊、霍爾傳感環(huán)形空間陣列、信號(hào)調(diào)理模塊以及AD信號(hào)采集模塊四部分，其功能是采集鋼絲繩損傷處漏磁場(chǎng)信號(hào)，并保證采集到的信號(hào)精度準(zhǔn)確。

3 損傷檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)

礦井提升機(jī)鋼絲繩損傷檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)包括DSP 漏磁場(chǎng)信號(hào)采集程序、數(shù)據(jù)處理算法程序兩部分，采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)。漏磁場(chǎng)信號(hào)采集程序基于Target Configuration File 配置文件，建立仿真器類(lèi)型、目標(biāo)DSP 芯片種類(lèi)、CAN 通信/RS232 通信參數(shù)等的可配置模塊，通過(guò)Test Connection 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集測(cè)試。測(cè)試成功后，通過(guò)InitSysCtrl()函數(shù)配置系統(tǒng)的外設(shè)時(shí)鐘SYSCLK 為150 MHz，HSPCLK 為75 MHz，LSPCLK 為37.5 MHz[12]。鐵電存儲(chǔ)器中預(yù)設(shè)有數(shù)據(jù)采集參數(shù)配置如濾波窗口、濾波算法等。系統(tǒng)讀取參數(shù)配置信息后即可進(jìn)入主循環(huán)程序，依次進(jìn)行AD信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)上傳。

由3 組AD7606 芯片實(shí)時(shí)采集漏磁霍爾數(shù)據(jù)信號(hào)，該芯片9、10 引腳為CONVST，用于模擬輸入通道啟動(dòng)、停止的轉(zhuǎn)換；11 引腳為RESET，用于施加RESET 脈沖，實(shí)現(xiàn)該器件的復(fù)位；12 引腳為SCLK，是串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸入信號(hào)；24、25 引腳為DOUT，用于數(shù)據(jù)輸出。DOUT 輸出通道分為DOUTA、DOUTB兩個(gè)通道，負(fù)責(zé)4 組16 位數(shù)據(jù)的采集，詳細(xì)流程圖見(jiàn)圖2。發(fā)送完CONVST 轉(zhuǎn)換脈沖后依次讀取4 通道數(shù)據(jù)，對(duì)每一組通道中的16 位數(shù)據(jù)逐次左移讀取和存儲(chǔ)。

圖2 漏磁場(chǎng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集處理流程

數(shù)據(jù)處理算法程序設(shè)計(jì)了去極值平均濾波、滑動(dòng)窗口平均濾波以及基于去峰值的滑動(dòng)窗口均值濾波三種算法，以改善采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)中的突發(fā)型毛刺雜質(zhì)噪聲、雜散噪聲以及隨機(jī)噪聲，準(zhǔn)確獲取鋼絲繩損傷處磁場(chǎng)信息。

4 試驗(yàn)分析

應(yīng)用設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的鋼絲繩損傷檢測(cè)裝置進(jìn)行外部斷絲、內(nèi)部斷絲試驗(yàn)，分析并驗(yàn)證該檢測(cè)裝置的有效性和正確性。檢測(cè)裝置對(duì)采集的8 個(gè)霍爾環(huán)形空間陣列傳感器數(shù)據(jù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，如表1 所示，分別對(duì)鋼絲繩外部斷絲處軸向、周向、徑向漏磁場(chǎng)，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(jìn)行記錄，發(fā)現(xiàn)徑向漏磁場(chǎng)信號(hào)特征最為明顯，變化幅值最大，最有價(jià)值。

表1 鋼絲繩外部斷絲處漏磁場(chǎng)定量測(cè)量值 T

5 結(jié)論

基于TMS320F28335型DSP 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的礦用提升機(jī)鋼絲繩損傷檢測(cè)裝置，利用霍爾傳感環(huán)形陣列檢測(cè)損傷鋼絲繩的外部、內(nèi)部斷絲處的漏磁場(chǎng)基本特征，完成對(duì)鋼絲繩的損傷檢測(cè)，可準(zhǔn)確識(shí)別4 根及以上0.7 mm 絲徑損傷，對(duì)保障礦井提升機(jī)的安全、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的實(shí)踐意義。