趙 旭,朱姿娜,2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,上海 201620;2.上海市大型構(gòu)件智能制造機(jī)器人技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 201620)

0 引言

鋼絲繩作為一種撓性繩索,能起到傳遞、承重、定位等作用,成為工業(yè)生產(chǎn)、加工制造、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)的關(guān)鍵承載部件。但大多鋼絲繩工作條件惡劣,處于粉塵、潮濕、溫度變化較大的環(huán)境中,容易出現(xiàn)磨損、銹蝕、斷絲等損傷[1],從而影響生產(chǎn)效率,也會(huì)對(duì)安全帶來隱患。

目前針對(duì)鋼絲繩損傷的檢測(cè)方法主要有超聲波檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法、聲發(fā)射檢測(cè)法、振動(dòng)檢測(cè)法等,其中漏磁檢測(cè)法被國內(nèi)外學(xué)者公認(rèn)為目前對(duì)鋼絲繩無損檢測(cè)最為有效的方法[2]。毛清華[3]等針對(duì)鋼絲繩磁化不均勻問題,對(duì)永磁環(huán)充磁方向進(jìn)行了仿真分析對(duì)比;田劼[4]等對(duì)裝置銜鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),減小了裝置內(nèi)部的漏磁通;熊力群[5]等提出了由三組永磁體組成的新型雙級(jí)勵(lì)磁結(jié)構(gòu);周俊瑩[6]等對(duì)永磁體結(jié)構(gòu)采用輻射拼接的方式,提高了缺陷磁信號(hào)強(qiáng)度值。

本文對(duì)鋼絲繩漏磁檢測(cè)原理建立等效磁路模型,依據(jù)永磁體徑向充磁和軸向充磁組合方式提出一種新型勵(lì)磁結(jié)構(gòu);根據(jù)畢奧-薩伐爾定律分析了永磁體影響磁場(chǎng)強(qiáng)度的因素,并對(duì)勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的銜鐵厚度、銜鐵長(zhǎng)度、永磁體厚度、永磁體長(zhǎng)度、軸向永磁體間距等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化,最后通過對(duì)比已有勵(lì)磁結(jié)構(gòu)的勵(lì)磁效果,驗(yàn)證本文結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

1 漏磁檢測(cè)原理

1.1 永磁環(huán)磁場(chǎng)分析

磁化鋼絲繩是漏磁檢測(cè)的首要步驟,目前磁化種類有交流勵(lì)磁、直流勵(lì)磁、永磁體勵(lì)磁等;其中永磁體勵(lì)磁由于其勵(lì)磁組件無需電源及配套散熱設(shè)備、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),至今仍被廣泛應(yīng)用[7]。由于環(huán)形永磁體可形成多勵(lì)磁回路,且勵(lì)磁對(duì)稱均勻,故勵(lì)磁源通常選用一對(duì)充磁方向相反的環(huán)形徑向永磁體。以下針對(duì)環(huán)形永磁體成對(duì)使用產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行分析,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 環(huán)狀永磁體示意圖

基于畢奧-薩伐爾定律[8],環(huán)狀永磁體充磁方向?yàn)檩S向且成對(duì)使用時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度為[3]

(1)

式中:B(z)為永磁體軸線方向磁感應(yīng)強(qiáng)度;Br1為左端環(huán)狀永磁體剩磁;Br2為右端環(huán)狀永磁體剩磁。

環(huán)狀永磁體充磁方向?yàn)閺较蚯页蓪?duì)使用時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度為

B(z)=B1(z)+B2(z)

(2)

其中:

通過對(duì)永磁環(huán)的磁場(chǎng)分析可知,環(huán)形永磁體成對(duì)使用時(shí),無論充磁方向?yàn)檩S向或徑向,影響環(huán)形永磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度的主要參數(shù)有磁環(huán)厚度、長(zhǎng)度和間距。

1.2 漏磁檢測(cè)原理

鋼絲繩漏磁檢測(cè)原理如圖2所示。圖中永磁體、鋼絲繩、銜鐵、鋼絲繩與永磁體間的氣隙形成了完整的磁通回路;若鋼絲繩沒有損傷時(shí),磁感線在磁通路中形成閉合回路[9],如圖2(a)所示;當(dāng)鋼絲繩出現(xiàn)損傷時(shí),因鋼絲繩內(nèi)部已磁化至飽和,磁感線在缺陷處偏折到空氣中,如圖2(b)所示,此時(shí)偏折磁感線將被霍爾元件檢測(cè)到,磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī),通過對(duì)反饋信號(hào)處理,判斷鋼絲繩的損傷特征[10]。

