基于3D Maxwell的鋼絲繩漏磁檢測仿真研究

田 劼，趙彩躍

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

鋼絲繩作為工程承載的關(guān)鍵構(gòu)件，廣泛應(yīng)用于礦山、石油、電梯、索道、冶金、建筑、旅游、交通運(yùn)輸、港口碼頭、石油鉆探、軍事工業(yè)等諸多領(lǐng)域，這得益于其重量輕、韌性好、抗拉強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度高、工作狀況穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。它的負(fù)載能力很強(qiáng)，即使是在高速條件下運(yùn)作，也不會產(chǎn)生大的噪聲。然而，作為必要的承載構(gòu)件，鋼絲繩在工業(yè)應(yīng)用中，不可避免會產(chǎn)生銹蝕、疲勞、斷絲、磨損甚至驟斷等現(xiàn)象[1-3]。

為了延長鋼絲繩運(yùn)行壽命，并保證生產(chǎn)的安全和穩(wěn)定[4]，科研人員從鋼絲繩材料的工藝入手，改進(jìn)生產(chǎn)工藝，進(jìn)而提高了鋼絲繩的各項(xiàng)性能。國家和使用鋼絲繩的企業(yè)制定了一些鋼絲繩日常使用、更換報廢、維護(hù)保養(yǎng)等規(guī)程與細(xì)則。同時加強(qiáng)在用鋼絲繩的監(jiān)測手段，及時消除安全隱患。對使用過程中的鋼絲繩做相關(guān)的測試和性能評估是必然的社會與生產(chǎn)需求。尤其是針對鋼絲繩狀態(tài)檢測方法、技術(shù)和儀器的相關(guān)研究顯得更為重要。

鋼絲繩損傷檢測最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)鋼絲繩安全使用的同時，又要避免因過早報廢鋼絲繩而導(dǎo)致的浪費(fèi)。定期更換鋼絲繩不僅造成財產(chǎn)資源巨大浪費(fèi)，并且不能完全消除鋼絲繩在役過程中發(fā)生突然斷裂的事故。

目前現(xiàn)存的鋼絲繩檢測方法有：固體聲測法、光學(xué)法、聲學(xué)檢測法、電磁檢測法、X-射線法、磁致伸縮法、電渦流法、電流法和振動法。電磁檢測法是目前常用的鋼絲繩檢測方法。包括漏磁檢測法[5-7]、磁橋路法[8，9]、多回路勵磁檢測法[10]、主磁通法等。其中漏磁檢測法是最常用的檢測方法，即通過測量缺陷時鋼絲繩周圍的漏磁場來判斷損傷程度[11，12]。

針對第一代采用多回路探傷的鋼絲繩探傷儀[10]檢測磁場信號不明顯問題，本文采用漏磁檢測法作Maxwell仿真，為第二代探傷儀做深入的探索。

為了仿真探傷儀內(nèi)部原理，即霍爾元件檢測鋼絲繩漏磁，需要確定多個參數(shù)：磁鐵磁場強(qiáng)度、兩端磁鐵距離、提離值，以保證仿真的有效性。本文的目的是驗(yàn)證圓周陣列形式檢測漏磁信號是否可行以及漏磁檢測的動態(tài)仿真兩個方面。

1 模型建立

漏磁檢測的原理如圖1所示，兩端放置磁鐵，用高磁導(dǎo)率的材料做銜鐵，用于連接兩個磁鐵，使其與鋼絲繩之間形成閉合的磁路，當(dāng)鋼絲繩存在斷絲時會產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，用霍爾元件[13]檢測鋼絲繩周圍是否存在漏磁信號，從而判斷斷絲情況。

圖1 鋼絲繩漏磁檢測原理圖

鋼絲繩直徑設(shè)為10mm，沿Y軸方向，磁鐵設(shè)置磁場強(qiáng)度為837000A/m。經(jīng)過建立模型、設(shè)置材料、設(shè)置剖分、設(shè)置求解參數(shù)和繪制場圖，在不設(shè)置損傷情況下的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖2所示。磁場形成閉合回路，其中，鋼絲繩的磁感應(yīng)強(qiáng)度處于近似的飽和狀態(tài)。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

1.1 磁鐵磁場強(qiáng)度設(shè)置

在鋼絲繩檢測探索中，出現(xiàn)了多種磁化方式：直流磁化[14，15]、交流磁化、復(fù)合磁化、永磁磁化[16]、周向積分磁化[17]。永磁磁化具有磁能高、勵磁裝置體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，是目前最常用的勵磁方式。本文依然采用的是永磁磁化，鋼絲繩兩端放置磁鐵，使其與鋼絲繩之間形成閉合的磁回路。

