CN103703361A

CN103703361A - 股绳中的磁通量泄漏误差探测

Info

Publication number: CN103703361A
Application number: CN201280036461.3A
Authority: CN
Inventors: H·范登比斯切; K·赖内尔特
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: CN103703361B; WO2013023818A1

Abstract

一种组件（500）包括卷绕设备（520）或扭绞设备（510）和探测器（530），卷绕设备（520）或扭绞设备（510）适于卷绕或扭绞包括可磁化丝的股绳（110、518）。探测器（530）安装在设备（510、520）上或连接到设备。探测器（530）包括：a）允许通过股绳（110）的磁体（102），b）用于测量由通过股绳（110）导致的磁通量的变化（220、330、440）的探测器（122、124），c）用于采样磁通量的变化（220、330、440）的采样器，d）用于将这些变化（220、330、440）从时域变换成频域的模块，e）用于根据频域的值（224、334、444）的结果决定是否停止设备的工作的决策模块。

Description

股绳中的磁通量泄漏误差探测

技术领域

本发明涉及一种由用于包括钢丝的股绳的卷绕或扭绞设备和探测器构成的组件。

本发明还涉及一种用于在扭绞或卷绕包括钢丝的股绳期间探测诸如钢丝断裂或钢丝焊点的事件的方法。

背景技术

钢丝绳的无损测试或检查在本领域中是已知的。

老的英国专利GB306,232已经公开钢丝绳或可磁化材料的其它物品的电磁测试。受到测试的钢丝绳形成磁通量路径的一部分。钢丝绳的质量的变化导致可以指示钢丝绳内部的钢丝断裂的磁通量变化。

用于钢丝绳的磁通量探测技术一直在改进和完善。例如，US-A-4,096,437和US-A-5,565,771公开在电磁钢丝绳测试中使用霍尔效应传感器以及改进的电路和算法。

所有这些技术的共同之处在于它们应用于较粗的钢缆，即，具有超过5到10mm的直径的钢缆，使得存在可磁化材料的最小量。

这些技术的另一共同特征在于在制造钢缆之后应用它们。例如，一些磁通量泄漏探测器安装在升降机绳上的升降机中以便在服务期间监测可能的钢丝断裂以便防止钢缆的完全故障。换句话说，这些探测技术在钢缆的使用寿命期间检查钢缆的磨损的状态以便预测它的寿命。

迄今为止，将磁通量探测的技术应用于适合于增强聚合物或橡胶的股绳的尝试由于若干原因而失败。

用于增强聚合物或橡胶的股绳典型地包括二到一百三十三甚至更多之间的钢丝、例如二到二十七之间的钢丝。钢丝直径典型地在0.03mm到0.60mm、例如0.10mm到0.40mm之间的范围内。系统的目的是探测股绳的内部的单丝的断裂，这意味着系统必须能够识别可磁化材料的小质量变化的“事件”。因此，触发警报的阈值也必须保持小。然而缺点在于触发大量的假警报。

