鋼絲繩開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器探靴槽的仿真優(yōu)化

賈博涵，張來(lái)明，姜宵園，孫燕華

(1.謝菲爾德大學(xué) 機(jī)械系，謝菲爾德 S1 3JD；2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029；3.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

鋼絲繩是應(yīng)用非常廣泛的鐵磁性構(gòu)件，在輸電線(xiàn)路施工、船舶航行、礦山建設(shè)運(yùn)營(yíng)中均有不可替代的作用。鋼絲繩編織性質(zhì)特殊，在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生斷絲、斷股和其他內(nèi)外傷，給設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)安全隱患[1]。因此，如何高效地對(duì)鋼絲繩進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，是亟待解決的問(wèn)題。在鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)的發(fā)展史上有許多方法相繼被提出[2]，事實(shí)證明漏磁無(wú)損檢測(cè)是鋼絲繩迄今為止唯一有效的探傷方法，并廣泛應(yīng)用于各類(lèi)鋼絲繩的無(wú)損檢測(cè)中。大量學(xué)者對(duì)鋼絲繩漏磁檢測(cè)原理與技術(shù)進(jìn)行深入研究[3-9], 大多采用傳統(tǒng)磁軛式永磁磁化回路磁化待檢測(cè)鋼絲繩，質(zhì)量慣性及磁吸力大。為了減小鋼絲繩檢測(cè)儀器質(zhì)量，減小磁作用力并充分均勻磁化鋼絲繩，孫燕華等[10]提出了對(duì)開(kāi)式開(kāi)環(huán)永磁磁化法，在進(jìn)行精準(zhǔn)、快速地鋼絲繩無(wú)損檢測(cè)基礎(chǔ)上，解決了傳統(tǒng)漏磁檢測(cè)儀器安裝困難的問(wèn)題。

通常，開(kāi)環(huán)式永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器的組成結(jié)構(gòu)為磁化器及附著在磁化器上的探靴。探靴內(nèi)腔(或內(nèi)徑)越大，即探靴與被檢測(cè)鋼絲繩的距離越大，越能避免鋼絲繩在高速運(yùn)行時(shí)的擺動(dòng)及接觸等行為給探靴內(nèi)腔帶來(lái)的破壞。同時(shí)由于鋼絲繩檢測(cè)的特殊性，當(dāng)被檢測(cè)鋼絲繩直徑確定時(shí)，磁化器內(nèi)徑也隨之確定，所以無(wú)法通過(guò)調(diào)整磁化器內(nèi)徑來(lái)避免破壞。因?yàn)榇呕鞔嬖谝欢ǖ暮穸龋詾榱吮M量避免鋼絲繩和探靴之間的距離過(guò)小，在磁化器內(nèi)加工形成探靴槽，使得探靴一部分嵌入其中。這樣便可以調(diào)整探靴與鋼絲繩之間的距離，從而避免鋼絲繩對(duì)于探靴的損壞。由于探靴槽的大小影響到磁化場(chǎng)的空間路徑，最終會(huì)對(duì)磁化效果及缺陷的漏磁場(chǎng)大小產(chǎn)生影響，所以，筆者開(kāi)展了開(kāi)環(huán)式永磁磁化鋼絲繩漏磁檢測(cè)傳感器探靴槽的仿真優(yōu)化，以期為鋼絲繩缺陷的漏磁檢測(cè)提供一些參考。

1 開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)原理及磁化器結(jié)構(gòu)

進(jìn)行開(kāi)環(huán)永磁磁化的鋼絲繩漏磁檢測(cè)時(shí)，開(kāi)環(huán)永磁體在兩端產(chǎn)生磁場(chǎng)，銜鐵處在兩端永磁鐵之間，被永磁鐵磁化并產(chǎn)生磁場(chǎng)；在鋼絲繩移動(dòng)的過(guò)程中，探靴檢測(cè)鋼絲繩經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)時(shí)所產(chǎn)生的磁力線(xiàn)，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)發(fā)送給處理中心；若探靴捕捉到異常磁力線(xiàn)并產(chǎn)生異常電信號(hào)，則代表鋼絲繩有損傷。

