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鋼絲繩截面積損傷信號的識別

文檔作者：孫琳文檔來源：遼寧信息職業(yè)技術(shù)學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年09月08日
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第23卷第4期機電產(chǎn)品開發(fā)與釤j嶄V01．23．No．4
呈Q!Q生Z星里!：!生!竺!竺苧!!!!：!!!!蘭竺竺坐!!!苧蘭!竺塑!蘭!墾型!!竺!!墮：!蘭Q!Q
文章編號：1002—6673(2010)04—166-03
鋼絲繩截面積損傷信號的識別
孫琳
(遼寧信息職業(yè)技術(shù)學院，遼寧遼陽11lOOO)
摘要：目前，鋼絲繩截面積損傷檢測中存在檢測效率低、可靠性差的問題。本文根據(jù)鋼絲繩截面積損傷
信號的特點，選用了小波分析算法和電壓幅值標定法對鋼絲繩截面積損傷信號進行識別。運用
Matlab仿真工具進行模擬檢測，結(jié)果表明，系統(tǒng)可有效的檢測鋼絲繩磨損程度。
關(guān)鍵詞：截面積損傷；主磁通檢測；電壓幅值標定法
中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A doi：lO．3969／j．issn．1002—6673．2010．04．067
，
Wire Rope Cross-sectional Area of the Injury Signal Recognition
SUN Lin
(Liaoning Information Vocational&amp;amp;Technical CoUege，Liaoyang Liaoning 1 1 1000，China)
Abstract：At present，cross—sectional area of wire rope damage detection in the detection of the existence of low efficiency，poor rehability．
Based Oil the wire rope cross—sectional area of the signal characteristics of the injury，the choice of wavelet analysis method and calibration of
the voltage amphtude of wire rope cross—sectional 8。rea of damage identification signals．The use ofMatlab simulation tool for simulation test—
ing，the restdts show that the system can detect the extent to Wire Rope weal"and tear．
Key words：cross——sectional area of injury；main magnetic flux testing；amplitude voltage calibration
0引言
鋼絲繩作為提升、運輸及承載設(shè)備中的關(guān)鍵部件被
廣泛的應用于許多工程應用領(lǐng)域．但是由于鋼絲繩的磨
損而導致的鋼絲繩設(shè)備的安全事故仍屢有發(fā)生。為了能
夠有效的避免事故的發(fā)生。本文對鋼絲繩的磨損引起的
損傷進行了系統(tǒng)分析。同時提出了電壓幅值標定法對鋼
絲繩損傷信號進行識別，從而達到有效預警的目的。
1檢測原理
根據(jù)鋼絲繩損傷的性質(zhì)和特征。鋼絲繩的損傷分為
局部缺陷性和截面積損傷型。本文主要研究截面積損傷
型信號的識別。鋼絲繩截面積損傷信號是指鋼絲繩在軸
向較長的范圍內(nèi)有效金屬截面積的緩慢減小，主要包括
磨損、銹蝕、鋼絲繩繩徑縮細等，而最終導致鋼絲繩承
載能力的下降。
鋼絲繩截面積損傷信號的采集采用主磁通檢測法．
收稿日期：2010—05—18
作者簡介：習：'bg(1970一)，女。遼寧遼陽人，副教授，碩士研究
生。研究方向：計算機控制。
166
檢測原理如圖l所示。
當鋼絲繩通過由霍爾元件制成的傳感器時。由于鋼
絲繩的磨損產(chǎn)生的金屬截面積變化，會引起磁化了的鋼
絲繩內(nèi)的磁通量的變化，探傷傳感器也可以捕捉到有關(guān)