(a)鋼絲繩無缺陷

(b)鋼絲繩有缺陷圖2 漏磁檢測(cè)原理

對(duì)上述漏磁檢測(cè)模型,建立圖3所示的等效磁路圖進(jìn)行分析。圖中,F為永磁體磁勢(shì),R1為永磁體與鋼絲繩之間空氣形成的磁阻,R2為銜鐵與永磁體接觸部分形成的磁阻,R3為銜鐵自身磁阻,R4為銜鐵與鋼絲繩之間空氣形成的磁阻,R5為鋼絲繩磁阻,Φm為磁路主磁通,Φ1為銜鐵自身磁通,Φ2為銜鐵與鋼絲繩之間空氣中的磁通,Φ3為鋼絲繩磁通。

圖3 漏磁檢測(cè)等效磁路

基于基爾霍夫第一、第二定律[4]可得:

Φ1=Φ2+Φ3

(3)

R4Φ2=R5Φ3

(4)

F=R1Φm+(R2+R3)Φ1+R4Φ2

(5)

結(jié)合式(5)可看出,若要提高裝置磁通量,一方面可增大永磁體磁勢(shì)F,另一方面可減小裝置磁阻R。

2 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 增加軸向充磁永磁體

結(jié)合圖2工作原理及圖3等效磁路,在裝置內(nèi)部新增軸向充磁永磁體可增大磁通量,考慮到裝置成本,在不增加永磁體體積前提下,如圖4所示,將原勵(lì)磁結(jié)構(gòu)圖4(a)中兩2個(gè)徑向充磁永磁體分為圖4(b)所示4個(gè)等體積大小永磁體,兩端永磁體仍采用徑向充磁(左端外S內(nèi)N,右端外N內(nèi)S),中間2個(gè)永磁體采用軸向充磁,因后續(xù)需安裝檢測(cè)元件,軸向永磁體間留有間距。

(a)原勵(lì)磁結(jié)構(gòu)

(b)優(yōu)化后勵(lì)磁結(jié)構(gòu)圖4 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖4(b)所示軸向充磁永磁體充磁可分為左S右N,左N右S 2種,對(duì)其不同充磁方向進(jìn)行分析對(duì)比。以總直徑26 mm、型號(hào)為6×19S+FC鋼絲繩為例,飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為1.8 T,永磁體材料為NdFe35,鋼絲繩材料為steel_1008,銜鐵材料為iron,整個(gè)裝置限制單元數(shù)為1 000,單元最大長(zhǎng)度均為2 mm。

圖5為中間軸向充磁永磁體不同充磁方向的鋼絲繩磁化曲線圖,充磁方向?yàn)樽骃右N時(shí),鋼絲繩磁化曲線大部分位于上方,最大磁化強(qiáng)度為2.140 T;充磁方向?yàn)樽驨右S時(shí),鋼絲繩最大磁化強(qiáng)度為1.086 T。故勵(lì)磁裝置左端永磁體為外S內(nèi)N,右端為外N內(nèi)S,中間永磁體充磁方向?yàn)樽骃右N。

圖5 軸向永磁體不同充磁方向鋼絲繩磁化曲線圖

2.2 增加磁路屏蔽裝置

對(duì)圖5分析可知,新增軸向永磁體方向?yàn)樽骃右N時(shí),被測(cè)鋼絲繩60～100 mm之間磁化強(qiáng)度曲線出現(xiàn)明顯下降,在90 mm左右曲線出現(xiàn)最低點(diǎn),僅為0.261 T,為更直觀地顯示其磁感線分布,對(duì)裝置進(jìn)行磁感線仿真分析,仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出,所增加軸向永磁體之間形成了與銜鐵中磁感線方向相反的磁感線,從而削弱整個(gè)磁通回路的磁感線密度,減小了磁化強(qiáng)度。為解決該問題,在裝置內(nèi)部增加電磁屏蔽器,電磁屏蔽器材料選用軟磁性材料,制作成厚度為2 mm空心環(huán)形,安裝在裝置中心區(qū)域軸向永磁體之間,以阻斷軸向永磁體之間形成非必要的干擾磁感線。增加屏蔽器后的工作簡(jiǎn)圖如圖7所示。

