第1章 绪论
1.1研究背景及研究目的与意义
钢丝绳是由一种具有自发性磁特性的碳素钢制成的，广泛应用于工业生产、旅游、煤矿、船舶、起重及相关领域。钢丝绳通常作为一种提升、牵引部件，具有以下优点[1，2]：①柔曲性好，可以在滚筒上缠绕；②承载能力强、抗压与抗拉力性能好；③局部小缺陷发生时不会发生骤断；④自重轻，可以稳定工作于各类恶劣环境中；⑤结构类型多样化，适用于多种场合。钢丝绳由绳芯和绳股组成，绳芯通常有金属芯(独立钢丝绳芯、钢丝股芯 )、纤维芯 (天然纤维芯、尼龙纤维芯 )两种[1]，绳芯的作用是减小股间压力和作为绳体支撑，纤维芯可以起到润滑、防腐蚀和存储润滑油的作用。
钢丝绳使用环境通常比较恶劣，而且工作时间长、使用强度高，因此在钢丝绳的使用过程中，容易造成锈蚀、磨损、断丝等局部缺陷。随着使用时间的延长，钢丝绳的锈蚀、磨损和疲劳损伤都会演变成断丝情况，而出现大量的断丝损伤后，钢丝绳的承受强度会下降。如果不能及时发现断丝情况并更换钢丝绳，钢丝绳将会整绳断裂，导致生产事故，危害设备安全和生命财产安全，从而造成巨大的损失和不良的社会影响。因此，自钢丝绳被使用于工业生产过程和国民生活中以来，其安全性能往往成为关注的重点。科学界对于钢丝绳的研究聚焦于在安全使用钢丝绳的情况下延长其在役时间。
资料显示，生产钢丝绳的作坊于 17世纪中叶就出现在欧洲，其成品制作比较简单。1834年，欧洲的奥鲁勃特制作出第一根钢丝绳，该钢丝绳是采用低碳钢丝捻制的，因此强度不高，承载能力差。经过 20年的改进，钢丝冶炼中的焙炖热处理方法(由英国人詹姆斯 豪斯福尔在 1854年申请发明专利，该技术以熔铅作淬火介质 )被提出，这使得钢丝绳结构性能、承载能力和抗腐蚀性能都得到了很大的提升[2]。至此，钢丝绳开始被广泛地应用于工业现场中，早期的钢丝绳检测方法主要以人工目视法为主，通过人工经验对钢丝绳使用情况进行判断以确定是否报废更换。该方法易受表面油污影响，且无法实现在线检测和准确的定量判断；另外，受人工经验因素影响较大，可靠性与检测率较低，目前已经被淘汰。早期较常用的避免出现事故的钢丝绳安全保障模式为定期更换模式，目前许多地方为了保证绝对的安全性依旧采用该模式。但是采用定期更换模式，一方面强度损耗较小的钢丝绳被提前更换造成巨大的浪费，另一方面在钢丝绳的使用过程中，若钢丝绳偶然受到严重的损伤，却未能及时排除该险情将昀终造成安全事故。因此，研究一种有效的检测办法对于钢丝绳的安全使用是非常必要的。本书的研究意义在于以下几方面[3]。
1. 保障钢丝绳在役安全
钢丝绳的使用前提就是其在役时的安全保障，只有保证了它在役期间的安全性能，才可以进一步研究、讨论生产成本的降低和系统维护的意义。钢丝绳在使用过程中不可避免地会出现断丝、疲劳、磨损和锈蚀等损伤，这些损伤的发生并长期积累昀终将威胁到安全生产活动。钢丝绳发生断裂造成的后果非常严重，轻则致使生产设备、仪器损坏，重则造成人员伤亡。由钢丝绳断裂导致的生产事故时有发生。例如， 2013年 11月 8日，国内某钻井平台进行水下日常维护检查工作，检查完毕后检查机器人回收过程中发生钢丝绳骤断，导致机器受损，1人受伤； 2015年 1月 8日，75T场地班组在对泸州胡市收费站主拱桁桥进行翻身作业时发生钢丝绳当场扯断的事故，所幸未造成人员伤亡，施工现场的设备、构件也未发生损坏；2016年 4月 6日，某商贸综合楼在建设中使用的简易龙门架吊篮由于使用已经达到报废标准的钢丝绳，在使用过程中钢丝绳突然发生断裂，昀终导致 1死 1伤；2017年 3月 9日，黑龙江省龙煤集团双鸭山矿业公司东荣二矿副立井的多绳摩擦轮绞车在提升过程中钢丝绳突发断裂引发坠罐，造成罐笼中的 17人被困。2010年 12月 29日，美国缅因州滑雪场钢丝绳断裂，缆车中 200余人被困空中，9人受伤；2004年 12月 29日，瑞士的雪朗峰索道钢丝绳断裂导致 53名游客被困；2003年印度发生多起索道钢丝绳断裂事故，致使 11人死亡，近 50人受伤。从国内到国外，钢丝绳的使用范围涵盖了吊装、电梯、冶炼、缆车、索道、煤矿以及船舶业，钢丝绳断绳事故时有发生，一旦发生断绳事件，将会产生严重的社会影响，因此，在役钢丝绳的使用性能、安全保障备受重视。
