1.1课题总述

1.1.1研究背景

目前，我国人口众多且经济正处于上升期阶段，不管轻工业还是重工业对各种能源资源的需求量是非常巨大的。2006年环球能源网根据BP能源数据整理得出，中国煤炭已探明储量为1145亿吨，仅排在美国（2446亿吨）和俄罗斯（1570亿吨）之后，由此可知，中国是煤炭大国，所以，我国工业能源的主要来源就是煤炭。大量的需求促使着煤矿行业的高速发展，令人担忧的安全问题也早就成为世界关注的焦点。虽然，各个国家都在本国行业现状的基础上制订了许多相关法律和安全条例，但是近几年矿难事故依然频发：2004年山东滕州东大煤矿，绞车过卷断绳，造成坠罐事故，使得井下作业人员中的7人死亡，4人重伤的特大恶行事故； 2008年7月，河南济源市济源煤业公司八矿在交接班过程中，罐笼在从井底往上提升到30米时，钢丝绳突然断裂，造成11人遇难；2010年，南丹一矿井由于绳索断裂发生事故，致3人死亡3人受伤；2011年，新庄孜矿暗副立井在换罐耳作业时发生一起带闸带绳的坠罐非死亡事故。以上事故的产生都是由于钢丝绳的突然断裂造成的，所以，关于钢丝绳安全使用的话题的媒体关注热度一直有增无减。其实，钢丝绳作为一种重要的牵引、承载构件，不仅在煤炭业频繁使用，还广泛应用于冶金、高层建筑提升、交通运输 、 港口、旅游等国民经济建设的各个领域 ,可见，钢丝绳与人类生活的方方面面都有紧密关系，除了之前叙述的煤矿行业中由于钢丝绳断裂造成的安全事故，在其他行业也经常发生诸如此类的重大事故，比如说：2011年，江西一在建工地，在施工过程中升降机绳索断裂，从高楼坠落，造成3人死亡3人受伤；2012年，一名攀岩爱好者在巴西遭遇绳索断裂事故而死亡； 2014年，在北京丰台区大红门西马场南里社区，一名刷墙工人在居民楼外作业时，悬空平台的绳索突然断裂，致使该名工人从12楼坠落而亡。已经发生的一系列的安全事故提醒着我们应该将钢丝绳的安全使用作为相关工作领域的头等要事，这首先需要我们熟练掌握钢丝绳的一切基本知识并且规法使用 ，对于在役钢丝绳，还应该时刻检测其使用情况，一旦发现问题立即更换。

1.1.2研究目的与意义

目的：基于检测现状，紧随时代潮流，着眼发展方向，综合各学科理论知识，结合自己的实际操作经验，建立利用磁特性产生的钢丝绳股波信号与所承受的张力相互关系的初步模型，然后根据该模型采用LabVIEW软件进行钢丝绳张力检测系统的设计，为更加准确更高效率地实时在线监测钢丝绳张力提供一种新方法。

意义：对于参与者，进行本项目研究可以提高各个学科的关联性，帮助更好地理解所学基础知识，掌握在实践中验证和提升理论的技术，增强科研和解决实际问题的能力，促使学生自主学习、合作学习，让学生与时俱进地全面发展，；对于实际应用环境，采用这种系统方法可以及时检测钢丝绳中张力的变化情况，切实保证钢丝绳的安全使用和进一步提高相关行业的经济效益。

