唐 波, 郭必奔, 陳 偉, 譚 龍

(1.中國計量大學 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018；2.寧波水表(集團)股份有限公司，浙江 寧波 315033)

1 引 言

曳引鋼帶作為電梯的承載構件,在其服役過程中,由于曳引鋼帶在曳引輪上發(fā)生滑移或瞬間的振動沖擊形成局部擠壓變形,極易出現(xiàn)磨損和斷線缺陷[1],因此,開展曳引鋼帶結構健康監(jiān)測技術研究[2～4]具有重要的意義。

針對曳引鋼帶缺陷的檢測,研究人員已經開展了一些無損檢測方法研究,如渦流檢測、漏磁檢測、壽命設定值法及電阻檢測法等[5,6]。作為一種新興的承載構件,曳引鋼帶的存在時間較短并且內部鋼絲繩排列緊湊,這使得一些檢測技術在某些方面存在一定的局限性,例如:傳統(tǒng)渦流檢測方法一般用于近表面缺陷的檢測;漏磁檢測方法由于不可避免的提離距離導致漏磁信號較為微弱,對磁敏傳感器要求往往較高[7];壽命設定值法具有裝置價格低和可以在線監(jiān)測的優(yōu)點,但實際每根曳引鋼帶所處的工況都是不同的,因此會出現(xiàn)誤報廢和應報廢而未報廢的情況[8];電阻檢測法雖然理論簡單,但是在現(xiàn)場使用時需要對得到的電阻值進行溫度和應力補償,并且不能實現(xiàn)缺陷定位[9]。近年來,相關研究人員曾對曳引鋼帶無損檢測的電磁傳感器結構及參數(shù)開展了研究。Lei H M等[10]提出了一種優(yōu)化的漏磁檢測(magnetic flux leakage testing, MFL)方法來檢測涂層鋼帶(coated steel belts, CSB)中的斷絲,這使得檢測扁平結構CSB中的斷絲成為可能,該方法使用一對傳感器檢測鋼帶,形成差分信號,對斷絲數(shù)量的檢測有較高精確度。Sun Y H等[11]利用三維有限元模型,研究了傳感器勵磁結構、線圈間距、勵磁電流和巨磁阻陣列排布位置等參數(shù)對漏磁檢測信號的影響,并通過仿真與試驗驗證了結構優(yōu)化對改善傳感器檢測性能的作用。

本文在電磁無損檢測技術的基礎上,提出了徑向磁化電磁無損檢測原理,設計了具有多磁回路的徑向磁化電磁傳感器,借助COMSOL有限元仿真軟件研究了傳感器結構參數(shù)和缺陷幾何參數(shù)對檢測性能的影響,構建了徑向磁化電磁傳感器無損檢測系統(tǒng),并對曳引鋼帶的斷股和斷絲缺陷進行了檢測,分辨力達到0.5 mm,從而驗證了該方法的可行性。

2 理論分析

2.1 檢測技術原理

電磁無損檢測原理如圖1所示。

圖1 電磁無損檢測原理Fig.1 Principle of electromagnetic nondestructive testing

物體由材料經過一系列的加工處理后,將形成初始結構參數(shù)、機械參數(shù)和電磁參數(shù)。由于物體往往會受到擠壓、拉伸和摩擦等外部力的作用,以及溫度和濕度的環(huán)境影響。因此,物體的結構參數(shù)、機械參數(shù)和電磁參數(shù)相較于初始值會有明顯的變化,并且物體不同位置受到外部力以及所處的外部環(huán)境是不同的,以至于導致物體參數(shù)常常出現(xiàn)局部變化。電磁無損檢測技術則是在測試對象內部感應電流或磁場,磨損和斷股等缺陷導致物體的結構參數(shù)和電磁參數(shù)的不均勻性,呈現(xiàn)出不同的電磁響應,從而達到檢測損傷的目的[12～14]。

