基于径向多通路均匀辐射氯化的钢丝绳在线监测实验教学研究

基于径向多通路均匀辐射氯化的钢丝绳在线监测实验教学研究

主井和副井是矿山生产的“咽喉”。钢丝绳是主、副井提升设备的关键承载构件之一目前，现有矿用钢丝绳探伤技术还存在不足，主要表现在：1）钢丝绳探伤传感器设计主要包括励磁装置和磁通检测装置设计2大部分。在励磁装置设计方面，现有钢丝绳探伤传感器大多仍采用基于单、双回路、磁桥路等的强场磁化模式2）传统钢丝绳漏磁检测装置多是检测钢丝绳轴向方向的磁场分量。实际应用测试中，较强的外部磁场会在仪器内部空间产生泄漏干扰磁场，其方向也恰是钢丝绳轴向方向。这就使得较小损伤产生的微弱磁信号很容易被空间泄漏磁场噪声淹没。设备无损检测与安全评价是矿山机电和矿山安全与管理部门需要开展的重要工作，也是相关高校学生应该掌握的专业知识1永磁体分散难以实现：一个半环提出一种基于多回路平衡检测原理的弱磁化磁路设计方法。新型检测磁路结构如图1。传感器主要由环形多回路永磁阵列模块、磁轭衔铁、多维检测元件阵列、弯月型软聚磁薄板等组件构成。传感器无需将钢丝绳磁化至饱和状态，代替的是通过多回路永磁阵列模块、衔铁、聚磁板等在钢丝绳外围形成一个平衡稳定的磁场，一旦钢丝绳出现断丝、磨损等损伤，将打破现有稳定磁场状态，磁感线会产生畸变。基于多方位布设的检测元件阵列可以全面无盲区检测钢丝绳损伤状况。为在钢丝绳内、外部建立一个稳态平衡磁场，需要对环形永磁体进行充磁设计。目前可行的充磁方式主要有2种：一种是上下垂直充磁；另一种是径向辐射充磁。垂直充磁方式简单，工艺上易于实现，但从图1可以看出，受圆拱形磁体结构影响，到达钢丝绳内的磁场强度通常不均匀。径向辐射充磁方法工艺实现上稍复杂，但容易使得通过钢丝绳的磁场较为均匀统一，从而便于准确定量地识别出引起磁场畸变的损伤程度为进一步比较2种充磁方式的励磁检测效果，通过电磁场数值模拟软件搭建传感器检测模型，并模拟制作了1处损伤，不同充磁条件下的磁感应强度变化曲线如图2。从图2可以看出，径向辐射充磁后损伤处磁感应强度的变化程度更为明显，从而更容易被磁电元件检测和识别。径向辐射充磁效果较好。实际研制过程中，受充磁工装和夹具技术的制约，难以实现对半环永磁体的一体均匀充磁。为此，提出将永磁体分割为多个1/M圆环进行充磁后拼接设计。分别将永磁体半环分割为2、3、4、5、6块（M=2、3、4、5、6）圆环体进行径向辐射充磁后阵列拼接。通过有限元数值模拟对上述拼接充磁方式进行分析，得到的损伤处磁电变化信号如图3。图3(a）是损伤产生的磁电模拟信号峰值波形。图3(b）是不同阵列块拼接条件下获得的磁电信号波峰值的变化曲线。图3(c）是峰值变化比例图。从图3(b）、图3(c）中可以看出，随着永磁体阵列数量增加，损伤磁电变化信号强度明显增大。但阵列数达到一定量值后，信号峰值增加程度趋于平缓，增大比例大幅下降。研究发现，阵列数M≥6后，继续增加M，对信号变化影响不大。而随着M增加，增大了磁体切割及拼接安装的难度与研制成本。综合考虑，采用6块阵列拼接组合模型。而磁体拼接粘合过程会产生缝隙，可能会对钢丝绳磁化效果产生影响。由此，针对永磁体中的缝隙是否会对钢丝绳磁化产生影响，进行了进一步仿真研究。为简化计算量，钢丝绳暂用钢棒等效。将永磁体设置为N38，剩磁为1.25T。首先将永磁体切割缝隙设置为0mm，即无缝状态，磁密方向符合实际需求，钢丝绳中间位置处的磁感应强度值为1.36T。缝隙间距为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0mm时，中心点位置处的磁感应强度值均基本保持在1.36T左右，可以将钢丝绳磁化至饱和状态。但是1个点处的磁感应强度还并不能反映整体情况，于是在钢丝绳内部设置1条直线，长度约300mm，且穿过钢丝绳中心点处，将缝隙大小增大步长为0.1mm，最后增大至1mm时，直线上磁感应强度值变化不大，由此说明，将永磁体切割后在缝隙小于1mm情况下，并没有对钢丝绳磁化结果产生较大影响，拼接方法可行。2复合运算设计提出一种空间全磁参量信息阵列聚磁复合检测方法。通过综合钢丝绳轴向、径向等多方位复合磁场聚磁检测技术，全面对比分析钢丝绳外围磁场变化状况，为准确定量识别损伤奠定基础。根据霍尔磁效应可知，测量轴向磁场变化需将元件感应面垂直于磁场方向布置。因此，设计轴向磁场分量测量传感元件阵列，环绕钢丝绳布设4个传感元件，一方面能保证每个元件检测到周向90°的角度范围。另一方面，通过多个传感元件的复合运算可以减弱钢丝绳股间隙产生的漏磁干扰。轴向磁场测量如图4。为进一步削弱背景磁场噪声对检测效果的影响，提出采用径向磁场测量补偿相结合的方法。从检测原理可知，背景磁场噪声主要平行于钢丝绳轴向方向。而测量径向磁场变化需将元件感应面垂直于钢丝绳截面径向、平行于轴向方向布置。