賈博涵，張來明，姜宵園，孫燕華

(1.謝菲爾德大學(xué) 機(jī)械系，謝菲爾德 S1 3JD；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；3.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

鋼絲繩是應(yīng)用非常廣泛的鐵磁性構(gòu)件，在輸電線路施工、船舶航行、礦山建設(shè)運(yùn)營中均有不可替代的作用。鋼絲繩編織性質(zhì)特殊，在使用過程中容易產(chǎn)生斷絲、斷股和其他內(nèi)外傷，給設(shè)備運(yùn)行帶來安全隱患[1]。因此，如何高效地對鋼絲繩進(jìn)行無損檢測，是亟待解決的問題。在鋼絲繩無損檢測的發(fā)展史上有許多方法相繼被提出[2]，事實(shí)證明漏磁無損檢測是鋼絲繩迄今為止唯一有效的探傷方法，并廣泛應(yīng)用于各類鋼絲繩的無損檢測中。大量學(xué)者對鋼絲繩漏磁檢測原理與技術(shù)進(jìn)行深入研究[3-9], 大多采用傳統(tǒng)磁軛式永磁磁化回路磁化待檢測鋼絲繩，質(zhì)量慣性及磁吸力大。為了減小鋼絲繩檢測儀器質(zhì)量，減小磁作用力并充分均勻磁化鋼絲繩，孫燕華等[10]提出了對開式開環(huán)永磁磁化法，在進(jìn)行精準(zhǔn)、快速地鋼絲繩無損檢測基礎(chǔ)上，解決了傳統(tǒng)漏磁檢測儀器安裝困難的問題。

通常，開環(huán)式永磁磁化漏磁檢測傳感器的組成結(jié)構(gòu)為磁化器及附著在磁化器上的探靴。探靴內(nèi)腔(或內(nèi)徑)越大，即探靴與被檢測鋼絲繩的距離越大，越能避免鋼絲繩在高速運(yùn)行時(shí)的擺動(dòng)及接觸等行為給探靴內(nèi)腔帶來的破壞。同時(shí)由于鋼絲繩檢測的特殊性，當(dāng)被檢測鋼絲繩直徑確定時(shí)，磁化器內(nèi)徑也隨之確定，所以無法通過調(diào)整磁化器內(nèi)徑來避免破壞。因?yàn)榇呕鞔嬖谝欢ǖ暮穸?，所以為了盡量避免鋼絲繩和探靴之間的距離過小，在磁化器內(nèi)加工形成探靴槽，使得探靴一部分嵌入其中。這樣便可以調(diào)整探靴與鋼絲繩之間的距離，從而避免鋼絲繩對于探靴的損壞。由于探靴槽的大小影響到磁化場的空間路徑，最終會對磁化效果及缺陷的漏磁場大小產(chǎn)生影響，所以，筆者開展了開環(huán)式永磁磁化鋼絲繩漏磁檢測傳感器探靴槽的仿真優(yōu)化，以期為鋼絲繩缺陷的漏磁檢測提供一些參考。

1 開環(huán)永磁磁化漏磁檢測原理及磁化器結(jié)構(gòu)

進(jìn)行開環(huán)永磁磁化的鋼絲繩漏磁檢測時(shí)，開環(huán)永磁體在兩端產(chǎn)生磁場，銜鐵處在兩端永磁鐵之間，被永磁鐵磁化并產(chǎn)生磁場；在鋼絲繩移動(dòng)的過程中，探靴檢測鋼絲繩經(jīng)過磁場時(shí)所產(chǎn)生的磁力線，并轉(zhuǎn)化為電信號發(fā)送給處理中心；若探靴捕捉到異常磁力線并產(chǎn)生異常電信號，則代表鋼絲繩有損傷。

帶探靴槽的鋼絲繩開環(huán)永磁磁化漏磁檢測原理如圖1所示。圖1中，利用兩個(gè)長方形來代表兩根鋼絲繩的二維投影，一根無缺陷，一根有缺陷。測試時(shí)，永磁體會將待測鋼絲繩磁化。當(dāng)鋼絲繩無損傷且質(zhì)地均勻時(shí)，磁力線全部在鋼絲繩、永磁體和銜鐵構(gòu)成的磁回路中通過。當(dāng)鋼絲繩有缺陷且鋼絲繩近乎飽和磁化時(shí)，雖然磁力線大部分仍然在磁回路中通過，但是了少量的磁力線發(fā)生了變形，在周圍空氣中形成漏磁場。當(dāng)探靴通過無缺陷鋼絲繩時(shí)，由于沒有磁通的變化，輸出電壓不變。當(dāng)輸出電壓通過有缺陷的鋼絲繩時(shí)，電壓會發(fā)生變化，可以通過分析電壓的變化與漏磁信號來正確地評估缺陷。