利用電磁耦合特性[15],將其應用于曳引鋼帶缺陷原位檢測,圖2為曳引鋼帶徑向磁化電磁檢測原理的示意圖,該檢測方法的原理是利用線圈或永磁體產生磁場,通過高導磁材料進行聚磁,使磁通徑向穿過被測物,在缺陷位置處由于磁參數(shù)的變化導致磁通的改變,采用磁敏傳感器對磁通大小進行檢測,便可實現(xiàn)缺陷檢測。

圖2 徑向磁化電磁無損檢測原理Fig.2 Principle of radial magnetized electromagnetic nondestructive testing

2.2 傳感器模型

徑向磁化電磁傳感器結構如圖3所示,基于徑向磁化電磁無損檢測原理,根據(jù)曳引鋼帶內部并排多股鋼絲繩的結構特點,設計了徑向磁化電磁傳感器,主要由激勵源線圈、導磁磁軛、聚磁鐵芯和霍爾傳感器等組成。由于曳引鋼帶聚氨酯層的存在,將會增加磁路的磁阻,因此有效磁信號將比較微弱,為此引入聚磁鐵芯。給激勵源線圈通入直流電流,產生恒定磁場,在導磁磁軛和聚磁鐵芯的作用下,磁通徑向通過曳引鋼帶,當曳引鋼帶產生缺陷時,缺陷處從導磁材料變成空氣,磁通便從旁邊磁導率大的介質中通過,將增加磁路的磁阻,因此主磁路的磁通將減小,通過霍爾傳感器對該磁路的磁感應強度進行測量,可根據(jù)磁感應強度的大小對缺陷程度進行量化。

圖3 徑向磁化電磁傳感器結構Fig.3 Structure of radial magnetized electromagnetic sensors

本文利用COMSOL軟件對徑向磁化電磁傳感器和曳引鋼帶的等效模型進行分析[16]。曳引鋼帶內部鋼絲繩簡化為圓柱形結構并且材料采用Steel 1008,而聚氨酯為順磁材料,其磁導率接近1,采用空氣來代替。導磁磁軛和聚磁鐵芯常用的材料為Soft Iron,Soft Iron和Steel 1008。圖3中曳引鋼帶上方的虛線和點為檢測信號提取區(qū)域,檢測位置距曳引鋼帶上表面的距離為1 mm。在該位置提取z方向的磁感應強度信號進行分析。該模型的各個域被劃分為176 739個自由三角網格,并在信號提取區(qū)域進行網格局部細化,以較少的計算量,提高計算精度。

2.3 磁感應強度計算

本文提出的徑向磁化電磁無損檢測技術采用線圈激勵,在導磁磁軛和聚磁鐵芯的作用下,磁通將徑向穿過曳引鋼帶內部的每股鋼絲繩,借助霍爾傳感器對每條穿過曳引鋼帶內部鋼絲繩的磁通大小進行檢測,可在被測物未激勵到飽和情況下實現(xiàn)缺陷檢測?；魻杺鞲衅鞯妮敵鲂盘朧H為

(1)

式中:RH為霍爾系數(shù);d為霍爾傳感器的厚度;Is為控制電流的大小;B為霍爾傳感器敏感方向的磁感應強度的大小。

3 仿真分析

本文采用基于FEM逼近數(shù)值求解的COMSOL軟件,解決了一些復雜幾何模型及多個物理場耦合的求解問題。建模過程中采用完美匹配層來充當一個接近理想的吸收體或輻射體域,并且還可以對需要改變的參數(shù)進行變量定義,實現(xiàn)參數(shù)化掃描。建模幾何參數(shù)見表1。

表1 模型幾何參數(shù)Tab.1 Structural parameters of front rectifier mm

3.1 仿真參數(shù)

激勵線圈的安匝數(shù)指線圈的匝數(shù)與通過線圈的直流電流大小的乘積,基本單位為At(ampere-turn,安培匝數(shù))。利用仿真模型,研究不同聚磁鐵芯寬度、激勵源線圈的安匝數(shù)對檢測信號提取處磁感應強度的影響規(guī)律,相關仿真參數(shù)見表2。磁感應強度越大,抗干擾能力越強,越有利于缺陷的識別。此外,進一步對曳引鋼帶內部鋼絲的磨損缺陷和斷股缺陷的磁感應強度分布進行研究和分析,為缺陷反演提供了可靠的依據(jù)。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

