CN1351710A - 利用电能或磁能检测电梯绳缆劣化程度的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种检查或测量具有铁磁拉力部件的绳缆中的缺陷的方法和***,包括一个磁场激励器和一个磁通探测器阵列,后者按已知关系与拉力部件相对应。可漏磁通测量值表示缺陷。本发明的另一方面包括一种检查或测量具有导电拉力部件的绳缆中的缺陷的方法和***,从而拉力部件中的测得的电阻表示缺陷。

Description

利用电能或磁能检测电梯绳缆劣化程度的方法和设备
                       技术领域
本发明涉及电梯绳缆，更具体地说，涉及利用电磁能检测电梯绳缆劣化情况的方法和设备。
                        发明背景
用于电梯吊舱或工业和商业应用中类似的垂直升降机械的拉力绳缆***通常是用钢索制成的。这种绳缆一般由多根钢索组成，每一根通常包含许多股单个的钢丝。它往往是决定安全性和生产率的关键元件。
一条多根或多股绳缆中单个元件变坏将使绳缆的拉力强度下降。绳缆的拉力强度与包括横截面积在内的许多参数有关。当钢索中一个或几个元件被拉伸，撕裂，或永久性弯折时，这些元件就不能用作承载部件，或承载能力下降，同时绳缆承受拉力的有效横截面积减小。这类劣化情况可以由各种原因引发，比如正常的磨损和撕裂，撞击，疲劳或觉察不到的腐蚀等。
由于服务性的绳缆，如电梯绳缆，很长，而且是由许多单个的丝和很多股组成的，所以单用肉眼来对绳缆状态和劣化程度进行全面而精确的检测是不现实的。而且，将电梯绳缆拆卸用于不同的检测装置，是不现实的。因此，工业上的通用做法是将绳缆强度设计得富富有余，使它在变得相当差时也没有多大的危险。人们对绳缆进行定时定期的更换，偶尔也到现场察看一下，通常这就是检测的唯一方式。
用肉眼检查绳缆的主要问题是眼睛只能看见绳缆外表面的线股和丝，而这只是构成承受拉力的横截面积的一部分。另外。也很难对安装在如电梯***中的全部绳缆长度进行察看。因此一般只能采用抽样和近似的方法。这些方法仍要求采取大幅度的保险设计以确保安全。这样一来，绳缆的设计就要耗费过剩的昂贵材料，而绳缆往往在其使用寿命到达之前就不用了。此外，检查的人工费和停机的损失往往是很高的。
                  发明目的及主要内容
本发明的各种目的包括提供一种检测钢缆或有钢缆的复合绳缆性能劣化的方法和设备，这种检测在时间，费用和复杂程度上都是可行的，而且可以进行有效的连续监测，其精度和可靠性都很好。本发明能实现的另一个目的是能对看不见的绳缆元件进行检测，例如包含平面绳缆的复合绳或带的情况，这时有一根或多根钢索埋在一个绝缘体如聚氨酯或橡胶中。在这种情况下，不可能用肉眼检查。下面将会叙述本发明能实现的这些和其它目的。
本发明的一个实施例涉及采用一种新型磁铁和探测器装置，通过磁场使导磁绳缆饱和，然后将所测得磁漏与原来储存的数据相比较，从而确定绳缆的状况。本发明的另一个实施例涉及加一个电流到绳缆上并测量其电阻性，通过与原来储存数据的比较来确定绳缆的状况。
虽然下面要描述的优选实施例是以电梯绳缆为例，但本发明也可用于承受类似载荷和使用条件的其它类型的绳缆和传动带。
                    附图简介
图1是一种有多根钢索埋在绝缘材料内的电梯绳缆横截面示意图。
图2是图1所示类型电梯绳缆中一根钢索的横截面示意图。
图3是两块安装在一个铁磁部件附近的磁体的示意图。
图4是靠近图1所示类型的电梯绳缆的磁通探测器阵列示意图。
图5是本发明的第一实施例的设备的示意图。
图6是装在电梯***内的本发明第一实施例的设备的局部示意图。