圖1 帶探靴槽的鋼絲繩開環(huán)永磁磁化漏磁檢測原理示意

筆者在原有開環(huán)永磁磁化器中的銜鐵內(nèi)腔設(shè)計(jì)增加刻槽，即探靴槽，帶探靴槽的開環(huán)漏磁檢測磁化器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由永磁鐵、銜鐵、探靴槽等部分組成，在檢測時(shí)將探靴安置在刻槽內(nèi)以獲得鋼絲繩探傷信號。該設(shè)計(jì)增大了探頭內(nèi)腔，解決了探靴與鋼絲繩距離過小的問題，避免其與鋼絲繩過度摩擦發(fā)生損壞。

圖2 帶探靴槽的開環(huán)漏磁檢測磁化器結(jié)構(gòu)示意

2 探靴槽仿真模型建立

因?yàn)樵阢曡F中增加刻槽對于實(shí)際結(jié)果的影響未知，所以需要對新型探傷設(shè)備進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。以刻槽的深度或?qū)挾葹樽兞?，以缺陷特征曲線為結(jié)果，通過ANSYS軟件建立有限元仿真模型，分析刻槽尺寸對于鋼絲繩漏磁檢測的影響。

在仿真過程中，利用鋼絲繩模型表面或內(nèi)部的缺陷來模擬實(shí)際狀態(tài)下鋼絲繩的損傷。

2.1 模型基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)

鋼絲繩開環(huán)永磁磁化器探靴槽有限元模型參數(shù)如表1所示，在ANSYS軟件中建立其優(yōu)化仿真模型(見圖3)，鋼絲繩開環(huán)永磁磁化漏磁檢測傳感器是由一對C型磁化器(由磁鐵-銜鐵-磁鐵配置組成)對開形成，磁鐵沿軸向磁化，中間銜鐵內(nèi)表面處挖去一塊形成探靴槽，在仿真過程中分別令其寬度L或深度H變化，磁化器結(jié)構(gòu)如圖4所示，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定探靴中磁敏元件到鋼絲繩外表面的距離為6.5 mm，即提取高度為6.5 mm路徑上的磁通密度，研究缺陷漏磁場大小隨探靴槽寬度或深度改變的變化規(guī)律。

表1 鋼絲繩開環(huán)永磁磁化器探靴槽有限元模型參數(shù)

圖3 帶探靴槽的開環(huán)漏磁檢測磁化器仿真模型

圖4 帶探靴槽的開環(huán)漏磁檢測磁化器結(jié)構(gòu)示意

在令寬度L為變量時(shí)，需選擇一個(gè)初始深度。由于銜鐵的作用是引導(dǎo)磁力線，若深度太大，則銜鐵會被貫穿，且可能會影響銜鐵內(nèi)部磁通大小，從而影響檢測結(jié)果的有效性。因此初始刻槽深度不應(yīng)過大，暫定為5 mm。

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 以探靴槽寬度為變量時(shí)的仿真結(jié)果

探靴槽寬度在0～30 mm間變化時(shí)，分別提取高度為6.5 mm路徑上的磁通密度軸向分量與徑向分量，不同探靴槽寬度下的缺陷信號特征變化曲線如圖5所示，并計(jì)算不同探靴槽寬度下缺陷信號幅值，其結(jié)果如表2所示。

圖5 不同探靴槽寬度下的缺陷信號特征變化曲線

表2 變量為探靴槽寬度時(shí)缺陷特征信號幅值

提離高度為6.5 mm時(shí)，缺陷特征信號隨不同刻槽寬度的變化規(guī)律如圖6所示。探靴槽寬度L在0～30 mm之間變化時(shí)，缺陷信號軸向特征幅值隨刻槽深度的增大先明顯增加后緩慢減小，L為18 mm時(shí)缺陷信號軸向特征幅值最大。而缺陷信號徑向特征幅值隨刻槽深度的增大先增加后明顯減小，L為10 mm時(shí)缺陷信號徑向特征幅值最大。綜合考慮，可以在10～18 mm間選擇合適的值為探靴槽寬度尺寸。