鋼絲繩金屬截面積變化的信息。該方法可穩(wěn)定地獲取截
面積磨損的信息
量．如果鋼絲繩
無缺陷。通過平
衡磁路的磁通量
為零．當鋼絲繩
截面積減小時．
整個磁路系統(tǒng)的
平衡被破壞．其
變化的磁通量通
盛轎路
暫銑
撕鐵
圖l主磁通檢測原理
Fig．1 The detecting principle of main
magnetic flux
testing
過磁橋回路的平衡磁路，在平衡磁路中利用霍爾元件檢
測出這一變化量，通過對這一信號的分析。利用基爾霍
夫定律，便可以計算出鋼絲繩截面積變化的大小【n。
巾f：書—-巾b (1)
書b_磁橋路中的磁通量(且機=BbSb，Bb，S廣磁橋
路中磁感應強度和截面積)。
巾。。1_主磁路中的磁通量(且機=B^，B。，Sm_主
萬方數(shù)據(jù)
．測試與控制·
磁路中的磁感應強度和截面積)。
巾w-鋼絲繩中的磁通量(且巾w=B。sW，B。，Sw-主磁
路中的磁感應強度和截面積)。由此得到：
B5FBmSm+Bosb，即s產(chǎn)旦釜：；里避(2)
D”
鋼絲繩中的磁感應強度B。與主磁路中的磁感應強
度B。在飽和磁化程度附近為定值，橋路的截面積S。和
S。主磁路的截面積由設(shè)計決定，也為定值，因此，由式
(2)可以得出，鋼絲繩截面積兔與磁橋路中的磁感應
強度B。呈線性關(guān)系。
2信號處理方案
由主磁通檢測原理分析。鋼絲繩存在截面積損傷
時，磁通不發(fā)生變化，即霍爾元件輸出的電壓值不變，
當存在截面積損傷時．磁通發(fā)生變化．霍爾元件輸出的
電壓值較之前不存在截面積損傷時減小。理想的鋼絲繩
截面積損傷信號如圖2所示。鋼絲繩某一位置處的截面
積損傷的程度。會對a、b兩點間的幅度值．即霍爾元
件的輸出電壓產(chǎn)生影響，利用檢測原理分析可知．a(chǎn)、b
兩點間的幅值與截面積的損傷程度成線性正比的關(guān)系。
即截面積損傷越大，a、b兩點間的幅值越大，反之越小。
圖3為鋼絲繩截面積損傷典型實測波形。從圖中分
析可得當鋼絲繩存在截面積損傷時。幅值發(fā)生變化，信
號截面積損傷信號變化平緩．不同于鋼絲繩斷絲損傷信
號的突變性。
圖3鋼絲繩典型截面積
閏2鋼絲繩理想截面積損傷信號損傷信號
Fig．2 The ideal section healing
Fig-3 The typical section
signal of steel rope
healing signal of steel rope
通過分析鋼絲繩截面積損傷信號的特點．本文選用
小波分析算法，對鋼絲繩磨損信號進行處理閉。針對鋼絲
繩截面積損傷缺陷的特點，系統(tǒng)采用電壓幅值標定法實
現(xiàn)鋼絲繩截面積損傷的識別。
電壓幅值標定法識別過程中．需要預先設(shè)定一個電
壓標準值。電壓標準值是假設(shè)鋼絲繩沒有被磨損時的傳
感器輸出電壓值．將與被測鋼絲繩同等型號的未使用的
新鋼絲繩對應的電壓值．作為系統(tǒng)電壓的標準值。當進
行鋼絲繩截面積損傷識別時，首先對當前鋼絲繩的電壓
檢測值和電壓標準值進行比較。若電壓標準值大于當前
電壓值，則利用兩者的差值與鋼絲繩截面積的比值，作
為鋼絲繩截面積的損傷量．完成對鋼絲繩截面積損傷的
識別。鋼絲繩截面積損傷識別框圖如圖4所示。
小
電
磨
波
壓
損
消
標
噪
準———4 程
處
值
度
理
標
反
饋
定
圖4截面積損傷識別
Fig．4 Section injHie distinguish
3實例分析
(1)截面積損傷小波分析。鋼絲繩截面積損傷磁信
號進行五層小波分解，分解結(jié)果如圖5所示。
原始數(shù)據(jù)含有較多的干擾信號，從小波分析的結(jié)果
可以看出沿鋼絲繩軸向方向。在100～200ram、600—
800ram、1000—1200mm以內(nèi)存在截面積損傷?？梢钥吹?
分解后的高頻部分dl、d2、d3是鋼絲繩截面積損傷信
號的噪音信號。第五層的低頻部分a5保留了截面積損
傷的信號。通過小波分析基本可以把鋼絲繩的截面積損
傷信號提取出來【司。
4卜———百F一．葫粕——面1面———裔
南寞”帥
圖5鋼絲繩截面積損傷信號的小波變換
Fig．5 The wavelet transformation for the section broken
signaI of steel rope
(2)信號基準值確定。鋼絲繩截面積損傷檢測采用
的是電壓信號幅值標定法．在系統(tǒng)最后輸出鋼絲繩的磨
損量之前，系統(tǒng)需要輸入一個電壓標準值，以作為進行
鋼絲繩截面積損傷數(shù)據(jù)處理判斷的標準，所以?；鶞手?
