特種鋼索斷絲漏磁檢測模擬仿真與實(shí)驗(yàn)研究*

邱增城 王悅民 許鑒鑒 陳 昂

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

鋼絲繩在是一種鐵磁性材料的承載構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于軍事、建筑、煤礦、電梯、索橋、石油、冶金等諸多領(lǐng)域的工程實(shí)踐中。在軍事應(yīng)用上，某型特種鋼索與普通鋼絲繩的材料、結(jié)構(gòu)和工作狀況均不相同，具有很強(qiáng)的韌性和抗疲勞性能，工作時承受巨大的沖擊，保證在有限距離內(nèi)對飛機(jī)進(jìn)行攔停[1]。在過去的幾年里，國外發(fā)生了多起特種鋼索安全事故，其中大部分事故是由鋼索發(fā)生斷裂導(dǎo)致的。例如，在2003年，美國“華盛頓”號從波斯灣返航途中，一架飛機(jī)在降落時因鋼索斷裂，飛機(jī)沖入海中，飛行員緊急彈射跳傘逃生，但由于巨大的拉斷彈應(yīng)力作用，斷裂為兩段的鋼索在來回掃動，導(dǎo)致甲板上十余名人員受傷。

斷絲是特種鋼索損傷一種常見形式，容易發(fā)生在飛機(jī)尾鉤撞擊鋼索處和兩端與接頭連接位置，主要類型是過載斷絲、磨損斷絲和疲勞斷絲，并且在惡劣的工作環(huán)境下一旦出現(xiàn)就會迅速惡化，甚至發(fā)生鋼索瞬間斷裂的事故，因此鋼索斷絲定位和定量檢測的準(zhǔn)確性尤其重要。目前用于鋼絲繩的檢測有漏磁檢測[2～3]、渦流檢測[4]、聲發(fā)射技術(shù)[5]、超聲導(dǎo)波檢測[6]和射線檢測[7]等多種方法，但最方便和可靠的是漏磁檢測。相較于其他檢測方法，漏磁檢測的優(yōu)點(diǎn)在于檢測速度快，精度高，不受表面污垢的影響，易于實(shí)現(xiàn)自動化。

本文對不同深度和斷口寬度的斷絲缺陷的漏磁場進(jìn)行了有限元仿真分析，研究了特種鋼索斷絲漏磁信號的分布規(guī)律；搭建實(shí)驗(yàn)平臺，在完整的特種鋼索上加工模擬斷絲缺陷，采用永磁鐵軸向勵磁，使用電感線圈傳感器采集不同斷絲根數(shù)和不同斷口寬度的漏磁信號，通過控制變量法針對斷絲的幾何尺寸對鋼索漏磁檢測信號的影響進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 漏磁檢測原理

特種鋼索材料具有高磁導(dǎo)率，檢測時鋼索被外部磁場磁化至接近飽和，當(dāng)表面無損傷時磁力線全部從材料內(nèi)部通過，而當(dāng)出現(xiàn)斷絲、腐蝕、磨損等損傷時，缺陷部位的磁阻將增大，磁通減小，一部分磁力線就會從內(nèi)部折射進(jìn)入空氣介質(zhì)中，導(dǎo)致鋼索內(nèi)部磁力線密度變稀疏，在出現(xiàn)缺陷部位就會形成漏磁場，可以用磁敏元件對缺陷處漏磁場進(jìn)行檢測，采集有效電壓信號供檢測人員進(jìn)行分析[8]。鋼索缺陷漏磁檢測的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 漏磁檢測原理圖

目前，漏磁場的理論計(jì)算方法主要包括解析法和數(shù)值法。解析法采用的是磁偶極子模型。磁偶極子由兩個等值異號的點(diǎn)磁荷構(gòu)成，而兩個點(diǎn)磁荷作用產(chǎn)生的磁場就類似于缺陷的漏磁場[9]。但解析法僅適用于特殊情況的缺陷求解，因此常采用數(shù)值法中的有限元法進(jìn)行近似求解。數(shù)值有限元法分析問題主要是在相應(yīng)的邊界條件下利用麥克斯韋方程組的求解問題[10～11]，其微分形式為

式中，H為磁場強(qiáng)度矢量；B為磁通密度矢量；J為等效電流密度；μ為材料的磁導(dǎo)率；?為哈密算子。

3 鋼索漏磁場有限元仿真

3.1 模型建立

鋼索漏磁檢測的磁化方式有直流磁化、交流磁化、復(fù)合磁化、永磁磁化和周向積分磁化。相比其他磁化方式，永磁磁化具有磁能積高、體積小、無需電源、檢測方便的優(yōu)點(diǎn)，且在滿足飽和磁化鋼索的條件下，可以根據(jù)檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)需要靈活調(diào)整永磁鐵的體積，因此使用永磁鐵磁化是目前最常用的勵磁方式[12]。本文檢測模型采用的是永磁磁化，兩端放置軸向磁化的永磁鐵，中間使用銜鐵連接，構(gòu)成由永磁鐵、銜鐵、空氣隙、鋼索組成的閉合磁回路。鋼索直徑設(shè)為40mm，長200mm，永磁鐵的磁化強(qiáng)度設(shè)為0.5T（特斯拉），提離高度設(shè)為3mm。

為研究斷絲的斷口寬度和深度對漏磁場垂直分量的影響，在鋼索模型距離左端面x=60mm處起設(shè)置缺陷，研究斷絲深度影響的模型依次設(shè)置軸向?qū)挾葹?mm、深度H=0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0mm的10個缺陷，如圖2（a）所示；研究斷口寬度影響的模型依次設(shè)置深度為3 mm、軸向?qū)?度 W=0.4、0.8、1.2、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、3.6、4.0mm的10個缺陷，如圖2（b）所示。

