超声导波技术在电梯钢丝绳无损检测中的优化与实践

在电梯安全事故频发的背景下，钢丝绳作为核心承重部件，其早期损伤检测至关重要。传统无损检测技术因覆盖范围与灵敏度限制，难以满足全绳段监测需求。超声导波技术凭借长距离传播与全截面检测优势，为电梯钢丝绳无损检测提供新路径。

一、电梯钢丝绳服役特性与检测技术发展现状

（一）钢丝绳服役状态对电梯系统安全性的影响机理

电梯钢丝绳长期处于高频率载荷循环与张紧状态，其表面易产生磨损、腐蚀与微裂纹，内部金属疲劳积累会导致应力集中和断丝现象。随着服役周期延长，钢丝绳的承载能力与冗余系数逐渐降低，早期微损伤若未被及时发现，将在高载条件下迅速扩展，引发断绳风险。服役状态的变化不仅影响电梯垂直运行稳定性，还会造成制动系统响应失效，导致整体传动系统安全冗余崩溃，成为引发事故的关键隐患，因此需对钢丝绳工作状态进行持续检测与性能演化评估。

（二）常规无损检测技术在钢丝绳检测中的适应性评估

传统无损检测方法如磁记忆法、电磁感应法和漏磁检测对钢丝绳表层损伤具有一定识别能力，但在面对内部断丝、微裂纹及腐蚀缺陷时灵敏度不足。检测范围普遍受限于局部区域，无法对整根绳体进行快速连续扫描，检测效率低、数据覆盖不足。此外，部分技术受外界干扰信号影响显著，在有油污、张紧状态或狭小井道环境下难以保持稳定信噪比，存在误检漏检风险，难以满足钢丝绳在线连续监测的工程需求，限制了其在高频次运行场景中的广泛推广应用。

（三）超声导波在长距离钢丝绳检测中的优势表现

超声导波通过激励低频纵波或剪切波在钢丝绳结构中的远距离传播，可对整根绳体进行全截面监测，具备对早期微裂纹、腐蚀坑及内断丝等缺陷的敏感响应能力。其波动传播不依赖绳体表面接触方式，适应复杂运行环境且检测区域广，能显著提高检测覆盖率与效率。在不同传播模态控制下可实现定向选择与频带调控，有效提升缺陷识别分辨率。

二、超声导波技术在钢丝绳无损检测中的优化与工程实践路径

（一）导波传播模式选择与频率带宽优化策略

钢丝绳结构呈现复杂螺旋缠绕状态，不同传播模态在传播过程中的能量分布与频散特性差异显著，需要结合导波模态特征与钢丝绳几何参数进行模态选择。轴向 L(0,1) 模态因具有较强轴向能量集中性和良好传播稳定性，在长距离检测中更具实用性。频率选择方面需兼顾穿透能力与空间分辨率，通过频率带宽调控可提高对微小损伤反射信号的分离能力。低频段导波适合长距离粗损伤识别，高频段导波则有利于提升早期裂纹等细微缺陷的识别精度。为避免模态混叠与群速交叉带来的干扰，系统设计应通过数值仿真与频散曲线分析确定最优频带范围，并在激励源参数调控中引入窗函数优化与功率配比策略，实现信号传播与能量利用的最优耦合匹配，提升整体检测性能与系统适配性。

（二）信号处理方法在早期缺陷识别中的适配改进

导波信号在传播过程中会受到钢丝绳几何结构、张力状态和接触条件的多重影响，导致原始信号中存在大量噪声与模态干扰，对早期微小缺陷的识别造成挑战。为实现信号的高保真提取与缺陷反射特征增强，需构建面向工程场景的多阶段信号处理体系。首先在时域信号初处理阶段采用带通滤波、去直流漂移与基线校正技术剔除背景噪声与无效信息，其次在频域与时频域联合分析中引入小波包变换、希尔伯特变换等方法分离模态分量并增强反射信号局部特征表达。在缺陷识别阶段结合经验模态分解与主成分分析技术实现信号压缩与去冗处理，有效提升特征识别鲁棒性。缺陷定位与识别模型中可引入模式识别算法与特征模板匹配机制对目标回波信号进行识别归类，提升对裂纹、腐蚀和断丝等多类型缺陷的识别准确率。