3.2 聚磁鐵芯寬度對測量位置的磁感應強度的影響

在圖3中,雙箭頭線標識處為聚磁鐵芯的寬度,線圈繞線方式一致并保持其他域的尺寸和線圈安匝數(shù)不變,研究0 mm、1 mm、2 mm和3 mm 4種寬度的聚磁鐵芯對磁感應強度的影響。

圖4為不同聚磁鐵芯寬度的磁感應強度隨測量位置變化的曲線圖。從圖4中可以看出,徑向磁化電磁傳感器采用不同寬度的聚磁鐵時,檢測信號提取處的磁感應強度分布情況是不同的。通過對比采用0 mm和1 mm的聚磁鐵芯時的磁感應強度分布,即從無聚磁鐵芯到有聚磁鐵芯,磁感應強度有明顯的增加且磁感應強度呈現(xiàn)多個山峰狀,說明由于聚磁鐵芯的聚磁作用使得其正下方的磁感應強度增強。但是由于寬度的增加,導致漏磁增加,磁感應強度的峰值有略微的下降。后續(xù)研究主要集中研究1 mm聚磁鐵芯的徑向磁化電磁傳感器。

圖4 不同聚磁鐵芯寬度的磁感應強度隨測量位置變化Fig.4 The magnetic induction intensity of different magnet core widths varies with the measurement position

3.3 安匝數(shù)對測量位置的磁感應強度的影響

由鐵磁性材料的磁化過程可知,在外加磁場逐漸增加時,其磁導率會先增加后減小,因此磁感應強度會存在飽和狀態(tài)。在鐵磁性材料達到飽和時,繼續(xù)增加安匝數(shù),會造成傳感器體積和重量增加以及線圈發(fā)熱加劇。激勵線圈的安匝數(shù)在500～2 000 At之間變化,變化步長為500 At,圖5給出了不同磁動勢下的磁感應強度隨測量位置變化的分布圖。

圖5 不同磁動勢的磁感應強度隨測量位置變化Fig.5 The magnetic induction intensity of different magnetomotive force varies with the measurement position

從圖5可以看出,安匝數(shù)的變化對檢測信號提取處磁感應強度的分布趨勢影響不大,但對其值的大小有較大的影響。磁感應強度隨著安匝數(shù)的增加而增加,但在1 000 At后,其增加的幅度開始減小,即磁感應強度開始趨于飽和。因此,在選取線圈匝數(shù)和電流大小時,需考慮傳感器體積、線圈最大承受電流大小和發(fā)熱情況。

3.4 缺陷程度與測量位置磁感應強度的關系

斷絲缺陷是曳引鋼帶在服役當中較為常見的缺陷,為了通過磁感應強度來對斷絲缺陷程度進行反演,則需建立斷絲缺陷程度與檢測信號提取處磁感應強度的映射關系。斷絲缺陷主要導致曳引鋼帶內部鋼絲的局部橫截面積減小。因此,通過對直徑四等分來切割局部橫截面模擬斷股缺陷,見圖6。

圖7給出了斷絲缺陷程度與測量點2的磁感應強度之間的映射關系,測量點2是在圖3中從左到右4個測量點的第2個測量點,設置在離聚磁鐵芯正下方 1 mm 處,假設測點2對應的鋼絲存在缺陷,其他測點對應的鋼絲完好無損。從圖7中可以看出,磁感應強度隨著缺陷程度的增加而下降。當曳引鋼帶內部鋼絲繩存在缺陷,磁路中磁通量徑向通過缺陷區(qū)域時,由于缺陷區(qū)域兩側的磁導率高于缺陷區(qū)域,導致磁力線向兩側分散,從而使得缺陷正上方氣隙中的磁感應減小。并且磁感應強度與斷絲缺陷程度存在一一映射關系,理論上,可根據(jù)磁感應強度對缺陷程度進行估計。