圖2 鋼索斷絲缺陷仿真模型

3.2 材料屬性與網(wǎng)格劃分

永磁鐵材料選擇釹鐵硼（NdFeB），具有較高的磁能積和矯頑力，設(shè)置磁化方向?yàn)檩S向磁化，與銜鐵軸向相接，有利于減小磁化裝置結(jié)構(gòu)的直徑尺寸。銜鐵的外徑永磁鐵相同，材料為坡莫合金，相對磁導(dǎo)率設(shè)為7000。

網(wǎng)格劃分是有限元分析中重要的一步，網(wǎng)格數(shù)目的多少會影響計(jì)算結(jié)果的精度和數(shù)據(jù)規(guī)模的大小?？紤]仿真斷絲模型最小深度及寬度為0.4mm，因此設(shè)置網(wǎng)格最小單元為0.1mm，最大單元為16mm。

3.3 漏磁場動態(tài)仿真

設(shè)定鋼索沿在z軸正方向軸向運(yùn)動，以步進(jìn)0.1mm從（0，0，60）運(yùn)動到（0，0，140），計(jì)算與軸線平行距離缺陷中心1mm處磁通密度模數(shù)值，并對漏磁信號圖進(jìn)行平滑處理得到結(jié)果如圖3（a）和圖4（a）所示。提取仿真漏磁信號波峰和波谷的數(shù)值，作差計(jì)算分別得到兩個模型各個缺陷的峰峰值，并作擬合曲線得到結(jié)果如圖3（b）和圖4（b）所示。

圖3 漏磁信號與斷口寬度的關(guān)系

圖4 漏磁信號與斷絲深度的關(guān)系

由圖3可知，缺陷深度不變，隨著斷口寬度的增大，漏磁場強(qiáng)度減弱，漏磁信號的軸向分量峰峰值逐漸減小，且變化率也在減小。當(dāng)缺陷寬度大于深度3mm時，波峰與波谷的差值受寬度影響不大，其值變化較為平緩。波谷的磁通密度模隨斷絲寬度增加先迅速減小，到寬度比深度大時基本穩(wěn)定在較小的變化范圍。

由圖6可知，斷絲寬度不變，隨著其深度的增大，漏磁場強(qiáng)度增強(qiáng)，漏磁信號的軸向分量峰峰值逐漸增大，并趨于線性變化，且同個缺陷的波峰與波谷的差值也逐漸增大。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證仿真結(jié)果，搭建漏磁檢測實(shí)驗(yàn)平臺，采用控制變量法，在一根完整的特種鋼索上人工制作不同斷口寬度和斷絲數(shù)量的缺陷，并使用線圈傳感器檢測漏磁信號進(jìn)行對比驗(yàn)證。

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

取一段長度約5m的特種鋼索，采用控制變量法，每隔30mm制作一處缺陷，其中前三處依次分別是單根斷絲、兩根斷絲和三根斷絲，斷口寬度為1mm；第4～6處依次分別是單根斷絲、兩根斷絲和三根斷絲，斷口寬度為2mm；第7～9處依次分別是單根斷絲、兩根斷絲和三根斷絲，斷口寬度為3mm。實(shí)際加工三種寬2mm的斷絲缺陷如圖5所示。利用永磁鐵將鋼索磁化至接近飽和，磁化方向?yàn)檩S向磁化，使用電感線圈傳感器采集漏磁信號，檢測傳感器的提離高度為1mm，經(jīng)過A/D信號轉(zhuǎn)換處理，由計(jì)算機(jī)分析并存儲數(shù)據(jù)，在上位機(jī)顯示檢測結(jié)果。

圖5 三處寬2mm斷絲加工圖

4.2 結(jié)果分析

由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果受檢測靈敏度和鋼索抖動導(dǎo)致提離高度輕微變化的影響較大，容易產(chǎn)生誤差，需要控制相同的檢測速率進(jìn)行大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，比較篩選得出具有可重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。因此，經(jīng)過200次對鋼索進(jìn)行漏磁檢測試驗(yàn)，得到具有可重復(fù)性的結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋼索缺陷漏磁檢測信號圖

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，單根斷絲的檢測電壓最大值分別是3362mV、3233mV、3048mV，兩根斷絲的檢測電壓最大值分別是3565mV、3445mV、3347mV，三根斷絲的檢測電壓最大值分別是3673mV、3557mV、3420mV。具體斷絲缺陷的漏磁檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 斷絲缺陷漏磁檢測電壓數(shù)據(jù)

由表1可以看出，當(dāng)斷口寬度相同時，隨著斷絲深度的增加，檢測電壓最大值和峰峰值逐漸增大且成一定正比關(guān)系；當(dāng)斷絲根數(shù)相同時，隨著斷口寬度的增大，檢測電壓最大值和峰峰值逐漸減小，但變化比較平緩，與仿真結(jié)果相吻合。

5 結(jié)語

仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用軸向磁場強(qiáng)度為0.5T、提離高度為3mm的永磁鐵可以有效磁化特種鋼索至接近飽和，使其產(chǎn)生明顯變化的漏磁場；特種鋼索雖然由特殊材料制成，且結(jié)構(gòu)特殊，但在表面缺陷漏磁場分布上與普通鋼絲繩有著相似的變化規(guī)律；當(dāng)鋼索發(fā)生斷絲后，漏磁檢測電壓信號幅值隨斷絲深度的增加而增大，在一定范圍內(nèi)隨斷口寬度的增大而減小，當(dāng)寬度大于深度時，漏磁通波峰與波谷的差值變化極其微弱，檢測信號幅值變化趨于平緩。通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究，得到漏磁通變化的精確解，對特種鋼索的漏磁定量檢測的設(shè)備研發(fā)與提高測量精度具有重要的意義。