如果有人想在股绳的制造期间应用磁通量探测，则假警报的问题变得更严重。

实际上，用于制造股绳的设备具有在探测器附近的大量可磁化材料，并且该材料的部分在制造期间正在移动或旋转，由此影响探测器中的磁通量的大小。

另一问题在于股绳在制造期间和之后立刻经受振动。这些振动导致磁通量的波动或者由传感器或探测器拾取，因此干扰信号。

在卷绕设备或扭绞设备中使用磁致动器也可能大大影响探测器中的磁通量并且导致增加数量的非期望假警报。这样的磁致动器的例子是磁制动器或继电器。

发明内容

本发明的目的是避免或至少减小现有技术的缺点。

本发明的另一目的是在股绳的制造或卷绕期间减小乃至避免磁通量泄漏探测的假警报的数量。

根据本发明的第一方面，提供一种由卷绕或扭绞设备和探测器构成的组件。

所述卷绕或扭绞设备适于卷绕或扭绞包括一个或多个可磁化丝的一个或多个股绳。

所述探测器安装在所述设备上或者连接到所述设备。

所述探测器包括：

a）磁体，用于允许通过所述一个或多个股绳，

b）传感器，用于测量由所述通过一个或多个股绳导致的磁通量的变化，

c）采样器，用于采样所述磁通量的变化，

d）模块，用于例如通过将快速傅里叶变换应用于这些变化将这些变化从时域变换成频域，

e）决策模块，用于根据频域的值、例如快速傅里叶变换的值的结果决定是否停止所述设备的工作。

所述股绳的重量典型地在0.5g/m到50g/m、例如0.5g/m到35g/m的范围内。

在本发明的背景下，术语“磁体”表示具有磁北极和南极的任何装置。磁体可以是永磁体或电磁体。

在本发明的背景下，术语“传感器”表示感应线圈架或半导体传感器。半导体传感器的例子是霍尔探头。

通过例如借助于快速傅里叶变换变换成频域，不再在时域中而是在频域中分析磁通量的变化。已证明频域能更好地区分需要探测的事件、例如丝断裂、打结或焊点和不需要探测的事件例如振动、磁致动器的影响、相邻可磁化机器部件的影响等。因此，极大地减少假警报的触发。

在本发明的优选实施例中，探测器可以学习应该被探测的“事件”和不应该被探测的“事件”。例如，在探测系统的调谐或校准期间，在钢丝存在焊点的钢股绳或具有一个或多个断钢丝的钢股绳被引导通过探测器时。由这些事件生成的典型频率和幅值存储在系统中。随后，在系统的标准使用期间，每当由系统看到类似的频率和幅值的模式时停止扭绞装置和/或卷绕装置。

优选地，探测器也具有将阈值应用到变化的事件探测器模块。该事件探测器模块具有的优点是仅仅在变化超过某个阈值的情况下，开始频率变换算法的计算。因此通常，即在不超过任何阈值的情况下，不需要执行计算。

最优选地，该阈值是动态的并且不是预定和固定值。例如，该阈值是正常（“正常”：在没有应避免的事件的情况下）噪声值的数倍。

根据本发明的第二方面，提供一种用于在扭绞或卷绕包括可磁化丝的股绳期间探测诸如可磁化丝断裂或可磁化丝焊点的事件的方法。

所述方法包括以下步骤：

a）在扭绞所述股绳之后或在卷绕所述股绳之前，使所述股绳通过磁体，

b）测量由所述通过股绳导致的磁通量的变化，

c）采样所述磁通量的变化，

d）例如通过将快速傅里叶变换应用于这些变化将这些变化从时域变换成频域，

e）根据频域的值决定是否停止扭绞或卷绕。

如上所述，只有当超过某个阈值时才启动步骤d）和e）。

优选地，在步骤e）中变化的频率与对应于应避免的事件的一组参考频率和/或幅值比较。

附图说明

图1解释用于钢股绳的故障的磁通量探测的工作原理；

图2a是丝断裂的时域曲线；

图2b是丝断裂的频率曲线；

图3a是振动的时域曲线；

图3b是振动的频率曲线；

图4a是磁制动器耦合的时域曲线；

图4b是磁制动器耦合的频率曲线；

图5a是丝打结的时域曲线；

图5b是丝打结的频域曲线；

图6a是股绳焊点的时域曲线；

图6b是股绳焊点的频域曲线；

图7a是扭结的时域曲线；

图7b是扭结的频域曲线；

图8是一方面的扭绞设备和卷绕设备和另一方面的探测器的组件的示意图。

具体实施方式

本发明适用于探测包括一个或多个可磁化丝的股绳的故障。术语可磁化丝表示由可磁化材料、即具有大于1的相对磁导率μr的材料制造的丝。铁磁材料的例子是铁、低碳钢、高碳钢、高碳合金钢。

纯铁的相对磁导率μr在150到5000之间变化，并且0.90重量百分比的碳钢在50到100之间变化。

典型的低碳钢组分具有在0.04wt%到0.20wt%之间的范围的碳含量。完整组分可以如下：0.06wt%的碳含量，0.166wt%的硅含量，0.042wt%的铬含量，0.173wt%的铜含量，0.382wt%的锰含量，0.013wt%的钼含量，0.006wt%的氮含量，0.077wt%的镍含量，0.007wt%的磷含量，0.013wt%的硫含量。

典型的高碳钢组分具有0.65wt%的最小碳含量，从0.40wt%到0.70wt%的范围的锰含量，从0.15wt%到0.30wt%的范围的硅含量，0.03wt%的最大硫含量，0.30wt%的最大磷含量。仅仅有微量的铜、镍和/或铬。

