基于多線圈周向磁化的礦用鋼絲繩斷絲檢測磁場仿真研究

任明月 孟國營 賈一凡

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

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基于多線圈周向磁化的礦用鋼絲繩斷絲檢測磁場仿真研究

任明月 孟國營 賈一凡

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

針對在礦用鋼絲繩損傷檢測采用的永磁勵磁方式存在的永磁體退磁以及磁場不穩(wěn)定等問題，提出了礦用鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，介紹了礦用鋼絲繩在使用過程中可能出現(xiàn)的損傷形式，闡述了鋼絲繩漏磁檢測的基本原理，設(shè)計了基于多線圈周向磁化的礦用鋼絲繩損傷檢測勵磁裝置，并利用Ansoft Maxwell軟件建模仿真分析了勵磁裝置的勵磁效果。

礦用鋼絲繩 勵磁裝置 損傷檢測 有限元分析

礦用鋼絲繩是礦井提升系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在長期使用過程中會產(chǎn)生各種類型的缺陷或損傷，其缺陷主要包括斷絲、腐蝕、變形和磨損等，這些缺陷如果不能及時處理，進(jìn)一步發(fā)展將導(dǎo)致事故的發(fā)生，因此開展礦用鋼絲繩損傷檢測的理論與技術(shù)研究勢在必行。

漏磁檢測法是目前公認(rèn)的簡單、實(shí)用、可靠的礦用鋼絲繩檢測方法，由于磁化是實(shí)現(xiàn)檢測的第一步，因此設(shè)計一種適合煤礦生產(chǎn)實(shí)際需要的礦用鋼絲繩損傷檢測勵磁裝置至關(guān)重要，而設(shè)計勵磁裝置的前提是要對礦用鋼絲繩斷絲檢測磁場仿真進(jìn)行研究。本文將針對礦用鋼絲繩常見的斷絲故障，采用人為添加損傷來進(jìn)行故障模擬的方法進(jìn)行研究。

1 礦用鋼絲繩典型故障類型分析

由于礦井提升系統(tǒng)長期處于高負(fù)荷的工作運(yùn)轉(zhuǎn)中，同時礦用鋼絲繩還會受到載荷突然變化、井下潮濕、腐蝕等復(fù)雜環(huán)境的影響，礦用鋼絲繩會出現(xiàn)以下幾種缺陷或損傷：

(1)斷絲。礦用鋼絲繩斷絲主要是由于過載、彎曲疲勞、接觸疲勞、磨損、銹蝕、剪切、扭結(jié)等多種因素引起。當(dāng)?shù)V用鋼絲繩在過載條件下時，實(shí)際應(yīng)力超過了自身的許用應(yīng)力而產(chǎn)生斷絲。礦用鋼絲繩在運(yùn)行過程中會與滑輪或卷筒進(jìn)行摩擦，容易產(chǎn)生磨損，再加上彎曲疲勞極易形成斷絲。

(2)磨損。磨損也是礦用鋼絲繩缺陷的一種常見形式，礦用鋼絲繩的直徑變小和磨損有著緊密的關(guān)系。繩徑的變小分為磨損變小和正常變小兩大類。礦用鋼絲繩在使用的初期，直徑變小的速度較快，這是由于礦用鋼絲繩捻制結(jié)構(gòu)拉伸引起，屬于正常變?。辉诤笃谑褂眠^程中，由于礦用鋼絲繩磨損而使得直徑變小稱為磨損變小，從而導(dǎo)致礦用鋼絲繩的應(yīng)力強(qiáng)度變小。

(3)銹蝕。由于礦用鋼絲繩使用環(huán)境惡劣，礦用鋼絲繩表面會受到化學(xué)物質(zhì)或電化學(xué)的作用而產(chǎn)生銹蝕和腐蝕的現(xiàn)象。由于礦用鋼絲繩的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使得內(nèi)部的銹蝕情況難以檢測和評估，而在實(shí)際的應(yīng)用過程中，礦用鋼絲繩銹蝕對其力學(xué)性能的影響要遠(yuǎn)大于斷絲和磨損的影響。

(4)變形。礦用鋼絲繩失去正常形狀而產(chǎn)生可見的畸形稱為變形，礦用鋼絲繩的變形會影響其內(nèi)部的應(yīng)力分布，影響礦用鋼絲繩的使用壽命。在工作的過程中，對礦用鋼絲繩施加過渡載荷會產(chǎn)生變形，其中碰撞引起的較嚴(yán)重的變形被稱作“鳥籠”現(xiàn)象。

