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

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

YAO Nan^,^,¹^,², YANG Yunsheng¹, LIU Yang^,^,¹^,², YE Yicheng¹^,², FENG Jie³, TAO Qianshun¹

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

通讯作者: 刘　洋（1990—），男，副教授，博士，从事智能材料与结构健康监测、压电传感检测技术、矿山安全技术、地下工程结构智能检测及机器学习等研究，E-mail: liuyang@wust.edu.cn，https://orcid.org/0009-0002-5543-8803

收稿日期: 2025-01-13 修回日期: 2025-02-20

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

Received: 2025-01-13 Revised: 2025-02-20

作者简介 About authors

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 , E-mail：yaonan@wust.edu.cn

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.

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

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本文引用格式

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

YAO Nan, YANG Yunsheng, LIU Yang, YE Yicheng, FENG Jie, TAO Qianshun. 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 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.105

钢丝绳检测是矿山安全生产的重要环节，包括使用前及使用中的经常性检测。根据GB 16423—2020《金属非金属矿山安全规程》，矿用钢丝绳检测包括日常检查和定期检验两种方式，主要检测断丝情况和直径减小量^[1-3]。

目前，电磁和永磁漏磁检测是钢丝绳无损检测的主要方法^[4-6]。永磁磁化器通过提供恒定的磁通，使得钢丝绳中的轴向总磁通保持恒定，该技术凭借穿透性、稳定性高及操作便捷等优势，被广泛应用于无损检测领域^[7]。董文琪^[8]针对直径为6~16 mm的钢丝绳的漏磁检测，提出了基于嵌入式系统的漏磁检测方法，并设计了一种体积小、质量小的手持式检测仪。姜宵园^[9]针对钢丝绳的漏磁检测探头进行了深入研究，并设计了一种开环永磁磁化漏磁检测探头。杨子健^[10]针对检测设备操作繁杂的问题，设计了一种基于无损检测原理的便携式钢丝绳损伤检测仪，在一定程度上提升了检测的便捷性。Ma等^[11]通过设计聚磁导引结构，实现了漏磁场的定向聚集，有效扩展了单个霍尔元件的有效检测区域。Zhou等^[12]建立了多源信息融合模型，通过多通道信号协同处理机制，显著提升了对钢丝绳漏磁检测中缺陷特征的解耦能力。Zhang等^[13]搭建了磁电复合传感架构，通过线圈-霍尔传感器的协同工作实现了主磁通与漏磁信号的多维度耦合分析，为钢丝绳损伤信号的多尺度评估提供了新的技术途径。然而，现有的基于永磁漏磁检测的钢丝绳无损检测设备虽在一定程度上提高了人工检验的准确性，但仍需手动操作，劳动强度较大，且在井下使用时操作难度大，耽误正常生产进度。此外，受检测范围限制，传统检测设备对矿用大直径（16~40 mm）钢丝绳的兼容性较差^[14]。

基于此，本文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，运用永磁漏磁检测原理设计了一种多直径矿用钢丝绳无损检测仪。首先，通过研究无损检测仪的机械构造和工作原理，对其硬件外设、应用软件、开环永磁磁化系统以及差值极限滤波算法进行设计。然后，通过分析提离值（磁敏元件与钢丝绳表面的垂直距离）对钢丝绳损伤检测效果的影响，确定最佳提离值。最后，对无损检测仪的性能进行测试，并评估钢丝绳直径不同时的检测精度，以验证其检测效果。

1 钢丝绳无损检测仪的整体结构及工作原理

1.1　无损检测仪的整体结构

本文所设计的多直径矿用钢丝绳无损检测仪的整体结构如图1所示，主要由开环永磁磁化系统、信号采集系统（位于内部，图中未标注）、距离测量系统、显示系统和导向系统等组成。

图1

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图1 多直径矿用钢丝绳无损检测仪整体结构

Fig.1 Overall structure of non-destructive testing instrument for multi-diameter mining wire ropes