在高碳合金钢组分中，以下元素可以加入组分：

铬（%Cr）：在量上范围从0.10%到1.0%，例如从0.10到0.50%；

镍（%Ni）：在量上范围从0.05%到2.0%，例如从0.10%到0.60%；

钴（%Co）：在量上范围从0.05%到3.0%，例如从0.10%到0.60%；

钒（%V）：在量上范围从0.05%到1.0%，例如从0.05%到0.30%；

钼（%Mo）：在量上范围从0.05%到0.60%，例如从0.10%到0.30%；

铜（%Cu）：在量上范围从0.10%到0.40%，例如从0.15%到0.30%；

硼（%B）：在量上范围从0.001%到0.010%，例如从0.002%到0.006%；

铌（%Nb）：在量上范围从0.001%到0.50%，例如从0.02%到0.05%；

钛（%Ti）：在量上范围从0.001%到0.50%，例如从0.001%到0.010%；

锑（%Sb）：在量上范围从0.0005%到0.08%，例如从0.0005%到0.05%；

钙（%Ca）：在量上范围从0.001%到0.05%，例如从0.0001%到0.01%；

钨（%W）：例如在量上为大约0.20%；

锆（%Zr）：例如在量上范围从0.01%到0.10%；

铝（%Al）：优选地在量上低于0.035%，例如低于0.015%，例如低于0.005%；

氮（%N）：在量上小于0.005%；

稀土金属（%REM）：在量上范围从0.010%到0.050%。

股绳必须包含铁磁材料的至少一个丝。包括有机丝或材料和碳钢丝的混合股绳未被排除。包括不锈钢丝和碳钢丝的混合股绳也未被排除。然而，仅仅具有不锈钢丝的股绳通常不适合，原因是大多数不锈钢不是铁磁性的。大多数碳钢具有接近1的相对磁导率μr。尽管该性质，根据本发明的组件仍然适合于探测不锈钢丝中的焊点的存在，原因是熔接操作影响焊点处的磁导率。

图1是旨在解释钢股绳中的故障的磁通量探测的工作原理的示意图。

探测器具有带北极104和南极106的圆柱形永磁体102。磁通线108在永磁体的内部从南极106去往北极104。磁通线108在磁体102的外部由在方向112上穿过磁体102的钢股绳110闭合。钢股绳110的磁通量饱和。没有任何缺陷或故障的钢股绳110具有穿过磁体102的相同的质量或体积的磁性材料。理想地，即在不受振动和相邻磁性材料的影响的情况下，磁通量Ф不变并且感应线圈未探测到通量Ф的变化。

必须探测的“事件”中的一个是丝断裂。假设钢股绳110具有由沿着某个长度或在某个点114处的缺少钢丝导致的钢丝断裂。磁质量的该变化导致通量泄漏和通量模式116的偏差。

常常期望探测的其它“事件”中的一个是起鼓（bird caging）或扭结或形成篮状。这是丝变松的现象。丝的该松动在图1中的118处示出。打结导致可磁化材料的质量的变化或对称性的变化。这导致轴向磁通量模式120的变化。

轴向磁通量探测器122可以探测偏离轴向磁通量模式120。通量泄漏探测器124可以探测磁通量泄漏。

图2a显示当丝断裂发生时磁通量的变化220（dФ/dt）。曲线222是对应于由扭绞设备或卷绕设备的速度确定的参考频率的正弦波。

图3a显示由于钢股绳的不可避免振动产生的磁通量的变化330（dФ/dt）。

图4a显示由于在探测器的附近的磁制动器的影响产生的磁通量的变化440（dФ/dt）。

图5a显示由于丝打结的出现产生的磁通量的变化502（dФ/dt）。

图6a显示由于一个钢丝中的焊点的出现产生的磁通量的变化602（dФ/dt）。

图7a显示由于扭结或起鼓的出现产生的磁通量的变化702（dФ/dt）。

丝断裂、扭结、焊点、打结、振动和磁制动器的影响的这些现象可以同时或不同时发生。设置预定阈值将导致大量假警报。针对钢股绳构造的每种类型校准探测器或算法不能提供解决方案。

图2b是快速傅里叶变换之后的图2a的频域曲线。

图3b是快速傅里叶变换之后的图3a的频域曲线。

图4b是快速傅里叶变换之后的图4a的频域曲线。

图5b是快速傅里叶变换之后的图5a的频域曲线。

图6b是快速傅里叶变换之后的图6a的频域曲线。

图7b是快速傅里叶变换之后的图7a的频域曲线。

具体实施方式

丝断裂形成频率数据224。丝打结形成频率数据504。焊点形成频率数据604。扭结或起鼓形成频率数据704。所有这些数据224、504、604和704都低于参考频率226、336、446、506、606和706。这些数据明显地可与振动的频率数据334和从磁制动器的影响的频率数据444区分。