圖7 磁感應強度隨缺陷程度的變化關系Fig.7 The relationship between the magnetic induction intensity and the degree of defect

3.5 斷股缺陷組合對測量位置磁感應強度的影響

假設曳引鋼帶內部同一剖面上每根鋼絲上同時存在無缺陷、1.0 mm缺陷、1.5 mm缺陷和2.0 mm缺陷,斷股缺陷模型示意如圖8所示。

圖8 斷股缺陷程度示意圖Fig.8 Schematic diagram of the degree of broken strand defects

為了比較曳引鋼帶鋼絲繩正常情況與斷股缺陷組合下引起磁感應強度的變化量,得到了如圖9所示兩種不同工況的磁感應強度分布曲線。圖9中橫坐標2 mm、5 mm、8 mm和11 mm位置上分別對應上述不同斷股缺陷位置,即可獲取磁感應強度的波峰值,從圖9中可以觀察到,斷股缺陷會引起檢測位置磁感應強度變化,缺陷越大,變化量越大。

圖9 不同長度斷股缺陷對磁感應強度的影響Fig.9 Influence of broken strand defects with different lengths on magnetic induction

為了進一步比較曳引鋼帶鋼絲繩無缺陷和有缺陷前后磁感應強度的變化量,得到了如圖10所示不同長度斷股缺陷時磁感應強度與無缺陷時的差值分布圖,可以明顯的觀察到不同缺陷長度引起的磁感應強度變化量大小不一且呈現(xiàn)非線性特性。同時發(fā)現(xiàn)相鄰鋼絲繩缺陷會引起整個電磁傳感器磁通路徑磁阻微量變化,如圖10中無斷股缺陷上仍然會出現(xiàn)極小的差值,但不會引起相鄰鋼絲繩上1.0 mm以上斷股缺陷的檢測結果,為下面選取單獨一根鋼絲繩斷股缺陷進行相對運動分析提供理論依據(jù)。

圖10 不同長度斷股缺陷時磁感應強度與無缺陷時的差值Fig.10 The difference between the magnetic induction of broken strands with different lengths and no defects

3.6 不同長度的斷股缺陷軸向磁感應強度分布

電梯運行過程中,徑向磁化電磁傳感器與曳引鋼帶將存在相對運動,其運動方向沿著曳引鋼帶軸向方向。本文設計了1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm 3個不同長度的斷股缺陷,見圖11以0.2 mm的步長來移動曳引鋼帶,觀察測量位置處沿軸向方向的磁感應強度分布情況。

圖11 斷股缺陷程度示意圖Fig.11 Schematic diagram of the degree of broken strand defects

不同長度斷股缺陷的軸向磁感應強度分布如圖12所示,其磁感應強度分布呈現(xiàn)軸對稱,其對稱軸為缺陷的中心位置,并且在缺陷中心位置磁感應強度達到最小,斷股缺陷長度越長其磁感應強度最小值越小。

圖12 不同長度斷股缺陷的磁感應強度隨測量位置變化Fig.12 The magnetic induction intensity of broken strand defects with different lengths varies with the measurement position

4 實驗結果

徑向磁化電磁傳感器性能測試實驗系統(tǒng)如圖13所示,主要包括上位機、2個電源、運動裝置、下位機、電磁傳感器、電機驅動器和曳引鋼帶;電源1和電源2分別為電機驅動器和徑向磁化電磁傳感器的線圈供電?？梢酝ㄟ^式(2)計算出相鄰采樣點之間所代表的實際距離Ls。

圖13 性能測試實驗裝置Fig.13 The experimental device for testing the performance

(2)

