鋼絲繩弱磁探傷數值模擬及實驗研究

史 榮 王 雷 王勁東 郭 鵬

1.燕山大學河北省并聯機器人與機電系統實驗室，秦皇島，066004 2.中國科學院國家空間科學中心，北京，100190

0 引言

鋼絲繩是工業生產中廣泛應用的一種撓性承拉件，一旦失效則會發生重大安全事故。防止在役鋼絲繩失效的有效方法是對其進行定期檢測或在線監測。目前鋼絲繩探傷的主要手段是磁檢測技術，即在對鋼絲繩進行磁加載情況下，檢測其漏磁場分布，依據漏磁通的變化規律，判斷鋼絲繩是否存在缺陷、缺陷類型、是否達到報廢準則等［1－2］。

然而，由于鋼絲繩是由多股鋼絲捻制而成，其漏磁場分布十分復雜，既包括股間漏磁場，也包括由缺陷引起的漏磁場。為了研究捻股鋼絲繩漏磁場分布規律，本文用ANSYS軟件對鋼絲繩表面漏磁場進行了有限元仿真，研究了在弱磁激磁條件下，無缺陷及有缺陷鋼絲繩表面的磁感應強度，以及鋼絲繩周圍空氣中的漏磁場分布狀態，分析了漏磁場信號的強度，為鋼絲繩弱磁探傷裝置的研制提供了理論依據。

在數值模擬的基礎上，采用火星探測器安裝的高精度MR01型磁阻式傳感器，搭建了基于弱磁的鋼絲繩缺陷檢測平臺，得到了斷絲缺陷狀態下的漏磁場實測波形，驗證了理論分析的正確性。

1 鋼絲繩的磁化

鋼絲繩的磁化方式分為線圈磁化與永磁體磁化，隨著永磁材料的發展，采用永磁鐵對鋼絲繩進行磁化已經成為主要手段。

圖1為典型的鋼絲繩磁化特性曲線和磁導率隨磁場強度變化曲線，圖中Hμm為磁導率μ取最大值時的磁場強度［3］。

在鋼絲繩無損檢測中，以磁化強度Hμm為分界點，將無損檢測分成兩類：Hμm以左是弱磁檢測的范圍，Hμm以右是強磁檢測的范圍。目前工程實踐中應用的主要是強磁檢測技術，其主流機型為磁化與檢測系統分開的分離式檢測系統。強磁檢測技術存在的主要問題是，傳感器靈敏度較低，檢測速度受到一定限制。而弱磁檢測技術磁化強度低，物體受磁場束縛力小，傳感器靈敏度高，允許傳感器與鋼絲繩表面有較大間隙，可提高檢測速度，且磁化方法簡單，易實現檢測儀器的輕型化，因此，弱磁檢測是鋼絲繩探傷的一項新技術［4］。

圖1 鋼絲繩的磁化特性曲線

2 鋼絲繩漏磁場有限元分析

對鋼絲繩進行磁化后，其漏磁場彌漫于整個空間，因此采用有限元法對鋼絲繩的漏磁進行仿真是空間磁場分析的理想方法。

有限元商業軟件ANSYS提供了多種用于模擬電磁現象的單元、材料磁特性及后處理功能，為用戶進行各種狀態下的磁場分析提供了強有力的工具［5］。

2.1 算例

本文所采用的算例如圖2所示，鋼絲繩直徑為36mm、鋼絲直徑為3mm、鋼絲繩有效截面積為567.254mm3，型號為6×19S＋FC。

圖2 鋼絲繩截面

2.2 基本假設及磁加載

對鋼絲繩漏磁場進行有限元分析，基本假設條件如下：①假設鋼絲繩中無剩磁且應力不影響鋼絲繩內磁場的分布；②假設鋼絲繩各方向上的磁導率相同；③鋼絲繞繩芯成螺旋狀，鋼絲繩芯部和鋼股周圍由空氣充填。

鋼絲繩的磁加載采用徑向磁化方法。極靴為φ40mm的半圓環型軟鐵，永久磁鐵為方形釹鐵硼磁鐵，磁鐵的剩余磁化強度為1.19T，相對磁導率為1.8H／m［6］。

軟鐵和鋼絲繩的磁化特性曲線如圖3所示。

圖3 軟鐵和鋼絲繩的B－H曲線

2.3 有限元模型的建立

對磁路而言，非鐵磁材料所占的空間不能作為磁絕緣體，因此磁場有限元分析屬于無限域分析。為了使仿真更接近于實際，整個模型使用了SOLID97和INFIN111兩種單元，網格劃分如圖4所示。

圖4 模型的網格劃分

本模型采用遠場單元來模擬無限空間，可以不施加磁通邊界條件，但使用遠場單元后，必須在模型外表面施加遠場標志，否則，程序不能識別哪里是無限空間。

3 計算結果分析

3.1 漏磁場分布

3.1.1 無缺陷鋼絲繩表面漏磁場分布

在圖4所示的磁路中，大部分磁通通過磁鐵、軟鐵、鋼絲繩及磁靴組成的主磁路閉合，小部分磁通通過鋼絲繩表面泄漏到空氣中，因此空氣中存在漏磁場。圖5所示為鋼絲繩表面的磁感應強度分布狀態，在無缺陷情況下，靠近磁鐵處，磁場最強，中間位置磁場較弱，且軸向分布均勻（圖5a）。

3.1.2 有缺陷鋼絲繩表面磁場分布

圖5b為有缺陷狀態下鋼絲繩的磁感應強度云圖。設鋼絲繩的缺陷尺寸為2mm×5mm×2mm，等效于一根斷絲狀態。由圖可見，在缺陷處磁感應強度急劇減小，說明缺陷處的部分磁力線已經泄漏到空氣中。