2 礦用鋼絲繩漏磁檢測的基本原理

漏磁檢測法是一種通過檢測礦用鋼絲繩表面磁場變化從而發(fā)現(xiàn)缺陷的方法，漏磁檢測原理示意圖如圖1所示。

由圖1可以看出，勵磁裝置對礦用鋼絲繩進(jìn)行軸向局部勵磁到飽和狀態(tài)，當(dāng)?shù)V用鋼絲繩沒有缺陷時，磁力線被約束在礦用鋼絲繩中，且磁通平行于礦用鋼絲繩表面，絕大部分磁通將從礦用鋼絲繩內(nèi)部通過，而極少的磁力線會擴(kuò)散到空氣中，礦用鋼絲繩內(nèi)部的磁通量保持不變；當(dāng)出現(xiàn)缺陷時，缺陷處的磁導(dǎo)率明顯降低，此處的磁阻會增大，在磁導(dǎo)率不相等的兩個介質(zhì)上，磁力線必然發(fā)生改變，該變化與光的折射原理一樣，磁力線傳播就會發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)。由于礦用鋼絲繩被勵磁到飽和，缺陷處的磁力線就會從礦用鋼絲繩表面穿出，有些磁通會直接通過缺陷處，部分磁通泄露到礦用鋼絲繩表面上空，通過空氣繞過缺陷重新進(jìn)入礦用鋼絲繩內(nèi)部，形成了漏磁場。使用磁敏器件檢測漏磁通，根據(jù)漏磁通的變化分析出缺陷的位置和幾何參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對缺陷的定位及定量檢測。

圖1 漏磁檢測原理示意圖

根據(jù)勵磁源的不同，漏磁檢測分為永磁漏磁檢測、交流漏磁檢測和直流漏磁檢測。目前多數(shù)使用的漏磁檢測裝置大都采用永磁鐵作為勵磁源，但是永磁勵磁方式會出現(xiàn)勵磁靈活性較差、永磁體退磁以及磁場不穩(wěn)定等問題，因此，本文采用基于勵磁線圈的直流漏磁檢測法，該方法是利用電源給定直流產(chǎn)生的外加磁場使鐵磁性材料被磁化至飽和狀態(tài)，當(dāng)被檢測元件存在損傷時，損傷處會產(chǎn)生漏磁場，通過測量漏磁場的變化來反應(yīng)被測元件的損傷情況。

3 礦用鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)的組成

礦用鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)包括檢測裝置部分、數(shù)據(jù)采集部分以及上位機(jī)與系統(tǒng)軟件部分，該礦用鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

(1)檢測裝置部分包括勵磁裝置、漏磁探測裝置以及位移測量裝置。勵磁裝置主要功能是根據(jù)礦用鋼絲繩環(huán)境和運(yùn)行特點(diǎn)，完成礦用鋼絲繩的飽和磁化；漏磁探測裝置主要功能是合理設(shè)置傳感器的布置方式，完成采集特定空間位置的損傷信號；位移測量裝置主要功能是找到合適的位移參考測量點(diǎn)，測定礦用鋼絲繩相對傳感器的移動速度和距離。

(2)數(shù)據(jù)采集部分主要功能為由數(shù)據(jù)采集卡采集漏磁探測裝置和位移測量裝置的實(shí)時數(shù)據(jù)。

(3)上位機(jī)與系統(tǒng)軟件部分主要功能為對采樣信號進(jìn)行分析和處理，并存儲數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果。

圖2 礦用鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 基于有限元分析的勵磁裝置磁場仿真研究

磁化是實(shí)現(xiàn)礦用鋼絲繩損傷檢測的第一步，所以對礦用鋼絲繩損傷檢測勵磁裝置磁場仿真進(jìn)行研究，用三維建模軟件建立的礦用鋼絲繩三維模型如圖3所示。

圖3 礦用鋼絲繩三維模型

本文采用Ansoft Maxwell軟件進(jìn)行礦用鋼絲繩檢測磁場仿真，由于采用實(shí)際礦用鋼絲繩模型進(jìn)行磁場仿真具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、計算量過大以及效率較低等問題，為了簡化分析，提高有限元計算的速度和效率，本文用一根實(shí)心圓柱體代替礦用鋼絲繩進(jìn)行有限元仿真，從而確定合理的勵磁裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

通過對礦用鋼絲繩周向布置多個線圈的磁場仿真分析，安匝數(shù)為2000時，2個勵磁線圈沒有把礦用鋼絲繩磁化至飽和，磁化礦用鋼絲繩的效果較差；3個以上勵磁線圈能夠把礦用鋼絲繩磁化至飽和，磁化礦用鋼絲繩的效果大致相同。但是考慮到勵磁裝置的結(jié)構(gòu)布局，盡量選擇線圈個數(shù)為偶數(shù)個，所以本文選擇礦用鋼絲繩周向布置4個勵磁線圈。本文所設(shè)計的勵磁裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，勵磁裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖4 勵磁裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 勵磁裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 礦用鋼絲繩無缺陷時的磁場仿真

首先線圈磁化礦用鋼絲繩達(dá)到飽和狀態(tài)，只有被磁化飽和的礦用鋼絲繩才會有充足的漏磁場能夠被磁敏元件檢測到。查閱資料可知，礦用鋼絲繩的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2 T。

