钢丝绳9049036_王芝润_基于股波信号的钢丝绳张力定量检测系统设计_改：查重

基于股波信号的钢丝绳张力定量检测系统设计

摘要

现代科技发展势头迅猛尤其是以计算机为代表的信息技术。随之而来的趋势是传统设备技术结合计算机进行数字化升级这种设备在原来的优点上又增添了许多新特色发展潜力巨大。本文以钢丝绳作为主要研究对象并结合其具体工作环境中受损状况的分析得出绳体上所受的张力才是研究的发力点。同时摒弃传统检测方法的缺点结合上述趋势开发出本文的绳体无损定量测量张力办法。

首先本文论述了绳体张力实时检测的意义简介了行业内研究这一问题的发展历程。对比过各种方法的优势劣势。详细介绍了本设计的应用前景与实际意义。

其次引入了钢丝绳的股波这一概念并且基于此特点引出股波定理这一基本原理。详细介绍了绳体无损检测所需的硬件软件编程环境数据采集设备传感器霍尔元件设备。

最后用LabVIEW软件进一步开发出绳体无损张力检测系统的软件程序实现了抽象数据的具体化转变从而为进一步分析处理数据和存储显示实时信息提供了保障为绳体张力检测拿出了通过计算机多功能屏幕与操作者实现信息交流的新方案。

关键词:钢丝绳张力无损检测传感器软件

Abstract

The rapid development of modern science and technology, especially the informationtechnology represented by computers. The ensuing trend is the digital upgrade oftraditional equipment technology combined with computers. This equipment hasadded many new features to the original advantages and has huge developmentpotential.This article takes steel wire rope as the main research object,and combinedwith the analysis of the damage situation in its specific working environment, it isconcluded that the tension on the rope body is the starting point of the research.At thesame time, the shortcomings of traditional detection methods are discarded, and theabove-mentioned trends are combined to develop a non-destructive quantitativemethod for measuring the tension of the rope body inthis paper.

First of all, this article discusses the significance of real-time detection of ropetension, and introduces the development process of this problem in the industry.Compare the advantages and disadvantages of various methods. The applicationprospect and practical significance of this design are introduced in detail.

Secondly, the concept of strand wave of wire rope is introduced, and the basicprinciple of strand wave theorem is derived based on this characteristic.The hardware,so ftware, pro gramming environment, data acquis ition equipment, and sensor (Hallelement) equipment required for non-destructive testing of the rope body areintroduced in detail.

Finally,LabVIEW software was used to further develop the software program of therope body non-destructive tension detection system,which realized the concretetransformation of abstract data,which provided guarantee for further analysis andprocessing of data and storage and display of real-time information.A new solutionfor information exchange with the operator through the multi-function computerscree n.

Keyword s:wire rope, tension,non-destructive testing, sensors, software

第1章绪论

1. 1课题背景

1 .1 .1钢丝绳张力检测系统设计背景

钢丝绳是将力学特点和几何规格满足一定条件的钢丝按照特定的捻绞制方法做成的空间结构为螺旋体的钢丝集束其中钢丝、绳芯及润滑剂三部分合成了钢丝绳这是一种先由数层钢丝捻成股再用绳芯做为串联钢丝绳整体的核心绳股最后把一定数量的钢丝股绞绕成螺旋体绳是社会生产中应用非常多的绕性构件。在国家经济生产的各主要行业和部门钢丝绳有着不少的的应用例如索道、升降梯、提升机等都非常多的使用了这种构件它主要提供升降、牵引、紧固和承载之用

自从1834年欧洲人造出了世界上首根钢丝绳以来鉴于钢丝绳的特殊性能强度高、 自身重量轻、工作时平缓稳定、不容易突然整根断开传递负载的距离很远在高速工作状况下经得住磨损、抵抗的了震动、运行时非常稳定。到现在为止全球范围内未找到比它更合适的替代品所以钢丝绳在金属冶炼、矿业、采油、机械、化学工业、飞行器制造等行业成为不可或缺的零件或材料。 同时既然钢丝绳是一种工程中承受负载的构件那么在使用时就无法避免的出现疲劳、锈蚀、磨损甚至突然断裂的问题它的损伤状态和接受负载的能力对产品质量和劳动者人身安全问题有直接关系。为了防微杜渐相关部门就钢丝绳的质量问题和应用方法的规范出台了对应的行业安全规则和国家检验测试标准。但是最近几年钢丝绳应用在各种场合时由于崩断引发的事故还是不时发生就像2018年河北某建筑装饰公司在使用吊装作业平台进行建筑外保温层工作时吊装作业平台一侧钢丝绳突然崩断平台倾斜并随之掉落直接使得在下方作业的1名工人被砸身亡吊装作业平台内作业的2名工人受伤。这主要是因为目前还缺少高性能的钢丝绳运行状况检测办法和现有检测设备不够精准、靠不住的原因。这也导致了即使采用了检验设备的钢丝绳钢丝绳崩断这种事也会不时发生。由钢丝