增加磁路屏蔽器前后鋼絲繩磁化曲線對(duì)比如圖8所示,可看出增加磁路屏蔽器后鋼絲繩磁化曲線得到了提高,呈現(xiàn)出M型,在40 mm和100 mm處鋼絲繩磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大值,70 mm處為中間段最小磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖8 增加磁路屏蔽器前后鋼絲繩磁化曲線對(duì)比

3 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及對(duì)比

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

通過前文分析可知,影響裝置的主要參數(shù)有永磁體長(zhǎng)度、永磁體厚度、銜鐵厚度、銜鐵長(zhǎng)度及軸向永磁體的間距,下文針對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行仿真分析,仿真模型設(shè)置同上。

考慮裝置自重及成本因素,仿真模型永磁體長(zhǎng)度分別為20、22.5、25、27.5、30 mm依次遞增,永磁體總長(zhǎng)度與原裝置永磁體長(zhǎng)度100 mm大致相等。鋼絲繩被測(cè)段在永磁體長(zhǎng)度不同時(shí)最大和最小磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖9所示,最小磁感應(yīng)強(qiáng)度指M型曲線中間最低點(diǎn)處磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖9 單個(gè)永磁體長(zhǎng)度不同時(shí)鋼絲繩磁化曲線

從圖9可看出鋼絲繩最大磁感應(yīng)強(qiáng)度增長(zhǎng)較規(guī)律,但20 mm時(shí)最小磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.659 T,25 mm時(shí)為1.772 T,增幅強(qiáng)度為0.113 T,增幅約6.8%;30 mm時(shí)最小磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.826 T,增幅強(qiáng)度為0.054 T,增幅約為3.0%,說明永磁體長(zhǎng)度增加到一定值時(shí),對(duì)裝置磁場(chǎng)強(qiáng)度影響變小,故永磁體長(zhǎng)度25 mm時(shí)較為適合。

永磁體長(zhǎng)度不變時(shí),徑向和軸向充磁永磁體厚度越厚,其磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,式(5)中等式左端永磁體磁勢(shì)F增加,等式右端永磁體與鋼絲繩之間空氣形成的磁阻減小,因此整個(gè)裝置磁通量增大。環(huán)形永磁體磁阻公式為

(6)

式中:D為永磁體寬度;Rm為環(huán)形永磁體內(nèi)徑。

寬度增加則磁阻增大,使得磁勢(shì)F增幅減小,因此單個(gè)永磁體厚度應(yīng)合理選擇,本文永磁體長(zhǎng)度以21、23、25、27、29 mm依次遞增。

圖10為永磁體厚度不同時(shí)鋼絲繩磁化曲線。圖10中,27 mm時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.220 T,最小磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.852 T,相對(duì)21 mm時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度增大約0.111 T,最小磁感應(yīng)強(qiáng)度增大約0.203 T,而從27 mm增加到29 mm時(shí)最大磁感應(yīng)強(qiáng)度僅增大0.004 T,最小磁感應(yīng)強(qiáng)度增大僅0.032 T,永磁體厚度定為27 mm。

圖10 永磁體厚度不同時(shí)鋼絲繩磁化曲線

根據(jù)式(5),銜鐵厚度增大時(shí)R3增大,其余參數(shù)不變,由于F保持不變,故裝置中磁通量將減小,勵(lì)磁效果減弱;但銜鐵厚度過小,勵(lì)磁易磨損,裝置使用壽命減少,因此將銜鐵厚度11 、13 、15 、17 、19 mm對(duì)比,如圖11所示。

圖11 銜鐵厚度不同時(shí)鋼絲繩磁化曲線

如圖11所示,銜鐵厚度對(duì)鋼絲繩磁化強(qiáng)度影響較小,但銜鐵厚度為19 mm時(shí)最小磁感應(yīng)強(qiáng)度相對(duì)17 mm下降較為明顯,下降約0.112 T,綜合考慮銜鐵厚度定為15 mm。