通過仿真試驗(yàn)，安匝數(shù)為2000時，該模型的被測礦用鋼絲繩剛好達(dá)到磁飽和狀態(tài)。礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線如圖6所示，礦用鋼絲繩無缺陷磁通密度云圖如圖7所示。

圖6 礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線

由圖6和圖7可以看出，礦用鋼絲繩磁化均勻，且安匝數(shù)較小，現(xiàn)場應(yīng)用較易實(shí)現(xiàn)。

圖7 礦用鋼絲繩無缺陷磁通密度云圖

4.2 礦用鋼絲繩有缺陷時的磁場仿真

固定礦用鋼絲繩缺陷表面角為90°，安匝數(shù)為2000時，對不同缺陷深度(10 mm、12 mm、14 mm)的礦用鋼絲繩進(jìn)行磁場仿真研究。當(dāng)缺陷深度為10 mm時，礦用鋼絲繩磁通密度云圖如圖8所示，礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線如圖9所示。

圖8 礦用鋼絲繩磁通密度云圖

圖9 礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線

當(dāng)缺陷深度為12 mm時，礦用鋼絲繩磁通密度云圖如圖10所示，礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線如圖11所示。

圖10 礦用鋼絲繩磁通密度云圖

圖11 礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線

當(dāng)缺陷深度為14 mm時，礦用鋼絲繩磁通密度云圖如圖12所示，礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線如圖13所示。

圖12 礦用鋼絲繩磁通密度云圖

圖13 礦用鋼絲繩軸線方向磁通密度曲線

不同缺陷深度的礦用鋼絲繩軸向漏磁信號如圖14所示。

圖14 不同缺陷深度的礦用鋼絲繩軸向漏磁信號

通過以上添加礦用鋼絲繩不同缺陷時磁場仿真可以看出，礦用鋼絲繩缺陷處漏磁明顯，可以被磁敏元件檢測得到漏磁信號，且缺陷深度越大，檢測到的磁感應(yīng)強(qiáng)度越強(qiáng)。因此，該方法適用于礦用鋼絲繩損傷檢測。

5 結(jié)語

本文提出基于漏磁檢測法的礦用鋼絲繩損傷檢測系統(tǒng)整體設(shè)計方案，同時為了解決永磁體作為勵磁源存在的問題設(shè)計了基于周向勵磁線圈的礦用鋼絲繩損傷檢測勵磁裝置，并利用Ansoft Maxwell軟件建模仿真，采用人為添加故障的方法分析該結(jié)構(gòu)在無缺陷和有缺陷下的勵磁效果，結(jié)果顯示該方法可以有效實(shí)現(xiàn)勵磁。通過設(shè)計實(shí)驗(yàn)，加工了斷絲個數(shù)不同的礦用鋼絲繩作為測試試件，檢測結(jié)果與仿真結(jié)果趨勢基本吻合，證實(shí)該方法的有效性，具有較好的應(yīng)用前景。

參考資料：

[1] 楊公訓(xùn)，戴鴻儀，閆鳳蘭等.提升機(jī)礦用鋼絲繩張力在線檢測系統(tǒng)[J]. 中國煤炭，1995(6)

[2] 王紅堯.煤礦提升礦用鋼絲繩在線檢測關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國礦業(yè)大學(xué)，2009

[3] 陳炳耀，張東升.霍爾傳感器在提升礦用鋼絲繩檢測探傷中的應(yīng)用[J].中國煤炭，2005(12)

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[5] 溫麗娟，李麗，于鵬.無損檢測技術(shù)在煤礦提升機(jī)牽引礦用鋼絲繩檢測中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2013(9)

(責(zé)任編輯 路 強(qiáng))

Magnetic field simulation research on broken wire detection of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils

Ren Mingyue， Meng Guoying， Jia Yifan

(School of Mechanical Electronic & Information Engineering, China University of Mining & Technology, Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)

At present, the permanent magnet excitation mode was used in the damage detection of the wire rope, and the permanent magnet demagnetization and the instability of the magnetic field were the main problems. In order to solve these problems, the overall design scheme of wire rope damage detection system was proposed, the possible damage forms of mine wire rope during application were introduced, the fundamental of magnetic flux leakage testing was elaborated, damage detecting excitation device of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils was designed, and excitation effects of excitation device were analyzed by using Ansoft Maxwell software modeling and simulation.

mine wire rope, excitation device, damage detecting, finite element analysis

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃“煤礦深井建設(shè)與提升基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)”(2016YFC0600900)，國家自然科學(xué)基金資助項目(U1361127)

任明月，孟國營，賈一凡.基于多線圈周向磁化的礦用鋼絲繩斷絲檢測磁場仿真研究[J].中國煤炭，2017，43(7)：103-107. Ren Mingyue, Meng Guoying, Jia Yifan.Magnetic field simulation research on broken wire detection of mine wire rope based on circumferential magnetization of multiple coils[J].China Coal，2017，43(7)：103-107.

TD526

A

任明月(1992-)，女，山東濟(jì)寧人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y試計量技術(shù)及儀器。