图7是本发明的第二实施例的设备的示意图。
图8A-8B是表示按本发明的磁通检测曲线图。
图9是本发明的第三实施例的示意图。
图10是装在电梯***的本发明第三实施例的设备的局部示意图。
                   优选实施例说明
                 磁通测量方法和设备
铁磁部件如钢丝中存在的裂痕，切口或其它不连续性缺陷可以通过测量其中的磁通密度分布检查出来。有缺陷就会使磁力线向空气中渗透。如要定量确定一条由直径0.175mm的钢丝制成的绳缆由于劣化或缺陷所造成的金属截面积的损失，需要有0.175mm的数值分辨率。这里所用的术语“数值分辨率”是指检测器不流过额外的信息处理就能直接给出定量度量所需要的最小裂缝。
最常见的钢绳劣化形式包括内部擦伤，腐蚀，断裂和扭断。内部擦伤是内刻痕，高压力或润滑不好引起的。腐蚀可以在内部或外部发生，是由各种环境条件的润滑不好造成的。丝的断裂是由疲劳，塑性磨损，马氏体脆化，和机械损坏造成的。扭折则是突然弯折或机械损坏的结果。
劣化引起丝的横截面积损失，这将使拉力承载能力降低。截荷从一根有缺陷或已劣化的丝转给相邻的丝会缩短其余丝的预期疲劳寿命。随着一组丝中缺陷数量的增加，缺陷数目的增加速度将因负载转移的增加而加快。
一个漏磁检测***基本上由一个磁通激励器和一个磁通探测器构成。激励器对于是使被检测的铁磁零件磁化是必要的。它可以是一个如环状线图，或U形电磁铁，或带软铁极化的永磁体。由于环状线圈没有铁磁芯，因此对所产生的用来磁化被测零件的磁通的利用率很低。U形磁铁较好，因为它可将所产生的磁通大部分集中于被测零件上。永磁激励器不需要任何电源，而且体积比产生同样磁通的电磁铁要小。磁通探测器有各种各样的，如探测线圈，霍尔元件，和磁二极管。探测线圈可以检查较大的表面积，但其输出信号与速度有关。霍尔元件可以产生大的输出信号，且与速度无关。
将激励器-探测器***应用到由一系列钢索组成的平面绳索的情况可参见图1-6。虽然这里的优实施例是一个其中埋有铁磁性索的非金属绝缘材料平面绳缆，但本发明并不局限于这种实施例，而可适用于诸如单根铁磁性索埋在一个绝缘护套的复合绳缆等场合。平面绳缆(10)通常为矩形截面的非铁磁材料如聚氨酯(12)，其围绕许多根一般是均匀分布的钢索(14)，每条钢索由一组股(15)组成。如图2所示，一根(15)包括许多股(16)。第一股(16)则由许多钢丝(17)组成。如采用本发明的磁通激励器一探测器***，作以下的假定：(a)漏磁通可以忽略；(b)激励器的铁磁性极靴和磁轭的导磁率趋于无限大；(c)在被检测的各股中不产生涡流。
参见图3的示意图，一个永磁体(100)安放在一个代表绳缆(10)铁磁测试样品(102)附近。钢索(14)的磁阻
Figure A0080768400081
为
Figure A0080768400082
式中
Figure A0080768400091
为被测试的一段钢绳长度等于激励器极靴中心线之间的距离。
μo为自由空间磁导率，μo＝0.4π×10-6H/m。
μr为钢丝的相对磁导率，Sr为钢丝绳(14)的横截面积。μr是钢丝中磁通密度(磁场强度)的非线性函数。
钢绳(包括全部各股)的横截面积Sr为
Figure A0080768400092
式中nc为根数，nstr为每根的股数，dstr是每股的直径。
极靴面和芯子之间空气隙的磁阻
Figure A0080768400093
近似为
Figure A0080768400094
，式中g为空气隙(铁磁体至铁磁体)，S＝ωplp，其中的ωp为极靴面(平行于绳的长度)的宽度，lp为极靴面(垂直于绳的长度方向)的长度。
根据磁路的欧姆定律并考虑到上述假定(a)，(b)，(c)，励磁***(电磁铁或永磁体)产生的磁通为