式中:fs為采樣頻率;α為步距角;p為絲桿的螺距;fp為電機驅動器的脈沖頻率;n為細分數(shù)。

4.1 缺陷程度與測量位置磁感應強度的關系

通過將兩根鋼棒對接且中間留有空隙的方式來模擬斷股缺陷,見圖14?？障兜拇笮〖礊閿喙扇毕莸拈L度。與第3.5節(jié)不同長度的斷股缺陷軸向磁感應強度仿真分析相對應,設計了1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm 3種長度的斷股缺陷,通過本系統(tǒng)對曳引鋼帶軸向方向的磁感應強度進行測量。

圖14 斷股缺陷模擬示意圖Fig.14 Broken strand defect simulation diagram

實驗值與仿真值所呈現(xiàn)的趨勢是一致的,如圖15所示,但是在1.0 mm和2.0 mm的斷股缺陷上存在略微差異,這主要是因為裝置的精密程度不夠。其原因可能分別是曳引鋼帶支架的不平整和透明樹脂加工不平整導致的,以及缺陷長度存在誤差。如果以仿真所得到的磁感應強度最小值為依據(jù),相鄰長度缺陷的中間值作為界限,即如圖15紅色虛線所示,然后通過實驗值來正確判斷實際缺陷長度。本文系統(tǒng)對于斷股缺陷可以實現(xiàn)分辨力為0.5 mm的缺陷檢測。

圖15 不同長度斷股缺陷下磁感應強度隨測量位置變化Fig.15 The magnetic induction intensity varies with the measurement position under different lengths of broken strands

4.2 斷絲缺陷檢測實驗

現(xiàn)實中曳引鋼帶更多的是發(fā)生斷絲缺陷,使得內部鋼絲繩局部的橫截面積減小。如圖16所示,本文采用對鋼棒局部進行部分切割,使得該部分的橫截面積減小,從而模擬曳引鋼帶的斷絲缺陷,其中L表示缺陷間距。電磁無損檢測系統(tǒng)沿著曳引鋼帶長度方向對磁感應強度進行測量,其磁感應強度分布如圖17所示,從而可以看出,磁感應強度在缺陷處會明顯地降低,該裝置能夠對斷絲缺陷進行檢測。以磁感應強度最小值作為缺陷的中心位置,反演出兩個相鄰缺陷的距離為24.2 mm。在鋼帶上人為制作的相鄰缺陷相距22.3 mm,實驗結果與實際制作缺陷之間誤差僅為8.5%。因此本文電磁無損檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)斷絲缺陷檢測。

圖16 斷絲缺陷模擬示意圖Fig.16 Schematic diagram of broken wire defect simulation

5 結 語

為了實現(xiàn)曳引鋼帶斷股、斷絲位置及缺陷嚴重程度準確檢測,提出了一種基于徑向磁化電磁檢測技術的曳引鋼帶內部鋼絲繩缺陷檢測方法。首先,根據(jù)徑向磁化電磁檢測原理,采用直流線圈勵磁和霍爾傳感器結合,設計了徑向磁化電磁傳感器,實現(xiàn)了傳感器的小體積;建立徑向磁化電磁傳感器等效模型,對聚磁鐵芯寬度和安匝數(shù)2個參數(shù)進行仿真研究。結果表明:寬度為1 mm的聚磁鐵芯具有最佳的聚磁效果,測量處磁感應強度隨著安匝數(shù)增加而增大并趨于飽和。進一步建立了曳引鋼帶斷絲缺陷與徑向磁化電磁傳感器輸出信號的映射關系以及研究了不同長度斷股缺陷的軸向磁感應強度分布。最后,對研制的徑向磁化電磁傳感器進行性能測試,并將其應用于曳引鋼帶缺陷檢測實驗中,實驗結果表明,該系統(tǒng)能實現(xiàn)分辨力為0.5 mm的斷股缺陷檢測和斷絲的定性檢測。

本文提出徑向磁化電磁傳感器適用于實驗室環(huán)境下平面型曳引鋼帶的缺陷檢測,后續(xù)工作將針對實際工作環(huán)境下產生的噪聲和更多曳引鋼帶缺陷類型進行研究,進一步優(yōu)化檢測方法。