因此，径向传感元件输出信号中将基本不含背景噪声。因单个传感元件的周向检测范围有限。可以沿钢丝绳周向布设传感元件阵列实现检测的全覆盖。为此，设计径向磁场测量传感元件阵列，阵列元件安装在塑料内衬上，根据钢丝绳直径不同可沿周向布设2m(m=1、2、3、4、…）个传感元件。同理，通过元件阵列的混合运算可以减弱绳股漏磁干扰信号影响。径向磁场测量传感元件阵列如图5。为更大程度增加元件感应面采集的磁感应强度均值，提高检测信号信噪比，针对周向元件阵列设计了匹配聚磁通路。有无聚磁通路的磁场云图对比如图6。从图中明显可以看出，有聚磁通路条件下检测元件感应处的磁感应强度高于无聚磁通路时的磁感应强度。为更准确地对比2种磁路条件下的检测效果，依次在钢丝绳上仿真制作若干处断丝、截面积磨损等损伤。传感元件采集的磁感应强度均值见表1，从表中可以看出，在较适合的聚磁通路条件下，各传感元件采集的磁感应强度值平均可以提高约35.22%。3matlab中均衡滤波器设计及优化矿用钢丝绳运行过程中会产生抖动、晃动改变检测提离值，继而引起检测信号发生漂移。同时工频干扰、其他电磁干扰等噪声也会耦合到有用信号中，影响信号准确定量识别。均值滤波是一种基于排队统计理论的的噪声抑制及非线性信号平滑处理技术。为此，提出采用基于均值卡尔曼滤波的信号预处理方法。钢丝绳检测数字信号序列可表示为x均值滤波是基于“最小绝对误差”准则的最优化滤波。实际中，随着选用窗口长度的增加，寻求中值滤波的快速算法较为重要。通常可采用直方图数据修正、样本值二进制表示逻辑判断等方法进行快速计算。在Matlab中均值滤波器函数y=medfiltl(x,s），其中x表示原始信号，s为窗口大小。该函数将终点以外的信号考虑为0。输出y与x有相同的长度。当s为奇数时，y(k）是x(k-(s-1）/2∶k+(s-1）/2）的中值。函数medfilt1对数列进行排序，将中间的值作为均值滤波输出。根序列是描述评价均值滤波性能的重要依据。通过分析根序列结构，确定原信号序列中需要保留和抑制的成分，从而可调整优化均值滤波器窗口宽度。卡尔曼滤波是一种最优化的自回归数据处理算法式中：x(k）为k时刻的系统状态；u(k-1）为k-1时刻对系统的控制量；ω（k-1）为预测过程的噪声；A为状态转移矩阵；B为将输入转换为状态的矩阵。该方程是依据前一时刻的状态和控制变量来预测目前时刻的状态。系统的观测方程为：式中：z(k）为观测值，是滤波输入；v(k）为观测的噪声；H为状态变量到观测的转换矩阵。针对上述模型的滤波及迭代公式为：1）推算预测状态变量。式中：2）推算误差协方差。式中：p3）计算滤波卡尔曼增益K(k）。式中：R为测量噪声协方差；H为状态变量到观测的转换矩阵。4）由观测变量更新估计x赞（k）。式中：5）更新测量误差p(k）。钢丝绳在线检测信号的原始信号和基于该方法进行预处理后的信号对比如图7。从图7可以明显看出，该方法能较好的矫正信号漂移并有效滤除了大量空间耦合干扰噪声，为信号准确定量识别奠定了基础。4压开发检测实验搭建了钢丝绳在线监测实验仿真平台，进行新型探伤装置的实验室测试。该平台长3.6m、高1.8m、宽1.3m。支架采用全铝合金材质，质量轻，移动安装便捷，适合在实验室安放为验证新型探伤仪检测效果的有效性。基于新方法研制了矿用钢丝绳在线监测实验样机，并在钢丝绳上制作了大量的断丝、截面积损伤等实验样本进行测试。传感器采用双内衬结构，可以满足不同直径范围钢丝绳的检测实验。依据矿用钢丝绳常见损伤，制作断丝数量分别为3、5、7、9、10、11、13、14、15、16、17、18、19根，断口间距为3、5、7、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20mm，截面磨损长度分别为3、5、7、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18mm，磨损深度为5%、10%、14%、28%的典型损伤样本。通过传感器采集的损伤处轴向磁场信号与径向磁场信号对比可以看出，轴向信号中含有大量的背景噪声，可视分辨性效果不佳，尤其是当损伤程度较小，仅有3mm时，只从轴向信号中难以分辨出损伤存在。而从径向信号中则可以明显分辨出损伤的存在。传感器径向信号是轴向信号的有益补充。从钢丝绳断丝检测信号中可以看出，对同类断丝型损伤，轴向磁场与径向磁场信号检测波形形态不同，但均为奇异信号，可以通过两种奇异波形的相互验证进行损伤的精准识别。从轴向磁场信号中可以发现，截面损伤信号形态与断丝信号形态不同，随着损伤面的增加信号的峰值有所降低，但信号的波宽增加，出现凹陷波峰。由此可见，新型探伤仪不但能检测到小损伤产生的微弱信号，而且能从多视角给出损伤信号多维信息，为后续信号高质量分析奠定基础。5弱磁场磁能传感器介绍了矿用钢丝绳健康