Figure A0080768400095
绳中的磁通密度(等于单股中的磁通密度)为 式中N为励磁电磁绕组的匝数，I为电磁绕组的直流电流。也可以由一个永磁体来产生等效的磁动势(MMF)NI。对于永磁体，NI应以 代替，式中H为等效磁场强度，hM为为永磁体长度。
采用霍尔元件时，可以做到***的灵敏度配置成足以检测出反映一根丝的损耗的磁通密度变化，丝的直径比方说是0.175mm，而丝组成的一股的直径为1.6mm。测量抽样绳缆劣化过程中的磁通密度，将结果存储起来，它可以将储存数据与将要进行测试的绳缆的磁通密度相比较。采用霍尔元件时，可以把***配置成足以测出劣化绳缆与具有一根丝断裂的试验绳之间磁通密度的差别。
为了提供检测在上述尺寸下单个丝的磁通密度的差别所需的灵敏度，由U形电磁铁或永磁体构成的磁通激励***应用软钢极靴(108.110)的中心线(104，106)间的距离Δlr配置。但若Δ1r太小，由于漏磁通的存在将使钢索中的有用磁通降到一个不能接受的水平。每个空气隙的横截面积，近似等于每个软钢极靴的截面积，应该小。把每个极靴面的宽度(112)最小化至不小于一根钢索的直径，就能做到这一点。使若空气隙的截面太小，极靴至极靴的漏磁将会很大。
本发明的磁通激励机-探测器***要求测试样品(例如有内部钢索的电梯绳缆通过磁铁的极靴，以及在任何时刻处于极靴间或之上的部分钢索被磁化，成为磁极的一部分，并在与轴线平行的钢索中产生磁通密度。在未劣化的理想绳缆中，大多数磁力线是平行于绳缆的轴线。为在钢索或其丝中的如前面所述的劣化缺陷使磁通密度产生局部散乱，因而在平行于磁力线的方向形成一个“节”或不连续点。在缺陷位置，有一些钢索轴线垂直方向的磁通密度。这个法向磁通密度就是本发明的***检测到的绳缆中的一个缺陷的征兆。
磁通探测器组件可以包括霍尔效应探测器，探测线圈，或其它现有的探测器。作为一个例子，图4的横截面示意图表示一个利用霍尔效应探测器的装置。该探测器组件(300)是与绳缆(302)一起使用的，该绳缆有12根钢缆(304)，其均匀地间隔按平行于绳缆(302)纵轴方向。霍尔效应探测器(310)的第一和第二边缘(306，308)分别定位于被测试平面带(306)的上方和下方，因此霍尔效应探测器(310)与各钢索(304)相对应。也可以仅在带的一边装上单边探测器。由于探测器数目不一定要与绳缆的数目一致，我们可以采用任意数量的探测器。探测器边(306，308)一般应位于沿平面绳缆(302)纵轴方向相对磁极靴中央，因为垂直于带轴的磁通密度元件在极靴的最小值中点。所以，如在这个位置测出的法向磁通很大，则表示钢缆中有一个缺陷。
图5所示的检测组件(400)包括一个带两个极靴(404，406)的U形磁体的励磁***(402)，一个如图4所示的探测器组件(408)，和一个控制器(410)。这个检测组件可以作为一个专用单元固定在电梯***(420)上，如图6所示，也可以在现场组装并在不同的场地间搬运。例如，可以将此检测组件(400)通过一个托架(403)固定在电梯的升降机组件(401)上。使激励器和探测器组件定位使得待检测的绳缆(412)能相对于磁体(402)和探测器(408)运动。如果需要的话，可以将控制器放在远离探测组件(400)的某余部分的地方，并通过硬件和变频装置或调制解调器进行通讯连接。也可以进行远程监测和摇控。
可选地，如图7所示，检测组件(500)可以是一个自含便携式单元，除图5所示的元件其还具有一个装载的控制器(502)和电源(504)。该单元如可以有一个由两半(506，508)组成的两部分的机体，在检测时可将它围绕电梯绳缆(510)合起来。