1）开环永磁磁化系统由衔铁和永磁体构成。利用永磁体的强磁性对钢丝绳进行磁化；利用衔铁增强励磁回路中的磁力线，以达到最佳磁化效果。

2）信号采集系统包括磁敏元件、变径装置和嵌入式工控屏。变径装置用于调节磁敏元件与钢丝绳的距离，以实现最佳检测效果；磁敏元件所采集的数据回传至单片机采集模块进行处理。

3）距离测量系统由E6B2-CWZ6C编码器和单片机组成，编码器栅格信息发送至单片机进行处理，以实现对钢丝绳损伤位置的读取。

4）显示系统由嵌入式工控屏和单片机组成，经过单片机处理的数据通过Qt框架编写的用户界面应用程序进行可视化呈现。

5）导向系统包括2组弹簧导向轮组，用于将待测钢丝绳两端固定在同一直线上，以消除检测设备抖动的影响，从而提高检测稳定性。

1.2　永磁漏磁检测原理

钢丝绳的永磁漏磁检测过程分为磁化和漏磁检测两个阶段，其原理如图2所示。

图2

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图2 钢丝绳的永磁漏磁检测原理

Fig.2 Principle of permanent magnetic flux leakage detection for wire rope

在进行永磁漏磁检测时，两端的环形永磁体产生磁场，位于中间的衔铁在增大磁通的同时构成闭合磁路。在钢丝绳移动的过程中，永磁磁化系统对钢丝绳进行磁化并产生磁场，磁敏元件将检测到的磁感应信号转化为电信号并发送给单片机，以进行信号处理和缺陷分析^[15]。若钢丝绳某处存在一定的损伤，则会检测到异常信号。漏磁信号的强度与提离值成反比，与漏磁场强度成正比^[16]。磁场强度衰减的计算公式如下：

B = B_{0} ∙ e^{\frac{- x}{d}}

(1)

式中：B为磁感应强度，B₀为未受磁场影响时的磁感应强度，x为沿磁场径向的距离，d为指数衰减常数。

由式(1)可知，磁场强度随距离的增大呈指数式衰减，即当钢丝绳的损伤部位越接近磁敏元件时，磁场强度的衰减速率显著增大^[17]。

2 开环永磁磁化系统仿真与设计

在钢丝绳漏磁检测过程中，为了实现最佳的检测效果，使用ANSYS Maxwell软件建立开环永磁磁化系统的二维有限元仿真模型，并以提离值为变量，分析其对钢丝绳损伤特征曲线的影响，从而探讨距离因素对钢丝绳漏磁检测效果的影响，并确定最佳提离值。

2.1　有限元仿真模型建立

开环永磁磁化系统有限元仿真模型的参数设置如表1所示。采用轴向磁化方式对钢丝绳进行激励磁化，并通过调节提离值来获取不同提离值下的磁场强度分布情况。基于上述方案，系统地研究提离值与漏磁场强度之间的映射关系。开环永磁磁化系统有限元仿真模型如图3所示。

表1 开环永磁磁化系统有限元仿真模型关键参数

Table 1 Key parameters of finite element simulation model of open-loop permanent magnetization system

结构	尺寸参数/mm			材料
结构	内径	外径	厚度	材料
永磁体	60	120	20	NdFe35^②
衔铁	54	110	80	Q235钢
钢丝绳^①		32		X53钢

① 钢丝绳上有25 mm×5 mm（长×宽）的损伤。

② NdFe35的矫顽力为955 kA/m，相对磁导率为1.099。

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图3

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图3 开环永磁磁化系统有限元仿真模型

Fig.3 Finite element simulation model of open-loop permanent magnetization system

2.2　仿真结果及分析

基于上述有限元仿真模型进行分析，得到钢丝绳的励磁回路磁力线分布，如图4所示。由图4(a)可知，无损伤钢丝绳在外加磁场作用下呈现典型的磁约束特性，其磁通主要分布于材料内部，表面磁通泄漏可忽略不计。由图4(b)可知，当钢丝绳存在局部损伤时，由于损伤区域的磁导率显著降低，使得磁阻增大，磁通将出现重分布现象，具体表现为：磁力线倾向于在磁导率较高的完整区域形成闭合回路，从而改变原有的磁场分布模式。在损伤截面处，未受损区域呈现磁通集中效应，同时部分磁力线因受挤压而经外围空气介质形成漏磁通路。

