起重机钢丝绳无损检测技术探讨

起重机钢丝绳无损检测技术探讨

张雷

内蒙古自治区特种设备检验研究院赤峰分院

内蒙古 赤峰 024000

摘要：本文根据作者多年实践经验，主要探讨了钢丝绳的无损检测技术，对钢丝绳的断丝缺陷特征、无损磁检测原理、钢丝绳的磁化和漏磁通检测进行了研究，希望这些研究对钢丝绳检测仪器的研发有重要指导意义。

关键词：钢丝绳；无损检测；断丝缺陷；磁化；漏磁通

一、钢丝绳无损检测概述

钢丝绳无损检测目前应用最广，最普及的方法分为目视检测和电磁两大类，目视检测是最简单，最可靠、最传统的检测方法，但此方法存在很大的局限性。

钢丝绳无损检测设备也由早期的体积重量大、不易操作、记录数据不易保存和处理分析，正逐步相体积小、重量轻、易操作、简易化、智能化方向有了很大的发展。并形成了相关的方法标准、仪器开式逐步走向规范和成熟。

目前应用钢丝绳电磁无损检测可以对钢丝绳的金属截面积损失进行定量检测，能够检测出内部断丝和磨损，锈蚀程度以及钢丝绳变形等影响钢丝绳使用寿命的这些损伤。

钢丝绳电磁检测目前最成熟，应用最多，最广的检测方法是LF(局部损伤)检测方法和LMA (金属截面积损失)检测方法(详见GB/T21837-2008.这两种检测方法采用的是电磁学中的漏磁检测远离和主磁通检测原理。这两种原理都是要给钢丝绳外加一-个很强的恒定磁场，将钢丝绳磁化饱和。通过在钢丝绳损伤处泄漏的磁场来检测出钢丝绳局部损伤(LF)。通过对钢丝绳内部穿过的的磁通量的测:量来检测出钢丝绳的金属截面积变化情况。这两种方法检测的是钢丝绳不同种类的损伤。局部损伤主要是检测断丝、变形、腐蚀坑等，金属截面积损失(LMA)主要是检测磨损和腐蚀以及宽断口断丝。

钢丝绳电磁无损检测具有检测速度快、准确、可以靠不受人为影响等优点。但此方法比目视检测外部局部损伤(断丝检测)的准确性和可靠性低。

二、钢丝绳机械损伤

2.1磨损根据磨损机理又可分为以下几种:钢丝绳在使用过程中其外周与绳道,物体表面接触而引起的磨损为外部磨损,钢丝绳截面将减少,外周表面钢丝将磨平,钢丝绳破断载荷随之降低。由于振动、碰撞造成的钢丝绳表面撞损，为变形磨损，这是一种局部磨损现象。如卷筒表面的钢丝绳受到其它物体的撞击，钢丝绳相互打缠、打结,或者由于咬绳，都会使钢丝绳产生变形磨损。这种变形磨损因局部挤压而变形,其钢丝横断面在挤压处向两旁伸展成翅形。从外表看,钢丝宽度扩展,虽然钢丝绳截面积减小不多,但局部挤压处的钢丝表面材质硬化了,极易断丝。时间一久，变形突出部位往往磨损严重,外层钢丝也极易断丝。再者,内部磨损的因素也不可忽视:钢丝绳经过卷筒或滑轮时所承受的全部负荷压在钢丝绳的一侧，各根细钢丝的曲率半径不可能完全相同。同时，由于钢丝绳的弯曲,钢丝绳内部各根细钢丝就会相互产生作用力并且产生滑移,这时股与股之间接触应力增大，使相邻股间的钢丝产生局部压痕深凹。当反复循环拉伸弯曲时,在深凹处则产生应力集中而被折断。

2.2疲劳钢丝绳在使用过程中主要承受弯曲、拉抻、扭曲、振动疲劳,以及过载引起的弹性形变等损伤。钢丝绳重复通过滑轮或卷筒中绕上绕下，无数次的弯曲,容易使钢丝产生疲劳，韧性下降,最终导致断丝。而疲劳断丝出现在股的弯曲程度最厉害的一侧外层钢丝上。通常情况下，疲劳断丝的出现意味着钢丝绳已经接近使用后期。试验表明，钢丝绳的弯曲疲劳寿命与D/d比值(即卷简直径D与钢丝绳直径d的比值)、 安全系数和钢丝绳结构均有密切的关系。钢丝绳在起动和制动的始末，变化的拉伸应力以及经常受到扭曲和振动也是产生疲劳的原因。

过载:钢丝绳在工作时除了要承受负载、自重等静载荷外，还要受到因加速度和冲击引起的动载荷，当钢丝绳随着载荷的增加会有微量的伸长，当载荷超过强度极限时,钢丝绳就可能断裂。过载的钢丝绳即使不发生断裂事故,安全系数也会大幅度下降，随之而来大大地缩短使用寿命。