对于一个为定位于绳缆(302)内的预定的相对位置的钢索阵列(304)而设计的检测装置，可以按下面的方法来定标：首先将一个特性已知的已劣化绳索样品通过检测组件，同时预先将每个单个霍尔效应探测器的数据信号储存起来。通过单个探测器元件的特定位置的相互关系，并对选定的已损坏钢索进行反复的测试，则可将实际测试数据与已知的或可以预知的原来储存的数据相比较。例如，通过对在已知位置仅与一条绳缆相关的几个探测器元件所作测量的分析，可以确定绳股或钢丝的精确损坏程度以及它们在钢索截面内的相对位置。
作为一个例子，图8A的图线表示平面多根绳缆在拉力状态下每根的漏磁通与时间的函数关系，磁通是由一边的顶面探测器测出的。此图绘出了由根的号码代表的每根钢索的以伏为单位的漏磁通与以秒为单位的时间的关系。漏磁通轴上的相对峰值处表示有缺陷。由于绳缆的起始位置和绳缆相对于探测器的运动速度是已知的，故可以将时间轴与绳缆位置相关联。底面探测器的类似曲线如图8B所示。图8A和8B的曲线相对于沿绳缆的纵向位置是互补的，并显示对同一条绳缆的时间周期是相同的。两组探测器的输出(图8A和8B)不相同是由于缺陷的准确位置不一样。更准确些，每根钢索上缺陷的位置，除了它近似向位置外，还可通过两个探测器阵列间参考点的相互关系，以相对于这根钢索的中心轴的角度位置和距离来确定。
图8A和8B描述的上述例子只是各种不同检测的一个例子，其可以利用来准确测量或定位在各种状态下钢丝或一根钢索的性能或失效情况。
上述方法在具有上述分辨率水平的条件下，可以准确地检测钢丝或绳缆的失效情况。这种测量对确定绳缆的慢性损坏或磨损状况等是有用的，它们可能是周围的硬件或环境出现了问题的征兆。
              电阻测量方法和设备
本发明的另一实施例涉及到对埋在不导电绝缘材料例如由聚氨酯制成的扁平绳缆中承受拉力载荷的钢索部件的劣化程度的检测，方法是让钢索通以电流并测量其电阻*。这类绳缆的一个例子是一条其中埋有拉力承载钢索并沿长度方向运行的聚氨酯护套的扁平电梯绳缆。钢索电阻*的变化表示钢丝或线股有缺陷。在电梯环境下，对于非绝缘的绳缆，此时钢索与电梯***的金属元件相接触，就不可能进行这种要求导电性的检测。
按照本发明，把电阻测量装置用于待测绳缆，将测得的通过钢索的电阻与预先储存的理想绳缆的测试数据相关。根据预先确定的阈值数据来决定被测绳缆何时应该更换。电阻测量装置可以是一个如开尔文电桥。
图9为这类***(600)的一个示意图，其中电梯绳缆(602)在第一和第二端(604，606)与电流输入和输出引线(608，610)相连接。将一个可变的稳定恒流源(612)加到绳缆(602)的一端。将两端相连以测出电压值。测量电流通过输入线(608)流经绳缆的未知电阻并穿过回流或输出线(610)。另有两条线(609，611)与高输入阻抗的探测头相连，故电流不流过此线。由于电流是已知的，根据输入电压(Vin)和输出电压(Vout)与绳缆上的总电压(Vrope)的关系，及已知电流(Iin)，就可以确定绳缆的电阻*(Rrope)。
Vrope＝Vout-Vin
Rrope＝Vrope/Vin
当正在被检测的绳缆的电阻达到某个预定的阈值时，就表明需要更换绳缆。阈值可通过测量类似的绳缆在负载和疲劳的不同应力水平，并测出周期涉及相应的电阻和剩余的载荷强度，来予以确定。这样就能建立电阻与负载能力之间的关系。
由于电阻率受如温度和湿度因素的影响，在应用本发明时，最好是采用一条多根绳缆或几条绳缆中单根钢索的相对比较值。比如说，高建筑物内顶层和底层的温度可以相差很大。当把本发明的***用于由导电材料构成的多根钢索的绳缆时，采用与相邻钢索电阻的相对比较允许检测电阻的变化，尽管有温度，湿度及其它的环境条件的影响。