图4

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图4 钢丝绳的励磁回路磁力线分布

Fig.4 Distribution of magnetic field line in excitation circuit of wire rope

图5所示为钢丝绳的励磁回路磁通矢量分布图。通过对比分析图5(a)和图5(b)，可以发现损伤未对钢丝绳的空间磁通分布模式产生显著影响。进一步观察图6(a)和图6(b)所示的钢丝绳励磁回路磁场分布规律发现：在无损伤状态下，磁场能量主要集中于永磁体近场区域；当存在损伤时，磁场分布呈现双峰特征，除永磁体附近的主磁场集中区外，损伤位置处形成次生磁场聚集区。定量分析结果显示，损伤位置处的磁感应强度虽显著低于永磁体近场区域，但相对于钢丝绳其他部位仍呈现明显的局部增强现象。

图5

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图5 钢丝绳的励磁回路磁通矢量分布图

Fig.5 Vector distribution diagram of magnetic flux in excitation circuit of wire rope

图6

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图6 钢丝绳的励磁回路磁场强度分布

Fig.6 Distribution of magnetic field intensity in excitation circuit of wire rope

为了探究提离值变化对钢丝绳漏磁检测效果的影响，在0~35 mm范围内选取8个提离值，在保持其他检测参数恒定的条件下，以提离值作为独立变量，系统地分析漏磁场的分布特征和变化规律，即重点考察提离值对漏磁场强度、梯度分布等关键参数的影响规律。

提离值与漏磁场强度的关系曲线如图7所示。由图7可知，磁感应强度B与提离值h呈负相关。值得注意的是，当h∈[15，20] mm时，B值呈现明显的平台特征，其波动量ΔB≤5%，表现出优异的稳定性。这一特性为最佳提离值的确定提供了理论依据，建议将提离值优选范围设为15~20 mm。

图7

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图7 提离值对漏磁场强度的影响

Fig.7 Effect of lift-off value on leakage magnetic field intensity

2.3　开环永磁磁化系统设计

基于上述仿真结果，对多直径矿用钢丝绳无损检测仪的核心部件——开环永磁磁化系统进行结构设计。开环永磁磁化系统采用模块化设计，主要由Nd-Fe-B永磁体和衔铁等核心组件组成，如图8所示。利用变径装置（包括变径器与调节推杆）通过机械传动实现提离值的精确控制，其调节精度可达±0.5 mm，可适配不同规格钢丝绳的检测需求。该结构通过优化磁场分布的均匀性和提离值的可控性，实现了检测灵敏度的显著提升。此外，采用变径装置可避免频繁更换不同型号的直径导向环或磁敏元件，即在不用更换磁敏元件的前提下，扩大了钢丝绳直径的检测范围，从传统的16~22 mm扩展至16~40 mm，显著提升了检测设备的通用性。

图8

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图8 开环永磁磁化系统结构示意

Fig.8 Structure diagram of open-loop permanent magnetization system

3 钢丝绳无损检测仪性能测试

为验证本文所设计的多直径矿用钢丝绳无损检测仪（实物图见图9）的工程适用性，设计并实施了系列化检测试验。通过构建包含不同直径钢丝绳的样本库，系统地考察无损检测仪对钢丝绳各类损伤的识别能力。同时，对实测数据进行定量分析，以评估无损检测仪的可靠性与准确性。

图9

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图9 多直径矿用钢丝绳无损检测仪实物图

Fig.9 Physical picture of non-destructive testing instrument for multi-diameter mining wire ropes