為保證穿過鋼絲繩磁場是飽和磁場，需要探究磁鐵磁場強(qiáng)度。如圖3所示，鋼絲繩內(nèi)磁場處于過飽和狀態(tài)，此時的磁場強(qiáng)度為8370000A/m，經(jīng)場計(jì)算，鋼絲繩內(nèi)部軸向的磁感應(yīng)強(qiáng)度為2.1 Tesla；應(yīng)調(diào)整磁場強(qiáng)度，使其處于適中的范疇。

圖3 過飽和狀態(tài)下磁場分布

設(shè)置磁鐵磁場強(qiáng)度參數(shù)值分布在1×106～10×106A/m之間，在鋼絲繩芯部草繪一條直線，對其磁場強(qiáng)度求解，得到如圖4所示的鋼絲繩芯部磁感應(yīng)強(qiáng)度分布?？芍摻z繩內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度變化明顯，靠近永磁體處的強(qiáng)度最高，居中處強(qiáng)度最低。

圖4 不同磁力作用時鋼絲繩芯部磁感應(yīng)強(qiáng)度

1010鋼材料的相對磁導(dǎo)率曲線如圖5所示，由圖中可以看出鋼的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度約為2T。

圖5 1010鋼的磁導(dǎo)率曲線

由圖4的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線和圖5的磁導(dǎo)率曲線，將磁感應(yīng)強(qiáng)度控制在略高于2T處即可，因此設(shè)置永磁體的磁場強(qiáng)度為在3×106A/m。

1.2 兩端磁鐵距離

為找到最優(yōu)磁鐵距離，對磁鐵距離于80～400mm之間線性求解，每間隔40mm求解一次。此時設(shè)置鋼絲繩斷絲情況，用于判斷漏磁信號是否可用。做鋼絲繩的斷絲深度為3mm，提離值為2mm。得到圖6所示磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，圖6為鋼絲繩上側(cè)2mm處一條平行于鋼絲繩的直線磁感應(yīng)強(qiáng)度分布情況。

圖6 不同磁鐵距離下的漏磁曲線

記錄上圖的數(shù)據(jù)，觀察不同情況下漏磁信號的峰谷差，同磁鐵距離下的漏磁信號見表1。

表1 不同磁鐵距離下的漏磁信號

考慮到漏磁檢測信號的區(qū)分度和霍爾元件的量程為±1600mT，由表1得，選用磁鐵距離為160mm，對波峰與波谷有較高的區(qū)分度，并且在霍爾元件量程范圍內(nèi)。

1.3 確定提離值

為確定合適的提離值，做磁感應(yīng)檢測直線位于鋼絲繩上端，對直線做磁感應(yīng)強(qiáng)度求解，如圖7所示，在相同的漏磁場中，磁感應(yīng)檢測直線到鋼絲繩的距離由1mm遞增到8mm。測得如圖8所示漏磁曲線，其中最大的漏磁曲線為1mm，2mm次之，但由于1mm距離鋼絲繩過近，不便于安放霍爾元件，且漏磁曲線峰值已超過霍爾元件的量程，故提離值應(yīng)為2～3mm。由此圖也可得知，當(dāng)提離值大于5mm時，與未作損傷無異，完全檢測不到損傷信號，因此在做第二代探傷儀時應(yīng)嚴(yán)格控制提離值，霍爾元件距離鋼絲繩很近，做相應(yīng)的對中機(jī)構(gòu)和減震機(jī)構(gòu)是工作的重點(diǎn)。

圖7 不同提離值下的磁場分布

圖8 不同提離值下的漏磁曲線

第一代鋼絲繩探傷儀如圖9所示，在第一代探傷儀中出暴露了提離值不嚴(yán)格的這類問題：①鋼絲繩對中性不好，與探傷儀孔下側(cè)貼合；②提離值過大，檢測不到損傷信號。

圖9 第一代鋼絲繩探傷儀

2 仿真探究

2.1 霍爾陣列探究

在很多文獻(xiàn)中提到霍爾元件圓周陣列的方式得到全方位的漏磁信號處理，但是并沒有做深入探究各個方向漏磁信號本身，本文將探討各方位的漏磁信號。

檢測直線分布如圖10所示，在鋼絲繩周圈分布8根檢測直線(A～H)，對這些直線進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度求解，得到如圖11所示各條檢測直線的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