如图10所示，可以将电流输入和输出引线(608，610)接在电梯***端点(614，616)的电梯绳缆(602)上。示意的电源(618)和控制器(620)可以通过硬连线或其它普通的装置连起来。可以将控制器(620)编程以把电阻测量与预定的表征绳缆(602)的拉力，承载强度数据联系起来。可以采用远程控制的，通过变频，调制解调器连接或类似的装置来监测和控制数据输入，电流输入，以及读取。
                        结论
上述检测***可用于绳缆状况的连续监测，或在维修过程中定期使用。***可以是专用的或便携式的。
虽然这里只描述了优选实施例，但应理解、可以对其进行各种修改而不超出本发明的范围。

Claims (32)

1.一种检测包括一组铁磁钢索部件的绳缆的劣化程度的方法，该方法包括：
将磁场加到所述钢索的一部分；
监测与上述磁场有关的磁通量；
识别沿所述钢索上出现漏磁通的位置，这个位置就表示有缺陷。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述磁场是通过上述绳缆与一磁铁间的相对运动来施加的。
3.如权利要求1所述的方法，所述绳缆包括一个非铁磁绝缘材料本体，其横截面一般为矩形，且其中分布上述组的铁磁钢索部件，并沿着本体的纵向延伸。
4.一种检测并确定包括一组铁磁钢索部件的绳缆的缺陷位置的方法，上述方法包括：
让上述绳缆以已知的速度相对于一个磁铁运动，以将磁场加到上述钢索部件的一部分上；
监测和上述磁场有关的磁通与时间的关系；及
识别上述钢索部件出现漏磁通的时间点，其中上述时间点是绳缆有缺陷的位置。
5.一种对包括一组铁磁钢索部件的绳缆的拉力承载能力进行近似估计的方法，上述方法包括：
将一个磁场加到上述钢索部件的一部分上；
测量与上述磁场有关的磁通量；及
将上述测得的漏磁通与表征拉力承载能力的预定数据相比较。
6.一种检测并确定包括一组铁磁钢索部件的绳缆的缺陷位置的方法，所述方法包括：
将一个磁场加到上述钢索部件的一部分上；
监测与上述磁场有关的磁通量；
识别沿每根钢索部件出现漏磁通的位置，其中上述位置表示该处有缺陷；
将各根钢索出现劣化的上述位置相互关联以确定各相对位置。
7.如权利要求3所述的方法，还包括：
测量上述漏磁通的数值。
8.如权利要求4所述的方法，还包括：
测量上述漏磁通的数值。
9.如权利要求6所述的方法，还包括：
测量上述漏磁通的数值。
10.一种检测并确定至少有一个铁磁元件的绳缆的缺陷位置的设备，上述设备包括：
一个由绳缆导向装置构成的机体，该装置沿着机体引导上述绳缆；
一个相对上述机体固定的磁铁，用于在上述机体附近建立一个磁场；
相对上述机体安装的磁通探测装置，用来监测与上述磁场有关的磁通量；及
将上述磁通和上述绳缆相关以确定一个或多个有缺陷位置的装置。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，上述绳缆包括一组铁磁钢索部件。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，上述磁通探测装置包括一组安装在上述机体上的磁通探测器。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，上述磁通探测器包括霍尔效应传感器。
14.如权利要求12所述的设备，各上述组的磁通探测器与上述铁磁钢索部件之一相对应，因而每个磁通检测器监测各上述钢索的磁通。
15.如权利要求14所述的设备，还包括由每个上述磁通探测器测得的上述磁通互相关联的控制装置。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，上述组磁通探测器是相对于上述机体定位使得当其沿上述机体导向时，探测器仍保持在上述绳缆的一侧。