圖5 鋼絲繩磁感應強度云圖

3.2 鋼絲繩周圍空氣中漏磁場3D仿真

為了研究鋼絲繩周圍空氣中的漏磁場分布，取距離鋼絲繩表面5mm處圓柱面上空氣中的漏磁場進行分析。

圖6為空氣中的漏磁場分布圖。圖中，角度軸α為鋼絲繩的圓周方向按180°展開，距離軸L為鋼絲繩長度方向，坐標原點位于0處，截取的絕對長度為20mm，縱軸為漏磁感應強度B。

圖6 鋼絲繩周圍空氣中的漏磁場

圖6a為鋼絲繩無缺陷時空氣中的漏磁場分布圖。由圖可見，鋼絲繩表面空氣中的漏磁場分布與其形狀相對應，漏磁感應強度的幅值沿鋼絲繩圓周方向呈周期性變化，周期為繩股的節距。其中在鋼絲處漏磁幅值較大，股間的漏磁幅值較小，而沿著鋼絲繩長度方向，漏磁感應強度幅值基本一致，漏磁場分布比較均勻。

圖6b為鋼絲繩局部存在斷絲缺陷時空氣中的漏磁場分布圖，由圖可見，在缺陷影響下，漏磁感應強度的周期分布規律及均勻分布規律被破壞，缺陷處的磁感應強度明顯增加。在本算例中，模擬缺陷為一根斷絲，斷口長度為2mm，其磁感應強度最大幅值達到11.6×10－5T，是無缺陷漏磁場磁感應強度幅值的1.5倍。而且，缺陷幾何尺寸越大，漏磁感應強度就越大。

由上述分析結果可見，在弱磁激勵情況下，距離鋼絲繩表面5mm處空氣中的漏磁場感應強度變化明顯，可為磁傳感器提供一個與缺陷相關的漏磁信號。

4 實驗驗證

為了研究鋼絲繩弱磁探傷的實用性與可操作性，并對理論分析結果進行驗證，在燕山大學河北省并聯機器人與機電系統實驗室搭建了弱磁探傷實驗平臺，進行了以研究不同激磁強度，不同磁路長度、不同傳感器提離量及不同鋼絲繩缺陷等狀態下的鋼絲繩探傷實驗。

6×19S＋FC鋼絲繩為本文算例的物理模型，采用人為模擬斷絲，檢測元件為MR01型磁阻式傳感器［7］，實驗條件及參數設計見文獻［8］。

圖7a、圖7b分別為2根斷絲和1根斷絲時傳感器的輸出波形，由圖可見，在缺陷處漏磁場產生明顯突變，其幅值變化率比模擬計算結果更明顯。而且實測波形的時間歷程及幅值變化與斷絲狀態相對應，斷絲數越多，幅值越高；斷口越短，波形越集中，因此由實驗波形可對鋼絲繩斷絲狀態提供定量分析。

圖7 鋼絲繩缺陷處漏磁場實測波形

由圖7可見，缺陷處的實測波形與仿真分析結果一致，證明了仿真分析方法的正確性。

5 結論

①建立了絞線鋼絲繩有限元模型，實現了對鋼絲繩周圍空氣中漏磁場分布的3D仿真，計算結果表明，在無缺陷情況下空氣中的漏磁場分布與鋼絲繩的擰股形狀相對應。②當鋼絲繩存在缺陷時，其周圍空氣中的漏磁場幅值變化明顯，可為傳感器的選擇與磁路設計提供依據。③實驗結果表明，在弱磁加載情況下，鋼絲繩缺陷的實測波形與數值模擬結果一致，證明了有限元分析方法的正確性及弱磁探傷的可行性。

［1］彭樹彥.提升絞車鋼絲繩損傷定量檢測技術的探索［J］.煤炭技術，2008，27（3）：159－160.Peng Shuyan.Lifting Hoist Steel Wire Damage Quota Examination Technol Ogy Exploration［J］.Coal Teachnology，2008，27（3）：159－160.

［2］趙成.鋼絲繩缺陷分析和診斷［C］／／中國石油學會第六屆青年學術年會.大慶，2009：1－15.

［3］兵器工業無損檢測人員技術資格鑒定考核委員會.常用鋼材磁特征曲線速查手冊［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［4］陶德馨，艾麗斯佳.基于弱磁探傷的鋼絲繩無損檢測技術［J］.中國工程機械學報，2009（1）：96－99.Tao Dexin，Ai Lisijia.Nondestructive Testing Technology for Wire Ropes Based on Weak Magnetic Flaw Detection［J］.Chinses Journal of Construction Machinery，2009（1）：96－99.

［5］ANSYS，Inc.Low－frequency Electromagnetic A－nalysis Guide［M］.Canonsburg：ANSYS，Inc.，2010.

［6］嚴密，彭曉領.磁學基礎與磁學材［M］.杭州：浙江大學出版社，2006.

［7］王勁東，趙華，周斌.火星空間環境磁場探測研究——“螢火1號”磁強計的研制與應用［J］，物理，2009（11）：785－792.Wang Jingdong，Zhao Hua，Zhou Bin.Martian Space Environment Magnetic Field Research：Development and Application of the YH－1Precision Magnetometer［J］.Physical，2009（11）：785－792.

［8］郭鵬.基于弱磁探傷的鋼絲繩無損檢測技術試驗研究［D］.秦皇島：燕山大學，2011.