绳的工作特性可知绳体所受的张力拉力是影响钢丝绳实用安全的重要因素。目前我国一般采用在钢丝绳一端串接拉力传感器霍采用静载荷计算的方法获取钢丝绳的张力。上述串接传感器法只能检测到钢丝绳的绳端拉力而静载荷计算法无法实时获取钢丝绳在运动过程中的实际张力。因此迫切需要研究合理可靠的钢丝绳张力的实时检测方法及设备

1 .1 .2钢丝绳张力检测技术的研究现状

检测钢丝绳张力行在业内的办法大概有两种不存在测试仪器的时候,行业内主流办法是使用振波法亦或是标记法。这2种办法,可以良好地维护钢丝绳提升系统的运作。但标记法无法确定量度,并且张力太大时会导致钢丝绳在垫子上滑移这时标记法会显示错误的结果。振波法测试张力很容易,但是振波反馈时间无法得出确定的计算结果,精度不高,以至于不符合实际应用要求。

瑞典人研究出一种以电阻丝应变片为感测元件的检测仪。这种仪器能够进行信号的无线发射与接收、模/数转换、微机定量处理、数字显示以及打印任务。同时期我国的测量钢丝绳张力的多种弹簧测力仪器研究开发工作也开始起步。

就张力检测这一问题全球行业内有一些办法但是仔细考察过后能很明显的注意到这些设备均应用了应变测力原理并且传感器元件和钢丝绳串联。因此检测的灵敏度都不太高。

虚拟仪器 即VI也称作计算机仪器它的本体是计算机结合相应的接口技术和能够实现相应检测的硬件使用以Lab View为代表的软件研发平台用计算机屏幕模拟成检测设备的显示面板 同时也具备实体仪器的功能。 VI的出现使得测量仪器设备具备了智能化、多样化、模块化和网络化的技术特点突显出了VI相较于传统仪器功能强大、低成本耗费、使用灵活、便于上手的优势。是时下仪器创新的一个关键突破口。

因此本文用虚拟仪器作为实现硬件设备并结合钢丝绳独具的股波信号原理来系统的阐述钢丝绳张力定量检测原理与方法。

1 .1 .3本文研究的主要内容

这篇学位论文参考了这一研究领域的前辈们的研究成果并以它作为基石主

要从这下面的四条来对钢丝绳张力的检测做分析和研究:

1、钢丝绳的基本结构。

2、基于钢丝绳的结构特征研究钢丝绳股波信号的变化与钢丝绳张力的关系。

3、实现张力检测系统所需硬件的制作办法。

4、实现张力检测系统所需软件的制作方法。

章节安排如下

第一章简介这篇文章的研究的背景及行业内研究现时状况引出了下文的讨论内容。

第二章讨论钢丝绳的组成及类别进一步交代出钢丝绳张力检测原理由股波信号相位差原理联系钢丝绳承受的张力从而得出本文的基本原理。

第三章研究基于霍尔元件的钢丝绳股波信号检测方法、检测信号进行预处理技术探讨了检测信号特征提取及其算法数据信号的采样与处理由数据采集卡完成。

第四章提出了钢丝绳张力检测系统的软件设计方案利用Lab VI EW对数据采集卡采集的数据进行分析处理并利用显示器使人们容易观察与控制。

第2章钢丝绳张力检测原理

2. 1钢丝绳结构

2.1 .1钢丝绳构造

钢丝绳是工程机械设备及制造行业中使用范围特别广的挠性构件。它的结构是将能符合力学特性和几何尺寸需要的钢丝遵循特定的规律进而捻绞制结合为一体的螺旋体状钢丝集束。钢丝绳具备着强度大、 自身质量轻、运作时稳定、不容易突然崩断全部钢丝传递负载的距离很远在高速工作时有着扛得住磨损、抵得住震动、绳身柔软方便打包为绳卷、承担负载大等优点所以在使用时可靠性良好。

直径大概为6mm的强度不错的优质碳素钢(含碳量在区间%[0.5 ,0.8]内含

硫量小于0.3%)横截面是圆形的钢丝是钢丝绳使用最多的原材料这样子的钢丝在冷拔很多回之后经过热处理工艺变成了直径在区间[0.1,5](单位mm)内强度很好的钢丝这种钢丝绳绳身的易弯性比用一样拉伸强度的钢棒制作出来的部件高出约4001200倍因而方便打包为绳卷能很好转运从弹性系数讲大概只有钢的1/3可以从容应对实际工作环境中产生的波动具有缓解外部冲击的优点。