的確定非常關(guān)鍵。它直接影響到檢測結(jié)果的精度。
基準值是假設(shè)鋼絲繩沒有被磨損時測出的當前值，
在對一根磨損后的鋼絲繩進行測量之前，需要借助于同
等型號的未使用過的新的鋼絲繩，再對其進行測量。截
面積相對變化量采用下式計算所得： 截面積損失百分比：型型籃董筆毳曼善主蓉誓嚴×100％(3)
(3)截面積損傷檢測校對。選用型號為6x19+FC的
167
i}，O
：．
；
竹_
穹
；
萬方數(shù)據(jù)
·測試與控制·
鋼絲繩，其鋼絲繩公稱直徑為13mm。拆股后，每股公
稱直徑為4mm，在對每股進行拆絲，得到鋼絲直徑為
0．74mm。
檢測時，先進行拆股檢測．由繩的公稱直徑可算得
其截面積約為133ram2．每股的截面積為12．56mm2，這
樣，將繩每拆掉一股進行檢測。就得到對應于繩的截面
積變化為12．56mm2時傳感器的輸出電壓。鋼絲繩拆股
檢測實驗數(shù)據(jù)，鋼絲繩繩股拆絲檢測數(shù)據(jù)見表1、表2。
表1鋼絲繩拆股檢測數(shù)據(jù)
Tab．1 The datas of splitting steel ropes
截面積霍爾電壓截面積霍爾電壓
繩股數(shù)繩股數(shù)
(mm2) (V) (mm2) (V)
6 133．oo 2．470 3 95．32 2．326
5 120．44 2．403 2 82．76 2．300
4 107．88 2．364 1 70．20 2．284
金屬截面積(m邢2)
圖6鋼絲繩繩股拆絲檢測曲線
Fig．6 The testing spline of splitting steel wires strand
根據(jù)所測量數(shù)據(jù)所繪出鋼絲繩拆股檢測曲線如圖6
所示。從得到的檢測曲線可以得出．輸出的霍爾電壓值
隨鋼絲繩的股數(shù)的增加和減少而相應的增大和減小。再
將其中一股進行拆絲檢測，得到如表2的檢測數(shù)據(jù)。
根據(jù)所測量數(shù)據(jù)所繪出鋼絲繩繩股拆絲檢測曲線如
表2鋼絲繩拆股檢測數(shù)據(jù)
Tab．2 The dates of splitting steel ropes
鋼絲截面霍爾電壓鋼絲截面霍爾電壓
鋼絲數(shù)鋼絲數(shù)
積fmm2) Ⅳ) 積fmm4 (、，)
19 12．56 2．539 9 3．87 2．495
18 12．06 2．534 8 3．44 2．49l
17 11．56 2．530 7 3．0l 2．488
16 6．88 2．526 6 2．58 2．485
15 6．45 2．520 5 2．15 2．482
14 6．02 2．518 4 1．72 2．480
13 5．59 2．512 3 1．29 2．475
12 5．16 2．507 2 0．86 2．473
11 4．73 2．504 1 0．43 2．470
10 4．30 2．498
168
圖7所示。
圖7鋼絲繩繩股拆絲檢測曲線
Fig．7 The testing spline of splitting steel wires strand
可見，隨著磨損量的加大。鋼絲繩金屬截面積逐漸
減小。與其相對應的各組傳感器的輸出電壓也隨之遞減。
(4)截面積損傷檢測誤差分析。經(jīng)過小波分析后鋼
絲繩磨損的信號主要集中在圖3中低頻a5層上．從截
面積損傷圖中可以看出磨損值的變化趨勢。從圖中可以
看出此段鋼絲繩有三處磨損處，且磨損的程度不同。
對于鋼絲繩的截面積損傷的判定．首先根據(jù)同型號
鋼絲繩的未磨損段。確定鋼絲繩磨損檢測標準值為
2．5V．鋼絲繩總截面積為133mm2，根據(jù)當前檢測電壓
值，然后依據(jù)式(3)計算鋼絲繩磨損百分比，截面積
損傷程度數(shù)據(jù)見表3。
表3截面積損傷數(shù)據(jù)
從表3可以看出， Tab．3 The dates of section
鋼絲繩的電壓值與鋼絲
繩的磨損程度成正比．
這與主磁通檢測原理的
理論分析相符合。
4結(jié)論
根據(jù)鋼絲繩磨損信
broken signa
檢測電壓值磨損百分比
序號
(v) (％)
1 2．313 1．406
2 1．576 6．947
3 1．876 4．692
號的特點，采用主磁通檢測方法，檢測鋼絲繩磨損信
號，采用基于電壓幅值標定的鋼絲繩磨損信號的檢測與
識別，實現(xiàn)了鋼絲繩磨損信號的有效識別，通過實例證
明，方法可靠性高。
參考文獻：
【l】宋大雷，張東來．鋼絲繩無損檢測技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀及趨勢【J】．無損
檢測。1999。5．
【2】宋大雷，徐殿國，王衛(wèi)．小波分析在鋼絲繩無損檢測中的應用【J】．儀
器儀表學報，1997，2．
【3】李順平．鋼絲繩金屬截面積損失檢測系統(tǒng)研究【D】．天津：天津大學

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