帶探靴槽的鋼絲繩開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)原理如圖1所示。圖1中，利用兩個(gè)長(zhǎng)方形來(lái)代表兩根鋼絲繩的二維投影，一根無(wú)缺陷，一根有缺陷。測(cè)試時(shí)，永磁體會(huì)將待測(cè)鋼絲繩磁化。當(dāng)鋼絲繩無(wú)損傷且質(zhì)地均勻時(shí)，磁力線(xiàn)全部在鋼絲繩、永磁體和銜鐵構(gòu)成的磁回路中通過(guò)。當(dāng)鋼絲繩有缺陷且鋼絲繩近乎飽和磁化時(shí)，雖然磁力線(xiàn)大部分仍然在磁回路中通過(guò)，但是了少量的磁力線(xiàn)發(fā)生了變形，在周?chē)諝庵行纬陕┐艌?chǎng)。當(dāng)探靴通過(guò)無(wú)缺陷鋼絲繩時(shí)，由于沒(méi)有磁通的變化，輸出電壓不變。當(dāng)輸出電壓通過(guò)有缺陷的鋼絲繩時(shí)，電壓會(huì)發(fā)生變化，可以通過(guò)分析電壓的變化與漏磁信號(hào)來(lái)正確地評(píng)估缺陷。

圖1 帶探靴槽的鋼絲繩開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)原理示意

筆者在原有開(kāi)環(huán)永磁磁化器中的銜鐵內(nèi)腔設(shè)計(jì)增加刻槽，即探靴槽，帶探靴槽的開(kāi)環(huán)漏磁檢測(cè)磁化器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由永磁鐵、銜鐵、探靴槽等部分組成，在檢測(cè)時(shí)將探靴安置在刻槽內(nèi)以獲得鋼絲繩探傷信號(hào)。該設(shè)計(jì)增大了探頭內(nèi)腔，解決了探靴與鋼絲繩距離過(guò)小的問(wèn)題，避免其與鋼絲繩過(guò)度摩擦發(fā)生損壞。

圖2 帶探靴槽的開(kāi)環(huán)漏磁檢測(cè)磁化器結(jié)構(gòu)示意

2 探靴槽仿真模型建立

因?yàn)樵阢曡F中增加刻槽對(duì)于實(shí)際結(jié)果的影響未知，所以需要對(duì)新型探傷設(shè)備進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。以刻槽的深度或?qū)挾葹樽兞?，以缺陷特征曲線(xiàn)為結(jié)果，通過(guò)ANSYS軟件建立有限元仿真模型，分析刻槽尺寸對(duì)于鋼絲繩漏磁檢測(cè)的影響。

在仿真過(guò)程中，利用鋼絲繩模型表面或內(nèi)部的缺陷來(lái)模擬實(shí)際狀態(tài)下鋼絲繩的損傷。

2.1 模型基本結(jié)構(gòu)與參數(shù)

鋼絲繩開(kāi)環(huán)永磁磁化器探靴槽有限元模型參數(shù)如表1所示，在ANSYS軟件中建立其優(yōu)化仿真模型(見(jiàn)圖3)，鋼絲繩開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器是由一對(duì)C型磁化器(由磁鐵-銜鐵-磁鐵配置組成)對(duì)開(kāi)形成，磁鐵沿軸向磁化，中間銜鐵內(nèi)表面處挖去一塊形成探靴槽，在仿真過(guò)程中分別令其寬度L或深度H變化，磁化器結(jié)構(gòu)如圖4所示，根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定探靴中磁敏元件到鋼絲繩外表面的距離為6.5 mm，即提取高度為6.5 mm路徑上的磁通密度，研究缺陷漏磁場(chǎng)大小隨探靴槽寬度或深度改變的變化規(guī)律。

表1 鋼絲繩開(kāi)環(huán)永磁磁化器探靴槽有限元模型參數(shù)

圖3 帶探靴槽的開(kāi)環(huán)漏磁檢測(cè)磁化器仿真模型

圖4 帶探靴槽的開(kāi)環(huán)漏磁檢測(cè)磁化器結(jié)構(gòu)示意

在令寬度L為變量時(shí)，需選擇一個(gè)初始深度。由于銜鐵的作用是引導(dǎo)磁力線(xiàn)，若深度太大，則銜鐵會(huì)被貫穿，且可能會(huì)影響銜鐵內(nèi)部磁通大小，從而影響檢測(cè)結(jié)果的有效性。因此初始刻槽深度不應(yīng)過(guò)大，暫定為5 mm。

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 以探靴槽寬度為變量時(shí)的仿真結(jié)果

探靴槽寬度在0～30 mm間變化時(shí)，分別提取高度為6.5 mm路徑上的磁通密度軸向分量與徑向分量，不同探靴槽寬度下的缺陷信號(hào)特征變化曲線(xiàn)如圖5所示，并計(jì)算不同探靴槽寬度下缺陷信號(hào)幅值，其結(jié)果如表2所示。

圖5 不同探靴槽寬度下的缺陷信號(hào)特征變化曲線(xiàn)