17.如权利要求14所述的设备，其特征在于，上述组磁通探测器是相对于上述机体定位的，使得其沿上述机体导向时，探测器处在上述绳缆的相对侧。
18.如权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括以下述方式将该设备安装在电梯组件内的装置，即使其能与带上述绳缆导向装置的已安装的电梯绳缆相连用于检测和确定上述电梯绳缆劣化。
19.如权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括以下述方式将该设备安装到电梯中升降机组件上的装置，即使其能与带上述绳缆导向装置的已安装的电梯绳缆相连用于检测和确定上述电梯绳缆的劣化。
20.如权利要求10所述的设备，其特征在于，该设备是一个自含便携式单元，适合于使用时从电梯组件中搬送，以使其能与具有上述导向装置的已安装的电梯绳缆相连用于检测并确定上述电梯绳缆的劣化。
21.一种近似估计包括导电的拉力承载元件的电梯绳缆的承受拉力载荷能力的方法，该方法包括：
让电流通过上述电梯绳缆；
决定上述电梯绳缆的电阻；及
将此电阻与表征上述电梯绳缆的拉力承载能力的预定数据相比较。
22.如权利要求21所述的方法，还包括分别把电梯组件的上述电绳缆的死点铰链点的电流输入和电流输出引线分别连接。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，上述导电元件是电梯绳缆中心一拉力承载钢索，其中上述拉力承载部件支持电梯座舱的载荷。
24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，上述电梯绳缆还包括一个不导电的绝缘护套，其通常将上述导电的拉力承载元件包围起来。
25.一个近拟地估计在电梯组件中有两个固定端且包括一个导电元件的电梯绳缆的拉力承载能力的***，该***包括：将电流通入一段上述电梯绳缆的装置；
测量上述电梯绳缆的电阻的装置；
将上述电阻的上述测量值与表征上述电梯绳缆的拉力承载能力的预定数据相关的装置。
26.如权利要求25所述的***，其特征在于，导电元件是电梯绳缆内的一根拉力承载钢索，由它支持电梯座舱的负载。
27.如权利要求25所述的***，其特征在于，电梯绳缆还包括一个非导电的绝缘护套，其通常将上述导电的拉力承载元件包围起来。
28.如权利要求25所述的***，其特征在于，上述电梯绳缆的上述导电的拉力承载元件包括嵌设于其内并沿上述电梯绳缆的长度方向作纵向运动的一组钢索，用以支持电梯座舱的负载；
将电流加到一段上述电梯绳缆上的上述装置把每根上述钢索连起来，以让电流从其通过。
29.如权利要求25所述的***，还包括将上述电梯绳缆的上述两固定端连起来以使上述电流流过上述电梯绳缆的装置。
30.如权利要求25所述的***，还包括将上述测得的每根钢索的上述电阻与其它钢索进行比较并确定每根钢索相对其它钢索的相对拉力承载强度的装置。
31.如权利要求28所述的***，其特征在于，上述电梯绳缆还包括一个不导电的绝缘护套，其通常将上述组钢索包围起来。
32.一种监测电梯绳缆的激磁水平的监测***，此绳缆有一个支持该电梯***的拉力载荷的承载元件和一个将该承载元件包围起来的护套，此监测***包括：
以这样一种方法对承载元件励磁的励磁装置，即上述护套不受到励磁；及
监测上述承载元件的励磁水平的监测装置。
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