多直径矿用钢丝绳无损检测仪的设计与开发

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.105

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (4): 532-541 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.105

机械零部件与装备设计

多直径矿用钢丝绳无损检测仪的设计与开发

姚囝^1,²(

),杨运盛¹,刘洋^1,²(

),叶义成^1,²,冯杰³,陶潜顺¹

^1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉 430081
^2.武汉科技大学冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北武汉 430081
^3.湖北省应急救援中心，湖北武汉 430000

Design and development of non-destructive testing instrument for multi-diameter mining wire ropes

Nan YAO^1,²(

),Yunsheng YANG¹,Yang LIU^1,²(

),Yicheng YE^1,²,Jie FENG³,Qianshun TAO¹

^1.School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China
^2.Hubei Provincial Key Laboratory of Efficient Utilization and Block Building of Metallurgical Mineral Resources, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China
^3.Hubei Provincial Emergency Rescue Center, Wuhan 430000, China

全文: PDF(6374 KB) HTML

摘要：

针对现有矿用钢丝绳质量检测设备操作过程复杂、检测直径范围有限等问题，设计并开发了一种适用于多直径矿用钢丝绳的在线智能无损检测仪，其主要包括开环永磁磁化系统、硬件外设、应用软件及滤波算法等。根据永磁漏磁检测的物理特性，通过ANSYS Maxwell软件建立了具有开环磁路特征的永磁磁化系统二维有限元仿真模型，分析了不同提离值下磁化钢丝绳的损伤特征曲线，确定了最佳提离值。为提高降噪效果，提出了基于差值极限滤波算法的信号波形平滑处理方法。多组试验结果表明，所设计的多直径矿用钢丝绳无损检测仪能够有效识别不同直径钢丝绳的断丝损伤，损伤位置检测的平均相对误差为0.36%，具有广阔的应用前景。

关键词： 多直径矿用钢丝绳; 无损检测仪; 漏磁检测; 滤波算法

Abstract:

In view of the problems of complex operation process and limited detection diameter range of existing quality inspection equipment for mining wire ropes, an on-line intelligent non-destructive testing instrument suitable for multi-diameter mining wire ropes has been designed and developed, which mainly includes an open-loop permanent magnetization system, hardware peripherals, application software and filtering algorithms. According to the physical characteristics of permanent magnetic flux leakage detection, a two-dimensional finite element simulation model of the permanent magnetization system with open-loop magnetic circuit characteristics was established through the ANSYS Maxwell software. The damage characteristic curves of the magnetized wire rope under different lift-off values were analyzed, and the optimal lift-off value was determined. In order to improve the noise reduction effect, a signal waveform smoothing processing method based on difference limit filtering algorithm was proposed. The results of multiple groups of tests show that the designed non-destructive testing instrument for multi-diameter mining wire ropes can effectively identify the broken wire damage of wire ropes with different diameters, and the average relative error of damage position detection is 0.36%, which has broad application prospects.

Key words: multi-diameter mining wire rope non-destructive testing instrument magnetic flux leakage detection filtering algorithm

收稿日期: 2025-01-13 出版日期: 2025-09-01

CLC:

TG 115.28

基金资助: 国家自然科学基金资助项目(42307237);湖北省重点研发计划项目(2020BCA082);湖北省自然科学基金青年项目(2022CFB590)

通讯作者: 刘洋 E-mail: yaonan@wust.edu.cn;liuyang@wust.edu.cn

作者简介: 姚　囝（1987—），男，副教授，博士，从事地下开采理论与工艺、矿山压力与岩层控制、地下空间工程加固技术及矿业系统工程等研究，E-mail: yaonan@wust.edu.cn，https://orcid.org/0000-0001-9246-3042

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引用本文:

姚囝,杨运盛,刘洋,叶义成,冯杰,陶潜顺. 多直径矿用钢丝绳无损检测仪的设计与开发[J]. 工程设计学报, 2025, 32(4): 532-541.

Nan YAO,Yunsheng YANG,Yang LIU,Yicheng YE,Jie FENG,Qianshun TAO. Design and development of non-destructive testing instrument for multi-diameter mining wire ropes[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(4): 532-541.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.105 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I4/532

图1 多直径矿用钢丝绳无损检测仪整体结构

图2 钢丝绳的永磁漏磁检测原理

表1 开环永磁磁化系统有限元仿真模型关键参数

图3 开环永磁磁化系统有限元仿真模型

图4 钢丝绳的励磁回路磁力线分布

图5 钢丝绳的励磁回路磁通矢量分布图

图6 钢丝绳的励磁回路磁场强度分布

图7 提离值对漏磁场强度的影响

图8 开环永磁磁化系统结构示意

图9 多直径矿用钢丝绳无损检测仪实物图

图10 滤波处理前后的检测波形对比

图11 用户界面

图12 钢丝绳漏磁检测流程

图13 不同直径钢丝绳的损伤情况

图14 钢丝绳损伤检测现场

图15 直径为16 mm的钢丝绳单根断丝检测波形

图16 直径为28 mm的钢丝绳单根断丝检测波形

图17 直径为36 mm的钢丝绳单根断丝检测波形

图18 直径为16 mm的钢丝绳多根断丝检测波形

图19 直径为28 mm的钢丝绳多根断丝检测波形

图20 直径为36 mm的钢丝绳多根断丝检测波形

图21 钢丝绳的2处断丝位置

表2 钢丝绳损伤定位结果

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