倪亞軍， 劉敏強(qiáng)

（1.山西司馬煤業(yè)有限公司， 山西 長治 047105；2.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024）

引言

煤礦生產(chǎn)中，架空乘人裝置正常運轉(zhuǎn)保證井下運輸工作順利進(jìn)行。由于井下環(huán)境多塵，氣體成分復(fù)雜，外加乘人裝置長期運行，鋼絲繩易發(fā)生疲勞、損傷、腐蝕、斷線等[1]，存在極大的安全隱患，所以要定期對鋼絲繩進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)鋼絲繩檢測工作人員利用卡尺測量、手部觸摸等方法檢查鋼絲繩，該方法存在誤差大、可靠性低、依賴工作人員經(jīng)驗等缺點，很難檢查鋼絲繩內(nèi)部缺陷。隨著自動化技術(shù)發(fā)展，例如超聲波、電渦流、X 射線、光學(xué)、固體、空氣及漏磁檢測法等[2]新的檢測技術(shù)產(chǎn)生，但上述大部分檢測方法成本較高，無法應(yīng)用于實際的生產(chǎn)中。漏磁檢測法相比于其他檢測方法成本低、獲得的數(shù)據(jù)容易記錄，適用于導(dǎo)磁性良好的鋼絲繩，而且不易受到外部信號干擾，解決了傳統(tǒng)檢測方法效率低精度差的問題。國外一些公司以永磁體為勵磁裝置，利用GMR 傳感器陣列檢測索道鋼絲繩，此外國內(nèi)也出現(xiàn)了如上海且華MTC 和洛陽TCK 便攜型探傷儀等不同型號的無損探傷儀器。漏磁檢測雖廣泛使用，但其檢測結(jié)果會被磁化裝置幾何形狀和物理參數(shù)、工作環(huán)境等因素干擾[3]，而且裝置不能通過相關(guān)參數(shù)預(yù)測鋼絲繩是否受損。本文對漏磁檢測原理進(jìn)行分析，確定檢測裝置結(jié)構(gòu)，對勵磁磁場分布進(jìn)行分析，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對相關(guān)特征進(jìn)行訓(xùn)練，推斷出同類型的鋼絲繩損傷情況。

1 建立鋼絲繩模型

針對架空乘人裝置實際應(yīng)用情況選擇型號為6×19S 的鋼絲繩。鋼絲繩的直徑為20 mm，鋼絲繩長度截取150 mm[4]。對鋼絲繩進(jìn)行電磁仿真時，取鋼絲繩單股進(jìn)行分析表征鋼絲繩整體的勵磁狀態(tài)。為節(jié)省時間，本文取模型的1/6，即19 股鋼絲進(jìn)行仿真。

2 檢測裝置模型與仿真

2.1 勵磁磁場仿真

漏磁檢測的勵磁過程采用勵磁裝置將鋼絲繩磁化到飽和狀態(tài)，以求獲得信噪比高、信號強(qiáng)度較強(qiáng)的缺陷信號。由于鋼絲繩整體磁化難度大、成本高，漏磁檢測過程多采用局部磁化。檢測裝置勵磁一般采用電流勵磁法和永磁體勵磁法。勵磁方式選擇永磁體勵磁，優(yōu)點是磁能高、勵磁裝置體積小、重量輕[5]。永磁體的材料為NdFe35，徑向充磁，如圖1 所示?？紤]到元件檢測范圍有限，為了使永磁體勵磁磁場完全覆蓋整個鋼絲繩外表面檢測區(qū)域，對所需勵磁裝置個數(shù)N進(jìn)行計算：

圖1 漏磁檢測原理圖

式中：d 為鋼絲繩的直徑；l 為元件的檢測范圍。

為了測得檢測點位置不同時檢測點處的磁場強(qiáng)度，在仿真之前，添加5 個點在不同的位置上。在建模時添加變量，用來調(diào)整斷絲位置鋼絲之間距離，并且設(shè)置計算域為包含整個模型的矩形真空域。經(jīng)過仿真可得檢測點處磁場強(qiáng)度如下頁圖2 所示。

圖2 不同檢測位置下漏磁場強(qiáng)度

2.2 仿真結(jié)果分析

當(dāng)l=3.5 mm 和l=4.0 mm 時，磁場強(qiáng)度隨斷口間距變化劇烈波動，且當(dāng)斷口間距為2 ～3 mm 時，檢測點處的磁場強(qiáng)度與沒有斷絲時的磁場強(qiáng)度差別不明顯。當(dāng)檢測點位于4.5～5.5 mm 時，斷絲位置處的磁場強(qiáng)度變化明顯，由式（2）計算可得檢測點與鋼絲繩之間的最佳距離為1.2～2.2 mm 之間。

為了確定霍爾元件在鋼絲繩軸向安裝位置，利用Maxwell 對檢測對象受損周邊磁場分布仿真，觀察鋼絲繩磁化后的磁場強(qiáng)度云圖，分析其磁場分布，如圖3 所示。采用自適應(yīng)網(wǎng)格，為了使在鋼絲繩上劃分的網(wǎng)格更加均勻規(guī)則，將鋼絲繩截面的圓形鋼絲簡化為24 邊近似圓形鋼絲。通過圖中顏色可以清晰看到鋼絲繩位于勵磁裝置中心部分磁場強(qiáng)度最大，所以漏磁檢測裝置安裝在勵磁裝置中心處距離鋼絲繩1.5～2.2 mm 處，保證檢測裝置靈敏度。

圖3 磁場分布云圖

3 利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對損傷情況進(jìn)行預(yù)測

經(jīng)過傳感器收集到的損傷信號往往混雜著干擾信號，需要進(jìn)行降噪處理才能得出清晰的損傷信號。經(jīng)過降噪后損傷信號的參數(shù)特征可以在一定程度呈現(xiàn)鋼絲繩損傷分布情況：斷絲信號附近存在局部峰值；峰峰值降低信號基準(zhǔn)線波動的干擾，提高檢測結(jié)果的可靠性；波寬是判別斷口寬度的指標(biāo)，與其他參數(shù)結(jié)合可以大體判斷出斷口的形狀與大小，是定量檢測中不可缺少的特征量之一；波形下面積的變化反映了波動信號時間空間兩個維度上的信息。利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測鋼絲繩損傷情況流程如圖4。

圖4 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訓(xùn)練流程圖

對現(xiàn)有的鋼絲繩樣品進(jìn)行檢測獲得損傷信號，將損傷信號相關(guān)參數(shù)代入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練得出鋼絲繩的損傷情況。訓(xùn)練集與測試集部分參數(shù)如表1、表 2 所示。

表1 鋼絲繩訓(xùn)練集部分參數(shù)

表2 鋼絲繩測試集部分參數(shù)

通過將訓(xùn)練集代入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練，得到架空乘人裝置鋼絲繩受損模型。利用測試集對所得模型進(jìn)行檢驗，該模型的預(yù)測精準(zhǔn)度高達(dá)94.5%。

4 結(jié)語

本文利用永磁體對鋼絲繩測量部位進(jìn)行局部磁化，對鋼絲繩單股的勵磁情況進(jìn)行分析。對磁場進(jìn)行測量提取出缺陷信號并對其進(jìn)行降噪處理，利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可推斷出鋼絲繩的損傷情況。漏磁檢測代替人工方法檢測鋼絲繩，減少了人工成本，提高檢測效率，極大降低鋼絲繩使用過程中存在的安全隱患。