勵(lì)磁器磁極布置及提離值的確定

路貴蘭 趙占朝 付其風(fēng)

1(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 河北 石家莊 050018) 2(河北省特種設(shè)備技術(shù)檢查中心 河北 石家莊 050018)

0 引 言

目前已報(bào)道的對(duì)鋼絲繩故障檢測(cè)方法有電磁檢測(cè)法、聲發(fā)射-超聲檢測(cè)法、射線檢測(cè)法、電渦流檢測(cè)法、光學(xué)檢測(cè)法，以及振動(dòng)檢測(cè)法等[1-3]。通過(guò)對(duì)各種檢測(cè)方法進(jìn)行比較，電磁檢測(cè)法因其檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度高、抗干擾能力強(qiáng)、傳感器易于設(shè)計(jì)安裝，目前有較好的應(yīng)用前景。但由于電磁檢測(cè)法發(fā)展時(shí)間較短，對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇及應(yīng)用的報(bào)道還比較少，本文通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分析驗(yàn)證了磁極布置方式、提離值對(duì)磁化強(qiáng)度的影響，確定了N-N-S-S磁極布置方式以及傳感器在鋼絲繩徑向安裝、提離值范圍2～3 mm的最佳信號(hào)響度的結(jié)果，為電磁檢測(cè)法提取鋼絲繩故障信號(hào)做了較實(shí)際的探索。

電磁檢測(cè)法基于對(duì)鋼絲繩的磁化，目前磁化方式可分為：交流磁化、直流磁化、永磁磁化。永磁磁化因?yàn)闄z測(cè)裝置重量輕、體積小、磁化效果好、檢測(cè)成本低[4],近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注。典型的永磁磁路結(jié)構(gòu)有三種，分別是單回路、雙回路、多回路勵(lì)磁結(jié)構(gòu)。青島理工大學(xué)的柳思光等[5]提出了勵(lì)磁回路的等效磁路模型，對(duì)永磁式周向勵(lì)磁回路的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；張義清等[6]通過(guò)三維建模、有限元仿真的方法對(duì)雙回路中永久磁鐵的安裝位置及勵(lì)磁回路的方式和勵(lì)磁的效果進(jìn)行了探討；朱偉杰等[7]用有限元的方法分析了勵(lì)磁裝置中各項(xiàng)幾何參數(shù)對(duì)磁化效果的影響，設(shè)計(jì)出了最優(yōu)尺寸的勵(lì)磁裝置；中國(guó)礦業(yè)大學(xué)田劼等[8]提出了一種鋼絲繩探傷徑向多回路勵(lì)磁檢測(cè)方法。以上方法都是基于勵(lì)磁器結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的研究，研究較多的是單回路和多回路，對(duì)雙回路的研究均未對(duì)具體的勵(lì)磁回路磁極布置作出探討。本文設(shè)計(jì)的勵(lì)磁器的永久磁鐵圍繞鋼絲繩上下布置，磁極布置方式為N-N-S-S，研究表明這種方式可以達(dá)到磁化鋼絲繩到飽和狀態(tài)的要求，且裝置結(jié)構(gòu)緊密、體積小，信號(hào)提取方便。結(jié)合磁偶極子理論模型和有限元分析，確定了傳感器的安裝方向和最佳提離值的選擇范圍。

1 勵(lì)磁器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為勵(lì)磁器結(jié)構(gòu)組成圖，由永久磁鐵、工業(yè)純鐵、氣隙組成。永久磁鐵為勵(lì)磁源，本文選用牌號(hào)為N35的釹鐵硼。工業(yè)純鐵選擇DT4材料，它有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、較高的磁導(dǎo)率及良好的機(jī)械加工性能。工業(yè)純鐵起導(dǎo)磁作用，在磁回路中改變磁力線方向，減小磁回路的磁阻，增大磁通密度。