圖6 提離距離6.5 mm處缺陷特征信號隨不同探靴槽寬度的變化規(guī)律

2.2.2 以探靴槽深度為變量時(shí)的仿真結(jié)果根據(jù)2.2.1節(jié)中探靴槽寬度變化時(shí)的仿真結(jié)果，考慮實(shí)際中探靴安裝，選擇探靴槽寬度為18 mm，研究不同探靴槽深度下缺陷特征信號變化規(guī)律，其缺陷特征變化曲線如圖7所示，同樣地，計(jì)算不同探靴槽深度下的缺陷特征信號幅值，研究缺陷特征信號幅值隨探靴槽深度的變化趨勢。

圖7 不同探靴槽深度下的缺陷信號特征變化曲線

表3 變量為探靴槽深度時(shí)缺陷特征信號幅值

缺陷特征信號隨不同刻槽深度的變化規(guī)律如圖8所示，可見，刻槽深度為12.5 mm時(shí)，缺陷特征曲線的幅值及最值明顯降低，認(rèn)為此數(shù)據(jù)為無效數(shù)據(jù)，因此分析應(yīng)在探靴槽深度為0～10 mm時(shí)進(jìn)行，當(dāng)探靴槽，深度在2.5～10 mm之間時(shí)，缺陷信號軸向與徑向特征幅值變化幅度不大，缺陷軸向特征信號和徑向特征信號都隨探靴槽深度的增大先增加后減小，當(dāng)探靴槽深度為7.5 mm時(shí)缺陷軸向特征信號幅值達(dá)到最大，而缺陷徑向特征信號幅值在探靴深度為5 mm時(shí)最大。

圖8 6.5 mm提離處缺陷特征信號隨不同探靴槽深度的變化規(guī)律

綜合以上仿真結(jié)果，選擇探靴槽寬度為18 mm，深度為7.5 mm，以提高鋼絲繩開環(huán)式磁化器檢測精準(zhǔn)度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖2中帶探靴槽的開環(huán)漏磁檢測磁化器結(jié)構(gòu)模型及探靴槽仿真優(yōu)化尺寸，加工制作出鋼絲繩開環(huán)永磁磁化漏磁檢測探頭(探靴槽寬度為18 mm,深度為7.5 mm)。被測鋼絲繩經(jīng)漏磁探頭磁化激發(fā)出磁場，檢測掃查時(shí)由探靴中磁敏元件捕獲出鋼絲繩損傷信號，經(jīng)電路傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)波形顯示。

測試用鋼絲繩的三種損傷類型如圖9所示，分別為多根斷絲外傷、單根斷絲外傷、單根斷絲內(nèi)傷。多根斷絲外傷尺寸大易檢測，檢測信號幅值大；相比之下，單根斷絲外傷信號幅值較??；單根斷絲內(nèi)傷檢測信號容易湮沒在繩股信號等噪聲信號中，檢測信噪比低甚至檢測不出。三種類型鋼絲繩損傷的開環(huán)永磁磁化漏磁檢測效果如圖10所示。

圖9 測試用鋼絲繩的三種損傷類型

圖10 三種類型鋼絲繩損傷的開環(huán)永磁磁化漏磁檢測效果

經(jīng)帶探靴槽的開環(huán)永磁磁化漏磁檢測傳感器掃查，三種類型的鋼絲繩缺陷均被檢出，測試結(jié)果表明該探頭具有優(yōu)異的測試性能。

4 結(jié)論

針對鋼絲繩傳統(tǒng)檢測設(shè)備探靴內(nèi)腔小、磨損大等問題，提出帶有探靴槽的開環(huán)永磁磁化漏磁檢測傳感器，進(jìn)行了檢測傳感器探靴槽的仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果表明缺陷特征信號幅值隨著探靴槽寬度/深度的改變呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，當(dāng)探靴槽深度為7.5 mm，寬度為18 mm時(shí)，輸出結(jié)果較為理想，可適應(yīng)鋼絲繩復(fù)雜的檢測工況，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。