因此，基于频域的决策算法将导致假警报的数量减少。

图8示出由一方面的扭绞设备810和/或卷绕设备820和另一方面的探测器830构成的组件800。探测器830安装在或连接到扭绞设备810或卷绕设备820上。

仅仅作为例子所示的扭绞设备810是双捻装置（也被称为倍捻机）并且显示制造1×3钢股绳（即，具有三个钢丝的钢股绳）的一种方式。

两个钢丝811从位于外部的两个线轴812解卷。第三钢丝813从内部线轴814解卷。钢丝811、813通向反向滑轮815，在该处它们已经接收飞轮环（flyer）816的每次旋转的第一次加捻。因此部分扭绞的钢丝811、813在飞轮环816上被引导到引导滑轮817。在引导滑轮817处，三个部分扭绞钢丝811、813接收飞轮环816的每次旋转的第二次加捻以形成最后钢股绳818。

完成的钢股绳818穿过磁通量探测器830并且进一步被引导以最终卷绕在线轴822上。

本发明不限于安装在双捻装置上的探测器，而是也可应用于管状捻机或所谓的成缆机并且也可应用于单捻机。

本发明不限于探测器安装在扭绞设备和卷绕设备之间，而是可以仅仅安装在扭绞设备上或仅仅安装在卷绕设备上。

附图标记的列表

102 永磁体

104 北极

106 南极

108 磁通线

110 钢股绳

112 钢股绳的移动方向

114 丝断裂

116 通量泄漏线

118 起鼓

120 轴向磁通线

122 轴向磁通量探测器

124 泄漏通量探测器

220 当丝断裂时的磁通量的时间变化

222 参考信号

224 当丝断裂时的磁通量的频率变化

226 参考频率

330 当振动时的磁通量的时间变化

334 当振动时的磁通量的频率变化

336 参考频率

440 由于磁制动器的影响的磁通量的时间变化

444 由于磁制动器的影响的磁通量的频率变化

446 参考频率

502 当丝打结时的磁通量的时间变化

504 当丝打结时的磁通量的频率变化

506 参考频率

602 当焊点时的磁通量的时间变化

604 当焊点时的磁通量的频率变化

606 参考频率

702 当扭结时的磁通量的时间变化

704 当扭结时的磁通量的频率变化

706 参考频率

800 卷绕/扭绞设备和探测器的组件

810 扭绞设备

811 来自飞轮环外部的丝

812 外部线轴

813 来自飞轮环内部的丝

814 内部线轴

815 反向滑轮

816 飞轮环

817 引导滑轮

818 扭绞的股绳

820 卷绕设备

822 用于卷绕的线轴

830 探测器

Claims

1.一种由卷绕或扭绞设备和探测器构成的组件，

所述卷绕或扭绞设备能够卷绕或扭绞包括一个或多个可磁化丝的一个或多个股绳，

所述探测器安装在所述卷绕或扭绞设备上或者连接到所述卷绕或扭绞设备，

所述探测器包括：

a）磁体，用于允许通过所述一个或多个股绳，

b）传感器，用于测量由通过的所述一个或多个股绳产生的磁通量的变化，

c）采样器，用于对所述磁通量的变化进行采样，

d）模块，用于将所述变化从时域变换成频域，

e）决策模块，用于根据频域的值的结果决定是否停止所述卷绕或扭绞设备的工作。

2.根据权利要求1所述的组件，其中所述探测器还包括将阈值应用于所述变化的事件探测器。

3.根据权利要求2所述的组件，其中所述阈值是可变阈值。

4.根据权利要求1所述的组件，其中所述决策模块将幅值和频率与以前记录的幅值和频率相比较。

5.一种在扭绞或卷绕包括一个或多个可磁化丝的一个或多个股绳期间用于探测诸如可磁化丝断裂或可磁化丝焊点的事件的方法，所述方法包括以下步骤：

a）在扭绞所述一个或多个股绳之后或在卷绕所述一个或多个股绳之前使所述一个或多个股绳通过磁体，

b）测量由所通过的所述一个或多个股绳产生的磁通量的变化，

c）对所述磁通量的变化进行采样，

d）将所述变化从时域变换成频域，

e）根据所述频域的值决定是否停止扭绞或卷绕。

6.根据权利要求5所述的方法，其中在变换成所述频域之前，将一阈值应用于所述变化。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述阈值是可变的。

8.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤d）中应用快速傅里叶变换。

9.根据权利要求5所述的方法，其中在步骤e）中所述变化的频率和幅值与一组参考幅值和频率相比较。