在制造企业钢丝绳的制造要经历拉丝、捻股及合绳三个阶段。钢丝绳的制作是用圆钢或纤维作为绳中心部分高碳钢的钢丝被缠绕在这根中心绳线上拧成一股绳这股绳是钢丝绳的基础组成部分;以钢丝绳股为基础组成部分加以中心绳拧成绳中心绳充实了圆心断面加强了钢丝绳的挠性使钢丝绳外形更加牢靠紧凑强化支撑起了钢丝绳的结构从而拥有不易分解的横截面结构是钢丝绳的必要构成要素对于不一样的使用要求 中心绳种类有:有机中心绳、石棉中心绳、金属中心绳三个种类。标准件钢丝的直径区间[0.1,5] 单位 mm 内钢丝绳的直径在区间[0.6,120](单位mm)内。此外其规格也不是一成不变的而是随应用场合而定。

2.1 .2钢丝绳的类型

钢丝绳可按做成绳子的绳钢丝的材料表面性能、缠绕方法和钢丝绳使用目的等来分类。

按照材质分类

1碳素钢钢丝绳 以优质碳素结构钢钢丝为绳股单元。

2不锈钢钢丝绳 以不锈钢钢丝为绳股单元

按照表面质量分类

1.磷化涂层钢丝绳钢丝磷化膜有效增强绳索的表面性能和整体金属性能表

现

2.镀锌钢丝绳镀锌层的作用使防锈蚀

3.涂塑钢丝绳绳身被有着一定厚度的塑料膜包裹着

4.光面钢丝绳经历了热处理工艺和表层金属性能增强后的钢材冷拔后得到了钢丝。

按照钢丝绳捻制方法分类

1.单股绳 由钢丝缠绕中心绳或中心麻绳制而成缠绕上至少一层钢丝。

2.双捻绳 由两股绳围绕中心绳材料为钢或纤维缠绕制成缠绕上至少一层钢丝这种钢丝绳应用非常的多。

3.三捻绳 以双捻绳作为基础缠绕单元 围绕中心绳缠绕而成多于直径大于60mm的加粗绳如大型桥梁作业绳等。

除了这些也还有根据接触特点而分成的三种绳子 点、线、面接触绳。

2.2钢丝绳张力检测原理

2.2.1理论依据

钢丝绳的三维图形是螺旋体。其主要为钢铁制品由于钢铁是磁的良性导体所以钢丝绳是导磁体导磁能力很好。利用当绳体磁化后也还保留着一些剩下的磁感应强度和矫顽力这种特点进而研究出以不损伤绳体为前提条件利用电磁信号检测钢丝绳张力的方法。绳体磁化后其表面的磁通分布状况反映出了随绳体外形的股波而改变的磁场。利用一组由磁感线发生器和磁通感应元件就像霍尔元件等组成的仪器设备在绳体外形上的的凹凸有致的钢丝股波之间并且让它们和绳体表面有一定的间隙。就像图2.1中所表示的检测元件A和检测元件B二个检测元件的距离是磁通信号波长的n倍当绳体相对原来的位置产生位移时

由于其感应的磁通信号波峰、波谷与磁通源的距离发生了变化进而导致绳体和检测器之间的磁通密度异于往常水平从而让磁通信号检测元件输出连续的且与绳体股波相对应的一些浮动的电压波。例如a中磁通信号感应元件A和磁通信号感应元件B均对应绳体股波的峰顶在绳体没有受到外力的情况下它们输出信号是保持一致的但是当感受到绳体外部的拉力时就会出现弹性变形的状况进而得到磁通信号感应元件A和B输出波形图b这其间相差了一个相位差值本文则根据这个差值计算出所需的相关量。

2.2.2钢丝绳张力与相位差的关系

若以绳体轴心线的方向测定得距离为l l=nλ n取整 λ为两个连续波峰长度的两个位置分别安装性能完全相同的磁通信号检测元件A和B那么绳体在不受除测试用力之外的任何外力的状态下两磁通信号检测元件将反馈出两个相位、幅值、频率都一样的信号。设绳体因受力产生了应变为ε则绳体股波的波峰、波谷与两磁通信号检测设备中检测元件的对应的位置关系改变了使两磁通信号检测设备将反馈出两个包含相位差但是幅值、频率均一样的波形信号UA、UB如图2-2所示。这个相位差能够直观的反映出绳体产生的应变。

图2-2检测信号波形及其转换

设钢丝绳在自由状态或初始张力下相邻股峰的间距为λ两个磁通信号检测设备安放位置相距的长度是l=nλ绳体受到拉外力后得到的应变是ε绳体