控制其余變量，改變斷絲深度，分別為1、2、3mm，經(jīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度求解和采集峰值，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度見表2。

圖10 檢測直線分布

圖11 圓周陣列各處磁感應(yīng)強(qiáng)度

表2 圓周陣列磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值 mT

為便于觀察，在excel中生成雷達(dá)圖，如圖12所示，其中斷絲缺口處在頂部，即A處。由此圖可以看出，在斷絲處，周圈漏磁信號峰值相差不大，均可以檢測出漏磁信號，霍爾元件圓周陣列的方式幾乎檢測不到鋼絲繩斷絲所處的相位。

圖12 圓周陣列磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值分布

同時由圖11也可以看出，在中間處各陣列方位的磁感應(yīng)強(qiáng)度相差不大，但是仿真時永磁體是放置在鋼絲繩的上方，只存在一個磁回路。由此可知，在兩個永磁體較遠(yuǎn)時，鋼絲繩截面外圈的磁感應(yīng)強(qiáng)度周圈相等，因此在保證磁場強(qiáng)度足夠大的情況下，單磁回路檢測鋼絲繩依然有效。為節(jié)省儀器的使用材料和減輕探傷儀的重量，可以使用單磁回路檢測鋼絲繩的方式。

2.2 漏磁動態(tài)仿真

設(shè)定斷絲的鋼絲繩由左至右運(yùn)動，使得斷絲位置由(0，-30，0)運(yùn)動到(0，30，0)，每次運(yùn)動步長為0.1mm，用于仿真鋼絲繩運(yùn)動的過程。

圖13 點(diǎn)(0，0，2)處各方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

經(jīng)過歷時15h的仿真過程，得到圖13所示點(diǎn)(0，0，2)處各方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，此點(diǎn)為了仿真霍爾元件檢測的真實(shí)效果，單個霍爾元件在檢測工作中只能檢測一個方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度分析數(shù)據(jù)見表3。由結(jié)果可以得到每一個方向都可以檢測到斷絲信號，其中Y方向和Z方向谷峰差值較大，Y方向出現(xiàn)的峰值最大，為0.168 Tesla，剛好達(dá)到霍爾元件最大量程。當(dāng)條件只允許放置單個方向霍爾元件的前提下，應(yīng)當(dāng)選擇Y方向放置，使霍爾元件平面與鋼絲繩截面方向平行。

表3 檢測得磁感應(yīng)強(qiáng)度分析

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

本研究基于漏磁仿真原理，建立Maxwell實(shí)體模型，對礦用鋼絲繩檢測模型進(jìn)行有限元分析，首先對模型各參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整，并進(jìn)行了動態(tài)仿真，記錄了帶有損傷的鋼絲繩檢測的全過程?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

1)對于直徑10mm的鋼絲繩，探傷儀兩端的永磁體磁場強(qiáng)度應(yīng)約為3×106A/m，兩永磁體的距離控制在160±10mm。

2)探傷儀提離值應(yīng)嚴(yán)格控制2～3mm，超過5mm將不起作用，保證距離精度?；魻栐嚯x鋼絲繩很近，做相應(yīng)的對中機(jī)構(gòu)和減震機(jī)構(gòu)是下一步工作的重點(diǎn)。

3)多霍爾元件圓周陣列的形式檢測不到鋼絲繩斷絲的相位，使用單個霍爾元件即可。

4)在保證磁場強(qiáng)度足夠大的情況下，單磁回路檢測鋼絲繩依然有效。為節(jié)省儀器的使用材料和減輕探傷儀的重量，可以使用單磁回路檢測鋼絲繩的方式。

5)霍爾元件平面與鋼絲繩截面方向平行是檢測鋼絲繩漏磁信號最有效的方式，可以得到最大的輸出信號。

3.2 展望

對鋼絲繩的動態(tài)檢測技術(shù)的研究是一個涉及材料學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等多個學(xué)科的內(nèi)容，需要長期不斷地探索才能真正解決理論與實(shí)際中的難題。本文對鋼絲繩檢測的探索僅僅是一次嘗試，還有很多需要解決的實(shí)際問題：

1)本文在建模過程中鋼絲繩使用圓柱形代替，鋼絲繩是一個復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，下一步將試采用螺旋結(jié)構(gòu)模擬鋼絲繩的檢測過程，使其更貼近于實(shí)際的檢測現(xiàn)場。

2)第二代鋼絲繩探傷儀的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在控制提離值和保證對中性，并提高檢測過程中的運(yùn)行精度。