圖1 勵(lì)磁器結(jié)構(gòu)組成

在設(shè)計(jì)本裝置時(shí)，永久磁鐵盡量靠近鋼絲繩表面以提高勵(lì)磁效果，但考慮到鋼絲繩的運(yùn)動(dòng)以及其斷面的變化，應(yīng)留有一定氣隙。結(jié)合鋼絲繩表面的特殊結(jié)構(gòu)，為減小極間漏磁場(chǎng)的影響，在勵(lì)磁磁路的設(shè)計(jì)中，鋼絲繩磁化段中部均勻磁場(chǎng)區(qū)域沿鋼絲繩軸向的長(zhǎng)度應(yīng)不小于一個(gè)股間距長(zhǎng)度Lmm(Lmm為鋼絲繩表面相鄰兩股間的距離[9]。以規(guī)格為8×19S+FC公稱(chēng)直徑為8 mm的鋼絲繩為例，相鄰兩股間距離Lmm為8 mm。因此，勵(lì)磁長(zhǎng)度Lm應(yīng)滿(mǎn)足式Lm≥Lmm+2Lms，Lms為永久磁鐵的寬度。考慮到結(jié)構(gòu)緊湊，并有利于傳感器的安裝，工業(yè)純鐵1及工業(yè)純鐵2的軸向長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為120 mm，徑向長(zhǎng)度20 mm，厚度10 mm。永久磁鐵的尺寸設(shè)計(jì)為9 mm×9 mm×18 mm，工業(yè)純鐵3、4、5、6的尺寸為10 mm×10 mm×30 mm。為使鋼絲繩能順利通過(guò)，氣隙定為2 mm。

2 不同磁極布置的仿真結(jié)果對(duì)比

本文采用Ansoft公司的maxwell軟件對(duì)勵(lì)磁器建立模型仿真。為簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建，用8 mm實(shí)心鋼棒代替鋼絲繩進(jìn)行模擬分析。目的是通過(guò)研究不同磁極的布置方式下鋼絲繩的磁化效果，找出滿(mǎn)足檢測(cè)要求的最佳磁極布置方式。鋼絲繩的典型損傷有斷絲、磨損、銹蝕等形式，對(duì)于斷絲根數(shù)的檢測(cè)，很難做到確切數(shù)量的判定，目前的檢測(cè)方法是將斷絲根數(shù)換算為鋼絲繩橫截面積的減少，對(duì)于其他的損傷形式主要檢測(cè)鋼絲繩的橫截面積[10]。如圖1所示，模型中鋼棒有2 mm×2 mm的斷口，鋼絲繩材料選擇54C，工業(yè)純鐵材料選擇DT4，永久磁鐵材料選擇釹鐵硼N35。邊界條件設(shè)置氣球邊界條件，利用maxwell自適應(yīng)的網(wǎng)格劃分，進(jìn)行仿真。

在材料、計(jì)算精度、邊界條件設(shè)置完全相同的條件下，只改變永久磁鐵磁極布置方式，仿真結(jié)果如下：

(1) N-S-S-N(靠近鋼絲繩的磁極逆時(shí)針排序)的磁極布置方式，即鋼絲繩同側(cè)磁極相同，鋼絲繩兩側(cè)磁極相異，磁通密度如圖2所示。

圖2 N-S-S-N磁通密度云圖

(2) S-S-S-S磁極布置方式，即鋼絲繩兩側(cè)的磁極相同時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 S-S-S-S磁通密度云圖

(3) N-S-N-S磁極布置方式，即鋼絲繩同側(cè)磁極相異，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 N-S-N-S磁通密度云圖

(4) N-N-S-S磁極布置方式，即鋼絲繩同側(cè)磁極相異，鋼絲繩兩側(cè)磁極相同，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 N-N-S-S磁通密度云圖

可以看出，N-N-S-S的磁極布置時(shí)鋼絲繩磁化效果最好。當(dāng)鋼絲繩進(jìn)入飽和磁化區(qū)時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B≥1 T，即：要將鋼絲繩磁化到飽和狀態(tài)，需要?jiǎng)?lì)磁裝置在鋼絲繩中產(chǎn)生大于1 T的磁感應(yīng)強(qiáng)度[11]。N-N-S-S的磁極布置方式磁化鋼絲繩，鋼絲繩的磁通密度接近2 T，滿(mǎn)足檢測(cè)要求。N-N-S-S的磁極布置方式相比較單回路勵(lì)磁方式，磁化結(jié)果穩(wěn)定。

3 傳感器安裝方向及提離值的確定

傳感器安裝方向和提離值的大小是影響檢測(cè)結(jié)果的重要因素，下面采用建立磁偶極子模型的方法來(lái)確定出傳感器的安裝方向及提離值。

磁偶極子是在電偶極子的基礎(chǔ)上建立的物理模型，其等值異號(hào)組成封閉的回路，可以很好地描述小尺寸的磁場(chǎng)回路。在鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)中，常用磁偶極子模型來(lái)模擬鋼絲繩的漏磁信息，如圖6所示。磁偶極子在力矩的作用下會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)力矩為零時(shí)，處于平衡狀態(tài)，利用此原理進(jìn)行漏磁場(chǎng)的測(cè)量。在圖6中，正負(fù)Q是一對(duì)磁偶極子，Q是其電荷量，L1、L2是電荷到A點(diǎn)的距離，鋼絲繩缺陷寬度即斷絲之間的間隙大小為2δ。B為兩電荷在A處的磁場(chǎng)的方向和大小，為兩電荷的距離。y軸是鋼絲繩的提離值(鋼絲繩的表面到傳感器的距離)。