国内外为了避免断绳事故发生，对各个钢丝绳行业中钢丝绳的安全使用提出了一系列标准，其中包括钢丝绳的生产标准、验收合格标准、使用规范标准、检测仪器标准和报废标准。由于缺乏快速统一的检测评价标准，市场上已有的钢丝绳检测仪器性能并不能够满足众多工业应用环境的要求，此外，部分检测仪器的现场使用可靠性比较低，抗干扰能力差。因此，在很多生产现场中结合人工目视检查与定期更换绳体的办法成为主要的钢丝绳安全使用管理方法，但是依旧无法有效地减少突发性故障。研制出一种通用性强、检测准确率高、实时处理能力强的钢丝绳检测仪器，可以有效地避免钢丝绳在使用中发生断裂事故，从而保障相关生产活动的安全。
2. 降低钢丝绳使用成本
由于缺乏有效、可靠的钢丝绳剩余寿命预判手段，采用定期更换服役钢丝绳是一种常用的安全保障方法，但是该方法依旧无法避免概率事件导致的钢丝绳断裂，并且大部分被更换的钢丝绳并没有达到废弃标准，可以继续服役一段时间，因此造成了极大的浪费。美国研究人员对钢丝绳现场使用情况统计与实验室统计结果表明[4]：在役钢丝绳中，约有 10%的钢丝绳有潜在断裂危险，性能状态表现为危险的只有 2%。在定期强制性更换的钢丝绳中，约有 70%的钢丝绳不存在较大损伤或无损伤，这部分钢丝绳完全可以继续使用。日本的相关统计结果表明[4]：一半以上强制退役的钢丝绳承载强度可以达到新制钢丝绳的 90%以上，相当于这些强制报废钢丝绳还未度过使用磨合期就被更换掉。对在役钢丝绳采取定期添加润滑剂、油脂等保养措施以降低钢丝绳锈蚀速度，同时采用科学的无损在线检测方法对钢丝绳进行性能测试，建立合理的报废时间制度，这样可以在很大程度上节省钢丝绳使用量，同时保证钢丝绳生产环境的安全可靠。
3. 在役钢丝绳的高效保养
服役钢丝绳必须有定期保养、检查制度，以保障其安全性，排除潜在的危险。除了依据表面润滑剂依附量来添加润滑剂，降低其锈蚀速度，还应该定期对钢丝绳的损伤状况进行检测。不同行业中的钢丝绳使用强度不一样，各国家也依据本国使用情况出台了不同的检测间隔明确要求，例如，对重大生产和要求高的煤矿行业需要实行日检，对使用率较低、使用强度较低的电梯实行月检，以及对其他行业进行周检、年检和不定时着重检测。目前，众多领域内的主要检测手段依旧以人工目视为主，这种方法的弊端体现在以下方面：①检测率低，人工目视法以视觉为主，触觉为辅，只能对钢丝绳表面损伤进行检测，检测速度慢，耗时长，工作量大；②要求检测人员具有较高的职业素质，需要对不同工作环境下的钢丝绳受损源头比较熟悉，并且对检测人员的训练周期较长，对钢丝绳的剩余强度判断需要依据检测人员的个人经验，具有很大的人为因素；③无法对钢丝绳的内部损伤和易受油污覆盖的小间距损伤进行检测，检测的可靠性不高。
采用仪器结合智能检测技术可以很好地克服以上缺点，全面提升系统的检测效率，保障检测的可靠性和连续性，减小断绳事故的发生率，提高生产效率，降低钢丝绳使用成本。一方面，在役钢丝绳所承受的负载是动态变化的，因此要求检测仪器进行在线检测时能够随着钢丝绳张力的变化对其剩余强度做出实时评估；另一方面，使用中的钢丝绳不同类型缺陷的积累导致钢丝绳强度不断降低，因此要求能够实时检测剩余钢丝绳强度，才能在事故发生前提醒操作人员更换钢丝绳避免事故的发生。实现钢丝绳在线无损检测，同时建立完善的钢丝绳寿命评估体系和科学的安全运行检测标准，为进一步无误地评估钢丝绳安全状态提供合理的指示信息，对目前已有的检测仪器进行进一步的小型化、实时化、智能改进化，确保服役钢丝绳的安全和可靠具有重要的研究价值。钢丝绳无损检测技术是一个跨学科的综合性课题，涉及电磁场、信号获取、信号处理、信号分析和模式识别等领域。钢丝绳无损检测技术的理论与技术研究成果也可以推广至其他相近的应用背景，如运输管道、油气罐和架设桥梁等，具有同样的指导意义和重要的应用推广价值。
