第一部分

弱磁检测技术原理在钢丝绳领域应用

一、关于弱磁检测技术

弱磁检测技术是基于“空间磁场矢量合成”,采用宽距、非接触式弱磁能势感应装置(如图1、图2),通过提取已施加磁载的铁磁性材料上弱磁能势分布差异信息,完成定位、定性和定量识别钢丝绳内外部各种缺陷的创新性电磁无损检测技术。

弱磁检测技术遵从国际标准(ISO3154:1988)规范的钢丝绳安全承载能力校核原则,提取的铁磁性材料物理场变信息,单值等效映射钢丝绳上铁磁性材料体积元的综合退变特征,为系统评估钢丝绳抗拉/弯/扭综合承载性能、安全使用寿命和安全负荷系数,提供了科学技术依据。

注:磁能势,即磁场能量梯度;体积元,即钢丝绳沿轴向的体积微分。体积元内载荷材料的综合退变特征也就是钢丝绳金属截面积损失(LMA)和局部缺陷(LF)的综合反映。

二、铁磁性材料的磁特性

根据量子力学理论,由于相邻电子自旋磁矩的交换耦合作用,使得铁磁性介质内部排列形成一定形状的“磁畴”,每个磁畴内部具有同一个自旋磁矩方向(如图3)。

如果某一方向的磁畴在统计学分布中具备数量或者体积上的优势,就会宏观上显示出材料磁性。而如果各磁畴的分布杂乱无章,在任一方向上均无优势,则不会有宏观磁性产生。

给定的外部磁场作用会改变某一方向的磁畴数量,使铁磁性材料储备或释放一定的磁能。而且这种改变不随外部磁场的退出而复原,即形成所谓磁载。磁载在一定的对称空间建立磁能势场,只要没有剧烈机械振动或高温变化等,就会在铁磁性材料内部稳定地保持较长时间。

三、自然状态下的钢丝绳

磁能势由磁载决定,并依托于钢丝绳体积元内参与机械负荷的铁磁性金属材料(以下称”载荷材料”)而分布。由于制造、存储、运输、安装、运行等历史过程对钢丝绳留下了未知的磁载(其无序状如图4),所以自然状态下的磁能势还不能真实地反映体积元的材质特征,即材料究竟是正常还是有缺陷。因此先需要一种方法以建立磁载与载荷材料材质特征之间的物理对应。

四、弱磁规划方法

向铁磁性构件(钢丝绳)施加给定磁载(如图5),使所有载荷材料具有同等适度的低量级磁能积(材料的磁能量密度),并且如果载荷材料沿钢丝绳轴向等量均匀,连续分布,则任意体积元的磁能积也是等量均匀的。即:沿钢丝绳所建的轴向磁场均匀而且连续,穿过任意体积元的磁通等量,而且磁通密度均匀(如图6)。

注:磁能积反映单位体积的磁载储存能量水平,类似于物理学中运动系统的势能。

五、钢丝绳损伤与磁性特征

发生退变的体积元,或因拉伸塑性径缩、碾压/研磨/锈蚀性缺损(LMA),或因疲劳裂隙、裂断等突变/间断(LF),磁力线在这些退变的体积元中只能沿不规则的低能耗路径排布,磁通密度随之变化,磁能积分布不均匀,使各体积元产生磁能势差异(如图8)。而且,这些退变的程度越严重,磁能势差异就越突出。

只要对钢丝绳正常载荷材料体积元进行“完好定义”—— 标定无缺陷体积元的磁能势特征量,通过与提取的钢丝绳全部载荷材料体积元磁能势特征量的模式对比,即可有效识别载荷材料因退变产生的磁能势差异,并由这种载荷材料物理场变量映射其机械承载性能相关变化的定量关系(通过长期反复的实验对比,已用数学建模方式解决),也就实现了无损条件下定位、定性和定量检测钢丝绳各种退变特征的技术目标。

六、弱磁检测方法

弱磁检测方法引入调制给定弱电磁场,与经弱磁规划的钢丝绳弱磁场形成物理场关联。使传感器具有弱磁状态无基噪工作、提离效应自抑式宽距感应、高灵敏/高分辨/高速率空域等突出的技术特点。

采用弱磁检测方法连续采样后,再通过数学分析模型,对钢丝绳各体积元磁能势差异样本值进行图表化处理、统计学计算和曲线波型分析,就能把影响钢丝绳机械承载性能的所有细部缺陷清晰地反映出来,同时给出描述这些退变特征危险程度的等效映射量值,提供准确、客观并完整的安全评估基础信息。














第二部分

弱磁检测技术原理在钢芯输送带领域应用

弱磁检测技术,是基于“空间磁场矢量合成”原理,采用新型的电磁-磁电效应式传感器而对铁磁性构件实现的一种无损探 伤“绿色”技术。

高灵敏度传感器,由释磁元件和磁衡元件所组成。释磁元件提供一个给定弱电磁场Bx,与钢丝绳体积元的弱磁场B关联出磁场By,磁衡元件则能够灵敏并准确地将By变化量转换为对应的电量信号。

由于钢丝绳芯输送带的结构特殊性,钢丝绳芯输送带在线实时安全监测系统,采用了水平+垂直响应的传感器模块化组合阵 列作为检测装置:水平传感器能十分灵敏地感应金属分布的程度特征(内禀分量),因此通过水平传感器的幅值输出可以实现对 钢丝绳芯断绳(包括接头)、疲劳、锈腐蚀等信号很高的量化检测精度;而垂直传感器则对金属分布的运动特征(诱导分量)更 加灵敏,如接头、断绳等开放性信号,波形斜率陡峭,使定位检测更加可靠。而两种传感器的有机结合,就充分保证了检测的定 位和定量检测性能。

传感器阵列拾取到输送带中钢丝绳芯的电磁信号以后,经相应技术模块整形、滤波和A/D转换后成为数字信号,输入到32位 ARM处理器;计程/测速装置输出脉冲信号,经测速电路进入32位ARM系统;二者实现同步空域采样,并将采样数据实时上传到 显示终端和大容量存储器中。

显示终端和检测单元之间采用工业以太网通讯,兼容网线或光纤传输方式。而在显示终端,则采用独特的软件架构和高级 编程技术,实现了现场和主站前后端检测数据的实时传送、实时处理、实时存储和实时显示,同时支持实时报警、曲线分析、手 机短信、图像重构和打印检测报告等各项功能。

竹林山矿主井输送带同一剖面接头位移及断绳损伤变化示意图

说明二:

1、接头区位移抽动量测量方法:

检测系统首次运行时,采集钢芯输送带的所有接头信息(长度、断点位置等),存入样本数据库。之后系统进入实时检测模式,将实时计算的接头长度L'和样本接头长度L作对比,得到接头长度位移量。公式为:△L=| L'-L|=△L1+△L2

2、非接头区损伤测量方法:

检测系统首次运行时,采集钢芯输送带的全部损伤信息(幅度、位置等),存入样本数据库,作为输送带的已知损伤信息。之后系统进入实时检测模式,若输送带已知损伤发生变化或产生新的断绳、锈蚀等损伤。计算机即可依据特定算法及时计算出已知损伤的变化情况和新增损伤的定位定量。

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