三、钢丝绳的磁化

在励磁效果相同的情况下，针对中小直径的钢丝绳，选择永久磁铁励磁比选用直流有源励磁在很多方面都更加有优势，比如体积、使用方便、检测成本和重量等。特别是近年来新型永磁材料取得了长远的发展，永久磁铁励磁正在日益取代直流有源励磁方法。因而在钢丝绳断丝探伤检测选用励磁装置时，我们选则永久磁铁做励磁源。

磁化钢丝绳的励磁回路包括永久磁铁、磁轭、钢丝绳、气隙共四部分。励磁回路不仅要满足钢丝绳中的磁场强度设计要求，还要做到成本最低、体积最小、重量最轻、性能最优。为了有效的达到这个要求，在选择材料时一般都会选择高剩磁、高矫顽力和高磁能积的永磁材料。然而永磁材料的种类有很多，其性能也是不一样的，结合钢丝绳探伤检测的实际情况，稀土永磁材料是其中比较理想的选择。该材料矫顽力Hc较大，并且剩磁Br也较大，符合钢丝绳磁化饱和的要求，且最大磁能积和磁稳定性都非常优良，温度系数低。在大温度范围时，能够稳定工作。

磁轭是励磁回路中形成磁力线通路所必需的组成部分，它在励磁回路中的主要功能是用以改变磁力线方向、减小回路系统的磁阻、增大关键部位的磁感应强度和聚集磁场等。磁轭一般选用磁导率和饱和磁感应强度都较大的材料，如工业磁铁等。

四、漏磁通检测

一旦一定的电流通过垂直于磁场的元件时，在垂直电流和磁场的方向上会出现电场，同时输出电动势，这种现象就是霍尔效应。该元件即霍尔元件，输出的霍尔电压为V=kiBcosα。影响灵敏度系数k的因素有很多，比如霍尔元件的材质、工作温度和尺寸等。如果工作温度不变，那么k是常数；确定好霍尔元件安装位置后，磁感应强度B与霍尔元件平面法线的夹角α不变；霍尔元件还有定向响应特性，就是如果霍尔元件供电时使用的是恒流源，那么电流i为定值，并且磁感应强度B和霍尔电压之间是正比的关系。所以要想知道钢丝绳的断丝损伤信号，只需要检测出霍尔元件的输出电压V即可。所以霍尔元件的输出电压V反映了钢丝绳的表面漏磁情况。

由于钢丝绳出现断丝现象并没有什么规律，任何地方都有可能出现断丝，但是使用一个霍尔元件得到的检测信息是有限的。实验表明，霍尔元件在沿钢丝绳周向±45°范围内输出最大，因而沿周向布置四个霍尔元件，就能够满足完全检测钢丝绳表面的漏磁场变化情况。断丝产生的漏磁场有一定扩散范围和分辨力。对于断丝定量检测来说，轴向分辨力和定量检测的精度之间成正比关系。影响霍尔元件的轴向分辨力因素有很多种，比如钢丝绳的结构、单根钢丝的直径、霍尔元件的周向尺寸、规格尺寸等。

因为钢丝绳外表面的轴向母线是波浪线，钢丝绳的绳股之间在局部励磁钢丝绳后会沿轴线方向产生较大的漏磁通，而且会逐渐的增加。在沿轴线方向检测霍尔元件时，绳股之间的漏磁通信号与正弦波类似，称为“股波”。在实际的检测过程中，“股波”信号是无用信号，有用信号是断丝信号，股波信号的混入降低了断丝检测信号的信噪比。但绳股之间沿周向产生的漏磁通有相互消除的现象，而霍尔元件沿周向检测时，“股波”信号相对降低了对断丝信号的干扰，提高了检测信号的信噪比。

结语：

人们对钢丝绳的安全运行日益重视，对钢丝绳的无损检测研究迅速发展。钢丝绳缺陷有两大类：一是以断丝为主的局部缺陷型；二是钢丝的截面积损失型。后者主要是指钢丝由于疲劳磨损、挤压、腐蚀、划伤等原因造成的钢丝截面积缩小，引起钢丝绳承载能力降低，甚至出现钢丝绳断裂，发生事故。在起重机械和提升设备中使用的钢丝绳，根据与滑轮配套使用情况和钢丝绳的疲劳实验结果，主要缺陷是断丝。因此我们研究的重点是以断丝为主的无损检测。

参考文献：

[1]邓海燕.起重机用钢丝绳国家标准解读.金属制品,2020,46(01):49-54.

[2]李虎.起重机钢丝绳防斜拉方法研究与探讨.技术与市场,2019,26(11):93+95.