（三）传感器布设结构对检测灵敏度与定位精度的影响

在超声导波检测中，传感器布设结构决定了导波的激发方向、接收覆盖区域及缺陷反射能量的有效采集能力，是影响检测灵敏度与空间定位精度的关键因素。钢丝绳表面受限于螺旋结构与工作空间紧凑条件，传感器布设需兼顾机械贴合度、耦合稳定性与信号完整性，常采用环形阵列结构或对称激励 - 接收方式提高空间均匀性与信号对称性。多通道布设可实现对不同传播路径上的信号重构，提升信噪比并降低盲区概率，在布设方案中应考虑激发角度、接收间距与传感器数量的最优组合。精细化布设设计还需依赖有限元仿真模拟多种布设方案下的信号传播效果，分析其对缺陷回波的耦合增强能力与模态干扰控制水平。在具体实施中需确保传感器安装过程具备足够的重复性与环境适应性，通过模块化设计提升其在不同电梯型号与运行工况下的通用性，为钢丝绳全段实时健康监测系统提供稳定的感知接口支撑。

（四）基于仿真分析的缺陷波形反演与量化评估模型构建

导波信号在复杂介质中传播后反射波形与缺陷类型、尺寸及位置存在高度相关性，通过仿真分析构建缺陷波形反演模型可实现对损伤状态的定量诊断。基于有限元建模方法可对钢丝绳在多种缺陷工况下进行三维建模与导波传播模拟，采集反射信号在不同模态、频率与路径下的响应特征，形成缺陷类型与波形特征的映射数据集。通过引入反射系数计算与波速时延分析方法，量化缺陷反射强度与传播路径差异，建立以幅值变化、波形形态和时间漂移为核心参数的评估指标体系。结合机器学习模型如支持向量机与卷积神经网络对仿真数据进行训练，可实现多维特征融合与识别精度提升，在实际检测中根据实测波形自动匹配缺陷参数，完成波形反演与定量评估。评估模型需具备动态更新机制，可在积累实际数据后持续优化训练样本与识别参数，提升模型对非典型缺陷的适应性与工程泛化能力，为后续维修决策提供数据支持。

（五）工程现场条件下导波检测系统集成与验证方案

在工程应用中，导波检测系统需适应电梯井道狭窄、高噪声及运行频繁等复杂环境，实现稳定部署与连续运行能力。系统集成需包括信号激励模块、传感接收单元、数据采集卡、分析处理平台与结果可视化界面，通过模块化集成方式提升系统部署灵活性与维护便捷性。硬件设计应满足抗震、抗干扰与耐高湿等现场工况要求，在传感器布设上需结合电梯钢丝绳运行路径设置固定接口或嵌入式支架，确保信号采集质量不受外界扰动影响。数据处理部分部署在本地边缘计算单元或远程云平台，通过无线网络实现数据上传与远程监控，提升检测实时性与管理效率。验证方案设计应覆盖标准缺陷件测试、重复性检验与长期运行性能评估三个维度，逐步验证系统在多批次、多场景条件下的缺陷识别准确率、运行稳定性与误报率。

结束语

将超声导波技术应用于电梯钢丝绳无损检测，有效突破了传统检测方法在距离、分辨率与结构适配性方面的局限，提升了钢丝绳全生命周期状态感知的实时性与准确性。通过传播模型优化、信号增强处理与系统集成设计，导波检测在工程现场实现了技术闭环与实用转化。

参考文献

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[3] 龚磊, 胡俊. 电梯钢丝绳健康监测中超声导波系统的集成设计[J].电梯工业 ,2023,39(05):57- 61.

姓名：张帧

性别：男

民族：汉

出生年月：1979.3

身份证号：622701197903080317

籍贯：甘肃平凉

学历：本科

职称：工程师

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研究方向：特种设备检验