1.2国内外研究现状
1.2.1钢丝绳无损检测的主要内容
钢丝绳损伤可由三个方面组成[5]：①金属截面损失(loss of metallic area，LMA)，表现为内外部磨损、锈蚀、绳股断裂、绳径局部减小或绳径局部增大(由于绳芯畸变导致半径局部变化)等；②局部损伤(local fault，LF)，表现为断丝、裂纹、点蚀、镀层开裂脱落、麻点、绳端断丝等；③结构损伤 (structure fault，SF)，表现为钢丝绳变形、股芯外露、股间隙不均匀、捻距不均匀、绳芯外露等。在钢丝绳的使用当中出现的损伤情况昀多的为 LMA与 LF，这两类损伤普遍存在于各种钢丝绳的使用中，并且相对于 SF更难被人工目视法发现，因此在钢丝绳检测设备的研制过程中，以实现检测和定量化 LMA与 LF为主要目的。
钢丝绳缺陷无损检测技术包括缺陷的定位和定量分析两部分。其中缺陷的定位研究应该实现 LF与 LMA的周向和轴向精确定位；而缺陷的定量分析要实现缺陷的定量描述，如断丝数量、磨损面积、钢丝锈蚀量等。对于钢丝绳的定位问题，传统的感应线圈检测头只能测量得到钢丝绳表面轴向的磁通和，因而只能对轴向的缺陷进行定位，对于轴向同一位置的多个缺陷无法实现多损伤定位分析。采用成像技术可以很好地克服该缺点，可以通过射线照相、红外成像、表面磁成像、涡流成像、超声波成像和光学成像等方式来获取表面不同位置的缺陷响应，利用信号数据的处理与分析获取缺陷具体的周向与轴向位置信息。另外，实现钢丝绳剩余强度定量分析非常困难，原因如下：一方面，钢丝绳单一检测方法受其自身检测理论和检测技术限制，难以对钢丝绳多种类型的缺陷损伤实现有效的检测。另一方面，钢丝绳自身结构极其特殊且工作环境复杂，具体表现为 [6]：①市场上没有统一结构的钢丝绳，而钢丝绳的捻制方法不同，检测获得的信号也不尽相同；②在役钢丝绳工作环境差，可操作空间小，对检测装置的便携性能要求高，同时背景干扰复杂，绳体表面通常也会因附着油污、泥沙等产生噪声干扰；③缺乏一种统一的缺陷评估标准，与不同的检测仪器厂商和钢丝绳的具体应用环境产生缺陷的方式相关，行业内没有统一的缺陷样绳制作标准，从而无法形成一致的评估体系。因此，只有对钢丝绳的制作、运输过程、形成缺陷源头、缺陷的典型类型具备全面的认知，才可研制出一种有效的检测机制，从原理上找到一种操作简便、结构简单、成本低、敏感度高的在线检测方法，并且进行相应的形成原理和实验结果吻合度研究，为检测方法提供相应的理论和技术支持，从而实现钢丝绳缺陷的定量识别，进行实时的钢丝绳在役状态监测、评估，避免断裂事故的发生。
1.2.2钢丝绳无损检测及缺陷识别技术研究现状
查阅国内外关于钢丝绳无损检测的文献和相关专利标准[5]，已有的钢丝绳剩余强度和缺陷检测方法有十几种之多，其中具有代表性的方法可划分为电磁法、辐射法、声学法、光学法、力学法五类 [7]。自从世界上第一台钢丝绳无损检测仪器于 1906年由南非 McCann和 Colson研制出来[3]，经过国内外学者 100余年的不断探索和研究已经有了不少成果。
1. 电磁检测法的发展与现状
世界上第一台钢丝绳电磁无损检测仪器采用交流磁化方式，首先将磁化线圈缠绕于钢丝绳表面，用钢丝绳作为电感铁芯，在钢丝绳的另一端缠绕上线圈进行互感检测，其设计原理如图 1-1所示。当线圈在钢丝绳表面移动时，电感铁芯的金属截面发生变化，导致磁化线圈与感应线圈之间的阻抗发生变化，记录感应线圈中的动态感应电动势可以定性地表现出钢丝绳的 LMA情况。由于该方法采用交流线圈进行磁化感应而被称为交流法[4]。这种方法由
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