3.1　信号检测工作流程

本文采用CC6511TO型霍尔传感器作为漏磁信号检测单元。当钢丝绳出现结构损伤时，损伤部位将产生特征性漏磁场，利用霍尔传感器实时采集该区域的漏磁信号。霍尔传感器采集到的模拟信号通过STM32单片机进行A/D（analog-to-digital，模/数）转换，以转换为数字信号，并形成相应的信号波形。

由于受到噪声干扰和其他因素影响，原始波形可能会出现不稳定的毛刺现象^[18]。毛刺可能会对损伤检测造成误判，从而无法达到预期的检测效果^[19-20]。为了解决这一问题，需对波形进行平滑处理，以滤除无用的毛刺以及抖动产生的波动。

通过对比分析多种滤波算法（移动平均滤波、中值滤波、卡尔曼滤波等^[21-25]）的性能，结合实际工况下的波形特征，提出了一种差值极限滤波算法。该滤波算法的原理如下：将读取的最新数据a不断与前一位数据b做差并取绝对值，同时与设定的2组阈值（A和B）进行比较，其中A为严重损伤阈值，B为一般损伤阈值。当|a-b|<A时，判定为波形毛刺，此时不更新最新数据，一直重复前一位数据b，波形为一条平滑直线；当|a-b|>A时，则将对应的信号判定为严重损伤信号，波形数据更新为最新数据a并保持，此时波形会出现波峰并保持。当通过损伤段后，波形恢复为平滑直线。一般损伤的判定原理同上。

利用差值极限滤波算法对所采集的原始漏磁信号进行平滑处理，结果如图10所示。其中，图10(a)为未经滤波处理的波形，图10(b)为滤波处理后的波形。通过对比可以看出，经差值极限滤波算法平滑处理后，干扰信号和机械抖动产生的噪声均被有效抑制，同时最大程度地保留了损伤信号。随后，基于平滑处理后的检测信号，根据GB/T5972—2023《起重机钢丝绳保养、维护、检验和报废》^[26]，判断钢丝绳缺损的严重程度。

图10

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图10 滤波处理前后的检测波形对比

Fig.10 Comparison of detection waveform before and after filtering processing

最后，将识别结果发送至上位机工控屏或电脑进行可视化呈现。检测人员可以通过用户界面查看钢丝绳的检测波形和识别结果，并记录相关数据，如图11所示。

图11

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图11 用户界面

Fig.11 User interface

综上，钢丝绳的漏磁检测流程如图12所示。

图12

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图12 钢丝绳漏磁检测流程

Fig.12 Magnetic flux leakage detection process for wire rope

3.2　钢丝绳损伤检测试验

为了验证多直径矿用钢丝绳无损检测仪的工作性能，选取直径为16、28、36 mm的钢丝绳开展检测试验。为了模拟真实工况下的损伤情况，对3种不同直径的钢丝绳进行统一破坏，以模拟钢丝绳的单根断丝和多根断丝情况，如图13所示。使用无损检测仪对钢丝绳的损伤进行检测时，在保证工况相同的情况下进行匀速检测，如图14所示。同时，利用差值极限滤波算法对所采集的漏磁信号进行平滑处理，得到相应的波形图（为方便对比滤波效果，对信号进行非线性归一化转换处理），如图15至图20所示（图中A=20，B=10）。系统共配置了空间正交分布的4组霍尔传感器（对应0°、90°、180°、270°方位），通过独立的I/O（input/output，输入/输出）通道实现多方位信号的同步采集。通过观察图15至图20所示的漏磁信号，可以明显看出：不同直径钢丝绳的漏磁信号幅值存在波动。在受损区间内，漏磁信号幅值的波动幅度大于20，说明钢丝绳存在严重损伤；波动幅度为10~20，说明钢丝绳存在一般损伤。根据信号幅值对损伤严重程度进行判断，即通过与预设阈值进行比较，得到相应的损伤识别结果。

图13

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图13 不同直径钢丝绳的损伤情况

Fig.13 Damage of wire ropes with different diameters

图14

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图14 钢丝绳损伤检测现场

Fig.14 On-site of wire rope damage detection

图15

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图15 直径为16 mm的钢丝绳单根断丝检测波形

Fig.15 Detection waveform of single broken wire in wire rope with a diameter of 16 mm