銜鐵長(zhǎng)度增加,式(5)中R3增大,銜鐵過長(zhǎng)時(shí)左右端徑向充磁永磁體間距變大,永磁體磁勢(shì)F減小;但銜鐵過短,鋼絲繩磁化長(zhǎng)度小,工作效率低。因此將銜鐵長(zhǎng)度為210、213、215、217、219 mm進(jìn)行仿真對(duì)比,其結(jié)果如圖12所示。

從圖12可以看出,銜鐵長(zhǎng)度對(duì)鋼絲繩最大磁感應(yīng)強(qiáng)度總體影響較小,銜鐵長(zhǎng)度增加到217 mm時(shí)最小磁化強(qiáng)度下降相對(duì)明顯,下降約0.051 T,銜鐵長(zhǎng)度為215 mm更合適。

根據(jù)式(1),軸向充磁永磁體間距越小,產(chǎn)生的磁場(chǎng)越強(qiáng),軸向永磁體間距過小裝置拆卸不便,且磁路屏蔽裝置安裝困難,結(jié)合銜鐵長(zhǎng)度,軸向永磁體間距從40 mm逐步增加到56 mm,步長(zhǎng)為4 mm,仿真結(jié)果對(duì)比如圖13所示。

圖13 軸向永磁體間距不同時(shí)鋼絲繩磁化曲線

圖13中,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度基本不變,最小磁感應(yīng)強(qiáng)度變化較大。間距從40 mm增加到44 mm,最低磁化強(qiáng)度由1.784 T降為1.743 T,降低了0.041 T,約2.2%;間距從44 mm增加到48 mm,最小磁化強(qiáng)度由1.743 T降為1.674 T,降低了0.069 T,約3.9%,下降趨勢(shì)更明顯,綜合考慮軸向永磁體間距選為44 mm。

3.2 勵(lì)磁結(jié)構(gòu)對(duì)比

為驗(yàn)證本裝置的優(yōu)越性,與已有勵(lì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比例1的永磁體采用輻射拼接的方法,扇形永磁體組成左右端環(huán)狀永磁體,增大了鋼絲繩磁化飽和區(qū)域長(zhǎng)度;對(duì)比例2在磁敏原件檢測(cè)區(qū)域安裝屏蔽殼,消除了裝置內(nèi)漏磁通,增加鋼絲繩磁感應(yīng)強(qiáng)度。裝置結(jié)構(gòu)圖對(duì)比如圖14所示。

(a)原裝置

(b)對(duì)比例1

(c)對(duì)比例2

(d)本裝置圖14 不同裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖14所示不同裝置鋼絲繩磁化曲線如圖15所示,原裝置最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.121 T,鋼絲繩飽和長(zhǎng)度為70 mm;對(duì)比例1的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.204 T,飽和長(zhǎng)度為77 mm;對(duì)比例2的最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.184 T,飽和長(zhǎng)度為68 mm;本裝置70 mm處是最小磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.061 T,仍大于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.308 T,鋼絲繩飽和長(zhǎng)度為87 mm,對(duì)比原裝置,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度提高約8.8%,飽和長(zhǎng)度提高約24%。

圖15 鋼絲繩磁化曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合鋼絲繩漏磁檢測(cè)原理及等效磁路,對(duì)裝置勵(lì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在永磁體總體積大約保持不變的情況下,將徑向充磁永磁體和軸向充磁永磁體組合使用,共同構(gòu)成勵(lì)磁源,并在軸向充磁永磁體之間設(shè)置電磁屏蔽器,避免干擾磁感線,提高鋼絲繩中間段的勵(lì)磁效果。通過對(duì)永磁環(huán)的磁場(chǎng)分析得出裝置中影響勵(lì)磁效果的主要參數(shù),通過有限元分析對(duì)裝置進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,確定裝置最終勵(lì)磁效果。 對(duì)比原裝置及已有改進(jìn)裝置,本裝置勵(lì)磁效果更強(qiáng),勵(lì)磁范圍更長(zhǎng);相比原裝置鋼絲繩最大磁化強(qiáng)度提高約8.8%,飽和長(zhǎng)度提高約24%。本文的研究可為鋼絲繩漏磁檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)提供參考。