表2 變量為探靴槽寬度時(shí)缺陷特征信號(hào)幅值

提離高度為6.5 mm時(shí)，缺陷特征信號(hào)隨不同刻槽寬度的變化規(guī)律如圖6所示。探靴槽寬度L在0～30 mm之間變化時(shí)，缺陷信號(hào)軸向特征幅值隨刻槽深度的增大先明顯增加后緩慢減小，L為18 mm時(shí)缺陷信號(hào)軸向特征幅值最大。而缺陷信號(hào)徑向特征幅值隨刻槽深度的增大先增加后明顯減小，L為10 mm時(shí)缺陷信號(hào)徑向特征幅值最大。綜合考慮，可以在10～18 mm間選擇合適的值為探靴槽寬度尺寸。

圖6 提離距離6.5 mm處缺陷特征信號(hào)隨不同探靴槽寬度的變化規(guī)律

2.2.2 以探靴槽深度為變量時(shí)的仿真結(jié)果根據(jù)2.2.1節(jié)中探靴槽寬度變化時(shí)的仿真結(jié)果，考慮實(shí)際中探靴安裝，選擇探靴槽寬度為18 mm，研究不同探靴槽深度下缺陷特征信號(hào)變化規(guī)律，其缺陷特征變化曲線(xiàn)如圖7所示，同樣地，計(jì)算不同探靴槽深度下的缺陷特征信號(hào)幅值，研究缺陷特征信號(hào)幅值隨探靴槽深度的變化趨勢(shì)。

圖7 不同探靴槽深度下的缺陷信號(hào)特征變化曲線(xiàn)

表3 變量為探靴槽深度時(shí)缺陷特征信號(hào)幅值

缺陷特征信號(hào)隨不同刻槽深度的變化規(guī)律如圖8所示，可見(jiàn)，刻槽深度為12.5 mm時(shí)，缺陷特征曲線(xiàn)的幅值及最值明顯降低，認(rèn)為此數(shù)據(jù)為無(wú)效數(shù)據(jù)，因此分析應(yīng)在探靴槽深度為0～10 mm時(shí)進(jìn)行，當(dāng)探靴槽，深度在2.5～10 mm之間時(shí)，缺陷信號(hào)軸向與徑向特征幅值變化幅度不大，缺陷軸向特征信號(hào)和徑向特征信號(hào)都隨探靴槽深度的增大先增加后減小，當(dāng)探靴槽深度為7.5 mm時(shí)缺陷軸向特征信號(hào)幅值達(dá)到最大，而缺陷徑向特征信號(hào)幅值在探靴深度為5 mm時(shí)最大。

圖8 6.5 mm提離處缺陷特征信號(hào)隨不同探靴槽深度的變化規(guī)律

綜合以上仿真結(jié)果，選擇探靴槽寬度為18 mm，深度為7.5 mm，以提高鋼絲繩開(kāi)環(huán)式磁化器檢測(cè)精準(zhǔn)度。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖2中帶探靴槽的開(kāi)環(huán)漏磁檢測(cè)磁化器結(jié)構(gòu)模型及探靴槽仿真優(yōu)化尺寸，加工制作出鋼絲繩開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)探頭(探靴槽寬度為18 mm,深度為7.5 mm)。被測(cè)鋼絲繩經(jīng)漏磁探頭磁化激發(fā)出磁場(chǎng)，檢測(cè)掃查時(shí)由探靴中磁敏元件捕獲出鋼絲繩損傷信號(hào)，經(jīng)電路傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)波形顯示。

測(cè)試用鋼絲繩的三種損傷類(lèi)型如圖9所示，分別為多根斷絲外傷、單根斷絲外傷、單根斷絲內(nèi)傷。多根斷絲外傷尺寸大易檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)幅值大；相比之下，單根斷絲外傷信號(hào)幅值較??；單根斷絲內(nèi)傷檢測(cè)信號(hào)容易湮沒(méi)在繩股信號(hào)等噪聲信號(hào)中，檢測(cè)信噪比低甚至檢測(cè)不出。三種類(lèi)型鋼絲繩損傷的開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)效果如圖10所示。

圖9 測(cè)試用鋼絲繩的三種損傷類(lèi)型

圖10 三種類(lèi)型鋼絲繩損傷的開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)效果

經(jīng)帶探靴槽的開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器掃查，三種類(lèi)型的鋼絲繩缺陷均被檢出，測(cè)試結(jié)果表明該探頭具有優(yōu)異的測(cè)試性能。

4 結(jié)論

針對(duì)鋼絲繩傳統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備探靴內(nèi)腔小、磨損大等問(wèn)題，提出帶有探靴槽的開(kāi)環(huán)永磁磁化漏磁檢測(cè)傳感器，進(jìn)行了檢測(cè)傳感器探靴槽的仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果表明缺陷特征信號(hào)幅值隨著探靴槽寬度/深度的改變呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)探靴槽深度為7.5 mm，寬度為18 mm時(shí)，輸出結(jié)果較為理想，可適應(yīng)鋼絲繩復(fù)雜的檢測(cè)工況，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。