圖6 磁偶極子模型

傳感器與鋼絲繩檢測(cè)表面的距離稱(chēng)為提離值，在圖6中用A點(diǎn)的縱坐標(biāo)表示提離值的大小，采用圖6建立的磁偶極子模型，分析提離值的大小對(duì)漏磁場(chǎng)的影響。當(dāng)斷口寬度一定，這里設(shè)定為5 mm，其他條件不變，漏磁場(chǎng)軸向分量、徑向分量在不同提離值下與x的關(guān)系如圖7和圖8所示。

圖7 漏磁場(chǎng)水平分量

圖8 漏磁場(chǎng)豎直分量

由圖7不同提離值的曲線變化可知，當(dāng)斷口寬度一定，提離值越大，漏磁場(chǎng)在水平方向上的分量逐漸減小，當(dāng)提離值達(dá)到一定值，水平分量的值逐漸趨近于零。當(dāng)提離值較小時(shí)，水平分量出現(xiàn)兩個(gè)最大的峰值。由圖8不同提離值的曲線變化可知，當(dāng)斷口寬度一定，提離值越大，漏磁場(chǎng)在豎直方向上的分量越小，當(dāng)提離值到達(dá)一定值，豎直分量趨近于零，且在正負(fù)方向都只有一個(gè)波峰。

采用maxwell對(duì)模型做進(jìn)一步仿真，在距鋼絲繩斷口上方畫(huà)5條線，距離鋼絲繩分別為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、6 mm，觀察鋼絲繩斷口在直線上產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)。圖9為距鋼絲繩不同距離直線所產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)。

圖9 斷口不同距離處產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)

根據(jù)圖7、圖8兩個(gè)仿真圖形的分析，軸向的漏磁場(chǎng)的圖形較為復(fù)雜，出現(xiàn)正負(fù)兩個(gè)峰值，且隨寬度的變化會(huì)出現(xiàn)回落現(xiàn)象，相比較隨寬度或提離值變化的趨勢(shì)較穩(wěn)定、清晰。所以在檢測(cè)鋼絲繩漏磁信號(hào)時(shí)，應(yīng)選擇徑向分量作為檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，傳感器的安裝應(yīng)在鋼絲繩的徑向方向。結(jié)合圖9的仿真結(jié)果，考慮到鋼絲繩的移動(dòng)時(shí)的位置，提離值為2～3 mm。

4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的勵(lì)磁裝置應(yīng)用到電梯鋼絲繩的檢測(cè)中，選擇規(guī)格為6×19S+FC公稱(chēng)直徑為8 mm的電梯鋼絲繩，制作鋼絲繩斷絲缺陷，傳感器沿鋼絲繩徑向安裝，提離值取2.5 mm，搭建的電梯鋼絲繩故障檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖10所示，勵(lì)磁器分別設(shè)置為第一節(jié)仿真的磁極布置方式。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有N-N-S-S的磁極布置方式可以清晰地捕捉到電梯鋼絲繩的斷絲漏磁信號(hào)，檢測(cè)到鋼絲繩的斷絲缺陷。圖11是勵(lì)磁器磁極布置方式為N-N-S-S時(shí)檢測(cè)到的鋼絲繩斷絲信號(hào)圖。

圖10 電梯鋼絲繩檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

圖11 電梯鋼絲繩斷絲信號(hào)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的勵(lì)磁器N-N-S-S的磁極布置方式對(duì)鋼絲繩的磁化效果最好，可以達(dá)到檢測(cè)要求，且傳感器的安裝方向徑向效果較好。在外界無(wú)干擾的情況下，距離斷口越近，產(chǎn)生的漏磁場(chǎng)越大，缺陷越容易檢測(cè)到，考慮到鋼絲繩的正常運(yùn)行，提離值為2～3 mm為宜。在實(shí)驗(yàn)室搭建電梯鋼絲繩檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)所做的仿真研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文的研究結(jié)果得到了較好的應(yīng)用效果。