钢丝绳疲劳的磁记忆检测系统

　　钢丝绳在工程中应用极为广泛,一旦突发断裂将导致灾难性的设备和人身事故。据统计,80%以上钢丝绳断裂事故是疲劳引起的[1]。疲劳破坏一般总是出现在应力最高的部位,因此需要一种有效的检测手段在断裂前检测到钢丝绳的应力状况,从而分析判断疲劳损伤状态,发现并及时更换损坏的钢丝绳以防止事故的发生。金属磁记忆检测技术能通过早期诊断应力集中,防止设备产生突发性的疲劳破坏,该方法目前已用于检测诸多铁制工件或部件,如输油管道、锅炉管道、钢架构件、汽轮机叶片、转子、螺栓、铁轨及各种加载及焊接件等[2]。钢丝绳的结构与管类或板类等铁磁性构件有着明显差异,其纵横截面均不是铁磁性材料的连续体,表面凸凹不平,内部存在形状复杂的间隙,且在实际工作中受拉伸、挤压和弯曲应力等综合作用,分析研究相对复杂困难。为此笔者通过试验对受弯曲疲劳作用的钢丝绳磁场分布状态进行分析,由此可间接判断应力集中位置,并对钢丝绳疲劳损伤时法向磁场强度的变化进行分析和比较,从而为使用磁记忆方法对钢丝绳疲劳损伤检测和寿命估计提供一定的依据。

　　1　试验装置

　　钢丝绳疲劳磁记忆检测系统(图1)由磁敏传感器、滤波器、放大器、A/D转换器和计算机等组成。磁敏传感器选用A3515集成霍尔元件,其灵敏度达到5.5 mV/0.1 mT,能检测到10-9T级的磁场。为了更好地观察应力分布情况,采用多传感器多通

　　道的形式,并能同时检测磁场强度的切向和法向分量,且通过差动处理减少地磁场梯度和噪声的影响。采用等空间采集间隔采样,采样间隔为0.74 mm。试验装置如图2所示,可用来模拟钢丝绳受拉伸、挤压和弯曲等共同作用的实际工作情况。通过改变滑轮直径改变钢丝绳弯曲应力,小滑轮由弹簧张紧,调节张紧程度可改变张力大小。

　　由于钢丝绳的规格多,试验对象的选取非常关键。笔者选取了6 mm 5×19 W钢丝绳。如图2所示,选取钢丝绳上的A,B和C三段作为检测对象。A段不经过滑轮,受张力作用,只作直线往返运动;B段经过大滑轮和滚筒,C段经过右边小滑轮,均受拉伸、挤压和弯曲等综合作用,作往复弯曲运动。在往复运动前,检测各段与钢丝绳表面磁场强度成正比的电压值,然后每经过500次往复循环停机测取各段电压值,直至钢丝绳断裂。

　　2　试验结果分析

　　按照磁记忆检测原理和实践可知,垂直于表面的磁场出现了正负变化和异常变化,如不考虑绝对数值的问题,该点磁场分布正好反映了实际的应力集中。A,B和C段的磁记忆检测信号分别如图3~5所示,图中的电压值为换算过的没有放大的磁记忆信号值。试验装置运行到5 300次循环时C段钢丝绳发生断裂,从断口的特征判定是疲劳断裂。