1.2国内外钢丝绳张力检测的发展历程及趋势

从钢丝绳应用到各种行业中开始，由于它关系到工作人员的生命安全和工业领域的经济效益，世界上的所有国家就已经重视钢丝绳的张力检测了。

最早，在没有张力检测器的时代，测试人员通常是通过目视检测法，根据由人眼观察到的钢丝绳的各种不正常变化，结合之前积累的工作实践经验，或与当时的标准钢丝绳作比较，来确定钢丝绳中张力的情况，这种方法也包括前面提到的振波法。但是这种方法依赖性强，精度低，使用范围局限，结果并不可靠。随着时代的发展和工业的需求，在上世纪五十年代，由一部分重工业较为发达的国家开始研制能够实现张力检测的机器，以提高工作效率和精度，这期间出现了前苏联的OHK -20、OHK -45 型应变测力计和前西德的环状槽形测力计，还有我国出现的弹簧测力计。又过了二三十年的时间，在八十年代，开始有人想要研制出感应式的张力检测装置，比如前西德改进原有的环状槽形测力计，加入了感应线圈，制造出了可以实现实时在线测量的感应式状槽形测力计，还有很重要的一点是，该机器分为两部分，一部分是可以在井下直接测量钢丝绳张力情况的罐笼站，另一部分是工作人员获得数据并进行分析处理的地面站，这种分离式结构很好的保证了测试人员的生命安全，而且相较于之前的仪器，该机器精度更高，结果更准确，也能够在一定程度上满足不同工作环境中的钢丝绳的检测，比较特殊的一点是，地面站具备了载荷超限报警的功能。这一时期，由于我国的“七五”规划，一些较为先进的仪器陆陆续续地在我国诞生，比如煤炭科学研究总院抚顺分院的 F44 型钢丝绳张力测定仪、山西矿业学院的压轮式钢丝绳张力检测装置和长春煤炭研究所的GS - ZCII 型钢丝绳张力测定仪，随着这些仪器投入到相关行业领域的实际应用中，由于钢丝绳损坏造成的伤亡事故也开始减少，极大的提高了行业的经济效益和安全性。在临近二十一世纪的几年中，为了更快更好地达到检测标准，各个国家将张力检测的研究重点开始转移到非接触式检测的方向。

依据上述钢丝绳张力的检测方法和发展趋势，青岛理工大学基于钢丝绳等间隔的重复波浪形的起伏状态，采用电磁感应原理和霍尔传感器，进行了钢丝绳张力检测的新研究。

1.3本论文的主要研究内容

在现实工程应用的背景下，依托现有理论知识和实践经验，围绕钢丝绳张力检测的核心论题，根据电磁感应原理，利用虚拟仪器，进行检测系统的设计与开发。

1、介绍钢丝绳的基本结构、分类方法、应用背景和损伤类型及原因，由发生的各类安全事故，引出钢丝绳张力检测的必要性和紧迫性。

2、介绍钢丝绳张力检测的各种方法和发展现状及趋势，了解其研究的关键内容，清楚核心问题，帮助确定本论文的主题，以便展开后续研究。

3、分析基于钢丝绳股波信号以非接触方式实时在线检测钢丝绳张力的原理和技术，研究其差动传感技术，设计检测器机械结构及检测器电路。

4、研究双检测器输出信号技术，设计信号处理电路。

5、研究检测信号的逻辑运算方法，设计逻辑运算电路。

6、研究基于LabVIEW的检测信号特征值的数据采集方法，开发数据采集系统。

7、推导检测信号的相位差与钢丝绳张力之间的数学关系，编制定量处理软件。

8、基于LabVIEW设计钢丝绳张力检测的虚拟仪器系统。

第1章  钢丝绳张力检测方案与传感器的配置

 

2.1钢丝绳张力检测方案的总体设计

本论文需要研究设计的是钢丝绳的张力检测系统，该系统包括张力检测部分、信号调理部分、数据采集部分、虚拟仪器部分。结构图如下：

 

图2-1 钢丝绳张力检测系统结构图

 

2.2钢丝绳的介绍

2.2.1钢丝绳的结构简述

钢丝绳是用多根或多股细钢丝捻绕成螺旋状的挠性绳索。其优点是强度高、自重轻、弹性好、工作平稳可靠、承受动载、过载能力强、不易骤然整根折断，以及能在高速环境下运行，噪声小等。在物料搬运机械中，供提升、牵引、拉紧和承载之用。其中，钢丝绳的承载作用主要由钢丝决定，钢丝是碳素钢或合金钢通过冷拉或冷轧而成的圆形丝材，具有很高的强度和韧性，并能根据使用环境不同对钢丝进行表面处理，而绳芯的重要作用是增加钢丝绳的弹性和韧性、润滑钢丝、减轻摩擦，提高钢丝绳的使用寿命。

根据钢丝绳的形状，可以分为：圆股钢丝绳、编织钢丝绳和扁钢丝绳。其中，圆股钢丝绳的柔软性更好，破断拉力更大，但制作工艺较复杂。根据钢丝绳的层次，可以分为：单绕绳、双绕绳和三绕绳。其中 ，三绕绳挠性最好，双绕绳次之，单绕绳最差。双绕绳由于综合性能较好且制造简便，故应用最广。三绕绳又分为顺绕和交绕两种，顺绕钢丝绳更适合在载荷较小时使用，交绕钢丝绳则可以与应用在重载荷行业中。根据钢丝绳的接触状态，可以分为点、线、面三种。根据钢丝绳截面形状，除了圆股，还有三角股、椭圆股和扁股等异形股。之所以有如此多的钢丝绳类型，一方面是因为钢丝绳的应用范围广、功能性强，另一方面也是因为钢丝绳在各个领域中的需求量都是十分巨大的，而且其必要性是无法取代的。在人类社会高速发展的今天，相信以后会出现更多的钢丝绳类型，其各个方面的性能也会随着工业的需求而逐步提高。