图16

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图16 直径为28 mm的钢丝绳单根断丝检测波形

Fig. 16 Detection waveform of single broken wire in wire rope with a diameter of 28 mm

图17

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图17 直径为36 mm的钢丝绳单根断丝检测波形

Fig.17 Detection waveform of single broken wire in wire rope with a diameter of 36 mm

图18

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图18 直径为16 mm的钢丝绳多根断丝检测波形

Fig.18 Detection waveform of multiple broken wires in wire rope with a diameter of 16 mm

图19

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图19 直径为28 mm的钢丝绳多根断丝检测波形

Fig.19 Detection waveform of multiple broken wires in wire rope with a diameter of 28 mm

图20

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图20 直径为36 mm的钢丝绳多根断丝检测波形

Fig.20 Detection waveform of multiple broken wires in wire rope with a diameter of 36 mm

3.3　钢丝绳损伤定位试验

为了测试无损检测仪对钢丝绳损伤部位的定位功能并评估其检测精度，开展钢丝绳损伤定位试验。首先，选取直径为26 mm的钢丝绳并设置2处断丝损伤，测得2处断丝的距离为20.20 cm，如图21所示。

图21

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图21 钢丝绳的2处断丝位置

Fig.21 Two broken wire positions of wire rope

随后，开展10组钢丝绳损伤定位试验，反复对这2处断丝进行检测，并记录2个损伤位置与钢丝绳头部的距离，10组试验的损伤定位结果如表2所示。

表2 钢丝绳损伤定位结果

Table 2 Results of wire rope damage location

组别	断丝位置/cm		断丝距离/cm	绝对误差/cm	相对误差/%
组别	第1处	第2处	断丝距离/cm	绝对误差/cm	相对误差/%
1	23.40	43.57	20.17	-0.03	0.15
2	25.02	45.17	20.15	-0.05	0.25
3	30.99	51.12	20.13	-0.07	0.35
4	39.95	60.26	20.31	0.11	0.54
5	42.91	63.23	20.32	0.12	0.59
6	62.03	82.32	20.29	0.09	0.45
7	55.31	75.42	20.11	-0.09	0.45
8	70.58	90.69	20.11	-0.09	0.45
9	66.58	86.75	20.17	-0.03	0.15
10	56.58	76.73	20.15	-0.05	0.25

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由表2可知，在钢丝绳损伤定位试验中，10组试验测得的断丝距离的平均绝对误差为0.073 cm，最大定位误差为0.12 cm，平均相对误差为0.36%，说明所设计的无损检测仪具有较高的检测精度。此外，针对同一损伤部位的测试结果表明，多次定位的测量数据偏差较小，说明该无损检测仪具有良好的稳定性。

4 结论

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，设计了一种多直径矿用钢丝绳无损检测仪，并基于有限元仿真与试验研究相结合的方法，系统地评估了无损检测仪的性能，相关工作及结论如下。

1）多直径矿用钢丝绳无损检测仪主要由开环永磁磁化系统、信号采集系统、距离测量系统、显示系统和导向系统组成。通过理论分析，明确了永磁漏磁检测的工作原理为：磁场强度随径向距离的增大而衰减。这可为开环永磁磁化系统的有限元仿真提供理论依据。

2）利用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，系统地研究了损伤区域漏磁场的空间分布特性及其变化规律，并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。研究结果为多直径矿用钢丝绳无损检测仪的开环永磁磁化系统设计提供了重要的理论依据和参数指导。

3）利用所设计的多直径矿用钢丝绳无损检测仪，开展了多个检测试验。试验结果表明，该无损检测仪可准确识别不同直径钢丝绳的损伤情况，其损伤定位的平均相对误差为0.36%，具有较高的检测精度。

参考文献

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被引期刊影响因子

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路正雄，郭卫，张传伟，等.

平行磁化NdFeB钢丝绳无损检测仪开发

［J］. 西安科技大学学报， 2021， 41（1）： 139-144.