2.2.2钢丝绳的损伤类型

钢丝绳在工作过程中，由于一直暴露于恶劣的外界环境中，长期遭受风吹日晒雨淋的摧残，空气中的酸性物质或者腐蚀性气体都会对钢丝绳造成一定程度上的损坏，再加上钢丝绳本身复杂的结构和所受载荷的变化性，很容易在使用一段时间后形成缺损，如果检查不及时不到位，那么在实际操作过程中就会突然断裂而造成巨大的安全事故，由此产生的一系列经济损失和人员伤亡是无法估量，也是无法弥补的。钢丝绳的主要损伤类型包括断丝、磨损、腐蚀和变形。

1、 断丝

首先，钢丝绳属于牵引和提升构件，在使用过程中，会长期经受载荷的拉伸作用，并且在牵引或提升过程中，所承受的载荷是不断变化的，还会由于钢丝绳的运行速度产生一定量的加速度，这样不仅变相地加重了钢丝绳的载荷，也会使钢丝绳遭受突然的巨大载荷或突然不经受任何载荷而处于时断时续的重复加载中，如此往复就会加速钢丝绳的破坏，当所承受的载荷超过了钢丝绳能够承受的额定载荷之后，绳股就会出现断丝。第二，不断地牵引和提升过程中，钢丝绳与滑轮或卷筒之间就会产生相对滑动，从而产生相对摩擦，当持续时间达到了一定程度，也会出现断丝。第三，钢丝绳在运行过程中，难免会与周围环境相碰撞，还会与周围的铁质器件等硬质器件产生摩擦，重复的加载和卸载过程中，与所接触的货物产生摩擦，这些情况日积月累都会造成断丝断丝。除此之外，钢丝绳所承受的剪切应力、绳股之间的扭结、长期使用造成的接触疲劳等也会造成断丝的情况。断丝的情况又可以分为绳端断丝，这种情况说明该部位正在承受很大的应力，应该仔细检查原因，重新正确安装绳索；断丝也可能会在绳索的某一个地方集中出现，这种情况下，一般应该更换钢丝绳，以确保使用安全；当出现少量断丝时，应该及时查明损坏原因，并进行弥补，但如果断丝出现的时间间隔越来越短，这时应该记录持续记录断丝出现的间隔时间，根据相关使用规范，确定该钢丝绳的报废时间。

2、 磨损

磨损造成的原因主要分为内部和外部两大方面。由于钢丝绳是由多根钢丝捻制成股，然后再由多股钢丝围绕绳芯捻制而成的。所以，不可避免的，绳股之间就会出现相互挤压，再加上钢丝绳承受的交变载荷和不断地弯曲缠绕，它们之间的摩擦力就会变得不可忽视而成为钢丝绳磨损的主要原因，以至于一些钢丝的截面积就会逐渐减小，这种情况会使得钢丝绳的强度大大减弱，弹力也会相应减小，即使给该是钢丝绳加载到本应该能够承受的载荷，都可能会出现断裂，故当钢丝的截面积减小到一定程度时，就应该更换新的钢丝绳。对于外部磨损，在上一段中已经详细说明，这里就不再赘述。

3、 腐蚀

在潮湿或者受到污染的工作环境中，出现钢丝绳腐蚀的情况比较多。当钢丝绳的某一部位出现腐蚀时，会影响到钢丝绳的整体破断强度减小，承受载荷的能力下降，另外，由于钢丝绳的外表比较粗糙，所以腐蚀部位很容易形成裂纹、断丝等情况，当腐蚀程度变得严重时，钢丝绳的弹性也会减小。除了外部腐蚀，还会出现一定程度的内部腐蚀，内部腐蚀造成的结果不太容易发现，但是影响也是很大的，当情况严重时，应该做报废处理。

4、 变形

钢丝绳的变形是指绳索不再具有本来的模样而呈现一些本不属于它的形状，包括波浪形、笼状畸变、绳股挤出、钢丝挤出、绳径局部增大或减小、扭结、部分被压扁和弯折等情况。钢丝绳的变形会衍生出上面叙述的断丝，这是由于形状改变使得钢丝绳内部应力的分布变得不均匀，局部应力过大就会出现断丝。所以，当出现变形时，工作人员应该及时检测钢丝绳的情况，如若不能使用需及时更换新绳。